Загальна циркуляція атмосфери - студопедія
В атмосфері формуються повітряні потоки різного масштабу. Вони можуть охоплювати всю земну кулю, а по висоті - тропосферу і нижню стратосферу, або впливати тільки на обмежену ділянку території. Повітряні потоки забезпечують перерозподіл тепла і вологи між низькими і високими широтами, заносять вологу всередину континенту. За площею поширення виділяють вітри загальної циркуляції атмосфери (ОЦА), вітри циклонів і антициклонів, місцеві вітри. Головною причиною утворення вітрів є нерівномірний розподіл тиску по поверхні планети.
Тиск. Атмосфера тисне на земну поверхню (повітря має вагу, це довів на початку 18 ст. Галілей, а значить він повинен чинити тиск на всі предмети, що знаходяться на поверхні Землі). Тиск на кожен см 2 поверхні на рівні океану одно 1033,3 м Нормальне атмосферний тиск - вага атмосферного стовпа перетином 1 см 2 на рівні океану при 0 0 С на 45 0 широти, воно врівноважується стовпчиком ртуті в 760 мм. Нормальний атмосферний тиск дорівнює 760 мм ртутного стовпа або 1013,25 мб. Тиск в СІ вимірюється в паскалях (Па): 1 мб = 100 Па. Нормальний атмосферний тиск дорівнює 1013,25 гПа. Найнижче тиск, яке спостерігалося на Землі (на рівні моря), 914 гПа (686 мм); найвище - 1067,1 гПа (801 мм).
Тиск з висотою знижується, так як потужність вишележащего шару атмосфери зменшується. Відстань в метрах, на яке треба піднятися або опуститися, щоб атмосферний тиск змінився на 1 гПа, називається барической щаблем. Барична щабель на висоті від 0 до 1 км становить 10,5 м, від 1 до 2 км - 11,9 м, 2-3 км - 13,5 м. Величина барической ступені залежить від температури: з підвищенням температури вона збільшується на 0 , 4%. У теплому повітрі барическая щабель більше, отже, теплі області атмосфери у високих шарах мають більший тиск, ніж холодні. Величина зворотна барической ступені називається вертикальним баричним градієнтом - це зміна тиску на одиницю відстані (за одиницю відстані приймається 100 м).
Тиск змінюється в результаті переміщення повітря - його відтоку з одного місця і припливу в інше. Рух повітря обумовлено зміною щільності повітря (г / см 3), що виникають в результаті нерівномірного нагрівання підстильної поверхні. Над однаково нагрітою поверхнею з висотою тиск поступово знижується і ізобаричної поверхні (поверхні, проведені через точки з однаковим тиском) розташовуються паралельно один одному і підстильної поверхні. В області підвищеного тиску ізобаричної поверхні звернені опуклістю вгору, в області зниженого - вниз. На земній поверхні тиск показується за допомогою изобар - ліній, що з'єднують точки з однаковим тиском. Розподіл атмосферного тиску на рівні океану, зображене за допомогою изобар, носить найменування баричного рельєфу.
Тиск атмосфери на земну поверхню, його розподіл в просторі і зміна в часі називається баричним полем. Області високого і низького тиску, на які розчленована баричне поле, називаються баричними системами.
До замкнутим баричним систем відносяться барические максимуми (система замкнутих ізобар з підвищеним тиском в центрі) і мінімуми (система замкнутих ізобар зі зниженим тиском у центрі), до незамкнутим - барические гребінь (смуга підвищеного тиску від баричного максимуму всередині поля зниженого тиску), улоговина ( смуга зниженого тиску від баричного мінімуму всередині поля підвищеного тиску) і сідловина (незамкнута система изобар між двома баричними максимумами і двома мінімумами). В літературі зустрічається поняття «барическая депресія» - пояс зниженого тиску, всередині якого можуть бути замкнуті барические мінімуми.
