Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Циркуляция атмосферы

Голосов: 1

Приводятся основные сведения о системах ветра, наблюдаемых в атмосфере Земли. Рассматриваются способы исследования движений атмосферы и основные механизмы формирования наблюдаемых движений.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                        ATMOSPHERIC                   ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ
                    CIRCULATION
                                                  Й. е. тЗЦС
                                                  л‡МНЪ-иВЪВ ·Ы „ТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                    G. M. SHVED
                                                            Каждый человек имеет определенное представ-
                    Fundamental facts about              ление о циркуляции атмосферы, поскольку под
                    the wind systems observed            этим термином понимается система движений ат-
                    in the atmosphere of the             мосферы или, другими словами, система ветров и
                                                         их изменчивость в пространстве и времени. В статье
                    Earth     are    presented.          мы рассмотрим причины возникновения основных
                    Ways of studying the                 ветровых систем. Как раздел физики циркуляция
                    atmospheric motions and              атмосферы является наиболее сложным конкрет-
                                                         ным воплощением гидродинамики. Течения воды,
                    basic mechanisms for the             давшие название этой науке, проще, так как вода
                    initiation of the observed           является несжимаемой жидкостью, а газ сжимаем.
                    motions are given.                   Для понимания дальнейшего изложения важно от-
                                                         метить, что при движениях атмосферы скорость
                                                         движения, температура, давление и плотность газа
                    и Л‚У‰flЪТfl УТМУ‚М˚В                  являются взаимосвязанными, взаимозависимыми
                                                         физическими величинами.
                    Т‚В‰ВМЛfl У ТЛТЪВП‡ı ‚ВЪ-
                     ‡, М‡·О˛‰‡ВП˚ı ‚ ‡Ъ-                еЦнйСх аллгЦСйЗДзаь сакдмгьсаа
                    ПУТЩВ В бВПОЛ. к‡Т-                  з‡·О˛‰ВМЛfl
                    ТП‡Ъ Л‚‡˛ЪТfl ТФУТУ·˚                     Основным источником сведений о циркуляции
                    ЛТТОВ‰У‚‡МЛfl    ‰‚ЛКВ-               атмосферы являются наблюдения. Естественно, что
                    МЛИ ‡ЪПУТЩВ ˚ Л УТМУ‚-               исторически первыми были наземные наблюдения
                                                         вектора скорости ветра u, температуры Т и давления
                    М˚В ПВı‡МЛБП˚ ЩУ ПЛ-                 р. В дальнейшем к ним присоединились измерения
                     У‚‡МЛfl М‡·О˛‰‡ВП˚ı                  этих величин с помощью радиозондов. Ныне пото-
                    ‰‚ЛКВМЛИ.                            лок радиозондирования доходит до высоты 30 км.
                                                         Однако распределение по земному шару станций
                                                         радиозондирования крайне неравномерно. Особен-
                                                         но мало их там, где низка плотность населения.
                                                         Станций нет над огромными по площади океани-
                                                         ческими регионами. Начало эры искусственных
                                                         спутников Земли (ИСЗ) резко улучшило ситуацию
                                                         с наблюдениями движений атмосферы. ИСЗ осна-
                                                         щаются аппаратурой, способной измерять собствен-
                                                         ное радио- и инфракрасное излучение атмосферы, а
                                                         также регистрировать электромагнитное излучение
                                                         Солнца и звезд, прошедшее через атмосферу и рас-
                                                         сеянное ею. Были разработаны методы, позволяю-
                                                         щие по спутниковым наблюдениям излучения ат-
                                                         мосферы, Солнца и звезд определять температуру и
                                                         давление атмосферы. В силу связи температуры и
                                                         давления со скоростью ветра регулярные наблюде-
                                                         ния с ИСЗ позволяют судить о системе движений
                                                         атмосферы вплоть до высоты 60 км. ИСЗ позволили
                                                         наблюдать движения атмосферы не только равно-
© т‚В‰ Й.е., 1997




                                                         мерно по всему земному шару, но и фиксировать
                                                         систему движений гораздо чаще, чем с помощью
                                                         радиозондов, запускаемых четыре раза в сутки. Су-
                                                         ществуют также оригинальные наземные и спутни-
                                                         ковые методы исследования движений атмосферы,
                                                         которые позволяют решать отдельные задачи дина-
                                                         мики атмосферы Земли.


