 |
Движение характеризуется скоростью - вектором, имеющим величину и направление.
|
|
|
|
Под направлением ветра в атмосфере подразумевается направление, откуда он дует, в то же время направление течения в океане определяется тем, куда оно направлено. Поэтому северный ветер и северное течение направлены навстречу друг другу.
Сила, действующая на тело, может вызвать изменение его скорости, или направления движения, или же обеих этих величин. Сила также является вектором. В случае действия на тело нескольких сил полная, или результирующая, сила получается векторным сложением всех сил.
ГЕОСТРОФИЧЕСКИЙ ВЕТЕР
Как только горизонтальные градиенты давления приводят воздух в движение, начинают действовать вторичные силы. В районах, удаленных от экватора, наиболее важной для вполне установившегося движения воздуха является чаще всего сила Кориолиса. Рассмотрим частицу воздуха в северном полушарии, двигающуюся из области высокого давления в область низкого давления благодаря силе градиента давления. Предположим, что изобары представляют собой прямые линии, а трение отсутствует (рис.).
Установление геострофического ветра в северном полушарии.
Сила Кориолиса будет поворачивать частицу вправо, а сумма силы градиента давления (СГД) и силы Кориолиса (СК) будет увеличивать скорость. По мере возрастания скорости частицы сила Кориолиса, пропорциональная скорости и, также будет возрастать, а значит, будет возрастать и ее отклоняющее действие. В точке, где частица начинает двигаться перпендикулярно СГД, СК и СГД действуют в противоположных направлениях, и результирующая сила будет зависеть от того, какая из них окажется больше. Если это СГД, ускорение будет направлено влево от движения, возрастет скорость и возрастет и сила Кориолиса, что заставит частицу сместиться в обратном направлении. Если большей окажется сила Кориолиса, она заставит частицу отклониться больше вправо, ее скорость уменьшится, а значит, уменьшится сила Кориолиса, что вынудит частицу вернуться назад. В результате может установиться равновесие, если СГД остается постоянной в течение всего времени, пока частица движется перпендикулярно ей, а СК в точности равна ей по величине и противоположна по направлению. В этом случае частица не испытывает ускорения, и движение называют геострофическим. Соответствующий ветер дует параллельно изобарам так что в северном полушарии область высокого давления остается справа от него. В южном полушарии, наоборот, область высокого давления остается слева.
|
|
|
Скорость геострофического ветра Ug можно определить, приравняв величины СГД и СК:
откуда 
Например, примем градиент давления равным 1 мб на 100 км, плотность воздуха - 1,2 кг/м3. Поскольку Ω, определяемая как поворот Земли на 2π радиан за 23 час. 56 мин. (звездные сутки), равна 7,29 х 10-7/сек, то для широты φ = 30°
(Звездные сутки - это время, за которое Земля поворачивается вокруг своей оси на 360° относительно неподвижных звезд. Обычные солнечные сутки из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца на четыре минуты длиннее. 24 часа звездного времени составляют 23 ч. 56 мин. 04 сек. среднего солнечного времени).
Чтобы по синоптическим картам погоды, показывающим распределение давления в виде изобар, определить геострофическую скорость ветра Ug используется шкала, дающая зависимость скорости ветра от расстояния между изобарами. Последние обычно проводятся с интервалом в 4 мб. Поскольку соотношение между Ug и горизонтальным градиентом давления зависит от широты, шкала должна быть построена для ряда значений широты. Если это необходимо, можно учесть и возможные изменения плотности воздуха.
|
|
|
При рассмотрении понятия “геострофический ветер” основывались на двух важных предположениях: изобары являются прямыми линиями и отсутствует трение. Там, где эти предположения не верны, а также вблизи экватора, где сила Кориолиса мала, ветер отличается от геострофического.
