АТМОСФЕРА И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

ГЛОБАЛЬНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС И ОСНОВНЫЕ АТМОСФЕРНЫЕ ВИХРИ

Атмосфера — воздушная оболочка, окружающая Землю, — представляет собой смесь газов и взвешенных частиц. В сухом чистом воздухе около 78% объема составляет азот, 21% — кислород, 0,94% — аргон, 0,03% — углекислый газ и около 0,003% — смесь неона, гелия, криптона, ксенона, окислов азота, метана и озона. Кроме того, в отдельных местах в атмосфере иногда присутствуют некоторые летучие органические вещества, промышленный дым, выхлопные газы, окись углерода, сернистый газ, а также взвешенные частицы в виде капель воды, кристаллов льда, пыли и др.

Важной составной частью атмосферы является водяной пар, содержание которого меняется от доли процента до 4% в зависимости от температуры воздуха. Эволюция состава атмосферы отражает те изменения, которые происходили в истории Земли, в ее внешних и внутренних оболочках. На начальной стадии образования Земли ее первичная атмосфера состояла из водорода и гелия, которая затем, в результате дегазации мантии, сменилась на атмосферу, состоящую из углекислого газа, азота и водяного пара. Со временем состав атмосферы менялся. Считается, что резкое увеличение кислорода в атмосфере началось примерно 2 млрд лет тому назад, когда на планете начались процессы фотосинтеза. В последние 200 лет в изменении состава атмосферы значительная роль принадлежит человеку, его производственной деятельности.

Атмосфера разделяется на естественные слои (рис. 3.1), определяемые температурой. В нижнем слое, или тропосфере, температура в средних широтах уменьшается примерно на 1°С на каждые 160 м высоты. Выше, до высот порядка 25—30 км, идет зона почти постоянной температуры порядка 75°С — над тропиками и 60°С — над полюсами, представляющая собой основание стратосферы, а затем температура начинает возрастать, достигая значений близких к 0°С на высоте около 50 км, отвечающей верхней границе стратосферы. В следующем атмосферном слое — мезосфере — температура снова начинает уменьшаться по мере подъем, опускаясь до -100°С на вы-

Строение атмосферы

Рис. 3.1. Строение атмосферы

соте 80 км, на верхней границе мезосферы. Еще выше начинается термосфера, где температура по мере подъема вновь начинает возрастать. На высоте 600 км температура газов достигает 1500°С, их плотность здесь очень мала. В пределах мезосферы и термосферы выделяются ионизированные слои, в которых частицы газов имеют электрический заряд. В этой связи мезосферу и термосферу иногда называют ионосферой. Отмечаемое на графике повышение температуры в области стратосферы вызвано поглощением ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения в слое озона (Оз), который занимает интервал высот порядка 20—60 км.

Для понимания процессов, происходящих в атмосфере, важно знать такие характеристики воздуха, как температуру, влажность и давление. Солнечные лучи, проходя через воздух, мало нагревают его, поэтому основное тепло воздух получает от подстилающей поверхности — земной или водной. Каждой температуре воздуха соответствует предельное количество пара, которое может в нем содержаться — чем выше его температура, тем больше в нем пара. Если пара поступает больше, он конденсируется. Атмосферное давление равняется давлению атмосферного воздуха на земную поверхность в данном месте, т.е. равно весу вышележащего столба воздуха. С высотой давление убывает. На уровне моря давление в среднем составляет 760 мм рт. ст., или 1013,25 гПа. Однако давление может изменяться не только при изменении высоты, но и при изменении температуры или влажности воздуха. Причиной перепадов давления в атмосфере является в основном неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности Земли и ее нагрев. Уже при разнице давления в 2,5 мм рт. ст. начинается перемещение воздуха, возникают воздушные потоки и ветер.

Из-за вертикальной гравитационной неустойчивости, когда более легкий воздух оказывается ниже тяжелого, возникают конвективные движения (конвекция). Легкий нагретый воздух поднимается вверх, а поток холодного воздуха опускается вниз, образуя воздушный поток. В высоких слоях атмосферы этот воздух растекается и над местом с повышенной температурой возникает область пониженного давления, а там, куда устремляется воздух, образуется зона повышенного давления.

Ветер — перемещение масс воздуха преимущественно в горизонтальном направлении из области высокого атмосферного давления в область с низким давлением. Чем больше градиент давления, тем выше скорость ветра. В районах с высокой температурой образуются восходящие конвективные воздушные потоки и атмосферное давление здесь ниже. И, наоборот, там, где температура ниже, атмосферное давление более высокое и токи воздуха нисходящие. Таким образом, ветер у земной поверхности дует из области высокого давления в область низкого давления, а на высоте — в противоположном направлении. Поднимаясь, воздух попадает в те слои атмосферы, где давление ниже. Он расширяется, вследствие чего охлаждается, возрастает его относительная влажность, поэтому при охлаждении воздух может достигнуть точки насыщения, в результате образуются облака.

