Глава 4 Метеорология

Когда люди думают о погоде, они подразумевают только то, что передают в сводке Гидрометцентра по телевизору или радио и верят, что в выходные будет солнечно, а бури и ненастья останутся только на бумаге. Их определенно не волнуют волновые потоки или фронты, циклоны или антициклоны, а упоминание о возможности где-то урагана или тайфуна вызывает только разной степени раздражение или просто пропускается мимо ушей.

Но пилотам, более чем кому-либо, надо знать метеорологию, чтобы прогнозировать возможные изменения погодных условий и, конечно, для умения находить восходящие потоки воздуха.

Зная метеорологию, мы можем по синоптической карте и изменениям погоды самостоятельно сказать, что будет в радиусе сотен километров через один или даже несколько дней. Для сравнения, микрометеорология позволяет говорить о погоде в более мелких масштабах (до 80 км) и сроках (не более суток). Несмотря на то, что для нас больше представляет интерес погода в районе полетов, все-таки в этой главе мы займемся изучением именно метеорологии в широком смысле, так как без знания ее невозможно серьезно знать микрометеорологию.

Конечно, чтобы знать метеорологию, надо проштудировать много толстых книг, но поскольку нашей целью является не подготовка специалистов метеорологов, то постараемся взять только основное, наиболее важное и ограничиться одной главой в этой книге. Отметим, в главе 12 приводятся источники информации о погоде и правила их использования.

ДВИЖЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Из космоса наша планета выглядит как большой голубой бильярдный шар. Солнце находится на удалении 148 800 000 км от Земли. Даже, учитывая такое огромное расстояние, через космическую пустоту переносится огромное количество тепла. Экваториальная зона планеты является основным получателем солнечного теплового излучения и его хранилищем, просто потому, что там солнечные лучи падают на поверхность почти перпендикулярно. Теплые тропические районы нагревают воздух над собой, в то время как полярные охлаждают.

Как говорилось ранее, относительно более теплый воздух поднимается вверх, а более холодный опускается. В результате получаем глобальную циркуляцию воздуха на Земле, как показано на рисунке 39.

Рис. 39. Циркуляция воздуха на Земле

Отметим, что поднимающийся воздух центруется относительно точек, в которых солнечные лучи падают на Землю перпендикулярно. Эти точки перемещаются от 23,5° северной широты до 23,5° южной в зависимости от времени года.

На самом деле циркуляция в атмосфере не так проста, вызвано это огромными расстояниями и эффектом Кориолиса. Как показано в главе 2, эффект Кориолиса является причиной того, что все свободно передвигающиеся объекты (и потоки воздуха в том числе) во вращающейся системе, имеют тенденцию отклоняться вправо в северном полушарии и влево в южном. В результате истинная циркуляция происходит, как показано на рисунке 40.

Рис. 40. Модель циркуляции

Огромная масса воздуха, поднявшись в экваториальных районах, движется на север либо на юг, собравшись в верхних слоях атмосферы. Эффект Кориолиса, нулевой на экваторе, усиливается до максимума на полюсах. На первых порах течение воздуха не изменяется. Далее воздух доходит до 30-й параллели и поворачивает к поверхности, разделяясь на два течения: северное и южное, причем северное поднимается вверх и поворачивает направо, что приводит к господству в средних широтах западных ветров; воздух, движущийся к экватору, у поверхности поворачивает тоже вправо, вызывая ветра, направленные на запад (см. рис. 40).

Движущийся дальше к полюсу воздух, вверху остывает. Над полюсом он, продолжая остывать, опускается, поворачивает вправо, образуя восточные ветры, и в районе 60-й параллели они встречаются с западными, вступая в конфликт. Будучи легче, теплый и часто влажный воздух западных течений вытесняется вверх над холодными полярными восточными течениями и направляется к полюсам.

Продолжение накапливания воздуха создает определенный избыток давления в полюсной шапке, это является причиной возникновения " северных сияний" и образует воздушное течение на юг в северном полушарии и на север — в южном, в отдельных случаях до 25-й параллели. Этот процесс несколько снижает давление в полярных широтах и несет холодный воздух в теплые климатические зоны.

В районе 30-й параллели движение у поверхности создают только слабые ветры. Пояс высокого давления здесь называется тропическим поясом высокого давления и существует в обоих полушариях. Во времена парусных судов моряки называли эти места "лошадиными" широтами, потому что часто попадали здесь в штиль, и приходилось максимально облегчать корабли. Выбрасывали за борт балласт, личные вещи и особенно тяжелые вещи, в том числе и повозки, которые везли с собой для колонизации Нового Света. У облегченного корабля было больше шансов реагировать на легкие бризы, позволявшие медленно, как на ленивой лошади, передвигаться в этих районах.

Возле экватора зона низкого давления называется поясом низкого экваториального давления, или Intercontinental Convergence Zone (ITCZ). Слабые ветры на малых высотах здесь потому, что воздух обычно движется вертикально. ITCZ хорошо известна как штилевая полоса. Старые моряки вспоминают, как многие дни сидели здесь и смотрели на горизонт в ожидании ветра.

На первый взгляд, сейчас все упрощается, благодаря спутникам, которые "видят" погоду и передают данные на Землю. Однако нарисованная здесь модель служит как опорная и хорошо иллюстрирует процессы происходящие между высоким давлением на полюсах с холодными воздушными массами и высоким давлением в тропиках с теплыми, что является причиной постоянного изменения погоды в средних широтах или умеренной зоне.

ВОЗДУШНЫЕ МАССЫ

Если воздух над территорией диаметром 1600 км и более имеет примерно одну температуру и влажность, мы называем его воздушная масса. Ее температура и влажность определяют состояние воздуха. Он может быть холодным, если образовался в полярных районах или теплым, если пришел из тропической зоны. Если он пришел с моря и имеет повышенную влажность, он называется морской, а если с суши и более сухой — континентальной воздушной массой. На рисунке 41 показаны четыре типа воздушных масс, нанесенные на карты Северной Америки и Европы и типичные для них. Понятно, что в Австралии господствуют только морские арктические и тропические воздушные массы.

