ЦИКЛОНЫ И АНТИЦИКЛОНЫ

Неравномерное нагревание подстилающей поверхности при участии отклоняющей силы вращения Земли может вызвать образование атмосферных вихрей.

Допустим, что замкнутый участок поверхности нагревается значительно сильнее, чем остальная поверхность. Очевидно, над таким участком возникнет восходящее движение воздуха, сопровождающееся растеканием (расходимостью) его наверху в стороны. Это приведет к появлению у поверхности замкнутой области пониженного давления с вихреобразным перемещением воздуха от периферии к центру. Вихревое поднятие в центре и растекание воздуха наверху обеспечивают отток приходящего с периферии воздуха и поддерживают низкое давление. Возникает восходящий атмосферный вихрь, существование которого возможно до тех пор, пока сохраняются причины, обеспечивающие отток воздуха наверху в стороны. Если отток прекращается, происходит заполнение воздухом области пониженного давления и выравнивание давления.

Можно также представить положение, при котором менее нагретьый (охлаждающийся) участок окажется среди сравнительно теплой поверхности. В этом случае произойдет уплотнение воздуха, вызванный этим приток его наверху к центру и, как следствие, возникновение у поверхности замкнутой области повышенного давления с вихревым движением воздуха от центра к периферии (растекание). Место воздуха ушедшего от центра, занимает воздух, опускающийся сверху. Возникает вихрь с нисходящим движением в центре. Если приток воздуха наверху прекращается, исчезают условия существования нисходящего вихря. Атмосферные вихри, обусловленные неравномерным нагреванием подстилающей поверхности — явление не редкое, но, как правило, они имеют незначительные размеры и существуют недолго.

В атмосфере постоянно возникают, развиваются и исчезают вихри очень больших масштабов (диаметром от сотен до 2 тыс. км и более) называемые циклонами и антициклонами. Роль этих вихрей в атмосферных процессах очень велика.

Циклоны — восходящие атмосферные вихри с сильно наклонной осью вращения, проявляющиеся у поверхности Земли замкнутой областью пониженного давления (барическим минимумом) с соответствующей системой ветров от периферии к центру (против часовой стрелки в северном полушарии).

Антициклоны — нисходящие атмосферные вихри с наклонной осью вращения проявляющиеся у поверхности Земли замкнутой областью повышенного давления (барическим максимумом) с соответствующей системой ветров от центра к периферии (по часовой стрелке в северном полушарии). Вихри, образующиеся над неравномерно нагретой поверхностью, могут дать только первое представление о циклонах и антициклонах. В действительности структура циклонов и антициклонов значительно более сложная, а причины их образования еще окончательно не выяснены.

Формирование циклонов и антициклонов объясняют волновыми движениями потоков воздуха в средних слоях тропосферы.

При отсутствии причин, нарушающих геострофическое равновесие (равенство сил барического градиента и отклоняющего действия вращения Земли), воздух на высоте двигается вдоль изобар в северном полушарии вправо от направления барического градиента. Нарушение условий геострофического равновесия, постоянно наблюдающееся в природе (влияние подстилающей поверхности), вызывает отклонение потоков воздуха от направления изобар. Отклоняясь, поток создает избыток воздуха по одну сторону изобар и недостаток — по другую. В том месте, куда поток принес воздух, давление повышается и изобары, отклоняясь в сторону пониженного давления, очерчивают гребни высокого давления. В том месте, где возникает недостаток воздуха (следствие отклонения потока), изобары, отклоняясь в сторону повышенного давления, оконтуривают ложбины низкого давления. Направление изобар приобретает волнообразный характер. Смещение изобар в сторону пониженного давления выражено сильнее, и поэтому на гребнях изобары расходятся, а в ложбинах сближаются. Следуя по направлению изобар, поток двигается также волнообразно (подобно извивающемуся водному потоку). При незначительной скорости движения он или обтекает гребни и ложбины, или двигается вместе с ними. Быстро двигающийся поток воздуха, сохраняя скорость, по инерции растекается в той части волны, где изобары расходятся, и сжимается в той части, где изобары сближаются.

