Горизонтальне рух повітря відносно земної поверхні

Якби характер повітряних течій залежав тільки від термічної неоднорідності поверхні землі і повітряних мас, то вітер визначався б горизонтальним градієнтом тиску і рух повітря відбувалося б уздовж цього градієнта від високого тиску до низького. При цьому швидкість вітрубула б обернено пропорційна відстані між лініями однакового тиску, т. е. изобарами. Чим менше відстань між изобарами, тим більше градієнт тиску, а відповідно і швидкість вітру.

Сила градієнта тиску. У теоретичної метеорології сили зазвичай ставляться до одиниці маси. Тому, щоб висловити силу градієнта тиску, що діє на одиницю маси, слід величину градієнта тиску розділити на щільність повітря. Тоді числове значення сили баричного градієнта(Г)визначиться виразом:

де ρ - щільність повітря, dρ/ dn- градієнт тиску.

Під дією сили градієнта тиску (баричного градієнта) виникає вітер. Це означає, що якщо на деякій ділянці утворюється надлишок маси повітря (високий тиск), то повинен відбутися відтік його в область з недоліком повітря (низького тиску). Цей відтік тим сильніше, чим більше різниця тиску.

Таким чином, основною рушійною силою виникнення руху повітря є баричний градієнт. Якби на повітряні частинки діяла тільки сила баричного градієнта, то рух їх відбувалося б завжди в напрямку цього градієнта, подібно стоку води від більш високого рівня до низького. Насправді цього не відбувається.

При великомасштабних процесах до термічної першопричину виникнення повітряних течій приєднується дію цілого ряду інших факторів, які значно ускладнюють атмосферну циркуляцію. Тому як мусонних, так і междушіротная циркуляція, зумовлена ​​діями ряду сил і вихровий природою атмосферної циркуляції, здійснюється незрівнянно складніше.

Сила обертання Землі. Зміна напрямку і швидкості повітряних течій в першу чергу викликається відхиляє силою обертання Землі, або, як зазвичай називають її, силою Коріоліса. Виникнення цієї сили пов'язане з обертанням Землі навколо своєї осі. Під дією сили Коріоліса вітер дме не вздовж градієнта тиску, т. Е. Від високого тиску до низького, а відхиляючись від нього в північній півкулі вправо, в південній півкулі - вліво.

На схемі (рис. 29, а)наочно показано, як сила обертання Землі впливає на зміну напрямку руху повітря, що почався уздовж градієнта тиску з поступово зростаючою швидкістю. Вплив інших сил тут не враховується.

Припустимо, що під дією сили баричного градієнта повітряна частка (позначена гуртком) почне зміщуватися в напрямку градієнта (Г). В першу мить, як тільки з'явиться швидкість V 1 виникне прискорення сили обертання Землі А 1спрямоване перпендикулярно і вправо по відношенню до швидкості V 1 . Під впливом цього прискорення частка переміститься не вздовж градієнта, а відхилиться вправо; в наступну мить швидкість руху частинки повітря стане рівною V 2 . Але разом з цим сила Коріоліса зміниться на А 2. Під впливом цього поворотного прискорення швидкість частинки повітря ще зміниться, ставши рівною V 3 . Чи не сповільнить змінитися і сила Коріоліса і т. Д. В результаті сила тиску і сила обертання Землі врівноважуються і рух повітряного частки відбувається уздовж ізобар. Дія сили Коріоліса зростає зі збільшенням швидкості руху частинок і широти місця. Вона визначається виразом:

де ω - кутова швидкість, Φ - географічна широта, V- швидкість руху.

Прискорення сили обертання Землі вимірюється величинами від нуля на екваторі до 2ωV на полюсі.

Геострофічний вітер. Найпростішим видом руху є прямолінійний і рівномірний рух без тертя. У метеорології воно називається геострофічних вітром.Однак такий рух можна допустити лише теоретично. При геострофічних вітрі передбачається, що, крім сили градієнта (Г), на повітря діє лише сила обертання Землі (А).Коли рух рівномірний, то обидві ці сили, діючи в протилежні сторони, врівноважуються і геострофічний вітер прямує уздовж ізобар (рис. 29, б). При цьому низький тиск знаходиться в північній півкулі зліва, а в південній півкулі - праворуч.

При рівновазі сил градієнта тиску і сили обертання Землі їх сума буде дорівнює нулю. Це виражається наступним співвідношенням:

звідки отримаємо, що швидкість геострофічного вітру

Звідси випливає, що швидкість геострофічного вітру прямо пропорційна величині горизонтального градієнта тиску. Отже, чим густіше ізобари на картах тиску, тим сильніший вітер. Хоча в дійсних умовах атмосфери чисто геострофічний вітер майже не спостерігається, однак спостереження показують, що на висоті близько 1 кмі вище рух повітря відбувається приблизно уздовж ізобар, з невеликими відхиленнями, викликаними іншими причинами. Тому в практичній роботізамість фактичного вітру користуються і геострофічних вітром. Крім сили градієнта тиску і сили Коріоліса, на рух повітря діють сила тертя і відцентрова сила.

Сила тертя. Сила тертя спрямована завжди в сторону, протилежну руху, і пропорційна швидкості. Вона, зменшуючи швидкість повітряних потоків, відхиляє їх вліво від ізобар, і рух відбувається не вздовж ізобар, а під деяким кутом до них, від високого тиску до низького. За допомогою турбулентного перемішування повітря вплив тертя передається в вищерозміщені шари, приблизно до 1 кмнад поверхнею землі.

Вплив тертя на напрям і швидкість руху повітря зображено на схемі (рис. 30, а). На схемі представлено поле тиску і рух повітря під дією сили градієнта тиску, сили обертання Землі і тертя. Під дією сили Коріоліса рух повітря відбувається не вздовж градієнта тиску Г, а під прямим кутом до нього, т. Е. Вздовж ізобар. Дійсний вітер зображений стрілкою В, сила тертя Твідхилена від напрямку вітру на невелику відстань вбік. Сила Коріоліса показана під прямим кутом до дійсного вітрі стрілкою К.Як бачимо, кут між дійсним вітром Ві силою тертя Тскладає більше 90 °, а кут між дійсним вітром В і силою градієнта тиску Гменше 90 °. Так як сила градієнта перпендикулярна ізобарах, то дійсний вітер виявляється відхиленим вліво від ізобар. Величина кута, що складається ізобарою і напрямком дійсного вітру, залежить від ступеня шорсткості земної поверхні. Відхилення відбувається вліво від ізобар зазвичай під кутом 20-30 °. Над сушею тертя більше, ніж над морем, у поверхні землі вплив тертя найбільше, а з висотою воно зменшується. На висоті близько 1 кмдію сили тертя майже припиняєте.

Відцентрова сила. Якщо ізобари криволінійні, т. Е. Мають, наприклад, форму еліпса або кола, то на рух

повітря впливає відцентрова сила.Це сила інерції, яка спрямована від центру до периферії по радіусу кривизни траєкторії руху повітря. Під дією відцентрової сили (в разі відсутності тертя) рух відбувається по ізобарах. При наявності ж тертя вітер дме під кутом до ізобарах в сторону низького тиску. Величина відцентрової сили визначається з рівності

де V - швидкість руху повітря (швидкість вітру), r - радіус кривизни його траєкторії.

Якщо прийняти, що рух повітря відбувається по колу, то швидкість його в будь-якій точці траєкторії буде направлена ​​по дотичній до окружності (рис. 30, б і в).Як випливає з цієї схеми, сила Коріоліса (А)спрямована (в північній півкулі) під прямим кутом по радіусу вправо від швидкості вітру( V). Відцентрова сила (С) спрямована від центру циклону і антициклону до їх периферії, а сила градієнта (Г)врівноважує геометричну суму перших двох сил і лежить на радіусі окружності. Всі три сили в цьому випадку пов'язані рівнянням

де r - радіус кривизни ізобар.

З цього рівняння випливає, що вітер спрямований перпендикулярно градієнту тиску. Це окремий випадок вітру при кругових ізобарах в системі циклону. Такий вітер називаєтьсяградієнтним.

У північній півкулі в системі циклону (рис. 31, б)сила баричного градієнта спрямована до його центру, а сили відцентрова і Коріоліса, що врівноважують її, - в протилежну сторону. У разі антициклону (рис. 30, в) сила Коріоліса направлена ​​до центру його, а відцентрова сила і сила баричного градієнта - в протилежному напрямку і врівноважують першу.

Рівняння градиентного вітру в разі антициклону має наступний вигляд:

У південній півкулі, де сила обертання Землі спрямована вліво від швидкості руху повітря, градієнтний вітер відхиляється від градієнта тиску вліво. Тому в південній півкулі вітер в циклоні спрямований за годинниковою стрілкою а в антициклоні - проти годинникової стрілки.

Поза дією сили тертя, т. Е. Вище 1 км,вітер у напрямку і швидкості наближається до градиентному. Різниця між дійсним і градієнтним вітром зазвичай невелика. Однак ці невеликі відхилення дійсного вітру від градиентного грають важливу роль у зміні атмосферного тиску.

Тиск повітря визначається його масою в стовпі атмосфери перетином, рівним одиниці площі. При нерівномірному русі повітря внаслідок зміни його термічних властивостей і діючих силвідбувається зменшення або збільшення маси повітря в стовпі, а відповідно зниження або підвищення атмосферного тиску.

Головним чинником у зміні поля тиску (баричного поля) є відхилення дійсного вітру від градиентного (на висотах). Коли напрямок і швидкість дійсного вітру відповідають градиентному, відбувається збільшення або зменшення маси повітря і зміна тиску і можуть виникати і розвиватися атмосферні вихори - циклони і антициклони (див. Нижче).

Відхилення вітру істотні в областях збіжності повітряних потоків в тропосфері п при великій кривизні потоків рухомого повітря.

Поле тиску. Структура поля тиску, або баричного поляатмосфери, досить різноманітна. У внетропических широтах біля поверхні землі і на висотах завжди можна виявити великі або відносно малі за розмірами циклони і антициклони, улоговини, гребені, сідловини.

Циклони - це найбільші атмосферні вихори, з низьким тиском в центрі. Рух повітря в їх системі в північній півкулі відбувається проти годинникової стрілки. Антициклони - вихори з високим тиском в центрі. Рух повітря в їх системі в північній півкулі відбувається за годинниковою стрілкою.

У південній півкулі в обох системах циркуляція повітря зворотна, т. Е. Вітри в циклоні дмуть за годинниковою стрілкою, а в антициклоні - проти годинникової стрілки. Гребінь - це витягнута від центральної частини антициклону область високого тиску з антициклонічною системою циркуляції. Улоговина - це витягнута від центральної частини циклону область низького тиску з циклонічної системою циркуляції. Сідловина - це форма баричного рельєфу між двома циклонами і двома антициклонами, розташованими хрест-навхрест.

На малюнку 31 зображено поле тиску у поверхні землі з системою вітрів. Крім двох циклонів і двох антициклонів, тут представлені улоговини, гребені і сідловина. Напрямок вітру показано стрілками, швидкість - оперенням. Чим більше відстань між изобарами, тим менше швидкість вітру і менше оперення. Таке зображення изобар і вітру прийнято на картах погоди (див. Нижче).

Структура поля тиску на земній кулі різноманітна і складна. Тому режим повітряних течій різний взимку і влітку, у поверхні землі і на висотах, над материками і над океанами, не кажучи вже про велику його мінливості в середніх і високих широтах день від дня. Зазвичай середні місячні карти тиску і вітру відображають лише переважний перенесення повітряних мас протягом місяця і приховують багато цікавих особливості атмосферних процесів, які виявляються на щоденних картах погоди.

Вітер, тобто рух повітря відносно земної поверхні, виникає внаслідок неоднакового атмосферного тиску в різних точках атмосфери. Так як тиск змінюється по вертикалі і по горизонталі, то повітря зазвичай рухається під деяким кутом до земної поверхні. Але цей кут дуже маленький. Тому, вітром,здебільшого , вважають горизонтальне рух повітря, тобто розглядають лише горизонтальну складову цього руху. Це пояснюється тим, що вертикальна складова вітру зазвичай значно менше горизонтальної і стає помітною лише при сильній конвекції або при наявності орографічних перешкод, якщо повітря змушений підніматися або стікати по схилах пагорбів.

Повітряні маси - це великі обсяги тропосферного повітря, площа яких порівнянна з площею материків і океанів, які мають певні фізичні властивості і для яких характерні незначні горизонтальні зміни метеорологічних величин і досить однорідні умови погоди.

структура вітру

Загальний рух повітряного потоку характеризують швидкість і напрям вітру. В повітрі, який рухається, внаслідок тертя об земну поверхню, а також нерівномірного його нагрівання завжди має місце турбулентність. Тому, в кожній точці простору відбуваються швидкі зміни, як швидкості, так і напряму вітру. Такий характер руху повітря називають імпульсивністю повітря. Зазвичай під швидкістю вітру мають на увазі згладжену швидкість, тобто середню швидкість за той або інший невеликий проміжок часу, протягом якого проводиться його вимір. Дійсна ж швидкість окремих обсягів повітря, яка швидко змінюється в часі, називається миттєвою.

Поривчастість збільшується над ділянками з великою шорсткістю: над пересіченою місцевістю, над окремими пагорбами, лісом, що пояснюється посиленням турбулентності над такими ділянками. Щодо рівніші потоки повітря, без поривів, відзначаються в інверсіях. У той же час під шаром інверсії часто спостерігається посилення поривчастої вітру.

Вплив перешкод на вітер

1. Будь-яка перешкода, яке стоїть на шляху вітру, змінює поле вітру. Перешкоди можуть бути великомасштабними, як гірські хребти, і дрібномасштабними, як вдома, дерева, лісосмуги. Повітряні маси або огинають перешкода з боків, або перевалює через нього зверху. Найчастіше відбувається горизонтальне обтікання. Перетікання відбувається тим легше, ніж нестійкіше стратифікація повітря, тобто чим більше вертикальний градієнт температури в атмосфері. Перетікання повітря через перешкоди призводить до дуже важливим наслідків, як збільшення хмар і опадів на навітряних схилах гори при висхідному русі повітря і, навпаки, розсіювання хмарності на подветренном схилі при низхідному русі.

Обтікаючи перешкоду, вітер перед ним слабшає, але з бічних сторін підсилюється, особливо у виступів перешкод (кути будинків, миси берегової лінії). За перешкодою швидкість вітру зменшується, там створюється вітрова тінь. Дуже істотно посилюється вітер під час руху між двома гірськими хребтами. При просуванні повітряного потоку його поперечний розріз зменшується. Так як крізь менший розріз має пройти стільки ж повітря, то швидкість вітру зростає. Цим пояснюються сильні вітри в деяких районах. Наприклад, посилення вітру між високими островами і навіть на міських вулицях.

2. Вплив полезахисних лісових смуг на мікрокліматичні умови полів пов'язані в першу чергу з ослабленням вітру в приземних шарах повітря, які створюються лісової смугою. Повітря перетікає поверх лісосмуги і, крім того, швидкість його слабшає при проходженні його крізь просвіти в смузі. Тому безпосередньо за смугою швидкість вітру збільшується. З віддаленням від смуги швидкість вітру збільшується. Однак початкова швидкість вітру відновлюється тільки на відстані, рівному 40-50-кратній висоті дерев смуги, якщо смуга не суцільна. Вплив суцільної смуги поширюється на відстань, що дорівнює 20-30-кратній висоті дерев.

градиентная сила

Будь-яке рух виникає під дією якоїсь сили. Сила, яка приводить в рух повітря, виникає при наявності різниці тиску в двох точках простору. Різниця тиску по горизонталі характеризується горизонтальним градієнтом тиску. Тому, ця сила називається рушійною силою горизонтального градієнта тиску, інакше, градиентной силою.

Виділимо в просторі між двома ізобаричної поверхні з тиском Р і Р + 1 одиничний обсяг повітря (1 см 3). Умовою рівноваги цього об'єму є рівність протилежно спрямованих сил.

G г тепле повітря

холодний 1000 Мб

Ізобаричної поверхні нахилені під невеликим кутом до земної поверхні. Це відбувається внаслідок того, що в холодному повітрі тиск зменшується з висотою швидше, ніж в теплому. Положення изобарических поверхонь залежить не тільки від тиску, але і від температури.

На виділений обсяг діють сила тяжіння і сили тиску. Рівнодіюча сил тиску є сила повного градієнта тиску G, яка спрямована перпендикулярно ізобаричної поверхні від високого тиску до низького і прикладена до центру тяжіння обсягу.

Розкладемо силу повного градієнта на горизонтальну і вертикальну складову. Вертикальна складова при відсутності вертикальних рухів врівноважується силою тяжіння, а горизонтальна складова в момент початку руху нічим не врівноважується і тому виявляється рушійною силою. Під дією цієї сили повітря починає переміщатися в бік низького тиску.

Розділивши рушійну силу на масу виділеного обсягу (1 см 3), тобто на його щільність, знайдемо силу, яка діє на одиницю маси:

де F G - сила баричного градієнта, см / с 2;

ΔP - зміна тиску між двома точками (Дін / см 2); 1мб = 10 3 Дін / см 2;

Δz - відстань між цими точками, см.