Рис. 41. Движение воздушных масс.

Типы воздушных масс

• Континентальный арктический воздух (кАВ) — холодный и сухой. Формируется над сушей.

• Морской арктический воздух (мАВ) — холодный и влажный. Приходит с моря.

• Континентальный тропический воздух (кТВ) — теплый и сухой. Формируется над сушей.

• Морской тропический воздух (мТВ) — теплый и влажный. Приходит с моря.

Обсудим, как влияют приземные воздушные течения на погоду. Например, влажный морской воздух чаще легче сухого из-за наличия в нем более легких паров воды. Значит, относительно более влажные воздушные массы стремятся подняться над другими, имеющими такую же температуру. Также понятно, что насыщенный воздух, поднимаясь над холодной массой или перетекая через горный хребет, остывает и может достигнуть того состояния, когда начинается конденсация водяных паров, то есть образуются облака и возможны дожди. Процесс конденсации приводит к высвобождению скрытого тепла и некоторому повышению температуры воздуха, если воздух продолжает подниматься вверх из-за набегания потока на гору, он к тому же сжимается. Это приводит к мысли, что условия будут изменяться по высоте (приложение III). Эти процессы характерны для больших по площади сухих территорий, протянувшихся вдоль океанских или морских побережий (запад Северной и Южной Америк, северная Африка и др.).

Холодные воздушные массы, двигаясь низом с севера, в основном, проходят над более теплой поверхностью, которая нагревает их и вызывает нестабильность, как показано на рисунке 42.

Рис. 42. Стабильность воздушных масс

С другой стороны, теплые воздушные массы, двигаясь на север, часто на более холодные территории стабильны, потому что нижний слой охлаждается. Последнее утверждение не является твердым правилом; во многих случаях теплые воздушные массы приносят с собой так много влаги, что они становятся нестабильными и могут даже привести к грозе. На рисунке 43 показан вид сбоку атмосферы от полюса до экватора, демонстрируя движение воздушных масс. Это идеализированое сечение дополняет рисунок 40. Отметим, что тропопауза поднимается к экватору, где воздух больше циркулирует. Также указаны фронты и струйные течения, движущиеся с запада на восток (на рисунке от нас), которые мы рассмотрим в следующей главе.

Рис. 43. Сечение атмосферы

ЗНАЧЕНИЕ ФРОНТОВ

Все мы видим на телевизионных картах погоды фронты, пересекающие огромные территории. Они несут с собой изменение погоды и, обычно, сопровождаются образованием облаков и осадками. Пилоты должны понимать условия образования фронтов и их поведение, что очень важно для прогнозирования погоды.

Фронтом называют границу между холодной и теплой воздушными массами, как показано на рисунке 44.

Рис. 44. Теплый и холодный фронты

Если вперед движется более холодный воздух, то фронт называется холодным, если вперед движется теплый воздух, то это теплый фронт. На рисунке 45 показано, как фронты обозначаются на картах погоды. Иногда воздушные массы движутся вперед, до тех пор, пока их не остановит возросшее перед ними давление. В этом случае фронтальную границу называют стационарным фронтом. В данном случае важно, что фронт разделяет воздушные массы с различной температурой, а значит и разной плотности. Воздушные массы разной плотности не стремятся к перемешиванию, подобно, например, маслу с водой. Следовательно, стационарный фронт может стоять несколько дней.

ХОЛОДНЫЙ ФРОНТ

Холодный фронт движется, в основном, с севера на юг в северном полушарии и наоборот в южном. Этот фронт в своей передней части состоит из холодного, часто сухого воздуха. На рисунке 46 показано сечение холодного фронта, отмеченное на рисунке 45 (АА).

Рис. 45. Фронты на карте

Рис. 46. Сечение холодного фронта

Здесь мы рассмотрим две возможные ситуации: холодный воздух замещает нестабильный или стабильный воздух. В первом случае нестабильный теплый воздух поднимается, вытесняемый холодным, и формирует конвективные облака. Этот тип фронтальной активности часто сопровождают грозы и шквалы.

Шквалы продолжаются грозами, что распространяется на 80-500 км в глубину от фронта и вдоль него. Экстремальные условия погоды, в том числе и шквалы, рассматриваются в главе 11. Наличие шквала может значительно растянуть период плохой погоды.

Холодные фронты имеют тенденцию к большей энергоемкости, чем теплые и могут перемещаться со скоростью более 60 км/ч, особенно зимой, когда воздух более плотный.

Быстрое движение фронта определяет более буйный характер погоды, но, в тоже время, более быстрое его прохождение. Наклон холодных фронтов изменяется от 1/30 до 1/100, что при его движении вперед создает сильный подъем теплого воздуха. Наклон зависит от температурного контраста между воздушными массами и скорости ветра через фронт.

Если условия стабильные перед и после холодного фронта, то формируются в основном слоистые облака. В этом случае наблюдается медленное очищение неба после фронта, но сам фронт протекает вяло. Пилоты, в основном, ищут начало холодных фронтов, особенно в жаркие месяцы. Смысл этого в том, что холодный фронт несет чистое небо, или усеянное кучевыми облаками, очень хорошую видимость, термики для парителей и плотный воздух для летающих с мотором.

ТЕПЛЫЙ ФРОНТ

Теплые фронты часто неприветливы к пилотам. Они могут нести с собой закрытое облаками небо, высокую влажность, дымку и туманы, жару и дожди на несколько дней. Только если воздушная масса сухая или приходит суровой зимой, мы робко приглашаем теплый фронт. Прохождение теплого фронта показано на рисунке 47 (сечение ВВ рис. 45).

