Atmosfera i njeno kretanje. Shema, opis

Zemlja je okružena debelim slojem zraka – atmosferom. S visinom zrak postaje sve razrijeđeniji, manje gust. Na površini Zemlje, na razini mora, jedan kubični metar zraka teži oko 1,3 kilograma na 0 stupnjeva; a na nadmorskoj visini od 25 kilometara iznad površine zemlje kubični metar zraka teži već više od trideset puta manje.

Iako debljina Zemljine atmosfere doseže stotine kilometara, ali u usporedbi s volumenom globusa, ona nije nimalo velika.

Donji sloj atmosfere, u rasponu od 9 do 18 kilometara iznad površine Zemlje, naziva se troposfera. Ovaj sloj sadrži više od 3/4 težine zraka. Gornji slojevi nazivaju se stratosfera i ionosfera.

Zrak, kao i svi predmeti, ima težinu; silno pritišće Zemlju i sve koji na njoj žive; ova sila na površini Zemlje jednaka je približno jednom kilogramu za svaki kvadratni centimetar površine tijela.

Tlak zraka postupno opada s visinom. Ali čak i na površini Zemlje, kao što ćemo kasnije vidjeti, atmosferski tlak nikada nije konstantan, on se uvijek mijenja.

Tlak zraka jednak tlaku koji na 0 stupnjeva vrši živin stupac visok 760 milimetara naziva se normalni atmosferski tlak. Taj je tlak jednak 1,0336 kilograma po kvadratnom centimetru.

U meteorologiji se tlak zraka obično mjeri u milibarima. Jedan milibar približno je jednak pritisku koji vrši jedan gram na površinu jednog kvadratnog centimetra. Normalni atmosferski tlak je oko 1000 milibara.

Meteorologija je znanost o atmosferi i pojavama koje se u njoj događaju, uglavnom fizičke. U užem smislu, to je znanost o vremenu i njegovim promjenama.

Atmosfera nikad ne miruje. Posvuda - na polovima i pod tropima, ispod, na površini Zemlje i iznad, gdje plutaju oblaci - zrak se kreće.

Kretanje zraka oko Zemlje naziva se vjetar.

Što uzrokuje kretanje zraka u atmosferi? Zašto pušu vjetrovi?

Kako biste bolje razumjeli uzrok vjetra, sjetite se dobro poznatog fenomena. Kada zimi otvorite vrata iz grijane prostorije na ulicu ili u hladniju prostoriju, hladan zrak juri odozdo u toplu prostoriju. Istodobno će topli zrak iz prostorije izaći odozgo. Lako je to provjeriti. Zapalite svijeću ili šibicu i stavite je na otvorena vrata – prvo na dno, na prag, a zatim na vrh (slika 1.). Na dnu će plamen svijeće biti osjetno odbijen strujanjem hladnog zraka u prostoriju, a na vrhu će, naprotiv, strujanje toplog zraka koji dolazi iz prostorije odbijati plamen svijeće prema van, iz sobe.

Zašto se ovo događa?

Evo zašto. Ako uzmemo dva identična volumena zraka, ali različito zagrijanog, tada će hladniji volumen zraka uvijek biti gušći, a time i teži. Kada se zagrije, zrak se, kao i sva tijela, širi, postaje manje gust i lakši. Kada otvorimo vrata na ulicu, hladniji i gušći vanjski zrak juri u toplu prostoriju, istiskujući manje gusti i lakši zrak u zatvorenom prostoru.

Što je teži, vanjski zrak ulazi u prostoriju odozdo, nalazi se u prostoriji u nižim slojevima, blizu poda. Zamijenjen hladnim teškim zrakom, topli zrak se diže i napušta prostoriju vani kroz vrh otvorenih vrata.

Ovaj primjer će nam omogućiti da razumijemo razloge kretanja zraka u atmosferi.

Toplina sunca koja pada na Zemlju prvenstveno zagrijava njezinu površinu. Atmosfera apsorbira samo mali dio sunčeve toplinske energije. Sa zagrijane površine globusa zagrijavaju se donji slojevi zraka koji su s njom u dodiru. Topli slojevi zraka miješaju se s hladnim, daju im toplinu; ovako se zagrijava zrak.

Dakle, što Sunce više zagrijava površinu zemlje, to se više zagrijava i zrak koji leži iznad nje.

Ali kako se Sunce zagrijava površinu Zemlje? Daleko od istog. To je prvenstveno zbog činjenice da u različito doba godine iu različitim klimatskim zonama.

