Воздушные массы. Циклоны и антициклоны.

Водяные пары в атмосфере.

Испарение - это испарившееся и поступившее в воздух количество водяного пара. Скорость испарения зависит от многих причин, но главным образом от температуры воздуха и ветра. Понятно, что чем выше температура, тем больше испарение. Но ветер, постоянно перемещая насыщенный водяными парами воздух, приносит в данное место новые и новые объемы сухого воздуха. Даже слабый ветер скоростью 2-3 м/с увеличивает испарение в три раза. На испарение влияют также характер рельефа, растительный покров и т.д.

Однако из-за недостатка влаги в данной местности испарение бывает значительно меньше, чем могло бы быть при данных условиях. Количество воды, которое могло бы испариться при данных условиях, называется испаряемостью. Иначе говоря, испаряемость - это потенциально возможное испарение в данной местности, которое чаще всего определяется с помощью испарителя или по показателям испарения с открытой водной поверхности крупного естественного (пресноводного) водоема или с избыточно увлажненной почвы.

Испаряемость, как и испарение, выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды (мм); за конкретный период - мм/год и т.д.

На земной поверхности постоянно происходят два противоположно направленных процесса: орошение местности осадками и осушение ее испарением. Но степень увлажнения территории обусловливается соотношением осадков и испарения. Увлажнение территории характеризуется коэффициентом увлажнения (К), под которым понимается отношение суммы осадков (Q) к испаряемости (И): К = (если К выражается в долях единицы - дробью) и К = 100% (если в процентах). Например, в европейской тундре осадков выпадает 300 мм, а испаряемость только 200 мм, т.е. осадки превосходят испаряемость в 1,5 раза; коэффициент увлажнения равен 1,5, или 150%.

Увлажнение бывает избыточным, когда К > 1, или > 100%; нормальным, когда К = 1, или 100%; недостаточным, когда К < 1, или < 100%. По степени увлажнения выделяют влажные (гумидные) и сухие (аридные) территории. Коэффициент увлажнения характеризует условия стока, развитие растительности и другое. В лесной зоне он равен примерно 1,0-1,5, в лесостепной 0,6-1,0, в степях 0,3-0,6, полупустынях 0,1-0,3, пустынях менее 0,1.

В атмосфере всегда имеется определенное количество влаги в виде водяного пара, который поступает туда в результате испарения с водных поверхностей и с поверхности суши. Иначе говоря, воздух всегда содержит влагу в виде молекул (пар), капелек и кристалликов льда. Влажность воздуха - это содержание в нем водяного пара. При условии достаточного поступления влаги в атмосферу влажность зависит от температуры воздуха. Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может вместить. Так, 1м3 воздуха при температуре 30С может содержать 30 г влаги, при 20С - 17,3 г, при 0С - только 4,8 г. При отрицательных температурах влагосодержание воздуха заметно уменьшается, и уже при -10С влаги в 1м3 воздуха только 2,3 г. Следовательно, ход влажности параллелен ходу температуры воздуха. Обычно влажность больше днем, чем ночью, в течение года наибольшая влажность отмечается в летние месяцы, а наименьшая - зимой. В низких широтах, где воздух гораздо холоднее, влажность больше, чем в средних и высоких. При определенной температуре воздух может содержать соответствующее количество влаги (водяных паров). Предел содержания водяного пара в воздухе при данной температуре называется максимальной влажностью (Е). Влажность воздуха характеризуется абсолютной и относительной влажностью.

Абсолютной влажностью (а) называется фактическое количество водяных паров в воздухе в данный момент, измеряемое в г/м3. Отношение абсолютной влажности к максимальной, выраженное в процентах, называется относительной влажностью (f). Воздух, имеющий максимальную влажность, называется насыщенным. В отличие от него ненасыщенный воздух еще обладает способностью поглощать водяные пары. Однако при нагревании насыщенный воздух становится ненасыщенным, а в случае охлаждения - перенасыщенным. В последнем случае начинается конденсация. Конденсация - это сгущение избыточных водяных паров и переход их в жидкое состояние, образование мельчайших капелек воды. Как насыщенный, так и ненасыщенный воздух может стать перенасыщенным во время поднятия воздушной массы, так как при этом она сильно охлаждается. Охлаждение возможно также при выхолаживании почвы в данном месте и при проникновении теплого воздуха в холодную местность.