ПРИЗЕМНЫЙ ВЕТЕР
Около поверхности Земли трение является существенным фактором, который замедляет скорость ветра. Это замедление порождает вертикальный сдвиг скорости в слое атмосферы толщиной около 500 м. В этом слое трение приводит к значительному отклонению режима движения от геострофического. Вблизи земной поверхности, если пренебречь трением со стороны вышележащего воздуха, стационарное состояние требует равновесия трех сил. Величина и направление СГД заданы, а величина и направление СК и силы трения изменяются с изменением скорости и направления ветра. Для достижения равновесия направление ветра должно составлять некоторый угол α c изобарами, а величина СК должна быть меньше величины СГД. Скорость поверхностного ветра, таким образом, меньше, чем скорость геострофического ветра.
Эта разница, равно как и угол а, зависит от условии на поверхности, над которой дует ветер. Эти условия совместно со скоростью ветра определяют величину силы трения. Поверхностный ветер измеряют, как правило, на стандартной высоте 10м. Над морем скорость ветра на этой высоте составляет обычно 2/3 от геострофической скорости Ug; а угол α равен 10-20°. Над шероховатой поверхностью скорость ветра на высоте 10 м может не достигать и 1/3 скорости геострофического ветра, а угол α будет превышать 40°. Эти поправки должны быть приняты во внимание, когда по изобарическим картам требуется определить приземный ветер.
На высотах трение вызывается различием в скоростях движения выше и нижележащих слоев воздуха, и сила трения уже не обязательно будет направлена строго против скорости ветра. Однако рассуждения, подобные вышеприведенным, остаются в силе: по мере того как трение с высотой уменьшается, направление и скорость ветра приближаются к направлению и скорости геострофического ветра.
Градиентный ветер. Циклострофический ветер.
В случае, когда изобары искривлены, геострофическое движение будет направлено по кривой и, следовательно, подвергаться воздействию центробежной силы в дополнение к силам, рассмотренным выше. Здесь возможны два случая: циклоническое движение, когда давление падает по направлению к центру кривизны (рис.а), и антициклоническое - когда давление возрастает по направлению к центру кривизны (рис. б). В обоих случаях, когда ветер дует вдоль изобар, ЦС направлена от центра кривизны.
|
|
|
Следовательно, при циклоническом движении (направление ветра против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии) ЦС действует в том же направлении, что и СК. Отсюда следует, что для достижения равновесия СК с СГД требуется меньшая СК, а значит, и меньшая скорость ветра. Этот ветер известен под названием градиентного ветра, а его величина Ugr может быть определена из уравнения:
то есть 
Рис. Равновесие сил и установление градиентного ветра (а) в циклоне и (б) в антициклоне.
В каждом из полушарий направление ветра при антициклоническом движении противоположно направлению ветра при циклоническом движении, и ЦС и СК направлены в разные стороны. Поэтому увеличение СК требует, чтобы скорость была больше чем в геострофическом случае.
Таким образом, направления градиентного ветра и геострофического ветра совпадают, а величины скоростей различны. Около поверхности, конечно, на градиентный ветер, как и на геострофический, действует сила трения, поэтому он уменьшает свою скорость и оказывается ориентированным под углом к изобарам.
Барический закон ветра. И в прямолинейных изобарах и в циклонах и антициклонах с круговыми изобарами ветер в нижних слоях атмосферы отклоняется от барического градиента на некоторый угол в северном полушарии вправо, а в южном влево. Подобное отклонение бывает и в действительных условиях атмосферы, при изобарах произвольной формы.
Отсюда следует такое положение: если встать спиной к ветру, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление — справа и несколько сзади.
|
|
|
Это положение было найдено эмпирически еще в первой половине XIX в. и носит название барического закона ветра, или закона Бейс-Балло.
В действительных условиях изобары в циклонах и антициклонах имеют неправильную форму; барические градиенты, трение и углы отклонения ветра от градиента в разных частях циклона и антициклона различны; движение происходит с ускорением и т. д. Поэтому в действительности движения воздуха сложнее, чем в упрощенных случаях равномерного движения в барических системах с круговыми изобарами, представленных на приведенных схемах.
