ОтветыГос (1) / 46

46. Атмосферная циркуляция и её роль в формировании природных зон

Атмосфера — наиболее подвижная часть географической оболочки. В меха­ническую энергию атмосферных движений переходит 1-2% усваиваемой земной поверхностью солнечной энергии. Этот переход осуществляется в процессе функ­ционирования так называемых тепловых машин. Разработка учения о географических тепловых машинах принадлежит В. В. Шулейкину. Самой большой географической тепловой машиной является система «эква­тор—полюсы», которую называют тепловой машиной первого рода. С ней свя­заны особенно крупномасштабные движения в атмосфере. В этой тепловой ма­шине разность температур постоянно поддерживается неравномерностью поступ­ления солнечной радиации на сферичную Землю. Поток теплоты более выражен в направлении зимнего полушария, вследствие чего происходит некоторое сгла­живание температурных контрастов как по широте, так и между зимним и летним полушариями.

Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода. С ними связано зарождение внетропических мус­сонов. Эта географическая тепловая машина меняет знак в зависимости от сезона года: зимой роль нагревателя выполняет океан, летом — суша.

Географическую тепловую машину третьего рода образуют циклонические и антициклонические кольца океанической циркуляции (их происхождение и размещение рассматриваются ниже). Одним из таких круговоротов является сис­тема течений вокруг Саргассова моря в Атлантическом океане, включающая Канарское, Северное пассатное, Гольфстрим и Североатлантическое течения. Само движение происходит, как в механической системе: если взять некую единичную массу и проследить траекторию ее «среднего» движения, то окажется, что эта траектория является эллипсом, в одном из фокусов которого (обычно западном) находится центр системы. В рассматриваемом круговороте он совпа­дает с Бермудскими островами. Скорость движения подчиняется третьему закону Кеплера, в соответствии с которым радиус-вектор за равные промежутки времени описывает равные площади. Поскольку центр системы смешен к западу, то в западной части кольца скорость движения выше (в Гольфстриме до 1 м/с), в восточной она самая низкая (0,2 м/с в Канарском течении).

Нагревателем этой тепловой машины являются Канарское течение и часть Северного пассатного течения до тех пор, пока температура воды, влекомой течениями, ниже, чем в окружающих водах океана, поэтому теплота устремляется от окружающих вод к течению.

Географическая тепловая машина четвертого рода — это система, в которой происходит вертикальный перенос теплоты в атмосфере от земной поверхности, а также от слоев локального нагревания в самой атмосфере. Известно, что атмо­сфера Земли в целом холоднее, чем земная поверхность. Средняя температура атмосферы равна 255К (т. е. -18°С), а в приземном слое воздуха по данным метеорологических наблюдений она составляет 14,2°С, или свыше 287К. Таким образом, разность температур равна, по крайней мере, свыше 30° (если рассмат­ривать ее как разность среднегодовых значений, что не совсем точно). Для вертикального теплопереноса важно, чтобы разность температур слоев воздуха была ниже, чем обусловленная адиабатически. В таком случае воздух приобретает неустойчивость и «всплывает» вверх, унося с собой тепло и совершая работу по расширению объема.

Географической тепловой машиной пятого рода В. В. Шулейкин назвал сис­тему тропического урагана, т. е. циклона жаркого пояса.

Тепловую машину шестого рода образуют синоптические вихри, развиваю­щиеся в океане на границах течений и в центральных частях круговоротов и являющиеся физическим аналогом циклонов и антициклонов атмосферы. Такие вихри были обнаружены еще в 30-х годах XX в. на границе Гольфстрима у м. Гаттерас, но наиболее основательно их стали изучать с помощью современных космических и океанографических средств в последние десятилетия. Синоптичес­кие вихри бывают циклоническими (против часовой стрелки в Северном полу­шарии) и антициклоническими (наоборот). Поперечник вихрей составляет около 100 км, они перемещаются на запад со средней скоростью 5-6 см/с, скорость движения воды в поле вихря достигает 25 см/с на поверхности и 35 см/с на глубине 0,4-0,6 км. Глубина распространения вихря составляет до 1,5 км. Синоп­тические вихри воздействуют на теплообмен океана с атмосферой, термическую, химическую и биологическую структуру вод.

Основа атмосферной циркуляции — нерав­номерное распределение теплоты в атмосфере. Возникающее движение изменяет свое направление под влиянием силы Кориолиса, обусловленной вращением Земли.