Рис. 47. Сечение теплого фронта

Теплый воздух набегает на холодный сверху и вытесняет его. Теплые фронты имеют тенденцию двигаться медленнее, чем холодные — 25 км/ч и менее — и отличаются меньшей плотностью воздуха. Наклон его поверхности колеблется от 1/50 до 1/400, что положе, чем у холодного. Такой наклон теплого фронта, является причиной того, что небо полностью закрыто облаками, на расстоянии более чем 2400 км. Приближение теплого фронта можно предсказать по тому, что за день или два появляются перистые облака далее развивающиеся в перисто-слоистые и перисто-кучевые. На рисунке показаны два типа теплых фронтов: несущие стабильный и нестабильный теплый воздух. В первом случае, нас ожидает длительный период до дождя и в основном спокойные условия, возможно, до самого фронта. В случае нестабильного воздуха нас ожидают проливные дожди, чередующиеся с мелкими, моросящими, возможна сильная турбулентность с грозами (глава 11). В любом случае, время прохождения теплого фронта лучше переждать под крышей, мечтая о полетах и штудируя литературу по метеорологии.

Подведем некоторые итоги:

Холодные фронты проходят в течение часов, приносят шквалы или приводят за собой другой фронт. Они обычно приносят сухой, более холодный воздух с хорошей видимостью и нестабильные условия.

Теплые фронты могут проходить день или несколько дней, проходят с образованием облаков и с дождями. Они несут тепло, влажность, и часто за ними приходит стабильный воздух.

ДЕЙСТВИЯ ФРОНТОВ

Мы можем представлять холодный фронт как волну холодного воздуха, движущуюся из полярных районов. Его приносят, в основном, западные ветры, которые дуют в умеренных широтах, где, собственно, и происходят все фронтальные процессы. Фронты имеют тенденцию двигаться в восточном направлении (в обоих полушариях). Как протекает процесс по времени, показано на рисунке 48. Для примера взят гипотетический континент или континентальные массы.

Рис. 48. Движение фронтов

На первой фигуре показано движение над континентом волны холодного воздуха. Холодный фронт представлен в развитии. Он выходит из системы с низким давлением, указанной на рисунке буквой L и движется к системе с высоким давлением (на рисунке Н). Объясним это ниже.

Так как фронт движется у поверхности, он в конечном итоге, должен противостоять высокому давлению в низких широтах по мере продвижения к востоку. Западная часть холодного фронта притормаживает продвижение вперед и также начинает двигаться на восток, как бы создавая теплый фронт. Исходный холодный фронт, продолжая отклоняться к востоку, может дойти до моря или, в конце концов, температура его выровняется с окружающим воздухом и процесс прекратится. Новая полоса низкого давления с новым холодным фронтом движется вслед за первым, исходным. Таким образом мы рассмотрели стандартный процесс протекания холодного фронта, преобразующегося в теплый и следующего за ним опять холодного и.т.д. Это в полной мере ощущают на себе проживающие в пункте А. Жители В могут попадать в зону действия фронтов только в очень суровые зимы, а граждане С могут вообще никогда не видеть фронтов.

ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ФРОНТОВ

Мы уже знаем, что фронты могут сопровождаться стабильным и нестабильным воздухом, проходить быстро или медленно Они также могут изменять свое поведение в зависимости от подстилающей поверхности или давления в окружающем пространстве. Высокие горные хребты могут частично блокировать фронты, усложнять их движение и процессы в них. Движение барических систем может разрушать фронты или превращать их в стационарные еще до выравнивания температур, заставлять их двигаться назад как обратный фронт или восстанавливать и продолжать движение. Иногда холодные фронты могут разрушаться и выравниваться в направлении запад-восток, возможно движение вверх или вниз, образование стационарных фронтов и тогда гарантирована плохая погода на несколько дней в месте их стояния (рис. 49).

Рис. 49. Стационарный фронт

В других случаях западные части холодных фронтов могут сильно давить вперед, выгибаться так, что весь он кажется расположенным с запада или даже с юго-запада (в северном полушарии), как показано на рисунке 50а в точке А.

Это иногда называют back door front, хотя настоящий back door холодный фронт показан на рисунке 50в, где он движется вниз с северо-востока (опять в северном полушарии). Этот процесс типичен для северо-западных районов Североамериканского континента также как и для Европы. Back door фронт обычно приносит относительно не широкую полосу холода, нестабильный воздух, термики, возникающие в таком фронте, ограничиваются по высоте.

Рис. 50. Back door front

Другая важная разновидность холодного фронта — это фронт верхнего уровня, или верховой фронт. Он возникает, когда холодный воздух поднимается, набегая на горный склон и встречает еще более холодный воздух на другой стороне горы. В этом случае, холодный воздух не опускается, а образует фронтальную активность сверху, как показано на рисунке 51.

Рис. 51. Холодный фронт на высоте

Такой верховой фронт может приводить к погодным катаклизмам, таким, как грозы и ураганы. Еще одним вариантом холодного фронта являются вторичные холодные фронты. Холодный воздух, смещаясь в южном и юго-восточном направлениях, постепенно прогревается и приобретает свойства неустойчивости. В результате за основным фронтом образуются разнородные порции воздуха, между которыми возникают вторичные холодные фронты (рис. 52).

Рис. 52. Вторичные фронты

Каждая такая волна несет более холодный воздух и может изменить погоду на дни.

Хотелось бы отметить арктические фронты, которые являются очень суровыми по температуре идущего холодного воздуха и хорошо знакомы в умеренных широтах.

ФРОНТЫ ОККЛЮЗИИ

Когда холодный фронт догоняет холодную волну ему предшествующую, получается ситуация, известная как фронт окклюзии (окклюзия — от латинского "окклюзюс" — запирать, замыкать). Это показано на рисунке 53.

Рис. 53. Фронт окклюзии

Отметим, что большие различия в направлении ветра показанные стрелками, объясняются наличием трех различных воздушных масс. Изображенная здесь ситуация называется холодной окклюзией.