                                                  тЗЦС Й.е. сакдмгьсаь ДнейлоЦкх                              75


     г‡·У ‡ЪУ МУВ ПУ‰ВОЛ У‚‡МЛВ                              непрерывно росла бы за счет уменьшения массы га-
        При проектировании гидротехнических соору-           за в другой. Но ячейка может быть замкнутой, толь-
     жений и для анализа обтекания крупногабаритных          ко если в теплой области газ поднимается, а в холод-
     тел применяется такой эффективный метод иссле-          ной опускается.
     дования особенностей течений, как создание малых            Механизм термической конвекции формирует
     аналогов этих течений в лаборатории. Метод при-         ветровые системы, имеющие небольшие горизон-
     меняется также для изучения движений атмосферы,         тальные размеры (порядка 100 км и меньше). Из
     хотя полностью тождественную модель создать не          них наиболее известны бризы и горно-долинные вет-
     удается: атмосфера представляет собой сферическую       ры. Бризы возникают у границы раздела суша–мо-
     оболочку, тогда как в лаборатории можно создать         ре. Атмосфера над морем днем не прогревается сол-
     лишь “плоские” течения. Циркуляция атмосферы            нечным излучением так сильно, как над сушей, из-
     моделируется в цилиндрических или кольцевых со-         за эффективного отвода тепла от поверхности воды
     судах, ось которых отождествляется с осью враще-        вглубь. Поэтому днем ветер у поверхности земли ду-
     ния планеты. Часто эти сосуды вращают вокруг их         ет с моря. Ночью же атмосфера над морем теплее,
     оси, моделируя тем самым вращение планеты. Ни-          чем над сушей, поскольку запасенное в глубине
     же мы приведем примеры лабораторного моделиро-          тепло возвращается к поверхности моря. Поэтому
     вания циркуляции атмосферы.                             ночью ветер у поверхности дует с суши. Вблизи гор
                                                             ветер в течение суток тоже меняет свое направление
     уЛТОВММУВ ПУ‰ВОЛ У‚‡МЛВ                                 на противоположное. Чтобы понять причину этого,
                                                             напомним, что днем атмосфера разогревается за
         Ограниченность наблюдений движений атмо-            счет передачи в нее тепла от нагреваемой солнцем
     сферы и сложность их лабораторного моделирова-          поверхности земли. Дневное увеличение температу-
     ния привели к тому, что численное математическое        ры атмосферы тем больше, чем ближе поверхность
     моделирование с помощью компьютеров стало иск-          земли. Поэтому вблизи горы нагревание атмосферы
     лючительно важным методом исследования цирку-           сильнее, чем на той же высоте над долиной. Значит,
     ляции атмосферы. При численном моделировании            днем вблизи горы находится восходящая ветвь кон-
     шагами по времени прослеживается изменение u, Т         вективной ячейки – ветер вдоль склона горы дует из
     и р, задаваемых в узлах трехмерной пространствен-       долины. Чтобы понять ночное направление ветра,
     ной сетки. Указанные физические величины связа-         следует знать, во-первых, что охлаждение поверхно-
     ны между собой в каждом узле сетки и с этими же         сти земли осуществляется за счет инфракрасного из-
     величинами в соседних узлах уравнениями, пред-          лучения поверхности в мировое пространство, и, во-
     ставляющими законы сохранения массы и энергии           вторых, что, чем воздух ближе к поверхности, тем
     и второй закон Ньютона. Чем меньше расстояние           эффективнее он передает ей свое тепло. Таким об-
     между узлами и шаг по времени, тем точнее модели-       разом, ночью воздух вблизи горы охлаждается силь-
     руется движение. Таким образом, точность числен-        нее, чем на той же высоте над долиной. Ночью в
     ного моделирования циркуляции зависит от воз-           конвективной ячейке холодный воздух течет вниз
     можностей вычислительной техники.                       по склону горы, что называется горным ветром.
                                                                 Нельзя пройти мимо объяснения воспетого по-
     наих СЗаЬЦзав ДнейлоЦкх                                 этами явления заволакивания горных вершин об-
                                                             лаками днем и очищения их от облачности к ночи.
     нВ ПЛ˜ВТН‡fl НУМ‚ВНˆЛfl                                   Явление напрямую связано с горно-долинными ве-
         Многие наблюдаемые системы ветров представ-         трами. В основе его лежит уменьшение относитель-
     ляют собой обычную термическую конвекцию, вы-           ной влажности воздуха с высотой: чем дальше от по-
     зываемую горизонтальным перепадом температу-            верхности земли, насыщающей атмосферу водяным
     ры. Перепад температуры создает горизонтальный          паром посредством испарения, тем суше воздух.
     перепад давления. Возникает сила давления в гори-       Днем богатый водяным паром воздух из долины
     зонтальном направлении, которая, в свою очередь,        поднимается по склону горы. С высотой давление
     вызывает горизонтальное течение газа. В результате      уменьшается. Поэтому любой элемент (объем) под-
     формируется стационарное распределение давле-           нимающегося воздуха адиабатически охлаждается.
     ния и образуется замкнутая конвективная ячейка          При некотором значении температуры водяной пар
     циркуляции газа. В слое атмосферы, примыкающем          в элементах воздуха становится насыщенным – до-
     к поверхности, давление больше там, где холоднее.       стигается точка росы. На высоте, соответствующей
     Соответственно сила давления в этом слое вызыва-        этой температуре, происходит конденсация водя-
     ет течение от холодной области атмосферы к теп-         ного пара – горные вершины окутываются облака-
     лой. Выше указанного слоя давление больше там,          ми. К ночи ветер становится горным. Но сверху
     где теплее, а значит, течение газа происходит от теп-   вниз по склону течет уже сухой воздух, и горные
     лой области к холодной. Замкнутость конвективной        вершины очищаются от облаков.
     ячейки следует из условия стационарности движе-             Механизм термической конвекции также фор-
     ния: в противном случае масса газа в одной области      мирует муссоны. Муссоны являются возмущением,


