Atmosfera i jej ruch. Schemat, opis

Ziemia otoczona jest grubą warstwą powietrza – atmosferą. Wraz z wysokością powietrze staje się coraz bardziej rozrzedzone, mniej gęste. Na powierzchni Ziemi, na poziomie morza, jeden metr sześcienny powietrza waży około 1,3 kilograma przy 0 stopniach; a na wysokości 25 kilometrów nad powierzchnią ziemi metr sześcienny powietrza waży już ponad trzydzieści razy mniej.

Wprawdzie grubość ziemskiej atmosfery sięga wielu setek kilometrów, ale w porównaniu z objętością kuli ziemskiej wcale nie jest duża.

Dolna warstwa atmosfery, znajdująca się od 9 do 18 kilometrów nad powierzchnią Ziemi, nazywana jest troposferą. Ta warstwa zawiera więcej niż 3/4 masy powietrza. Górne warstwy nazywane są stratosferą i jonosferą.

Powietrze, jak wszystkie przedmioty, ma wagę; napiera z wielką siłą na Ziemię i na wszystkich, którzy na niej żyją; siła ta na powierzchni Ziemi jest równa w przybliżeniu jednemu kilogramowi na każdy centymetr kwadratowy powierzchni ciała.

Ciśnienie powietrza stopniowo spada wraz z wysokością. Ale nawet na powierzchni Ziemi, jak zobaczymy później, ciśnienie atmosferyczne nigdy nie jest stałe, zawsze się zmienia.

Ciśnienie powietrza równe ciśnieniu wywieranemu w temperaturze 0 stopni przez kolumnę rtęci o wysokości 760 milimetrów nazywa się normalnym ciśnieniem atmosferycznym. To ciśnienie wynosi 1,0336 kilogramów na centymetr kwadratowy.

W meteorologii ciśnienie powietrza jest zwykle mierzone w milibarach. Jeden milibar jest w przybliżeniu równy ciśnieniu wywieranemu przez jeden gram na powierzchnię jednego centymetra kwadratowego. Normalne ciśnienie atmosferyczne wynosi około 1000 milibarów.

Meteorologia to nauka o atmosferze i zachodzących w niej zjawiskach, głównie fizycznych. W węższym sensie jest to nauka o pogodzie i jej zmianach.

Atmosfera nigdy nie jest w spoczynku. Wszędzie – na biegunach i pod tropikami, w dole, na powierzchni Ziemi i w górze, gdzie unoszą się chmury – powietrze jest w ruchu.

Ruch powietrza wokół ziemi nazywa się wiatrem.

Co powoduje ruch powietrza w atmosferze? Dlaczego wieją wiatry?

Aby lepiej zrozumieć przyczynę wiatru, pamiętaj o dobrze znanym zjawisku. Kiedy zimą otwierasz drzwi z ogrzewanego pomieszczenia na ulicę lub do chłodniejszego pomieszczenia, zimne powietrze wpada od dołu do ciepłego pomieszczenia. W tym samym czasie z góry będzie wydobywać się ciepłe powietrze z pomieszczenia. Łatwo to zweryfikować. Zapal świeczkę lub zapałkę i umieść ją przy otwartych drzwiach - najpierw na dole, na progu, a potem na górze (rys. 1). Na dole płomień świecy będzie zauważalnie odchylany przez napływ zimnego powietrza do pomieszczenia, a na górze przeciwnie, napływ ciepłego powietrza z pomieszczenia będzie odchylał płomień świecy na zewnątrz, z pokoju.

Dlaczego to się dzieje?

Dlatego. Jeśli weźmiemy dwie identyczne objętości powietrza, ale różnie ogrzane, to zimniejsza objętość powietrza zawsze będzie gęstsza, a przez to cięższa. Po podgrzaniu powietrze, podobnie jak wszystkie ciała, rozszerza się, staje się mniej gęste i lżejsze. Kiedy otwieramy drzwi na ulicę, zimniejsze i gęstsze powietrze z zewnątrz wpada do ciepłego pomieszczenia, wypierając do góry mniej gęste i lżejsze powietrze z wnętrza.