Zemlja Sunce se diže iznad horizonta na različite načine. Što je Sunce više iznad horizonta, to više sunčeve topline pada na istu površinu Zemljine površine (slika 2).

Zbog sfernog oblika Zemlje na ekvatoru i blizu njega, Sunčeve zrake padaju strmo, u podne gotovo okomito. U zemljama s umjerenom klimom, sunčeve zrake padaju na površinu zemlje mnogo nježnije. A u polarnim zemljama i na polovima, sunčeve zrake kao da klize samo po površini zemlje – Sunce se diže relativno nisko iznad horizonta. Štoviše, zimi se Sunce uopće ne pojavljuje iznad horizonta: postoji duga polarna noć.

Iz istog razloga se tijekom dana mijenja temperatura Zemljine površine. Danju, kada je Sunce visoko na nebu, površina Zemlje se najviše zagrijava, navečer, kada Sunce zađe ispod horizonta, Zemlja se počinje hladiti, a noću i ujutro njena temperatura pada još niže.

Riža. 3. Kurs Sunca na nebeskom svodu: iznad - iza arktičkog kruga, u sredini - u umjerenim zemljama i ispod - na ekvatoru

Osim toga, neravnomjerno zagrijavanje zemljine površine objašnjava se činjenicom da različite dijelove površine Sunce grije i različito hladi. Od posebne je važnosti sposobnost vode i zemlje da se različito zagrijavaju i hlade.

Zemljište se brzo zagrijava na višu temperaturu, ali se brzo hladi. Voda se pak (osobito u morima i oceanima) zbog stalnog miješanja vrlo sporo zagrijava, ali zadržava toplinu mnogo dulje od kopna. To se objašnjava činjenicom da je toplinski kapacitet vode i zemlje različit (toplinski kapacitet je količina topline potrebna za zagrijavanje tijela za jedan stupanj).

Različiti dijelovi kopna različito se zagrijavaju pod sunčevim zrakama. Na primjer, crno golo tlo zagrijava se mnogo više od, recimo, zelenog polja. Pijesak i kamen jako se zagrijavaju od Sunca, šuma i trava su puno slabiji.

Sposobnost različitih dijelova zemlje da se različito zagrijavaju pod sunčevim zrakama također ovisi o tome koji udio zraka koje upadaju na površinu apsorbira površina, a što se reflektira. Različita tijela imaju različitu refleksivnost. Tako snijeg apsorbira samo 15 posto sunčeve energije, pijesak - 70 posto, a voda odbija samo 5 posto i apsorbira 95 (slika 4.).

Različito grijani dijelovi zemaljske kugle zagrijavaju zrak na različite načine. Koliko je različita količina topline primljena zrakom na različitim mjestima može se vidjeti iz ovog primjera. U pustinji, zrak prima 130 puta više topline od zagrijanog pijeska nego što zrak prima od vode u moru, koje se nalazi na istoj geografskoj širini kao i pustinja.

Ali različito zagrijani zrak ima, kao što je već spomenuto, različite gustoće. To stvara različit atmosferski tlak na različitim mjestima: tamo gdje je zrak manje zagrijan i, stoga, gušći, atmosferski tlak je viši; naprotiv, gdje je zrak jače zagrijan i samim tim više razrijeđen, tlak zraka je niži.

A zrak s višim tlakom uvijek teži da se pomakne tamo gdje je niži atmosferski tlak, kao što voda uvijek teče s više razine na nižu. Ovako nastaje vjetar u prirodi.

Stalno kretanje zraka stvara razliku u temperaturi i tlaku u atmosferi, što je povezano s neravnomjernim zagrijavanjem globusa od strane Sunca.

Dakle, vjetar u prirodi nastaje zbog energije sunčevih zraka.

Na slici 5. prikazujemo pojednostavljeni dijagram glavnih strujanja zraka. Kao što se može vidjeti iz dijagrama, čak iu svom najjednostavnijem obliku, kretanje zračnih masa iznad Zemlje je prilično složena slika.

Na ekvatoru se zbog jakog zagrijavanja površine opaža konstantno sniženi tlak zraka. Zračne struje ovdje teku sa sjevera i s juga i stvaraju stalne vjetrove – pasate. Ovi vjetrovi se odbijaju rotacijom Zemlje. Na sjevernoj hemisferi, ako pogledate u smjeru u kojem puše pasat, vjetar skreće udesno, na južnoj hemisferi - ulijevo. Na nadmorskoj visini od 3-7 kilometara u tim područjima pušu protutradni vjetrovi - vjetrovi obrnutih smjerova. U blizini ekvatora nalazi se mirna zona.