76                                                              лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹3, 1997


которое вносит в циркуляцию атмосферы северно-                                        риваются в системе координат, сцепленной с враща-
го полушария гигантский евразийский материк. Ле-                                      ющейся планетой. В этой системе горизонтальные
том муссоны дуют с Индийского и Тихого океанов,                                       течения отклоняются благодаря силе Кориолиса в
а зимой – в противоположном направлении. Объ-                                         северном полушарии направо, в южном налево.
яснение возникновения муссонов такое же, как и                                        Поэтому приповерхностные течения в ячейках Хэд-
бризов, но с заменой дня на лето, а ночи на зиму.                                     ли, направленные к экватору, в обоих полушариях
    Мы подошли к рассмотрению самых мощных                                            отклоняются на запад (рис. 1). Эти течения извест-
конвективных ячеек в атмосфере Земли. Они нахо-                                       ны как постоянно дующие ветры пассаты.
дятся в северном и южном полушариях в поясе от                                           Направления вращения Земли и зональной со-
экватора до 20°–30° широты (рис. 1) и называются                                      ставляющей пассатов противоположны. (Зональ-
циркуляцией Хэдли. Эта конвекция обусловлена меж-                                     ной составляющей ветра называется составляющая
широтным перепадом температуры, возникающим                                           вдоль параллели.) В результате трения воздушного
потому, что нагревание поверхности и атмосферы                                        течения о поверхность планеты в широтном поясе
солнечным излучением растет от полюсов к эквато-                                      пассатов от Земли к атмосфере приложен постоян-
ру. Вблизи экватора воздух в обеих ячейках подни-                                     ный момент силы трения относительно оси враще-
мается. Поскольку воздух содержит много водяного                                      ния планеты (рис. 1). Плечом силы является рассто-
пара, его подъем сопровождается образованием                                          яние поверхности до оси вращения. Непрерывное
мощных кучево-дождевых облаков, имеющих вид                                           действие данного момента силы должно было бы
башен. Одновременно на земном шаре около эква-                                        раскрутить атмосферу так, что она, получив вторую
тора существует 1500–5000 таких башен высотой до                                      космическую скорость, диссипировала бы в миро-
19 км. При конденсации водяного пара в этих обла-                                     вое пространство. То, что атмосфера, однако, суще-
ках выделяется много тепла – теплота парообразо-                                      ствует, означает, что на широтах выше 30° в обоих
вания. Она идет на дополнительный разогрев атмо-                                      полушариях к атмосфере от вращающейся Земли
сферы вблизи экватора, что значительно усиливает                                      приложен момент силы трения противоположного
циркуляцию Хэдли.                                                                     знака, который замедляет вращение атмосферы и
    Тело, движущееся по инерции в инерциальной                                        равен по абсолютной величине моменту силы зоны
системе отсчета, при переходе к вращающейся сис-                                      пассатов. Чтобы существовал момент силы, замед-
теме координат представляется движущимся по                                           ляющий вращение атмосферы, зональная составля-
криволинейной траектории. Этот эффект отклоне-                                        ющая приповерхностного ветра выше 30° широты в
ния от прямолинейного движения описывается во                                         среднем должна быть направлена с запада на вос-
вращающейся системе координат как действие на                                         ток. Другими словами, на средних широтах атмо-
тело силы Кориолиса. Движения атмосферы рассмат-                                      сфера должна вращаться быстрее Земли, что и под-
                                                                                      тверждено наблюдениями. Но указанная зональная
                                                                         Ячейка       составляющая может быть получена благодаря от-
                                             Направление                 циркуляции   клоняющему действию силы Кориолиса на поток
                                              вращения                   Ферелла      воздуха, текущий от низких широт к высоким. По-
                                               Земли
                                                                                      стоянное существование такого потока свидетельст-
                                                                                      вует, что в каждом полушарии на средних широтах
                                                                                      существует ячейка циркуляции Ферелла, в которой воз-
Ячейки циркуляции Хэдли