Пассаты, муссоны и местные ветры. Уже с середины XVII в. мореплавателям были известны в общих чертах, закономерности в зональной структуре преобладающих ветров в Мировом океане. Современная наука дает объяснение этой закономерности в зональной структуре атмосферного давления по поверхности Земли.
Издавна известны морякам устойчивые в своем постоянстве или смене направлений ветры: пассаты, муссоны, бризы и др.
Пассаты — это устойчивые ветры тропиков северо-восточного в северном и юго-восточного в южном полушариях направлений, дующие на обращенной к экватору стороне субтропического центра действия атмосферы (рис. 1.4.9). Скорость пассатов невелика — в среднем 5—8 м/с у земной поверхности. Условия распределения атмосферного давления меняются в тропиках мало, поэтому пассаты обладают большой устойчивостью направления. Однако в течение сезона субтропический центр действия атмосферы может претерпевать определенные перестройки. Так, обычно над каждым океаном обоих полушарий в субтропиках формируется по одному антициклону. На ежедневных же картах погоды их может быть больше — часто два, иногда три над каждым океаном; над южной частью Тихого океана — до четырех. Вследствие этого пассаты обоих полушарий могут менять указанные выше направления. Аналогичное воздействие на направление пассатов может оказывать миграция центров субтропических антициклонов. Поэтому пассаты в одном и том же месте могут менять северо-восточное направление на восточное и юго-восточное, затем снова на северо-восточное и т. д.
Рис. Субтропические антициклоны и пассатные ветры.
Муссоны — сезонные ветры, наиболее выраженные и устойчивые в тропических широтах, возникающие из-за термической неоднородности океан—суша. Муссоны, как и все другие воздушные течения на Земле, связаны с циклонической деятельностью. Режим тропических муссонов заключается в сезонном изменении положения субтропических антициклонов и экваториальной депрессии. Устойчивость муссонов связана с устойчивым распределением атмосферного давления в течение каждого сезона, а их сезонная смена — с коренными изменениями в распределении давления от сезона к сезону. Суммарные барические градиенты резко меняют направление от сезона к сезону, а вместе с этим меняется и направление преобладающих ветров.
|
|
|
Если по обе стороны от экватора находится океан, то сезонные смещения субтропического центра действия атмосферы невелики и муссоны не получают особого развития, например над Тихим океаном.
Другое дело с материками. Над Африкой, например, атмосферное давление меняется от января к июню очень сильно. Над центральными районами Африки летом господствует область повышенного давления, а зимой — гребень азорского антициклона; над южной Африкой зимой — также антициклон, а летом — глубокая депрессия. В связи с этим направление барических градиентов над побережьем тропической Африки от сезона к сезону меняется резко в широкой зоне, что и является здесь причиной муссонных ветров.
| 
|
Рис. Муссоны над Азией - а — зимой, б — летом.
Особенно ярко выражена муссонная циркуляция в бассейне Индийского океана, где сезонные изменения температуры полушарий здесь усилены огромным материком Евразии к северу от экватора, прогретым летом и сильно охлажденным зимой. Зимний муссон в бассейне Индийского океана называют северо-восточным, а летний — юго-западным. На востоке Китая и в Корее зимний муссон — северный или северо-западный, а летний — южный или юго-восточный. Это зависит от структуры барического поля и направления изобар и, следовательно, направления барических градиентов (рис.).
БЕРЕГОВЫЕ И МОРСКИЕ БРИЗЫ.
Морские бризы наиболее вероятны в тихую погоду при безоблачном небе, когда контраст температур между сушей и морем максимален. Сила таких бризов возрастает в течение дня, к концу дня скорость ветра доходит до 10 м/с, они захватывают все большую площадь и проникают к вечеру на 50 км в глубь суши. Морские бризы несут с собой холодный и влажный воздух на сушу, где процессы атмосферной неустойчивости приводят часто к образованию кучевых облаков на продвигающемся фронте бриза.