Kako se udaljavaju od ekvatora, protutradni vjetrovi sve više odstupaju od svog smjera prema polovima.

Na geografskoj širini od oko 30 stupnjeva) mirni pojasevi se opažaju s obje strane ekvatora; u tim se područjima zračne mase koje teku s ekvatora (antitradetski vjetrovi) spuštaju i stvaraju područja visokog tlaka. Ovdje se rađaju pasati.

Odavde vjetrovi pušu prema polovima ispod. Ovi vjetrovi su prevladavajući zapadni; u usporedbi s pasatima, oni su mnogo varijabilniji.

Stari pomorci područja između 30 i 60 stupnjeva nazivaju "zapadnim olujama".

Mirne zone oko 30 stupnjeva geografske širine ponekad se nazivaju geografskim širinama konja. Ovdje prevladava vedro vrijeme s visokim atmosferskim tlakom. Ovo čudno ime sačuvano je još od vremena kada su pomorci plovili, a odnosilo se samo na područje oko Bermuda. Mnogi su brodovi prevozili konje iz Europe u Zapadnu Indiju. Jednom u razdoblju zatišja, jedrilice su izgubile sposobnost kretanja. Pritom su se pomorci često našli u teškim uvjetima. Zalihe vode su bile iscrpljene, konji su prvi umirali od žeđi. Leševe konja bačenih preko palube dugo su nošeni u valovima.

Vjetrovi koji pušu s polova često se nazivaju polarni istočni vjetrovi (vidi sliku 5).

Riža. 5. Pojednostavljeni dijagram glavnih strujanja zraka

Sliku glavnih zračnih strujanja iznad Zemlje koju smo opisali dodatno kompliciraju stalni vjetrovi koji nastaju zbog neravnomjernog zagrijavanja vode i kopna.

Već smo rekli da se zemlja zagrijava i hladi brže od vode. Zbog toga se tijekom dana zemlja ima vremena zagrijati mnogo više od vode: noću se, naprotiv, voda hladi sporije od zemlje.

Stoga se tijekom dana iznad kopna zrak više zagrijava; zagrijani zrak se diže i tamo povećava atmosferski tlak. Zračne struje (na visini od cca 1 km) jure prema vodi, a iznad površine vode uspostavlja se povišeni atmosferski tlak. Kao rezultat toga, svježi vjetar, povjetarac, počinje puhati iz vode ispod (slika 6.).

Riža. 6. Shema dnevnog povjetarca

Ali dolazi noć. Zemljište se brzo hladi; hladi se i okolni zrak. Hladan zrak, kondenzirajući, spušta se. Njegov se tlak u gornjim slojevima smanjuje. Istodobno, voda dugo ostaje topla i zagrijava zrak iznad nje. Izračunato je da hlađenje 1 kubika morske vode za jedan stupanj daje toliku količinu topline koja je dovoljna za zagrijavanje više od 3 tisuće kubika zraka za jedan stupanj! Kada se zagrije, zrak se diže i tamo stvara povećani atmosferski tlak. Zbog toga vjetar počinje puhati na obali iznad, a kontinentalni povjetarac puše ispod - s kopna na vodu (slika 7.).

Riža. 7. Shema noćnog povjetarca

Takvi obalni vjetrovi poznati su svima koji žive na obalama velikih jezera ili mora. Poznati su, na primjer, povjetarac na Crnom, Azovskom i Kaspijskom moru; tako, u Sukhumiju ima povjetarca tijekom cijele godine. Povjetarac puše i na velikim jezerima, kao što su Sevan, Issyk-Kul, Onega i druga. Povjetarac se također opaža na obalama velikih rijeka, na primjer, na Volgi kod Saratova, na njenoj visokoj desnoj obali.

Povjetarac ne putuje daleko. To su isključivo lokalni vjetrovi. Neravnomjerno zagrijavanje vode i kopna u obalnim područjima mora i oceana stvara vjetrove slične povjetarcu. To su takozvani monsuni.

Monsuni su sezonski vjetrovi, pušu pola godine u jednom smjeru, pola godine u drugom. Puše zbog različitog zagrijavanja i hlađenja mora i kontinenata zimi i ljeti. Ljeti se zrak nad kopnom zagrijava mnogo više nego nad morem. Naprotiv, zimi je zrak nad morem (oceanom) topliji od zraka nad kopnom. To se objašnjava činjenicom da se ljeti kontinenti više zagrijavaju, a zimi hlade više od vode, dok more, koje je ljeti hladnije, zimi postaje toplije od kopna.

