6.7. Загальна циркуляція атмосфери
Під загальною циркуляцією атмосфери розуміють сукупність основних видів повітряних рухів у нижній атмосфері, внаслідок яких здійснюється обмін великих мас повітря в горизонтальному і вертикальному напрямах. Ці повітряні течії зумовлені перш за все різницею температур між екваторіальними і полярними широтами, материками й океанами, а також обертанням Землі навколо своєї осі.
Коли б поверхня Землі була рівною і одноманітною, тобто тільки сушею або водною оболонкою, і на повітряних потоках не позначалась би відхиляюча дія обертання Землі, тоді схема циркуляції повітря була б досить простою: холодне повітря розтікалось би в приземному шарі від полюсів до екватора, а більш легке тепле утворило б на певній висоті компенсаційний потік від екватора до полюсів. Рух повітря, таким чином, здійснювався б уздовж меридіанів.
Насправді ж загальна циркуляція має значно складніший вигляд. На ній позначається вплив форми Землі, добове обертання Землі, річний рух Землі, особливості розподілу суші і моря, характер рельєфу, океанічні течії, поширення льодовиків тощо.
Земна поверхня, маючи кулясту форму, нагрівається Сонцем нерівномірно, і саме ця нерівномірність надходження сонячної енергії в різних широтах є основною причиною виникнення атмосферної циркуляції великого масштабу, яка шляхом переносу величезних мас холодного й теплого повітря в меридіональному напрямі вирівнює температурну різницю між високими і низькими широтами Землі. Крім того, навіть на одній і тій самій широті сонячна радіація поглинається неоднаково материками й океанами, лісами й пустелями, засніженими й оголеними поверхнями. Внаслідок цього виникає циркуляція малого масштабу між материками й океанами, горами й долинами тощо.
Як уже зазначалося, сила Коріоліса зумовлена осьовим обертанням Землі і дуже відчутно впливає на напрям руху вітрових течій. В умовах широтного розташування постійних центрів дії атмосфери це призводить до формування в тропосфері переважно західно-східного переносу повітряних мас.
Рух Землі навколо Сонця є причиною утворення сезонних центрів дії атмосфери. Формування над материками зон пониженого тиску влітку і підвищеного взимку діаметрально змінює напрями циркуляції повітря над одними і тими ж регіонами земної поверхні. Певних сезонних змін зазнає циркуляція повітря і над океанами.
Наявність нерівностей на земній поверхні також позначається на напрямі переміщення повітряних мас. Значно впливають на загальну циркуляцію гори, які нерідко є нездоланною перешкодою для панівних течій і значно трансформують властивості повітря. Над рівнинами й низовинами, як і над морем й океаном, напрям руху повітря визначається переважно меридіональними і широтними особливостями просторового розподілу атмосферного тиску і впливом сили Коріоліса. Основні фізичні характеристики повітря (вологість, температура, прозорість) значною мірою залежать від підстилаючої поверхні. Так, теплі океанічні течії нагрівають повітря і насичують водяною парою, а холодні, навпаки, сприяють його охолодженню (при цьому повітря більш прозоре через низький вміст в ньому вологи).
Зрозуміти деякі закономірності руху повітряних мас дозволяє схема загальної циркуляції атмосфери, яку запропонував у 1897 р. норвезький кліматолог Ф.К. Б'єркнес (рис. 18). Згідно з цією схемою, в кожній півкулі можна виділити три кільця циркуляції повітря.
Перше кільце охоплює тропічні широти, до нього належать висхідні потоки теплого легкого повітря над екватором, які вітрами переносяться до тропіків і опускаються на широтах близько 30°. Звідси, з баричних максимумів повітря пасатами повертається до екватора — баричного мінімуму.
Друге кільце формується в помірних широтах і виражене менш чітко. Тут переважають західні вітри, що дмуть із субтропічних баричних максимумів. При цьому частина повітря з мінімумів помірних широт повертається в тропічні широти, а інша потрапляє в полярні.
Загальна циркуляція атмосфери
Рис. 18. Загальна циркуляція атмосфери
В полярних кільцях відбувається опускання повітря внаслідок зменшення його об'єму під впливом сильного охолодження. Повітря поступово розтікається до арктичного і антарктичного фронтів. У верхніх шарах тропосфери формуються горизонтальні компенсаційні течії.