Сила баричного градієнта приводить повітря в рух і збільшує його швидкість. Всі інші сили, які виявляються під час руху повітря, можуть лише гальмувати рух і відхиляти його від напрямку градієнта.

Сили, які виникають при русі повітря.

- Отклоняющая сила обертання Землі.

Вітер - це рух повітря над Землею, а Земля сама обертається навколо своєї осі з кутовою швидкістю ω = 7,29. 10 -5 с- 1. Ще в 1838 році Кориолис довів, що при будь-якому русі щодо рухомої системи координат, тіло отримує додаткове, так зване, поворотний прискорення. Отримає його і повітря, який рухається над поверхнею Землі, тобто вітер.

Якщо повітряна маса рухається відносно рухомої системи координат, яка теж рухається, то повітряна маса не потрапить в точку, яка знаходиться на продовженні початкового напрямку, а відхилиться від неї. Якщо ж спостерігати з деякою точки рухомий системи координат за рухом повітряної маси, то здається, що вона під дією якоїсь сили відхиляється в сторону. Цю силу називають силою Коріоліса або відхиляє силою обертання Землі.

На горизонтальне рух повітря діє горизонтальна складова сили обертання Землі (сили Коріоліса), рівна:

А = 2 · v · ω · sinφ,

де v - швидкість вітру;

ω- кутова швидкість обертання Землі, що дорівнює 7,29 · 10 -5 с -1.

φ - широта місця.

На вертикальний рух повітря діє вертикальна складова сили, що дорівнює:

А = 2 · v 1 · ω · cosφ,

де v 1 - вертикальна складова швидкості вітру.

Горизонтальна складова сили Коріоліса направлена ​​під прямим кутом до руху повітря, в північній півкулі вправо, а в південному - вліво. Тому, вона не прискорює і не уповільнює рух, а тільки змінює його напрямок.

- Сила тертя

Сила тертя гальмує рух повітря. Вона складається з сили зовнішнього тертя, яка пов'язана з гальмуючим дією земної поверхні, і з сили внутрішнього тертя, пов'язаної з молекулярної і турбулентної в'язкістю повітря.

Сила зовнішнього тертя тільки гальмує рух, але не змінює напрямок. Вона спрямована в бік, протилежний руху, і пропорційна його швидкості.

Дія внутрішнього тертя полягає в тому, що сусідні повітряні прошарки і обсяги повітря, які мають різну швидкістю, впливають на рух один одного, між ними виникає сила в'язкості, яка перешкоджає їх переміщенню. Основна частина внутрішнього тертя обумовлена ​​турбулентним перемішуванням і тому часто називається турбулентним тертям. Воно у десятки тисяч разів перевищує молекулярне тертя. Всі причини, які обумовлюють посилення турбулентності, одночасно викличуть і збільшення внутрішнього тертя. Тим самим вони збільшують загальну силу тертя в атмосфері, а також сприяють поширенню її впливу вгору, на вище розташовані шари атмосфери. Сила внутрішнього тертя не має певного напряму щодо руху і, зокрема, не збігається з напрямком сили зовнішнього тертя. Тому, загальна сила тертя у земної поверхні, яка представляє векторну суму сил зовнішнього і внутрішнього тертя, спрямована не строго протилежно руху, а відхилена вліво від напрямку протилежної руху на кут, приблизно рівний 35 0. Загальна сила тертя, розрахована на одиницю маси повітря, являє собою негативне прискорення, яке гальмує рух повітря і дорівнює:

де k - коефіцієнт тертя, який залежить не тільки від шорсткості підстильної поверхні, але і від інтенсивності турбулентності в потоці рухомого повітря, з -1.

k змінюється від 0,2. 10 -4 до 1,2. 10 -4 с -1.

- Відцентрова сила

Відцентрова сила виникає при криволинейном русіповітря.

де V - швидкість руху;

r - радіус кривизни траєкторії руху.

Відцентрова сила спрямована по радіусу кривизни траєкторії руху від центру, тобто в сторону випуклості траєкторії. Для атмосферних рухів відцентрова сила зазвичай мала, так як радіус кривизни їх траєкторій становить сотні і тисячі метрів. Тому відцентрова сила зазвичай в 10-100 разів менше сили Коріоліса. Але при великих швидкостях і маленьких радіусах кривизни відцентрова сила у багато разів перевищує градиентную силу. Такі умови створюються в невеликих вихорах з вертикальною віссю, які виникають в жарку погоду, в смерчі і торнадо, де радіус траєкторії маленький, а швидкості руху дуже великі.

УСТАНОВІШЕЕСЯ РУХ ЗА ВІДСУТНОСТІ ТЕРТЯ. Градієнтній ВІТЕР

Сталим (стаціонарним) рухом називається рух, при якому в кожній точці простору величина і напрямок середньої швидкості не змінюються з часом.

Усталений рух повітря при відсутності сили тертя називається градієнтним вітром.

В однорідному баричному поле градиентная сила скрізь однакова у напрямку і за величиною. Тому, рух повітря в такому полі буде рівномірним і прямолінійним. При відсутності сили тертя на рухомий повітря діють градиентная сила (F G), спрямована перпендикулярно ізобарах і сила Коріоліса (A), спрямована перпендикулярно руху.

На малюнку 3.1 приведена схема сил, які діють на одиничний об'єм повітря при прямолінійній русі без урахування сили тертя.

V

Малюнок 3.1 - Схема сил, які діють на повітря при

прямолінійній русі без урахування сили тертя

При усталеному русі ці сили врівноважуються, так як вони однакові за величиною, але протилежні за напрямком. Так як сила Коріоліса перпендикулярна руху, то рух є перпендикулярним градієнту тиску, тобто буде направлено вздовж ізобар. Отже, градієнтний вітер, який дме уздовж прямолінійних і паралельних изобар, називається геострофічних вітром.
Р

В - рівнодіюча сили Коріоліса і сили тертя.

Малюнок 3.2 - Схема сил, які діють на повітря

при прямолінійній русі з урахуванням сили тертя

Вектор швидкості в точці О відхилений від сили баричного градієнта вправо (в північній півкулі) на кут менше 90 0. Градиентная сила перпендикулярна ізобарах і спрямована в бік низького тиску. Сила Коріоліса А перпендикулярна вектору швидкості і відхилена від нього вправо (в північній півкулі). Сила тертя R спрямована протилежно вектору швидкості. Умовою стаціонарності руху є рівність нулю равнодействующих цих сил.

Кут тертя між напрямком вітру і градієнтом тиску в шарі тертя тим більше, чим більше широта місця і чим менше коефіцієнт тертя.

Швидкість вітру при наявності тертя:

де k - коефіцієнт тертя.

Кут відхилення вітру від градиентного при прямолінійній русі:

де φ - кут відхилення вітру від градиентного при наявності сили тертя.

Відхилення напрямку вітру від горизонтального градієнта тиску в приземному шарі атмосфери в середньому становить 60 ° вправо в північній півкулі. Вище приземного шару цей кут зростає з висотою і на рівні тертя вітер стає градієнтним, відхилення досягає 90 °.

Над океаном, де тертя між повітрям і поверхнею, що підстилає менше, ніж на суші, вітер ближчий до геострофічних, ніж над материком.

Досвід підтверджує, що вітер у земної поверхні завжди відхиляється від баричного градієнта на деякий кут менший прямого в північній півкулі вправо, в південний - вліво. Звідси випливає таке правило: якщо встати спиною до вітру, то найбільш низький тиск виявиться по ліву сторону і трохи попереду, а більш високий тиск - по праву сторону і трохи позаду. Це положення було знайдено емпірично і носить назву законом баричного вітру.

Градієнтні ВІТЕР при круговому ізобарах

У разі криволінійних изобар напрямок градієнта тиску, а отже, і градієнтної сили змінюється від однієї точки до іншої. Тому, рух повітря теж буде криволінійним. При відсутності сили тертя на повітря, який рухається, в цьому випадку діють градиентная, відцентрова сили і сила Коріоліса.

Метод найшвидшого вітер, який дме уздовж кругових изобар, називається геоціклострофіческім вітром.

антициклон

Антициклон - це барическая система з високим тиском в центрі і зниженням тиску від центру до периферії.

На малюнку 3.3 приведена схема сил, які діють на одиничний об'єм повітря, який рухається уздовж замкнених кругових изобар в антициклоні.