Причиной формирования воздушных потоков является неравномерный нагрев участков земной поверхности и возникающие при этом перепады давления. На полюсах Земли, где постоянно холодно, возникают устойчивые области высокого давления, а на экваторе, где практически всегда жарко, — низкого. Восходящий поток воздуха на экваторе, создает здесь область низкого давления, в то время как на полюсах, где наблюдается нисходящий поток — высокого (рис. 3.2).

На картину глобального перемещения воздушных масс накладывается эффект вращения Земли: вступает в действие ускорение Кориолиса. Из-за вращения Земли массы воздуха, растекающиеся в верхних слоях тропосферы от экватора, постепенно отклоняются в Северном полушарии вправо, а в южном — влево. На широтах 30—35° их движение становится параллельным экватору, и дальше им заворачивать некуда, так как подпирает идущий от экватора воздух. В этих местах создаются области высокого давления, отделенные от приполярных максимумов зонами относительного понижения давления.

Таким образом, в глобальном плане, кроме областей высокого давления вблизи полюсов и области низкого давления вблизи экватора, обусловленных температурным режимом Земли, возникают области высокого и низкого давления, связанные с характером движения воздушных масс. Ветры, дующие к экватору в Северном полушарии отклоняются вправо и из северных превращаются в северо-восточные; аналогично в Южном полушарии они становятся юго-восточными. Эти постоянно дующие ветры называют пассатами. Ветры, дующие в сторону средних широт, под действием вращения Земли в конечном счете превращаются в западные.

Для формирования катастрофических атмосферных явлений имеет значение только тот слой воздушной оболочки Земли, который непосредственно прилегает к ее поверхности, т.е. слой, называемый тропосферой. Ураганные ветры, интенсивные ливни и грозы, сильные снегопады и метели, экстремальные температуры и т.п. нередко являются причинами значительных разрушений и человеческих жертв.

Кроме глобального перемещения огромных масс воздуха, в нем происходят многообразные движения меньшего масштаба, связанные с разными причинами: неравномерным распределением на Земле материков и океанов, их сложными очертаниями, наличием рельефа и т.п. Именно с движениями такого масштаба связаны формирование воздушных вихрей разных размеров и энергетических классов, образование дождевых и грозовых облаков, т.е. процессов, отвечающих за состояние атмосферы, а точнее, тропосферы в данный момент в данном месте.

Циркуляция воздушных масс в нижних слоях атмосферы [66]

Рис. 3.2. Циркуляция воздушных масс в нижних слоях атмосферы [66]:

а — направления ветра из зон высокого и низкого давления; б — общая циркуляция атмосферы: В — области высокого давления; Н — области низкого давления

Как уже отмечалось ранее, перепады атмосферного давления в горизонтальном направлении приводят к перемещению воздушных масс из областей с высоким давлением к областям с низким давлением. Обширные, диаметром в несколько сотен, а то и тысяч километров, области пониженного и повышенного давления, называемые, соответственно, циклонами и антициклонами (рис. 3.3), могут создаваться в связи с неравномерностью прогрева поверхности Земли, занятой материками и океанами. Кроме того, на процесс формирования таких областей существенное влияние оказывает влажность воздуха (воздух над океанами, как правило, содержит больше влаги, чем над материками).

Схема движения воздуха

Рис. 3.3. Схема движения воздуха:

1 — в циклоне; 2 — в антициклоне [72]

В циклонах ветры направлены к центру, но под действием ускорения Кориолиса, связанного с вращением Земли, они отклоняются в Северном полушарии по направлению против часовой стрелки, в южном — по часовой (рис. 3.4).

Таким образом, при наличии центров низкого и высокого давлений с окружающими их замкнутыми изобарами вокруг этих центров образуются круговые (вихревые) потоки воздуха. Они представлены вихрями различных размеров. В вихре, вращающемся вокруг центра низкого давления, воздух смещается к центру, при этом скорость ветра увеличивается. В верхней тропосфере возникают горизонтальные ветры, направленные по спирали от центра циклона. Они выносят к его периферии воздушные массы, захваченные циклоном. Антициклоны характеризуются нисходящими токами воздуха. Ветры в антициклонах вблизи поверхности направлены от центра, но отклоняющее воздействие вращения Земли приводит к тому, что в Северном полушарии они закручиваются

Движение воздуха

Рис. 3.4. Движение воздуха:

1 — в Северном полушарии; 2 — в Южном полушарии

по часовой стрелке, а в Южном — против. Метеорологические природные опасные явления представлены атмосферными вихрями, экстремальными температурами, атмосферными осадками и т.д.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >