Циркуляция атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Циркуляция атмосферы

Содержание

Введение

1. Атмосфера1.1 Энергообмен1.2 Строение2. Циркуляция атмосферы3. Антициклон4. Что такое циклон как атмосферное явление

5. Атмосферные фронты5.1 Классификация фронтов

5.2 Высотные фронтальные зоны5.3 Пространственная структура атмосферных фронтовЗаключениеСписок литературы

Введение

Изменчивость погоды общеизвестна и ее капризы ежедневно подтверждаются синоптическими картами и сводками погоды, которые появляются в интернете, газетах и демонстрируются по телевидению.

Основная причина циркуляции атмосферы является солнечная энергия и неравномерность её распределения на поверхности планеты, в результате чего различные участки почвы и воздуха имеют различную температуру и, соответственно, различное атмосферное давление (барический градиент). Кроме солнца на движение воздуха влияет вращение Земли вокруг своей оси и неоднородность её поверхности, что вызывает трение воздуха о почву и его увлечение.

Воздушные течения по своим масштабам изменяются от десятков и сотен метров (такие движения создают локальные ветра) до сотен и тысяч километров, приводя к формированию в тропосфере циклонов, антициклонов, муссонов и пассатов. В стратосфере происходят преимущественно зональные переносы (что обуславливает существование широтной зональности).

1. Атмосфера

Атмосфера - газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования, начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.

На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы - это также и химическая лаборатория, поскольку там, в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.

1.1 Энергообмен

Солнце является главным источником энергии, поступающей на Землю. Находясь на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом, устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен.

Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном - горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом.

Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ - водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы.

Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.

Помимо общего нагревания атмосферы солнечным «светом», значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.

1.2 Строение

По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь. Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ею.

На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью давление воздуха равно весу вышележащего столба атмосферы, приходящемуся на единицу площади. Поэтому с высотой давление монотонно уменьшается; а поскольку оно находится в прямой связи с плотностью, то и плотность воздуха уменьшается с высотой.

Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности около 3% на каждые 100 км высоты.

В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Это происходит при поглощении солнечной ультрафиолетовой радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10 000° С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а, следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.

Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес.

Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума. Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках - 18-20 км, в умеренных широтах - около 10 км) и времени года. Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».

Стратосфера - вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха.

На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаров-зондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы.

Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до -110° С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере.

Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км.

Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство.

2. Циркуляция атмосферы

Циркуляция атмосферы -- система замкнутых течений воздушных масс, проявляющихся в масштабах полушарий или всего земного шара. Подобные течения приводят к переносу вещества и энергии в атмосфере как в широтном, так и в меридиональном направлениях, из-за чего являются важнейшим климатообразующим процессом, влияя на погоду в любом месте планеты.

Изменчивость погоды общеизвестна и ее капризы ежедневно подтверждаются синоптическими картами и сводками погоды, которые появляются в интернете, газетах и демонстрируются по телевидению. Если же нанести на карты средние за один сезон или даже за целый год значения ветра, температуры и других метеорологических элементов, то более недолговечные характеристики, такие, как движущиеся циклоны или антициклоны, будут отфильтрованы и выявятся более простые и яркие характеристики ветров. На такой карте можно найти обширные области, в которых атмосфера ведет себя совершенно определенно. Рассмотрим основные области распределения давления, характеризующие атмосферную циркуляцию. Вблизи экватора виден пояс низкого давления, в котором большую часть года преобладают штиль или слабые ветры,-- эту зону во времена парусного флота мореплаватели называли экваториальной зоной затишья. В период равноденствия (когда Солнце в полдень стоит вертикально над экватором) здесь обычно бывают грозовые шквалы. Эти шквалы формируются в межтропической зоне конвергенции (или на своеобразном тропическом фронте), где сходятся пассаты двух полушарий. Межтропическая зона конвергенции в зависимости от положения Солнца в разные сезоны года перемещается из северного полушария в южное и обратно (можно заметить, что над сушей она движется несколько быстрее, чем над морем). С обеих сторон эту зону окаймляют области высокого давления, известные под названием конских широт. Ветры, движущиеся от этих областей в сторону экватора, и есть пассаты, имеющие в северном полушарии северо-восточное направление, а в южном -- юго-восточное. Эти направления ветров постоянны только в Атлантическом океане, где не сказывается влияние муссонов Юго-Восточной Азии. Севернее и южнее конских широт, т. Е. между 35 и 60°, в обоих полушариях давление понижается по направлению к полюсам. В этих зонах преобладают западные ветры от поверхности земли до нижней стратосферы. В приземном слое они более изменчивы, чем пассаты, особенно в северном полушарии, где в этих широтах сильно развита циклоническая деятельность. Наконец, в очень высоких широтах, около полюсов, лежит небольшая область высокого давления, из которой ветры направлены к умеренным широтам.

