Яндекс.Метрика

Атмосфера земли

Поступающая на Землю солнечная энергия затрачивается на поддержание движения воздуха- циркуляцию атмосферы. Этой же энергией порождаются происходящие в атмосфере различные процессы. Циркуляцией атмосферы осуществляется обмен больших масс воздуха по горизонтали и вертикали. Если бы температура воздуха зависела только от притока лучистой энергии солнца, то в высоких широтах земли было бы намного холоднее, а в экваториальной зоне и тропиках- значительно теплее. Объясняется это тем, что при горизонтальной циркуляции теплый воздух из низких широт поступает в средние и высокие широты, а холодный - из Арктики и Антарктики-в низкие широты, причем характерно это не только у поверхности земли, но и на высотах.
В формировании погоды большую роль играют и вертикальные движения воздуха. С подъемом воздух охлаждается, происходит конденсация водяного пара, образование облаков и осадков, а с опусканием его, наоборот, нагревание, рассеяние облаков и прекращение осадков.
К основным крупномасштабным атмосферным движениям относятся воздушные течения. Они обусловлены разностью температур между различными широтами. Неравномерное распределение на земном шаре солнечной радиации-главная причина атмосферной циркуляции. Под влиянием создающихся разностей температуры по горизонтали, а соответственно и давления воздуха возникает ветер. Под действием вращения Земли вокруг своей оси ветер отклоняется от направления градиента давления вправо на 90° в северном полушарии и влево-в южном полушарии. Поэтому вне слоя трения, т.е. выше одного километра, движение воздуха происходит не в направлении градиента температуры и давления-от экватора к полюсам, а с запада на восток.
Диапазон всех видов атмосферных движений велик-от мощных воздушных течений, простирающихся на многие тысячи километров, до небольших вихрей. Среди них особенно важное значение имеет крупномасштабная циркуляция атмосферы. К ней относятся циркуляция воздуха в системе крупнейших атмосферных вихрей-циклонов и антициклонов, струйные течения, пассаты, муссоны. Совокупность этих основных видов воздушных течений составляет общую, или планетарную, циркуляцию атмосферы. Эти крупномасштабные виды движения воздуха играют важную роль в формировании погоды и климата Земли. Более мелкие по масштабам движения, такие, как шквалы, бризы, горно-долинные ветры, смерчи и другие, имеют местное значение.
Особенности атмосферной циркуляции изучаются уже более двух столетий. Однако наиболее эффективные исследования ведутся в последние три-четыре десятилетия, когда стали доступны измерения в атмосфере с помощью радиозондов и метеорологических ракет. За последние 10-15 лет существенную помощь в этом оказывают и искусственные метеорологические спутники Земли. Анализ наблюдений на высотах позволяет установить не только характерные особенности строения атмосферы, но и физические закономерности движения воздуха и атмосферных процессов с помощью численного их моделирования.
Физико-математическая модель - это система уравнений, описывающая исследуемую систему с тем или иным приближением Точное их решение почти неосуществимо, так как общая циркуляция атмосферы обусловлена очень большим числом взаимодействующих факторов. Поэтому такая теоретическая модель атмосферной циркуляции включает прежде всего перечисленные выше главные факторы, т. е. величину притекающей солнечной энергии, угловую скорость вращения Земли, отражательную способность поверхности земли и др. Численное решение заданной физической системы, полученное для выбранной теоретической модели, и есть численный эксперимент.
Метод численных экспериментов в метеорологии применялся еще в 30-х годах. Однако этот метод стал эффективным после появления электронно-вычислительных машин (ЭВМ). И все-таки даже с помощью современных ЭВМ нельзя учесть действие огромного числа факторов, оказывающих влияние на общую циркуляцию атмосферы.
Численные эксперименты должны помочь количественно определять влияние различных факторов на развитие крупномасштабных процессов. С решением этой важнейшей задачи связаны разработка методов долгосрочных прогнозов погоды и изыскание возможностей искусственного воздействия на атмосферные процессы для улучшения погоды и климата. Однако математические трудности решения уравнений применительно к метеорологии вынуждают производить упрощения. В результате неточно воспроизводятся процессы в реальной атмосфере.
