Итак, изменения погоды обусловливаются движением и взаимодействием воздушных масс. Если по синоптическим картам будет установлено, что какая-либо воздушная масса в каком-то районе задерживается, то можно считать, что погода в этом районе будет меняться мало. Если же по картам видно, что воздушная масса скоро уступит свое место другой, с иными свойствами, то следует ожидать и соответствующего изменения погоды. Отсюда становится ясно: чтобы решать вопросы о вероятных переменах погоды, необходимо разбираться в причинах и закономерностях горизонтальных движений воздуха.
Как же возникают в атмосфере горизонтальные движения воздуха? Исследования показали, что основной причиной возникновения воздушных течений является неравномерное распределение атмосферного давления. Если на какой-то площади создается высокое давление, то избыток масс воздуха над ней начинает оттекать к областям с более низким давлением. Разность давления и является той движущей силой, которая вызывает перемещение воздуха. Причиной неоднородного распределения давления является неравномерность распределения температуры воздуха. Эта неравномерность приводит к тому, что атмосфера в разных ее частях оказывается нагретой не одинаково. В результате в ней как бы создаются столбы воздуха с разной температурой. В более теплом воздухе давление его с высотой уменьшается медленнее, чем в более холодном, и на некоторой высоте давление в теплом воздухе окажется выше, чем давление на той же высоте в холодном воздухе. Это вызовет в верхнем слое ток более теплого воздуха в сторону холодного. В результате произойдет увеличение массы в столбе холодного воздуха и повышение давления у его основания. Это, в свою очередь, вызовет в нижнем слое движение холодного воздуха в сторону теплого. Очевидно, что эти рассуждения сохраняют силу вне зависимости от масштабов процесса. Следовательно, они могут быть применимы и при рассмотрении вопроса о циркуляции атмосферы всего земного шара, так как на Земле всегда имеются постоянный очаг тепла (экваториальная зона) и два постоянных очага холода (район полюсов).
Разберемся в этом подробнее.
Как уже говорилось, поверхность земного шара нагревается Солнцем неодинаково. Непосредственно лучами Солнца воздух нагревается очень незначительно, основная масса тепла поступает в атмосферу от нагретой Солнцем поверхности Земли. Атмосферный воздух нагревается от земной поверхности как от печки.
Степень нагрева земной поверхности лучами Солнца зависит от положения Земли относительно Солнца. В течение года наша планета совершает один оборот вокруг Солнца. При этом одну половину года к Солнцу наклонено северное полушарие Земли; в это время оно получает больше тепла, чем южное, и в северном полушарии стоит лето, а в южном зима (рис. 14). В следующие полгода к Солнцу наклонено южное полушарие, которое теперь получает больше тепла, чем северное; в этот период в северном полушарии стоит зима, а в южном лето (рис. 15).
Рис. 14. Положение Земли по отношению к солнечным лучам в день летнего солнцестояния.
Рис. 15. Положение Земли по отношению к солнечным лучам в день зимнего солнцестояния.
Из рисунков нетрудно видеть, что в период летнего солнцестояния (рис. 14) в Арктике Солнце не заходит за горизонт, стоит долгий полярный день, а на южном полюсе Антарктида погружается в полярную ночь. В период зимнего солнцестояния (рис. 15) в Арктике Солнце находится за горизонтом и здесь стоит полярная ночь. В это же время в Антарктиде господствует полярный день.
Земля шарообразна. Поэтому количество тепла, поступающее от Солнца, различно для разных мест на земном шаре. В зоне экватора солнечные лучи падают на земную поверхность почти отвесно, а ближе к полюсам под углом — они здесь как бы скользят по поверхности Земли. Ясно, что одно и то же количество солнечных лучей распределяется по большей поверхности, падая под углом, чем при отвесном падении.
Подсчеты показывают, что на полюс поступает солнечной энергии почти в три раза меньше, чем на экватор. Этим и объясняется жаркий климат в экваториальных областях Земли и холодный в полярных. Таким образом, на Земле есть постоянный очаг тепла (экваториальная зона) и два постоянных очага холода (районы полюсов).
Если бы Земля не вращалась и поверхность ее была совершенно однородной, циркуляция атмосферы была бы очень проста: в нижнем слое воздушные массы двигались бы от полюсов к экватору, а в верхних слоях — от экватора к полюсам. В действительности картина гораздо более сложна.
Во-первых, на движение воздуха оказывает влияние отклоняющая сила вращения Земли. Эта сила действует на всякое движущееся тело и всегда направлена перпендикулярно к направлению движения, причем в северном полушарии вправо, а в южном влево. Под ее влиянием реки в нашем полушарии подмывают больше правый берег и он поэтому обычно выше, чем левый. Известно также, что на двухпутных железнодорожных линиях правый рельс изнашивается быстрее, чем левый. Льды в арктических морях движутся не по направлению ветра, а отклоняясь от него вправо на 30–40 градусов. В силу этого же закона движение атмосферного воздуха также отклоняется в северном полушарии вправо, а в южном влево.
