ЦИРКУЛЯЦІЯ АТМОСФЕРИ

План

1. Причини нерівномірного розподілу тиску і циркуляції атмосфери.

2. Загальна циркуляція атмосфери.

3. Циклонально - антициклональна циркуляція.

4. Полярна циркуляція.

5. Пасатна циркуляція.

6. Тропічні циклони.

7. Мусонна циркуляція.

8. Струменеві течії.

9 Місцеві циркуляції й вітри.

 1. Причини нерівномірного розподілу тиску і циркуляції атмосфери

Основна причина формування баричних систем і циркуляції повітряних мас - це неоднорідність термічного поля Землі, в першу чергу - відмінності в тепловому режимі екватора і полюсів. За В.В.Шулейкіним, у тропосфері формуються теплові машини двох типів. В тепловій машині першого типу екватор і тропічні пояси - нагрівачі, а другого типу - це сезонні зміни теплообміну між материками і океанами, тут взимку материки - холодильники, а океани - нагрівачі. а влітку навпаки. Робота машини першого типу проявляється в широтно-зональній циркуляції атмосфери. а робота машини другого типу - в регіональній мусонній циркуляції.

Динамічна причина циркуляції атмосфери - це обертання планети навколо осі, внаслідок чого повітря, яке рухається, відхиляється вправо в північній півкулі й вліво - в південній. На планеті, яка обертається, виникає західно - східний перенос повітря, тобто зональна складова циркуляції атмосфери.

Однією з причин неоднорідності баричного поля і руху повітря є прихована теплота пароутворення, яка виділяється при конденсації водяної пари і переходить в повітря, завдяки чому рух триває.

2. Загальна циркуляція атмосфери

Систему великомасштабних повітряних течій називають загальною циркуляцією атмосфери. В 1921 р. норвезький кліматолог Б’єркнес на основі синоптичних карт розробив схему циркуляції атмосфери, згідно з якою в кожній півкулі формуються три зональних кільця.

Перше кільце охоплює тропічні широти і включає висхідне підняття повітря над екватором, перенесення його до тропіків, опускання біля 30° широти /баричні максимуми/ і повертання до екватора пасатами. Друге кільце в помірних широтах складається з підняття повітря і переносу його через стратосферу в тропічні широти й до полюсів, а в тропосфері тут панує західний перенос з утворенням циклонів і антициклонів. Третє кільце розміщено біля полюсів, там повітря опускається і переноситься до Арктичного і Антарктичного фронтів, де переважають висхідні рухи повітря. Загальна циркуляція включає до себе зональні й меридіональні складові частини, основними ланками яких є:

І/ Західно - Східний і Східно - Західний переноси повітряних мас, 2/ циклонічна і антициклонічна діяльність у помірних широтах; 3/ полярні циркуляції; 4/пасати; 5/мусони; 6/струменеві течії.

Західний перенос виникає завдяки тому, що баричний градієнт спрямований за меридіаном від тропіків до полюсів, а сила Коріоліса відхиляє повітряні маси в північній півкулі вправо, а в південній вліво, тобто з заходу на схід. Західний перенос охоплює в помірних широтах всю тропосферу, в полярних широтах верхню частину тропосфери, вище північно-східних і південно-східних вітрів нижньої тропосфери; в тропічних широтах над пасатами у верхній тропосфері також панують західні вітри, які іноді називають антипасатами, хоча генетичного зв'язку між ними немає.

Східний перенос включає північно-східні вітри в Арктиці та південно-східні - в Антарктиді. Вони віють від полярних областей високого тиску в бік мінімуму помірних широт і охоплюють нижні шари тропосфери. Від субтропічних антициклонів до екватора /мінімум/ дмуть північно-східні в північній півкулі й південно-східні - в південній півкулі вітри, які називають пасатами Ближче до екватора східний /пасатний/ перенос охоплює всю тропосферу.