Теплая окклюзия может возникнуть, когда задний холодный фронт теплее, чем тот, который он догоняет. Такое случается возле побережья, где морской холодный воздух встречается с холодными континентальными массами. Поперечное сечение теплой окклюзии показано на рисунке 54.

Рис. 54. Сечение теплого фронта окклюзии

Холодная окклюзия несет облака и ветер на высоте, что похоже на ситуацию перед теплым фронтом, но после прохождения напоминает холодный фронт. Наоборот, теплая окклюзия открывается погодой холодного фронта и завершается аналогично проходящему теплому фронту. В любом случае, при окклюзии большие пространства закрываются облаками, идут дожди, что напоминает малоподвижные погодные системы. Часто окклюзии удерживают на месте моросящие дожди и сырость, что не способствует поднятию настроения и морального духа пилотов.

Сезоны дождей на тихоокеанском северо-западном побережье Северной Америки как раз являются следствием теплых окклюзии, вторгающихся с Тихого океана.

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Ранее мы обсуждали, как наклон оси вращения Земли и орбита ее вокруг солнца изменяют местоположение максимального прогрева на поверхности. Результатом этого является изменение движения воздушных масс и процессов во фронтах, смягчается переход от зимы к лету и наоборот, то есть довольно продолжительны весна и осень.

На рисунке 55 показаны основные места расположения холодных и теплых фронтов на нашей планете летом и зимой. Главная особенность, которую следует отметить, это ограничение фронтов с севера и юга, а также различное местоположение барических систем.

Рис. 55. Фронты и барические системы мира

Птицы стремятся покинуть умеренный климат в зиму и возвращаются весной, чтобы вновь радовать нас своим пением, очень похоже и погода реагирует на сезонные изменения на планете. Зимой отмечаются более высокая относительная влажность, низкая база облаков, более холодный воздух и частая фронтальная активность. С приходом весны холодные и теплые фронты чередуются более регулярно. Хорошая летная погода бывает чаще всего после прохождения фронта. Летом теплые фронты с горячим, подернутым дымкой и часто стабильным воздухом доминируют во влажных районах, что часто не способствует парящим полетам, в то время как на остальных территориях нестабильная атмосфера, особенно в периоды максимального прогрева. Осенью спадает регулярность холодных фронтов, они смещаются в умеренные зоны и цикл начинается снова.

БАРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Барическими системами называются системы распределения атмосферного давления, характеризуемые определенным расположением изобар на картах погоды. Различают главные барические системы, к которым относятся циклоны и антициклоны, а также вторичные — ложбины, гребни, седловины.

БАРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Мы можем определить давление на любой высоте и зависеть оно будет от того, насколько сильно давит расположенный сверху воздух. Чем больше вес воздуха над нами, тем сильнее он давит на нас и приборы. Сложность циркуляции атмосферы на Земле, можно объяснить различным давлением воздуха над определенными крупными территориями.

У поверхности возникают барические системы высокого давления, или, как их принято называть, антициклоны. В центре такой системы давление максимальное, к периферии оно уменьшается. Образование антициклона может быть смоделировано как движение воздушных масс и фронтов к его границе. Воздух движется вверху к северному полюсу, опускается там и остывает от покрытой снегом поверхности. Этот воздух сжимается, и плотность его возрастает. Давление увеличивается по мере поступления новых масс воздуха. В результате это скопление холодного воздуха начинает двигаться на юг, образуя холодный фронт.

На рисунке 56 показан вид со спутника на северный полюс.

Рис. 56. Арктические полярные воздушные массы

Формирующиеся там холодные воздушные массы и движутся на юг. Можно отметить, что антициклоны располагаются в основном над земной поверхностью выше 60° северной широты, и холодный воздух распространяется на юг. Это объясняется тем, что земля остывает быстрее, чем вода, и над ней более холодный воздух. Отметим, что холодные фронты, пересекающие Европу, часто бывают back door фронтами. Такая же карта может быть нарисована для южного полушария (рис. 57), но недостаток суши приводит к более равномерному перемещению масс холодного воздуха и более регулярному по времени.

Рис. 57. Антарктические воздушные массы

Пояс антициклонов также размещается выше и ниже экватора в районе 40-х параллелей. Здесь антициклоны располагаются над водной поверхностью, потому что в тропиках океан холоднее суши, особенно летом. Тропические антициклоны — это основные системы, противостоящие продвижению в тропики полярных холодных фронтов, они посылают летом теплые фронты в умеренные широты. Рисунки 40 и 43 могут помочь вам представить себе, где появляются антициклоны.

БАРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Теперь, когда мы разобрались с антициклонами, образующимися при повышенном давлении от поступающего сверху воздуха, нетрудно догадаться, что возникают кроме этого и барические системы с пониженным давлением у поверхности, при движении воздуха вверх. Понять это мы можем, нарисовав основную циркуляцию на высоте, скажем 6000 м, как показано на рисунке 58. Здесь мы видим северный полюс и основные высотные ветры.

Рис. 58. Верхний уровень циркуляции

В отличие от того, что у поверхности воздух движется в западном направлении и это течение в тропосфере достигает экваториальных областей, в верхних слоях атмосферы течение воздуха направлено на восток в обоих полусферах и называют это circmnpolar westerlies (подробнее об этом будет ниже). Эти западные ветры не текут аккуратно по кругу, а волнообразно, подстраиваясь под барические системы.