                                                                                      дух циркулирует в направлении, противоположном
                                                  30°с.ш.                             тому, которое наблюдается в ячейке Хэдли (рис. 1).
                                                                                      Поскольку в ячейках Ферелла приповерхностное
                                     П   А    С      С       А   Т   Ы                течение направлено от теплых низких широт к хо-
                                               Экватор
                                                                                      лодным высоким широтам, циркуляция в них не яв-
                                              С     С       А    Т   Ы                ляется термической конвекцией. Это вынужденная
                                    П    А
                                                                                      конвекция, возникающая в результате сложной са-
                                                  30° ю.ш.
                                                                                      морегулировки движений атмосферы. Течения,
                                                                                      связанные с ячейками Ферелла, не наблюдаются так
                                                                                      явно, как пассаты, так как они замаскированы
                                                                                      сильной циклонической активностью атмосферы, о
                                                                                      которой будет рассказано ниже.
                                             АТМОСФЕРА
                                                                         Ячейка          В поясе широт 20°–30° в результате циркуляции
                                                                         циркуляции   в ячейках Хэдли и Ферелла происходит опускание
                                                                         Ферелла      воздуха. К земной поверхности, таким образом, по-
                                                                                      ступает верхний сухой воздух. Поэтому не случай-
                          Рис. 1. Система конвективных ячеек межширот-                но, что в этом же широтном поясе находятся пусты-
                          ной циркуляции воздуха в атмосфере Земли, соот-
                          ветствующие ячейкам приповерхностные ветры
                                                                                      ни южного полушария в Южной Америке, Африке
                          (черные стрелки) и направление силы трения атмо-            и Австралии и северного полушария в Северной
                          сферы о поверхность планеты (красные стрелки)               Америке, Африке и Аравии. Великие пустыни Азии


тЗЦС Й.е. сакдмгьсаь ДнейлоЦкх                                                                                                               77


