Давление воздуха и ветер. Силы, действующие в атмосфере при возникновении ветра
Если бы характер воздушных течений определялся только термической неоднородностью поверхности земли и воздушных масс, то режим ветра в любой части земного шара был бы простым, т. е. ветер определялся бы только горизонтальным градиентом давления и движение воздуха совершалось бы вдоль этого градиента от высокого давления к низкому. При этом скорость ветра была бы обратно пропорциональна расстоянию между линиями одинакового давления, т. е. изобарами. Чем меньше расстояние между изобарами, тем больше градиент давления, а соответственно и скорость ветра (рис. 26).
Направление и скорость ветра под действием силы градиента давления
Однако в действительности к термической первопричине возникновения воздушных течений присоединяется действие целого ряда других факторов, которые значительно усложняют атмосферную циркуляцию. Поэтому как муссонная, так и междуширотная циркуляция, посредством которой осуществляется непрерывный обмен тепла соответственно между материками и океанами и между низкими и высокими широтами в действительности осуществляется несравненно сложнее. К силам, вызывающим изменение направления и скорости воздушных течений, относится в первую очередь отклоняющая сила вращения Земли, или, как обычно называют, сила Кориолиса. Возникновение этой силы связано с вращением Земли вокруг своей оси. Из механики известно, что, согласно закону инерции, всякое тело, находящееся в движении, при взаимном уравновешивании всех испытываемых им внешних воздействий сохраняет свое состояние движения. Тело, движущееся на вращающейся Земле, под влиянием силы Кориолиса отклоняется в сторону, перпендикулярно направлению его относительного движения. Предположим, что на какой-либо широте тело начало двигаться вдоль меридиана к северу. Сохраняя свое направление, тело одновременно участвует в суточном вращении Земли. Поэтому через некоторый промежуток времени в соответствии с вращением тело отклонится от направления меридиана, поскольку меридиан изменит свое направление в мировом пространстве и повернется влево от первоначального положения. Так как мы привыкли определять направление движения относительно земной поверхности, то нам кажется, что не меридиан отклонился влево, а движущееся тело отклонилось вправо от меридиана, т. е. от первоначального направления движения. Такое отклонение происходит при движении тела не только вдоль меридиана, но и при любом первоначальном направлении. Сила Кориолиса оказывает действие на все движущиеся тела на Земле. В частности, ее действием объясняется размыв берегов рек. При направлении течения в реке с севера на юг размыву подвергается правый берег. Поэтому правый берег, как правило, является высоким в противоположность отлогому левому берегу. При направлении течения с юга на север размывается левый берег реки. Сила Кориолиса оказывает влияние и на направление морских течений, отклоняя их вправо в северном полушарии и влево в южном. Под действием силы Кориолиса ветер дует не вдоль градиента давления, а отклоняясь от него. Под ее влиянием потоки воздуха, начинающие движение вдоль градиента давления с постепенно возрастающей скоростью, в северном полушарии отклоняются от направления градиента вправо, в южном полушарии — влево. Представление о действии силы давления и отклоняющей силы вращения Земли на изменение направления действительного ветра при отсутствии влияния других сил можно получить из приведенной схемы (рис. 27 а). Предположим, что под действием силы барического градиента воздушная частица (обозначена кружком) начнет смещаться в направлении градиента. В первое мгновение, как только появится скорость V1 возникнет ускорение отклоняющей силы вращения Земли А1 направленное перпендикулярно и вправо по отношению к скорости V1. Под влиянием этого ускорения в последующее мгновение скорость движения частицы воздуха станет равной V2. Но вместе с этим сила Кориолиса изменится на А2. Под влиянием ускорения скорость частицы воздуха еще изменится, став равной V3. Не замедлит измениться и сила Кориолиса и т. д. В результате сила давления и отклоняющая сила вращения Земли уравновешиваются и движение воздушной частицы происходит вдоль изобар. Такой ветер называется градиентным. При движении вдоль изобар низкое давление остается слева от направления движения, а высокое — справа. На рис. 27 б показан случай равновесия между силой давления и отклоняющей силой вращения Земли. Наблюдения показывают, что на высоте около 1 км и выше движение воздуха происходит приблизительно вдоль изобар, с небольшими отклонениями, вызванными другими причинами. С увеличением широты отклоняющая сила вращения Земли возрастает, достигая максимальной величины у Северного и Южного полюсов. В экваториальной зоне она приближается к нулю.