Малюнок 3.3 - Схема сил, які діють на повітря в антициклоні

(Північна півкуля)

Градиентная сила (F G) спрямована перпендикулярно ізобарах в сторону зменшення тиску, тобто від центру даної барической системи до її периферії. У тому ж напрямку діє і відцентрова сила (С). Сила Коріоліса (А) спрямована в протилежний бік і врівноважує перші дві сили. Вектор швидкості (V) відхилений вправо від градієнта (для північної півкулі) і спрямований по дотичній до ізобарі. Отже, рух відбувається уздовж ізобар за годинниковою стрілкою (в північній півкулі). Такий рух називається антіціклоніческіх.

У південній півкулі вектор швидкості спрямований вліво від градієнтної сили. Тому рух повітря відбувається проти годинникової стрілки.

При усталеному русі в антициклоні сила Коріоліса врівноважуються градиентной і відцентрової силами.

А

Малюнок 3.4 - Схема сил, які діють на повітря в циклоні

(Північна півкуля)

Тут градиентная сила спрямована від периферії до центру барической системи і врівноважується відцентровою і силою Коріоліса, що збігаються за напрямком. Вектор швидкості спрямований також вправо від градієнта, і рух відбувається по ізобарах проти годинникової стрілки. Такий рух називається циклонічних.

При усталеному русі в циклоні градиентная сила врівноважуються відцентровою силою і силою Коріоліса.

Швидкість геоціклострофіческого вітру в циклоні:

Кут відхилення вітру від градиентного при криволінійному русі:

де «+» ставиться до циклону, а «-» - до антициклону.

ПОВІТРЯНІ МАСИ.

Турбулентного перемішування в АТМОСФЕРІ

Атмосферне повітря являє собою дуже рухливу середу, в якій завжди відбуваються руху, різні за масштабами і напрямами з різними швидкостями. Турбулентний характер атмосферних рухів повітря визначається наявністю шорсткості земної поверхні, нерівномірністю нагрівання різних ділянок поверхні, а також гідродинамічними властивостями атмосферних течій. Чим більше шорсткість земної поверхні, тим вище турбулентність. Чим інтенсивніше відбувається нагрівання повітря, тим вище турбулентність. Наслідком турбулентного руху є вертикальний і горизонтальний обмін повітря. Це призводить до переносу в атмосфері тепла, вологи, пилу та інших домішок. Турбулентне перемішування веде до вирівнювання вмісту домішок в атмосферному повітрі.

Вертикальний турбулентний обмін описується наступним рівнянням:

S = - A (dс / dz),

де S - кількість субстанції, яку переносять в одиницю часу через одиницю площі;

Dс / dz - вертикальний градієнт субстанції, тобто її зміна на одиницю відстані по вертикалі;

А - коефіцієнт турбулентного обміну, який залежить від атмосферних умов і характеру земної поверхні.

При визначенні турбулентних потоків в приземному шарі атмосфери використовують коефіцієнт турбулентності k, який визначається за формулою:

де ρ - щільність повітря, кг / м 3.

Ступінь турбулентності може бути різною. Про це можна судити за спостереженнями за розподілом диму, який виходить з труб підприємств. Вид струменів диму, які виходять з труб при різного ступеня турбулентності атмосфери, наведено на малюнку 3.5.

,

Коефіцієнти А і k в умовах атмосфери змінюються в значній мірі як в часі, так і в просторі. Вони залежать від вертикального градієнту швидкості вітру, термічної стійкості атмосфери, властивостей земної поверхні (її шорсткості, термічної неоднорідності) і ін.

Взаємодія океану і атмосфери.

27. Циркуляція повітряних мас.

© Володимир каланамі,
"Знання-сила".

Переміщення повітряних мас в атмосфері визначається тепловим режимом і зміною тиску повітря. Сукупність основних повітряних течій над планетою називається загальною циркуляцією атмосфери. Основні великомасштабні атмосферні руху, що складають загальну циркуляцію атмосфери: повітряні течії, струменеві течії, повітряні потоки в циклонах і антициклонах, пасати і мусони.

Рух повітря відносно земної поверхні - вітер- з'являється тому, що атмосферний тиск в різних місцях повітряної маси неоднаково. Прийнято вважати, що вітер - це горизонтальний рух повітря. Насправді повітря рухається зазвичай не паралельно поверхні Землі, а під невеликим кутом, тому що атмосферний тиск змінюється і в горизонтальному і у вертикальному напрямках. Напрямок вітру (північний, південний і т.д.) означає, звідки вітер дме. Під силою вітру мається на увазі його швидкість. Чим вона вища, тим вітер сильніше. Швидкість вітру вимірюють на метеорологічних станціях на висоті 10 метрів над Землею, в метрах в секунду. На практиці силу вітру оцінюють в балах. Кожен бал відповідає двом-трьом метрам в секунду. При силі вітру в 9 балів його вже вважають штормовим, а при 12 балах - ураганом. Поширений термін «буря» означає будь-який дуже сильний вітер, незалежно від кількості балів. Швидкість сильного вітру, наприклад, при тропічному урагані, досягає величезних значень - до 115 м / с і більше. Вітер зростає в середньому з висотою. У поверхні Землі його швидкість знижується тертям. Взимку швидкість вітру в цілому вище, ніж в літній час. Найбільші швидкості вітру спостерігаються в помірних і полярних широтах в тропосфері і нижній стратосфері.

Не зовсім зрозуміла закономірність зміни швидкості вітру над материками на невеликих висотах (100-200 м). тут швидкості вітру досягають найбільших значень після полудня, а найменших - в нічний час. Це спостерігається найкраще влітку.

Дуже сильні вітри, до штормових, бувають днем ​​в пустелях Центральної Азії, а вночі настає повний штиль. Але вже на висоті 150-200 м спостерігається прямо протилежна картина: максимум швидкості вночі і мінімум днем. Така ж картина спостерігається і влітку, і взимку в помірних широтах.

Багато неприємностей може принести поривчастий вітер пілотам літаків і вертольотів. Струмені повітря, що рухаються в різних напрямках, поштовхами, поривами, то слабшаючи, то посилюючись, створюють велику перешкоду для руху повітряних суден - з'являється бовтанка - небезпечне порушення нормального польоту.

Вітри, що дмуть з гірських хребтів вихоложенного материка в напрямку теплого моря, називаються борой. Це - сильний, холодний, поривчастий вітер, що дме зазвичай в холодну пору року.

Багатьом відома бору в районі Новоросійська, на Чорному морі. Тут створені такі природні умови, Що швидкість бори може досягати 40 і навіть 60 м / с, а температура повітря знижується при цьому до мінус 20 ° С. Бора виникає найчастіше в період з вересня по березень, в середньому 45 днів на рік. Іноді наслідки її були такими: замерзала гавань, лід покривав кораблі, будови, набережну, з будинків зривалися дахи, перекидалися вагони, суду скидалися на берег. Бора спостерігається і в інших районах Росії - на Байкалі, на Новій Землі. Відома бору на Середземному узбережжі Франції (там вона називається містраль) і в Мексиканській затоці.

Іноді в атмосфері виникають вертикальні вихори з швидким спіралеподібним рухом повітря. Ці вихори називаються смерчами (в Америці їх називають торнадо). Смерчі бувають діаметром в декілька десятків метрів, іноді до 100-150 м. Виміряти швидкість повітря всередині смерчу надзвичайно важко. За характером вироблених смерчем руйнувань оціночними величинами швидкості цілком можуть бути 50-100 м / с, а в особливо сильних вихорах - до 200-250 м / с з великою вертикальною складовою швидкості. Тиск у центрі піднімається вгору стовпа смерчу падає на кілька десятків миллибар. Мілібари для визначення тиску зазвичай використовують в синоптичної практиці (поряд з міліметрами ртутного стовпа). Для перекладу барів (міллібарах) в мм. ртутного стовпа існують спеціальні таблиці. В системі СІ атмосферний тиск вимірюється в гектопаскалях. 1гПа = 10 2 Па = 1мб = 10 -3 бар.

Смерчі існують недовго - від кількох хвилин до кількох годин. Але і за цей невеликий час вони встигають накоїти чимало лиха. При підході смерчу (над сушею смерчі іноді називають тромбами) до будівель різниця між тиском усередині будівлі і в центрі тромбу призводить до того, що будівлі як би вибухають зсередини - руйнуються стіни, вилітають скла і рами, зриваються дахи, іноді не обходиться і без людських жертв. Бувають випадки, коли людей, тварин, а також різні предмети смерч піднімає в повітря і переносить на десятки, а то і сотні метрів. У своєму русі смерчі просуваються на кілька десятків кілометрів над морем і ще більше - над сушею. Руйнівна сила смерчів над морем менше, ніж над сушею. В Європі тромби рідкісні, частіше вони виникають в азіатській частині Росії. Але особливо часті і руйнівні торнадо в США. Про смерчах і торнадо читайте додатково на нашому сайті в розділі.