Veliki toplinski kapacitet vode omogućuje oceanu da pohranjuje ogromne zalihe topline od ljeta.

Tako ljeti kontinenti, takoreći, zagrijavaju atmosferu, dok je mora i oceani hlade. Zimi se situacija mijenja: mora postaju "atmosferske peći", a kontinenti "hladnjaci".

Iz tog razloga pušu monsuni; zimi - s kopna na more, a ljeti s mora na kopno.

Monsuni se opažaju u svim klimatskim zonama, čak i na obalama Arktičkog oceana. Na smjer monsuna utječe i rotacija Zemlje. Monsuni su najizraženiji u Indiji.

Konačno, za opći opis strujanja zraka potrebno je reći o atmosferskim vrtlozima - ciklonima.

Zračne struje o kojima smo gore govorili povezane su s kretanjem ogromnih količina zraka u atmosferi - zračnih masa. Uobičajeno je da se zračnom masom nazivaju takvi volumeni zraka koji neko vrijeme zadržavaju svoja specifična svojstva. Tako, na primjer, zračna masa koja dolazi s Arktika sa sobom donosi nisku temperaturu i suh, proziran zrak.

Sučelje između dvije različite zračne mase naziva se frontom. S obje strane fronte često se jako razlikuju temperatura zraka, brzina vjetra itd. Stoga, kada fronta prijeđe preko nekog mjesta, vrijeme se na ovom području obično dramatično mijenja.

Kada se dvije susjedne zračne mase s različitim temperaturama (a time i različite gustoće zraka) kreću različitim brzinama, ili kada se kreću jedna u odnosu na drugu duž fronte (slika 8. gore) na graničnoj površini zračnih masa, zbog interakcije toplim i hladnim masama zraka, nastaje valni poremećaj - zračni val, takoreći, nastaje na prednjoj strani. U tom slučaju hladni zrak struji ispod toplog zraka, a topli zrak, zauzvrat, počinje gurati hladan zrak. Zračne struje počinju kovitlati. Poremećaj vala na prednjoj strani raste, sučelje između dviju zračnih masa se sve strmije savija: tako postupno nastaje sve snažnije vrtložno kretanje zraka - ciklona (vidi sliku 8).

sl.8. Shema nastanka i razvoja ciklona

Tri su glavna fronta na kojima se javljaju ciklone: ​​arktička, polarna i tropska. Arktička fronta je razdjelnica između arktičkog i polarnog zraka (sjeverne geografske širine). Polarna fronta razdvaja polarni i tropski zrak (umjerene geografske širine). Tropska fronta je razdjelnica između tropskog i ekvatorijalnog zraka (južne geografske širine).

Atmosferski tlak u ciklonu opada prema njegovom središtu. U središtu ciklone tlak zraka je najniži. Ako su na karti područja gdje se ciklona razvijaju sve točke s istim tlakom povezane linijama – npr. jedna linija povezuje sve točke s tlakom od 990 milibara, druga s tlakom od 995 milibara itd., tada ispada da će sve takve linije u područjima ciklone biti zatvorene krivulje (slika 9). Takve linije nazivaju se izobare. Izobara u središtu ove regije spojit će točke najnižeg tlaka.

Zbog ovakvog rasporeda pritisaka u cikloni, u njoj pušu vjetrovi od rubova prema središtu, tako da nastaje krug vjetrova u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.

Riža. 9. Izobare na vremenskoj karti

Ciklon se kreće kroz atmosferu; sa sobom nosi naglu promjenu smjera i brzine vjetra. Prosječna brzina ciklona je 25-40 kilometara na sat.

Osim ciklona, ​​odnosno, drugim riječima, područja s niskim tlakom, u atmosferi se pojavljuju i područja s visokim tlakom - anticiklone. Ovdje tlak zraka raste prema središtu.

Cikloni i anticiklone često zahvaćaju vrlo velika područja koja se protežu tisućama kilometara. Stoga ovi atmosferski poremećaji imaju zamjetan učinak na opću cirkulaciju zraka u atmosferi, dodatno ga komplicirajući. Pojava i promjena raznih vjetrova u umjerenim geografskim širinama uglavnom je povezana s kretanjem ciklona i anticiklona.

Vrlo jaki, orkanski vjetrovi nastaju u ciklonalnim poremećajima koji nastaju na tropskoj fronti, iznad južnih mora. Ove cikloni nazivaju se tropskim ciklonima.