Атмосферная циркуляция

Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависит движение воздуха, воздушные течения.

На характер движения воздуха относительно земной поверхности оказывает влияние и тот факт, что движение это происходит на вращающейся Земле. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха влияет также и трение. Систему крупномасштабных воздушных течений на Земле называют общей циркуляцией атмосферы.

Круговые движения различного масштаба - циклоны и антициклоны, постоянно возникающие в атмосфере, делают эту систему сложной.

С перемещениями воздуха в системе общей циркуляции связаны изменения погоды: воздушные течения, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой новые условия температуры, влажности, облачности, запыленности.

Кроме общей циркуляции атмосферы существуют местные циркуляции: бризы, горно-долинные ветры и др.

Ветер вызывает образование волн, океанических течений, дрейф льдин, является причиной эрозии и рельефообразования.

Ниже опишем две модели общей циркуляции атмосферы в порядке их возникновения, усложнения, уточнения.

Модель общей циркуляции атмосферы с одной ячейкой

Простая теория, объясняющая общую циркуляцию атмосферы, была предложена Хэдли в 1735 году. Он полагал, что поскольку Земля получает больше тепла вблизи экватора, чем у полюсов, то воздух, нагретый от поверхности Земли в тропиках, поднимается, затем в верхних слоях атмосферы устремляется к полюсам (северному и южному) и, охлаждаясь там, опускается и возвращается обратно к экватору вдоль поверхности (рис.1).

Рис.1 Модель общей атмосферной циркуляции с одной ячейкой в северном полушарии и с аналогичной ячейкой – в южном.

Если бы Земля не вращалась, то на такой Земле в рамках модели с одной ячейкой существовали бы ветры, дующие от полюсов к экватору по меридианам вдоль поверхности Земли. Вследствие вращения Земли воздух, движущийся к экватору с севера, отклоняется на запад (рис.1).

Хэдли использовал эту теорию для объяснения пассатов. Пассаты - устойчивые на протяжении года воздушные течения (скорость около 6 м/с) в тропических широтах (5^о - 25^о) океанов.

В Северном полушарии пассаты дуют преимущественно с северо-востока, в Южном - с юго-востока. Между пассатами Северного и Южного полушарий расположена зона штилей. Над пассатами дуют антипассаты (ветры противоположного направления, дующие в верхней тропосфере).

Однако, согласно теории Хэдли, и на других широтах ветры должны иметь то же самое направление, что и пассаты, что не наблюдается в природе.

Прежде, чем совершенствовать теорию Хэдли, рассмотрим усредненное распределение направления реальных ветров на всей поверхности Земли, найденное по результатам метеонаблюдений.

Реальное распределение направления ветров на разных широтах

В отличие от постоянных пассатов, ветры умеренных широт не имеют определённого направления. Но если усреднить векторы ветра за год вдоль каждой параллели, то получим климатически среднюю картину общей циркуляции.

Рис. 2. Реальное распределение давления и направления ветров у поверхности земли в Северном полушарии

В соответствии с этой картиной вдоль экватора расположена зона низкого давления, и ветры здесь слабые. Это район штилей, где парусные суда имеют малую скорость движения. С пятого градуса широты по обе стороны экватора расположены районы постоянных пассатов, которые распространяются до 25^о широты. Эти ветры в прошлом были благоприятны для исследовательских и торговых парусных судов.

Далее к полюсу расположен район т.н. конских широт (25^о - 35^о) с очень малыми скоростями ветра и высоким давлением. В этих широтах нельзя предсказать долгосрочно направление ветра. Далее к северу от 35^о до 55^о широты расположен район с преобладанием юго-западных ветров. Еще выше расположен субполярный район низкого давления до 65^о. И наконец от 65^о широты до полюса ветры в среднем дуют с северо-востока (северо-восточные ветры).

Модель с тремя ячейками общей циркуляции, объясняющая реальное распределение ветров на разных широтах

Мы видим, что общая картина реальной циркуляции (рис. 2) не соответствует простой модели Хэдли (рис.1). Между пассатами и ветрами околополюсных областей (и те и другие дуют с северо - востока) расположен широкий пояс с преобладанием западных ветров.

Ошибка Хэдли заключалась в том, что по его модели нагревание атмосферы на экваторе и охлаждение на севере происходит от земной поверхности.

В действительности верхние слои атмосферы охлаждаются путём радиационного излучения в космос. Это значит, что воздух, идущий от экватора к полюсу в верхних слоях, достигнув 30-й широты и охладившись за счет радиационного излучения в космос, начинает опускаться к поверхности. Опускаясь, он нагревается за счёт сжатия. Достигнув поверхности, воздух растекается как к северу, так и к югу. В этом месте формируется область высокого давления конских широт (рис.2).

Рис.3. Модель циркуляции с тремя ячейками (для северного полушария).

Таким образом, воздух, который поднимается на экваторе, не достигает полюса, а образует замкнутую циркуляционную ячейку между экватором и 30-й широтой. Воздух, который спустился на широте 30^о и далее у поверхности земли следует к северу, образует ветры с западной составляющей вследствие вращения Земли (Кориолис).

Вблизи полюсов происходит быстрое охлаждение воздуха в верхних слоях, вызывающее его опускание. Поскольку этот воздух направляется у поверхности Земли к югу, он отклоняется силой Кориолиса к западу.

Субполярный район низкого давления образуется там, где встречаются холодные восточные ветры с тёплыми западными ветрами. Здесь происходит подъём воздушного потока.