Теперь посмотрим на рисунок и представим Землю вращающимся диском. Так объект, вращающийся с диском и движущийся от центра имеет тенденцию замедлять движение (ученые называют это сохранением угловой скорости вращения). Когда он движется к центру, то имеет тенденцию ускоряться. Вы можете испытать это самостоятельно на детской площадке, на карусели, двигаясь от центра или к нему. Вы будете испытывать силу, уменьшающую или увеличивающую вашу скорость вращения. Вращаясь, фигурист с этой целью притягивает или разводит руки. Поток воздуха ведет себя так же. Когда он движется на юг, все дальше от оси вращения Земли, он замедляется и наоборот. Посмотрим снова на рисунок и мысленно начнем двигаться с воздухом от точки А. Движение его замедляется до минимума в точке С. Продолжая движение дальше, воздух поворачивает ближе к полюсу и увеличивает скорость до максимальной в точке Е. Фактически, чем ближе поток к полису, тем больше его скорость и наоборот.

Посмотрим, что происходит в точках В и D. Разберем такой пример: если вы ведете автомобиль по очень узкой загруженной полосе на широкой автостраде и автомобиль, идущий впереди, вдруг тормозит, то же приходится делать вам и всем водителям за вами. В результате, за первым автомобилем создается более плотная, с меньшими интервалами колонна. Примерно тоже происходит с молекулами, движущимися волнообразно вокруг Земли. Когда часть воздуха тормозится, следующий за ней воздух наталкивается на нее, увеличивая давление. Анализируя рисунок 58, можно сделать вывод, что воздух в точке В сдавливается, а в точке D разрежается.

Сдавливание воздуха в точке В называется конвергенцией. Этот эффект в верхних слоях приводит к увеличению давления у поверхности или к образованию гребней высокого давления.

Разрежение воздуха в точке D называется дивергенцией. Результатом этого разрежения является пониженное давление на поверхности под точкой D. Теперь мы видим, что основной причиной зон низкого давления на земной поверхности является особенность течения воздуха в верхних слоях. В дополнение можно привести аналогичное объяснение зон высокого давления.

Холодные фронты на поверхности имеют тенденцию изгибаться и вытягиваться под волной сверху. По показаниям нашего барометра или высотомера мы можем констатировать понижение или повышение давления.

Понижение давления говорит о приближении фронтов (и холодного, и теплого) или циклона, в то время, как повышение давления указывает на удаление фронта. Изменение от понижения к повышению указывает на проход фронта. Барометры маркированные "буря-дождь-переменно-ясно-сухо" используют связь изменения давления с фронтами и барическими системами. В главе 12 мы научимся предсказывать погоду, пользуясь барометром более детально.

МЕСТНЫЕ СИСТЕМЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Циклоны могут разрастаться до таких размеров, что покрывают полконтинента. Но они могут быть более мелкими и иметь другой механизм образования, не связанный с изменением течения воздуха в верхних слоях. Например, поверхность, которая нагревается больше, будет теплее, чем окружающая. Воздух прогреется и поднимется вверх. В этом месте сформируется местная зона низкого давления. Это важно для объяснения механизма образования бризов и других локальных течений. Подробнее это будет исследовано в главе 7.

В немного больших масштабах постоянные летние зоны пониженного давления в Калифорнии образуются над Американскими юго-западными пустынями. Серии таких зон возникают над восточными отрогами Скалистых гор и вдоль южных склонов швейцарских Альп. Зона низкого давления у Скалистых гор инициирует приток воздуха из бассейна Миссисипи. Эти ветры в летние месяцы пересекают всю территорию с востока на запад (см. рис. 59).

Рис. 59. Барическая система Скалистых гор

Из-за эффекта Кориолиса они поворачивают к северу, приводя к южным ветрам на Великих равнинах и увлекая на материк влажный воздух из Мексиканского залива, приносящий в Канзас и окружающие штаты грозы, бури, штормы. Аналогичным образом циклон возле Альп притягивает влажность, туманы и моросящие дожди на север Италии. Позднее мы изучим погоду в тропиках и продолжим разговор о локальных циклонах. Теперь мы знаем, что барические системы низкого и высокого давления всегда соседствуют и, взаимодействуя, создают ветры и определяют погоду. Давайте рассмотрим это более детально. На рисунке 60 показаны циклоны и антициклоны, их размещение и примерные границы. Летом антициклоны имеют тенденцию формироваться над водной поверхностью (она холоднее), а циклоны над сушей, зимой наоборот.

Рис. 60. Летние барические системы

В антициклоне у поверхности повышенное давление, это определяет направление ветров. Воздух движется от центра к периферии. В циклоне — картина обратная. Условно это можно изобразить, как показано на рисунке 61.

Рис. 61. Течения вокруг барических систем

Здесь потоки текут с высоких точек в низкие. Однако свои поправки вносит опять эффект Кориолиса.

В северном полушарии по токи доворачивают вправо. Поэтому в антициклоне воздух, двигаясь от центра поворачивает по часовой стрелке (если смотреть сверху). В южном полушарии эффект Корриолиса приводит к повороту влево и движению воздуха в антициклоне против часовой стрелки. Учитывая вышесказанное, можно предположить движение воздуха и в циклоне.

Это важно знать пилотам для определения ветра по синоптической карте, на которой нанесены фронты и барические системы.

Когда циклоны и антициклоны формируются из-за тепловых процессов (а не из-за циркуляции на высотах), они располагаются и взаимно поддерживают друг друга, как показано на рисунке 62.

Рис. 62. Модель циркуляции

Здесь мы видим более высокое давление на поверхности с перетеканием воздуха в зону меньшего давления. Наверху мы видим относительно высокое давление над низким, что толкает воздух для выравнивания давлений. Это течение продолжается до тех пор, пока действует прогрев. Важно обратить внимание, что воздух поступает или опускается сверху около высокого давления, в то время как он поднимается над низким давлением. Это основная модель движения в барических системах, вне зависимости от причин их возникновения. Воздух в антициклоне опускается, что приводит к сжатию, нагреву, уменьшению относительной влажности и увеличению стабильности. Воздух в циклоне поднимается, в результате он расширяется, охлаждается, увеличивается относительная влажность и уменьшается стабильность.