Ponieważ cięższe powietrze zewnętrzne wchodzi do pomieszczenia od dołu, znajduje się w pomieszczeniu w dolnych warstwach, przy podłodze. Wyparte przez zimne, ciężkie powietrze, ciepłe powietrze unosi się i opuszcza pomieszczenie na zewnątrz przez otwarte drzwi.

Ten przykład pozwoli nam zrozumieć przyczyny ruchu powietrza w atmosferze.

Ciepło słońca padające na Ziemię nagrzewa przede wszystkim jej powierzchnię. Atmosfera pochłania tylko niewielką część słonecznej energii cieplnej. Z rozgrzanej powierzchni kuli ziemskiej nagrzewają się dolne warstwy powietrza, które się z nią stykają. Ciepłe warstwy powietrza mieszają się z zimnymi, dając im ciepło; tak ogrzewa się powietrze.

Zatem im bardziej powierzchnia Ziemi jest ogrzewana przez Słońce, tym bardziej nagrzewa się również powietrze leżące nad nim.

Ale jak powierzchnia Ziemi jest ogrzewana przez Słońce? Daleko od tego samego. Wynika to przede wszystkim z faktu, że w różnych porach roku iw różnych strefach klimatycznych.

Ziemia Słońce wschodzi nad horyzontem na różne sposoby. Im wyżej Słońce znajduje się nad horyzontem, tym więcej ciepła słonecznego pada na ten sam obszar powierzchni Ziemi (ryc. 2).

Ze względu na kulisty kształt Ziemi na równiku i w jego pobliżu, promienie Słońca opadają stromo, w południe prawie pionowo. W krajach o klimacie umiarkowanym promienie słoneczne padają na powierzchnię ziemi znacznie łagodniej. A w krajach polarnych i na biegunach promienie słoneczne tylko zdają się ślizgać po powierzchni Ziemi - Słońce wznosi się stosunkowo nisko nad horyzontem. Co więcej, zimą Słońce w ogóle nie pojawia się nad horyzontem: trwa długa noc polarna.

Z tego samego powodu temperatura powierzchni Ziemi zmienia się w ciągu dnia. W dzień, gdy Słońce jest wysoko na niebie, powierzchnia Ziemi jest najbardziej nagrzewana, wieczorem, gdy Słońce schodzi poniżej horyzontu, Ziemia zaczyna się ochładzać, a nocą i rano jej temperatura spada jeszcze niżej.

Ryż. 3. Przebieg Słońca na firmamencie: nad - za kołem podbiegunowym, pośrodku - w krajach o klimacie umiarkowanym i poniżej - na równiku

Ponadto nierównomierne nagrzewanie się powierzchni ziemi tłumaczy się tym, że różne części powierzchni są nagrzewane przez Słońce i różnie chłodzone. Szczególnie ważna jest zdolność wody i ziemi do odmiennego nagrzewania i schładzania.

Ziemia szybko nagrzewa się do wyższej temperatury, ale szybko się ochładza. Z kolei woda (szczególnie w morzach i oceanach) ze względu na ciągłe mieszanie nagrzewa się bardzo powoli, ale zatrzymuje ciepło znacznie dłużej niż ląd. Tłumaczy się to tym, że pojemność cieplna wody i ziemi jest różna (pojemność cieplna to ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała o jeden stopień).

Różne części lądu są różnie nagrzewane pod wpływem promieni słonecznych. Na przykład czarna goła ziemia nagrzewa się znacznie bardziej niż, powiedzmy, zielone pole. Piasek i kamień są silnie nagrzewane przez Słońce, las i trawa są znacznie słabsze.

Zdolność różnych części ziemi do nagrzewania się w różny sposób pod promieniami słońca zależy również od tego, jaka część promieni padających na powierzchnię jest pochłaniana przez powierzchnię, a jaka jest odbijana. Różne ciała mają różny współczynnik odbicia. Śnieg pochłania więc tylko 15 proc. energii słonecznej, piasek 70 proc., a woda odbija tylko 5 proc. i pochłania 95 (rys. 4).

