3.1. Глобальная циркуляция атмосферы

Тепловая машина первого рода. О том, что в масштабе планеты основной причиной движения воздуха является неравномерное распределение тепла, знали еще в Древней Греции. Экваториальные области получают его больше, чем полярные. Поэтому, более теплый воздух, расширяясь, поднимается вверх и центр тяжести столба атмосферы у экватора повышается В высоких же широтах происходит сжатие столба атмосферы - понижение его центра тяжести. Из-за возникающей таким образом разности атмосферного давления в верхних слоях атмосферы формируются меридиональные потоки воздуха в направлении полюсов, а в нижних слоях – перемещение воздуха из умеренных широт к экватору. Сегодня такая схема движений получила название «ячейка Гадлея (рис.3.1).

Рис.3.1. Схема меридиональной циркуляции атмосферы по обе стороны экватора (ячейки Гадлея).

Система циркуляции воздуха в верхних слоях атмосферы в «ячейках Гадлея» является аналогом бризовой циркуляции в системе «суша-море», но не в локальном (пляж), а в планетарном масштабе. Геофизик и океанолог В.В. Шулейкин сравнил такой тип циркуляции с действием гигантской тепловой машины первого рода с нагревателем у экватора и холодильником у полюса.

Отклоняющая сила вращения Земли – сила Кориолиса. На верхних уровнях атмосферы (12-15 км) воздушный поток от экватора к полюсу, генерируемый тепловой машиной первого рода попадает под влияние так называемой силы Кориолиса (по имени исследователя впервые описавший механизм влияния вращения Земли на тела, движущиеся по ее поверхности в направлении меридиана). Эту таинственную силу называют еще геострофической (от греч. «geo»-земля и «strofa»-поворот). Она действует перпендикулярно направлению движения тела вправо – в северном полушарии, и влево – в южном (рис.3.2).

Рис.3.2. Схема действия силы Кориолиса на тело (или поток воздуха), движущиеся по (или над) поверхностью Земли в меридиональном направлении.

При этом ее величина пропорциональна лишь скорости движения и синусу широты места и не зависит от массы движущегося объекта. Эффект отклонения тела или потока воздуха от направления движения возникает из-за различия на разных широтах скоростей их вращения относительно оси Земли (см. рис.3.2). Именно сила Кориолиса «повинна» в крутизне правых берегов рек и износе правых колес поездов в Северном полушарии. При ее участии формируется также система глобальной циркуляции атмосферы и океана.

Высотные струйные течения и фронтальные зоны. Под влиянием отклоняющей силы вращения Земли, высотный поток воздуха от экватора к полюсам (с юга на север) в умеренных широтах обеих полушарий поворачивает на восток, формируя здесь в тропосфере западно-восточный циркумполярный круговорот, опоясывающий всю Землю (рис.3.3). На высоте 12-15 км, из-за больших горизонтальных контрастов температуры (до 1⁰С на 10 км) ветер в циркумполярном высотном круговороте сосредотачивается в узкой полосе (шириной 300-400 км и толщиной 1-2 км), формируя так называемое струйное течение. Его характерной особенностью оказывается динамическая неустойчивость - в северном и южном полушариях оно меандрирует (от греч. «meandres» – излучина) в зоне между 30 и 45⁰ широты (см. рис.3.3).

Рис.3.3. Высотный циркумполярный круговорот (струйное течение) и схема образования высотных циклонов и антициклонов в атмосфере Северного полушария.

Скорость ветрового потока в этой струе может достигать 100 м/сек (195 узлов, или 360 км/час) при средних величинах 50-60 м/сек. Амплитуда меандрирования струи течения составляет примерно 100 км. На круге широты вдоль потока укладывается в среднем 4-8, а чаще всего 5-6 волн. Таким образом, длина волны составляет около 4000 км. Скорость их смещения вдоль струи достигает 10 м/с.

В ложбинах и гребнях таких образований, названных волнами Россби, формируются круговые движения – циклоны (вокруг центров низкого давления), и антициклоны (вокруг центров высокого давления). В северном полушарии воздух в циклонах движется против, а в антициклонах по часовой стрелке. И в том и в другом случае область низкого давления оказывается слева от направления ветра (см. рис.3.2).

Границы раздела между относительно холодными и относительно теплыми воздушными массами в высотных циклонах и антициклонах называются высотными фронтальными зонами (рис.3.4).

Рис.3.4. Высотные фронтальные зоны Земли

Высотные циклоны и антициклоны вовлекают во вращательное движение (перемещают и сталкивают) холодные и теплые воздушные массы нижних слоев атмосферы. В результате у поверхности земли также возникают фронтальные зоны – границы раздела воздушных масс с различными физическими характеристиками. Эти границы раздела являются центрами возникновения приземных циклонов и антициклонов, правда меньших по масштабу, чем высотные.

Приземные фронты. Если в приземном слое движущаяся теплая воздушная масса встречает неподвижную массу холодного воздуха, формируется теплый фронт. Его граница с высотой наклоняется вперед, по ходу движения фронта (рис.3.5а). Если же инициатором столкновения двух воздушных масс является поток холодного воздуха, в приземном слое атмосферы возникает холодный фронт. Его граница с высотой отклоняется назад (рис.3.5б).

Рис.3.5. Вертикальный разрез теплого (а) и холодного (б) фронта.

Первый признак приближения теплого фронта - появление перистых облаков на высотах порядка 10 км, при этом из-за наклона оси фронта, низкая облачность, дожди, сильный ветер располагаются на расстоянии до 1000 км от места наблюдения перистых облаков (фото.3.1). Если учесть, что средняя скорость поступательного движения теплого фронта у земли - 50-70 км/час, то приближение непогоды можно предсказать за 10-15 часов до ее наступления.

Холодный фронт никогда не предупреждает о своем приближении заблаговременно - только черная гора облаков виднеется на горизонте, т.е. на расстоянии примерно 12 км от точки наблюдения. Обычно за этим фронтом долго тянется длинный шлейф разорванной кучевой облачности – вторичных холодных фронтов. Мощные восходящие потоки теплого воздуха в передней части фронта на высоте 12-15 км упираются в холодный воздух слоя тропопаузы и формируют здесь характерную «наковальню» - самый опасный для полетов вид кучевых облаков (фото.3.2).

Рис.3.1. Перистые облака верхнего яруса – предвестники теплого фронта.

Рис.3.2. «Наковальня» - результат столкновения восходящих потоков теплого воздуха с холодным слоем тропопаузы

Формирующаяся таким образом картина давления и ветровых потоков над поверхностью Земли, в каждом конкретном районе планеты существенно трансформируется под влиянием динамических и термических эффектов материков (наличия горных систем и разной скорости прогрева суши и моря).