Опускающийся воздух вверху снижается со скоростью всего несколько сантиметров в минуту, но этого достаточно, чтобы небо очистилось, и ясная погода у нас всегда ассоциировалась с антициклоном. Ирония в том, что добавляющийся воздух вверху приводит к большей стабильности воздушных масс, что является главной причиной инверсии. Это обычное явление в непустынных районах умеренной климатической зоны. Даже вслед за холодным фронтом в антициклоне с большой вероятностью следует погода, несущая низкий уровень нестабильности и термической активности, несмотря на чистый холодный воздух, хорошо пропускающий солнечные лучи, согревающие землю и создающих нестабильность на малых высотах. Однако, если антициклон задерживается на несколько дней, над этой территорией воздух постепенно стабилизируется и термическая активность прекращается совсем.

Поднимающийся воздух в циклоне приводит к большому количеству облаков и осадкам. Он также может вызвать нестабильность, вплоть до образования грозы. В основном, приближение циклона вызывает недовольство пилотов во влажных районах, потому что никто не любит летать в дождь.

ИЗОБАРЫ

Достаточно трудно вести разговор о барических системах без упоминания об изобарах. Изобары это линии одинакового давления на картах погоды. Это слово пришло к нам из Греции, Iso обозначает равный, bar переводится как вес или давление.

Изобары очень похожи на изображения холмов и впадин на топографических картах, как на рисунке 61, что делает карты погоды очень похожими на топографические. Изобары на рисунке 63 окружают циклон и антициклон. Кроме основных, различают барические системы с незамкнутыми изобарами: ложбина — вытянутая в виде желоба от центра циклона полоса пониженного давления, располагающаяся между двумя областями повышенного давления; гребень — вытянутый клином от центра антициклона полоса повышенного давления, располагающаяся между двумя областями пониженного давления; седловина — барическая область между двумя крест-накрест расположенными циклонами и антициклонами.

Изобары наносят на карту с шагом обычно 4 гПа или 2 гПа если давление изменяется медленно и надо показать более детально (рис. 63). Более частые линии изобар говорят о большем изменении давления в направлении, перпендикулярном изобарам. Расстояние между изобарами мы называем градиентом давления. Больший градиент давления приводит к большим силам, движущим воздушные массы, к более сильным ветрам.

Рис. 63. Изобары вокруг барических систем

Мы можем заметить закономерность между скоростью ветра и частотой изобар: чем плотнее располагаются изобары, тем сильнее ветер. В таблице показана зависимость расположения изобар у поверхности для ветра 24 км/ч. Отметим, что это изменение с широтой связано с эффектом Кориолиса, который всегда противостоит силе градиента давления.

В холмистых и горных районах интервал между изобарами для ветра 24 км/ч должен быть меньше из-за эффекта торможения. Важно знать свой район, в смысле зависимости плотности изобар и скорости ветра.

Интервал между изобарами для ветра 24 км/ч

Широта ∙ Интервал (км)

60 ∙ 230

55 ∙ 245

50 ∙ 260

45 ∙ 282

40 ∙ 312

35 ∙ 349

30 ∙ 397

25 ∙ 475

20 ∙ 582

ИЗОБАРЫ И ВЕТЕР

Понятно, что воздух получает импульс для движения от барических систем перпендикулярно изобарам. Однако, как показано ранее, эффект Кориолиса приводит к повороту ветра. То есть достигается определенный баланс между силами Градиента давления, эффектом Кориолиса и центробежными силами (приложение II). На рисунке 64 мы видим карту погоды, где показаны барические системы на высоте 6000 м над Северной Америкой. Стрелки показывают направление ветра: по часовой стрелке вокруг антициклона, наоборот вокруг циклона и всегда параллельно изобарам.

Рис. 64. Циркуляция на высоте

На поверхности ситуация несколько отличается.

Стационарные, обширные области высокого и низкого давления, воздушные течения на высоте и прогрев усложняют ситуацию у земли, как показано на втором рисунке. Также торможение воздушных масс, соприкосающихся с поверхноcтью, приводит к замедлению движения и уменьшению эффекта Кориолиса. В результате, у поверхности направление ветра не параллельно изобарам, а пересекает их. Угол пересечения может быть как маленький -10° над водой, где торможение минимально, так и большой — 40° или 50° над холмистой или горной местностью. Поток зимой и в высоких широтах с более холодным воздухом, а значит и более плотным, подверженным большему торможению, пересекает изобары под большим углом. Зная это, мы можем предположить направление и скорость ветра, имея карту давлении на поверхности.

В обоих барических системах и высокого, и низкого давления ветер усиливается с увеличением градиента давления. Причем, в антициклонах центробежные силы помогают силам градиента давления, противодействуя им в циклонах. Учитывая это, мы могли бы надеяться на более сильные ветра в антициклонах, но, фактически, все наоборот, потому что изобары расширяются при удалении от центра антициклона, в то время, как в циклонах, чем ближе к центру, тем больше градиент давления (сжатые изобары) и более сильный ветер. Также ветры имеют тенденцию ослабевать к центру антициклона, где воздух движется сверху и наоборот — в циклоне.

ЦИРКУЛЯЦИЯ НА ВЫСОТЕ

Уточним основную циркуляцию на высоте. Мы можем получить карту изобар для любой высоты, картинку распределения давления и, как дуют ветры. Метеостанции с помощью метеозондов определяют давление на различных высотах, данные обрабатываются центральным процессором и рисуются карты. Типичные таблицы погоды готовят для карт приземных, 850 гПа (~ 1600 м), 700 гПа (~ 3300 м), 500 гПа (~ 6000 м) и 300 гПа (~ 10 000 м). Эти высоты не точные, фактически таблицы показывают контуры определенного давления.

Циркуляция на высоте теряет такую детальность, как у поверхности, и показывает только какие-то характерные черты в крупных масштабах. Совершенно законченные, замкнутые циркуляции, это циклоны и антициклоны, частота их уменьшается с высотой. Чаще встречаются гребни в зонах высокого давления и впадины при низком. Типичная циркуляция в верхних слоях с характерными особенностями показана на рисунке 65.

