Погода и ее предвидение

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.