Причины и особенности движения воздуха

Причины и особенности движения воздуха

Мы представляем себе атмосферу Земли как беспокойную среду, находящуюся в непрерывном движении. Строго говоря, ничто в этом мире не остается в покое. Но движения воздуха и воды представляются особенно естественными, какими-то сами собой разумеющимися. Также интуитивно мы предполагаем, что существуют какие-то силы, под влиянием которых эти движения совершаются. Но для изучения этих сил интуиции недостаточно. Требуется обратиться к основным физическим законам и выяснить, что это за силы, каковы их особенности, каким образом они действуют на метеорологические элементы, какими величинами они выражаются.

Сила тяжести – действует по закону всемирного тяготения Ньютона. Она вездесуща: любая пушинка, каждая материальная частичка, яблоко, упавшее на голову Ньютона (легенда или быль?) – все без исключения притягивается к центру Земли пропорционально массам частиц и обратно пропорционально квадрату расстояний между ними. Физики относят силу тяжести к массовой (объемной) силе, действующей на единицу массы любого вещества, независимо от того, находятся ли рядом другие частицы. Метеорологи уточняют – в том числе и на единицу массы воздуха. А сила на единицу массы есть ускорение этой силы. По известным значениям массы Земли и ее радиуса вычислили ускорение силы тяжести (ускорение силы земного притяжения, ускорение свободного падения), оказавшееся равным 9,8 м/сек2. Оно несущественно зависит от географической широты и высоты места.

Движение воздуха совершается на вращающейся Земле, то есть в системе координат, движущейся с ускорением. Планета вращается вокруг собственной оси, совершая полный оборот за сутки, благодаря чему у нас происходит смена дня и ночи. Вращается Земля и вокруг Солнца, совершая полный оборот за год, благодаря чему у нас меняются времена года. Два вида вращения известны нам со школьных лет. Правда, не столь известен и менее привычен тот факт, что годовое вращение совершается со скоростью 30 км/сек. Так и летим мы все в мировом пространстве стремительно и легко, совершенно того не замечая…

Важнейшее, с точки зрения динамической метеорологии, вращение Земли вокруг своей оси означает неизбежное появление дополнительных массовых – инерционных – сил, действующих на частицы воздуха. По направлению радиуса вращения появляется центробежная сила, ускорение которой на полюсах равно нулю, поскольку полюса лежат на оси вращения. На экваторе центробежная сила заметна, но и там ее ускорение в сотни раз меньше ускорения силы тяжести, составляя примерно 0,03 м/сек2. Поэтому в атмосферных движениях центробежной силой позволительно пренебречь. Она лишь очень незначительно увеличивает силу тяжести на полюсах по сравнению с экватором.

Для метеорологических движений вращение Земли не проходит даром. И не только для метеорологических. Оно – вращение – обусловливает появление новой массовой силы, действующей на любое движение любых объектов – пешеходов, поездов, ракет, снарядов, течений рек и, конечно, воздушных потоков. Сила в какой-то мере таинственная, можно даже сказать, коварная. Пока объект неподвижен, она не дает о себе знать. Это видно из математического выражения этой силы, куда сомножителем входит скорость движения объекта. Объект в покое, его скорость – нулевая, и силы – нет, она затаилась. Формула силы не потребовала бы стольких слов, но, следуя принципу «без математики», не станем ее приводить. Она – формула – известна каждому школьнику, кажется, с 6-7 классов. Но и словесное определение этой силы также просто – она равна произведению четырех величин: коэффициента 2, угловой скорости вращения Земли (один полный оборот в радианах равен 6,28, в сутках содержится 86 400 секунд), синуса географической широты и скорости движения объекта. Формул писать не будем, но некоторые цифры и простейшие вычисления все же приведем. Удвоенная угловая скорость равна 0,000146 1/сек, синус широты Петербурга равен 0,866 (события происходят здесь), скорость движения равна 1,5 м/сек или почти 5,5 км/ч, что вполне под силу обычному здоровому петербуржцу. Получаем ускорение таинственной силы для скорости пешехода на нашей широте приблизительно: 0,00019 м/сек2. Величина, прямо скажем, мизерная. Пешеход такого ускорения не ощущает. Но для частиц воздуха она существенна и, главное, сравнима с другими силами.

Пора назвать изучаемую силу. Это – отклоняющая сила вращения Земли, или кориолисова сила. Кориолис, Гюстав Гаспар (1792—1843), французский физик и инженер. В 1829 г. показал, что на относительное движение объекта влияет вращение системы отсчета. Разработал теорию относительного движения. В 1920– 1930-х гг. многие ученые – историки науки – доказывали, что влияние отклоняющей силы открыл еще в 1743 г. соотечественник Кориолиса, физик Клеро (1713—1865). Были предложения называть отклоняющую силу именем Клеро или, по крайней мере, силой Клеро– Кориолиса. Предложения не привились. Кроме того, отклоняющую силу вращения Земли иногда называют эффектом Кориолиса, поскольку в строгом физическом смысле этот феномен собственно силой не является.