Конденсация может происходить не только в воздухе, но и на земной поверхности, на различных предметах. В этом случае в зависимости от условий образуются роса, иней, туман, гололед. Роса и иней образуются при ясной и тихой погоде ночью, преимущественно в предутренние часы, когда поверхность Земли и ее объекты выхолаживаются. Тогда на их поверхности конденсируется влага из воздуха. При этом при отрицательных температурах образуется иней, при положительных - роса. В случае если на теплую поверхность приходит холодный воздух или теплый воздух резко охлаждается, может образоваться туман. Он состоит из мельчайших капелек, или кристалликов, как бы взвешенных в воздухе. В сильно загрязненном воздухе образуется туман или дымка с примесью дыма - смог. При выпадении переохлажденных капелек дождя или тумана на охлажденную ниже 0С поверхность и при температуре воздуха от 0 до -3С образуется слой плотного льда, нарастающего на поверхности земли и на предметах, преимущественно с наветренной стороны, - гололед. Это происходит от намерзания переохлажденных капель дождя, тумана, или мороси. Корка льда может достичь толщины нескольких сантиметров и превратиться в настоящее бедствие: она становится опасной для пешеходов, транспортных средств, обламывает сучья деревьев, обрывает провода и т.д.

Иные причины обусловливают явление, которое называется гололедица. Гололедица возникает как правило, после оттепели или дождя в результате наступления похолодания, когда температура резко опускается ниже 0С. Происходит замерзание мокрого снега, дождя или мороси. Гололедица образуется и тогда, когда эти жидкие осадки выпадают на сильно переохлажденную поверхность земли, что также обусловливает их замерзание. Таким образом гололедица - это лед на земной поверхности, образовавшийся в результате замерзания мокрого снега или жидких осадков.

Облака образуются при конденсации водяного пара в поднимающемся воздухе вследствие его охлаждения. Высота их образования зависит от температуры и относительной влажности воздуха. При достижении им высоты, на которой насыщение станет полным, - уровня конденсации - начинается конденсация и облакообразование. Облака находятся в постоянном движении и могут состоять из мелких капелек или кристалликов, но чаще они смешанные. По форме различают три основных вида облаков: перистые, слоистые и кучевые. Перистые - облака верхнего яруса (выше 6000 м), полупрозрачные и состоят из мелких ледяных кристалликов. Осадки из них не выпадают. Слоистые - облака среднего (от 2000 до 6000 м) и нижнего (ниже 2000 м) ярусов. В основном они и дают осадки, обычно длительные, обложные. Кучевые облака могут образовываться в нижнем ярусе и достигать очень большой высоты. Часто они имеют вид башен и состоят внизу из капелек, а вверху - из кристалликов. С ними связаны ливни, град, грозы. Кроме трех основных форм облаков образуется много комбинированных. Например, перисто-слоистые, слоисто-кучевые, кучево-дождевые и т.д.

Облачный покров обычно состоит из разных облаков. Степень покрытия неба облаками называют облачностью, которая измеряется в баллах - от 0 до 10. В среднем на Земле половина неба закрыта облаками. Наибольшая облачность - в областях пониженного давления, т.е. там, где воздух поднимается. Над океаном она больше, чем над сушей, так как там больше влаги. Абсолютный средний максимум облачности - 9 баллов (над Северной Атлантикой), абсолютный минимум - 0,2 балла (над Антарктидой и тропическими пустынями).

Облачный покров задерживает солнечную радиацию, идущую к земной поверхности, отражает и рассеивает ее. Одновременно облака задерживают тепловое излучение земной поверхности в атмосферу. Поэтому влияние облачности на климат очень велико.