Незважаючи на детальну характеристику загальної циркуляції атмосфери, ця схема не відображає всіх закономірностей руху повітря. Так, у ній зовсім не враховано вплив неоднорідності земної поверхні. Разом з тим відомо, наскільки важливу роль в переміщенні повітря відіграють суттєві відмінності в нагріванні материків і Світового океану. Фактична циркуляція ще більше ускладнюється циклонічною і антициклонічною діяльністю. Новітні дослідження показали, що обмін повітря ними масами між екваторіальними і полярними широтами досягається, головним чином, горизонтальним переміщенням. Вертикальні кільця проявляються нечітко і не е стійкими утвореннями, особливо у позатропічних широтах.
У загальній циркуляції атмосфери добре простежується зональність в розподілі вітрів: у низьких широтах переважає східний тропічний перенос повітря, у середніх — західний, у високих — полярна циркуляція з переважно північно-східними вітрами у Північній півкулі і південно-східними — в Південній.
Східний тропічний перенос формується пасатами — постійними вітрами помірної сили (в середньому 6—8 м/с), що дмуть із субтропічних антициклонів у бік екваторіального баричного мінімуму. Оскільки міжширотні градієнти температури в жаркому поясі невеликі, то і атмосферна циркуляція менш інтенсивна, ніж в помірних широтах. У Північній півкулі пасати мають напрям з північного сходу на південний захід, а в Південній — з південного сходу на північний захід. Пасатна смуга не суцільна в тропічному поясі: ці вітри відсутні, наприклад, над південною частиною Північної Америки і над північною Австралією.
Зона панівних західних вітрів охоплює в помірних широтах всю тропосферу. Швидкість вітру змінюється в широких межах, середня ж становить 5—10 м/с.
У полярних поясах обох півкуль до висоти 2—3 км переважають вітри східних румбів з малими швидкостями. Це пояснюється відсутністю постійного полярного антициклону. Відтікаючи в приполярні широти, арктичне і антарктичне повітря нагрівається й опадів, як правило, не дає. На вищих рівнях у цих широтах панують західні вітри.
Західно-східний перенос повітря в помірних широтах постійно порушується циклонічною і антициклонічною діяльністю. Частому зародженню циклонів сприяють тут значні контрасти температур повітря, які створюють сприятливі умови для інтенсивної адвекції (горизонтального перенесення) тепла і холоду. Найчастіше вони утворюються на півночі Атлантики і Тихого океану. Взимку, коли збільшуються контрасти температур між океаном і материками, циклонічна діяльність посилюється. В цей час циклони зароджуються і над Середземним морем.
Циклони помірних широт — це грандіозні порівняно плоскі атмосферні вихори розміром до декількох тисяч кілометрів. Повітря в такому вихорі рухається за спіраллю навколо центра, повільно до нього наближаючись. Причиною цього є знижений тиск в центральній частині.
Зростання атмосферного тиску може спричинити утворення антициклонів — баричних максимумів в однорідній повітряній масі. Повітря в них опускається, ущільнюється і притискується до земної поверхні. З низхідними токами пов'язане адіабатичне нагрівання повітря та його висихання. Тому в антициклоні, на відміну від циклонів, погода ясна і суха, небо безхмарне. Температура влітку висока, а взимку дуже морозна. В центрі антициклона стоїть штиль, а на периферії дмуть слабкі вітри.
Істотну роль у загальній циркуляції атмосфери відіграють мусони (тропічні і позатропічні) — стійкі сезонні повітряні течії з різкою зміною переважаючого напряму вітру від зими до літа і навпаки. Влітку, коли краще нагрітий суходіл, з океану дме вологий вітер — літній мусон, який приносить щедрі опади. Взимку ж, навпаки, відбувається перенос повітря з холодної суші на більш теплий океан у вигляді сухого й холодного зимового мусону. Мусони дуже характерні для Східної та Південно-Східної Азії, Індії, Пакистану, Бангладеш.
Виділяють ще екваторіальні мусони. Вони утворюються у зв'язку з періодичним сезонним переходом пасатів через екватор з однієї півкулі в іншу. Цей перехід зумовлюється міграцією термічного екватора внаслідок зміни зенітального положення Сонця. При переході через екватор повітряні течії відхиляються під впливом сили Коріоліса в іншій півкулі не на захід, а на схід. Так виникають між східними пасатними течіями окремі вузькі приземні західні потоки повітря, які рухаються безпосередньо вздовж екватора.
