Атмосферное давление и движение воздушных масс

Обладая массой, 80% которой сосредоточено в тропосфере, атмосфера давит своим весом на поверхность Земли с определенной силой, т.е. земная поверхность испытывает определенное давление атмосферы. Если мы возьмем вес всей атмосферы (5,15·10¹⁵т) и поделим его на площадь всей Земли (510 млн. км²), то получим величину среднего давления атмосферы, которая составит чуть более 1 кг/см² или 10 т/м² (советуем самим сделать подобный расчет и более точно вычислить среднее давление). За единицу атмосферного давления (1 атмосфера) принято среднее давление атмосферы на уровне моря на широте 45° при температуре воздуха 0°С. Оно соответствует давлению ртутного столба высотой 760 мм и сечением 1 см². Такое давление считается нормальным давлением воздуха. Измеряется давление барометром. Единицами измерения служат миллиметры ртутного столба (мм рт.ст.), миллибары (1мб=0,75 мм рт.ст.) или гектопаскали (1гПа=1мб=0,75 мм рт.ст.), тогда нормальное давление равно 760 мм рт.ст.= 1013 мб = 1013 гПа.

Давление атмосферы в разных точках Земли не одинаково и, кроме того, непрерывно изменяется во времени. Оно зависит от высоты земной поверхности и движения воздуха. С высотой давление воздуха убывает. Так, например, на высоте 5 км оно составляет примерно 1/2 от давления вблизи земной поверхности. Поэтому давление воздуха в горах всегда меньше, чем на равнинах. В нижнем километровом слое тропосферы происходит закономерное изменение давления с высотой, в среднем примерно на каждые 10,5 м высоты давление падает на 1 мм рт.ст. (выше 1 км давление понижается более медленно). На этой закономерности основано измерение высоты (холма, обрыва, здания и др.) с помощью барометра. Необходимо только учитывать изменение давления во времени и производить измерения в достаточно короткий срок.

Изменение давления во времени объясняется движением воздушных масс, которое в свою очередь связано с температурой воздуха. От нагретой Солнцем земной поверхности нижний слой воздуха нагревается. При нагревании воздушная масса расширяется, становится легче и устремляется вверх. Происходит восходящее движение воздуха. Как было сказано выше, плотность воздуха с высотой уменьшается. Достигнув определенной высоты, где плотность поднимающегося воздуха оказывается больше плотности окружающего воздуха, восходящий поток растекается в сторону воздуха с меньшей плотностью. Следовательно, над нагретой поверхностью происходит некоторое уменьшение веса воздушного столба, которое приводит к понижению давления. В то же время над соседними участками земной поверхности, куда перетекает воздух, увеличивается вес воздушного столба без изменения температуры воздуха у земной поверхности.

Над холодной поверхностью происходит охлаждение воздуха с уменьшением его объема и увеличением плотности. В связи с этим расположенный выше воздух становится менее плотным и сюда притекает воздух со стороны, увеличивая вес воздушного столба, т.е. происходит возрастание давления. Одновременно на соседних участках, откуда перетекает воздух, наблюдается уменьшение давления без изменения температуры. Таким образом, с повышением температуры давление воздуха уменьшается, а с уменьшением температуры – увеличивается.

В распределении воздушного давления на Земле наблюдается зональность, обусловленная неравномерным распределением солнечной радиации. В экваториальных широтах земная поверхность нагревается наиболее сильно и воздушное давление там всегда пониженное. Поднимающийся вверх воздух оттекает в сторону тропических широт (30-40°), создавая там повышенное давление. В полярных областях (выше 70°), где воздух сильно выхолаживается и вследствие чего становится более плотным, также создаются области повышенного давления из-за перетекания сюда на высоте воздуха умеренных широт. Между поясами повышенного давления тропических и полярных широт лежит пояс умеренных широт с низким давлением. Таким образом, на Земле наблюдаются четыре пояса высокого и три пояса низкого давления, которые летом смещаются к северу, а зимой – к югу. Но такое распределение атмосферного давления происходит только в нижней части тропосферы. Выше 5 км прослеживается постепенное понижение давления от экватора к полюсам.

Такая общая глобальная схема распределения давления на Земле существовала, если бы не было времен года (ось вращения Земли была бы перпендикулярна к плоскости ее орбиты), а земная поверхность представляла собой однородное вещество. Реальная картина распределения давления намного сложнее. Круглый год существуют пояса пониженного давления только непосредственно близ экватора и в умеренных широтах южного полушария (из-за отсутствия там материков и присутствия холодной Антарктиды). Пояса повышенного давления в полярных районах расширяются зимой и сокращаются летом, но тоже существуют круглый год. В тропических и умеренных широтах из-за чередования материков и океанов происходит нарушение широтного распределения давления с образованием ряда замкнутых обширных областей высокого и низкого давлений, называемых соответственно барическими максимумами и барическими минимумами.

