АТМОСФЕРНА
ЦИРКУЛЯЦІЯ
Поняття про загальну
циркуляцію. У повітряному океані
постійно відбувається рух: урагани, шторми, смерчі, пилові бурі, снігові заметілі...
Ці грізні явища іноді завдають людям значної шкоди, а то й сіють смерть.
Загальною циркуляцією атмосфери називають систему
крупномасштабних повітряних течій на Землі, тобто таких течій, які за своїми
розмірами відповідають великим частинам материків та океанів. Від загальної
циркуляції атмосфери відрізняють місцеві циркуляції. Це бризи на узбережжях
морів і океанів, гірсько-долинні вітри, льодовикові вітри та ін. Місцеві циркуляції
часом і в окремих районах накладаються на течії загальної циркуляції.
- Перенесення забруднення повітряними масами
- Зональність загальної циркуляції в зв'язку з зональним розподілом
тиску
- Загальне західне перенесення у тропосфері та стратосфері.
- Східне перенесення у тропіках та полярних широтах.
- Струменеві течії.
- Меридіональні складові загальної циркуляції та міжширотний
обмін повітрям.
- Центри дії атмосфери.
- Повітряні маси і головні фронти.
- Циркуляція в тропіках.
- Пасати.
- Тропічні мусони.
- Тропічна зона конвергенції.
|
 |
В циркуляції атмосфери
найважливіша роль належить циклонам та антициклонам, що впливають на погоду
різних куточків нашої планети.
Циклон
- це атмосферне збурення з пониженим тиском у центрі та вихровим рухом повітря.
Розрізняють циклони нетропічні і тропічні. Останні мають особливі властивості
і з'являються дуже рідко. Під ураганом розуміють
вітер великої руйнівної сили будь-якого походження, швидкість якого понад 30
метрів за секунду. Розрізняють урагани полярних і субполярних широт, що виникають
під час зустрічі теплих і холодних повітряних мас, та тропічні.
 |
Тропічні
циклони Тропічні урагани - циклони виникають тільки в
низьких широтах біля екватора, між 5° і 20° північної і південної півкуль
над поверхнею океану. Від нетропічних вони відрізняються
своїм розміром (діаметр складає лише 200-500 км), чіткою концентрацією
енергії в невеликому просторі, різкими перепадами тиску та високими швидкостями
вітру. Розглянемо ці різниці детальніше: нетропічні циклони мають діаметр
в 5-10 разів більше, ніж тропічні; перші характеризуються більш-менш невеликими
перепадами тиску. В тропічних циклонах тиск нижче 950 гПа - звичайне явище.
Існує також різниця у величині баричного градієнту. Для нетропічних циклонів
типовим є баричний градієнт 1-3 гПа на 100 км, в той час, коли для тропічних
циклонів баричний градієнт досягає 60 гПа на 100 км, а в центрі циклона
він може дорівнювати 20 гПа на 20 км. При проходженні тропічного циклона
тиск за 10-20 хвилин може змінитись приблизно на 40 гПа, звідси й різниця
в швидкості вітру: для нетропічних циклонів нормальна швидкість вітру
5-10 м/сек., в тропічних же циклонах вона дорівнює 50-70 м/сек., при рекордній
швидкості біля 100 м/сек. У різних частинах світу тропічні
циклони звуться по-різному. На Далекому Сході вони відомі
під назвою тайфун - великий вітер. Біля східних берегів Австралії
їх називають віллі-віллі - сильний вітер, на Кубі і Гаїті - хуракан
- злий дух і
циклон - в Бенгальській затоці. Щороку над земною оверхнею
утворюється в цілому 70-80 тропічних циклонів, але лише невелика їх частина
досягає руйнуючої сили, а з них, в свою чергу, тільки незначна частина
захоплює сушу. Від тропічних циклонів
найбільше потерпають в Атлантичному океані Малі і Великі Антильські острови,
узбережжя Мексиканської затоки і південний схід США. |
В Тихому океані вони
найчастіше бувають в районі Філіппінських і Японських островів, біля берегів
В'єтнаму, Китаю, іноді, хоча і слабші, заходять і на російське Примор'я.Тропічний
циклон - це, образно кажучи, велетенський тепловий насос, вхідний отвір якого
захоплює сотні квадратних метрів просторів океану. Цей насос всмоктує вологе
повітря з поверхні океану, яке піднімається над центром урагану на 10 -12 км
заввишки. Особливість тропічних циклонів - сезонність. Вони виникають наприкінці
літа і на початку осені. Майже завжди супроводяться велетенськими чорними грозовими
хмарами, потужністю 12-14 км і завширшки до 800 км. У центрі такої закругленої
або овальної форми хмари знаходиться величезна «лійка» - зона, що називається
«оком урагану», діаметр основи якої 10-35 км. В цій зоні циклону дуже слабкий
вітер або зовсім спокійно, вдень сонячно, тоді як навколо вирують неймовірні
вихори. Протягом року на земній
кулі буває близько 70-ти тропічних циклонів. Меншу руйнівну силу мають
урагани та смерчі (торнадо) помірного поясу, але й вони завдають значної шкоди.