В екваторіальній смузі сходяться і затихають північно-східні і південно-східні пасати. Це так звана зона екваторіального затишку, відома раніше як пояс штилів. Для неї характерний низький атмосферний тиск і слабкі змінні вітри. Повітря в зоні затишку нагрівається і піднімається вгору, де розтікається на північ і південь, відхиляючись у Північній півкулі праворуч, а в Південній — ліворуч. Так утворюються антипасати. Висхідні течії повітря, охолоджуючись, виділяють водяну пару. Тому в зоні затишку часто спостерігається велика хмарність і випадає багато опадів.
З висотою різниця температур між екватором і полюсами в тропосфері зменшується, але не зникає. Оскільки контрасти температур взимку більші, ніж влітку, то й атмосферні циркуляції протікають у цю пору інтенсивніше. Внаслідок цього переважаючі західні вітри мають у помірних широтах в холодну пору більшу швидкість, ніж у теплу.
Вітри, властиві тій чи іншій фронтальній зоні, з висотою посилюються, оскільки зменшується тертя. У верхніх шарах атмосфери і нижніх шарах стратосфери вітри дмуть з великою швидкістю (від 50 до 100 м/с) у вигляді сильних вузьких струменів. Звідси і походить їхня назва — струминні течії. Довжина їх може сягати тисячі кілометрів.
Таким чином, загальна циркуляція атмосфери має досить складний вигляд. У зв'язку з перепадами тиску повітря переміщується в тропосфері у вигляді пасатів і антипасатів, західних вітрів у помірних широтах, полярних вітрів, різних вітрів меншого масштабу і повітряних потоків. Ці переміщення повітряних мас мають великий вплив на клімат, і насамперед на перерозподіл тепла і вологи в атмосфері. Панівні вітри викликають утворення течій в морях і океанах, визначають основні напрями переносу еолових відкладів.
6.8. Місцеві вітри.
Під місцевими вітрами розуміють вітри, характерні для певних географічних районів. Такими є, наприклад, бризи, бора, фени, гірсько-долинні вітри і деякі інші. Вони можуть бути проявом місцевих циркуляцій повітря або локальних змін течій загальної циркуляції атмосфери під впливом підстилаючої поверхні рельєфу.
Бризи виникають на узбережжі морів, великих озер і навіть в долинах великих рік. Для них характерна періодична добова зміна напряму: вдень вони дмуть з водної поверхні на сушу, вночі — із суші на воду. Така регулярна зміна пояснюється нерівномірністю нагрівання суші і води протягом доби. Вдень повітря над сушею прогрівається сильніше, тому тут створюється зона пониженого тиску, в яку постійно вривається більш холодне морське повітря. Вночі у зв'язку з тим, що суша охолоджується швидше за водну поверхню, напрям циркуляції повітря змінюється на протилежний.
Бризи охоплюють приземний шар висотою кілька сотень метрів. Від берегової лінії бризи поширюються в глибину суші або моря, озера на десятки кілометрів. Морські бризи впливають на погоду в береговій смузі, зумовлюють зниження температури і підвищення відносної вологості.
Гірсько-долинні вітри проявляються в горах. їм також властива добова періодичність: вдень вітри дмуть із більш затінених і холодних долин угору на обігріті сонцем схили. Вночі охолоджене гірське повітря опускається схилами униз в долини, в бік рівнин. Гірсько-долинні вітри формуються в горах при малохмарній погоді. Такі місцеві циркуляції повітря характерні, зокрема, для Карпат, Альп, Кавказу, інших гірських систем.
Фен — сухий і теплий поривчастий вітер, що дме з гір (рис. 19). Цей вітер може виникнути в будь-якій гірській системі, якщо на шляху повітряної течії загальної циркуляції опиняється хребет достатньої висоти. Повітряний потік у такому випадку піднімається гірськими схилами уторуй, опиняючись в умовах все більш низького тиску, охолоджується. На певній висоті повітря охолоджується настільки, що починається конденсація водяної пари, утворюються хмари, а потім і опади. Вологе повітря при піднятті угору охолоджується приблизно на пів градуса кожні 100 м висоти. Переваливши через гірський хребет, тепер уже сухе повітря при опусканні вниз адіабатично нагрівається в середньому на 1° кожні 100 м. Отже, повітря при опусканні нагрівається майже вдвічі швидше, ніж охолоджується при піднятті угору на схилах. Це і є причиною того, що з гір дме значно тепліший сухий вітер. Фени утворюються впродовж усього року, але найчастіше — взимку і весною. Вони спостерігаються в Альпах, Піренеях, Скелястих горах, на Кавказі.