Все изменения, происходящие в потоке воздуха на высоте, заметно отражаются на изменении давления у поверхности. Под областью растекания воздуха (расходимости) давление на поверхность резко ослабевает, возникает замкнутая область пониженного давления с вихреобразным движением воздуха к центру. В центре области низкого давления воздух поднимается, компенсируя недостаток его наверху, вызванный растеканием. Так образуется в нижнем слое тропосферы циклон.

Под областью сходимости потока давление резко повышается, и здесь формируется замкнутая область повышенного давления, в которой воздух растекается от центра к периферии. Отток воздуха компенсируется его опусканием в центре из области сходимости воздушного потока наверху. Таким образом формируется антициклон.

Возникшие в приземном слое тропосферы циклоны и антициклоны продолжают существовать только до тех пор, пока наверху процессы оттока воздуха от области расходимости и притока в область сходимости изобар оказываются интенсивнее процессов оттока и притока воздуха в центрах вихрей внизу.

Развитие гребней высокого давления может привести к их обособлению и к превращению в замкнутую область высокого давления — высотный антициклон. В результате развития ложбин низкого давления могут сформироваться высотные циклоны.

Высотные антициклоны и циклоны не располагаются непосредственно над приземными. Но в результате того, что, двигаясь в одну сторону с ними при отсутствии трения, они обладают большей скоростью, через некоторое время происходит их смыкание. Приземный антициклон смыкается с располагающимся над ним высотным антициклоном, приземный циклон — с высотным циклоном. Высотные зоны сходимости и расходимости исчезают, вместе с тем исчезают и условия для существования приземных циклонов и антициклонов, и они постепенно ликвидируются.

Наиболее благоприятные условия возникновения волнового движения существуют в зоне атмосферного фронта, т. е. там, где на коротком расстоянии быстро изменяются температура и давление. Поэтому и образование циклонов и антициклонов приурочено к фронтальной зоне, к климатическим фронтам. В циклоне стекание воздуха с разных сторон к центру приводит к сближению теплых и холодных потоков и создает условия для сохранения и развития фронта, проходящего через центр циклона. Циклоны, за редким исключением (возникновение в результате местного перегрева), имеют фронтальную структуру. На схеме развития фронтального циклона в верхней из трех горизонтальных частей рисунка (а) показаны распределение давления и часть волны воздушного потока на высоте 4—6 км над земной поверхностью. В средней части рисунка (б) можно видеть соответствующее распределение давления, ветров, воздушных масс и разделяющих их фронтов вблизи земной поверхности. Нижняя часть рисунка (в) —вертикальный разрез по линии А — А через область развития циклона.

На первой (1) из пяти вертикальных частей рисунка мы видим положение, предшествующее появлению приземного циклона. Наверху — часть волны с расходящимся потоком. У земной поверхности — стационарный фронт, разделяющий холодный и теплый воздух.

Фронтальная плоскость наклонна в сторону холодного воздуха; на рисунке видно, что холодный воздух течет под теплым.

Возникновение приземного циклона (2) под областью расходимости воздушного потока вызывает изменение в приземном движении воздуха, направляющегося теперь к центру циклона (2, б). В результате фронт изгибается, причем изгиб начинает перемещаться вдоль линии фронта в направлении движения верхнего воздушного потока. Участок фронта в передней части изгиба (волны) становится теплым фронтом (он перемещается в сторону холодного воздуха), в тыловой части — холодным фронтом (перемещается в сторону теплого воздуха). Переход холодного фронта в теплый совпадает с центром циклона (это положение отображено на рис. 2, в).

В начальной (волновой) стадии развития циклон обрисовывается у поверхности одной изобарой. В дальнейшем идет расширение циклона, увеличение занятой им площади и вовлечение в циклоническое вращательное движение более высоких слоев — до 2—3 км— во второй стадии развития циклона. Это стадия типичного молодого циклона (3, а, б, в), характеризующегося хорошо выраженным теплым сектором, ограниченным сходящимися под острым углом в центре циклона теплым и холодным участками фронта. Происходит постепенное сближение теплого и холодного фронтов в результате более быстрого продвижения последнего (холодный фронт догоняет теплый).