Эта простая схема ветров в приземном слое существенно изменяется от сезона к сезону и зависит от неравномерного нагревания суши и моря солнцем -- средний ветер меняет свое направление, интенсивность и даже характер. Например, в умеренных широтах циклоны чаще возникают зимой и движутся по направлению к экватору. Наоборот, субтропические антициклоны становятся особенно мощными летом и движутся по направлению к полюсам. Над континентами летом температура повышается, а атмосферное давление падает, тогда, как зимой имеет место обратное явление. Более четко давление и ветер изменяются при переходе от зимы к лету над Восточной Азией.

Характер ветра нарушают также горные хребты, особенно Скалистые горы, Анды и нагорье Тибет. Эти горные области способствуют превращению высотных западных ветров в серии волн в умеренных широтах. Эти волны, связанные с положением и формой основных высотных антициклонов и семейств циклонов вблизи поверхности земли, вероятно, ответственны в какой-то мере за сезонные изменения давления над континентами и морями. атмосфера погода энергообмен циркуляция

Чтобы получить некоторые сведения о сезонных изменениях общей циркуляции, рассмотрим общий характер ветров в «летнем» и «зимнем» полушариях одновременно. Летняя полусфера представляет простую картину. В тропических широтах до высоты примерно 18 км наблюдаются слабые и непостоянные восточные пассаты; на больших высотах скорость их повышается более чем до 100 км/час. Их называют иногда восточными ветрами Кракатау, потому что более трех лет они несли вулканическую пыль, выброшенную в атмосферу во время грандиозного извержения, которое произошло на острове Кракатау в 1883 г., и развеяли вокруг Земли. Иногда наблюдают восточные ветры и в полярных широтах.

Между поясами низкоширотных и высокоширотных восточных ветров существует система устойчивых западных ветров, которую называют западным переносом. Западные ветры дуют в слое от поверхности земли и до уровня 20 км. В отдельных районах скорость этих ветров резко возрастает, тогда образуются два или три быстро движущихся потока внутри ветровой системы. Такие потоки называются струйными течениями, они располагаются на высотах около 10 или 12 км (сразу под тропопаузой). Скорость ветров в этих потоках доходит до 400 км/ч и более. Впервые со струйными течениями встретились военные самолеты во время второй мировой войны, и с тех пор они исследуются с помощью радиозондов, самолетов и ракет. Сегодня самолеты, летящие с запада на восток, имеют преимущество перед теми, что летят с востока на запад, поскольку они могут воспользоваться этими струйными течениями. (Лишь одно значительное струйное течение направлено с востока на запад, оно развивается летом над Индийским океаном в северном полушарии.) Длина таких быстро несущихся рек воздуха колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Как правило, струйные течения в атмосфере связаны с резко углубляющимися циклонами, которые, двигаясь к экватору, способствуют усилению западных ветров и превращению их в струйные течения.

Зимой положение и интенсивность различных ветровых систем разнообразнее. В высоких широтах (выше 65°) восточные ветры значительно сильнее, чем летом, и проникают дальше к экватору. Выше 15 км в стратосфере восточные ветры заменяются сильными западными ветрами, которые циркулируют вокруг полюса и называются западными ветрами полярной ночи. Обычно различают ось струйного течения и ветры, дующие со скоростями до 300 км/ч на высотах от 25 до 30 км. В середине зимы наблюдаются самые сильные и устойчивые западные ветры в тропосфере, они несут стремительные и глубокие циклоны, гребни и антициклоны и определяют погоду в нижних слоях атмосферы. Если летом они обычно простираются от 35 до 65° широты на уровне моря, то зимой наблюдаются от 30 до 70°. (На высоте примерно 5 км они простираются почти от самого экватора до полюса.) В нижних слоях стратосферы ветры быстро ослабевают с высотой в среднем до 50 км/ч на уровне 20 км. Однако в верхних слоях стратосферы они снова набирают скорость, достигая максимума на высоте примерно 55 км, т. Е. уже в слоях нижней мезосферы. Эти высотные сильные западные ветры называются мезосферными западными потоками.