Для усовершенствования физико-математических моделей крупномасштабных процессов необходимы более обширные знания о действительной циркуляции атмосферы. В связи с этим производятся широкие исследования атмосферной циркуляции до высот 60-80 км, т.е. в тропосфере, стратосфере и нижней мезосфере.
Известно, что воздух в тропосфере (до 10-16 км высоты) нагревается от поверхности земли, а в стратосфере - непосредствен-
но от солнечной радиации. Зимой в условиях полярной ночи в высоких широтах происходит охлаждение воздуха в тропосфере и стратосфере. В результате в обеих сферах устанавливается западный перенос, который с высотой, как правило, усиливается. Если на высотах 2-3 км скорость ветра в среднем достигает 0-11 м/сек, то на высотах 8-12 км превышает 30-40 м/сек. Такие и даже большие скорости воздушных течений характерны и для стратосферы на высотах 40- 50 км.
С переходом от полярной ночи к полярному дню воздух в высоких широтах начинает нагреваться. Поэтому к лету разности температур между экватором и полюсом уменьшаются. Однако в тропосфере высоких широт все так же осуществляется западный перенос, но уже с несколько меньшими скоростями, чем в холодное полугодие. В то же время в стратосфере устойчивые воздушные течения направляются с востока на запад. Объясняется это тем, что в условиях полярного дня воздух в стратосфере высоких широт интенсивно нагревается и возникает так называемый циркумполярный антициклон. С его формированием условия изменяются. Горизонтальный градиент давления из района полюса бывает направлен в сторону, умеренной зоны и низких широт, и устанавливается восточная циркуляция. Лишь в сентябре, в связи с окончанием полярного дня, начинается охлаждение воздуха, антициклон разрушается и в стратосфере восстанавливается западный перенос.
Таким образом, в соответствии с сезонными радиационными условиями возникает основная форма атмосферной циркуляции- западный и восточный перенос в тропосфере и стратосфере.
Зональная циркуляция непрерывно нарушается. В разных долготах Земли возникает циркуляция воздуха вдоль меридиана. Так как в низких широтах находится теплый воздух, а Арктика и Антарктика являются холодильниками, то даже при небольших меридиональных течениях теплые и холодные массы воздуха встречаются в умеренных широтах. В этих случаях горизонтальные градиенты температуры в районах встречи интенсивно возрастают, воздушные течения деформируются, и возникают крупнейшие атмосферные вихри - циклоны и антициклоны. Так развиваются мощные меридиональные процессы во внетропических широтах Земли.
От характера циркуляции воздуха зависит и погода. Аномально теплая погода в средней полосе Европы и Западной Сибири вызвана хорошо выраженным западным переносом воздуха со стороны Атлантики. Наоборот, сильные морозы на Европейской территории бывшего СССР обусловлены переносом воздушных масс почти вдоль меридианов. При такой циркуляции в Западную Европу обычно проникает теплый воздух с севера Африки и Средиземного моря, а в это время в Восточной Европе происходит вторжение холода из Арктики.
В районах преобладания циклонов всегда пасмурная с осадками погода, а в системе антициклонов- чаще ясная погода. Облачность в качестве заслона предохраняет поверхность Земли от охлаждения в зимние месяцы. Поэтому сильные морозы формируются в системе антициклонов зимой.
Летом иначе. При циклоничности наблюдается теплая с осадками погода, а при антициклонах-жаркая погода.
Такие атмосферные процессы обычны на территории Азии, Европы и Америки ежегодно. Однако в некоторые годы аномально теплая или чрезмерно холодная погода длится долго-в течение одного и даже 2-3 месяцев. В частности, в зимние месяцы 1974-1975 гг. над всей Европой и в западных районах Азии стояла теплая погода. Подобная теплая погода наблюдается один раз за ряд десятилетий. Прогнозировать такие аномалии метеорологи еще не умеют, но над этой проблемой работают ученые многих стран.

 
  • Комментарии отсутствуют