Różnie nagrzewane części kuli ziemskiej w różny sposób nagrzewają powietrze. Jak różną ilość ciepła odbieranego przez powietrze w różnych miejscach widać na tym przykładzie. Na pustyni powietrze otrzymuje 130 razy więcej ciepła z rozgrzanego piasku niż powietrze z wody w morzu, które znajduje się na tej samej szerokości geograficznej co pustynia.

Ale inaczej ogrzane powietrze ma, jak już wspomniano, różne gęstości. Powoduje to różne ciśnienie atmosferyczne w różnych miejscach: tam, gdzie powietrze jest mniej nagrzane, a zatem gęstsze, ciśnienie atmosferyczne jest wyższe; wręcz przeciwnie, gdzie powietrze jest bardziej ogrzewane, a zatem bardziej rozrzedzone, ciśnienie powietrza jest niższe.

A powietrze o wyższym ciśnieniu zawsze ma tendencję do przemieszczania się tam, gdzie panuje niższe ciśnienie atmosferyczne, tak jak woda zawsze przepływa z wyższego poziomu na niższy. Tak wiatr występuje w przyrodzie.

Ciągły ruch powietrza tworzy różnicę temperatur i ciśnienia w atmosferze, co wiąże się z nierównomiernym nagrzewaniem się kuli ziemskiej przez Słońce.

Tak więc wiatr w naturze powstaje dzięki energii promieni słonecznych.

Na rysunku 5 przedstawiamy uproszczony schemat głównych prądów powietrza. Jak widać z diagramu, nawet w najprostszej postaci ruch mas powietrza nad Ziemią jest dość złożonym obrazem.

Na równiku, ze względu na silne nagrzewanie się powierzchni, obserwuje się stałe obniżone ciśnienie powietrza. Strumienie powietrza płyną tu z północy i południa i tworzą stałe wiatry – pasaty. Te wiatry są odchylane przez obrót Ziemi. Na półkuli północnej patrząc w kierunku, w którym wieje pasat, wiatr zbacza w prawo, na półkuli południowej w lewo. Na wysokości 3-7 kilometrów na tych obszarach wieją wiatry antyhandlowe - wiatry o odwrotnych kierunkach. W pobliżu równika znajduje się strefa ciszy.

Oddalając się od równika, wiatry antyhandlowe coraz bardziej zbaczają z kierunku biegunów.

Na około 30 stopniach szerokości geograficznej po obu stronach równika obserwuje się spokojne pasma; w tych obszarach masy powietrza spływające z równika (wiatry antyhandlowe) opadają i tworzą obszary wysokiego ciśnienia. To tutaj rodzą się pasaty.

Stąd wiatr wieje w kierunku biegunów poniżej. Te wiatry są dominującymi wiatrami zachodnimi; w porównaniu z pasatami są one znacznie bardziej zmienne.

Starzy żeglarze nazywają obszary między 30 a 60 stopniami „zachodnimi burzami”.

Spokojne strefy około 30 stopni szerokości geograficznej są czasami nazywane szerokościami geograficznymi dla koni. Panuje tu bezchmurna pogoda z wysokim ciśnieniem atmosferycznym. Ta dziwna nazwa zachowała się od czasów żeglarzy i odnosiła się tylko do okolic Bermudów. Wiele statków przewoziło konie z Europy do Indii Zachodnich. Kiedyś w okresie spokoju żaglówki traciły zdolność poruszania się. Jednocześnie marynarze często znajdowali się w trudnych warunkach. Wyczerpywały się zapasy wody, konie pierwsze umierały z pragnienia. Wyrzucane za burtę trupy koni niesione były falami przez długi czas.

Wiatry wiejące z biegunów są często określane jako polarne wiatry wschodnie (patrz rysunek 5).

Ryż. 5. Uproszczony schemat głównych prądów powietrza

Obraz głównych prądów powietrza nad Ziemią, który opisaliśmy, dodatkowo komplikują ciągłe wiatry powstające z powodu nierównomiernego ogrzewania wody i gruntu.