Атмосферний тискдуже мінливе. Воно залежить від висоти стовпа повітря, його щільності і прискорення сили тяжіння, яке змінюється в залежності від географічної широтиі висоти над рівнем моря. Щільністю повітря називається маса одиниці його обсягу. Щільність вологого і сухого повітря помітно відрізняється тільки при високій температурі і великої вологості. При зниженні температури густина збільшується, з висотою щільність повітря зменшується повільніше, ніж тиск. Щільність повітря зазвичай безпосередньо не вимірюють, а обчислюють за рівнянням на основі виміряних величин температури і тиску. Побічно щільність повітря вимірюють за гальмування штучних супутників Землі, а також зі спостережень за распливанія штучних хмар з парів натрію, що створюються метеорологічними ракетами.

В Європі щільність повітря біля поверхні Землі дорівнює 1,258 кг / м 3, на висоті 5 км - 0,735, на висоті 20 км - 0,087, а на висоті 40 км - 0,004 кг / м 3.

Чим коротше стовп повітря, тобто чим вище місце, тим тиск менше. Але зменшення щільності повітря з висотою ускладнює цю залежність. Рівняння, що виражає закон зміни тиску з висотою в спочиває атмосфері, називається основним рівнянням статики. З нього випливає, що зі збільшенням висоти зміна тиску негативне, і при підйомі на одну і ту ж висоту падіння тиску тим більше, чим більша щільність повітря і прискорення сили тяжіння. Основна роль тут належить змінам щільності повітря. З основного рівняння статики можна обчислити значення вертикального градієнта тиску, що показує зміну тиску при переміщенні на одиницю висоти, тобто спадання тиску на одиницю відстані по вертикалі (мб / 100 м). Градієнт тиску - це і є сила, яка веде в рух повітря. Крім сили градієнта тиску в атмосфері діють сили інерції (сила Коріоліса і відцентрова), а також сила тертя. Всі повітряні течії розглядаються відносно Землі, яка обертається навколо своєї осі.

Просторовий розподіл атмосферного тиску називається баричним полем. Це система поверхонь рівного тиску, або изобарических поверхонь.

Вертикальний розріз изобарических поверхонь над циклоном (Н) і антициклоном (В).
Поверхні проведені через рівні інтервали тиску p.

Ізобаричної поверхні не можуть бути паралельні один одному і земної поверхні, тому що температура і тиск постійно змінюються в горизонтальному напрямку. Тому ізобаричної поверхні мають різноманітний вигляд - від прогнутих вниз неглибоких «улоговин» до вигнутих вгору розтягнутих «пагорбів».

При перетині горизонтальною площиною изобарических поверхонь виходять криві - ізобари, тобто лінії, що з'єднують пункти з однаковими значеннями тиску.

Карти ізобар, які будуються за результатами спостережень в певний момент часу, називаються синоптичними картами. Карти ізобар, складені за середніми багаторічними даними за місяць, сезон, рік, називаються кліматологічними.

Багаторічні середні карти абсолютної топографії ізобаричної поверхні 500 мб за грудень - лютий.
Висоти в геопотенціальною декаметри.

на синоптичних картахміж изобарами прийнятий інтервал, рівний 5 гектопаскалях (гПа).

На картах обмеженого району ізобари можуть обриватися, але на карті всієї Земної кулі кожна ізобара, природно, замкнута.

Але і на обмеженій карті часто бувають замкнуті ізобари, що обмежують ділянки низького або високого тиску. Області зі зниженим тиском у центрі - це циклони, А області з відносно підвищеним тиском - це антициклони.

Під циклоном розуміютьвеличезний вихор в нижньому шарі атмосфери, що має в центрі знижений атмосферний тиск і висхідний рух повітряних мас. В циклоні тиск зростає від центру до периферії, а повітря рухається проти годинникової стрілки в Північній півкулі і за годинниковою стрілкою - в Південній півкулі. Висхідний рух повітря призводить до утворення хмарності і до опадів. З космосу циклони виглядають у вигляді закручується хмарних спіралей в помірних широтах.

антициклон- це область високого тиску. Він виникає одночасно з розвитком циклону і являє собою вихор із замкнутими изобарами і найвищим тиском в центрі. Вітри в антициклоні дмуть за годинниковою стрілкою в Північній півкулі і проти годинникової стрілки - в Південному. В антициклоні завжди існує спадний рух повітря, що перешкоджає виникненню потужної хмарності і тривалих опадів.

Таким чином, великомасштабна циркуляція атмосфери в помірних широтах завжди зводиться до утворення, розвитку, руху, а потім до загасання і зникнення циклонів і антициклонів. Циклони, що виникають на фронті, що розділяє теплу і холодну повітряні маси, рухаються в бік полюсів, тобто переносять тепле повітря в полярні широти. Навпаки, антициклони, що виникають в тилу циклонів в холодній повітряній масі, рухаються в субтропічні широти, переносячи туди холодне повітря.

Над європейської територією Росії в рік виникають в середньому 75 циклонів. Діаметр циклону досягає 1000 км і більше. В Європі за рік буває в середньому 36 антициклонів, частина з яких має тиск в центрі більше 1050 гПа. Середній тиск в Північній півкулі на рівні моря одно 1013,7 гПа, а в Південній півкулі - 1011,7 гПа.

У січні в північних частинах Атлантики і Тихого океануспостерігаються області низького тиску, названі ісландськоїі Алеутской депресіями. депресії, або барические мінімуми, Характеризуються мінімальними значеннями тиску - в середньому близько 995 гПа.

У такій же період року над Канадою і Азією виникають області високого тиску, названі Канадським і Сибірським антициклонами. Найвища тиск (1075-1085 гПа) реєструється в Якутії і Красноярському краї, а мінімальне - в тайфунах над Тихим океаном (880-875 гПа).

Депресії спостерігаються в районах, де часто виникають циклони, які в міру просування на схід і північний схід поступово заповнюються і поступаються місцем антициклонам. Азіатський і Канадський антициклони виникають завдяки наявності на цих широтах великих континентів Євразії та Північної Америки. У цих районах взимку антициклони переважають над циклонами.

Влітку над цими материками схема баричного поля і циркуляції докорінно змінюється, і зона освіти циклонів в Північній півкулі зміщується в більш високі широти.

У помірних широтах Південної півкулі циклони, що виникають над однорідною поверхнею океанів, рухаючись на південний схід, зустрічають льоди Антарктиди і тут застоюються, маючи в своїх центрах низький тиск повітря. Взимку і влітку Антарктида оточена поясом низького тиску (985-990 гПа).

У субтропічних широтах циркуляція атмосфери різна над океанами і в районах зіткнення материків і океанів. Над Атлантичним і Тихим океанами в субтропіках обох півкуль є області високого тиску: це Азорский і південноатлантичний субтропічні антициклони (або барические мінімуми) в Атлантиці і Гавайський і Південнотихоокеанський субтропічні антициклони в Тихому океані.

Найбільша кількість сонячного тепла постійно отримує екваторіальна область. Тому в екваторіальних широтах (до 10 ° північної і південної широтиуздовж екватора) протягом цілого рокуутримується знижений атмосферний тиск, а в тропічних широтах, в смузі 30-40 ° с. і пд.ш. - підвищений, внаслідок чого утворюються постійні потоки повітря, спрямовані від тропіків до екватора. Ці повітряні потоки називаються пасатами. Пасатні вітри дмуть протягом всього року, змінюючи лише в незначних межах свою інтенсивність. Це самі стійкі вітри на земній кулі. Сила горизонтального баричного градієнта направляє потоки повітря з областей підвищеного тискув область зниженого тиску в меридіональному напрямку, тобто на південь і на північ. Примітка: горизонтальний баричний градієнт - це різниця тисків, яка припадає на одиницю відстані по нормалі до ізобар.

Але меридіональний напрям пасатів змінюється під дією двох сил інерції - сили обертання Землі (сили Коріоліса) і відцентрової сили, а також під дією сили тертя повітря об земну поверхню. Сила Коріоліса впливає на кожне тіло, що рухається уздовж меридіана. Нехай 1 кг повітря в Північній півкулі розташований на широті µ і починає рухатися зі швидкістю Vуздовж меридіана на північ. Цей кілограм повітря, як і будь-яке тіло на Землі, має лінійну швидкість обертання U = ωr, де ω - кутова швидкість обертання Землі, а r- відстань до осі обертання. Згідно із законом інерції цей кілограм повітря зберігатиме лінійну швидкість U, Яку він мав на широті µ . Просуваючись на північ, він виявиться на більш високих широтах, де радіус обертання менше і лінійна швидкістьобертання Землі менше. Таким чином це тіло випередить нерухомі тіла, розташовані на тому ж меридіані, але в більш високих широтах.