Смерч - це вихор, що виникає в грозовій хмарі у вигляді величезної лійки, яка
під час руху неймовірно швидко обертається. При повному розвитку смерч досягає
землі і, рухаючись по ній, робить жахливі спустошення.
Цей природний вихор значно менший за розмірами, ніж ураган; його діаметр
становить від кількох десятків до кількох сотень метрів. Одна, на відміну від
урагану, смерч має значно більшу концентрацію енергії на одиниці площі.
Швидкість обертання смерчу надзвичайно велика. Вона іноді дорівнює швидкості
звуку в повітрі і становить 300-330 м/с. Внаслідок вихрового
руху повітря в область циклона втягуються різні за температурою повітряні
маси з різних широт Землі. З цим пов'язана температурна асиметрія циклона: в
різних його секторах температури повітря різні. Це відноситься особливо до рухомих
циклонів, що виникають на головних фронтах тропосфери (арктичних, антарктичних,
полярних). Спостерігаються, однак, слабкі, ("розмиті") циклони над теплими частинами
земної поверхні (пустелі, внутрішні моря) - так звані термічні депресії - малорухомі,
з достатньо рівномірним розподілом температури. З висотою ізобари поступово
втрачають замкнену форму. Це відбувається по-різному, в залежності від стадії
розвитку циклона та від розподілу температури в ньому. На початковій стадії
розвитку рухомий (фронтальний) циклон охоплює лише нижню частину тропосфери.
В стадії найбільшого розвитку циклон може розповсюджуватися по всій висоті тропосфери
і навіть простягатися до нижньої стратосфери. Термічні депресії завжди обмежуються
нижньою тропосферою. Весь процес еволюції
окремого циклона займає декілька днів; серія циклонів і центральний циклон можуть
існувати один-два тижні. У кожній півкулі в кожну мить можна виявити декілька
головних фронтів і пов'язаних з ними серій циклонів; загальна кількість циклонів
за рік складає багато сотень над кожною півкулею.Існують певні широти і області
в яких утворення головних фронтів та фронтальних збурень відбувається відносно
регулярно. В результаті існують певні географічні закономірності у повторюваності
виникнення й переміщенні циклонів і антициклонів та їх серій, тобто в так званій
циклонічній діяльності. Однак
впливи суши і моря, топографії, орографії та інших географічних факторів на
утворення та переміщення циклонів і антициклонів та їх взаємодію роблять загальну
картину циклонічної діяльності дуже складною і непостійною. Циклонічна діяльність
призводить до міжширотного обміну повітрям, кількістю руху, тепла, вологи, що
робить її найважливішим фактором в загальній циркуляції атмосфери.
Антициклони
Антициклон - це область
в атмосфері, що характеризується підвищеним тиском повітря. На картах розподілу
тиску антициклон має вигляд концентричних замкнених ізобар неправильної, приблизно
овальної форми. Найвищий тиск - у центрі антициклона й зменшується до периферії.