     смещены к 30°–40° широты. Это объясняется воз-        ван только в случае достаточно большого сдвига
     мущением идеализированной системы циркуляции          скорости течения.
     атмосферы, которое вносится гигантской Евразией.          Аналогично возникновение макровихрей в атмо-
                                                           сфере происходит в результате потери устойчивости
     е‡Н У‚Лı Л                                            воздушных потоков, характеризуемых большим
         В атмосфере существуют гигантские вихревые        сдвигом ветра. При этом протяженность потоков
     движения газа – макровихри. Это хорошо извест-        должна быть много больше размера макровихрей.
     ные циклоны средних и высоких широт с характер-       Выше было показано, что межширотные течения в
     ным размером ∼ 2000 км и тропические циклоны с        конвективных ячейках благодаря действию силы
     характерным размером ∼ 200 км. Вихревые движе-        Кориолиса получают зональную составляющую ве-
     ния атмосферы вызваны потерей устойчивости по-        тра, называемую далее зональным ветром. На рис. 1
     тока. Наиболее известный пример этого гидроди-        видно, что, во-первых, поток воздуха вдоль парал-
     намического явления – турбулизация ламинарного        лели является протяженным, так как обходит всю
     течения жидкости или газа.                            планету, во-вторых, поток имеет сдвиг, поскольку
         Объясним качественно явление потери устойчи-      зональный ветер меняет знак с изменением широ-
     вости потока на примере турбулизации ламинарно-       ты. Зональные потоки могут иметь сильные сдвиги
     го течения со сдвигом (рис. 2). Под сдвигом понима-   ветра не только в меридиональном, но и в верти-
     ется изменение скорости течения в направлении,        кальном направлении. Большие вертикальные сдви-
     перпендикулярном потоку. В потоке может возник-       ги ветра возникают в струйных течениях атмосфе-
     нуть флуктуация движения, в результате которой        ры, огибающих Землю вдоль параллели. На осях
     элемент (объем) среды около точки А начинает дви-     струй, находящихся вблизи высоты 12 км, скорость
     гаться перпендикулярно потоку. Через какое-то         зонального ветра доходит зимой до 60 м/с. Для
     время элемент приходит в точку В. В нее элемент       сравнения укажем, что в тропосфере – нижнем слое
     приносит с собой то значение скорости потока, ко-     атмосферы до высоты примерно 15 км – характер-
     торое он имел в точке А. Тем самым он возмущает       ная скорость ветра равна 10 м/с.
     исходный поток в точке В. В силу неразрывности            Циклоны средних и высоких широт возникают
     среды движение элемента приводит к смещению           при потере устойчивости зонального потока со
     соседних с ним элементов среды, которые занима-       сдвигом. Лабораторные эксперименты позволяют
     ют места, освобождающиеся по мере движения эле-       наглядно в этом убедиться (рис. 3). Однако потеря
     мента. Соседние же элементы среды, смещаясь, вы-      устойчивости потока дает лишь “зародыш” цикло-
     зывают движение элементов, их окружающих, и т.д.      на. Образовавшись, зародыш живет по своим зако-
     В результате весь поток оказывается возмущенным,      нам. Циклон сначала усиливается – происходит
     турбулизованным: на поток со сдвигом накладыва-       дальнейшее уменьшение давления в его центре и
     ется система хаотизированных, случайных движе-        увеличение скорости ветра, а затем деградирует.
     ний, которая выглядит как система соседствующих       Время жизни циклона от возникновения до исчез-
     друг с другом вихрей. Молекулярная вязкость сре-      новения 3–4 суток. Разгон воздушной массы в уси-
     ды, однако, тормозит движение элементов. Чтобы        ливающемся циклоне происходит за счет перехода в
     начальная флуктуация заданной силы все же смогла      кинетическую энергию потенциальной и тепловой
     турбулизовать поток, исходный элемент, прежде         энергии атмосферы, запасаемой в результате нерав-
     чем он будет остановлен вязким трением, должен        номерного (увеличивающегося от полюсов к эквато-
     успеть дойти до такой точки В, в которой скорость     ру) нагревания атмосферы солнцем. Направленная к
     потока существенно отлична от скорости в точке А.     центру циклона сила давления приводит к тому, что в
     Но это означает, что поток может быть турбулизо-      слое, примыкающем к поверхности, ветер имеет со-
                                                           ставляющую, направленную туда же. Сила Корио-
            y     Скорость
                  течения                                  лиса отклоняет движение элементов воздуха вправо
                                                           в северном полушарии и влево в южном. Поэтому
                                           B               траектории элементов воздуха в указанном слое ат-
                                                           мосферы представляют собой сходящиеся к центру
                                                           циклона спирали.
                             Начальная                         Системе циклонов сопутствуют антициклоны –
                             скорость
                             поперек                       области повышенного давления. В антициклонах
                             потока                        ветер слабее, чем в циклонах, так как существует
                                      A
                                                           физический запрет на его увеличение. Система
            O                                  x           циклонов и антициклонов, находящихся на разных
                                                           стадиях жизни и двигающихся в зональном потоке с
        Рис. 2. Возникновение возмущений в ламинар-        запада на восток, в основном определяет погоду
        ном потоке жидкости или газа со сдвигом скоро-
        сти течения. Течение параллельно оси x. Сдвиг
                                                           средних и высоких широт. Как правило, горизон-
        изображен векторами скорости течения, меняю-       тальное распределение давления выглядит более
        щими свою длину с координатой y                    хаотизированным, чем на рис. 3.


78                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹3, 1997


  а                                                 в


                                                                              560
                                                                               552
                                                                               544
                                                                                504
                                                                   А            528
                                                                                520
                                                                                 512
  б                                                                               504
                                                         Ц
                                                                                       Ц

                                                                                                   Ц




                                                                                                   520
                                                                          2
                                                                         51
                                                                              Ц
                                                                                               А




                                                               5124
                                                                   Ц



                                                                50
                                                                                   А
                                                             5280




                                                                                                       50 2
                                                              52
                                                                                                   Ц




                                                                                                        51 0
                                                                                                         4

                                                                                                         52
                                                                                   Ц
                                                                                  512
                                                                                  520
                                                                                  528