Для спостерігача це буде виглядати як відхилення цього тіла вправо під дією якоїсь сили. Ця сила і є сила Коріоліса. За цією ж логікою кілограм повітря в Південній півкулі відхилиться вліво від напрямку руху. Горизонтальна складова сили Коріоліса, що діє на 1 кг повітря, дорівнює СК = 2wVsinY. Вона і відхиляє повітря, діючи під прямим кутом до вектора швидкості V. В Північній півкулі вона відхиляє цей вектор вправо, а в Південній півкулі - вліво. З формули випливає, що сила Коріоліса не виникає, якщо тіло покоїться, тобто вона діє тільки тоді, коли повітря рухається. В атмосфері Землі величини горизонтального баричного градієнта і сили Коріоліса мають один порядок, тому іноді вони майже врівноважують один одного. У таких випадках рух повітря майже прямолінійно, і він рухається не вздовж градієнта тиску, а вздовж ізобари або близько до неї.

Повітряні течії в атмосфері зазвичай мають вихровий характер, тому в такому русі на кожну одиницю маси повітря діє відцентрова сила P = V / R, де V- швидкість вітру, а R- радіус кривизни траєкторії руху. В атмосфері ця сила завжди менше сили баричного градієнта і тому залишається, так би мовити, силою «місцевого значення».

Що стосується сили тертя, що виникає між рухомим повітрям і поверхнею Землі, то вона в певній мірі уповільнює швидкість вітру. Відбувається це так: нижні обсяги повітря, що знизили свою горизонтальну швидкість через нерівності земної поверхні, переносяться з нижніх рівнів вгору. Таким чином тертя об земну поверхню передається вгору, поступово слабшаючи. Уповільнення швидкості вітру помітно в так званому планетарному прикордонному шарі, Що становить 1,0 - 1,5 км. вище 1,5 км вплив тертя незначно, тому більш високі шари повітря називають вільною атмосферою.

В екваторіальній зонілінійна швидкість обертання Землі найбільша, відповідно тут і сила Коріоліса найбільша. Тому в тропічному поясі Північної півкуліпасати дмуть майже завжди з північного сходу, а в Південній півкулі - з південного сходу.

Низький тиск в екваторіальній зоні спостерігається постійно, взимку і влітку. Смуга низького тиску, що охоплює по екватору всю Земну кулю, називається екваторіальній улоговиною.

Набравши чинності над океанами обох півкуль, два пасатних потоку, рухаючись назустріч один одному, спрямовуються до центру екваторіальній улоговини. На лінії низького тиску вони стикаються, утворюючи так звану внутрішньотропічна зону конвергенції(Конвергенція означає «збіжність»). В результаті цієї «збіжності» відбувається висхідний рух повітря і його відтік вище пасатів до субтропіків. Цей процес і створює умови для існування зони конвергенції постійно, протягом року. Інакше сходяться повітряні потоки пасатів швидко заповнили б улоговину.

Висхідні руху вологого тропічного повітря призводять до утворення потужного шару купчасто-дощових хмар протяжністю 100-200 км, з яких обрушуються тропічні зливи. Таким чином виходить, що внутрішньотропічна зона конвергенції стає місцем, де дощі виливаються з пара, зібраного пасатами над океанами.

Так спрощено, схематично виглядає картина циркуляції атмосфери в екваторіальній зоні Землі.

Вітри, що змінюють свій напрямок по сезонах, називають мусонами. Арабське слово «маусін», що означає «пора року», дало назву цим стійким повітряним течіям.

Мусони, на відміну від струменевих течій, виникають в певних районах Землі, де двічі на рік переважають вітри рухаються в протилежних напрямках, утворюючи літній і зимовий мусони. Літній мусон - це потік повітря з океану на материк, зимовий - з материка на океан. Відомі тропічні і внетропические мусони. У Північно-Східній Індії та Африці зимові тропічні мусони складаються з пасатами, а літні південно-західні повністю руйнують пасати. Найпотужніші тропічні мусони спостерігаються в північній частині Індійського океану і в Південній Азії. Позатропічні мусони зароджуються в виникають над континентом потужних стійких областях підвищеного тиску в зимовий час і зниженого - в літній час.

Типовими в цьому відношенні є райони російського Далекого Сходу, Китаю, Японії. Наприклад, Владивосток, що лежить на широті Сочі через дії позатропічного мусону взимку холодніше Архангельська, а влітку тут часто бувають тумани, опади, з моря надходить вологий і прохолодне повітря.

Багато тропічні країни Південної Азії отримують вологу, принесену в вигляді проливних дощів річним тропічним мусоном.

Будь-які вітри є результатом взаємодії різних фізичних факторів, що виникають в атмосфері над певними географічними районами. До місцевих вітрам відносяться бризи. Вони з'являються поблизу берегової лінії морів і океанів і мають добову зміну напрямку: вдень вони дмуть з моря на сушу, а вночі з суші на море. Пояснюється це явище різницею температур над морем і сушею в різний часдіб. Теплоємність суші і моря різна. Вдень в теплу погоду сонячні промені нагрівають сушу швидше, ніж море, і тиск над сушею зменшується. Повітря починає рухатися в бік меншого тиску - дме морський бриз. Увечері все відбувається навпаки. Суша і повітря над нею випромінюють тепло швидше, ніж море, тиск стає вище, ніж над морем, і повітряні маси спрямовуються в бік моря - дме берегової бриз. Брізи особливо виразні при тихій сонячній погоді, коли їм нічого не заважає, тобто не накладаються інші потоки повітря, які легко заглушають бризи. Швидкість бризу рідко буває вище 5 м / с, але в тропіках, де різниця температур поверхонь моря і суші значна, бризи дують іноді зі швидкістю 10 м / с. У помірних широтах бризи проникають в глиб території на 25-30 км.

Брізи, власне кажучи, ті ж мусони, тільки в меншому масштабі - вони мають добовий цикл і зміна напрямку залежить від зміни ночі і дня, мусони ж мають річний цикл і змінюють напрямок в залежності від пори року.

Океанські течії, зустрічаючи на своєму шляху берега материків, поділяються на дві гілки, спрямовані уздовж узбереж материків на північ і південь. В Атлантичному океані південна гілка утворює Бразильське течія, що омиває береги Південної Америки, А північна гілка - теплий Гольфстрім, що переходить до Північноатлантичного протягом, і під назвою Нордкапского течії досягає Кольського півострова.

Тихому океані північна гілка екваторіальної течії переходить в Куро-сиво.

Раніше ми вже згадували про сезонне теплому перебігу біля берегів Еквадору, Перу і Північного Чилі. Воно виникає зазвичай в грудні (не щороку) і викликає різке зниження улову риби біля берегів цих країн через те, що в теплій воді дуже мало планктону - основного харчового ресурсу для риби. Різке підвищення температури прибережних вод викликає розвиток купчасто-дощових хмар, з яких проливаються сильні дощі.

Рибалки іронічно назвали це тепла течія Ель-Ніньо, що означає «різдвяний подарунок» (від ісп. El ninjo - немовля, хлопчик). Але ми хочемо підкреслити не емоційне сприйняття чилійськими і перуанськими рибалками цього явища, а його фізичну причину. Справа в тому, що підвищення температури води біля берегів Південної Америки викликається не тільки теплою течією. Зміни в загальну обстановку в системі «океан-атмосфера» на величезних просторах Тихого океану вносить і атмосферне процес, названий « південним коливанням». Цей процес, взаємодіючи з течіями, визначає всі фізичні явища, що відбуваються в тропіках. Все це підтверджує, що циркуляція повітряних мас в атмосфері, особливо над поверхнею Світового океану, являє собою складний, багатовимірний процес. Але при всій складності, рухливості і мінливості повітряних течій все ж існують певні закономірності, в силу яких в тих чи інших районах Землі з року в рік повторюються основні великомасштабні, а також місцеві процеси циркуляції атмосфери.

На закінчення глави приведемо деякі приклади використання енергії вітру. Енергію вітру люди використовують з незапам'ятних часів, з тих пір, як вони навчилися ходити в море під вітрилом. Потім з'явилися вітряки, а пізніше - вітрові двигуни - джерела електроенергії. Вітер - вічне джерело енергії, запаси якої незліченні. На жаль, використання вітру як джерело електроенергії становить велику складність через мінливість його швидкості і напряму. Однак за допомогою вітряних електродвигунів стало можливим досить ефективне використання енергії вітру. Лопаті вітряка змушують його майже завжди «тримати ніс» за вітром. Коли вітер має достатню силу, ток йде безпосередньо до споживачів: на освітлення, до холодильних установок, приладів різного призначення і на зарядку акумуляторів. Коли вітер стихає, акумулятори віддають в мережу накопичену електроенергію.