Тиск на рівні моря підвищується до 1025-1040 гПа, а іноді (наприклад, взимку
в Азії) - до 1070 гПа. Антициклони повсякденно розвиваються у тропосфері
поряд з циклонами. Ті й інші є частинами загальної циркуляції атмосфери, створюючи
міжширотний обмін повітря. На протязі року над кожною півкулею з'являється
багато сотень антициклонів. Тривалість існування окремого антициклона - декілька
діб, а іноді й тижнів. Як і циклони, антициклони переміщуються в напрямку
загального переносу повітря в тропосфері, тобто з заходу на схід, відхиляючись
при цьому до низьких широт. Середня швидкість переміщення антициклона - біля
30 км/г в Північній півкулі та біля 40 км/г в Південній, але нерідко приймає
малорухливий стан. Вітер в антициклоні дме, обгинаючи центр антициклона у
Північній півкулі за стрілкою годинника, в Південній - проти стрілки годинника,
створюючи тим самий гігантський вихор. Розмір антициклона в поперечнику порядку
тисяч км. Вище так званого шару тертя, тобто у середньому вище
1000 м, вітер в антициклоні дме майже по ізобарах, але у шарі тертя він значно
відхиляється від ізобар назовні, у земної поверхні - на кут, ближчий до 30
градусів. Це розтікання повітря з області антициклона у нижчому шарі супроводжується
втіканням його до антициклона до вищих шарів атмосфери і повільним опусканням
- осіданням. При осіданні повітря адіабатично нагрівається і віддаляється
від стану насичення. Тому температура тропосфери в антициклоні підвищена (тільки
над самою поверхнею суходолу взимку вона може бути дуже низькою), хмарність
мала, опади, як правило, відсутні. Вітри у внутрішній частині антициклона
слабкі, але посилюються до периферії. По мірі розвитку антициклона
і підвищення у ньому температури зростає й висота антициклона: замкнені ізобари
виявляються на все більш вищих рівнях у тропосфері і навіть у нижчій стратосфері.
Стратосфера в антициклоні починається на більшій висоті, ніж в циклоні, і
температура більш низька.
Фронти в атмосфері
В атмосфері постійно
створюються такі умови, коли дві повітряні маси з різними властивостями розташовуються
одна поруч іншої і при цьому розділені вузькою перехідною зоною - фронтом. У
зоні фронту, при переході від однієї повітряної маси до іншої, температура,
вітри і вологість повітря більш-менш різко міняються. Зона фронту завжди має
якусь ширину в горизонтальному напрямку і якусь товщину по вертикалі. Однак
і ширина, і товщина фронту дуже невеликі в порівнянні з розмірами поділюваних
ним повітряних мас. Тому, ідеалізуючи дійсні умови, можна представляти фронт
як поверхню розділу між повітряними масами. У перетинанні з земною поверхнею
фронтальна поверхня маже утворити лише лінію фронту, що також коротко називають
фронтом. При такій ідеалізації можна розглядати фронт також і як поверхню розриву,
розуміючи під цим, що температура і деякі інші метеорологічні елементи різко
міняються в зоні фронту. Дуже важлива та обставина, що фронтальні
поверхні проходять в атмосфері похило. Якби обидві повітряні маси були нерухомими,
поверхня фронту між ними проходила б горизонтально,
паралельно горизонтальним
ізобаричним поверхням; тепле повітря лежало б при цьому над холодним.
Але, оскільки повітряні маси рухаються, поверхня фронту може існувати і зберігатися
тільки за умови, що вона нахилена до поверхні рівня і стало бути, до рівня моря.
При цьому кут нахилу залежить від швидкостей, прискорення і температур повітряних
мас, а також від географічної широти і від прискорення сили тяжіння. Теорія
і досвід показують, що кути нахилу фронтальних поверхонь до земної поверхні
дуже малі, порядку кутових мінут. Тангенс кута нахилу називають просто нахилом
фронту. Він має порядок величини від 0,01 до 0,001. Таким чином, фронти проходять
в атмосфері дуже положисто. При віддаленні від лінії фронту на кілька сотень
кілометрів фронтальна поверхня виявиться усього на висоті декількох кілометрів.