Итак, на движение воздуха влияют две массовые силы: тяжести и кориолисова. Имеют место также поверхностные силы, действующие между частицами воздуха. Основной из них, приводящей в движение воздушные массы, является сила барического градиента. Она действует перпендикулярно – по нормали – к изобарам (линиям равного атмосферного давления), действует в сторону уменьшения давления и рассчитывается по разности давления в двух точках, деленной на расстояние между точками. Выражается в миллибарах или миллиметрах ртутного столба на 1 градус дуги меридиана (111,2 км) или, для простоты на 100 км. Имеет порядок 0,0001, сравнимый с силой Кориолиса, что очень важно.

Другая поверхностная сила – сила трения, возникающая между частицами или слоями воздуха, которые движутся с разными скоростями. Она пропорциональна изменению скорости по нормали к движению. Эта сила стремится затормозить потоки и сравнять скорости соседних слоев воздуха. Поскольку в атмосфере преобладают беспорядочные – турбулентные – движения больших объемов воздуха, взаимодействующих между собой, то сила трения способствует обретению потоками некой средней скорости. Силу трения называют также силой турбулентного трения или силой турбулентной вязкости. Понятно, что она особенно существенна в пограничном и приземном слоях атмосферы, где из-за различных свойств подстилающей поверхности наиболее выражены беспорядочность и различие скоростей движения. Интенсивность турбулентности изменяется в очень широких пределах, она в тысячи раз превышает интенсивность безвихревых – ламинарных – движений.

Наличием нескольких сил в атмосфере и множеством связей между ними объясняются прежде всего сложности изучения атмосферных процессов и трудности их предсказания. Астрономические явления, подверженные действию одной силы, изучаются и предсказываются проще и точнее, чем в метеорологии. Там, в престижном ныне космосе, властвует только сила всемирного тяготения. Там объекты представляются материальными точками. Там нет необходимости принимать гипотезу сплошной среды. Поэтому движения планет, лунные и солнечные затмения, расположение созвездий рассчитаны практически точно и на много-много лет вперед.

Но метеорологические сложности и трудности в значительной мере упрощаются самой природой, которая «изощрена, но не злонамеренна» (по Эйнштейну). Силы, действующие в атмосфере, далеко не всегда и не везде действуют сообща. Они как-то очень мудро распределяются в пространстве и времени. В свободной атмосфере, например, мала сила трения и существенны лишь сила барического градиента и сила Кориолиса. Причем они уравновешивают друг друга: градиент направлен поперек изобар в сторону низкого давления, а сила Кориолиса поперек движения и вправо (в северном полушарии…) от него. В результате воздух подчиняется равнодействующей этих сил и перемещается по изобарам. Такое движение метеорологи называют геострофическим. Оно происходит равномерно и прямолинейно, не испытывая ускорений. Поэтому геострофическое движение, «геострофический ветер» (гео – земля, строфа – поворот, смысловой перевод: огибающий землю) легче рассчитывать и предвычислять, поэтому прогнозы атмосферного давления составляются сначала для свободной атмосферы, а затем уж для пограничного и приземного слоев.

У подстилающей поверхности и силы и масштабы движения другие. Под влиянием силы трения, из-за значительных перепадов температуры, влажности, ветра в вертикальном и горизонтальном направлениях здесь преобладают вихревые турбулентные движения, уступающие по масштабам движениям в свободной атмосфере. Они ответственны за образование местной облачности, за формирование гроз в летнее время, за порывистость ветра при грозах. В грозовых облаках вертикальные движения сравнимы по скорости с горизонтальными. За 15—20 минут облака достигают высот 5-7 км и охватывают 10—15 км по пространству. На высотах происходит конденсация, накопление влаги, и гроза сопровождается обильным дождем.

Можно было бы продолжать подобные, хотя нестрогие, описания воздушных движений различного масштаба. Важно лишь подчеркнуть, что в атмосфере существует иерархия движений и явлений, позволяющая последовательно подходить к их изучению. Циклоны и антициклоны как погодообразующие факторы содержат в себе более мелкие особенности погоды, но и сами не являются первостепенными. Они возникают на фоне более глобального процесса – общей циркуляции атмосферы, источником которой служит неравномерное распределение солнечного тепла по планете.

В жаркой и влажной экваториальной зоне воздух поднимается вверх, образуя область пониженного давления и слабых переменных ветров. От высоких, почти стратосферных, слоев происходит его опускание и растекание в пограничный и приземный (скорее – приводный, поскольку в той зоне больше океана, чем суши) слои, где воздух перемещается совершенно устойчиво на юго-запад в северном полушарии и на северо-запад в южном. Это – зоны пассатов, располагающиеся от 30-х градусов северной и южной широты до экваториальной зоны затишья. Нисходящие движения вблизи 30-х широт приводят к образованию субтропических поясов высокого давления, где ветры слабы и облачность незначительна. Примерно с 35-й и до 60-й широты располагаются зоны умеренного климата с чередованием сезонов года и явным преобладанием западного переноса, на фоне которого образуются знакомые нам атмосферные фронты, циклоны и антициклоны. По мере приближения к полюсам находится сначала область пониженного, а вблизи полюсов – повышенного давления.

Все зоны общей циркуляции отличаются поширотными зональными потоками воздуха, хотя вдоль меридианов также происходит перенос, но существенно менее активный.

Классификация разномасштабных атмосферных движений, установленная по мере развития метеорологии, привела к специализации исследований и различным подходам к решению практических и теоретических задач. Атмосферу теперь изучают физики, математики, химики, географы, и, хотя успехи в метеорологии кажутся более скромными, чем в других естественных науках, движение вперед несомненно.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.