 

Атмосферные осадки

При подъеме теплой воздушной массы вверх водяной пар в ней конденсируется, образует мельчайшие капельки и кристаллы, которые, сгущаясь, формируют облака. При определенных условиях эти капельки и кристаллы начинают укрупняться и достигают такой величины, что восходящие токи и сопротивление воздуха не могут удерживать их на высоте. Они падают или осаждаются на земную поверхность. Вода в жидком или твердом состоянии, выпадающая из облаков или осаждающаяся из воздуха на поверхность земли, называется атмосферными осадками. Осадки различают по физическому состоянию - жидкие (морось, дождь) и твердые (снег, крупа, град) и по характеру выпадения - моросящие, обложные и ливневые.

Морось - жидкие осадки, выпадающие преимущественно из слоистых облаков или густого тумана. Это очень мелкие капельки, диаметр которых определяется сотыми долями миллиметра, они как бы взвешены в воздухе. Более крупные из них и выпадают на землю в виде мороси или мелкого дождя. Количество осадков при мороси незначительно.

При низких температурах осадки, аналогичные мороси, называют мелкими снежинками или снежнымии зернами. Во время тумана может наблюдаться изморозь. Изморозь - это отложение льда на ветвях деревьев, проводах и т.д. при тумане и в результате сублимации водяного пара (переход водяного пара из газообразного в твердое состояние минуя жидкую фазу). Чаще всего изморозь образуется на наветренной стороне предметов, при слабом ветре и температурах -15С и ниже.

Дождь - это жидкие осадки в виде капель диаметром 0,5 мм и более - преобладающая форма атмосферных осадков, которые выпадают преимущественно из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков.

Твердые осадки так же, как и жидкие, довольно разнообразны. Наиболее часто выпадает снег. Снег - это твердые осадки в виде ледяных кристалликов различной формы, выпадающие из облаков. Он образуется при низких температурах. Снег может выпадать как отдельными по форме снежинками, так и снежинками, склеенными в хлопья, которые образуются обычно при температурах, близких к 0С, что способствует склеиванию снежинок. При этом сохраняется их кристаллическая основа. Один из вариантов снега - снежная крупа. Снежная крупа - твердые осадки, выпадающие из облаков в виде матово-белых снегоподобных ядер неправильной округлой формы размером от 1 до 15 мм. Характерно, что при ударе о твердые предметы ядра снежной крупы отскакивают, а не разламываются. Снежная крупа чаще всего выпадает из кучево-дождевых облаков при температуре 0С. Различают снежную и ледяную крупу.

Град - осадки, выпадающие в теплое время года из мощных, развитых по вертикали кучево-дождевых облаков в виде частичек плотного льда. Градины различны по форме и величине - от 5 мм до 15-20 см. Они формируются в теплую погоду при мощных восходящих токах. Зародившись высоко, ледяной кристалл в процессе падения увеличивается. Выпадение града иногда может дать на земной поверхности покров высотой до 20-30 см. Интенсивный град может уничтожить посевы, в отдельных случаях привести к гибели животных, нанести массу механических повреждений постройкам, транспорту и т.д.

Характер выпадения атмосферных осадков также существенно различается. Моросящие осадки - это осадки, выпадающие в виде мороси или ее твердых аналогов (снежные зерна, мелкий снег, морось, переохлажденная морось). Чаще всего они внутримассового происхождения. Обложные осадки - длительные, достаточно равномерной интенсивности осадки в виде дождя, снега, выпадающие одновременно на значительной площади (дождь, переохлажденный дождь, ледяной дождь, снег, дождь со снегом). Выпадение обложных осадков непрерывно или с короткими перерывами продолжается несколько часов, иногда значительную часть суток или даже более суток. Выпадают они из слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков. Под ливнем понимают сильный дождь, интенсивность которого, т.е. количество осадков за 1 минуту, не ниже определенного предела. Эти пределы разные. Например, дождь идет 5 минут с интенсивностью 50 мм осадков в минуту, или 30 минут, а его интенсивность 23 мм/мин, или дождь идет 1 час с интенсивностью 0,20 мм/мин. Все это ливень. Ливневые осадки - это осадки большой интенсивности, но малой продолжительности. Они выпадают из кучево-дождевых облаков как в жидком, так и в твердом виде (ливневой дождь, ливневой снег, град, снежная крупа, ледяная крупа). Они характеризуются быстрым нарастанием интенсивности в начале выпадения, резкими ее колебаниями и резкими прекращениями. Сопровождаются быстрыми изменениями облачности, усилениями ветра с порывами и шквалами, нередко грозовыми явлениями.

Распределение осадков на поверхности земного шара происходит очень неравномерно и носит зональный характер. Их количество уменьшается от экватора к полюсам, что обусловлено главным образом температурой воздуха и циркуляцией атмосферы. Кроме того, большую роль в распределении осадков играют также рельеф и морские течения. Теплые и влажные массы воздуха, встречаясь с горами, поднимаются по их склонам, охлаждаются и дают обильные осадки в предгорных районах. Именно на наветренных склонах гор находятся наиболее влажные области Земли.

Экваториальная зона получает максимальное количество осадков - до 2000 мм в год. На склонах некоторых гор выпадает до 6000-7000 мм, а, например, на склонах вулкана Камерун (Африка) - 10000 мм. Большое количество осадков в экваториальной зоне обусловлено температурой и влажностью, а также господством восходящих токов воздуха, благоприятствующих образованию облаков. Между двадцатыми градусами северной и южной широт выпадает почти половина всех осадков Земли.

Между 20 и 40 широты обоих полушарий располагаются сухие тропические зоны. Для них характерны прежде всего нисходящие движения воздуха, которые не способствуют возникновению облачности. В этой зоне располагается большинство пустынь земного шара (Сахара, пустыни Аравии, Западной Австралии и др.). Особенно бедны осадками западные побережья материков, омываемые холодными течениями, где осадков выпадает ничтожное количество или не выпадает несколько лет подряд (Атакама, Намиб, Марокканская пустыня).

В умеренных широтах количество осадков увеличивается. Здесь средняя годовая сумма осадков около 500 мм, но в зависимости от близости к морю и рельефа изменяется от 100 до 3000 мм. На некоторых прибрежных хребтах количество осадков достигает 5000 мм (Продольная долина Чили, Южная Америка). Значительное количество осадков в умеренных широтах северного полушария связано с западным переносом.

В полярных областях количество осадков уменьшается. Это прежде всего обусловлено низкими температурами и нисходящими движениями воздуха. Среднее количество осадков 250-340 мм.

На всей Земле за год выпадает 520 тыс. км3 осадков. Из них над океанами - 79% и над сушей - 21%. Максимальное количество осадков выпадает на Гавайских островах (о. Гавайи, Тихий океан) - 11684 мм/год и в Черапунджи (Индия, предгорье Гималаев) - 11660 мм/год, что обусловлено крупными горными поднятиями на пути влажных воздушных потоков.

Для измерения количества осадков служат дождемер и осадкомер.

Дождемер - это металлическое ведро цилиндрической формы с площадью поперечного сечения 500 см2, высотой 40 см, которое устанавливается на деревянном столбе на высоте 2 м. В ведро сверху вставлена диафрагма, не задерживающая осадки и препятствующая их испарению. Ведро закрыто специальной конусообразной защитой (защита Нифера). Собранные за 12 часов осадки сливаются в измерительный стакан с делениями.

Осадкомер системы Третьякова устроен так же, как и дождемер, но с той разницей, что его защита состоит из 16 отдельных пластин, а площадь поперечного сечения ведра равна 200 см2.

 

воздушные массы. Циклоны и антициклоны.

Атмосфера неоднородна. В ее составе, особенно вблизи земной поверхности, можно выделить воздушные массы.

Воздушные массы - отдельные крупные объемы воздуха, обладающие определенными общими свойствами (температурой, влажностью, прозрачностью и т.д.) и движущиеся как одно целое. Однако внутри этого объема ветры могут быть разные. Свойства воздушной массы определяются районом ее формирования. Она приобретает их в процессе соприкосновения с подстилающей поверхностью, над которой она формируется или задерживается. Воздушные массы имеют разные свойства. Например, воздух Арктики имеет низкие, а воздух тропиков высокие температуры во все сезоны года, воздух северной Атлантики существенно отличается от воздуха материка Евразии. Горизонтальные размеры воздушных масс огромны, они соизмеримы с материками и океанами или их крупными частями.