Вдоль всех этих воздушных потоков, как правило, движутся возмущения. Западные потоки в средних и высоких широтах характеризуются движением особенно мощных циклонов и антициклонов, которые связаны с волнами различных размеров в средней и верхней тропосфере и в нижней стратосфере. Практически карты среднего давления зимой на высоте 3 км и в мезосфере мало чем отличаются одна от другой. Но атмосфера при этом не ведет себя одинаково на всех уровнях. В стратосфере, например, ветры распространяются от холодных областей к теплым, а не наоборот, как в тропосфере. Циркуляция же в стратосфере является скорее охлаждающей, чем нагревающей системой, она усиливает контрасты температуры над различными частями земной поверхности, а не выравнивает их, хотя изменения температуры в целом определяют здесь вертикальные движения. Выше 80 км атмосфера ионизована и подвержена влиянию ряда других факторов, например, электрических и магнитных полей.

В последнее время многое стало известно об общей циркуляции в атмосфере, особенно в северном полушарии. Но даже сейчас по этим данным мы не можем судить о причинах изменения погоды и климата. Сведения об общей циркуляции были пополнены английскими, американскими и скандинавскими метеорологами, исследовавшими баланс углового момента. В качестве отправной точки они избрали предположение, что полная величина энергии и количество водяного пара, неравномерно распределенные по земному шару, должны оставаться постоянными в атмосфере в целом. И затем они смогли обнаружить, где находятся области источников и стоков энергии и водяного пара на Земле и как различные области обмениваются друг с другом запасами энергии и водяного пара.

Чтобы понять, как осуществляется обмен энергией, необходимо помнить, что атмосфера не только вращается вместе с Землей, но также имеет собственное движение вокруг земной оси. Другими словами, атмосфера обладает угловым моментом. Угловой момент тела, движущегося по кругу, пропорционален его скорости, расстоянию от центра круга (в данном случае от земной оси) и его массе. Угловой момент равен произведению трех указанных величин. Как было сказано выше, в низких широтах вообще преобладают восточные ветры (пассаты), а в средних -- западные. Вследствие трения этих ветров о поверхность Земли, которая вращается с запада на восток, на низких широтах возникает значительный угловой момент западных ветров за счет большого здесь радиуса вращения атмосферы. Поэтому низкие широты являются источником углового момента, который переносится в область средних широт, играющих роль стока углового момента ровно настолько, насколько тормозят вращение Земли пассаты. Западный перенос благодаря поверхностному трению ветра о земную поверхность способствует вращению Земли. В целом же скорость вращения Земли остается неизменной. Влияние поверхностного торможения должно было бы в течение примерно 10 дней остановить оба вида циркуляции, после чего атмосфера начала бы вращаться вместе с Землей, не будь этого переноса углового момента западных ветров от низких к высоким широтам. Однако это возможно лишь в равномерно нагретой атмосфере. Угловой момент от низких широт к высоким переносится циркуляцией в ячейке Гадлея и мощными циклонами, идущими из низких широт в высокие. Второй процесс ярче выражен в верхних слоях тропосферы с максимальным переносом на высоте примерно 10 км на широте 32°, т. Е. в области стационарных субтропических антициклонов. Кроме того, момент почти наверняка переносится большими волнами давления в верхних слоях тропосферы и сопровождающим их семейством приземных циклонических и антициклонических возмущений в умеренных широтах.

Подобно угловому моменту энергия переносится с низких широт и малых высот, куда поступает избыточное ее количество, к тем областям, где атмосфера теряет ее путем радиационного охлаждения, т. Е. к высоким широтам и большим высотам. Ветры -- следствие неравномерного нагревания Земли -- стремятся сгладить температурные различия, различия в кинетической энергии, в распределении водяного пара. Поток кинетической энергии относительно мал по сравнению с другими формами энергетического обмена.

Между широтами 30 и 40°, где обмен энергии наибольший, значение выделяемого при конденсации тепла и тепла, связанного с температурой воздуха в переносе энергии, более или менее одинаково. К северу от 40-й параллели больше всего энергии переносится в виде тепла, затраченного на испарение воды в тропиках. Скрытое тепло высвобождается, когда водяной пар конденсируется в облачные капли, особенно интенсивно в средней и верхней тропосфере. Здесь воздух интенсивно охлаждается благодаря длинноволновому излучению облаков в космическое пространство.