Powiedzieliśmy już, że ziemia nagrzewa się i ochładza szybciej niż woda. Z tego powodu w ciągu dnia ziemia ma czas na nagrzanie znacznie więcej niż woda: w nocy woda ochładza się wolniej niż ziemia.

Dlatego w ciągu dnia nad lądem powietrze nagrzewa się bardziej; ogrzane powietrze unosi się i podnosi tam ciśnienie atmosferyczne. Prądy powietrzne (na wysokości około 1 km) pędzą do wody, a nad powierzchnią wody powstaje zwiększone ciśnienie atmosferyczne. W rezultacie z wody poniżej zaczyna wiać świeży wiatr, bryza (ryc. 6).

Ryż. 6. Schemat dziennej bryzy

Ale nadchodzi noc. Ziemia szybko się ochładza; otaczające powietrze jest również schładzane. Zimne powietrze, kondensacja, opada. Jego ciśnienie w górnych warstwach spada. Jednocześnie woda przez długi czas pozostaje ciepła i ogrzewa znajdujące się nad nią powietrze. Obliczono, że ochłodzenie 1 metra sześciennego wody morskiej o jeden stopień daje taką ilość ciepła, że ​​wystarczy ogrzać o jeden stopień ponad 3 tys. metrów sześciennych powietrza! Po podgrzaniu powietrze unosi się i wytwarza tam zwiększone ciśnienie atmosferyczne. W rezultacie wiatr zaczyna wiać na wybrzeżu powyżej, a bryza kontynentalna wieje poniżej - z lądu na wodę (ryc. 7).

Ryż. 7. Schemat nocnej bryzy

Takie wiatry przybrzeżne są znane każdemu, kto mieszka nad brzegami dużych jezior lub mórz. Dobrze znane są na przykład bryzy na Morzu Czarnym, Azowskim i Kaspijskim; więc w Suchumi bryza wieje przez cały rok. Bryzy wieją również na dużych jeziorach, takich jak Sevan, Issyk-Kul, Onega i inne. Bryzy obserwuje się również na brzegach dużych rzek, na przykład nad Wołgą pod Saratowem, na jej wysokim prawym brzegu.

Bryzy nie podróżują daleko. Są to wiatry czysto lokalne. Nierównomierne ogrzewanie wody i ziemi w obszarach przybrzeżnych mórz i oceanów powoduje wiatry podobne do bryz. Są to tak zwane monsuny.

Monsuny to wiatry sezonowe, wieją pół roku w jedną stronę, pół roku w drugą. Wieją z powodu różnego ogrzewania i chłodzenia mórz i kontynentów zimą i latem. Latem powietrze nad stałym lądem nagrzewa się znacznie bardziej niż nad morzem. Wręcz przeciwnie, zimą powietrze nad morzem (oceanem) jest cieplejsze niż powietrze nad lądem. Tłumaczy się to tym, że latem kontynenty bardziej się nagrzewają, a zimą chłodzą bardziej niż woda, podczas gdy morze, które latem jest zimniejsze, zimą staje się cieplejsze niż ląd.

Duża pojemność cieplna wody pozwala oceanowi magazynować ogromne rezerwy ciepła z lata.

Tak więc latem kontynenty niejako podgrzewają atmosferę, podczas gdy morza i oceany ją chłodzą. Zimą sytuacja się zmienia: morza zamieniają się w „piecyki z atmosferą”, a kontynenty w „lodówki”.

Z tego powodu wieją monsuny; zimą - z lądu na morze, a latem z morza na stały ląd.

Monsuny obserwuje się we wszystkich strefach klimatycznych, nawet na wybrzeżach Oceanu Arktycznego. Na kierunek monsunów wpływa również obrót Ziemi. Monsuny są najbardziej widoczne w Indiach.

Wreszcie, dla ogólnego opisu prądów powietrznych, należy wspomnieć o wirach atmosferycznych - cyklonach.