Схема возникновения градиентного ветра
Кроме отклоняющей силы вращения Земли, в приземном слое воздуха действует сила трения, направленная всегда в сторону, противоположную движению, и пропорциональная скорости. Она, уменьшая скорость воздушных потоков, отклоняет их влево от изобар и заставляет течь не вдоль изобар, а под некоторым углом к ним от высокого давления к низкому. Вследствие соприкосновения движущегося воздуха с поверхностью земли скорость движения уменьшается. Изменяется и направление. Посредством турбулентного перемешивания воздуха влияние трения передается в выше лежащие слои, приблизительно до 1 км над поверхностью земли. Влияние трения на направление и скорость движения воздуха можно изобразить с помощью схемы рис. 28 а. На схеме представлено поле давления и движение воздуха под влиянием силы градиента давления, отклоняющей силы вращения Земли и трения. Как мы видели, под действием силы Кориолиса движение воздуха происходит не вдоль градиента давления Г, а под прямым углом к нему, т. е. вдоль изобар. Направление действительного ветра изображено стрелкой В. Стрелка, изображающая силу трения Т, направлена не прямо противоположно направлению ветра, а несколько в сторону. Сила Кориолиса, направленная под прямым углом к действительному ветру, изображена стрелкой К. Как видно, угол между действительным ветром В и силой трения Т составляет больше 90°, а угол между действительным ветром В и силой градиента давления Г меньше 90°. Так как сила градиента перпендикулярна изобарам, то действительный ветер оказывается отклоненным влево от изобар.
Отклонение направления ветра от изобар под действием силы Кориолиса, силы градиента давления и силы трения
Величина угла, составляемого изобарой и направлением действительного ветра, зависит от степени шероховатости земной поверхности. На схеме рис. 28 б показано направление ветра по отношению к прямолинейным изобарам под влиянием отклоняющей силы вращения Земли и силы трения. Ветер направлен от высокого давления к низкому. Кроме того, величиной стрелок показана скорость ветра, зависящая от градиента давления. Чем меньше расстояние между изобарами, тем сильнее ветер. Отклонение происходит влево от изобар обычно под углом 20— 30°. Над сушей трение больше, чем над морем. У поверхности земли влияние трения наибольшее. С высотой оно уменьшается, и на высоте около 1 км действие силы трения почти прекращается. Если изобары криволинейные, т. е. имеют, например, форму эллипса или окружности, то на движение воздуха оказывает действие центробежная сила, которая направляет потоки воздуха по изобарам (в случае отсутствия трения). Под действием силы трения ветер дует под углом к изобарам в сторону низкого давления. У поверхности земли даже на небольших участках преобладает криволинейная форма изобар. Давление воздуха определяется его массой в столбе атмосферы сечением, равным единице площади. При неравномерном движении воздуха вследствие изменения его термических свойств и действующих сил происходит уменьшение или увеличение массы воздуха в столбе, а соответственно понижение или повышение атмосферного давления. В результате этого часто возникают и развиваются атмосферные вихри — циклоны и антициклоны. В системе циклонов давление воздуха возрастает от центра к периферии, а ветры направлены от периферии к центру против часовой стрелки. В антициклонах, наоборот, давление воздуха возрастает от периферии к центру, а ветры направлены от центра к периферии по часовой стрелке. В южном полушарии, напротив, в циклоне ветры дуют по часовой стрелке, а в антициклоне — против часовой стрелки. Кроме циклонов и антициклонов, существуют гребни, ложбины и седловины. Гребень — это вытянутая от центральной части антициклона область высокого давления с антициклонической системой циркуляции, но незамкнутыми изобарами. Ложбина — это вытянутая от центральной части циклона область низкого давления с циклонической системой циркуляции, но незамкнутыми изобарами. Седловина — это форма барического рельефа между двумя циклонами и двумя антициклонами, расположенными крест на крест. На рис. 29 изображено поле давления у поверхности земли с системой ветров. Кроме двух циклонов и двух антициклонов, здесь представлены ложбины, гребни и седловина. Направление ветра показано стрелками, скорость — оперением. Чем больше расстояние между изобарами, тем меньше скорость ветра и меньше оперение. Такое изображение изобар и ветра принято на картах погоды (см. ниже). Несмотря на развитие как циклонов, так и антициклонов, в средних широтах северного и южного полушарий у поверхности земли все же преобладает относительно низкое давление. В субтропиках располагаются антициклоны. На крайнем севере и юге, т. е. в Арктике и Антарктике, преобладает высокое давление воздуха, а над экватором — низкое.
Барические системы у поверхности земли
Циркуляция атмосферы на земном шаре весьма многообразна и сложна. Режим воздушных течений различен зимой и летом, у поверхности земли и на высотах, над материками и над океанами, не говоря уже о большой его изменчивости в средних и высоких широтах ото дня ко дню. Обычно средние месячные карты давления и воздушных потоков отображают лишь преобладающий перенос воздушных масс в течение месяца и скрывают многие интересные особенности атмосферных процессов, которые обнаруживаются на ежедневных картах погоды.