3. Циклонально - антициклональна циркуляція

Вона характерна для помірних широт, де на атмосферних фронтах виникають збудження у вигляді хвиль довжиною до 1000 км, внаслідок чого холодне повітря проникає на південь, а хвиля теплого - на північ. Норвезький кліматолог В.Б'єркнес довів, що циклони виникають через хвилювання атмосферного фронту, і розробив теорію народження циклону. Життя циклону включає три стадії: народження, поглиблення і оклюзію. Народження циклону обумовлене адвекцією теплоти і холоду, а також адіабатичними і гідродинамічними змінами температури повітря. На хвилях збудженого фронту тепле повітря піднімається вверх по схилу холодного і внаслідок обертання Землі відхиляється вправо /на схід/. У центрі підняття теплого повітря формується область низького тиску. тобто центр циклону. Вітри дмуть до центра, відхиляючись за кривими лініями проти годинникової стрілки в північній півкулі та за годинниковою стрілкою в південній півкулі. Отже, циклон - це атмосферне збудження пониженого тиску з мінімальним тиском в центрі, з рухом повітря навколо центра проти годинникової стрілки в північній півкулі /за годинниковою стрілкою - в південній півкулі/ і з власною погодою. В циклоні утворюються два сектори: клиноподібний теплий з півдня й південного заходу і холодний, який займає схід, захід і північ від центра. В східній частині теплого сектора міститься теплий фронт, де тепле повітря піднімається по схилу холодного, а в західній частині - холодний фронт, де холодне повітря рухається за теплим і витісняє теплий сектор і всю область низького тиску, завдяки чому циклон зміщується з заходу на схід і північний схід, тобто з загальним західним переносом у помірному поясі. Швидкість руху циклону в середньому дорівнює 30 - 40 км за годину, а живе циклон 4 - 7 днів. Поглиблення циклону відбувається завдяки адвекції холодного повітря, циклон охоплює по вертикалі всю тропосферу і займає значну площу діаметром у кілька тисяч кілометрів. Оклюзія - це стадія заповнення центра циклону холодним повітрям, яке наздогнало теплий фронт, і тепле повітря витіснене повністю вверх. Циклони утворюються серіями по 2 – 4, відповідно хвилюванню лінії фронту. В середньому над Європою за рік проходять 60 серій циклонів. У південній півкулі їх шляхи проходять між Антарктидою і 40° пд.ш. У цілому циклони приносять хмарну, вітряну і дощову погоду, хоча є відмінності між різними секторами циклону.

Між циклонами, в тих частинах фронтальних хвиль, де тиск високий, формуються антициклони в середині одноманітної повітряної маси. Повітря в їх центрі опускається, адіабатичне нагріваючись, стає сухим. Тому переважає ясна і суха погода, безхмарна або малохмарна. жарка влітку і морозна взимку. В центрі панує штиль, а по периферії дмуть слабкі вітри. В своєму розвитку антициклон спочатку охоплює тільки приземну частину тропосфери, потім росте вверх і по площі, нарешті повітря трансформується, оскільки змінюються його температура й вологість, і антициклон руйнується. Антициклони завжди йдуть разом з циклонами зі швидкістю близько 30 км за годину, але вони відхиляються на південний схід. Найбільш стійкими є антициклони Арктики і Антарктиди, які виникають над холодною поверхнею льоду і снігу.

Панування антициклонів у субтропічних максимумах пов'язане з опусканням тут повітря, яке піднялося над екватором, а також з відхиленням шляхів антициклонів помірних широт на південний схід, вони концентруються тут у субтропіках, через те що біля екватора сила Коріоліса незначна і не може змістити баричні максимуми, які зупиняються в тропічних широтах.

На межі циркуляції помірних і тропічних широт виникає зона змінної циркуляції на 35 - 40" північної і південної широти. Вона охоплює Середземне і Чорне моря, південь Середньої Азії, Центральну і Середню Азію, півострови Корею і Каліфорнію, південь Африки і Австралії, південь Чилі. Влітку тут панує тропічне повітря в зв'язку зі зміщенням тропічних баричних максимумів, а взимку - західний перенос морського помірного повітря.

4. Полярна циркуляція

Вона зумовлена термічними причинами і формуванням областей високого тиску біля полюсів. Баричні градієнти спрямовані від полюсів в бік мінімуму помірних широт, тому, відхиляючись за силою Коріоліса, в Арктиці переважають північно-східні, а в Антарктиді – південно-східні вітри. Вони більш стійкі й мають більшу швидкість в Антарктиді, особливо на її узбережжях /"стокові" вітри/. А в Арктику часто надходять циклони і тепле повітря а північної Атлантики, особливо влітку, тому тут східні вітри непостійні, а на узбережжях Америки і Євразії спостерігається незначна мусонна тенденція.

5. Пасатна циркуляція

Пасатна циркуляція обумовлена існуванням екваторіального баричного мінімуму і субтропічних максимумів тиску. Субтропічні максимуми не утворюють суцільних смуг, а складаються з окремих баричних систем. Екваторіальний мінімум також існує в середньому, тобто області високого і низького тиску тут безперервно виникають і зникають, але коливання тиску набагато менші, ніж у помірних широтах. У субтропічних антициклонах, як і в зовні тропічних, вітри дмуть від центрів до периферії, відхиляючись за годинниковою стрілкою в північній півкулі й проти неї - в південній. Пасати - це вітри екваторіальної периферії субтропічних антициклонів, північно-східні й східні - в північній півкулі, південно-східні й східні - в південній півкулі. Вони непостійні за тривалістю і проявляються тільки до висоти 1 - 2 км у стійких антициклонах. Вище 2 км над пасатами діє західний перенос, вітри якого називають антипасатами. За сезонами екваторіальний мінімум і субтропічні максимуми зміщуються то в північну, то в південну півкулі, в липні екваторіальний мінімум в Індії досягає тропіка, а в січні - Північної Австралії. Це пов'язано з сильним нагріванням материка Євразії влітку і виникненням мусонної циркуляції між Індійським океаном і південною частиною Азії. вона підсилюється пасатами південної півкулі, які перетинають екватор. Таким чином, виникає субекваторіальний пояс змінної циркуляції й тропічних мусонів, які влітку приносять вологу з Індійського океану на південь Азії /Індостан та Індокитай/.

