Атмосферный вихрь с пониженным давлением в центре

Атмосферные явления изучались еще древними учеными с начала времен. Однако, большой шаг в этом направлении был сделан после появления современных технологий и оборудования, такого как метеорологические станции и спутники.

Атмосферные вихри

Циклоны и антициклоны образуются в тропосфере – самом нижнем из слоев Земли. Некоторые из них незаметны для нас, другие наоборот – сильно влияют на климат планеты. Циклонами принято называть области в атмосфере планеты с низким давлением, в середине которой давление намного ниже, чем на окраинах. Антициклоном, наоборот, называется область с высоким давлением, которое повышается от оконечностей к середине.

Находясь в северном полушарии Земли, циклоны, согласно силе Кориолиса, движутся в направлении против часовой стрелки и сдвигаются вправо. В тоже время антициклоны, также находясь в северном полушарии, вращаются по часовой стрелке и сдвигаются в левую сторону. В южном полушарии нашей планеты вращение и сдвиги циклонов и антициклонов происходят в обратном направлении.

Ученые заметили, что если в одном регионе Земли давление становится меньше, то в другом наблюдается его увеличение. Кроме того, ученые отмечают, что механизм, который приводит в движение циклоны и антициклоны является для них общим: это неоднородное повышение температуры разных участков поверхности и обороты нашей планеты вокруг своей оси.

Тем областям, где господствует циклон, свойственны дождь, порывы ветра и облачность. Во время нахождения антициклона над этими областями летом наблюдается жаркая, малооблачная погода, редкие осадки и отсутствие ветра, а зимой из-за него образуется холодная и ясная погода.

Огромные вихри, которые достигают нескольких тысяч километров в диаметре, называют Кольцом змеи. Они образуются в умеренных и полярных широтах вследствие столкновения теплого экваториального воздуха и холодных и сухих воздушных арктических (или антарктических) потоков. Граница таких потоков воздуха называется атмосферным фронтом. 

Образовавшийся вихрь в процессе своего движения захватывает близлежащие слои воздуха и начинает двигаться с большой скоростью – от 30 до 50 километров в час. Движение на окраинах циклона быстрее, чем в его центре. Через некоторое время своего существования циклон достигает значительных размеров: его диаметр становится от 1 до 3 тысяч километров, а высота достигает от 2 до 20 километров. В тех областях земного шара, где проходит циклон, резко меняются погодные условия. Это происходит из-за того, что в центре циклона наблюдается нехватка воздуха из-за низкого давления, и для того, чтобы пополнить его недостаток в центр начитает поступать холодный воздух. Это приводит к выталкиванию теплого воздуха вверх, там он охлаждается, а находящаяся в нем влага преобразуется в облака, которые несут в эти области осадки.

Ученые наблюдают разную продолжительность существования циклонов: некоторые из них живут от пары дней до нескольких недель. Однако, некоторые из них могут существовать около одного года. Отметим, что для экваториальной зоны не свойственно образование вихрей, так как в ней не действует сила Кориолиса, которая необходима для их образования.

Тропический циклон считается самым южным и формируется не ближе пяти градусов от экватора. Ему свойственен меньший диаметр, однако, скорость ветра более высокая. Тропический циклон зачастую перерождается в ураган.

Выделяют несколько типов циклонов. Это вихрь умеренных широт и тропический циклон, который становится прародителем страшных ураганов.

Тропический циклон

Тропические циклоны зарождаются в областях, где температура  поверхности океана не опускается ниже 26 градусов. Когда разница с температурой воздуха становится более 2 градусов, испарение происходит более интенсивно, повышается влажность воздуха, что способствует вертикальному поднятию воздушных масс. В результате этого образуется сильная тяга, которая затягивает в себя все новые прогретые и влажные массы воздуха. Из-за вращения планеты вокруг своей оси поднимающемуся воздуху придается вращение, скорость которого увеличивается. Нередко эти вихри перерождаются в мощнейшие ураганы.

Такие тропические циклоны образуются исключительно над поверхностью океана между 5 и 20 градусами северной и южной широт. Когда они добираются до суши, сила их быстро исчезает.

Как правило, тропические циклоны имеют относительно небольшой размер – их диаметр часто не более 250 километров. А вот давление в центре вихря очень низкое. Чем ниже давление – тем быстрее движется ветер. Скорость перемещения таких вихрей, как правило, составляет от 10 до 30 метров в секунду, а порывы ветра превышают 100 метров в секунду.

Выделяют несколько типов тропических вихрей: возмущение, депрессия, шторм и ураган.