В следующей стадии (4, а, б, в) — стадии окклюзии— циклон достигает максимального развития, перед тем как начинает постепенно заполняться. Наверху оформляется центр низкого давления, смещенный по отношению к приземному центру несколько в сторону холодного воздуха. Холодный фронт все более приближается к теплому и наконец смыкается с ним (4, в), образуя сложный фронт окклюзии. Процесс этот начинается от центра, и теплый сектор постепенно сокращается. Теплый воздух, выжимаемый наверх холодным, уже не соприкасается с поверхностью. Циклон оказывается полностью в холодном воздухе (становится термически симметричным). Некоторое время после окклюцирования он еще может углубляться, а затем начинает заполняться. В последней стадии развития — стадии заполняющегося старого циклона — циклон становится холодным образованием, захватывающим значительную толщу атмосферы (до 2—б км и более). Циклоническая циркуляция распространяется часто на высоту всей тропосферы. Отток воздуха наверху прекращается, падение давления приостанавливается, и циклон ликвидируется (5). Циклоны обычно существуют несколько суток, двигаясь чаще с запада на восток с некоторым отклонением к северу. Скорость движения циклонов разнообразна, обычно 20—40 км в час (около 700 км в сутки), в отдельных случаях — более 2000 км в сутки. В начале развития циклон движется быстрее, затем движение замедляется и он становится малоподвижным.

Иногда циклон, прошедший вce стадии развития, не заполняется окончательно, а начинает снова углубляться (регенерирует). Это происходит в том случае, если в область старого циклона вторгаются новые порции холодного или теплого воздуха, создавая резкие температурные контрасты. Особенно благоприятно для регенерации циклона встречное движение теплого и холодного воздуха.

На периферии старых, уже заполняющихся циклонов на участке холодного фронта нередко возникают новые циклоны (называемые частными), перемещающиеся в том же направлении, в каком перемещается первоначальный циклон, но только несколько южнее. Новый циклон проходит те же стадии развития, что и первоначальный, но, конечно, отстает от него, т. е. является более молодым. На холодном фронте этого циклона может появиться еще один частный циклон, расположенный южнее. Так, на одном общем фронте последовательно возникает до трех-четырех циклонов. Такая взаимосвязанная и последовательно развивающаяся группа циклонов называется серией или семейством циклонов. Прохождение циклонической серии занимает в среднем 5—6 суток, но в отдельных случаях может продолжаться и значительно дольше (до 12 суток).

Сотни фронтальных циклонов существуют одновременно в каждом из полушарий, оказывая огромное влияние на погоду внетропических широт. В тропических широтах также возникают циклонические вихри, но совершенно иной структуры — тропические циклоны.

Между циклонами возникают подвижные антициклоны, перемещающиеся с циклонами в направлении движения ведущего потока.

В первой стадии развития молодой антициклон представляет собой сравнительно небольшой вихрь, обнаруживающийся до высоты 2—3 км. Во второй стадии — стадии максимального развития — в антициклоническое движение включаются все более и более высокие слои — до высоты 8—12 км. В третьей стадии — стадии разрушения — антициклон становится малоподвижным, происходит сближение нижней и верхней областей высокого давления, вызывающее разрушение антициклона.

Фронта в антициклоне нет, воздушные течения, направляющиеся от центра, относят фронт на периферию. Обычно фронт окаймляет антициклон почти с трех сторон (это характерно для антициклона, лежащего между двумя циклонами). Фронтальная поверхность может прослеживаться на некоторой высоте и в центральной части антициклона в виде слабовыраженного инверсионного слоя (фронтальная инверсия). В центре антициклона у земной поверхности обычны штили, на периферии могут быть ветры значительной силы.

Тропические циклоны — вихри, образующиеся вокруг центров пониженного давления в тропических широтах, между 5 и 20° в каждом полушарии. В экваториальной зоне, под широтами ниже 5° северной и южной широты, циклоническая циркуляция почти не возникает из-за слишком малого влияния отклоняющей силы вращения Земли. От циклонов вне тропических широт тропические циклоны отличаются меньшими размерами (диаметр при наибольшем развитии их не превосходит 1000 км) и значительно большей (от 50 до 120 м/сек) скоростью ветра. Скорость перемещения тропического циклона — 10—12 км в час.

Тропические циклоны захватывают всю тропосферу, распространяясь до высоты 15—18 км. Причины возникновения тропических циклонов еще недостаточно выяснены. Считают, что они могут образовываться в связи с термической неустойчивостью воздуха, богатого влагой. Быстрое поднятие такого воздуха сопровождается бурной конденсацией влаги и выделением огромного количества тепловой энергии. Быстрому поднятию воздуха способствует также центробежное выбрасывание его из центральной части циклона при малом притоке в приземном слое.