6. Тропічні циклони

У тропіках на відстані 10° від екватора /там, де збільшується вплив сили Коріоліса/ формуються тропічні циклони. На відміну від циклонів помірних широт вони мають невеликий діаметр /200 - 400 км/ і дуже великі баричні градієнти, внаслідок чого вітер досягає сили штормів і ураганів /до 80 м/с/, їх називають тропічними ураганами, або тайфунами, і вони супроводжуються грозами і тропічними зливами. Вони виникають там, де є різкий перепад температури, пов'язаний з виділенням великої кількості прихованої теплоти пароутворення. Райони народження ураганів Центральної Америки і тайфунів Південно-Східної Азії розміщені між 5° і 20° широти в кожній півкулі/тільки над океанами, найчастіше влітку або восени. Тропічні циклони рухаються спочатку на захід, відхиляючись до 20 - 30° широти і тоді з заходу обходять субтропічний антициклон і повертають на північний схід у північній і південний схід - у південній півкулях. Це є точка повороту тропічного циклону, траєкторія руху якого має вигляд параболи з вершиною на заході. Швидкість руху тропічних циклонів 20 - 30 км за годину. В Тихому океані біля Філіпінських островів в середньому буває 28 тайфунів за рік, а між островами Зеленого мису і Центральною Америкою – в середньому 10 ураганів за рік.

 7. Мусонна циркуляція

Мусонна циркуляція обумовлена тепловою машиною другого роду /за В.В.Шулейкіним) і проявляється між океанами і материками, але вона не ізольована від загальної циркуляції, нагрівання і охолодження півкуль за сезонами, західного переносу і циклонічної діяльності.

Мусони - це стійкі атмосферні течії в певних великих географічних областях, переважаючий напрям яких змінюється від зими до літа і, навпаки, на протилежний. Вертикальна потужність мусонів в середньому 2 - 3 км, а вище панує західний перенос. Існують тропічні й зовні тропічні мусони. Там, де є інтенсивна циклонічна діяльність /Європа і Північний Захід Америки/, мусони відсутні. В помірному поясі мусони проявляються біля східних узбереж материків. Влітку над нагрітою Азією виникає понижений тиск. а над Тихим океаном, дещо на північ, зміщується Гавайський максимум. Взимку над материком формується стійкий. Азіатський максимум, а в Тихому океані /північна частина/ - Алеутський мінімум. Баричні градієнти між ними достатні для виникнення мусонів. Найбільш типові мусони спостерігаються на Далекому Сході, в Північному і Східному Китаї, в Кореї та Японії. Зимовий мусон холодний і сухий, має північній і північно-західний напрям, а літній - південний і південно-східний - теплий, він несе насичене вологою повітря і рясні дощі.

Тропічні мусони обумовлені сезонним відмінами в нагріванні й охолодженні півкуль і в зміщенні баричного поля Землі /субтропічних максимумів і екваторіального мінімуму/. Особливо потужні тропічні мусони в басейні Індійського океану, де сезонні зміни температури півкуль підсилюються великим материком Євразії - в північній півкулі, прогрітим улітку і охолодженим узимку. Мусонна циркуляція охоплює Індостан, Індокитай, Південний Китай, Індонезію, Індійський океан до Мадагаскару і Північної Австралії, субекваторіальну і Східну Африку. Погода мусону залежить від його напряму і сезону. Літній мусон приносить з океану на материк дощову погоду, а зимовий дме з материка і несе суху погоду.

8. Струменеві течії

Струменеві течії - це повітряні течії високої сили і протяжності в верхній тропосфері й нижній стратосфері, які мають еліптичний вертикальний переріз, швидкість 200 - 500 км/год, довжину кілька тисяч кілометрів і спрямовані завжди з заходу на схід. За Х.П. Погосяном, існують зовнішньо тропічні струменеві течії на висотах 8 - 12 км, субтропічні струменеві течії на широтах 25 - 30° і 10 - 15° на рівні тропопаузи /11 - 12 км/; екваторіальні струменеві течії тропопаузи над Південною Азією; стратосферні струменеві течії на 50 - 70° пн.ш. на висотах 25 - 35 км, обумовлені контрастами температури між помірними широтами і навколополюсною областю полярної ночі. Формування струменевих течій пов'язано з тропосферними фронтами, на яких біля земної поверхні виникають циклони і антициклони.