Ночью устанавливается обратный контраст температур между сушей и морем, и горизонтальные градиенты давления и циркуляция меняют знак. Около поверхности в этом случае дует береговой бриз, который обычно намного слабее, чем морской (2-3 м/с). Чаще всего он бывает в ясные ночи, когда ветер, вызванный другими причинами, слаб. Эти условия способствуют образованию радиационного тумана, который береговой бриз несет с суши на море.
Когда начинает развиваться береговой или морской бриз, на движущийся воздух начинают действовать вторичные силы. В низких широтах сила Кориолиса, зависящая от широты, похоже, не играет большой роли в процессах с такими временными и пространственными масштабами, которые характерны для морского и берегового бризов, и поэтому между горизонтальным градиентом давления и трением устанавливается равновесие. Однако в высоких широтах сила Кориолиса становится более существенной и заставляет ветер поворачивать, так что он уже не будет строго перпендикулярен береговой линии.
ГОРНО-ДОЛИННЫЕ ВЕТРЫ
Температурные контрасты воздуха, аналогичные тем, что наблюдаются в случае морского и берегового бризов, встречаются также в горных районах. Ночью, когда вершины гор охлаждаются наиболее быстро, что приводит к сжатию воздуха, устанавливается система циркуляции, подобная береговому бризу. В этом случае, однако, наклон поверхности приводит к отеканию вниз более холодного и плотного воздуха, в результате чего скорость ветра оказывается намного больше, чем в береговом бризе. Эти горные (катабатические) ветры могут быть особенно сильными, если горы покрыты снегом или льдом, а также, если ветер дует в узких ледниковых расщелинах или фьордах, как, например, в Гренландии. Горные ветры или ветры, имеющие такую составляющую, часто характерны для определенных районов и имеют свои, местные названия. Так, в бассейне Адриатического моря горный ветер, дующий с северо-востока и чаще всего зимой, известен под названием бора. Мистраль, дующий в долине Роны и над Лионским заливом, связан с наличием горизонтального градиента давления с северо-запада на юго-восток, но значительно усиливается благодаря местному горному ветру. Когда такие ветры достигают моря, они, будучи холодными и сухими, вызывают охлаждение воды и увеличивают испарение. Это приводит к увеличению плотности воды, что в свою очередь порождает конвективное перемешивание воды, действующее наряду с механическим турбулентным перемешиванием.
В летние дни горы, в особенности их склоны, обращенные к солнцу, нагреваются сильнее, чем соседние долины. Это приводит к установлению циркуляции, подобной морскому бризу, со слабым долинным (анабатическим) ветром, направленным вверх по склону. При этом над вершинами и хребтами гор развивается конвективная облачность.
Бора— сильный и порывистый ветер, дующий с невысоких гор в сторону теплого моря. Бора относится к так называемым катабатическим ветрам, связанным со стоком холодных плотных воздушных масс по склонам гор в сторону моря.
Ветры, подобные Новороссийской и Новоземельской боре, известны во многих других морях Мирового океана: Бакинский норд на Каспийском море, мистраль — на Средиземноморском побережье Франции, нортсер — в Мексиканском заливе (Мексика, США) и др.
Причиной боры является прохождение холодного фронта через прибрежные хребты. Холодный воздух резко переваливает через невысокие горы (особенно ветер усиливается на перевалах) и низвергается плотным потоком в сторону близкого теплого моря.
В проливах, узкостях, фиордах при плавании вдоль берегов, у мысов, оконечностей островов и пр. могут быть особенности ветрового режима, связанные с береговым (угловым) эффектом. Подобно об этих особенностях изложено в гидрометеорологических очерках лоций.
|
|
|