В результате схематично можно представить следующее распределение воздушных течений в атмосфере (рис. 16). Воздух, поднимающийся в экваториальной зоне и начавший в северном полушарии двигаться на некоторой высоте к северному полюсу, под влиянием отклоняющею действия вращения Земли будет постепенно отклоняться вправо (к востоку). На широте около 30 градусов это отклонение достигнет 90 градусов и воздух будет двигаться уже не с юга на север, а с запада на восток. Так как при этом поступление воздуха из экваториальной зоны не прекращается, то над широтой 30 градусов он накапливается и вызывает повышенное атмосферное давление в широкой полосе у земной поверхности. Аналогичная картина наблюдается и в южном полушарии при движении воздуха из экваториальной зоны к южному полюсу. Воздух из поясов высокого давления над 30 градусами широты оттекает к экватору и к полюсам.
Рис. 16. Упрощенная схема общей циркуляции атмосферы.
В результате в полосе между экватором и параллелями 30 градусов в обоих полушариях возникают постоянные ветры — пассаты. В северном полушарии они дуют с северо-востока, а в южном — с юго-востока.
Обратные им потоки на высоте называются антипассатами.
В северном полушарии та часть приземного воздуха, которая оттекает из пояса высокого давления к полюсу, образует в этой зоне юго-западные ветры. Навстречу этому потоку из района северного полюса движется холодный воздух, направляющийся в сторону экватора. При этом под действием отклоняющей силы вращения Земли он приходит в умеренные широты в виде северо-восточного потока.
Встреча потоков относительно теплого воздуха с юго-запада с холодным воздухом, текущим с северо-востока, приводит к тому, что в одних районах теплый воздух натекает на холодный, продвигаясь к северу, а в других, наоборот, холодный воздух прорывается далеко к югу. Как мы увидим дальше, это взаимодействие теплого и холодного потоков воздуха приводит к образованию циклонов.
Рассмотренная выше схема общей циркуляции атмосферы является весьма упрощенной. В действительности картина гораздо сложнее. Общую схему нарушают как сезонные изменения высоты Солнца над горизонтом (зима и лето), так и, в особенности, неоднородность подстилающей (земной) поверхности. В первую очередь сказывается неравномерность нагревания воздуха над сушей и над водой. Днем поверхность суши сильно нагревается Солнцем, а ночью быстро остывает. Вода же, которая обладает большей теплоемкостью, мало нагревается днем, но зато медленно охлаждается ночью. В результате на берегах морей возникают постоянные потоки воздуха, называемые бризами. Днем суша нагревается сильнее, чем море, и воздух над ней, как более теплый и относительно легкий, поднимается вверх. На его место с поверхности моря притекает более холодный воздух. Так возникает дневной бриз. Ночью воздух над сушей охлаждается быстрее, чем над морем, и начинает двигаться в сторону моря, на место поднимающегося над ним более теплого воздуха. Возникает ночной бриз.
В более крупном масштабе подобное явление происходит на берегах океанов. Из-за различного нагревания поверхности суши и океана возникают воздушные течения, имеющие сезонный характер. Эти течения (их называют муссонами) зимой направлены с охлажденной суши на более теплую поверхность океана, а летом, наоборот, с менее нагревающейся поверхности океана на более нагретую поверхность суши.
Особое значение в системе циркуляции атмосферы имеет возникновение на поверхностях разделов между различными по температуре массами воздуха атмосферных вихрей — циклонов. По наиболее разработанной и распространенной, так называемой «волновой» теории происхождения циклонов, возникают и развиваются они следующим образом. Огромные массы теплого и холодного воздуха, имеющие различную плотность и движущиеся в противоположных направлениях вдоль фронтальных поверхностей, вызывают образование волн на этих поверхностях. Начало образования такой волны схематически изображено на рис. 17. При появлении волны теплый воздух начинает натекать на более холодный, а холодный — вторгаться под теплый. В результате образуется циклоническая, т. е. круговая система ветров и связанная с нею замкнутая область пониженного давления — циклон. В области зарождающегося циклона появляются два различных участка фронта — теплый и холодный.
Рис. 17. Возникновение волны на стационарном атмосферном фронте и образование нового циклона.
На рис. 18 приведено последовательное развитие циклона. Рис. 18, а показывает начальную стадию движения теплого и холодного воздуха вдоль фронтальной поверхности. Рис. 18, б — начало развития волны с сопутствующим появлением осадков (заштрихованная зона). На рис. 18, в вы видите дальнейшее развитие волны (стадия молодого циклона). На рис. 18, г сектор, занимаемый теплым воздухом, сужается в связи с более быстрым движением холодного фронта и приближением холодного фронта к теплому. Циклон продолжает углубляться. На рис. 18, д показано начало затухания (окклюзии) циклона, возникающего вследствие подсекания холодным воздухом теплого и вытеснения теплого воздуха вверх. Наконец, на рис. 18, е изображена заключительная стадия жизни циклона — оставшийся после окклюзии вихрь холодного воздуха, который быстро теряет силу.