Очагами формирования воздушных масс обычно бывают регионы, где воздух опускается, а затем распространяется в горизонтальном направлении — этому требованию отвечают антициклонические системы. Выделяют главные (зональные) типы воздушных масс, формирующихся в поясах с разным атмосферным давлением: арктические (антарктические), умеренные (полярные), тропические и экваториальные. Зональные воздушные массы подразделяются на морские и континентальные - в зависимости от характера подстилающей поверхности в районе их формирования.

Арктический воздух формируется над Северным Ледовитым океаном, а зимой еще и над севером Евразии и Северной Америки. Воздух характеризуется низкой температурой, малым влагосодержанием, хорошей видимостью и устойчивостью. Его вторжения в умеренные широты вызывают значительные и резкие похолодания и обусловливают преимущественно ясную и малооблачную погоду. Арктический воздух подразделяется на следующие разновидности:

Морской арктический воздух (мАв) - формируется в более теплой Европейской Арктике, свободной от льда, с более высокой температурой и большим влагосодержанием. Его вторжения на материк зимой вызывают потепление.

Континентальный арктический воздух (кАв) - формируется над Центральной и Восточной ледяной Арктикой и северным побережьем материков (зимой). Воздух имеет очень низкие температуры, низкое влагосодержание. Вторжение кАв на материк обусловливает сильное похолодание при ясной погоде и хорошей видимости.

Аналогом арктического воздуха в Южном полушарии является антарктический воздух, но влияние его распространяется преимущественно на прилегающие морские поверхности, реже - на южную оконечность Южной Америки.

Умеренный (полярный) воздух. Это воздух умеренных широт. В нем также различают два подтипа. Континентальный умеренный воздух (кУв), который формируется над обширными поверхностями материков. Зимой он очень охлажден и устойчив, погода обычно ясная с крепкими морозами. Летом он сильно прогревается, в нем возникают восходящие токи, образуются облака, нередко выпадают дожди, наблюдаются грозы. Морской умеренный воздух (мУв) формируется в средних широтах над океанами, западными ветрами и циклонами переносится на материки. Он характеризуется высокой влажностью и умеренными температурами. Зимой мУв приносит пасмурную погоду, обильные осадки и повышение температуры (оттепели). Летом он также приносит большую облачность, дожди; температура при его вторжении понижается.

Умеренный воздух проникает в полярные, а также субтропические и тропические широты.

Тропический воздух формируется в тропических и субтропических широтах, а летом - и в континентальных районах на юге умеренных широт. Различают два подтипа тропического воздуха. Континентальный тропический воздух (кТв) образуется над сушей, характеризуется высокими температурами, сухостью и запыленностью. Морской тропический воздух (мТв) формируется над тропическими акваториями (тропическими зонами океана), отличается высокой температурой и влажностью.

Тропический воздух проникает в умеренные и экваториальные широты.

Экваториальный воздух формируется в экваториальной зоне из тропического воздуха, приносимого пассатами. Он характеризуется высокими температурами и большой влажностью в течении всего года. Кроме того, эти качества сохраняются и над сушей, и над морем, поэтому на морские и континентальные подтипы экваториальный воздух не подразделяется.

Воздушные массы находятся в непрерывном движении. При этом если воздушные массы движутся в более высокие широты или на более холодную поверхность, их называют теплыми, так как они приносят потепление. Воздушные массы, перемещающиеся в более низкие широты или на более теплую поверхность, называются холодными. Они приносят похолодание.

Перемещаясь в другие географические районы, воздушные массы постепенно меняют свои свойства, прежде всего температуру и влажность, т.е. переходят в воздушные массы другого типа. Процесс превращения воздушных масс из одного типа в другой под влиянием местных условий называется трансформацией. Например, тропический воздух, проникая к экватору и в умеренные широты, трансформируется соответственно в экваториальный и умеренный воздух. Морской умеренный воздух, оказавшись в глубине континентов, зимой охлаждается, а летом нагревается и всегда иссушается, превращаясь в континентальный умеренный воздух.