Рис. 65. Гребни и впадины

Отметим, что гребень спускается вниз из центра возвышенности (высокого давления) и вращение воздуха по изобарам по часовой стрелке. Впадины тянутся из барических систем низкого давления и расположены там, где изобары вытянуты по направлению к экватору, в них циркуляция против часовой стрелки.

Эта модель, созданная для северного полушария, приемлема и южнее экватора. Мы видим, что основные западные ветры движутся вверх-вниз на гребнях и впадинах (рис. 58). Их называют длинные волны, и, обычно, их от трех до семи вокруг земного шара. Они накладываются на короткие волны, показанные на рисунке 65.

Длинные волны чаще всего движутся медленно, дрейфуя в восточном направлении или стоят на месте несколько дней. Воздушные течения вокруг них могут нести тропический воздух далеко на север и полярный далеко на юг. Короткие волны, быстро двигаясь, пересекают длинные волны. Ситуация на поверхности под серией коротких волн показана на рисунке 66. Волны вызывают серию центров низкого давления на поверхности.

Рис. 66. Волны у поверхности

ВПАДИНЫ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ

Когда формируется впадина в верхних слоях, она образует облака в поднимающемся воздухе так же, как система низкого давления. Обычно эти облака располагаются широким поясом на высоте, если, конечно, впадина не углубляется до земли. В этом случае, облака гуще и часто одаривают нас осадками типично, как облака в приземных циклонах.

Понимая процессы в верхних слоях, пилоты могут предсказать ветер и погоду до и после каких-то погодных явлений. В основном восходящие потоки и дожди предшествуют впадине в верхних слоях воздуха с юго-западными ветрами наверху и западными у поверхности (северо-западные наверху и западные у поверхности в южном полушарии), как на рисунке 67. Когда проходит гребень на высоте, дуют северо-западные ветры и западные у поверхности (юго-западные наверху с западными у поверхности в южном полушарии) и ясно. Отметим, что ветер поворачивает против часовой стрелки на высоте до впадины и по часовой стрелке, когда она проходит (в обоих полушариях).

Рис. 67. Впадина

СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ

На рисунке 43 показано расположение струйных течений на границах воздушных масс. Мы будем рассматривать, как они формируются в следующей главе, а здесь только констатируем, что скорость в них очень высока, более 320 км/ч на некоторых участках и направлены они с запада на восток. Струйные течения полярных фронтов, в основном, круговые вокруг Земли, но образуются в сегментах длиной 1600–4800 км.

Тропические струйные течения имеют тенденцию быть спокойнее, выше и короче. Полярные течения являются хорошим индикатором погоды у земли. Когда течение с плавным изгибом пересекает какую-нибудь территорию, как на рисунке 68, оно имеет малую область влияния и определяет в основном хорошую погоду южнее (севернее в южном полушарии). Когда струйное течение имеет сильный изгиб, как на второй части рисунка, оно определяет холодный фронт и формирование циклона, который за ним вскоре последует. Это течение обычно предшествует фронту за несколько часов или дней, хотя мощный фронт может располагаться и двигаться относительно струйного течения, как показано.

Рис. 68. Эффекты струйных течений

ВЫСОТНЫЕ ВЕТРЫ И МОДЕЛИ ДАВЛЕНИЙ

Даже когда нет концентрированных струйных течений, высотные ветры направляют движение барических систем и фронтов. Типичные формы низкого давления под направленными к полюсу потоками ветра показаны ранее. Циклоны двигаются медленно под этим течением, в конце концов застаиваются и рассеиваются.

Системы высокого давления также направляются высотными ветрами, но они дрейфуют в более южном направлении в северном полушарии и севернее — в южном. На рисунке 69 показаны типичные модели барических систем низкого и высокого давлений, дрейфующих летом и зимой.

Рис. 69. Движение барических систем

В определенные периоды года высотные ветры на некоторых территориях отсутствуют. Это позволяет основным барическим системам сохраняться дни и недели. Например, летом, когда струйные течения движутся на север в северном полушарии, на побережье Флориды устанавливается устойчивая зона высокого давления, называемая Бермудским антициклоном, выталкивающая теплый, влажный воздух на юго-восточные территории США. Похожий процесс происходит на побережье Португалии — Азорский антициклон, который влияет на погоду в Испании и Западной Европе, посылая теплый воздух и делая пляжи там очень привлекательными для отдыхающих.

Кроме того, хорошо известны устойчивые барические системы: летняя морская — Тихоокеанский антициклон в северном полушарии, Калифорнийский циклон и мощный теплый циклон на Среднем Востоке. Зима приносит антициклоны в Канаду и Сибирь и циклон в Исландию.

ПОГОДА В ТРОПИКАХ

Ниже широты 20° силы Кориолиса становятся незначительными настолько, что ветры дуют не параллельно изобарам, а пересекают их, увеличивая угол даже на высоте. Возле экватора воздушные потоки перпендикулярны изобарам. В дополнение, фронты и крупные барические системы редко посещают тропики, но ежедневные процессы, сезонные изменения, малые волны и тропические циклоны делают свое дело.

Солнечный прогрев очень сильно влияет на погоду и ветер в тропиках, потому что он здесь очень интенсивный. Тепловые системы низкого давления (рис. 62) формируются над сухими и голыми участками поверхности, в то время, как над более прохладными территориями (озера и леса) образуются системы относительно более высокого давления. Горы и другие топографические особенности приводят к изменению дневных потоков воздуха. Погода в тропиках имеет тенденцию повторяться изо дня в день в данный сезон.

Другие ежедневные эффекты связаны с атмосферными течениями. Также как океан водный, океан воздушный имеет приливы и отливы дважды в день. Это ощущается по изменению давления на поверхности в 2–3 гПа. Если точно определить местное время на данной широте, то пик прилива наблюдается в 10:00 и 22:00, а отливы в 4:00 и 16:00. Эти приливы и отливы движутся с востока на запад и изменяют соответственно ветер.