Але все-таки дуже важливо, що повітряні маси, поділені такою поверхнею, розташовуються
не тільки одна поруч з іншою, але й одна над одною. При цьому холодне повітря
лежить під теплим повітрям у вигляді вузького клина. На кресленнях кут нахилу
фронтальної поверхні по необхідності приходиться перебільшувати.
По обидва боки від поверхні
фронту тиск однаковий. Але при переході з однієї повітряної маси в іншу, з іншими
температурами і швидкостями, ізобаричні поверхні змінюють свій напрямок, «ламаються».
Це значить, що на поверхні фронту випробують розрив баричні градієнти. Якщо
мати на увазі основне рівняння статики, з якого випливає, що баричний ступінь
у теплому повітрі більше, ніж у холодному (і, стало бути, більше вертикальні
відстані між ізобаричними поверхнями), то при геострофічному вітрі в обох повітряних
масах можливі три основних типи розподілу тиску і вітри біля поверхні фронту.
Фронти в атмосфері не існують постійно. Вони виникають заново, загострюються,
розмиваються, зникають. Але умови для їхнього утворення завжди існують у тих
чи інших частинах атмосфери, і тому фронти не є рідкою випадковістю, а є постійною,
повсякденною особливістю атмосфери. Звичайний
механізм утворення фронтів (фронтогенезу) в атмосфері - це кінематичний механізм:
фронти виникають під впливом таких полів руху повітря, що зближають між собою
повітряні частки з різною температурою (і іншими властивостями). У визначеній
зоні горизонтальні градієнти температури ростуть, що й означає утворення різкого
фронту, замість поступового переходу між повітряними масами. Аналогічно
вже існуючі фронти можуть розмиватися, тобто перетворюватися в широкі перехідні
зони і згладжуватися. Фронти можуть у деяких випадках виникати і під безпосереднім
тепловим впливом поверхні, що підстилає, наприклад уздовж крайки льодів чи на
межі снігового покриву. Але цей механізм утворення фронтів має мале значення
в порівнянні з кінематичним фронтогенезом.
Типи
фронтів У дійсних умовах фронти,
як правило, не рівнобіжні повітряним плинам (течіям), тобто не співпадають
по напрямку. Вітер по обидві сторони фронту має складові, нормальні до фронту;
тому самі фронти не залишаються в незмінному положенні, а переміщаються.Фронт
може переміщатися або убік більш холодного повітря, або убік більш теплого
повітря.Якщо лінія фронту переміщається
по земній поверхні убік більш холодного повітря, це значить, що клин холодного
повітря відступає і місце, що звільняється їм, займає тепле повітря. Такий
фронт називають теплим фронтом. Проходження теплого фронту через місце
спостереження приводить до зміни холодної повітряної маси теплою повітряною
масою, отже, до підвищення температури і до визначених змін інших метеорологічних
елементів.Якщо лінія фронту переміщається убік теплого повітря, це значить,
що клин холодного повітря просувається вперед і тепле повітря перед ним відступає
або витісняється нагору наступаючим холодним клином. Такий фронт називають
холодним фронтом. Його проходження створює зміну теплої повітряної
маси на холодну і, у зв'язку з цим, зниження температури і різкі зміни інших
метеорологічних елементів.
|
У зонах фронтів (чи,
як звичайно говорять, на фронтальних поверхнях) виникають вертикальні
складові швидкості руху повітря. Найбільш важливий той особливо частий
випадок, коли тепле повітря знаходиться в стані висхідного ковзання,
тобто коли одночасно з горизонтальним рухом він ще переміщається нагору над клином холодного повітря. Саме з цим
зв'язаний розвиток над фронтальною поверхнею хмарної системи, з якої
випадають опади. У випадку теплого фронту висхідне ковзання охоплює
могутні шари теплого повітря над усією фронтальною поверхнею і виникає
велика система високо-шаруватих, шарувато-дощових
хмар з облоговими опадами. У випадку холодного фронту висхідний
рух теплого повітря обмежено більш вузькою зоною й особливо сильно
перед холодним клином, де тепле повітря витісняється холодним. Хмари
тут будуть значною мірою мають характер купчасто-дощових зі зливовими
опадами і грозами. В атмосфері при еволюції циклонів виникають
і більш складні комплексні фронти, що представляють собою об'єднання
двох чи декількох фронтальних поверхонь. Це - фронти оклюзії. Вони
також зв'язані з хмарними системами. Дуже істотно, що всі
фронти зв'язані з улоговинами в баричному полі. У випадку стаціонарного
фронту ізобари в такій улоговині рівнобіжні самому фронту. Але у випадках
теплого і холодного фронтів ізобари мають форму латинської букви V,
перетинаючись з фронтом, що лежить на осі улоговини. Теплий (вгорі) і холодний (унизу)
фронт у вертикальному розрізі. У зв'язку з цим при проходженні
фронту вітер у даному місці буде змінювати свій напрямок по стрілці
годинника; наприклад, перед фронтом він є південно-східним, а за фронтом
перейде на південний, південно-західний чи західний.