Рис. 18. Последовательное развитие циклона.
Характерная для циклона погода наиболее ясно выражена в его второй стадии, стадии молодого циклона.
Рис. 19. Только что образовавшийся «молодой» циклон.
На рис. 19 отчетливо видно, к чему привел изгиб фронтальной поверхности, на которой образовалась волна, переходящая затем в циклон. Давление воздуха в центре циклона показано изобарой, соответствующей 990 миллибарам; к краям циклона это давление увеличивается до 1000 миллибар. От центра циклона расходятся теплый и холодный фронты. Температура воздуха в теплом секторе, заключенном между холодным и теплым фронтом, составляет 2–3 градуса выше нуля. В холодном воздухе, перед теплым фронтом, она понижается до 5–9 градусов ниже нуля. Заштрихованная полоса перед теплым фронтом обозначает широкую зону осадков в виде снега. Высота облачности при этом колеблется от 50 до 300 метров. В массе воздуха за холодным фронтом температура воздуха 2–3 градуса ниже нуля.
Направление ветра (указываемое на рис. 19 стрелками) свидетельствует о том, что воздух подтекает к центру циклона, образуя общий вихрь, вращающийся вокруг центра циклона против часовой стрелки. Как видно, на этой стадии развития циклона теплый воздух продвинулся далеко на север, а холодный воздух в тылу холодного фронта продвигается далеко на юг.
Нетрудно видеть, что в циклонической циркуляции участвуют массы воздуха с различными температурами, притекающие из разных географических районов.
Таким образом, нанесение изобар и выявление местоположения циклона на синоптической карте помогает определить направление движения воздушных масс. Как уже говорилось, воздушные массы в каждый данный момент перемещаются параллельно изобарам, оставляя изобары с более низким давлением слева. Изменение направления изобар свидетельствует об изменении направления перемещения воздушных масс. Если проследить за развитием и перемещением такого циклона по синоптическим картам, можно одновременно проследить и дальнейшее перемещение воздушных масс и фронтов.
В некоторых случаях циклоны следуют друг за другом сериями, до 4–5 циклонов один за другим, в виде нескольких волн на одной и той же фронтальной поверхности.
Кроме того, если в область циклона попадает новый фронт, располагавшийся ранее где-либо севернее, т. е. вторгается новый поток холодного воздуха, циклон может снова углубиться, ветры в нем усиливаются, он как бы «возрождается».
В умеренных широтах циклоническая циркуляция воздуха выражается, как мы видели, в вихревом движении больших масс воздуха вокруг центра циклона. Однако под этим не нужно понимать вихрь в обычном значении этого слова. Скорости ветра в циклонах, особенно на холодных фронтах, бывают велики, но все же они очень редко достигают разрушительной силы. Но в тропиках, в зоне тропического фронта над океанами, возникают особые формы циклонов — ураганы и тайфуны, при которых скорость ветра очень велика.
В начале своего образования такой циклон имеет совсем небольшой диаметр. В процессе развития циклона сильно падает давление в его центре (за счет подъема вверх теплого и влажного тропического воздуха), что и приводит к крайнему усилению ветра — до 50–70 метров в секунду, с отдельными порывами, доходящими до 100–110 метров в секунду. Захватывая берега материков и острова, такой тайфун нередко вызывает большие разрушения. Так, в 1934 г. тайфун, разразившийся над Японией, разрушил полностью или частично 700 000 домов, 1800 мостов, вызвал наводнение в прибрежных областях, вывел из строя более 11 000 судов.
Циклоны обычно разделяются областями повышенного давления, развивающимися часто в замкнутые барические системы с повышенным давлением в центре — антициклоны. Подобно циклонам они возникают, развиваются и разрушаются. Различие заключается в том, что в антициклоне в процессе его развития происходит накопление массы воздуха, которое вызывает рост атмосферного давления в его центре. В результате антициклон представляет собой громадный вихрь, в котором воздушные потоки направлены от центра к периферии.
Диаметр антициклонов может достигать 1500–2000 километров.
В центре антициклона происходит приток воздуха из верхних слоев, который, нагреваясь при опускании, препятствует возникновению облачности и осадков. В некоторых стадиях своего развития антициклоны способны долго задерживаться на одном месте и тогда здесь длительное время стоит устойчивая ясная погода. Наблюдающиеся на нашей территории летом засушливые периоды связаны обычно с такими устойчивыми антициклонами. Существование их поддерживается за счет вторжений холодного и сухого воздуха из Арктики.
Зимой в устойчивых антициклонах над материком температура воздуха часто значительно понижается. На Европейской территории СССР это понижение может достигать 30–40, а в Якутии и на Чукотке 50–55 градусов мороза и ниже.