9 Місцеві циркуляції й вітри

Під впливом рельєфу та інших властивостей підстеляючої поверхні в певних географічних широтах виникають місцеві вітри. Вони можуть бути результатом прояву місцевих циркуляцій або локальними хвилюваннями чи особливими властивостями вітрів загальної циркуляції атмосфери. Прикладами місцевих циркуляцій є бризи і гірсько-долинні вітри.

Бризи - це вітри біля берегової лінії морів і великих озер, які мають різку добову зміну напрямку. Вдень суша більше нагрівається, тиск падає, і дме морський бриз до висоти 500 - 1000 м. Вночі суша охолоджена, ізобаричні поверхні нахилені в бік суші, повітря над морем тепліше, піднімається вверх і перетікає зверху на сушу, на суші тиск підвищується, і дме береговий бриз з суші на море. Вертикальна потужність бризів до 1 км, вони поширюються на десятки кілометрів від берегової лінії на сушу або на море.

Гірсько-долинні вітри подібно до бризів також мають добову ритмічність. Вдень в гірських долинах повітря добре прогрівається від нагрітих схилів і піднімається вверх по схилах, і по долині дме вітер з прилягаючої до підніжжя гір рівнини. Вночі гірські схили охолоджуються, і повітря в гірській долині стає холоднішим, тут тиск більший, ніж на прилягаючій рівнині, і виникає вітер, який дме вниз по схилах і по долині. Над льодовиками завжди панують інверсії температури і холодне повітря стікає вниз - дмуть стокові льодовикові вітри.

Під впливом орографії вітри загальної циркуляції вимушені обтікати гірський масив з боків або перевалювати через нього. Повернутий назустріч вітру схил називають навітряним, а протилежний - підвітряним. Найпоширеніші вітри в горах – це фен і бора. Фен - це теплий, іноді гарячий і сухий вітер, який дме а гір протягом доби. а інколи й тижня. Фен утворюється при перетіканні повітря через хребет. При піднятті на навітряному схилі повітря охолоджується на 1 *С на 100 м, а при досягненні рівня конденсації менш І *С на 100 м висоти, волога конденсується і випадає. На протилежному схилі сухе повітря спускається, нагріваючись на І "С на кожні 100 м висоти, і біля підніжжя буде мати вищу температуру, ніж до підняття навітряний схил. Фени виникають в циклонах і в антициклонах, які перетинають гірську країну. Коли антициклон перебуває над гірською країною, а для нього характерні опускання повітря, фени можуть виникати водночас на обох схилах, В Альпах, Скелястих горах, на Кавказі, в горах Середньої Азії та інших фени спостерігаються часто, до 80 - 100 днів за рік.

Бора - це штормовий холодний вітер, який дме з низькогірних перевалів вниз у холодну пору року. Якщо біля підвітряного схилу розміщене тепле море, виникає великий баричний градієнт, через те що повітря опускається з невеликої висоти, не встигає прогрітися і залишається холодним, і тоді вітри дмуть зі швидкістю 40 - 60 м/с. Бора має інші місцеві відміни: в Новоросійську і на Новій Землі – бора, на озері Байкал - сарма, на південному узбережжі Франції - містраль. Бора дуже небезпечний, він топить або викидає на берег кораблі, від нього все вкривається льодом.

За умов нестійкого стану атмосфери і сильної вертикальної конвекції виникають малі вихорі. Пилові вихорі часто з'являються над перегрітою поверхнею в пустелях, вони мають діаметри від 1 до 100 м і висоту до 1 км, рухаються зі швидкістю 20 - 30 км за годину. Повітря в вихорях закручується, як у циклонах, і водночас піднімається вверх. Великі вихорі над морем діаметром у кілька десятків метрів, які засмоктують воду, називають смерчами. Смерчі кожного року спостерігаються нa Чорному морі. Найчастіше вихорі виникають в передній частині грозової хмари. Зверху і знизу наявні характерні лійкоподібні розширення. Вихорі над сушею діаметром до 100 - 200 м називають тромбами. Якщо над морем вихорі мають синьо-сірий колір, то над сушею - це чорні стовпи з розширеннями біля хмар і біля земної поверхні. Швидкість вітру досягає 50 - 100 м/с. На півдні США в середньому за рік спостерігається 200 потужних тромбів, які мають назву торнадо. В перекладі з іспанської "торнадос" означає "той, що обертається”. Смерчі, тромби і особливо торнадо мають дуже велику руйнівну силу