|
|
Фронт і струминний плин
(течія). У попереднім викладі
фронт схематично розглядався як геометрична поверхня розриву. В дійсності фронт
є перехідна зона між теплою і холодною повітряними масами. Температура на фронті
не випробує розриву, а швидко міняється усередині зони фронту. Це значить, що
фронт характеризується збільшеними горизонтальними градієнтами температури. Тільки
усередині тропіків різниці температур на фронті малі і головна ознака фронту стає
збіжність ліній струму.Ми вже знаємо, що горизонтальний
градієнт температури, що досить збігається з горизонтальним баричним градієнтом,
з висотою росте, а з ним росте і швидкість вітру. Звідси випливає, що у фронтальній
зоні між холодним і теплим повітрям, де горизонтальний градієнт температури особливо
великий, баричний градієнт особливо сильно росте з висотою, а з ним і швидкість
вітру досягає дуже великих величин. У результаті у випадку
різкого фронту над ним спостерігається у верхній тропосфері й у нижній стратосфері
в загальному рівнобіжний фронту сильний повітряний плин у кілька сотень кілометрів
шириною, зі швидкостями порядку 150-300 км/год. Вище, в стратосфері, де горизонтальний
температурний градієнт міняється на зворотний, баричний градієнт зменшується з
висотою і швидкість вітру слабшає. Максимальна швидкість вітру спостерігається
поблизу тропопаузи. Зазначені сильні повітряні
плини поблизу тропопаузи називають струменевими або струминними плинами.
У випадку арктичного фронту струминні плини виявляються на більш низьких рівнях.
За певних умов плини існують і в стратосфері. Головні фронти тропосфери
- полярні, арктичні - проходять в основному по широті, причому холодне повітря
розташовується в більш високих широтах. Тому зв'язані з ними струминні плини найчастіше
спрямовані з заходу на схід. Але при різкому відхиленні головного фронту від широтного
напрямку таке ж відхилення має і струминний плин. Струминний плин, зустрічний
стосовно літака, буде зменшувати швидкість польоту; побіжний струминний плин буде,
навпроти, її збільшувати, іноді істотно. Крім того, у зоні струминного плину може
розвиватися сильна турбулентність. Тому облік струминних плинів важливий для забезпечення
повітряного транспорту.
Погода на фронті В атмосфері
безперервно йде боротьба теплих і холодних повітряних мас. То тепле повітря
проникає далеко на північ, то холодне повітря проривається далеко на південь,
то морське вологе повітря стикається з сухим континентальним. Що ж відбувається,
коли тепле повітря насувається на холодну повітряну масу? Холодне повітря має
більшу щільність і тому важче теплого. Коли холодні і теплі повітряні маси стикаються,
то тепле повітря, як більш легке, буде повільно здійматись над холодним. При
підйомі тепле повітря буде охолоджуватись, водяна пара – конденсуватись і створювати
суцільні шаруваті хмари. Чим вище здіймається тепле повітря, тим менше залишається
в ньому вологи і хмари стають менш щільними. І коли повітря підніметься так
високо, що температура його впаде нижче 0°С, виникають хмари, що складаються
з кристаликів льоду. Ці хмари легкі і прозорі. Схожі вони на розпорошене пір'я
або на зібрання пуху. За свою форму і зовнішній вигляд вони називаються пір'ястими.
