Файл: Чандлер Т. Воздух вокруг нас.pdf

в обоих полушариях давление понижается по направлению к по­ люсам. В этих зонах преобладают западные ветры от поверхности земли до нижней стратосферы. В приземном слое они более из­ менчивы, чем пассаты, особенно в северном полушарии, где в этих широтах сильно развита циклоническая деятельность. Наконец, в очень высоких широтах, около полюсов, лежит не­ большая область высокого давления, из которой ветры направ­ лены к умеренным широтам.

Эта простая схема ветров в приземном слое существенно изме­ няется от сезона к сезону и зависит от неравномерного нагрева­ ния суши и моря солнцем — средний ветер меняет свое направ­ ление, интенсивность и даже характер. Например, в умеренных широтах циклоны чаще возникают зимой и движутся по направ­ лению к экватору. Наоборот, субтропические антициклоны ста­ новятся особенно мощными летом и движутся по направлению к полюсам. Над континентами летом температура повышается, а атмосферное давление падает, тогда как зимой имеет место обратное явление. Более четко давление и ветер изменяются при переходе от зимы к лету над Восточной Азией.

Характер ветра нарушают также горные хребты, особенно Скалистые горы, Анды и нагорье Тибет. Эти горные области спо­ собствуют превращению высотных западных ветров в серии волн в умеренных широтах. Эти волны, как предполагают, связан­ ные с положением и формой основных высотных антицикло­ нов и семейств циклонов вблизи поверхности земли, вероятно, ответственны в какой-то мере за сезонные изменения давления над континентами и морями.

Чтобы получить некоторые сведения о сезонных изменениях общей циркуляции, рассмотрим общий характер ветров в «лет­ нем» и «зимнем» полушариях одновременно. Летняя полусфера представляет простую картину. В тропических широтах до высо­ ты примерно 18 км наблюдаются слабые и непостоянные восточ­ ные пассаты; на больших высотах скорость их повышается более чем до 100 км/час. Их называют иногда восточными ветрами Кракатау, потому что более трех лет они несли вулканическую пыль, выброшенную в атмосферу во время грандиозного извер­ жения, которое произошло на острове Кракатау в 1883 г., и раз­ веяли вокруг Земли. (Между прочим, эта пыль вызывала очень красивые закаты.) Иногда наблюдают восточные ветры и в поляр­ ных широтах.

Между поясами низкоширотных и высокоширотных восточ­ ных ветров существует система устойчивых западных ветров, которую называют западным переносом. Западные ветры дуют в слое от поверхности земли и до уровня 20 км. В отдельных районах скорость этих ветров резко возрастает, тогда образу­ ются два или три быстро движущихся потока внутри ветровой

47

О

системы. Такие потоки называются струйными течениями, они располагаются на высотах около 10 или 12 км (сразу под тро­ попаузой). Скорость ветров в этих потоках доходит до 400 км/ч и более. Впервые со струйными течениями встретились военные самолеты во время второй мировой войны, и с тех пор они иссле­ дуются с помощью радиозондов, самолетов и ракет. Сегодня са­ молеты, летящие с запада на восток, имеют преимущество перед теми, что летят с востока на запад, поскольку они могут восполь­ зоваться этими струйными течениями. (Лишь одно значительное струйное течение направлено с востока на запад, оно развива­ ется летом над Индийским океаном в северном полушарии.) Длина таких быстро несущихся рек воздуха колеблется от не­ скольких сотен до нескольких тысяч километров. Как правило, струйные течения в атмосфере связаны с резко углубляющими­ ся циклонами, которые, двигаясь к экватору, способствуют уси­ лению западных ветров и превращению их в струйные течения.

Зимой положение и интенсивность различных ветровых си­ стем разнообразнее. В высоких широтах (выше 65°) восточные

48

мб

О

20

50

100

200

500

Прерывистые линии — изолинии температуры в градусах Цельсия, сплош­ ные — скорость западных ветров (в узлах), точечные — восточные ветры.

ветры значительно сильнее, чем летом, и проникают дальше к экватору. Выше 15 км в стратосфере восточные ветры заменя­ ются сильными западными ветрами, которые циркулируют во­ круг полюса и называются западными ветрами полярной ночи.