Подсчитано, что количество энергии, выделяющееся в тропическом циклоне диаметром около 700 км, составляет 150- 10¹⁸ эргов в секунду. Столько же энергии выделится при взрыве 5 таких атомных бомб, какая была сброшена на Хиросиму. За один час существования подобного циклона выделяется энергия, равная энергии 36 водородных бомб средней мощности.

Интересно, что во всей системе тропического циклона воздух поднимается и только в центре его существует нисходящее движение. Этим объясняется тот факт, что в центре тропического циклона («глаз бури» диаметром 18—55 км) тихо и можно видеть чистое небо, тогда как для всей системы типична ненастная погода с ураганными ветрами, сильными ливнями и грозами. Особенно характерны сильные ветры и ливневые осадки для зоны, непосредственно примыкающей к «глазу бури».

Существует несколько очагов наиболее частого зарождения тропических циклонов: в Атлантическом океане — Карибское море и Мексиканский залив, в Тихом океане — район Филиппинских островов и Южно-Китайского моря, в Индийском океане — Аравийское море, Бенгальский залив, район острова Маврикия.

Больше всего тропических циклонов возникает над Тихим океаном; у юго-восточных берегов Азии возникает в среднем 20 циклонов в год. Здесь их называют тайфунами («чрезвычайным ветром»). На втором месте по количеству тропических циклонов — Атлантический океан (местное название их на Антильских островах — ураганы) и на третьем— Индийский океан (местное название — орканы).

Образовавшиеся тропические циклоны в северном полушарии движутся сначала на северо-запад, затем, на широте 25—30°, поворачивают на северо-восток. Переходя в умеренные широты, тропические циклоны или затухают, или превращаются в мощные внетропические циклоны.

Разрушительная сила тропических циклонов огромна. В сентябре 1961 г. циклон «Ненси» (тропическим циклонам дают женские имена), возникший вблизи Маршалловых островов, прошел вдоль Японских островов. Скорость ветра превышала 300 км/час, шли ливневые дожди. На своем пути тайфун разрушил более 450 тыс. домов, 400 мостов и дамб, погибло более 1500 и тяжело ранено свыше 2000 человек. Прибрежные районы были затоплены океанскими волнами. От Японских островов тайфун прошел в Охотском море и произвел разрушения на Южном Сахалине. «Ненси»— один из самых сильных тайфунов. Тропические циклоны меньшей силы наблюдаются ежегодно.

Смерчи, тромбы (маломасштабные вихри) — вихри с осью, близкой к вертикальной, диаметром от нескольких десятков метров (над водой) до 'нескольких сотен метров (над сушей). Воздух в таком вихре быстро вращается (со скоростью 50—100 м/сек), и одновременно весь вихрь перемещается со скоростью около 10—20 м/сек.

Вихрь может образовываться и над морем — смерч, и над сушей — тромб. Возникают смерчи (тромбы) при неустойчивом вертикальном равновесии атмосферы над перегретой поверхностью перед наступающим холодным воздухом в результате резкого поднятия теплого воздуха и сильного падения давления на некоторой высоте над земной поверхностью. В появившуюся разреженную область с очень низким давлением засасываются: сверху— облако, образовавшееся при быстром поднятии воздуха, снизу — вода, пыль и пар. В атмосфере видны две «воронки», соединенные узкими концами на некоторой высоте над Землей. У поверхности Земли в центре вихря давление очень низкое.

Маломасштабные вихри обладают большой разрушительной силой. Они способны вырывать с корнями деревья, разрушать здания. Налетевший вихрь может «высосать» водоем вместе со всем его «населением», а затем где-то выпадут удивительные «осадки» из водорослей, рыб, лягушек. При прохождении вихря давление падает так быстро, что в зданиях могут вылететь стекла. Известны случаи, когда здание при этом полностью разрушалось. В Северной Америке, где тромбы очень часты, их называют торнадо. За год в США наблюдается в среднем около 150 торнадо, в некоторые годы количество их достигает 900. В Европе тромбы сравнительно редки.