Движение воздуха из области пониженного давления в область повышенного давления

Схема глобальной циркуляции атмосферы
Циркуляция атмосферы — совокупность воздушных течений над земной поверхностью. 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].
Общая циркуляция атмосферы — система замкнутых течений воздушных масс, проявляющихся в масштабах континентов и океанов или всего земного шара. Местные циркуляции атмосферы определяются физико-географическими условиями конкретной местности. К ним относятся бризы, горно-долинные ветры и другие[2].
Движение воздуха происходит из областей высокого давления, создаваемого более плотным холодным воздухом, в более тёплые области с низким атмосферным давлением[источник не указан 815 дней]. Температура различается в связи с тем, что на разных широтах поверхность Земли по-разному прогревается Солнцем и земная поверхность имеет различные физические свойства, особенно из-за её разделения на сушу и море. Кроме того, на движение воздуха влияет вращение Земли вокруг своей оси и неоднородность её поверхности, что вызывает трение воздуха о почву и его увлечение[3]. Первоначальным источником энергии всех циркуляционных процессов в атмосфере Земли является лучистая энергия Солнца. Энергия циркуляции атмосферы постоянно расходуется на трение, но непрерывно пополняется за счёт солнечного излучения[4].
Общая циркуляция атмосферы[править | править код]
Общая циркуляция атмосферы приводит к переносу вещества и энергии в атмосфере как в широтном, так и в меридианном направлениях, из-за чего являются важнейшим климатообразующим процессом, влияя на погоду в любом месте планеты[1]. В тропосфере в ней участвуют пассаты, муссоны, а также переносы воздушных масс, связанные с циклонами и антициклонами (циклоническая деятельность).
Вертикальная скорость на 500 hPa, июльское среднее. Восходящие (отрицательные величины) концентрируются близко к солнечному экватору; нисходящие (положительные величины) более рассредоточены.
Глобальными элементами атмосферной циркуляции в тропосфере являются три (в каждом полушарии) циркуляционные ячейки — ячейка Хэдли, ячейка Феррела, полярная ячейка.
В наиболее прогреваемых местах нагретый воздух имеет меньшую плотность и поднимается вверх, таким образом образуется зона пониженного атмосферного давления. Аналогичным образом образуется зона повышенного давления в более холодных местах.[5]. Движение воздуха происходит из зоны высокого атмосферного давления в зону низкого атмосферного давления. Так как чем ближе к экватору и дальше от полюсов расположена местность, тем лучше она прогревается, в нижних слоях атмосферы существует преобладающее движение воздуха от полюсов к экватору[1][3]. Однако, Земля также вращается вокруг своей оси, поэтому на движущийся воздух действует сила Кориолиса и отклоняет это движение к западу. В верхних слоях тропосферы образуется обратное движение воздушных масс: от экватора к полюсам. Его кориолисова сила постоянно отклоняет к востоку, и чем дальше, тем больше. И в районах около 30 градусов северной и южной широты движение становится направленным с запада на восток параллельно экватору. В результате попавшему в эти широты воздуху некуда деваться на такой высоте, и он опускается вниз к земле. Здесь образуется область наиболее высокого давления. Так образуются пассаты — постоянные ветры, дующие по направлению к экватору и на запад, и так как заворачивающая сила действует постоянно, при приближении к экватору пассаты дуют почти параллельно ему[3]. Воздушные течения верхних слоёв, направленные от экватора к тропикам, называются антипассатами. Пассаты и антипассаты как бы образуют воздушное колесо, по которому поддерживается непрерывный круговорот воздуха между экватором и тропиками. Между пассатами Северного и Южного полушарий находится внутритропическая зона конвергенции[1].
В течение года эта зона смещается от экватора в более нагретое летнее полушарие. В результате в некоторых местах, особенно в бассейне Индийского океана, где основное направление переноса воздуха зимой — с запада на восток, летом оно заменяется противоположным. Такие переносы воздуха называются тропическими муссонами. Циклоническая деятельность связывает зону тропической циркуляции с циркуляцией в умеренных широтах, и между ними происходит обмен тёплым и холодным воздухом. В результате междуширотного обмена воздухом происходит перенос тепла из низких широт в высокие и холода из высоких широт в низкие, что приводит к сохранению теплового равновесия на Земле[3].
На самом деле циркуляция атмосферы непрерывно изменяется, как из-за сезонных изменений в распределении тепла на земной поверхности и в атмосфере, так и из-за образования и перемещения в атмосфере циклонов и антициклонов. Циклоны и антициклоны перемещаются в общем по направлению к востоку, при этом циклоны отклоняются в сторону полюсов, а антициклоны — в сторону от полюсов[4].
