Давление и ветер Воздух окружающий Землю

Давление и ветер • Воздух, окружающий Землю, имеет вес и поэтому оказывает давление на земную поверхность. атмосферным давлением называется • Нормальным давление столба ртути высотой 760 мм сечением в 1 м 2 при температуре 0 С на уровне моря на широте 45. Оно равно ≈1013 г. Па* или мб Для измерения давления используется ртутный чашечный барометр на стационарах и барометр-анероид в полевых условиях. • Давление атмосферы непрерывно изменяется по вертикали и в горизонтальном направлении. По мере увеличения высоты места давление понижается, так как уменьшается столб воздуха и его

• Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 г. Па, называется барической (барометрической) ступенью. У земной поверхности при давлении 1000 г. Па и температуре 0 С барическая ступень равна 8 м на 1 г. Па. (около 10 м на 1 мм рт. ст. ) С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает. • Величина, обратная барической ступени, – вертикальный барический градиент – изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 С и давлении 1000 мб этот градиент равен 12, 5 г. Па.

• Величина давления изображается на картах с помощью изобар. Это линии, соединяющие точки с равным давлением (точнее – это линии равного давления). Повышенное давление Пониженное давление 1 • В горизонтальном направлении воздух всегда перемещается из области с повышенным давлением в область с пониженным давлением по перпендикуляру (нормали) к изобарам. • Направление меняется под действием силы Кориолиса. В Северном полушарии движущийся воздух отклоняется вправо от нормали, в Южном – влево. Отклонение начинается на некотором расстоянии от экватора и угол увеличивается с широтой. Это имеет существенное значение для формирования циркуляции воздуха в атмосфере.

• Разность давления определяется величиной изменения давления по нормали (перпендикулярно) к изобарам в сторону низкого давления на расстояние 111 км (длина 1° меридиана) или на 100 км (г. Па/100 км). Эта величина называется горизонтальным барическим градиентом. • Расстояние, в пределах которого давление изменяется на одну единицу (миллиметр ртутного столба, миллибар, гектопаскаль и т. п. ), называется горизонтальной барической ступенью. • Чем больше градиент, тем меньше ступень (изобары на карте сгущаются) и наоборот, при малых градиентах ступень растягивается (изобары разрежены).

• В результате разницы давлений возникает движение воздуха – ветер. • Ветер – движение воздуха в горизонтальном направлении вдоль земной поверхности. Его характеристики – скорость и направление. • На скорость ветра влияют два условия: величина горизонтального барического градиента и трение. Чем больше градиент, тем сильнее ветер Трение уменьшает скорость ветра, поэтому на высоте ветер всегда сильнее, чему отчасти способствует и меньшая плотность воздуха. Это особенно ощущается в верхней тропосфере и в горах.

• Направление ветра определяется по той стороне горизонта откуда он дует. Оно зависит от трёх условий: направления горизонтального барического градиента, отклоняющей силы вращения Земли и трения. Ветер всегда первоначально направлен по нормали к изобарам, но при его движении сразу проявляется действие отклоняющей силы вращения Земли. Из-за этого происходит отклонение ветра вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. Отклонение сильнее при больших скоростях и увеличивается от экватора к полюсам. В приземном слое тропосферы его почти наполовину уменьшает трение, которое больше на суше из-за неровностей поверхности, меньше над морями и океанами.

• Для этого от центральной точки проводят 8 или 16 линий (соответственно сторонам горизонта) и откладывают на них отрезки, длина каждого из которых пропорциональна повторяемости ветров соответствующего направления (в процентах к длительности описываемого периода). Концы отрезков соединяют ломаной линией. В центре диаграммы указывают повторяемость штилей в процентах.

Можно сформулировать простые правила, которые называют «законами ветра» • Ветер всегда дует из области повышенного в сторону пониженного давления. • При этом он отклоняется от первоначального направления вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. • Чем больше разница в давлении, тем сильнее ветер. • Трение уменьшает и скорость, и отклонение ветра от начального направления. • Если встать спиной к ветру – область повышенного давления находится сзади и левее, а пониженного – впереди и правее вас. Все ветры делятся на ветры общей циркуляции атмосферы и местные ветры.

• Важно понять как связано изменение давления у поверхности Земли с разным её нагреванием. • Если воздух тёплый, он менее плотный и более лёгкий, барическая ступень больше, а в холодном плотном воздухе она меньше. 1008 мб 1009 мб 1010 мб 1011 мб 1012 мб 1013 мб 1008 мб 1011 мб 1012 мб 1009 мб 1010 мб 1011 мб 1012 мб А 1013 мб Воздух притекает, давление повышается Воздух оттекает, давление понижается Воздух притекает, давление повышается А – воздух нагревается барическая ступень увеличивается.