Все воздушный массы связаны между собой в процессе постоянного их перемещения, в процессе общей циркуляции тропосферы.

 

В тропосфере постоянно возникают, развиваются и исчезают вихри разных размеров - от небольших, до гигантских по площади циклонов и антициклонов.

Циклон - это область с пониженным давлением в центре. Поэтому воздух в циклоне перемещается по спирали от периферии (из областей высокого давления) к центру (в область низкого давления) и затем поднимается вверх, образуя восходящие потоки. В циклоне воздух движется по криволинейному пути и направлен против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке - в Южном. С циклонами связаны обширные области облаков и осадков, значительные изменения температуры, сильные ветры. Однако известны и циклоны, которые существуют в течение всего года в постоянных областях пониженного давления: Исландский циклон (минимум), расположенный в Северной Атлантике в районе о. Исландия, и Алеутский циклон (минимум) в районе Алеутских островов на севере Тихого океана.

Кроме умеренных широт циклоны наблюдаются в тропическом поясе. Тропические циклоны возникают только над морем, между 10-15 с. и ю.ш. При переходе на сушу они быстро затухают. Это, как правило, небольшие циклоны, их диаметр около 250 км но с очень низким давлением в центре. Тропические циклоны перемещаются со скоростью 10-20 км/ч в основном с востока на запад, но их траектория отклоняется в сторону высоких широт (например, в Северном полушарии они движутся к северо-западу). Это очень мощные вихри с исключительно сильными ветрами (20-30 м/с, в порывах до 100 м/с и более), которые вызывают сильнейшее волнение на море и большие разрушения на суше. На земном шаре в среднем за год отмечается более 70 случаев тропических циклонов. Они наиболее известны в районе Антильских островов, у юго-восточного побережья Азии, в Аравийском море, Бенгальском заливе, восточнее о. Мадагаскар. В различных районах они имеют местные названия (циклон - в Индийском океане; ураган - в Северной и Центральной Америке; тайфун - в Восточной Азии). Циклоны особенно характерны для территории Европы, где они перемещаются с Атлантики на восток и существуют до 5-7 суток, т.е. пока не выровняется атмосферное давление.

 

Антициклон - это область с повышенным давлением в центре. Благодаря этому движение воздуха в антициклоне направлено от центра (из области более высокого давления) к периферии (в области более низкого давления). В центре антициклона воздух опускается, образуя нисходящие потоки, и растекается во все стороны, т.е. от центра к периферии. При этом он также вращается, но направление вращения противоположно циклоническому - оно происходит по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки - в Южном. Антициклоны в умеренных широтах чаще всего следуют за циклонами, нередко они принимают малоподвижное (стационарное) состояние и также существуют до тех пор, пока давление не выровняется (6-9 суток). В связи с нисходящими движениями в антициклоне воздух не насыщается влагой, облакообразование не происходит и преобладает малооблачная и сухая погода со слабыми ветрами и штилями. Кроме умеренных широт антициклоны в самой большей степени распространены в субтропических широтах - в поясах высокого давления. Здесь это постоянные, существующие в течение всего года атмосферные вихри (области высокого давления): Северо-Атлантический (Азорский) антициклон (максимум) а районе Азорских островов и Южно-Атлантический антициклон; Северо-Тихоокеанский (Канарский) антициклон в районе Канарских островов в Тихом океане и Южно-Тихоокеанский; Индийский антициклон (максимум) в Индийском океане. Как видим, все они расположены над океанами. Единственный мощный антициклон над сушей возникает зимой в Азии с центром над Монголией - Азиатский (Сибирский) антициклон.

Размеры циклонов и антициклонов сопоставимы: диаметр их может достигать 3-4 тыс. км, а высота - максимум 18-20 км, т.е. они представляют собой плоские вихри с сильно наклонной осью вращения. Перемещаются они обычно с запада на восток со скоростью 20-40 км/ч (кроме стационарных).