                                                                                                               А


                                                               А

   Рис. 3. Пример лабораторного моделирования возникновения внетропических циклонов в жидкости, заключен-
   ной в цилиндрический сосуд: а – схема установки. Диски в дне и крышке сосуда вращаются в сторону, противопо-
   ложную вращению самого сосуда, что создает в жидкости течение со сдвигом вдоль радиуса; б – вид течения в
   сосуде сверху в случае возмущения течения цепочкой шести вихрей; в – распределение давления в южном полу-
   шарии на высоте 5 км, который демонстрирует также шесть глубоких циклонов. Числа при изобарах – давление в
   гектопаскалях, Ц – циклон, А – антициклон

   В отличие от циклонов средних и высоких ши-               ние (рис. 4). Прежде всего это чередование сжатия и
рот тропические циклоны – явление относительно               разрежения, приводящее к колебаниям плотности ρ
редкое. За год над океанами в тропиках возникает             и соответственно объема элемента. Именно это
и движется в сторону высоких широт всего около               происходит при распространении звука. Однако
50 тропических циклонов. Энергия ветра, доходя-              звук является высокочастотным колебанием, так
щего до 110 м/с, черпается из теплоты парообразо-            что при его распространении не успевают вовле-
вания, выделяемой при конденсации водяного пара              каться другие механизмы, свойственные низкочас-
в сопровождающих тропический циклон ливневых                 тотным атмосферным колебаниям. На элемент газа
облаках. Циклон усиливается и существует до тех              в атмосфере всегда действует сила, направленная в
пор, пока требуемое количество водяного пара до-             сторону уменьшения давления. В спокойном состоя-
ставляется стягивающимися к его центру припо-                нии вертикальная составляющая этой силы, извест-
верхностными потоками воздуха. Когда циклон вы-              ная как сила Архимеда, компенсируется силой тя-
ходит на сушу или оказывается над относительно               жести, а горизонтальная – силой Кориолиса. При
холодным океаном внетропических широт, то осла-              нарушении баланса компенсирующих друг друга
бевает испарение, обогащающее воздух водяным                 сил происходит колебание элемента соответственно
паром, и циклон затухает.                                    в вертикальном и горизонтальном направлениях: то
                                                             одна, то другая сила становится больше по абсолют-
ЗУОМ˚                                                        ной величине. Таким образом, при распространении
    Ветер, температура, давление и плотность в ат-           низкочастотных атмосферных волн появляются
мосфере испытывают колебания с периодами от ча-              сильные колебания скорости газа в вертикальном и
са до многих суток. Причиной колебаний являются              горизонтальном направлениях, а элемент газа дви-
распространяющиеся в атмосфере волны. Рассмот-               жется по замкнутой траектории (рис. 4).
рим физические механизмы, действующие на каж-                    С подъемом вверх в движениях атмосферы преоб-
дый элемент газа, вовлеченный в волновое движе-              ладающим становится ветер, который периодически


тЗЦС Й.е. сакдмгьсаь ДнейлоЦкх                                                                                     79


