Циркуляция атмосферы

Лучистая энергия Солнца — это основной источник движения воздуха. Распределяется она на земном шаре неравномерно. В этом причина возникновения ветра. В экваториальную и тропическую зоны Земли солнечной радиации поступает больше, чем в умеренные и особенно в высокие широты, поэтому воздух в низких широтах нагревается больше, чем в умеренной зоне и полярных областях. Между теплыми и холодными массами воздуха возникает разность температуры и атмосферного давления. Это и порождает ветер. Простой пример возникновения ветра — бриз. Он возникает из-за разности температур воздуха над морем и сушей. Днем воздух над сушей нагревается сильнее, чем над морем. Нагретый воздух поднимается, и на его место приходит воздух с моря. Ночью происходит обратное явление: суша охлаждается больше, а море остается теплым. Тогда воздух над морем поднимается, а на его место приходит воздух с суши. Приблизительно так же возникают и более мощные ветры. Они дуют из ббласти высокого в область низкого давления. Это происходит до тех пор, пока существует разность давления. Однако за исключением узкой зоны у экватора на направление и силу ветра действуют и другие силы. Одна из них — отклоняющая сила вращения Земли, называемая силой Кориолиса. Под ее действием ветер выше слоя трения, т. е. на высоте около 1 км, дует не вдоль градиента, а отклоняется от него на 90°. В приземном же слое воздуха действует и сила трения (с поверхностью Земли), которая уменьшает скорость ветра и отклоняет его влево от изобар. При сближении теплого и холодного воздуха горизонтальные градиенты температуры, влажности и давления увеличиваются, а скорость ветра возрастает. При отдалении различно нагретого воздуха градиенты уменьшаются, ветры ослабевают. Зоны, в которых холодные и теплые воздушные массы сближаются, называют переходными или фронталъными. Такие неспокойные зоны ежедневно возникают и разрушаются в воздушном океане над умеренными и полярными областями обоих полушарий. Ширина фронтальных зон невелика — обычно 1—2 тыс. км. Но на фронтах, из-за разности температур и давлений, концентрируются большие запасы кинетической энергии и возникают крупнейшие атмосферные вихри — циклоны и антициклоны. Развиваясь, они по вертикали достигают десятков километров, охватывая всю тропосферу и нижние слои стратосферы, а в диаметре достигают 2— 3 тыс. км, т. е. могут, например, охватить всю Европейскую часть СССР от Мурманска до Кавказа. И не удивительно, что в таких грандиозных вихрях теплые массы воздуха из экваториальной зоны и тропиков переносятся в умеренные и высокие широты, а холодные — в тропики и экваториальную зону. В результате температура в высоких широтах относительно повышается, а в низких широтах — понижается.

Изменение температуры с высотой в атмосфере Земли (от экватора к полюсу), слева — в зимний период; справа — в летний период.

С циклонами обычно связана облачная с осадками погода, а с антициклонами — ясная и малооблачная. В циклоне преобладают восходящие движения воздуха, способствующие конденсации влаги, а в антициклоне — нисходящие, при которых степень насыщения влагой уменьшается. Во внетропических широтах эти атмосферные вихри наблюдаются повсюду, однако есть районы, где одни из них возникают чаще, другие — реже. Как показывают карты среднего месячного давления, в Северном полушарии зимой циклоны чаще всего образуются на севере Атлантики и Тихого океана, а антициклоны — на материках Азии и Северной Америки. Летом циклоны часто возникают и на материках, но они менее интенсивны. Антициклоны летом интенсивны над океанами. В Южном полушарии между зимой (июнь — август) и летом (декабрь — февраль) различие небольшое.

Циклоны чаще наблюдаются вокруг Антарктиды, а антициклоны — в северной части умеренной зоны и в субтропиках, причем их центры располагаются над океанами.

От атмосферного давления зависят и преобладающие ветры. Для низких широт особенно характерны пассаты. Это ветры, постоянно направленные из областей высокого давления в сторону экваториальной зоны. В Северном полушарии они северо-восточного направления, в Южном полушарии — юго-восточного. В отличие от пассатов муссоны — это сезонные ветры, связанные с разностью температуры воздуха над материками и океанами. Зимой эти ветры дуют от холодных материков к теплым океанам, а летом — из сравнительно холодных океанов на нагретые материки. Муссоны типичны для низких широт, особенно на юге и юго-востоке Азии. Появляются они и в умеренной зоне, в частности на Дальнем Востоке.

И пассаты и муссоны — ветры приземного слоя атмосферы. На высотах же картина иная. Во всей умеренной зоне выше 2—3 км преобладают западные ветры. Их средняя скорость на высоте 12 км достигает больших величин: над юго-востоком Северной Америки максимальные средние скорости зонального ветра в январе — 40 м/с, над японскими островами — более 60 м/с и над Аравией — 44 м/с. На севере умеренной зоны и в высоких широтах средние скорости ветра невелики: в основном не выше 10—12 м/с. Однако в отдельные дни при интенсивном развитии циклонов и антициклонов на высотах 9—12 км скорости ветра могут превышать 60—80 м/с. Летом скорости воздушных течений повсеместно ослабевают и даже на высотах не превышают 30—40 м/с.

В последнее десятилетие много нового мы узнали о режиме ветра в стратосфере. Зимой в ней преобладают западные ветры, а летом — восточные. Однако в отдельные зимние месяцы режим ветра и температуры в стратосфере нарушается: возникают сильные и слабые ветры любых направлений и значительно повышается температура, что является следствием крупных меридиональных процессов в тропосфере. Еще многие атмосферные явления исследуются; для этого создается сеть ракетных наблюдений и усовершенствуется приемная аппаратура на метеорологических спутниках Земли.