На наукових станціях в Арктиці й Антарктиці електроенергія вітрових двигунів дає світло і тепло, забезпечує роботу радіостанцій та інших споживачів електроенергії. Звичайно, на кожній науковій станції є дизель-генератори, для яких потрібно мати постійний запас палива.

Найперші мореплавці використовували силу вітру стихійно, без урахування системи вітрів і океанських течій. Вони просто нічого не знали про існування такої системи. Знання про вітрах і течіях накопичувалися століттями і навіть тисячоліттями.

Один із сучасників китайський мореплавець Чжен Хе протягом 1405-1433 рр. очолив кілька експедицій, які проходили так званим Великим мусонним шляхом від гирла річки Янцзи до Індії і східних берегів Африки. Збереглися відомості про масштаби першої з цих експедицій. Вона складалася з 62 кораблів з 27800 учасниками. Для плавання експедицій китайці використовували свої знання закономірностей мусонних вітрів. З Китаю вони йшли в море в кінці листопада - на початку грудня, коли дме північно-східний зимовий мусон. Попутний вітер допомагав їм досягати Індії та Східної Африки. Поверталися вони в Китай в травні - червні, коли встановлювався річний південно-західний мусон, який в Південно-Китайському морі ставав південним.

Візьмемо приклад з більш близької до нас часу. Мова піде про подорожі знаменитого норвезького вченого Тура Хейєрдала. За допомогою вітру, а точніше, за допомогою пасатів Хейєрдал зміг довести наукову цінність двох своїх гіпотез. Перша гіпотеза полягала в тому, що острови Полінезії в Тихому океані могли бути, на думку Хейєрдала, заселені колись в минулому вихідцями з Південної Америки, які перетнули значну частину Тихого океану на своїх примітивних плавзасобах. Ці плавзасоби представляли собою плоти з бальсового дерева, яке примітно тим, що після тривалого перебування у воді воно не змінює свою щільність, а тому не тоне.

Жителі Перу користувалися такими плотами протягом тисячоліть, ще до імперії інків. Тур Хейєрдал в 1947 р пов'язав пліт з великих бальсового колод і назвав його «Кон-Тікі», що означає Сонце-Тікі - божество предків полінезійців. Взявши «на борт» свого плота п'ятьох любителів пригод, він відправився в шлях під вітрилами з Кальяо (Перу) в Полінезії. На початку плавання пліт несло Перуанська течія і південно-східний пасат, а потім за роботу взявся східний пасат Тихого океану, який майже три місяці без перерви дув справно на захід, і через 101 добу Кон-Тікі благополучно прибув на один з островів архіпелагу Туамоту ( нині Французька Полінезія).

Друга гіпотеза Хейєрдала полягала в тому, що він вважав цілком можливим, що культура ольмеків, ацтеків, майя та інших племен Центральної Америки була перенесена з стародавнього Єгипту. Це було можливим, на думку вченого, тому, що коли-то в давнину люди плавали через Атлантичний океанна папірусних човнах. Довести спроможність цієї гіпотези Хейердалу допомогли також пасати.

Разом з групою супутників-однодумців він зробив два плавання на папірусних човнах «Ра-1» і «Ра-2». Перша човен ( «Ра-1») розвалилася, не дійшовши до американського берега декількох десятків кілометрів. Екіпаж піддався серйозній небезпеці, але все обійшлося благополучно. Човен для другого плавання ( «Ра-2») в'язали «фахівці вищого класу» - індіанці з Центральних Анд. Вийшовши з порту Сафі (Марокко), папірусних човен «Ра-2» через 56 діб перетнула Атлантичний океан і досягла острова Барбадос (приблизно в 300-350 км від узбережжя Венесуели), подолавши 6100 км шляху. Спочатку човен підганяв північно-східний пасат, а починаючи з середини океану - східний пасат.

Науковість другий гіпотези Хейєрдала була доведена. Але було доведено й інше: незважаючи на благополучний результат плавання, човен, пов'язана з пучків папірусу, очерету, очерету або іншого водного рослини, для плавання в океані не годиться. Подібний «кораблебудівний матеріал» не повинен використовуватися, тому що він швидко намокає і занурюється в воду. Ну, а якщо знайдуться ще любителі, одержимі бажанням переплисти океан на якихось екзотичних плавзасобах, то нехай вони мають на увазі, що пліт з бальсового дерева надійніше, ніж папірусна човен, а також те, що така подорож завжди і в будь-якому випадку небезпечно.

© Володимир каланамі,
"Знання-сила"

Вступ

Газоподібна оболонка Землі називається атмосферою. Атмосфера знаходиться в безперервному русі, вона повністю бере участь в обертальному русі Землі навколо Сонця і своєї осі. Крім цього періодичного руху, атмосфера знаходиться в складному русі відносно поверхні Землі. Під впливом взаємодії атмосфери із земною поверхнею і внутрішніх процесівфізичний стан атмосфери і окремих її частин безперервно змінюється.

Вертикальна протяжність атмосфери становить близько 20000км. Різкою верхньої межі атмосфери не існує. за своїм фізичними властивостями, Атмосфера неоднорідна, як по вертикалі, так і по горизонталі.

В даний час, атмосферу ділять на шари у вертикальному напрямку, виходячи з таких ознак:

Термічний режим (розподіл температури з висотою);

Склад атмосферного повітря;

Взаємодія атмосфери з земною поверхнею.

Найвиразніше розбіжність у властивості шарів атмосфери проявляється в характері зміни температури повітря з висотою і величиною вертикального градієнта температури. За цією ознакою атмосфера ділиться на п'ять основних шарів:

Тропосфера (від 0 до 11 км);

Стратосфера (від 11 до 50 км);

Мезосфера (від 50 до 90км);

Термосфера (від 90 до 800км);

Екзосфера (вище 800км).

У даній роботі будемо розглядати геологічну діяльність такого метеорологічного елемента як вітер і його вплив в тропосферні шарі, де зосереджена основна маса атмосфери Ї від 75% в помірних і високих широтах, до 90% в низьких.

Геологічна робота вітру складається з процесів руйнування порід, перенесення матеріалу і його накопичення, при цьому ці процеси тісно взаємопов'язані і протікають одночасно.

вітер пустеля уламковий

> Рух повітря відносно земної поверхні

Вітром називається рух повітря, відносно земної поверхні, яке виникає під впливом сил, що діють в атмосфері. Безпосередньою причиною виникнення руху повітря є нерівномірний розподіл тиску в горизонтальному напрямку, т. Е. Наявність різниць тиску в точках, розташованих на одному і тому ж рівні поверхні, зокрема, на рівні моря. Великий вплив на рух повітря надають сила обертання Землі і сила тертя.

Поблизу земної поверхні швидкість вітру сильно ослаблена внаслідок впливу сил тертя. У приземному шарі (від 0 до 1,5км) швидкість вітру зростає з висотою спочатку швидко, а потім сповільнюється. У гірській і пересіченій місцевості, поблизу берегів морів і озер закономірності зміни вітру з висотою в прикордонному шарі (до 150м) більш складні, ніж над однорідною поверхнею. Вище прикордонного шару в помірних широтах переважає західний напрямок вітру, т. Е. Спостерігається переважний перенесення повітря із заходу на схід. Атмосфера як би переганяє Землю в її добовому обертанні.

Зміна вітру з висотою вище прикордонного шару відбувається в основному під впливом термічної неоднорідності атмосфери по горизонталі (горизонтального градієнта температури).

При наявності значних горизонтальних контрастів температури між повітряними масамив тропосфері утворюються струменеві течії Ї порівняно вузькі в поперечному напрямку і великої протяжності в поздовжньому напрямку зони сильних вітрів. При цьому швидкості вітру переважає більше 100 км / год.

Основне струйное протягом спостерігається в субтропічних широтах. Центральна частина субтропічних струменевих течій розташовується на широті 25 ° -45 °. Також струменеві течії бувають внетропические, утворюються між високими антициклонами і циклонами в помірних і високих широтах, а також екваторіальні.

Газове середовище навколо Землі, що обертається разом з нею, називається атмосферою.

Нерівномірність нагрівання поверхні Землі сприяє загальної циркуляції атмосфери, яка впливає на погоду і клімат Землі. Сила вітру в земної поверхні оцінюється за шкалою Бофорта.

Атмосферний тиск розподіляється нерівномірно, що призводить до руху повітря відносно Землі від високого тиску до низького. Цей рух називається вітром.

Область зниженого тиску в атмосфері з мінімумом в центрі називається циклоном.

Циклон в поперечнику досягає кількох тисяч кілометрів. У Північній півкулі вітри в циклоні дмуть проти годинникової стрілки, а в Південному - за годинниковою. Погода при циклоні переважає похмура, дощова, з сильними вітрами.

Антициклон - це область підвищеного тиску в атмосфері з максимумом в центрі. Діаметр антициклону становить кілька тисяч кілометрів. Антициклон характеризується системою вітрів, що дмуть за годинниковою стрілкою в Північній півкулі і проти - в Південному, малохмарною і сухою погодою і слабкими вітрами.

В результаті природних процесів, що відбуваються в атмосфері, на Землі спостерігаються явища, які являють безпосередню небезпеку або ускладнюють функціонування систем людини. До таких атмосферних небезпеквідносяться тумани, ожеледь, блискавки, урагани, бурі, смерчі, торнадо, зливи і ін.

смерч(в Північній Америціназивається торнадо) являє собою вертикальний що крутиться стовп у повітрі, який зароджується під грозовою хмарою і піднімає з землі все, що зустрічає на своєму шляху. Висота смерчу може досягати 800-1500 м. Повітря в смерчі обертається і одночасно піднімається по спіралі вгору. Швидкість обертання може досягати

200-300 м / с. Величезні швидкості обертання розвивають в смерчі відцентрові сили, що викликають знижений тиск в його центрі. Обертання вітру в смерчі найчастіше циклонічних, але іноді спостерігається і антіціклоніческіх. Навколо ядра ядра смерчу відзначаються величезні (до

70-90 м / с) висхідні руху повітря. Смерч всмоктує в себе предмети, що зустрічаються на його шляху, піднімає їх високо вгору і переносить на великі відстані. Предмети в сотні кілограмів легко піднімаються смерчем і переносяться на десятки кілометрів. Своєю міццю він вириває з землі дерева, бетонні опори, телеграфні стовпи, зриває дахи з будинків і разом з дахом всмоктує в себе предмети меблів, пересуває автомобілі. Він створює серед людей паніку своєю миттєвою і наводить жах силою. Запобіжних заходів майже не існує. Коли смерч тільки утворюється, можна помітити темну обертову воронку, потім настає на якийсь час тиша, а потім несподівано починають підніматися в повітря все більш і більш важкі предмети.

9 червня 1984 року в 15 км на південь від м Іваново зародився смерч, який через годину виявився приблизно в 60 км на горбистому березі Волги, у турбази Лунево. Падали вивернуті з корінням їли, ламалися сосни і берези, руйнувалися щитові будиночки; бак водонапірної башти масою 50 т був відкинутий на 200 м. Були людські жертви.

При наближенні смерчу необхідно: закрити двері і вікна, уникати знаходитися на останньому поверсі, вимкнути газ і електроенергію, сховатися в підвалі.

буря- це злива, що супроводжується сильним вітром (швидкість вітру 20-32 м / с) шквального характеру, що може легко викликати паводок в річці, повінь або сель.

Якщо злива, що триває 30-60 хвилин настільки сильний, що вода починає надходити в підземні поверхи, треба заблокувати потрапляння її туди мішками з піском, приготованими завчасно.

Буре часто передує гроза.

Кілька спостережень для тих, хто потрапив в грозу:

Вітер не дає правильного уявлення про напрямок руху грози, грози часто йдуть проти вітру;

Відстань до грози можна визначити за часом між спалахом блискавки і гуркотом грому (1 с - відстань 300-400 м, 2 с - 600-800м, 3 с - 1000 м);

Безпосередньо перед початком грози зазвичай наступає безвітря або вітер змінює напрямок;

Мокрий одяг і тіло підвищують небезпеку ураження блискавкою;

У лісі переважно ховатися серед невисоких дерев, в горах в 3-8 метрах від високого "пальця» 10-15 метрів, на відкритій місцевості - в сухий ямці, канаві;

Піщана і кам'янистий ґрунт безпечніше глинистої;

Ознаками підвищеної небезпеки є: ворушіння волосся, дзижчання металевих предметів, розряди на гострих кінцях спорядження, вогні «святого Ельма» на щоглах судів.

У грозу заборонено:

Ховатися біля самотніх дерев;

Зупинятися на узліссі;

Йти і зупинятися біля водойм;

Ховатися під скельним навісом;

Бігати й метушитися;

Пересуватися щільною групою;

Перебувати в мокрому одязі;

Зберігати металеві предмети в наметі.

Грозу, зовнішніми ознаками якої є блискавки і грім, з точки зору фізики можна віднести до проявів «самостійної електропровідності в газах». При певних метеорологічних умовах в грозових хмарах може виникнути сильна електрична полярність, яка веде до розряду у вигляді блискавки. Таким чином відбувається часткове вирівнювання розрядів. Розряди, що потрапляють в землю, слід розглядати як випадкові, хоча, индуктируя локально, позитивні розряди можуть призвести до таких явищ, як вогні святого Ельма або удар блискавки. Залежно від сили виникає розряду в випереджаючому, «провідному» розряді можна розрізнити особливо сильний - «основний розряд» (від 100 А до 200 кА максимально), нарешті, хоча і рідше, тривалий запізнюється розряд. Саме останній в силу тривалості свого впливу може призвести до пожежі. Великі наукові дослідження не дали будь-яких результатів, які свідчать про те, що блискавка вдаряє в певні місця. Людина, що стоїть серед будівель, анітрохи не захищений від блискавки, місце удару якої в силу безлічі впливів визначається тільки чистою випадковістю.

Дія блискавки в основному полягає в передачі об'єкту теплової енергії. Крім того, її електричний заряд викликає в ураженому об'єкті додаткові руйнування. При цьому може мати місце оплавлення металевих провідників в точках їх контакту (перехідного опору), розтріскування кам'яної кладки або деревини уражених дерев внаслідок випаровування міститься в них вологи, а також загоряння легкозаймистих матеріалів.

Особливим випадком термічного впливу електричної енергії на організм людини є удар блискавки. Якщо вона вражає стоїть людини, то струм в тілі або по поверхні тіла проходить по руслах великих кровоносних судин, рідке середовище яких забезпечує підвищену провідність. Місця входу і виходу заряду блискавки характеризуються значними ушкодженнями.

Захистом від описаних тут дій блискавки служать громовідводи.

Щоб уникнути ризику бути ураженими нею, необхідно:

Відключити телевізор та інші електричні прилади;

Чи не стояти перед відкритим вікном;

Закрити вікна і двері;

Пам'ятати, що середина кімнати - найнадійніше місце;

Перебуваючи поза приміщенням, ніколи не бігти, зупинити автомашину;

Чи не ховатися під деревами, особливо дубами і модрина;

Переміститися з піднесеною місцевості до низу;

ураган- це циклон, у якого тиск в центрі дуже низька, а вітри досягають великої і руйнівної сили.

Ураган характеризується великими швидкостями вітру - 32 м / с і більше. Урагани можуть супроводжуватися сильними дощами, повенями. Особливою силою відрізняються тропічні урагани, радіус вітрів яких може перевищувати 300 км. Середня тривалість урагану 9 днів. Урагани є однією з найпотужніших сил стихії. За своїм згубному впливу не поступаються таким страшним стихійним лихам, як землетрус. Ураганний вітер руйнує міцні і зносить легкі будівлі, спустошує поля, обриває дроти і валить стовпи ліній електропередач і зв'язку, пошкоджує транспортні магістралі і мости, вириває з корінням дерева, пошкоджує і топить суду. Урагани в зимових умовах призводять до виникнення снігових буревіїв, коли величезні маси снігу з великою швидкістю переміщаються з одного місця на інше. Їх тривалість може бути до кількох діб.

У липні 1989 року потужний тайфун «Джуді» прокотився з півдня на північ Далекосхідного краю. Затопило 109 населених пунктів (евакуйовано 8 тис. Осіб), зруйновано близько 2 тис. Будинків, зруйновано і знесено 267 мостів, виведено з ладу 1340 км доріг, 700 км ліній електропередач, затоплено 120 тис. Га сільгоспугідь.

При наближенні урагану необхідно:

Щільно закрити двері, вікна (ставні), горищні (вентиляційні) люки, не випускати на вулицю дітей;

Прибрати з дахів, лоджій, балконів всі предмети і речі, які вітром може скинути вниз і травмувати що знаходяться внизу людей;

Загасити вогонь в печах (негайні іскри з труб можуть призвести до пожеж);

Урагани нерідко супроводжуються грозою, тому не слід ховатися під окремими деревами, не можна підходити близько до опор ліній електропередач і т.п. щоб уникнути ураження блискавкою.