Атмосфера содержит примерно постоянное количество влаги, несмотря на неравномерное распределение испарения и осадков по поверхности земного шара. И подобно энергии и угловому моменту, влага переносится от областей, где испарение превышает осадки, к областям стока пара, где наблюдается обратный процесс, т. Е. количество осадков превышает испарение. Таким образом, достигается глобальный баланс влаги. Но вычислить в деталях количество влаги, участвующей в крупно- и мелкомасштабных переносах, люди не в состоянии, так как неизвестно, сколько осадков выпадает над большей частью океанов и над территорией, где нет достаточно густой сети станций. Кроме того, не существует и удовлетворительных приборов для измерения испарения. Правда, довольно точную оценку можно сделать и по некоторым косвенным данным. Некоторые региональные исследования показали, что распределение областей образования и стока водяного пара зависит не столько от широты места, сколько от других более сложных закономерностей. Например, оказалось, что сильно отдаленные друг от друга Мексиканский залив и северо-восточная часть Тихого океана обеспечивают около 90% всех осадков, выпадающих над бассейном реки Миссисипи. Был установлен другой парадоксальный факт: некоторые засушливые районы являются источниками водяного пара в атмосфере. (Здесь можно предположить, что в эти области вода поступает путем подземного стока или в виде рек.) Неудивительно, что меньше всего испарение в полярных районах вследствие низких температур и отсутствия достаточно сильных ветров. Но в средних широтах, особенно там, где часты сильные ветры и имеются теплые моря, испарение весьма интенсивное. Над теплыми океаническими течениями северной части Атлантического и Тихого океанов, например, испарение в год достигает 250 см.

3. Антициклон

Антициклон - это область с повышенным давлением в центре. Благодаря этому движение воздуха в антициклоне направлено от центра (из области более высокого давления) к периферии (в области более низкого давления). В центре антициклона воздух опускается, образуя нисходящие потоки, и растекается во все стороны, т.е. от центра к периферии. При этом он также вращается, но направление вращения противоположно циклоническому - оно происходит по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки - в Южном. Антициклоны в умеренных широтах чаще всего следуют за циклонами, нередко они принимают малоподвижное (стационарное) состояние и также существуют до тех пор, пока давление не выровняется (6-9 суток). В связи с нисходящими движениями в антициклоне воздух не насыщается влагой, облакообразование не происходит и преобладает малооблачная и сухая погода со слабыми ветрами и штилями. Кроме умеренных широт антициклоны в самой большей степени распространены в субтропических широтах - в поясах высокого давления. Здесь это постоянные, существующие в течение всего года атмосферные вихри (области высокого давления): Северо-Атлантический (Азорский) антициклон (максимум) в районе Азорских островов и Южно-Атлантический антициклон; Северо-Тихоокеанский (Канарский) антициклон в районе Канарских островов в Тихом океане и Южно-Тихоокеанский; Индийский антициклон (максимум) в Индийском океане. Как видно, все они расположены над океанами. Единственный мощный антициклон над сушей возникает зимой в Азии с центром над Монголией - Азиатский (Сибирский) антициклон.

4. Что такое циклон как атмосферное явление

Циклон (от греч. Kyklon -- кружащийся, вращающийся) -- это атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

Циклон -- не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.

Воздух в циклоне циркулирует против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.

Различают два основных вида циклонов -- внетропические и тропические (обладают особыми свойствами и возникают гораздо реже).

Внетропические циклоны образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т.д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.

Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко -- более тысячи километров), но большие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также так называемый «глаз бури» -- центральная область диаметром 20--30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8--10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора -- не возникают вовсе.

Минимальное атмосферное давление в циклоне приходится на центр циклона; к периферии оно растет, т.е. горизонтальные барические градиенты направлены снаружи циклона внутрь. В хорошо развитом циклоне давление в центре на уровне моря может понижаться до 950--960 мбар (1 бар = 105 н/м2), а в отдельных случаях до 930--920 мбар (при среднем давлении на уровне моря около 1012 мбар).