Стійкі області підвищеного та зниженого тиску, на які розпадається баричне поле біля поверхні землі, називають центрами дії атмосфери. Існують території, над якими протягом року тиск зберігається постійним (переважають барические системи одного типу, або максимуми, або мінімуми), тут формуються постійні центри дії атмосфери:
-Алеутська мінімум (помірні широти СП);
-Ісландський мінімум (помірні широти СП) - від мінімуму відходить улоговина низького тиску в бік полярного кола між Норвегією і Шпицбергеном;
-зона зниженого тиску помірних широт ЮП (приантарктических пояс зниженого тиску);
-субтропічні зони високого тиску СП:
Азорский максимум (Північно-Атлантичний максимум)
Гавайський максимум (Північно-Тихоокеанський максимум)
-Південно-Тихоокеанський максимум (ю-зап. Ю.Амерікі)
-Південно-Атлантичний максимум (антициклон о. Св. Олени)
-Південно-Індійський максимум (антициклон о. Маврикій)
Сезонні барические системи утворюються в тому випадку, якщо тиск сезонний змінює знак на зворотний: на місці баричного максимуму виникає баричний мінімум і навпаки. До сезонних баричним систем відносяться:
-річний Південно-Азіатський мінімум з центром близько 30 0 пн.ш. (997 гПа) та
-зимовий Азіатський максимум з центром над Монголією (1036 гПа)
-річний Мексиканський мінімум (Північно-Американська депресія) - 1012 гПа і
-зимовий Північно-Американський і Канадський максимуми (1020 гПа)
Вітер. Горизонтальний баричний градієнт. Рух повітря в горизонтальному напрямку називається вітром. Вітер характеризується швидкістю, силою і напрямком. Швидкість вітру - відстань, яке проходить повітря за одиницю часу (м / с, км / год). Сила вітру - тиск, який чиниться повітрям на майданчик в 1 м 2. розташовану перпендикулярно руху. Сила вітру визначається в кг / м 2 або в балах за шкалою Бофорта (0 балів - штиль, 12 - ураган).
Швидкість вітру визначається горизонтальним баричним градієнтом - зміною тиску (падіння тиску на 1 гПа) на одиницю відстані (100 км) в сторону зменшення тиску і перпендикулярно ізобарах. Крім барометрического градієнта на вітер діють обертання Землі (сила Коріоліса), відцентрова сила і тертя.
Сила Коріоліса відхиляє вітер вправо (в ЮП вліво) від напрямку градієнта. Відцентрова сила діє на вітер в замкнутих барических системах - циклони і антициклонах. Вона спрямована по радіусу кривизни траєкторії в сторону її опуклості. Сила тертя повітря об земну поверхню завжди зменшує швидкість вітру. Тертя позначається в нижньому, 1000-метровому шарі, званому шаром тертя. Рух повітря при відсутності сили тертя називається градієнтним вітром. Метод найшвидшого вітер, що дме уздовж паралельних прямолінійних изобар, називається геострофічних. уздовж криволінійних замкнутих ізобар - геоціклострофіческім. Наочне уявлення про повторюваність вітрів певних напрямків дає діаграма «роза вітрів».
Відповідно до баричним рельєфом існують такі зони вітрів:
1. приекваторіального пояс штилів (вітри порівняно рідкісні, так як панують висхідні руху сильно нагрітого повітря);
2. зони пасатів північної та південної півкуль;
3. області затишшя в антициклонах субтропічного пояса високого тиску (причина - панування низхідних рухів повітря);
4. в середніх широтах обох півкуль - зони переважання західних вітрів;
5. в приполярних просторах вітри дмуть від полюсів в сторону барических депресій середніх широт, тобто тут звичайні вітри зі східної складової.
Загальна циркуляція атмосфери (ОЦА) - система повітряних потоків планетарного масштабу, що охоплює всю земну кулю, тропосферу і нижню стратосферу. В циркуляції атмосфери виділяють зональні і меридіональні переноси. До зональним переносам, що розвиваються в основному в субширотном напрямку, відносяться:
- західний перенос, панівний на всій планеті у верхній тропосфері і нижній стратосфері;
- в нижній тропосфері, в полярних широтах - східні вітри; в помірних широтах західні вітри, в тропічних і екваторіальних широтах - східні;
- струменеві течії, що розвиваються над фронтальними зонами у верхній тропосфері.
До меридіональним переносам відносяться мусони тропічних-екваторіальних широт і внетропических широт.
ОЦА складається під впливом нерівномірного розподілу сонячної радіації, дії сили Коріоліса і неоднорідності підстильної поверхні.
При надходженні сонячної радіації на однорідну не обертається Землю в верхній частині тропосфери виникло б рух повітря від екватора до полюса, у підстильної поверхні - від полюса до екватора. Справді, повітря на екваторі в приземному шарі атмосфери сильно прогрівається. Тепле і вологе повітря піднімається вгору, обсяг його зростає, і у верхній тропосфері виникає високий тиск. У полюсів через сильний охолодження приземних шарів атмосфери повітря стискається, обсяг його зменшується і нагорі тиск падає. Отже, в верхніх шарах тропосфери виникає перетікання повітря від екватора до полюсів. Завдяки цьому маса повітря у екватора, а значить, і тиск у підстильної поверхні зменшуються, а на полюсах зростає. У приземному шарі починається рух від полюсів до екватора. Висновок: сонячна радіація формує меридіональну складову ОЦА.
На однорідної обертається Землі діє ще сила Коріоліса. Нагорі сила Коріоліса відхиляє потік в СП вправо від напрямку руху, тобто із заходу на схід. У ЮП рух повітря відхиляється вліво, тобто знову з заходу на схід. Тому вгорі (у верхній тропосфері і нижній стратосфері, в інтервалі висот від 10 до 20 км тиск зменшується від екватора до полюсів) відзначений західний перенос, він відзначений для всієї Землі в цілому. Загалом, рух повітря відбувається навколо полюсів. Отже, сила Коріоліса формує зональний перенос ОЦА.
Внизу у підстильної поверхні рух більш складне, впливає неоднорідна подстилающая поверхню, тобто розчленування її на материки і океани. Утворюється складна картина основних повітряних потоків. Від субтропічних поясів високого тиску повітряні потоки оттекают до екваторіальній депресії і в помірні широти. У першому випадку утворюються східні вітри тропічних-екваторіальних широт. Над океанами завдяки постійним баричним максимумів вони існують цілий рік - пасати - вітри екваторіальних провінцій субтропічних максимумів, що постійно дмуть тільки над океанами; над сушею простежуються не всюди і не завжди (перерви викликаються ослабленням субтропічних антициклонів через сильний прогріву і переміщення в ці широти екваторіальній депресії). В СП пасати мають північно-східний напрямок, в ЮП - південно-східне. Пассат обох півкуль сходяться поблизу екватора. В області їх збіжності (внутрішньотропічна зона конвергенції) виникають сильні висхідні потоки повітря, утворюються купчасті хмари і випадають зливові опади.
Вітровий потік, що йде в помірні широти від тропічного поясу підвищеного тиску, формує західні вітри помірних широт. Вони посилюються в зимовий час, так як над океаном в помірних широтах розростаються баричні мінімуми, збільшується баричний градієнт між баричними мінімумами над океанами і баричними максимумами над сушею, отже, збільшується і сила вітрів. В СП напрямок вітрів південно-західне, в ЮП - північно-західне. Іноді ці вітри називають антипасатів, але генетично вони з пасатами не пов'язані, а є частиною загальнопланетарного західного переносу.
Східний перенесення. Де переважають вітри в полярних широтах є північно-східні в СП і південно-східні - в ЮП. Повітря переміщається від полярних областей підвищеного тиску в бік пояса зниженого тиску помірних широт. Східний перенесення представлений також пасатами тропічних широт. Поблизу екватора східний перенос охоплює майже всю тропосферу, і західного переносу тут немає.
Аналіз по широкій основних частин ОЦА дозволяє виділити три зональних незамкнутих ланки:
-полярне: в нижній тропосфері дмуть східні вітри, вище - західний перенос;
-помірне ланка: в нижній і верхній тропосфері - вітри західних напрямків;
-тропічне ланка: в нижній тропосфері - східні вітри, вище - західний перенос.
Струменеві течії - вітри ураганної сили, що дмуть над фронтальними зонами у верхній тропосфері і нижній стратосфері. Особливо яскраво вони виражені над полярними фронтами, швидкість вітру досягає 300-400 км / ч через великі градієнтів тиску і розрідженості атмосфери.
Меридіональні переноси ускладнюють систему ОЦА і забезпечують междушіротний обмін теплотою і вологою. Головними меридіональними переносами є мусони - сезонні вітри, що змінюють влітку і взимку напрямок на протилежне. Виділяють мусони тропічні і внетропические.
В освіті внетропических мусонів провідну роль відіграє термічний контраст між сушею і морем. Тут мусони виникають між сезонними антициклонами і депресіями, одні з яких лежать на материку інші на океані. Так, зимові мусони на Далекому сході наслідком взаємодії антициклону над Азією (з центром в Монголії) і постійної Алеутской депресії; річний - наслідок антициклону над північною частиною Тихого океану і депресії над внетропической частиною Азіатського материка.
Позатропічні мусони найкраще виражені на Далекому Сході (включаючи Камчатку), в Охотському морі, в Японії, на Алясці і узбережжі Північного Льодовитого океану.
Одне з головних умов прояви мусонної циркуляції - відсутність циклонічної діяльності (над Європою і С. Америкою мусонних циркуляція відсутня внаслідок інтенсивності циклонічної діяльності, вона «змивається» західним переносом).