Фен
Рис. 19. Фен
Утворення фенів впливає на водний режим річок, зумовлює швидке танення снігу, спонукає масовий схід снігових лавин. За рахунок швидкого підвищення температури повітря і більш раннього сходу снігу в місцях, характерних для виникнення таких вітрів, подовжується тривалість вегетаційного періоду.
Бора — дуже сильний і холодний вітер, який найчастіше дме з низьких гірських хребтів у бік теплішого моря. Відомою е Новоросійська бора. Виникненню ураганної сили вітрів сприяє розташування невисоких гірських хребтів — відрогів Кавказького хребта — на шляху холодних повітряних мас, які переміщуються з півночі через Кубанську низовину до Чорного моря. Холодне повітря концентрується в передгір'ях, внаслідок чого атмосферний тиск тут зростає. А по інший бік хребта, на морі, тиск залишається низьким. Тепле розріджене повітря піднімається над морем, виникає сильна течія, яка "засмоктує" повітря з материка. Поступово потік холодного повітря долає невисокий Мархотський перевал (430 м) і вітер ураганної сили вривається на спустілі вулиці й причали порту. У бухті здіймаються гігантські хвилі. Траплялося, що Новоросійська бора скидала з рейок навантажені вагони, рвала шварти (канати), якими кораблі кріпляться до пірса, й викидала їх на берег. У грудні 1899 р. бора засипала місто снігом, а будинки і пароплави покрилися льодом товщиною до двох метрів. Деякі кораблі, не витримавши такого льодового тягаря, затонули, інші були викинуті бурею на берег.
Менш відомою, але сильнішою є бора на островах Нової Землі. Тут вона найчастіше проявляється взимку. Швидкість вітру доходить до 30—40 м/с, окремих поривів — до 60 м/с.
Велику схожість з борою має сильний вітер на Байкалі, що називається сармою. Подібні вітри в Закавказзі, як і в південно-східній Франції, називаються містралю.
Смерчі — дрібномасштабні вихори з вертикальними "вісями" — виникають в атмосфері над водною поверхнею. Діаметр їх від 1 до 100 м, а швидкість переміщення — 20—30 км/год. Подібні вихори, які утворюються над сушею, називається смерчами або тромбами (в Північній Америці — торнадо). Вони виникають у зимових хмарах. Для них характерне швидке обертання повітря за спіраллю з одночасним підняттям угору.
Смерчі виглядають як темний стовп або хобот слона між хмарою і земною поверхнею, вони розширюються угору або униз. Такі своєрідні обриси пояснюються тим, що вихор втягує хмару зверху або пил (воду) з земної поверхні, оскільки в його середині тиск дуже низький. Вихор переміщується разом із хмарою зі швидкістю 10 м/с (тромб — 50—100 м/с). Час існування вихорів вимірюється хвилинами, тромбів — кількома годинами. .
Тромби спричиняють руйнування будівель, виривають з коренем дерева, переносять тварин. Вони трапляються і в Європі. Кількість торнадо, які виникають у Північній Америці між Скелястими горами і Аппалачами, перевищує 200 на рік.
Місцеві вітри характерні для багатьох регіонів планети. Так, в Андах існує сильний перевальний вітер — хунта, а в Аргентині — холодний памперо. В Середній Азії дме по декілька днів поспіль пекучий, з пилом і піском, вітер афганець. На Іранському нагір'ї відомий "вітер ста двадцяти днів". Він починає віяти наприкінці травня — початку червня з північного заходу і дме день у день, стихаючи лише на ніч. Над аравійськими і африканськими пустелями нерідко проноситься самум – сухий вітер з піском і пилом. Дме вія лише 15—20 хв., але температура при цьому сягає 55—60 °С. На півдні України вітри, які гонять воду з Дніпровського лиману в низов'я Дніпра, місцеві жителі називають низівкою.