Замкнутые изобары (линии равного давления) неправильной, но в общем овальной формы ограничивают область пониженного давления (барическую депрессию) поперечником от нескольких сотен километров до 2--3 тысяч км. В этой области воздух находится в вихревом движении. В свободной атмосфере, выше пограничного слоя атмосферы (около 1000 м) он движется приблизительно по изобарам, отклоняясь от барического градиента на угол, близкий к прямому, вправо в Северном полушарии и влево в Южном (вследствие влияния отклоняющей силы Кориолиса и центробежной силы, возникающей при движении по криволинейным траекториям).

В пограничном слое ветер вследствие силы трения более или менее значительно (в зависимости от высоты) отклоняется от изобар в сторону барического градиента. У земной поверхности ветер образует с барическим градиентом угол порядка 60°, т.е. к вращательному движению воздуха присоединяется течение воздуха вовнутрь циклона. Линии тока принимают форму спиралей, сходящихся к центру циклона. Скорости ветра в циклоне сильнее, чем в смежных областях атмосферы; иногда они достигают более 20 м/с (шторм) и даже более 30 м/с (ураган).

В связи с восходящими составляющими движения воздуха, особенно вблизи фронтов атмосферных, в циклоне преобладает облачная погода. Основная часть атмосферных осадков во внетропических широтах выпадает именно в циклоне. Вследствие вихревого движения воздуха в область циклона втягиваются различные по температуре воздушные массы из разных широт Земли. С этим связана температурная асимметрия циклона: в разных его секторах температуры воздуха различны. Это относится в особенности к подвижным циклонам, возникающим на главных фронтах тропосферы (арктических, антарктических, полярных). Наблюдаются, однако, слабые («размытые») циклоны над теплыми участками земной поверхности (пустыни, внутренние моря) -- так называемые термические депрессии -- малоподвижные, с достаточно равномерным распределением температуры.

С высотой изобары циклона постепенно теряют замкнутую форму. Это происходит по-разному, в зависимости от стадии развития циклона и от распределения температуры в нем. В начальной стадии развития подвижный (фронтальный) циклон охватывает лишь нижнюю часть тропосферы. В стадии наибольшего развития циклон может распространяться на всю высоту тропосферы и даже простираться в нижнюю стратосферу. Термические депрессии всегда ограничиваются нижней тропосферой.

Подвижные циклоны перемещаются в атмосфере в общем с запада на восток. В каждом отдельном случае направление перемещения определяется направлением общего переноса воздуха в верхней тропосфере. Противоположные перемещения редки. Средние скорости перемещения циклона порядка 30--45 км/ч, но встречаются циклоны, которые движутся быстрее (до 100 км/ч), особенно в начальных стадиях развития; в заключительной стадии циклоны могут подолгу не менять положения.

Перемещение циклона через какой-либо район вызывает резкие и значительные местные (локальные) изменения не только атмосферного давления и ветра, но также температуры и влажности воздуха, облачности, осадков.

Подвижные циклоны развиваются обычно на ранее возникших главных фронтах тропосферы, как волновые возмущения при переносе воздуха по обе стороны фронта. Неустойчивые фронтальные волны растут и превращаются в циклонические вихри. Перемещаясь вдоль фронта (обычно вытянутого по широте), циклон, в свою очередь, деформирует его, создавая меридиональные составляющие ветра и тем способствуя переносу теплого воздуха в передней (восточной) части циклона к высоким широтам и холодного воздуха в тыловой (западной) части циклона -- к низким широтам. В южной части циклона в нижних слоях создается так называемый теплый сектор, ограниченный теплым и холодным фронтами (стадия молодого циклона). В последующем, при смыкании холодного и теплого фронтов (окклюзия циклона), теплый воздух оттесняется холодным воздухом от земной поверхности в высокие слои, теплый сектор ликвидируется, и в циклоне устанавливается более равномерное распределение температуры (стадия окклюдированного циклона). Запас энергии, способной превратиться в кинетическую, в циклоне иссякает; циклон затухает или объединяется с другим циклон.

На главном фронте обычно развивается серия (семейство) циклонов, состоящая из нескольких циклонов, перемещающихся один за другим. В конце развития серии отдельные еще не затухшие циклоны, объединяясь, образуют обширный, малоподвижный, глубокий и высокий центральный циклон, состоящий из холодного воздуха во всей своей толще. Постепенно и он затухает. Одновременно с образованием циклона возникают между ними промежуточные антициклоны с высоким давлением в центре. Весь процесс эволюции отдельного циклона занимает несколько дней; серия циклонов и центральный циклон могут существовать одну-две недели. В каждом полушарии в каждый момент можно обнаружить несколько главных фронтов и связанных с ними серий циклонов; общее число циклонов за год составляет много сотен над каждым полушарием.