Сезонные изменения в тропиках связаны с наклоном Земли и относительной миграцией пояса низкого экваториального давления (ITCZ) к северу и югу. ITCZ показана на рисунке 40 и состоит из экваториального пояса низкого давления с восточными ветрами, сходящимися к областям максимального прогрева. Рисунок 70 показывает ITCZ, типичные для января и июля с моделью ветров. Отметим, что ветры, в основном восточные, за исключением территорий, где ITCZ смещается дальше от экватора. В этом случае, они дуют с океана и несут сезонные дожди.

Рис. 70. Положение ITCZ

Пояс тропического высокого давления, который находится в районе 30-й параллели, часто показывают волны, движущиеся с востока на запад. Это так называемые восточные или поперечные волны. Летом и осенью в тропические районы каждые четыре — шесть дней они несут неустойчивую погоду с мощными высокими кучевыми облаками.

Некоторые из волн опускаются, и начинаются более серьезные явления. В этом случае они называются тропическими впадинами. Если давление продолжает падать и ветер усиливается, превышая 60 км/ч, система называется тропической бурей, если понижение давления продолжается и скорость ветра увеличивается до 115 км/ч и более — тропическим циклоном (тайфун или ураган). Тропические циклоны занимают территории в сотни километров. Они запасаются скрытым теплом паров, которые находятся во влажном воздухе над океаном.

Скрытое тепло реализуется, когда происходит конденсация при образовании облаков. Тропические циклоны — это гигантские тепловые двигатели и в сечении представляются такими, как показано на рисунке 71. Центральная часть, названная "глаз циклона", является зоной затишья, в то время, как вокруг бешеный ветер от вращающегося против часовой стрелки (в северном полушарии и наоборот в южном) воздуха.

Рис. 71. Вид урагана

Тропические циклоны имеют тенденцию двигаться к западу и к полюсу. Они могут оставаться далеко в море и, в конечном итоге, поворачивают в типичную широкую зону низкого давления, проникая в умеренные широты. В противном случае, они замыкаются на прибрежных территориях, принося бедствия и разрушения с ветрами более 160 км/ч. В этом случае, циклон быстро затухает, потому что земля прекращает поставлять тепло и влажный воздух. Когда такой шторм приходит на побережье, это может стать причиной сильных дождей и облаков, закрывающих более трети континента на несколько дней.

ПОГОДА НА ОСТРОВАХ

Многие из нас мечтают жить на островах в тропиках, но несмотря на привлекательные мягкие, спокойные океанские бризы, голубую кристально чистую воду и разнообразную первозданную природу, условия для полетов там не всегда идеальны. Определенно острова, размещенные в зонах устойчивых ветров или западных тихоокеанских воздушных течений, как Гавайи, получают эти дары природы постоянно: спокойные, надежные ветры, которые прекрасны для парения. Но большинство островов — это маленькие самостоятельные погодные системы.

Понятно, что острова не испытывают недостатка во влажном воздухе, обычно теплом. Когда земля на острове в течение дня нагревается, это формирует местную систему пониженного давления, что приводит к засасыванию воздуха со всех сторон (если отсутствует основной ветер). Это приводит к интенсивному образованию облаков над островами. Они растут вплоть до размеров грозовых с последующими сильными дождями. Облака над островами похожи на облака в горах (в виде шапки), но из-за очень влажного воздуха они образуются намного ниже. Если остров горный, он предрасположен к образованию облаков, которые появляются сразу после обеда. На рисунке 72 показан остров после обеда в спокойных и ветреных условиях. Если вы планируете посетить горный тропический остров, приготовьтесь летать пораньше.

Но есть много крупных островов, расположенных не в тропиках, такие как: Ванкувер, Лонг-Айленд, Азорские, Ирландия, Япония и др., на которых соединяются эффекты от морских бризов вдоль побережья, местных погодных условий и крупномасштабное движение воздушных масс (господствующие ветра). Поговорим об условиях на этих островах в следующих главах.

Рис. 72. Условия на островах

ИТОГИ

Изменяющаяся, движущаяся, кипящая атмосфера над нами есть воздушная система, которая пульсирует с циклическим тактом солнца и под действием гравитации. Для полного понимания мы должны начать с глобальных процессов в масштабах планеты и постепенно детализировать вплоть до местных явлений, но, учитывая все предыдущие эффекты. Необходимо постоянно наблюдать погоду, запоминать и анализировать явления. Даже метеорологи постоянно узнают что-то новое, всю жизнь учатся. Мы можем только надеяться, что полностью понимаем происходящие вокруг нас явления, на самом деле, надо продолжать наши исследования в воздухе, и тогда личные наблюдения, соединяясь с нашими элементарными знаниями неба, принесут крупные дивиденды: мастерство и безопасность.

Солнечный прогрев в комплексе с эффектом Кориолиса и гравитацией создают определенную модель циркуляции воздуха в масштабе планеты. Эта циркуляция создает дисбаланс в распределении температуры и давления, что является причиной возмущений или волн холодного воздуха от полюса и теплого от тропических районов, которые восстанавливают равновесие. Передняя кромка этих волн называется фронтом, и он определяет погоду в месте нахождения.

Ветры образуются из-за разности давлений. Изменение давления по расстоянию мы называем градиентом давления. На высоте модель давления укрупненная, расширенная, вызывающая сильные ветры, направление которых параллельно изобарам. У поверхности под действием трения ветры отклоняются и пересекают изобары под углом примерно 45°. Знание этого позволяет пилотам предсказать направление ветра по высотам и позволяет читать метеорологические карты.

Зная и понимая движение фронтов и барических систем, а также процессы, происходящие в них, пилоты могут предсказать погоду на день и даже два вперед.