     меняет свое направление. Это объясняется распро-      сти ветра. В нестационарном процессе скорость
     странением вверх атмосферных волн, генерируе-         ветра и перепад давления обычно меняются несогла-
     мых в нижней атмосфере. Если волна распростра-        сованно, так что происходит разбалансировка сил
     няется без диссипации (не теряет своей энергии), то   давления и Кориолиса. Излучением волны равнове-
     сохраняется ее энергия в единице объема. Эту энер-    сие восстанавливается. Циклоническая активность в
     гию можно представить как кинетическую, ρ0υ2 /2,      тропосфере является постоянным источником волн,
     где ρ0 – плотность атмосферы на рассматриваемой       наблюдаемых в более высоких слоях атмосферы.
     высоте, а υ – амплитуда скорости движения газа в
     волне на той же высоте. Из постоянства ρ0υ2 /2 сле-   Планетарные волны, вынуждаемые постоянно
     дует, что уменьшению ρ0 с высотой соответствует       действующим периодическим источником
     увеличение υ. Например, значение ρ0 падает пример-
     но в 106 раз от поверхности Земли к высоте 100 км.       Имеются два типа таких волн: приливы и эквато-
     Если источник волны близок к поверхности и здесь      риальные волны.
     υ = 1 см/с, то к 100 км значение υ увеличится            В приливном движении участвует вся атмосфера,
     примерно до 10 м/с. Таким образом, волны, не-         а его источник находится вне атмосферы. В атмо-
     различимые внизу на фоне турбулентных движе-          сфере, как и в океанах, существует лунный прилив с
     ний атмосферы, вверху становятся доминирую-           периодом в половину лунных суток (12 ч 25 мин). Он
     щими системами ветра.                                 вызван бегущим вдоль параллели возмущением си-
                                                           лы тяжести Земли, создаваемым Луной. Но лунный
        В атмосферах существуют три типа волновых
                                                           прилив даже в верхней атмосфере не обеспечивает
     движений.
                                                           скоростей ветра, превышающих 10 м/с. Гораздо
                                                           сильнее в атмосфере солнечный прилив. Уже к вы-
     Волны от локальных источников                         соте 100 км связанные с ним ветры достигают ско-
         Наиболее ярким примером такой волны являет-       рости порядка 20 м/с. Солнечный прилив обуслов-
     ся ударная волна, возникающая от сильного локаль-     лен возмущением атмосферной температуры из-за
     ного увеличения давления в результате разогрева га-   суточной периодичности солнечного нагревания
     за при быстром сгорании взрывчатого вещества.         атмосферы. Возмущение давления, вызываемое воз-
     Один из источников звука в атмосфере – это тоже       мущением температуры, движется за солнцем вдоль
     излучение волн от случайных локальных возмуще-        параллели и создает волны, распространяющиеся в
     ний давления, непрерывно возникающих в турбу-         зональном и вертикальном направлениях. Кроме ес-
     лизованной атмосфере. Излучением волны возму-         тественного периода приливных волн, равного 24 ч,
     щение давления ликвидируется. Низкочастотные          не менее сильными являются волны с периодом в
     атмосферные волны создаются в результате разба-       половину солнечных суток 12 ч. Исходной причи-
     лансировки сил, которая обусловлена нестационар-      ной появления полусуточного прилива является на-
     ными (меняющими свои параметры) движениями,           личие достаточно сильной 12-часовой гармоники в
     например такими, как циклоны. Взаимокомпенса-         солнечном нагревании атмосферы.
     ция сил нарушается во всем объеме, занимаемом            Амплитуда экваториальных волн спадает от эк-
     нестационарной системой движения. Рассмотрим,         ватора так быстро, что выше 20° широты северного
     к примеру, горизонтальные силы. Сила давления за-     и южного полушарий волны уже неощутимы. Эква-
     висит от горизонтального перепада давления в атмо-    ториальные волны распространяются вдоль парал-
     сфере. А сила Кориолиса пропорциональна скоро-        лели и по вертикали. Возмущения температуры, да-
                                                           ющие начало волнам, возникают из-за выделения
                           Сила                            теплоты при конденсации водяного пара в тропичес-
                          Архимеда                         ких кучево-дождевых облаках, уже упомянутых нами
                                                           ранее. Волны генерируются благодаря определен-
                                                           ным закономерностям в пространственном распре-
         Горизонтальная
         сила                          Сила                делении этих облаков и их появлении.
         давления                    Кориолиса

                                                           Свободные колебания
                                                              Любой механической системе свойственны сво-
                                                           бодные колебания. Чтобы возбудить свободное ко-
                                        Траектория
                                                           лебание, достаточно очень слабого периодического
                           Сила
                          тяжести       движения           внешнего воздействия с частотой, близкой к часто-
                                        элемента           те свободного колебания. Это явление называется
                                        газа
                                                           резонансом. Атмосфера является механической
                                                           системой с большим набором частот свободных
        Рис. 4. Схема колебательных движений элемента
        газа в атмосфере и действующих на него сил.
                                                           колебаний. Свободному колебанию атмосферы
        Штриховой линией изображено изменение объе-        определенной частоты (также и приливной волне)
        ма элемента газа в процессе колебания              соответствует своя специфическая зависимость


80                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹3, 1997


амплитуды колебания от широты. Свободные коле-
бания атмосферы реализуются в виде волн Россби,
которые распространяются вдоль параллели. Амп-
литуда волн Россби может быть столь велика, что
эти волны наряду с циклонами участвуют в форми-
ровании погоды на средних и высоких широтах.
Наиболее интенсивными оказываются волны с пе-
риодами около 2, 4, 5, 10 и 16 суток.

