Источники энергии – Воздушные течения (Ветер)

Часть №1

Как возникают воздушные течения в атмосфере.

    Воздушный океан находится в непрерывном движении. Оно порождает на земном шаре все явления погоды. Главная причина движения воздуха — неодинаковое распределение атмосферного давления. Атмосферное давление не остается всегда одним и тем же — оно непрерывно изменяется: то повышается, то понижается, редко, правда, отклоняясь более чем на 50 мб от своей средней величины 1013 мб (на уровне моря).

    Постараемся выяснить, почему меняется давление и почему оно неодинаково над разными частями земного шара. Солнечные лучи неодинаково обогревают земной шар, так как они под разными углами падают на земную поверхность. Больше всего тепла получает экватор, меньше всего — полюсы. Поэтому тропический пояс играет роль постоянного нагревателя атмосферы — здесь больше тепла получается от Солнца, чем отдается в мировое пространство. Полюсы — постоянные холодильники, непрерывно отдающие тепло, а получают они его сравнительно мало.

    Между нагревателем и холодильником должно обязательно возникнуть движение воздуха. Проведем такой опыт. В два сосуда (А и Б), соединенных внизу и наверху трубками, нальем воду до уровня середины верхней трубки и затем один из сосудов (А) начнем нагревать, а другой (Б) обложим льдом. Вода в сосуде А расширится, и уровень ее станет выше, чем в сосуде Б; она потечет по верхней трубке из А в Б. Но тогда окажется, что общий вес и давление на дно всего столба воды в сосуде Б больше, чем в сосуде А, и по нижней трубке вода начнет течь из сосуда Б в А. Так между нагревателем и холодильником установится круговая циркуляция воды.

    Этот опыт показывает, что течение направлено от места с более сильным давлением столба воды к месту с менее сильным давлением. Наверху более сильное давление совпадает с теплом, а внизу — наоборот, с холодом. Посмотрим, что же наблюдается в атмосфере. Если подсчитать за много лет среднее атмосферное давление на уровне, например, 10 км в северном полушарии, то самое высокое (для этого уровня) давление окажется на экваторе, самое низкое — на полюсе, а вдоль параллелей давление почти не меняется.

Карты воздушных течений.

    Обычно на географическую карту наносят величины давления для данного уровня и по этим величинам проводят линии одинакового давления — изобары (от греческих слов «изо» — равный, «барос» — тяжесть, вес). Средние изобары на уровне 10 км проходят почти точно вдоль параллелей: вдоль экватора располагается полоса самого высокого давления, и отсюда давление равномерно убывает к полюсам. Полюс находится в центре самого низкого давления. Таким образом, давление в атмосфере наверху распределяется так же, как и в верхних частях наших сосудов,— оно убывает от тепла к холоду.

    Если посмотрим на карту среднего давления атмосферы для земной поверхности, полного совпадения с результатами нашего опыта мы уже не найдем. Действительно, на полюсе давление повышенное, а на экваторе — пониженное, но в промежутке между ними давление в среднем от экватора повышается к тропикам, затем понижается к умеренным широтам и вновь возрастает к полюсам. Изобары здесь уже вовсе не проходят по широтам, а замыкаются вокруг отдельных центров повышенного и пониженного! давления. Если же мы просмотрим ежедневные карты давления, то на всех уровнях (а особенно у земли) увидим крайне изменчивую день ото дня картину — движущиеся, образующиеся и вновь исчезающие центры высокого и низкого давления, которые не подчиняются никаким видимым порядкам и законам.

    Обратимся теперь к воздушным течениям: подтверждают ли они наш опыт? Оказывается, что почти во всей толще атмосферы направление ветров идет вовсе не от высокого давления к низкому (перпендикулярно к изобарам), а вдоль изобар: в северном полушарии они оставляют высокое давление справа, а низкое — слева (по ходу движения потока), в южном полушарии — наоборот. Только в самом нижнем, приземном слое атмосферы поток отклоняется в сторону более низкого давления, и именно те ветры, которые мы непосредственно ощущаем, дуют под углом к изобарам. Причина этого — отклоняющее действие вращения Земли.

Отклоняющая сила вращения Земли.