Возмущением принято называть вихрь, который движется со скоростью не выше 17 метров в секунду. Под депрессией понимают скорость движения циклона от 17 до 20 метров в секунду. Движение циклона со скоростью до 38 метров в секунду называют штормом. Ураган перемещается на скорости более 39 метров в секунду, а центр такого циклона — область тихой погоды — называют «глазом бури». Его размеры около 30 километров в диаметре, однако, если циклон приобретает разрушительную силу, то размер «глаза бури» может увеличиться до 70 километров в диаметре.

Область тихой погоды внутри циклона имеет более теплый и менее влажный воздух, чем в остальной части вихря. На границе вихря и «глаза бури» резко прекращаются осадки, зачастую наступает штиль, небо становится безоблачным.

Из-за того, что движение циклона происходит в направлении с океана на сушу, он гонит перед собой огромные водные массы, которые, достигая земли, уничтожают все, что там находится.

Ученые отмечают и тот печальный факт, что из-за глобального потепления из года в год сила таких тропических циклонов увеличивается.

Выделяют несколько видов циклонов и антициклонов:

— стационарные движутся со скоростью менее 5 километров в час

— малоподвижные движутся со скоростью от 5 до 10 километров в час

— подвижные перемещаются со скоростью более 10 километров в час

Зарождение и перемещение циклонов и антициклонов принято называть циклонической деятельностью, которая занимает важное место в циркуляции атмосферы. Выделяют фронтальные и нефронтальные (термические) циклоны и антициклоны. Фронтальные образуются на фронтах, а нефронтальными называют такие вихри, которые зарождаются над летом над сушей, а зимой над теплыми морями. Термические циклоны зарождаются из-за неровного прогревания подстилающей поверхности, возникновения устойчивых восходящих движений воздуха над довольно небольшими территориями, радиусом от 100 до 200 километров, а также образования зон падения давления. 

Выделяют несколько стадий жизни фронтальных циклонов:

— стадия возникновения. Циклон зарождается благодаря движению воздушных масс в противоположном направлении друг от друга с обеих сторон фронта, или в одном направлении, но с различной скоростью. В результате такого движения на одном из участков линия фронта искривляется и образовывается завихрение, что приводит к постоянному увеличению холодного и теплого фронтов. Из-за возникновения вихря появляется область с низким давлением.

— стадия молодого циклона. Этой стадии характерно возникновение теплого участка циклона, который образуется между холодным и теплым фронтами, а также системой нескольких замкнутых изобар. Из-за того, что холодный фронт движется быстрее, чем теплый, то со временем теплый фронт сужается. Это сужение сопровождается дальнейшим понижением давления внутри циклона.

— стадия максимального развития циклона. Когда понижение давления в центре циклона останавливается и происходит сужение теплого сектора циклона, то в задней части возникают вторичные холодные фронты. Облачная система циклона приобретает отчетливую спиралевидную форму. Происходит смыкание облачных систем холодного и теплого фронтов. Далее происходит вытеснение теплого воздуха, из-за чего перестают существовать холодный и теплый фронты. У земной поверхности циклон заполняется холодными воздушными массами, которые в дальнейшем распространяются вверх. Из-за того, что увеличивается масса воздуха в циклоне, возрастает и давление в его центре.  

— стадия заполнения. На этой стадии наблюдается деградация облачных систем, уменьшается скорость ветра, уменьшается давление, и, в конце концов, у земли циклон исчезает, хотя на высоте он может существовать еще некоторое время.

Антициклоны

Под антициклоном принято называть противоположность циклону — это вихрь, в центре которого высокое атмосферное давление, а на окраинах – пониженное. Воздух в таком вихре движется вниз. Антициклоны зарождаются в нижних слоях атмосферы во время проникновения холодных масс воздуха в более теплые. Свое начало антициклоны берут в субтропических и полярных широтах. Движется такой вихрь со скоростью около 30 километров в час. Для антициклона характерна жаркая, ясная и сухая погода при отсутствии ветра летом, и морозная, сухая, ясная и безветренная погода зимой. Кроме того, из-за отсутствия осадков могут происходить большие колебания суточной температуры.

Ураганы – мощнейшие атмосферные вихри, обладающие  колоссальной силой. В научной терминологии их принято называть тропиче­скими циклонами, но чаще можно услышать ураган (в Северной Америке и на островах Атлантики) и тайфун (на восточном побережье Азии и островах Тихого океана).

Энергия тропических вихрей огромна. Специалистами подсчитано, что энергии, высвобождающейся за 10 дней существование тропического циклона средней интенсивности, достаточно для удовлетворения энергетических потребностей такой страны, как США в течение 600 лет (в 80-ых годах). Подобные вихри выделяют энергии, эквивалентной энергии 500 тысяч атомных бомб сброшенных в конце Второй мировой войны американцами на японские города Хиросиму и Нагасаки. Во время урагана, прошедшего в сентябре 1932 года через Пуэрто-Рико, выпало (обрушилось) в 250 раз больше массы воды, которая была поднята в воздух при атомном взрыве в Бикини.

