В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 48
Текст из файла (страница 48)
13) Поэтому при 7 ( Д частица становится менее плотной, чем окружающий воздух (Ьр ( О), и возникает выталкивающая сила плавучести (архимедова сила), направленная вверх. В этом случае атмосфера находится в неустойчивом состоянии, 270 рл. 1Х Основы епермодинпмини попмосфвры поскольку любая сместившаяся вверх частица будот продолжать это движение. ПРи ув > Д частица становитсЯ более плотной, чем окружающий воздух (Ьр > О), и направленная вниз архимедова си,та возвращает частицу обратно в исходное положение. Это случай устойчивого равновесия атмосферы.
Особо устойчивые состояния атмосферы наблюдаются в так называемых слоях инверсии, когда Д ( О и температура возрастает с высотой. Температурные инверсии гасят вертикальные движения и конвекционные потоки, подавляют перемешнвание воздуха. Такие инверснонные слои могут существовать достаточно длительное время и оказывать негативное влияние на состояние и экологию атмосферы, особенно в городах, поскоогьку приводят к накоплению загрязнений. Глава 14 Основы динамики атмосферы.
Погода и климат Динамика и глобальная циркуляция В данном разделе речь пойдет о некоторых вопросах динамики атмосферы, о движении воздушных масс, о погоде и климате. Первоначально проведем качественное рассмотрение движения воздушных масс. Из курса механики известно, что физические тела, находящиеся иа вращающейся планете в неинерциальной системс координат, приобретают дополнительное поворотное, или кориолисово ускорение.
Кориолисово ускорение ак есть удвоенное векторное произведение угловой скорости вращения Земли й на скорость тела п в неинерциальной системе координат: ак = 2 [й х и!. Уравнение относительного движения материальной точки в неинерциальной системе координат может быть записано формально подобно уравнению движения в инерциальной системе координат, но с введением соответствующих дополнительных сил инерции.
Иными словами, в неинерциальной системе координат появляется некоторая эффективная сила инерции, действующая со знаком «минуса и равная произведению массы тела на дополнительное ускорение. В частности, для описания кориолисова ускорения вводится плотность кориолисовой силы Гк = — 2р[й х в[. Следует отметить принципиальное отличие сил инерции от обычных сил взаимодействия тел, состоящее в том, что для них нельзя указать, действие каких конкретно тел на данное тело ими описывается. Однако, не вдаваясь в детали, отметим, что в Северном полушарии под действием кориолисовой силы всякий движущийся обьект, независимо от направления движения, будет отклоняться при движении вправо.
Соответственно в К1жном полушарии объект будет отклоняться влево от направления движения. Кориолисово ускорение имеет и вертикальную составляющую, по при обычных в атмосфере скоростях движения, не 272 Гл. Ц. Осноеы динамики агамосфсры. Погода и климат превышакпцих сотни метров в секунду, зта составляющая мала (< 10 з) по сравнению с ускорением свободного падения д.
При движении по экватору остается толысо вертикальная составляющая, и тело не отклоняется в горизонтальной плоскости. В остальных случаях при движении в горизонтальных направлениях кориолисова сила имеет существенное значение, во многих случаях она является определяющей. Типичное поле давления воздуха на Земле неоднородно,. оно имеет максимумы, минимумы, седловые точки. Неоднородность поля давления в атмосфере следствие неоднородности поверхности планеты, содержащей континенты, океаны, моря, которые прогреваются по-разному. Рассмотрим некоторое поле давления с минимумом и максимумом (рис. 14.1).
Поле давления размечено системой изолиний. Давление нарастает по изолиниям слева Рис. 14.1. Схема формирования геострофического ветра направо. Здесь приведена качественная картина, без указания числовых значений давления, только с обозначением обпастей низкого 1Н) и высокого (В) давлений. Под действием градиентов давления воздушный поток втекает в область низкого давления, с поворотом направо (в Северном полушарии) каждой втекающей частицы.
Из области высокого давления воздушный поток вытекает также с поворотом направо. Вследствие такого движения образуются вращающиеся вокруг областей экстремумов давления потоки. Области пониженного давления с вращением против часовой стрелки (в Северном полушарии) называются циклонами, области повышенного давления с вращением по часовой стрелке -- антициклонами. Нетрудно понять, что между 1"л. Ц. Основы динамики атмосферы. Погода и климань 273 минимумом и максимумом давления будет наблюдаться перпендикулярный градиенту давления поток. Такое движение воздушных масс называется геострофическим ветром.
Иными словами, геострофический ветер это кввзиравномерное движение воздушных масс под действием кориолисовых сил по изобарам перпендикулярно градиенту давления. Геострофическое приближение подразумевает равновесие между кориолисовой силой и градиентом давления, что часто хорошо выполняетгл па практике. В ряде случаев нужно учитывать движение воздуха и вдоль градиента давления, но при этом остается и геострофическая составляигщая воздушного потока. Крупномасштабные течения общей циркуляции в атмосфере являются в основном квазигеострофическими.
Основные закономерности квазигеострофических движений в атмосфере были поняты давно, еще в середине Х1Х столетия было сформулировано (Бейс — Баллот) правило; если стоять спиной к ветру, то слева будет область низкого давления, а справа высокого (в Северном полушарии, а в Южном наоборот). На рис.
14.2 приведен пример космического снимка Земли в ИК диапазоне, на котором хорошо просматриваются Рис. 14.2. Снимок Земли в ИК диапазоне с циклоническими спиралями 274 Гл. 74. Ооноеы динамики агамоофгры. Погода и климат несколько циклонических спиралей с разными направлениями вращения в Северном и Южном полушариях.
Рассмотрим систему глобальной циркуляции атмосферы. Схема глобальной циркуляции была приведена в гл. 9. Сильнее всего наша планета нагревается в районе экватора, здесь болыпе падает и поглощается солнечной энергии на единицу площади. Там же идет сильное испарение, образование облаков и туч, большое количество осадков, и теплый воздух поднимается вверх. Таким образом, образуется глобальная ячейка циркуляции (ячейка Хэдли (Гадтея)): теплый воздух поднимается от экватора и опускается где-то в области 30-х широт.
Отсюда следует, что в районе 30-х широт находится область высокого давления область субтропических циклонов. Соответственно ветры от 30-х широт дуют по направлению к экватору, где находится область низкого давления экваториальная ложбина и внутритропические зоны конвергенции. В районе 60-х широт также образуется область низкого давления, и между 30-ми и 60-ми широтами формируется еще одна ячейка глобальной циркуляции (ячейка Ферреля).
Наконец между 60-й широтой и полюсом формируется полярная ячейка глобальной циркуляции с областью высокого давления на полюсе (полярный антициклон) . Система глобальной циркуляции атмосферы хорошо обьясняется в рамках геострофического приближения (см. рис. 9.1). Ветры, которые дуют из области 30-х широт к экватору, отклоняются вправо (в Северном полушарии) и приобретают преобладающее северо-восточное направление это чак называемые северо-восточные пассаты. В Южном полушарии пассаты имеют юго-восточное направление. В целом пассаты, дующие из областей высокого давления 30-х широт к экватору, имеют общее восточное направление.
Ветры„которые дуют из области высокого давления 30-х широт к области низкого давления 60-х широт, имеют общее западное направление, это так называемый западный перенос. Полярные ветры имеют восточное направление. Отметим некоторые дополнительные особенности системы глобальной циркуляции атмосферы. Как сказано выше, в Северном полушарии между 30 и 60' преобладают западные ветры, а в Южном полушарии эти ветры заметно сильнее. Это связано с тем, что в 40-х широтах мы имеем фактически единый океан, но прерываемый континентами., только с узкой полосой суши в Южной Америке. Здесь пад океаном ветры испытывают заметно меньшее торможение, разгоняются и образуют область Рл. Ц.
Ооноеы динамики а«амооферы. Погода и климат 27о знаменитых «ревущих сороковыхо широт, весьма опасных для мореплавателей. Кстати, и циклоны в Южной Атлантике почти не зарождаются. Есть еще любопытные исторические названия. В пору покорения Нового Света (конец ХЧ ХУ1 в.) район максимума давления Северного полушария 30-е широты получили название «конскихо широт, потому, что очень часто в районе этих широт корабли попадали в штиль. А длительное стояние в штиль сокращало запасы воды и приводило к тому, что лошадей приходилось выбрасывать за борт., и их в ту пору много плавало в этих широтах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