    В повседневной жизни мы замечаем вращение Земли только по смене дня и ночи. Между тем вращение земного шара вокруг своей оси оказывает отклоняющее действие на все движущиеся тела. Это отклоняющее действие становится заметным только при очень длительных движениях по инерции, без действия слишком мощной движущей силы. К этому роду движений можно отнести перемещение воздуха в атмосфере, так как силы разности давления очень невелики и частице воздуха приходится проделывать большой путь из одних областей земного шара в другие.

    Все направления на Земле мы привыкли определять по сторонам горизонта (на юг, на север и т. д.) и забываем о вращении меридианов и параллелей вместе с Землей. Наиболее наглядно это видно на полюсе, вокруг которого меридианы вращаются, как спицы вокруг оси колеса.

    Именно на полюсе наиболее велика отклоняющая сила. Меридианы здесь за сутки совершают полный оборот на 360°. Чем ближе к экватору, тем меньше отклоняющая сила. В южном полушарии отклоняющая сила действует влево, а не вправо.

    Под влиянием отклоняющей силы воздушный поток движется вдоль изобар. Почему именно так? Непрерывно действующая отклоняющая сила могла бы отклонять ветер все дальше и дальше вправо (в северном полушарии). Но когда ветер отклоняется от изобар вправо, он начинает дуть от низкого давления к высокому против действующей силы давления и эта сила вновь возвращает его к прежнему направлению вдоль изобар.

Основные течения воздушного океана.

    Воздух не может двигаться прямо от высокого давления к низкому из-за отклоняющей силы. Поэтому обмен теплом и холодом между различными частями земного шара сложен.

    Меньше всего отклоняющая сила вблизи экватора: поэтому здесь меньше и разности давления, которые быстро выравниваются потоками, направленными почти прямо от высокого давления к низкому. Приблизительно с широты 25 — 30° отклоняющая сила настолько велика, что такие прямые потоки становятся невозможными. Вблизи тропиков наверху получается скопление масс воздуха, поступающего сравнительно свободно от экватора, но не имеющего возможности передвигаться дальше к полюсам.

    Это скопление масс воздуха создает полосы повышенного давления вдоль тропиков в слое пять и более километров толщиной. Излишек поступающего наверх воздуха уравновешивается непрерывным оттоком воздуха в нижних слоях, от полосы повышенного давления к экватору, где ветер дует под углом к изобарам. Этот нижний ветер называется пассатом. Так между экватором и тропиками устанавливается своя система циркуляции, сходная со схемой нашего опыта: наверху поток от тепла к холоду, внизу — от холода к теплу.

    Между тропиками и полюсом давление почти во всех слоях падает к полюсу и ветер дует с запада на восток, образуя огромный круговой вихрь вокруг Северного полюса. Именно из-за такого направления потока у нас погода почти всегда приходит с запада. Недаром народная примета говорит: «Теменца (облачность) на закате — будет дождь». Этот западный поток напоминает течение бурной горной речки с вихрями и водоворотами. Только при складывании всех ветров сказывается преобладание западного ветра; в действительности ветры непрерывно меняются.

    В общем западном потоке образуются, движутся вместе с потоком и вновь исчезают круговые вихри, связанные с подвижными областями пониженного и повышенного давления. В северном полушарии воздух движется вокруг центра пониженного давления против направления вращения часовой стрелки (в южном полушарии направление вращения обратное); такой вихрь называется циклоном. Вихрь, вращающийся в противоположном направлении вокруг центра повышенного давления, называется антициклоном.

    Эти движущиеся вихри возникают из-за неустойчивости верхнего западного потока. Когда поток наверху отклоняется от изобар, воздух начинает переходить через изобары или от высокого давления к низкому, или от низкого к высокому. Но в этом случае на той стороне, куда приходит воздух, увеличивается общая масса атмосферы и давление внизу растет, а на той стороне, откуда воздух оттекает, давление внизу уменьшается. Вот эти изменения давления и приводят к образованию циклонов и антициклонов.

    Воздушные потоки, двигаясь вокруг центров циклонов и антициклонов, переносят тепло от низких широт к высоким и холод — от высоких к низким. Именно так и обмениваются тропики и полюсы теплом и холодом. Эти потоки сменяют друг друга, создавая всем нам хорошо известные резкие изменения температуры.