Спостерігаючи, який вигляд мають хмари на різній
висоті, можна передбачати зміни погоди. Пір'ясті хмари, що швидко рухаються
на тлі ясного неба – попередники зміни погоди. При наближенні теплого повітря
поступово з'являються пір'ясто-шаруваті хмари. Це означає, що у верхніх шарах
атмосфери вже йде тепле повітря, по мірі збільшення його маси хмари стають більш
щільними, вони затягують сонце. Це вже шаруваті хмари. Вони спускаються все
нижче і нижче, небо стає сірим, починаються опади – дощ або сніг. Вони йдуть
до тих пір, поки тепле повітря не заполонить собою весь простір. Тоді опади
закінчуються, хмари розсіюються і наступає потепління як від повітря, так і
від сонця. На блакитному небу пливуть залишки білих купчастих хмар. А що відбувається,
коли холодна повітряна маса вривається в область теплої? Більш важке холодне
повітря з силою насувається на тепле. Воно більш щільніше і важче, діє енергійніше,
тому вторгнення холодного повітря відбувається швидше, ніж теплого. Під натиском
холодного повітря тепле повітря стрімко здіймається догори і швидко охолоджується.
Створюються потужні купчасто-дощові хмари, з яких рясно випадають короткочасні
зливові дощі.При вторгненні холодної повітряної маси взимку зустріч і
боротьба холодного повітря з теплим приносить хуртовини.
|
Повітряні маси дуже рухливі. Вони переміщуються з
різною швидкістю, і якщо в одному місці холодне повітря відтісняє тепле,
то в іншому, навпаки, тепле повітря проникає на місце холодного. Межа
дотику теплих і холодних повітряних мас – повітряний фронт – не буває
рівною. Нерідко тепле повітря вдається в масу холодного повітря . Тоді
холодне повітря, як більш щільне, виштовхує його. При цьому відбувається
завихрювання повітряних течій і потужний висхідний рух теплого повітря.
Коли тепле повітря відривається від поверхні землі і здіймається догори,
в холодному повітрі вихороподібний рух зберігається ще деякий час. У центрі
вихору, де здіймається вгору тепле повітря, тиск падає. Така область приземного
шару атмосфери з пониженим тиском у центрі називається циклоном. У зв'язку з тим, що повітря тече від місць з високим тиском
до місць з більш низьким тиском, то в циклоні виникають вітри з напрямком
від околиць до центру. Вони дмуть проти стрілки годинника, тому що в північній
півкулі внаслідок обертання Землі вітри відхиляються вправо, а в південній
півкулі – навпаки. |
 |
|
Циклони поширюються на великі території і пересуваються головним
чином із заходу на схід. Вони виникають над північною частиною Атлантичного
океану та Середземним морем і звідти приходять на Україну. Влітку циклони
нерідко утворюються і безпосередньо над Європою, де континентальне повітря
помірних широт стикається з морськими масами помірного або тропічного
повітря. Там, де проходять циклони, погода змінюється, що видно на плані
і вертикальному розрізі циклону. Циклон приносить вітряну хмарну
погоду; влітку дощову, а взимку – зі снігопадами. На протилежність циклонам в атмосфері виникають області підвищеного
тиску, з найбільш високим тиском у центрі. Це – антициклони. Напрямок вітру в антициклоні
– від центру до периферії. Погода в антициклонах частіше за
все буває малохмарна, суха, на рівнинах влітку сонячна і спекотна, а взимку
– сонячна і морозяна, особливо вночі. Завжди дуже важливо
знати, як може змінитися погода найближчими днями. Тоді можна попередити
несприятливий вплив її на сільське господарство, застерегти транспорт
від можливих снігових заносів, дати необхідну інформацію про стан атмосфери
льотчикам, капітанам суден і т.д. Цим і займається метеорологія, яка вивчає
причини змін погоди і встановлює способи їх передбачення, тобто прогнозу,
на найближчі дні, на тиждень вперед, на місяць, рік і більше. |
 |