Таким образом образуются:
- зоны повышенного давления:
- по обе стороны от экватора на широтах около 35 градусов;
- в районе полюсов на широтах выше 65 градусов.
- зоны пониженного давления:
- экваториальная депрессия — вдоль экватора;
- субполярные депрессии — в субполярных широтах[4].
Этому распределению давления соответствуют западный перенос в умеренных широтах и восточный перенос в тропических и высоких широтах. В Южном полушарии, зональность циркуляции атмосферы выражена лучше, чем в Северном, так как там в основном океаны. Ветер в пассатах изменяется слабо и эти изменения мало меняют характер циркуляции. В среднем около 80 раз в год в некоторых районах внутритропической зоны конвергенции, развиваются тропические циклоны, которые резко изменяют установившийся режим ветров и состояние погоды в тропиках, реже за их пределами. Во внетропических широтах циклоны менее интенсивны, чем тропические. Развитие и прохождение циклонов и антициклонов — явление повседневное. Меридиональные составляющие циркуляции атмосферы, связанные с циклонической деятельностью во внетропических широтах, быстро и часто меняются. Однако бывает, что в течение нескольких суток и иногда даже недель обширные и высокие циклоны и антициклоны почти не меняют своё положение. Тогда происходят противоположно направленные длительные меридиональные переносы воздуха, иногда во всей толще тропосферы, которые распространяются над большими площадями и даже над всем полушарием. Поэтому во внетропических широтах различают два основных типа циркуляции над полушарием или большим его сектором: зональный, с преобладанием зонального, чаще всего западного переноса, и меридиональный, со смежными переносами воздуха по направлению к низким и высоким широтам. Меридиональный тип циркуляции осуществляет значительно больший междуширотный перенос тепла, чем зональный[4].
Циркуляция атмосферы также обеспечивает распределение влаги как между климатическими поясами, так и внутри них. Обилие осадков в экваториальном поясе обеспечивается не только собственным высоким испарением, но и переносом влаги (благодаря общей циркуляции атмосферы) из тропических и субэкваториальных поясов.
В субэкваториальном поясе циркуляция атмосферы обеспечивает смену сезонов. Когда муссон дует с моря, идут обильные дожди. Когда муссон дует со стороны засушливой суши, наступает сезон засухи.
Тропический пояс суше, чем экваториальный и субэкваториальный, так как общая циркуляция атмосферы переносит влагу к экватору. Кроме того, преобладают ветры с востока на запад, поэтому благодаря влаге, испарившейся с поверхности морей и океанов, в восточных частях материков выпадает достаточно много дождей. Дальше на запад дождей не хватает, климат становится аридным. Так образуются целые пояса пустынь, таких как Сахара или пустыни Австралии.
См. также[править | править код]
- Термодинамика атмосферы
- Цикл индекса
Примечания[править | править код]
Ссылки[править | править код]
- Кругосвет.ру — Атмосферы циркуляция
- Кругосвет.ру — Проявления солнечной активности на Земле
Литература[править | править код]
- Циркуляция атмосферы // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- Погосян Х. П., Общая циркуляция атмосферы, Л., 1972.
Источник
Обладая массой, 80% которой сосредоточено в тропосфере, атмосфера давит своим весом на поверхность Земли с определенной силой, т.е. земная поверхность испытывает определенное давление атмосферы. Если мы возьмем вес всей атмосферы (5,15·1015т) и поделим его на площадь всей Земли (510 млн. км2), то получим величину среднего давления атмосферы, которая составит чуть более 1 кг/см2 или 10 т/м2 (советуем самим сделать подобный расчет и более точно вычислить среднее давление). За единицу атмосферного давления (1 атмосфера) принято среднее давление атмосферы на уровне моря на широте 45° при температуре воздуха 0°С. Оно соответствует давлению ртутного столба высотой 760 мм и сечением 1 см2. Такое давление считается нормальным давлением воздуха. Измеряется давление барометром. Единицами измерения служат миллиметры ртутного столба (мм рт.ст.), миллибары (1мб=0,75 мм рт.ст.) или гектопаскали (1гПа=1мб=0,75 мм рт.ст.), тогда нормальное давление равно 760 мм рт.ст.= 1013 мб = 1013 гПа.
Давление атмосферы в разных точках Земли не одинаково и, кроме того, непрерывно изменяется во времени. Оно зависит от высоты земной поверхности и движения воздуха. С высотой давление воздуха убывает. Так, например, на высоте 5 км оно составляет примерно 1/2 от давления вблизи земной поверхности. Поэтому давление воздуха в горах всегда меньше, чем на равнинах. В нижнем километровом слое тропосферы происходит закономерное изменение давления с высотой, в среднем примерно на каждые 10,5 м высоты давление падает на 1 мм рт.ст. (выше 1 км давление понижается более медленно). На этой закономерности основано измерение высоты (холма, обрыва, здания и др.) с помощью барометра. Необходимо только учитывать изменение давления во времени и производить измерения в достаточно короткий срок.
Изменение давления во времени объясняется движением воздушных масс, которое в свою очередь связано с температурой воздуха. От нагретой Солнцем земной поверхности нижний слой воздуха нагревается. При нагревании воздушная масса расширяется, становится легче и устремляется вверх. Происходит восходящее движение воздуха. Как было сказано выше, плотность воздуха с высотой уменьшается. Достигнув определенной высоты, где плотность поднимающегося воздуха оказывается больше плотности окружающего воздуха, восходящий поток растекается в сторону воздуха с меньшей плотностью. Следовательно, над нагретой поверхностью происходит некоторое уменьшение веса воздушного столба, которое приводит к понижению давления. В то же время над соседними участками земной поверхности, куда перетекает воздух, увеличивается вес воздушного столба без изменения температуры воздуха у земной поверхности.
Над холодной поверхностью происходит охлаждение воздуха с уменьшением его объема и увеличением плотности. В связи с этим расположенный выше воздух становится менее плотным и сюда притекает воздух со стороны, увеличивая вес воздушного столба, т.е. происходит возрастание давления. Одновременно на соседних участках, откуда перетекает воздух, наблюдается уменьшение давления без изменения температуры. Таким образом, с повышением температуры давление воздуха уменьшается, а с уменьшением температуры – увеличивается.
В распределении воздушного давления на Земле наблюдается зональность, обусловленная неравномерным распределением солнечной радиации. В экваториальных широтах земная поверхность нагревается наиболее сильно и воздушное давление там всегда пониженное. Поднимающийся вверх воздух оттекает в сторону тропических широт (30-40°), создавая там повышенное давление. В полярных областях (выше 70°), где воздух сильно выхолаживается и вследствие чего становится более плотным, также создаются области повышенного давления из-за перетекания сюда на высоте воздуха умеренных широт. Между поясами повышенного давления тропических и полярных широт лежит пояс умеренных широт с низким давлением. Таким образом, на Земле наблюдаются четыре пояса высокого и три пояса низкого давления, которые летом смещаются к северу, а зимой – к югу. Но такое распределение атмосферного давления происходит только в нижней части тропосферы. Выше 5 км прослеживается постепенное понижение давления от экватора к полюсам.
Такая общая глобальная схема распределения давления на Земле существовала, если бы не было времен года (ось вращения Земли была бы перпендикулярна к плоскости ее орбиты), а земная поверхность представляла собой однородное вещество. Реальная картина распределения давления намного сложнее. Круглый год существуют пояса пониженного давления только непосредственно близ экватора и в умеренных широтах южного полушария (из-за отсутствия там материков и присутствия холодной Антарктиды). Пояса повышенного давления в полярных районах расширяются зимой и сокращаются летом, но тоже существуют круглый год. В тропических и умеренных широтах из-за чередования материков и океанов происходит нарушение широтного распределения давления с образованием ряда замкнутых обширных областей высокого и низкого давлений, называемых соответственно барическими максимумами и барическими минимумами.
В тропическом поясе высокого давления материки в любое время года всегда нагреты сильнее, чем океаны, поэтому здесь над океанами существуют барические максимумы круглый год: Северо-Тихоокеанский и Северо-Атлантический максимумы в северном полушарии, Южно-Тихоокеанский, Южно-Атлантический и Южно-Индийский максимумы в южном полушарии.
В умеренном поясе низкого давления зимой материки сильно охлаждаются и над ними формируются области высокого атмосферного давления. Особенно это проявляется в северном (материковом) полушарии, где возникают обширный Азиатский максимум с центром в Монголии и Северо-Американский (Канадский) максимум. Над океанами в это время года существуют области низкого давления: Исландский (в северной части Атлантического океана) и Алеутский (в северной части Тихого океана) минимумы. Эти барические максимумы и минимумы летом исчезают, за исключением Исландского минимума, который сильно уменьшается в размерах. Летом материки нагреваются сильнее относительно океанов и поэтому над ними возникают области низкого давления: Северо-Американский и обширнейший Южно-Азиатский минимумы.
Для изображения атмосферного давления на картах используют изобары. Изобара – это линия, соединяющая у земной поверхности точки с одинаковым атмосферным давлением.
Неравномерное распределение атмосферного давления на Земле приводит к движению воздушных масс. Движение воздуха осуществляется всегда из области повышенного давления в область пониженного давления. Перемещение воздуха может происходить вверх, вниз и в горизонтальном направлении параллельно земной поверхности. Перемещение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Чем больше разница в давлении между соседними воздушными массами, тем сильнее ветер. Ветер характеризуется скоростью и направлением.
Скорость ветра (сила ветра) измеряется в м/с или оценивается в баллах по шкале Бофорта от 0 до 12, где 0 баллов – отсутствие ветра (полный штиль), а 12 баллов – ураган, производящий большие разрушения и опустошение. При урагане скорость ветра составляет более 30 м/с, а в отдельных случаях, при порывах скорость ветра может достигать 100 м/с.
Направление ветра определяется по стороне горизонта, с какой дует ветер. Это могут быть главные или промежуточные стороны горизонта (их еще называют румбами), например, южный ветер дует с юга на север, а северо-восточный – с северо-востока на юго-запад и т.д. Реже для указания направления ветра используется азимут. На направление ветра влияет ускорение Кориолиса, под воздействием которого ветры, дующие в северном полушарии, отклоняются вправо, а в южном – влево. Чем ближе к полюсам, тем больше ускорение Кориолиса, а значит и больше отклонение движущегося потока воздуха. Для наглядного представления направлений ветра за определенный промежуток времени (месяц, год) строят диаграмму, которая называется “роза ветров”. Роза ветров показывает повторяемость направлений ветра в каком-либо пункте земного шара.
В зависимости от причин возникновения ветра различают постоянные ветры, зависимыеот общей циркуляции атмосферы, ветры циклонов и антициклонов, связанные с явлением турбулентности[34] при движении воздушных масс и местные ветры, возникающие в зависимости от местных условий.
Постоянные ветры. Общей циркуляцией атмосферы называется глобальная система воздушных течений, возникающая в результате неравномерного поясного распределения атмосферного давления на Земле. Поясное распределение давления на Земле определяет направление движения воздушных масс из областей высокого давления к областям низкого давлений. Из тропических поясов повышенного давления северного и южного полушарий воздух направляется в экваториальный и умеренные пояса пониженного давления, образуя глобальную систему постоянных ветров. Подсистема постоянных ветров между тропиками и экватором называется пассаты. Под действием ускорения Кориолиса перемещающиеся воздушные массы испытывают отклонение в северном полушарии вправо, а в южном – влево. Поэтому в северном полушарии пассаты представляют собой северо-восточные ветры (дуют с северо-востока), а в южном полушарии – юго-восточные (дуют с юго-востока). Воздушные массы, перемещающиеся из тропиков в умеренные широты, испытывают более сильное отклонение, вплоть до широтного, поскольку по направлению к полюсам увеличивается величина ускорения Кориолиса. В результате ветры в умеренных широтах дуют с запада на восток. Поэтому они называются западными ветрами. Из полярных поясов с высоким давлением в сторону умеренных широт также дуют ветры, в которых преобладают восточные ветры.
Такая идеальная схема господствующих ветров нарушается из-за влияния материков и океанов, над которыми формируются сезонные (летние и зимние) барические минимумы и максимумы. Летом над материками образуются области низкого давления, а над прилегающими океанами – области высокого давления, а зимой наоборот. Поэтому летом ветры в таких местах дуют с океана на материк, принося осадки, а зимой – с континента на океан, обеспечивая малооблачную сухую погоду. Такие устойчивые ветры называются муссоны. В принципе муссонообразный характер ветров проявляется везде, где непосредственно соседствуют материки и океаны, но наиболее хорошо муссоны выражены (т.е. проявляют сезонную устойчивость в направлении ветров) в тех пограничных областях материков и океанов, где имеются огромные водные пространства, например, на границе Азии и Тихого океана.