Обычно различают ось струйного течения и ветры, дующие со скоростями до 300 км/ч на высотах от 25 до 30 км. В середине зимы наблюдаются самые сильные и устойчивые западные вет­ ры в тропосфере, они несут стремительные и глубокие циклоны, гребни и антициклоны и определяют погоду в нижних слоях атмосферы. Если летом они обычно простираются от 35 до 65° широты на уровне моря, то зимой наблюдаются от 30 до 70°. (На высоте примерно 5 км они простираются почти от самого экватора до полюса.) В нижних слоях стратосферы ветры быст­ ро ослабевают с высотой в среднем до 50 км ч на уровне 20 км. Однако в верхних слоях стратосферы они снова набирают ско­ рость, достигая максимума на высоте примерно 55 км, т. е. уже в слоях нижней мезосферы. Эти высотные сильные западные ветры называются мезосферными западными потоками.

Характер общей циркуляции в январе (а) и июле (б). Ветры показаны стрелками.

Вдоль всех этих воздушных потоков, как правило, движут­ ся возмущения. Западные потоки в средних и высоких широтах характеризуются движением особенно мощных циклонов и анти­ циклонов, которые, как мы видели ранее, связаны с волнами различных размеров в средней и верхней тропосфере и в' нижней стратосфере. Практически карты среднего давления зимой на высоте 3 км и в мезосфере мало чем отличаются одна от дру­ гой. Но атмосфера при этом не ведет себя одинаково на всех уровнях. В стратосфере, например, ветры распространяются от холодных областей к теплым, а не наоборот, как в тропосфере. Циркуляция же в стратосфере является скорее охлаждающей, чем нагревающей системой, она усиливает контрасты темпера­ туры над различными частями земной поверхности, а не вырав­ нивает их, хотя изменения температуры в целом определяют здесь вертикальные движения. Выше 80 км атмосфера ионизова­ на и подвержена влиянию ряда других факторов, например, элек­ трических и магнитных полей.

В последнее время многое стало известно об общей циркуля­ ции в атмосфере, особенно в северном полушарии. Но даже сей­ час по этим данным мы не можем судить о причинах изменения погоды и климата. Сведения об общей циркуляции были пополне­ ны английскими, американскими и скандинавскими метеороло­ гами, исследовавшими баланс углового момента. В качестве от­ правной точки они избрали предположение, что полная величина энергии и количество водяного пара, неравномерно распреде­ ленные по земному шару, должны оставаться постоянными в ат­ мосфере в целом. И затем они смогли обнаружить, где находят­ ся области источников и стоков энергии и водяного пара на Земле и как различные области обмениваются друг с другом запасами энергии и водяного пара.

Чтобы понять, как осуществляется обмен энергией, необ­ ходимо помнить, что атмосфера не только вращается вместе с Землей, но также имеет собственное движение вокруг земной оси. Другими словами, атмосфера обладает угловым моментом. Угловой момент тела, движущегося по кругу, пропорционален его скорости, расстоянию от центра круга (в данном случае от земной оси) и его массе. Угловой момент равен произведению трех указанных величин. Мы уже говорили, что в низких широ­ тах вообще преобладают восточные ветры (пассаты), а в сред­ них — западные. Вследствие трения этих ветров о поверхность Земли, которая вращается с запада на восток, на низких широ­ тах возникает значительный угловой момент западных ветров за счет большого здесь радиуса вращения атмосферы. Поэтому низкие широты являются источником углового момента, который переносится в область средних широт, играющих роль стока уг­ лового момента ровно настолько, насколько тормозят вращение

52

на высоте примерно 10 км на широте 32°, т. е. в области стацио­ нарных субтропических антициклонов. Кроме того, момент поч­ ти наверняка переносится большими волнами давления в верх­ них слоях тропосферы и сопровождающим их семейством при­ земных циклонических и антициклонических возмущений в уме­ ренных широтах.

Подобно угловому моменту энергия переносится с низких широт и малых высот, куда поступает избыточное ее количество, к тем областям, где атмосфера теряет ее путем радиационного охлаждения, т. е. к высоким широтам и большим высотам. Вет­ ры — следствие неравномерного нагревания Земли — стремятся сгладить температурные различия, различия в кинетической энергии, в распределении водяного пара. Поток кинетической энергии относительно мал по сравнению с другими формами энер­ гетического обмена. Роль, которую играют потоки в океане как транспортеры заметного количества энергии, вероятно, важна, но для подтверждения этого еще нужны детальные исследования.

53