Обладая столь внушительной энергией, тропические вихри в прибрежной зоне и на островах вызывают огромные разрушения и гибель людей, нанося многомиллиардный материальный ущерб.

Нередко, скорость ветра в вихре достигает 90-100 м/с. Ураганный ветер вызывает штормовые волны и нагоны в воды в узких бухтах и устьях рек, высотой до 8-10 метров.

Одним из наиболее разрушительных стал тайфун прошедший 13 ноября 1970 года по дельте реки Ганг (Индия и Бангладеш). Дельта реки (в настоящее время в ней проживают более 150 миллионов человек) была затоплена. Огромные 10 метровые волны уносили людей в океан. Погибло 200 тысяч человек.

Практически все тропические циклоны приводят к гибели людей. Так в 27 случаях тропических вихрей, наблюдавшихся с 1974 по 1977 г. г. в США, только в 5 случаях не было сообщений о гибели людей, при этом, в каждом 6 случае число погибших превышало 100 человек.

Тропические циклоны не зря получили свое название. 65% случаев зарождения этих вихрей приходиться в широтную зону от 10 до 20 градуса обоих полушарий и только над океанами. Главным «производителем» тайфунов является район севера тропической зоны Тихого океана, где в среднем в год образуется до 32 циклонов. В северной части тропической зоны Атлантики и юго-западной части тропической зоны Тихого океана приходиться до 10 циклонов. В Индийском океане циклоны возникают преимущественно в Бенгальском заливе и Аравийском море (по 2-3 в год, а также восточнее Мадагаскара и у Маскаренских островов).

Строение урагана

Зарождение тропических циклонов связано  с проникновением холодного воздуха в средней и верхней тропосфере над теплой поверхностью океана (с температурой воды не ниже 26-27 градусов) с высокой влажностью воздуха. Это способствует увеличению термической неустойчивости и возникновению конвективных движений (вертикальному движению воздуха).

Тропические циклоны могут образовываться в любое время год, но наряду с этим выделяются сезонные максимумы. Так в северной части Тихого океана и в Атлантике это август-сентябрь, в Бенгальском заливе – май-ноябрь, в юго-западной части Тихого океана – январь.

Обладая внушительной силой, тропические циклоны скромны в своих размерах, значительно уступая циклонам (областям пониженного давления) обычным. По горизонтали всего 80-600 километров, но существенны по вертикали – до 15 километров.

В этих вихрях наблюдается огромный перепад давления воздуха между периферией и центром циклона, что приводит к ураганным скоростям ветра. Сила ветра такова, что из строя могут, выходит специальные приборы для измерения ветра.

Максимальной измеренной скоростью ветра является 90 м/с, но по расчетам она может достигать 110 м/с (396 км/ч).

Облачность тропических циклонов может достигать значительных вертикальных значений – до 15 км. Сложно даже представить себе облака, такой высоты. Для примера многие из нас летали на самолетах, маршруты которых зачастую проходят на высотах 10 – 10,5 километров и наверно все отмечали, что облачность (ну если только тонкие перистые облака) отсутствует. Теперь представим облако высотой 15 километров!

Одним из наиболее феноменальных явлений в тропических циклонах является так называемый «глаз бури». Это самый центр циклона, совсем не значительный по своим размерам. Когда вокруг, всего в нескольких километрах неистовывает буря, в нем дует лишь слабый ветерок, незначительная облачность, которая бывает и вовсе отсутствует. Именно из-за безоблачной погоды этот феномен и получит свое название – глаз бури.

Глаз бури огромной стеной опоясывает стена из облаков, высотой во многие километры. Это одна из наиболее интереснейших картин, созданных природой в атмосфере. Солнечная погода при ясном небе в окружении огромных облаков, сверкающими разрядами молний. Но природа не позволит любоваться этой картиной долго. Уже через несколько минут картина может резко поменяться и слабый ветерок превращается в сильнейший ураган.

По сей день феномен «глаза бури» полностью не изучен. По одной из версий,  он вызван повышением температуры воздуха в центре циклона, обусловленным переносом тепла от поверхности океана к атмосфере восходящим потоком, что в свою очередь вызвано сильным волнением водной поверхности, вследствие чего существенно возрастает соприкосновение воздуха с водой. Рост температуры воздуха приводит к испарению капель и уменьшения водности облаков. Повышение температуру на 6-10 градусов сопровождается значительным уменьшением водности, из-за чего кучево-дождевая облачность в центральной части циклона должна либо полностью рассеиваться, либо трансформироваться в менее водные (не дающие осадков) облака.