Ветры циклонов и антициклоновсвязаны с постоянно возникающими в тропосфере перемещающимися крупными замкнутыми областями соответственно пониженного и повышенного давлений, но намного меньшего размера, чем постоянные или сезонные барические минимумы и максимумы. В циклоне под воздействием атмосферного давления и ускорения Кориолиса движение воздуха происходит по скручивающейся спирали снизу вверх (восходящие токи воздуха), а у поверхности Земли направлено от периферии к центру, где наблюдается самое низкое давление. Иначе говоря, в циклоне движение воздушных потоков происходит вокруг центра низкого давления с отклонением внутрь и вверх от кругового движения. Таким образом, в тропосфере образуются гигантские воздушные вихри диаметром в первые тысячи км (обычно 1-3 тыс. км) с ветрами, направленными к центру вихря и движущимися против часовой стрелки в Северном полушарии (в Южном полушарии по часовой стрелки). Циклоны существуют несколько суток и наиболее часто образуются в умеренных широтах, где они перемещаются под воздействием общей циркуляции атмосферы с запада на восток со скоростью 20-40 км/ч. Они характеризуются высокой облачностью и осадками. Циклоны, образующиеся в тропических широтах (тропические циклоны), называются тайфунами. Тайфуны по размерам на порядок меньше циклонов умеренных широт (100 – 300 км в диаметре), но имеют очень низкое давление в центре вихря. Поэтому тайфуны характеризуются ураганными ветрами. С ними связаны ливневые осадки и вызываемые ураганами наводнения.
Антициклоны формируются в замкнутых областях повышенного давления и по размерам соответствуют циклоническим вихрям. В антициклоне движение воздуха происходит по раскручивающейся спирали сверху вниз (нисходящие токи воздуха) по часовой стрелки в Северном полушарии (В Южном полушарии против часовой стрелки) и у земной поверхности направлено от центра вихря к его периферии. То есть вектор скорости движущихся воздушных потоков в антициклоне направлен наружу и вниз от кругового движения. Антициклоны характеризуются слабыми ветрами и малооблачной погодой, а в их центре наблюдается ясная и безветренная погода.
Кроме вышеназванных вихрей в нижней части тропосферы в результате развития грозовых туч образуются еще меньшие по размерам вихри: смерчи, тромбы, торнадо, но обладающие иногда большой разрушительной силой.
Местные ветры возникают при наличии специфических (местных) географических условий. В случае крупных водоемов (море, озеро) на их берегах наблюдаются ветры небольшой силы, которые называются бризы. Это происходит в результате разности давлений, возникающих над водоемом и сушей. Днем из-за сильного прогревания суши нагретый воздух поднимается вверх, создавая пониженное давление по сравнению с давлением воздуха над водоемом, поэтому днем бриз дует с водоема на берег. Ночью суша сильнее остывает и воздушное давление становится больше, чем над водоемом, поэтому бриз дует с берега на водоем. По такому же принципу могут возникать ветры небольшой силы по окраинам крупных лесных массивов.
В горных районах образуются местные ветры под названием фëн и борá. Фëн возникает в результате разности воздушного давления по разные стороны горного хребта и представляет собой сухой и теплый сильный, иногда порывистый ветер, дующий вниз по склону горного хребта. Борá, наблюдаемая, например, на Черноморском побережье Кавказа, образуется в результате переваливания через невысокие горные хребты холодного воздуха, устремляющегося вниз к более теплому морю, и представляет собой холодный, сильный и порывистый ветер.
Вопросы для самоконтроля.
- Что принято за единицу атмосферного давления и как оно соответствует ртутному столбу?
- Каково нормальное давление воздуха?
- В каких единицах измеряется давление?
- Как падает давление с высотой в нижнем километровом слое атмосферы?
- Как называется прибор, с помощью которого измеряют давление воздуха?
- Что собой представляет глобальная схема распределения давления? С чем она связана?
- Где и какие пояса давления существуют на Земле и почему?
- С чем связано нарушение широтного распределения давления?
- Что такое барический максимум и барический минимум?
- Назовите барические максимумы, существующие круглый год? Где они находятся – над сушей или над океанами?
- Почему существуют сезонные барические минимумы и максимумы?
- Назовите главные сезонные барические минимумы и максимумы? Где они образуются?
- Что такое изобары и для чего они используются?
- Что такое ветер?
- От чего зависит скорость ветра?
- Как измеряется скорость ветра?
- Какова скорость ветра при штиле и при урагане?
- Откуда и куда дует ветер?
- Как определяется направление ветра?
- Как влияет ускорение Кориолиса на ветер?
- Что такое роза ветров?
- Какие существуют ветры в зависимости от причин их возникновения?
- Что называется общей (глобальной) циркуляцией атмосферы?
- Назовите постоянные ветры?
- Как образуются пассаты?
- Как образуются западные ветры?
- Как образуются муссоны?
- Что собой представляет циклон? Чем он характеризуется?
- Что собой представляет антициклон? Чем он характеризуется?
- Что такое тайфун?
- Что такое смерчи, торнадо?
- Что такое бриз?
- Что такое бора, фен?
Источник