Одна из моделей общей циркуляции атмосферы представлена сис­темой пассатов, движущихся от областей высокого давления на широте 20-40° и приобретающих под действием силы Кориолиса восточную составляющую. В области экватора давление ниже. В умеренных широтах преобладает западный перенос, причем он происходит в виде вихревых потоков — циклонов и антициклонов. Среднее давление в умеренных широтах ниже, чем в тропических. В полярных широтах давление по сравнению с умеренными повы­шается. Таким образом, в районах преобладания высокого давления формируются нисходящие движения воздуха — антициклоны, а в районах преимущественно пониженного давления умеренных широт — циклоны. В целом проблема построения модели общей циркуляции атмосферы протяжении многих десятилетий остается одной из самых сложных в метеороло­гии и климатологии.

Циркуляция атмосферы в первом приближении складывается из горизонтальных (зональных и меридиональных) и вертикальных движений. Зональные движения (вдоль параллелей) преобладают. Они на порядок интенсивнее меридио­нальных и на два порядка — вертикальных движений. Хотя меридиональные движения слабее зональных, их значение велико, так как они осуществляют межширотный обмен воздуха. Последний вместе с меридиональным переносом в океане приводит к сглаживанию межширотных контрастов. Поэтому реальная температура на экваторе оказывается на 13,6° ниже солярной температуры, т. е рассчитанной по радиационному равновесию. Средняя температура в районе Се­верного полюса составляет -19,0°С, что выше солярной на 25,0°. На Южном полюсе средняя температура равна -36,5°С, что выше солярной на 7,5°.

Циркуляция атмосферы — мощный механизм перераспреде­ления тепла и влаги. Благодаря ей зональные температурные различия на земной поверхности сглаживаются и распределение температур приобретает более правильный широтный характер, хотя все-таки максимум приходится не на экватор, а на несколько более высокие широты северного полушария, что особенно хорошо выражено на поверхности суши

Выделяют четыре основных зональных типа воздушных масс: экваториальные (теплые и влажные), тропические (теплые и сухие), бореальные, или умеренных широт (прохладные и влажные), и арктические, а в южном полушарии — ан­тарктические (холодные и относительно сухие). Неодинаковый нагрев и вследствие этого различ­ная плотность воздушных масс (разное атмосфер­ное давление) вызывают нарушение термодинами­ческого равновесия в тро­посфере и перемещение (циркуляцию) воздушных масс.

В результате отклоняющего действие вращения Земли в тропосфере образуется несколько циркуляционных зон. Основные из них соответствуют четырем зональным типам воздушных масс, поэтому в каждом полушарии их получается по четыре: экваториальная, общая для северного и южного полу­шарий (низкое давление, штили, восходящие потоки воздуха), тропическая (высокое давление, восточные ветры-пассаты), уме­ренная (пониженное давление, западные ветры) и полярная (по­ниженное давление, восточные ветры). Кроме того, различают по три переходные зоны — субарктическую, субтропическую и суб­экваториальную, в которых типы циркуляции и воздушных масс сменяются по сезонам вследствие того, что летом (для соответ­ствующего полушария) вся система циркуляции атмосферы сме­щается к своему полюсу, а зимой — к экватору (и противополож­ному полюсу).

Атмосферная циркуляция

Система движений масс воздуха. Различают:

- общую циркуляцию атмосферы в масштабе всего земного шара; планетарная система воздушных течений над земной поверхностью, горизонтальные размеры которой соизмеримы с материками и океанами, а толщина составляет от нескольких км до десятков км. Перемещение воздушных масс происходит под влиянием неодинакового нагревания земной поверхности на разных широтах, а также над материками и океанами.

Общая циркуляция атмосферы определяется зонами высокого атмосферного давления в приполярных областях и тропических широтах и зонами низкого давления в умеренных и экваториальных широтах. Перемещение воздушных масс происходит как в широтном, так и в меридиональном направлениях. В тропосфере к циркуляции атмосферы относятся пассаты, западные воздушные течения умеренных широт, муссоны, циклоны и антициклоны.

- местную циркуляцию атмосферы над отдельными территориями и акваториями. Система воздушных течений над сравнительно небольшой территорией земной поверхности или над акваторией, обусловленная географическими особенностями этой территории или акватории: характером рельефа, резкими контрастами температуры воздуха, подстилающей поверхностью и др.