Есть определенные широты и области, в которых образование главных фронтов и фронтальных возмущении происходит относительно регулярно. В результате существуют определенные географические закономерности в повторяемости возникновения и перемещения циклонов и антициклонов и их серий, т.е. в так называемой циклонической деятельности. Однако влияния суши и моря, топографии, орографии и др. географических факторов на образование и перемещение циклонов и антициклонов и их взаимодействие делают общую картину циклонической деятельности очень сложной и быстро меняющейся. Циклоническая деятельность приводит к междуширотному обмену воздухом, количеством движения, тепла, влаги, что делает ее важнейшим фактором в общей циркуляции атмосферы.

Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном.

Размеры циклонов и антициклонов сопоставимы: диаметр их может достигать 3-4 тыс. км, а высота - максимум 18-20 км, т.е. они представляют собой плоские вихри с сильно наклонной осью вращения. Перемещаются они обычно с запада на восток со скоростью 20-40 км/ч (кроме стационарных).

5. Атмосферные фронты

5.1 Классификация фронтов

Атмосферные фронты -- переходные зоны или поверхности раздела между различными по свойствам воздушными массами, как правило, характеризующиеся относительно повышенными значениями горизонтальных градиентов температуры воздуха и давления, а также особенностями в полях ветра и влажности воздуха. С атмосферными фронтами связаны наиболее сложные условия погоды, опасные и особо опасные явления.

Атмосферные фронты разделены на группы в зависимости от различных условий и признаков:

а) по их перемещению относительно расположения разделяемых фронтами воздушных масс;

б) по пространственной (вертикальной и горизонтальной) протяженности и циркуляционной значимости;

в) по географическим признакам.

По относительному перемещению фронты разделяют на теплые, холодные, малоподвижные, фронты окклюзии (теплые, холодные и нейтральные).

По пространственной протяженности и циркуляционной значимости фронты разделяются на основные (тропосферные, высокие), вторичные (приземные, низкие) и верхние.

По географическим признакам фронты разделяются на арктические и полярные (фронты умеренных широт). Выделяется также внутритропическая зона конвергенции (ВЗК), называемая ранее тропическим фронтом.

Вертикальную протяженность фронтов определяют по полю температуры, используя для этого, в первую очередь, карту ОТ5001000. Если по карте ОТ5001000 четко видна фронтальная зона, соответствующая фронту у поверхности Земли, то какой фронт называют основным (тропосферным, высоким). У основных фронтов скачок температуры при переходе через линию фронта у поверхности Земли обычно превышает 5°С. В высотной фронтальной зоне, связанной с основным фронтом, контрасты температуры в средней тропосфере обычно превышают 8°С/1000 км. Фронты, определяемые по географическому признаку (арктические, полярные, а также ВЗК) являются основными.

Фронты, которые существуют у поверхности Земли, но в поле температуры на высотах либо совсем не обнаруживаются, либо прослеживаются до небольшой высоты (часто не видны уже на поверхности 850 гПа), относятся ко вторичным (приземным, низким). Холодные вторичные фронты чаще всего образуются в тылу циклонов при возникновении сходимости потоков в нижних слоях атмосферы.

Верхними называются фронты, отсутствующие у поверхности Земли, но достаточно хорошо выраженные на высотах. Они могут быть обнаружены только по характеру облачности и осадкам или одновременно и в поле температуры на каком-либо уровне. Причины образования верхних фронтов различны. Например, они могут образовываться вследствие фронтогенеза, возникшего лишь в верхних слоях тропосферы, или вследствие размывания фронта у поверхности Земли, но еще сохранившегося на высотах. Верхний фронт возникает также в процессе окклюдирования как один из компонентов фронта окклюзии. Наконец, зимой верхним может быть замаскированный у поверхности Земли фронт, перемещающийся над тонким приземным слоем сильно выхоложенного воздуха. Такой слой в течение длительного времени может сохраняться над одним и тем же районом, не участвуя в общем движении воздуха. В ряде случаев по данным на синоптических картах крупного масштаба, также по данным спутниковых и радиолокационных наблюдений обнаруживаются узкие зоны конвективной облачности, часто с грозами и шквалами (линии неустойчивости, линии шквалов), а также другие циркуляционные разделы (разделы вдоль берега моря, кромки арктических льдов и т.п.), по ряду признаков сходные с атмосферными фронтами, но не являющиеся ими.