В тропическом поясе высокого давления материки в любое время года всегда нагреты сильнее, чем океаны, поэтому здесь над океанами существуют барические максимумы круглый год: Северо-Тихоокеанский и Северо-Атлантический максимумы в северном полушарии, Южно-Тихоокеанский, Южно-Атлантический и Южно-Индийский максимумы в южном полушарии.

В умеренном поясе низкого давления зимой материки сильно охлаждаются и над ними формируются области высокого атмосферного давления. Особенно это проявляется в северном (материковом) полушарии, где возникают обширный Азиатский максимум с центром в Монголии и Северо-Американский (Канадский) максимум. Над океанами в это время года существуют области низкого давления: Исландский (в северной части Атлантического океана) и Алеутский (в северной части Тихого океана) минимумы. Эти барические максимумы и минимумы летом исчезают, за исключением Исландского минимума, который сильно уменьшается в размерах. Летом материки нагреваются сильнее относительно океанов и поэтому над ними возникают области низкого давления: Северо-Американский и обширнейший Южно-Азиатский минимумы.

Для изображения атмосферного давления на картах используют изобары. Изобара – это линия, соединяющая у земной поверхности точки с одинаковым атмосферным давлением.

Неравномерное распределение атмосферного давления на Земле приводит к движению воздушных масс. Движение воздуха осуществляется всегда из области повышенного давления в область пониженного давления. Перемещение воздуха может происходить вверх, вниз и в горизонтальном направлении параллельно земной поверхности. Перемещение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Чем больше разница в давлении между соседними воздушными массами, тем сильнее ветер. Ветер характеризуется скоростью и направлением.

Скорость ветра (сила ветра) измеряется в м/с или оценивается в баллах по шкале Бофорта от 0 до 12, где 0 баллов – отсутствие ветра (полный штиль), а 12 баллов – ураган, производящий большие разрушения и опустошение. При урагане скорость ветра составляет более 30 м/с, а в отдельных случаях, при порывах скорость ветра может достигать 100 м/с.

Направление ветра определяется по стороне горизонта, с какой дует ветер. Это могут быть главные или промежуточные стороны горизонта (их еще называют румбами), например, южный ветер дует с юга на север, а северо-восточный – с северо-востока на юго-запад и т.д. Реже для указания направления ветра используется азимут. На направление ветра влияет ускорение Кориолиса, под воздействием которого ветры, дующие в северном полушарии, отклоняются вправо, а в южном – влево. Чем ближе к полюсам, тем больше ускорение Кориолиса, а значит и больше отклонение движущегося потока воздуха. Для наглядного представления направлений ветра за определенный промежуток времени (месяц, год) строят диаграмму, которая называется "роза ветров". Роза ветров показывает повторяемость направлений ветра в каком-либо пункте земного шара.

В зависимости от причин возникновения ветра различают постоянные ветры, зависимыеот общей циркуляции атмосферы, ветры циклонов и антициклонов, связанные с явлением турбулентности[34] при движении воздушных масс и местные ветры, возникающие в зависимости от местных условий.

Постоянные ветры. Общей циркуляцией атмосферы называется глобальная система воздушных течений, возникающая в результате неравномерного поясного распределения атмосферного давления на Земле. Поясное распределение давления на Земле определяет направление движения воздушных масс из областей высокого давления к областям низкого давлений. Из тропических поясов повышенного давления северного и южного полушарий воздух направляется в экваториальный и умеренные пояса пониженного давления, образуя глобальную систему постоянных ветров. Подсистема постоянных ветров между тропиками и экватором называется пассаты. Под действием ускорения Кориолиса перемещающиеся воздушные массы испытывают отклонение в северном полушарии вправо, а в южном – влево. Поэтому в северном полушарии пассаты представляют собой северо-восточные ветры (дуют с северо-востока), а в южном полушарии – юго-восточные (дуют с юго-востока). Воздушные массы, перемещающиеся из тропиков в умеренные широты, испытывают более сильное отклонение, вплоть до широтного, поскольку по направлению к полюсам увеличивается величина ускорения Кориолиса. В результате ветры в умеренных широтах дуют с запада на восток. Поэтому они называются западными ветрами. Из полярных поясов с высоким давлением в сторону умеренных широт также дуют ветры, в которых преобладают восточные ветры.

Такая идеальная схема господствующих ветров нарушается из-за влияния материков и океанов, над которыми формируются сезонные (летние и зимние) барические минимумы и максимумы. Летом над материками образуются области низкого давления, а над прилегающими океанами – области высокого давления, а зимой наоборот. Поэтому летом ветры в таких местах дуют с океана на материк, принося осадки, а зимой – с континента на океан, обеспечивая малооблачную сухую погоду. Такие устойчивые ветры называются муссоны. В принципе муссонообразный характер ветров проявляется везде, где непосредственно соседствуют материки и океаны, но наиболее хорошо муссоны выражены (т.е. проявляют сезонную устойчивость в направлении ветров) в тех пограничных областях материков и океанов, где имеются огромные водные пространства, например, на границе Азии и Тихого океана.

Ветры циклонов и антициклоновсвязаны с постоянно возникающими в тропосфере перемещающимися крупными замкнутыми областями соответственно пониженного и повышенного давлений, но намного меньшего размера, чем постоянные или сезонные барические минимумы и максимумы. В циклоне под воздействием атмосферного давления и ускорения Кориолиса движение воздуха происходит по скручивающейся спирали снизу вверх (восходящие токи воздуха), а у поверхности Земли направлено от периферии к центру, где наблюдается самое низкое давление. Иначе говоря, в циклоне движение воздушных потоков происходит вокруг центра низкого давления с отклонением внутрь и вверх от кругового движения. Таким образом, в тропосфере образуются гигантские воздушные вихри диаметром в первые тысячи км (обычно 1-3 тыс. км) с ветрами, направленными к центру вихря и движущимися против часовой стрелки в Северном полушарии (в Южном полушарии по часовой стрелки). Циклоны существуют несколько суток и наиболее часто образуются в умеренных широтах, где они перемещаются под воздействием общей циркуляции атмосферы с запада на восток со скоростью 20-40 км/ч. Они характеризуются высокой облачностью и осадками. Циклоны, образующиеся в тропических широтах (тропические циклоны), называются тайфунами. Тайфуны по размерам на порядок меньше циклонов умеренных широт (100 - 300 км в диаметре), но имеют очень низкое давление в центре вихря. Поэтому тайфуны характеризуются ураганными ветрами. С ними связаны ливневые осадки и вызываемые ураганами наводнения.

Антициклоны формируются в замкнутых областях повышенного давления и по размерам соответствуют циклоническим вихрям. В антициклоне движение воздуха происходит по раскручивающейся спирали сверху вниз (нисходящие токи воздуха) по часовой стрелки в Северном полушарии (В Южном полушарии против часовой стрелки) и у земной поверхности направлено от центра вихря к его периферии. То есть вектор скорости движущихся воздушных потоков в антициклоне направлен наружу и вниз от кругового движения. Антициклоны характеризуются слабыми ветрами и малооблачной погодой, а в их центре наблюдается ясная и безветренная погода.

Кроме вышеназванных вихрей в нижней части тропосферы в результате развития грозовых туч образуются еще меньшие по размерам вихри: смерчи, тромбы, торнадо, но обладающие иногда большой разрушительной силой.

Местные ветры возникают при наличии специфических (местных) географических условий. В случае крупных водоемов (море, озеро) на их берегах наблюдаются ветры небольшой силы, которые называются бризы. Это происходит в результате разности давлений, возникающих над водоемом и сушей. Днем из-за сильного прогревания суши нагретый воздух поднимается вверх, создавая пониженное давление по сравнению с давлением воздуха над водоемом, поэтому днем бриз дует с водоема на берег. Ночью суша сильнее остывает и воздушное давление становится больше, чем над водоемом, поэтому бриз дует с берега на водоем. По такому же принципу могут возникать ветры небольшой силы по окраинам крупных лесных массивов.

В горных районах образуются местные ветры под названием фëн и борá. Фëн возникает в результате разности воздушного давления по разные стороны горного хребта и представляет собой сухой и теплый сильный, иногда порывистый ветер, дующий вниз по склону горного хребта. Борá, наблюдаемая, например, на Черноморском побережье Кавказа, образуется в результате переваливания через невысокие горные хребты холодного воздуха, устремляющегося вниз к более теплому морю, и представляет собой холодный, сильный и порывистый ветер.

Вопросы для самоконтроля.

1. Что принято за единицу атмосферного давления и как оно соответствует ртутному столбу?
2. Каково нормальное давление воздуха?
3. В каких единицах измеряется давление?
4. Как падает давление с высотой в нижнем километровом слое атмосферы?
5. Как называется прибор, с помощью которого измеряют давление воздуха?
6. Что собой представляет глобальная схема распределения давления? С чем она связана?
7. Где и какие пояса давления существуют на Земле и почему?
8. С чем связано нарушение широтного распределения давления?
9. Что такое барический максимум и барический минимум?
10. Назовите барические максимумы, существующие круглый год? Где они находятся – над сушей или над океанами?
11. Почему существуют сезонные барические минимумы и максимумы?
12. Назовите главные сезонные барические минимумы и максимумы? Где они образуются?
13. Что такое изобары и для чего они используются?
14. Что такое ветер?
15. От чего зависит скорость ветра?
16. Как измеряется скорость ветра?
17. Какова скорость ветра при штиле и при урагане?
18. Откуда и куда дует ветер?
19. Как определяется направление ветра?
20. Как влияет ускорение Кориолиса на ветер?
21. Что такое роза ветров?
22. Какие существуют ветры в зависимости от причин их возникновения?
23. Что называется общей (глобальной) циркуляцией атмосферы?
24. Назовите постоянные ветры?
25. Как образуются пассаты?
26. Как образуются западные ветры?
27. Как образуются муссоны?
28. Что собой представляет циклон? Чем он характеризуется?
29. Что собой представляет антициклон? Чем он характеризуется?
30. Что такое тайфун?
31. Что такое смерчи, торнадо?
32. Что такое бриз?
33. Что такое бора, фен?