• При повышении температуры воздух над поверхностью начинает растекаться в стороны. На его место поступает воздух снизу, возникает восходящий поток, развивается конвекция. У поверхности воздух стекается, компенсируя отток в центре низкого давления. Возникает круговорот. 1006 мб 1014 мб 1009 мб 1012 мб 1006 мб 1014 мб • Отклоняющая сила вращения Земли заставляет поток воздуха закручиваться в Северном полушарии против часовой стрелки, возникает вихрь – циклон. • Циклон – восходящий вихрь, проявляющийся в нижних слоях атмосферы 1012 мб 1014 мб областью пониженного давления с системой ветров от периферии к центру против часовой стрелки в Северном полушарии.

1009 мб 1006 мб 1009 мб 1010 мб 1014 мб 1012 мб 1014 мб По подобной схеме формируется и антициклон – нисходящий вихрь с повышенным давлением в центре и системой ветров от центра к периферии по часовой стрелке в Северном и против часовой стрелки в Южном полушарии. 1012 мб

• Из схемы, объясняющей формирование восходящего потока следует, что конвекция продолжается пока нагревающийся воздух остаётся более теплым (а значит менее плотным) по отношению к воздуху, который его окружает. Рассмотрим условия поддерживающие конвекцию. (См следующий слайд - № 13) • Если вертикальный температурный градиент в окружающем воздухе больше адиабатического, (левый столбец) температура в поднимающемся воздухе остаётся выше, чем в окружающем. Если градиент меньше (правый столбец), температура уже на небольшой высоте в поднимающемся воздухе становится ниже, чем в окружающем. • Конвекция прекращается также и в слое инверсии, т. к поднимающийся воздух становится холоднее окружающего.

Высота м Температура t°С t°С 500 м 17, 5°С 21, 0°С 22, 5°С 400 м 19, 0°С 21, 5°С 23, 0°С Уровень конденсации К=0, 5°С ---------------------- 23, 5°С 300 м 20, 5°С 200 м 22, 0°С 23, 0°С 24, 0°С 100 м 23, 5°С 24, 0°С 24, 5°С 0 м 25, 0°С Градиент К= 1, 5°С Градиент К= 1, 0°С Градиент К= 0, 5°С 22, 0°С

• Восходящее движение происходит лишь в том случае, если поднимающийся воздух теплее окружающего. • Если адиабатический поднимающегося воздуха температурный меньше градиент вертикального температурного градиента окружающего воздуха (левый столбец на рисунке), то на всех уровнях он будет всё теплее и теплее, а значит, легче его, и подъём воздуха будет происходить с ускорением. Такое состояние атмосферы называется неустойчивым, при нем активно развивается конвекция.

• Если адиабатический температурный градиент поднимающегося воздух больше вертикального температурного градиента окружающего воздуха (правый столбец на рисунке), то уже на небольшой высоте он окажется холоднее окружающего воздуха и начнет опускаться. Конвекция не развивается. Такое состояние атмосферы называется устойчивым. • Вертикальный барический градиент зависит не только от температуры, но и от абсолютной влажности (влажный воздух легче и менее плотный, чем сухой*). Возникает тот же эффект – состояние атмосферы становится влажнонеустойчивым. ___________________________ * Согласно закону Авогадро в равных объемах различных газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул, а молекулы воды имеют вес меньший, чем молекулы азота и кислорода – основных (≈99%) газов воздуха.

• Воздушные массы – крупные объёмы воздуха тропосферы, обладающие относительно однородными физическими свойствами (температурой, влажностью, прозрачностью). Их размеры – тысячи километров по горизонтали, вплоть до тропопаузы – по вертикали, то есть они соизмеримы с большими частями материков и океанов. • Воздушные массы не абсолютно однородны во всех своих частях, но более или менее длительно сохраняют свою индивидуальность при перемещении из одних районов в другие. По скорости перемещения они делятся на местные (малоподвижные) и движущиеся. • Процесс изменения свойств воздушных масс при перемещении называется трансформацией. Друг от друга воздушные массы отделяются фронтальными зонами, которые образно называют «температурными водоразделами» .

• Фронтальная зона – переходная область, в пределах которой быстро изменяются в пространстве свойства воздушной массы. Она образуется на территориях, где встречаются воздушные массы с разными свойствами. Ширина этой полосы гораздо меньше горизонтальных размеров самих воздушных масс. Линия пересечения фронтальной поверхности с поверхностью Земли называется линией фронта (кратко – фронтом). • Фронт – это, прежде всего «температурный водораздел» , но он также разделяет воздух с разной влажностью. При прохождении фронта меняется и давление, поэтому здесь усиливается ветер, изменяется его направление, выпадают осадки. • При перемещении воздушные массы постоянно встречаются, образуя фронтальные зоны. В зависимости от того, какая из двух встречающихся воздушных масс активнее ( «наступает» ), движущиеся фронты подразделяются на тёплые и холодные.