5.2 Высотные фронтальные зоны

Зоны относительно повышенных горизонтальных градиентов температуры (и давления), прослеживаемые на картах барической топографии, называют высотными фронтальными зонами (ВФЗ).

Прохождение ВФЗ вызывает значительные локальные изменения метеорологических величин не только в нижней и средней тропосфере, но и в верхней тропосфере и нижней части стратосферы.

Тропопауза в ВФЗ или сильно наклонена, или разорвана. Стратосфера в холодном воздухе начинается на меньшей высоте, чем в теплом. Таким образом, когда в холодной стороне ВФЗ понижение температуры с высотой прекращается, на противоположной ее стороне температура еще продолжает понижаться. Вследствие этого выше уровня тропопаузы в холодном воздухе горизонтальный градиент температуры быстро уменьшается. Затем его направление меняется на противоположное, а значение постепенно возрастает и достигает максимума в большинстве случаев на уровне тропопаузы теплого воздуха. Выше этого уровня горизонтальные градиенты температуры обычно снова уменьшаются.

В результате при большой разности высот тропопаузы с разных сторон тропосферной фронтальной зоны в нижней части стратосферы также возникает фронтальная зона. Она наклонена в противоположную сторону по сравнению с наклоном фронтальной зоны в тропосфере и отделена от нее слоем с малыми горизонтальными градиентами температуры. В стратосфере могут возникнуть зоны больших горизонтальных градиентов температуры, явно не связанные с тропосферными фронтальными зонами. Главную роль в их образовании играют радиационные факторы.

В ВФЗ направление изотерм с высотой изменяется мало; ветер стремится принять направление, параллельное изотермам средней температуры нижележащего слоя воздуха, и усиливается, переходя в верхней части тропосферы в струйные течения. Таким образом, фронтальные зоны характеризуются как большими горизонтальными градиентами температуры, так и значительными скоростями ветра. Однозначной связи между фронтальными зонами на высотах и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных друг другу фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях в. Одну широкую фронтальную зону. В то же время не всегда при наличии фронтальной зоны на высотах существует фронт у поверхности Земли. Фронт в нижних слоях отмечается, как правило, там, где наблюдается приземная конвергенция трения. При дивергенции ветра признаки существования фронта обычно отсутствуют.

Таким образом, фронтальная зона, непрерывная на большом протяжении на высотах, в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки -- существует в циклонах и отсутствует в антициклонах. В средней и верхней тропосфере высотные фронтальные зоны часто опоясывают все полушарие Земли. Такие фронтальные зоны называются планетарными.

Изменение контраста температуры в области фронтальной зоны определяется в первую очередь характером горизонтального переноса воздуха с различной температурой. Существенную роль играют также вертикальные движения и трансформация воздуха. В обширных горных районах с высокими горными цепями на изменение контраста температуры сильно влияет рельеф.

В фронтальных зонах концентрируются большие запасы энергии, поэтому в них, как правило, сильно изменяется давление и происходят процессы цикло- и антициклогенеза. Здесь развиваются интенсивные вертикальные движения. С планетарными фронтальными зонами неразрывно связаны струйные течения.

5.3 Пространственная структура атмосферных фронтов

Атмосферный фронт не является геометрической поверхностью, не имеющей толщины, а представляет собой некоторый переходный слой, в котором происходит изменение основных метеорологических величин (температуры, ветра, влажности, давления), существенное для динамики атмосферы.

Рис. 1 Вертикальный разрез фронтального переходного слоя (масштаб по вертикали и горизонтали различен). L - ширина переходной зоны, h - толщина переходного слоя

На любом уровне фронт представляет собой не линию, а некоторую переходную зону, а условная линия фронта находится посреди этой зоны.

Переходная зона у поверхности Земли имеет ширину несколько десятков километров, а толщина переходного слоя в вертикальной плоскости составляет несколько сотен метров. Горизонтальная протяженность линии фронта составляет сотни и тысячи километров. При анализе синоптических карт фронт проводится в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба иногда удается разделить нижнюю и верхнюю границы переходного слоя. Угол наклона фронтальной поверхности к горизонту составляет примерно 1°. Установлено, что тангенс угла наклона фронта имеет порядок 0,01--0,03, а для катафронтов -- около 0,001.

Известные теоретические формулы наклона фронтальной поверхности неприменимы к пограничному слою атмосферы, так как при их получении не учитывались особенности распределения ветра в этом слое: здесь при прочих равных условиях в холодных фронтах профиль является более крутым, чем в теплых фронтах.

При сильных ветрах фронтальная поверхность вблизи линии приземного фронта в связи с турбулентным перемешиванием выражена нечетко и определение наклона ее затруднено.

Еще более важным следствием отклонения приземного ветра от геострофического является конвергенция ветра вдоль линии фронта. Вследствие конвергенции замедляется движение фронта и усиливается восходящее движение теплого воздуха вдоль фронтальной поверхности. По этой же причине в действительности отсутствуют абсолютно стационарные фронты. Если линия фронта параллельна изобарам, то все же происходит хотя бы и небольшое перемещение линии фронта. На наличие восходящих движений вдоль поверхностей малоподвижных фронтов, в частности, указывают наблюдающиеся здесь зоны облачности и осадков.

Заключение

Из сказанного видно, что общая циркуляция земной атмосферы представляет собой более сложную систему, чем иногда считают. Поэтому неудивительно, что многие стороны ее поведения еще трудно четко объяснить. Например, многое надо узнать о западных ветрах, которые играют важную роль в атмосферной циркуляции. Решение проблем общей циркуляции атмосферы, вероятно, следует искать тремя методами: теоретическим, экспериментальным и статистическим. В большинстве теоретических исследований, как правило, строится упрощенная модель атмосферы с помощью математических уравнений, описывающих основные физические процессы и явления, которые имеют место в атмосфере. Если затем окажется, что эти уравнения соответствуют фактической атмосферной циркуляции, то они могут привести к важным открытиям и к новому пониманию процессов, управляющих циркуляцией. Такие эксперименты стали возможны лишь с появлением современных компьютеров, способных решать сложные системы уравнений. Например, американский метеоролог Филипс, одним из первых используя мощную вычислительную технику для разработки очень правдоподобной модели атмосферной циркуляции, смог показать, что движущиеся циклоны и антициклоны значительно влияют на развитие западного переноса в умеренных широтах. В лаборатории общую циркуляцию исследуют с помощью моделей. Полусферу или концентрический цилиндр заполняют жидкостью, вращают с различной скоростью и одновременно охлаждают пространство около оси вращения и нагревают сосуд по периметру, имитируя условия в земной атмосфере. Важным результатом этих экспериментов было то, что они способствовали появлению идей, которые позже можно было проверить прямыми наблюдениями.

В очень немногих математических, физических и экспериментальных моделях атмосферы, которые до сих пор использовались, принимаются в расчет такие факторы, как распределение суши и моря или гигантские системы муссонных ветров, меняющихся от сезона к сезону. Это особенно сложные для изучения вопросы, по которым в литературе имеются противоречивые мнения. Построение математической модели атмосферной циркуляции или создание физической модели в лаборатории не может дать больше чем общее представление о роли различных факторов, влияющих на циркуляцию. Отсюда не следует, конечно, что исследования в этой области не нужны. Они жизненно важны, если надо понять, какие процессы происходят в атмосфере и какие определяют ее будущее состояние. Но любая картина, которая дает представление только о средних характеристиках, неизбежно отфильтровывает мелкомасштабные особенности циркуляции, весьма важные для формирования погоды в конкретном месте.

Список литературы

1. http://igeografiya.ru/pogoda-i-klimat/18-cirkulyaciya-atmosfery-i-sistemy-vetrov.html

2. http://geograf-portal.ru/publ/1-1-0-87

3. http://meteorologist.ru/ustoychivyie-zapadnyie-vetryi.html

4. http://www.amariner.net/article15_fronts_ru.html

5. http://www.klimat-factor.ru/atmosferavdvijenii2.html?start=3

6. http://www.igras.ru/index.php?r=197&id=7163

7. http://www.referat.ru/referats/view/13376

8. http://znaem-o-pogode.ucoz.ru/publ/oblaka_vetry_molnii/atmosfernye_fronty/2-1-0-38

Размещено на Allbest.ru