Prądy powietrzne, o których mówiliśmy powyżej, wiążą się z ruchem ogromnych objętości powietrza w atmosferze - mas powietrza. Zwyczajowo nazywa się masę powietrza taką objętością powietrza, która przez pewien czas zachowuje swoje specyficzne właściwości. Na przykład masa powietrza pochodząca z Arktyki niesie ze sobą niską temperaturę i suche, przejrzyste powietrze.

Miejsce styku dwóch różnych mas powietrza nazywamy frontem. Po obu stronach frontu temperatura powietrza, prędkość wiatru itp. często znacznie się różnią.W związku z tym, gdy front przechodzi nad jakimś miejscem, pogoda w tym obszarze zwykle zmienia się dramatycznie.

Gdy dwie sąsiednie masy powietrza o różnych temperaturach (a co za tym idzie o różnej gęstości powietrza) poruszają się z różnymi prędkościami lub gdy poruszają się względem siebie wzdłuż czoła (rys. 8 powyżej) na powierzchni granicznej mas powietrza, w wyniku wzajemnego oddziaływania ciepłe i zimne masy powietrza, powstaje zakłócenie falowe - jak gdyby fala powietrzna tworzy się z przodu. W tym przypadku zimne powietrze przepływa pod ciepłym powietrzem, a ciepłe powietrze z kolei zaczyna przepychać zimne powietrze. Prądy powietrza zaczynają wirować. Zaburzenie falowe z przodu narasta, granica między dwiema masami powietrza ugina się coraz bardziej stromo: w ten sposób stopniowo powstaje coraz silniejszy wirowy ruch powietrza - cyklon (patrz rys. 8).

Rys.8. Schemat powstawania i rozwoju cyklonu

Występują trzy główne fronty cyklonów: arktyczny, polarny i tropikalny. Front arktyczny to linia podziału między Arktyką a powietrzem polarnym (północne szerokości geograficzne). Front polarny oddziela powietrze polarne i tropikalne (szerokości geograficzne umiarkowane). Front tropikalny to linia podziału między powietrzem tropikalnym i równikowym (szerokości południowe).

Ciśnienie atmosferyczne w cyklonie spada w kierunku jego środka. W centrum cyklonu ciśnienie powietrza jest najniższe. Jeżeli na mapie obszaru, w którym rozwija się cyklon, wszystkie punkty o tym samym ciśnieniu są połączone liniami – np. jedna linia łączy wszystkie punkty o ciśnieniu 990 milibarów, druga o ciśnieniu 995 milibarów itd., wtedy okazuje się, że wszystkie takie linie w obszarach cyklonu będą zamkniętymi liniami krzywymi (rys. 9). Takie linie nazywane są izobarami. Izobara w centrum tego obszaru połączy punkty o najniższym ciśnieniu.

Z powodu tego rozkładu ciśnień w cyklonie wiatry wieją w nim od krawędzi do środka, tak że powstaje krąg wiatrów przeciwnych do ruchu wskazówek zegara.

Ryż. 9. Izobary na mapie pogody

Cyklon porusza się w atmosferze; niesie ze sobą nagłą zmianę kierunku i prędkości wiatru. Średnia prędkość cyklonów wynosi 25-40 kilometrów na godzinę.

Oprócz cyklonów, czyli innymi słowy obszary o niskim ciśnieniu, w atmosferze pojawiają się również obszary o wysokim ciśnieniu - antycyklony. Tutaj ciśnienie powietrza wzrasta w kierunku środka.

Cyklony i antycyklony często przechwytują bardzo duże obszary rozciągające się na tysiące kilometrów. Dlatego te zaburzenia atmosferyczne mają zauważalny wpływ na ogólną cyrkulację powietrza w atmosferze, jeszcze bardziej ją komplikując. Pojawienie się i zmiana różnych wiatrów w umiarkowanych szerokościach geograficznych są głównie związane z ruchem cyklonów i antycyklonów.

Bardzo silne wiatry o sile huraganu powstają w cyklonowych zaburzeniach, które mają swój początek na froncie tropikalnym, nad morzami południowymi. Te cyklony nazywane są cyklonami tropikalnymi.