• Тёплый фронт образуется при натекании тёплого воздуха на холодный. Линия фронта в этом случае перемещается в сторону холодной воздушной массы. В поднимающемся тёплом воздухе в результате охлаждения возникает вереница облаков восходящего скольжения (от нижнего до верхнего яруса по мере удаления от линии фронта). Перед линией фронта из слоисто-дождевых облаков выпадают обложные осадки. После прохождения тёплого фронта температура повышается, давление уменьшается, ветер ослабевает и изменяется его направление.

• Холодный фронт образуется, если активнее холодный воздух. Он клином подтекает под тёплый, вытесняя его вверх. Такой фронт называется холодным и движется в сторону тёплого воздуха. Он может быть медленным и быстрым. • При медленном фронте (или 1 -го рода) после его прохождения образуются слоисто-дождевые облака, дающие осадки, и система других облаков восходящего скольжения. Облачность постепенно уменьшается (облака «поднимаются» ), температура понижается, давление растёт, ветер меняет направление. Медленный холодный фронт (I– го рода)

• При быстром фронте (II-го рода) картина другая. Перед его прохождением происходит взбрасывание тёплого воздуха (за счёт резкого внедрения клина холодного воздуха в тёплый), образуются мощные кучево-дождевые облака с выпадением ливней, часто с грозами. Поднимается сильный ветер. После прохождения фронта температура резко снижается. • Изредка явление взбрасывания на фронтальном разделе тёплого морского воздуха наблюдается и зимой. Тогда из кучево-дождевых облаков идёт «ливневый» снег в виде густо падающих хлопьев (снег «валит» ). Иногда снегопад даже сопровождается грозовым разрядом. Быстрый холодный фронт (II – го рода)

• Наиболее часто воздушные массы встречаются в областях пониженного давления – циклонах. Их называют областями сходимости (конвергенции) воздушных масс. • На схеме строения циклона видно, как формируются погоды на фронтах и как они меняются при прохождении циклона.

• В циклоне сходятся воздушные массы с разными свойствами: тёплые и холодные, влажные и сухие, возникают фронты, проходящие через центр циклона. В передней части, наступает тёплый воздух, натекает на холодный, образуется тёплый фронт, в тыловой части наступает холодный воздух, подтекает под тёплый, формируется холодный фронт. По обе стороны от линии фронта располагаются тёплые и холодные воздушные массы, в них создаётся разное давление. Перепад давления вызывает ветер, который тем сильнее, чем больше разница в температуре и соответственно – в давлении.

ТВ ХВ ХВ • При движении циклона холодный фронт обычно движется активнее и постепенно догоняет тёплый. В результате смыкаются две холодные массы, а тёплый воздух оказывается над ними. Формируется так называемый фронт окклюзии. В зависимости от того, какая из холодных масс имеет более низкую температуру он может развиваться по типу тёплого или холодного фронта. В любом случае в таком циклоне наблюдается инверсия, мешающая конвекции. Циклон затухает и постепенно рассасывается.

По физическим свойствам различают четыре типа воздушных масс: арктические (антарктические) – АВ, воздушные массы умеренных широт – ВМУШ (ВУШ), называемые по международной классификации полярными – ПВ, тропические – ТВ и экваториальные – ЭВ. Три первых типа подразделяются на подтипы – континентальные и морские. • к. АВ формируется над льдами Арктики и Антарктиды; обладает крайне низкими температурами, малым влагосодержанием, большой прозрачностью. • м. АВ образуется над периодически замерзающими морями Арктики и вокруг Антарктиды; его температуры несколько выше, влагосодержание – больше, прозрачность – меньше;

• к. ПВ (к. ВУШ) формируется над умеренными широтами Евразии и Северной Америки; его свойства меняются в течение года: летом он тёплый, довольно влажный, прозрачность средняя, зимой – холодный, влагосодержание невелико, прозрачность большая; • м. ПВ (м. ВУШ) образуется над незамерзающими морями и океанами, температуры его положительны даже зимой, хотя летом выше, он влажный и мало прозрачный; • к. ТВ формируется над тропическими пустынями и полупустынями; он жаркий, особенно летом, сухой и малопрозрачный из-за пыли; • м. ТВ образуется над океанами в барических максимумах; его температура ниже, влагосодержание больше, прозрачность средняя; • ЭВ образуется в полосе пониженного давления вдоль экватора над океанами и влажными экваториальными лесами; обладает весь год высокими довольно ровными температурами, большой влажностью и из-за этого малой прозрачностью.

• Названия даны в зависимости от территории или акватории, над которой они образовались. Эту классификацию по праву называют и генетической (по происхождению), и географической (по месту образования), так как в ней учитываются зональные радиационные условия и характер подстилающей поверхности. • Свойства воздушных масс зависят от места образования, при их перемещении в место с другими условиями происходит изменение свойств – трансформация. Движущиеся воздушные массы постоянно трансформируются

• Наибольшим разнообразием воздушных масс отличаются умеренные широты. Здесь в циклонах и антициклонах часты вторжения АВ, которые называют «волнами холода» , и ТВ, которые называют «волнами тепла» . Они особенно часты в переходные сезоны. • Зимой приток тёплого воздуха вызывает оттепели. Показательна в этом отношении зима 2006 -2007 годов (декабрь и две первые декады января), когда в Москве продолжительность положительных температур воздуха (до +5°С) побила все рекорды столетней давности. 11 января 2007 года температура в течение суток поднималась до +8, 6°С (данные метеостанции на ВВЦ).

• Узкие переходные фронтальные зоны между основными географическими типами воздушных масс, называются главными климатологическими фронтами. • Между АВ и ПВ (ВУШ) фронт называют арктическим (антарктическим), между ПВ и ТВ – полярным. • Обычно главные фронты проходят в широтном направлении, причём относительно холодный воздух располагается в более высоких широтах. • Между м. ПВ и к. ПВ часто образуются полярные фронты второго порядка. • Фронтальные зоны не образуют непрерывных поясов, они делятся на ветви.

Зима Северного полушария На карте показано среднее многолетнее положение главных климатологических фронтов: арктических – чёрным цветом, полярных – зелёным цветом, зон конвергенции, (схождения) ТВ с разными свойствами и ЭВ – красным цветом.

• Вдоль фронтальных разделов возникают огромные атмосферные волны, приводящие к формированию вихрей – циклонов и антициклонов – с разными типами погод. В циклонах воздушные массы встречаются (сходятся) и образуют вышеописанные фронтальные типы погод. В антициклонах воздушные массы растекаются, и погода обычно ясная. • В течение года на Земле возникает несколько сотен мощных атмосферных вихрей – циклонов и антициклонов, существующих обычно в течение нескольких суток. Но более или менее они стабильны в определённых районах Земли. Там, где в течение года (или сезона) преобладают антициклоны, выявляются барические максимумы, а там, где доминируют циклоны – барические минимумы.

• Экваториальный пояс пониженного давления (ложбина, депрессия) существует весь год, смещаясь вслед за Солнцем то в Северное, то в Южное полушария вплоть до тропиков над материками. Здесь летом возникают сезонные барические минимумы: Южно-Азиатский с Сахарской ложбиной и Мексиканский – в Северном полушарии, Южно-Американский, Южно-Африканский и Австралийский – в Южном.

• Субтропические пояса высокого давления хорошо выражены зимой, когда сюда постоянно приходят антициклоны из умеренных широт. Летом высокое давление сохраняется лишь над океанами (над нагретой сушей в этих широтах господствует низкое давление). Таким образом области постоянно высокого давления существуют здесь только над океанами: Северо. Тихоокеанский, Северо-Атлантический, Южно-Тихоокеанский, Южно-Атлантический и Южно-Индийский максимумы. В течение года они несколько смещаются и разрастаются то к северу, то к югу – в сторону летнего полушария ( «вслед за Солнцем» ).

• Над незамерзающими океанами давление зимой низкое. В Атлантике существует Исландский минимум с двумя ложбинами над тёплыми течениями – одна до Карского моря, другая до моря Баффина, в Тихом океане – Алеутский минимум. • В умеренных и субполярных широтах барическая ситуация сложнее. В Южном полушарии над океанскими просторами вокруг Антарктиды в течение всего года существует пояс низкого давления в виде цепочки обособленных барических минимумов. • В умеренных и субполярных областях Северного полушария летом обнаруживается сплошная полоса пониженного давления (циклон идёт за циклоном, лишь иногда сменяясь антициклонами).

• Зимой над охлаждёнными материками формируются максимумы: обширный Азиатский с двумя гребнями-отрогами – на северовосток до Чукотки и на запад до Украины (ось Воейкова), и меньший по площади и по величине давления – Северо. Американский (Канадский). • В полярных областях постоянно существуют Антарктический и Гренландский максимумы над ледовыми щитами и немного меньший по величине – Арктический максимум над Азиатским сектором Северного Ледовитого океана. • Все перечисленные области повышенного и пониженного давления оказывают большое влияние на циркуляцию атмосферы и тем самым на климат и погоду. Их взаиморасположение определяет основные пути перемещения воздушных масс. Поэтому их называют центрами действия атмосферы.

(отрог Азиатского)