нВ˜ВМЛfl ‡ЪПУТЩВ ˚, „ВМВ Л ЫВП˚В ‚УОМ‡ПЛ
    Известен эффект давления света, когда электро-
магнитная волна, будучи поглощена телом, переда-
ет ему свой импульс. Таким образом, поглощение
света равнозначно действию на тело силы, ускоряю-
щей его движение. Аналогичный эффект передачи
импульса от атмосферной волны при ее диссипации
                                                        Рис. 5. Лабораторный эксперимент в кольцевом
(поглощении) существует в атмосфере. Импульс            сосуде с жидкостью, подтверждающий механизм
волны передается самой атмосфере. В результате          возникновения квазидвухлетних осцилляций зо-
диссипирующая волна ускоряет газ, создавая атмо-        нального ветра в тропической нижней стратосфе-
сферные течения. Некоторые особенности цирку-           ре как попеременное действие экваториальных
ляции верхней атмосферы обусловлены указанным           волн, распространяющихся в противоположных
                                                        направлениях. Дно сосуда состоит из сегментов.
эффектом. Особенно примечательны квазидвухлет-          Каждый сегмент колеблется в противофазе по от-
ние осцилляции (КДО) зонального ветра в тропиче-        ношению к ближайшим соседним сегментам, что
ской стратосфере. КДО представляют собой ветры,         создает стоячую волну. Стоячая волна с периодом
дующие в слое 20–40 км с максимальной скоростью         τ представляет собой две волны того же периода,
                                                        распространяющиеся навстречу друг другу:
20–30 м/с и испытывающие изменение направле-
                                                        A cos ---- cos nϕ = - cos  ---- – nϕ + - cos  ---- + nϕ ,
                                                              2πt           A       2πt          A       2πt
ния с западного на восточный и обратно с “плаваю-              ---
                                                                τ
                                                                            -
                                                                            2      τ
                                                                                     ---
                                                                                              2
                                                                                                 -
                                                                                                        τ
                                                                                                          ---
                                                                                                                  
щим” периодом от 22 до 34 месяцев. Смена направ-        где А – амплитуда стоячей волны, t – время, ϕ –
ления ветра происходит постепенно сверху вниз.          азимутальный угол, n – число длин волн, уклады-
КДО объясняются передачей импульса атмосфере            вающихся вдоль окружности сосуда. Возбуждае-
от экваториальных волн. Существуют экваториаль-         мая движением дна стоячая волна генерирует в
                                                        жидкости вращательное движение, которое меня-
ные волны, распространяющиеся и на восток, и на         ет направление с периодом много больше τ. При
запад. Периодичность ветра возникает потому, что        этом уровень нулевой скорости вращения пере-
примерно год доминирует передача импульса от            мещается по вертикали с постоянной скоростью
волн, распространяющихся на восток, и около года
от волн, распространяющихся на запад. Опыт в         кЦдйеЦзСмЦеДь ганЦкДнмкД
кольцевом сосуде с жидкостью делает механизм            1. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. М.: Мир,
возникновения КДО наглядным (рис. 5).                   1986. Т. 1. 399 с.; Т. 2. 416 с.
                                                        2. Голицын Г.С. Введение в динамику планетных атмо-
                                                        сфер. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 104 с.
бДдгыуЦзаЦ                                              3. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М. : Мир, 1978.
   Первопричиной всех движений атмосферы яв-            532 с.
                                                        4. Динамика климата / Под ред. С. Манабе. Л.: Гидро-
ляется усвоение ею и поверхностью Земли солнеч-         метеоиздат, 1988. 575 с.
ной энергии. А характер системы ветров и их сила        5. Курганский М.В. Введение в крупномасштабную ди-
определяются как распределением солнечного на-          намику атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 168 с.
гревания по поверхности планеты и в толще атмо-         6. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции
сферы (с учетом разных механизмов переноса теп-         атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 260 с.
лоты), так и пространственными особенностями            7. Монин А.С. Теоретические основы геофизической
охлаждения атмосферы и поверхности их собствен-         гидродинамики. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 424 с.
                                                        8. Чепмен С., Линдзен Р. Атмосферные приливы. М.:
ным инфракрасным излучением. В свою очередь,            Мир, 1972. 296 с.
основные особенности нагревания и охлаждения
атмосферы зависят от распределения материков по                            * * *
земному шару, газового состава атмосферы и степе-       Густав Моисеевич Швед, доктор физико-ма-
ни ее запыленности. Изменение указанных факто-       тематических наук, профессор кафедры физики
ров за время существования земной атмосферы при-     атмосферы физического факультета Санкт-Пе-
водило соответственно к сильным изменениям в         тербургского государственного университета, ру-
системе ветров. Происходящие антропогенные из-       ководитель сектора средних и верхних планетных
менения газового и аэрозольного состава атмосферы    атмосфер НИИФ СПбГУ. Автор более 70 научных
также могут отразиться на циркуляции атмосферы.      работ и одного учебного пособия.



тЗЦС Й.е. сакдмгьсаь ДнейлоЦкх                                                                                          81



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика