В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Между южной и северной внутритропической зонами конвергенции имеется сравнительно сухая зона. Пассаты в общем устойчивые ветры. Из-за малости силы Кориолиса в тропической зоне пассаты дуют в направлении, составляющем большой угол к изобарам. Их 227 вертикальная мощность- -сильно меняется- -с -сезонам-,— -увеличиваясь зимой (до 9 км) и уменьшаясь летом близ внутритропической зоны конвергенции с ее переменными и слабыми ветрами. В потоке пассата иногда возникают возмущения. В частности, там наблюдаются восточные волны — ложбины пониженного давления, движущиеся к западу со скоростью 7-12 м/с. Средняя длина таких волн Ь = 3100 км и период т = 3 сут. Сходны с восточными волнами также муссонные депрессии, летом проходящие над Индией на запад и слабо выраженные в поле давления.
Они дают много осадков. В тропической стратосфере существует смена восточных и западных ветров с 26-месячным периодом. Западный поток со скоростью около 15 м/с формируется в средней стратосфере выше 30 км и распространяется вниз, постепенно затухая и уступая потом место аналогичному восточному потоку. ЦИРКУЛЯЦИЯ УМЕРЕННЫХ ШИРОТ Западный ветер, преобладающий в значительной части тропосферы и нижней стратосферы за пределами 30-34' ю.ш. и с.ш., можно рассматривать как термический ветер, создаваемый направленным к полюсам градиентом температур, наибольшим между 30 и 70 с.ш.
Ближе к полюсу и градиенты и ветры ослабевают. Заметим, что всякий меридиональный обмен воздухом между тропиками и полярной областью должен создавать западные составляющие ветра в высоких широтах и восточные — в низких. Действительно, например, в переносимых к полюсу потоках должен сохраняться момент вращения около земной оси, направленный на восток и наибольший в низких широтах. Аналогично восточная составляющая возникает в течениях, направленных от полюса. Зональный западный поток, т.е. поток вдоль параллели, может быть устойчивым, если возникшее в какой-либо области малое его возмущение — от более теплой подстилающей поверхности, горного хребта и т.д. — вскоре затухает. Он будет неустойчивым там, где такие возмущения вырастают в большие волны или циклоны. И неустойчивость и поведение возмущения зависят при этом от поля геострофического ветра — от бароклинности атмосферы.
Пусть в бароклинной атмосфере поверхности равной потенциальной температуры (изэнтропические поверхности) поднимаются под небольшим углом к северу, т.е. в направлении отрицательных х. Положим, что геострофический поток направлен к востоку и скорость его равна и. Пусть частица воздуха в некотором возмущении в этом потоке может двигаться и колебаться в плоскости ~у, где ось о~ 228 направлена к северу вдоль изэнтропической поверхности. Состав- ляющие ускорения будут тогда пропорциональны агеострофическим отклонениям и равны, если считать, что угол осей (х, $) близок к к, — = 1(е — е„); — = 1и~, ди ди (6.8) а изменения геострофического ветра, окружающего колеблющуюся частицу, равны д~г д~~г (6.9) Предположим, что и~ > О.
Если дю д,, дб — > —, т.е. >1, д1 д1 ' ' д4 (6.10) то частица приобретает добавочное ускорение ди/дг = 1(о — ю„) < О, направленное в ту же сторону, что и скорость и~ начального смещения. Малые возмущения поэтому могут вырастать в большие волны, или волны Рособи. Пусть в зональном потоке со скоростью о возникает малое возмущение с составляющими скорости и', о'. Если поток горизонтальный, бездивергентный (ю = О, Жч ч = О) и баротропный (др/дх др/ду— — др/ду др /дх = О), то уравнение сохранения вихря имеет вид д1"д '"д д -д (6.11) где р = — 2со созрlг (г — радиус Земли). Подсгавляя и = и', о = и+ о' и пренебрегая малыми произведениями иЪ' и и', получим: — +о — — — +ри' =О. (6.12) Обозначим через Ч'(х, у) функцию тока возмущения, такую, что и' = — дФ/ду, ю' = дФ/дх. Подставляя в (6.12), находим д д дЧ~ дФ дЧ~ — +Ив — р — = О.
д1 дУ дхг ду2 ду (6.13) Решением этого уравнения является, в частности, выражение Ъ Ъ Ч'=В сов — ~у — сд сов — х, (6.14) 229 где  — амплитуда, Ь вЂ” длина волны, и' — ширина пояса, в котором происходят колебания, с — фазовая скорость волны. Подставляя (6.14) в (6.13), имеем у ~2~2 47г2 ~.2 + ~2 (6.15) Так как ф< О, то скорость с тем меньше, чем больше Ь.
В низких широтах, где скорость Г направлена к западу и параметр !ф! велик, фазовая скорость волны с<О и волны распространяются к западу (как восточные волны). В умеренных широтах 0<с<й и циклоны движутся на восток. При длине волны Р 1 — 0,5 С ТРУЙНБ1Е ТЕЧЕНИЯ Одной из особенностей циркуляции тропосферы и иногда стратосферы являются струйные течения. Так называют узкое течение большой скорости, чаще всего западное, небольшого вертикального протяжения и значительной длины — иногда более 10 000 км, вре- с = О и возмущения будут неподвижны.
Таковыми могут быть либо очень длинные волны, либо волны при малой ю — слабом общем потоке, например, в окклюдирующемся циклоне. Таковы же устойчивые динамические антициклоны, в частности Азорский и Гонолульский в северном тропическом поясе„для которых Ь = = 18 ООО км. Число волн, укладывающихся на широтном круге р, можно назвать волновым числом Ж (А = 2л'г сов рЫ).
Карты барической топографии уровней 700, 500 мбар и более высоких уровней всегда обнаруживают несколько (А = 5-6 и более) таких волн, Весьма давно существует в синоптике правило о повторяемости изменений погоды через Т = 5-5,5 дня (Т = Ь/Г), хотя оправдываемость этого правила и невысока.
Над небольшими источниками тепла, такими, как Средиземное или Черное море, длина волн 1. мала (й до ЗО). Волна в верхней тропосфере, создающая, в частности, прорыв холодного воздуха далеко на юг в ложбине волны, может быть причиной образования циклонов в нижней тропосфере из-за холодной адвекции, уменьшения 1 в низких широтах и усиления конвергенции.
Аналогично прорыв теплого воздуха на север — теплая адвекция — ведет там к антициклогенезу, Циркуляция тропосферы распадается на разбросанные вихри. менами возникающее в атмосфере. З плане струйное течение нередко "змеится", следуя изогипсам — линиям тока длинных волн, их гребням и ложбинам. Максимальное значение скорости на оси струйного течения может достигать 150-160 м/с. При таких скоростях — около половины скорости звука — динамическое давление в струе сильно уменьшается и струя сжимается в соответствии с теоремой Бернулли, Струйные течения возникают при большом сближении изогипс — больших др/дп и дТ /дп — близ границ теплых и холодных масс воздуха, теплых морских течений, границ степи и тайги в Азии и пр.
Скорость в струйных течениях может быть отлична от геострофической. Вертикальные градиенты до/д~ в струйных течениях очень велики и могут достигать 64 м/(с км). Они создают значительную турбулентность, "болтанку" самолетов, волнистые формы облаков и т.д. Сравнительно постоянное субтропическое западное струйное течение находится над континентами между 25 и 35' с.ш. с осью на высоте 10-11 км и максимальной скоростью ю = 40-50 м/с. Гораздо более изменчиво и в пространстве и во времени полярное струйное теченйе — между 45-70 с.ш. с осью в среднем на высоте 9 км и о = 39-48 м/с. Такое струйное течение, направленное от Японии к Камчатке, дает временами над Южно-Сахалинском ветер до 128 м/с.
Еще большие скорости (до 137 м/с) наблюдались на о. Визе в Центральном Арктике. МУССОНЫ Муссонами называют воздушные течения большого масштаба, зимой направленные с континента на океан, летом — с океана на континент, достаточно устойчивые, иногда сильные, иногда умеренной скорости. Выше уже указывалось, что муссоны зависят от неодинакового нагревания суши и моря (суша зимой заметно холоднее, а летом теплее, чем море) и от возникающей, таким образом, разности давлений. Однако зависимость между волнами давления и температурой в атмосфере при муссоне гораздо сложнее, чем при бризе, прежде всего из-за влияния силы Кориолиса, существенно меняющейся с широтой.
Действительно, обширные области муссонов расположены в тропических зонах Африки, Азии и Австралии — зонах, где муссон взаимодействует с потоками пассатов обоих полушарий при 1<0 и 1>0. Кроме упомянутых областей муссоны существуют и над Восточной Азией: зимой холодный сухой ветер дует из области Сибирс- кого антициклона над Дальним Востоком и Китаем. Летнии муссон в Восточной Азии, гораздо более слабый и менее устойчивый, возникает при формировании небольших циклонов, например, над Маньчжурией. Многие свойства муссона пока еще изучены недостаточно. Особенно трудно объяснима и непредсказуема большая изменчивость муссона. ЧАСТЬ И1 ФИЗИКА ГИДРОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Со школьной скамьи все мы знаем, что вода покрывает 75% поверхности земного шара.
Это и ослепительно синие огромные океаны и моря, и нежно-голубые озера и водохранилища, и многочисленные реки, серебристыми лентами пересекающие территорию всех материков. Каждый водный объект, будь то океан, море, озеро, искусственное водохранилище или река, можно уподобить сложному организму, в котором одновременно протекают многочисленные физические, химические и биологические процессы. Изучением физических процессов в гидросфере Земли занимается физика моря и вод суши. ГЛАВА! ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИРОВОМ ОКЕАНЕ Мировой океан состоит из четырех океанов: Тихого, Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого.
Части океана, примыкающие к материкам, составляют окраинные моря. Это, например, Карское, Баренцево, Охотское и др. В отдельную группу выделяются внутренние моря, когорые соединяются с Мировым океаном проливами или представляют части океана, отделенные от него цепями островов. В качестве примера внутренних морей можно назвать Средиземное и Черное моря. Полностью изолированным от Мирового океана является Каспийское море.
Рельеф океана весьма сложен. К основным формам рельефа относятся шельф, или материковая отмель, материковое подножие и само ложе океана. Последнее разделяется иа срединно-океанические хребты, глубоководные желоба и впадины и на отдельные котловины. Таких котловин в Мировом океане насчитывается чуть меньше 100. Их обособленное расположение по отношению друг к другу и определяет неоднородность распределения физических свойств воды в придонной области Мирового океана. 233 Одна из важнейших областей Мирового океана с точки зрения практического использования — его шельф. Вместе с тем именно в шельфовой зоне особенно ярко проявляется вся сложность физических процессов, протекающих в гидросфере Земли. Химически чистая вода предсгавляет собой соединение кислорода с водородом Н20 и в природных условиях встречается в трех фазах: жидкой — океаны, моря, реки, озера, водохранилища, подземные воды; газообразной — в атмосфере и под землей и твердой— льды и снежный покров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
