Также по теме

ПРОЯВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА ЗЕМЛЕ

ПРОЯВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА ЗЕМЛЕ.

Динамика земной атмосферы.

Определяющее значение в системе Солнце – Земля играют неустойчивости, возникающие в условиях сильного отклонения от равновесия. Так как земная атмосфера стратифицирована по высоте, в поле тяготения она находится в неустойчивом равновесии. Изменение потока солнечной плазмы может вызывать достаточно сильное отклонение от равновесия, что приведет к дополнительному возникновению неустойчивости в целом ряде процессов в атмосфере Земли. Солнечная активность выступает как своего рода «спусковой крючок», дающий толчок развитию различных неустойчивостей.

Специфическими особенностями турбулентности в атмосфере является широкий спектр масштабов турбулентных неоднородностей (от мм до тыс. км) и существенное влияние вертикального распределения плотности на развитие мелкомасштабной турбулентности. Важную роль при формировании структуры турбулентности играют различного рода неустойчивости, присущие движущимся воздушным массам. В условиях сильно развитой турбулентности в атмосфере глобальная циркуляция воздуха также становится нестабильной. Возникают вихри, охватывающие пространство в тысячи километров и распадающиеся, в конце-концов, на более мелкие (от см до мм). При мелких размерах вихрей вязкость подавляет турбулентные флуктуации. Все течения в атмосфере, так или иначе связанные с конвекцией, оказываются не только сложными, но и неустойчивыми даже относительно слабых внешних возмущений.

Общая циркуляция атмосферы.

Основными факторами, влияющими на формирование климата Земли, является солнечная радиация, циркуляция атмосферы и характер подстилающей поверхности. Под их совместным влиянием происходит формирование климатических зон земного шара. Количество поступающего солнечного тепла зависит от ряда факторов. Определяющим является угол падения солнечных лучей. Поэтому на низких географических широтах поступает значительно больше солнечной энергии, чем на средних и тем более высоких широтах. Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс, происходящие в масштабах полушария или всего земного шара и приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере. Главная причина возникновения воздушных течений в атмосфере – неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара, поэтому солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли. Кроме притока солнечной энергии, к важнейшим факторам, вызывающим возникновение ветра, относятся вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверхности и трение воздуха о почву. В земной атмосфере наблюдаются воздушные движения самых различных масштабов – от десятков и сотен метров (местные ветры) до сотен и тысяч километров (циклоны, антициклоны, муссоны, пассаты, планетарные фронтальные зоны). В одной старинной книге так описывается циркуляция в атмосфере: «Экватор, словно горячий паровой котел. Белые шапки полюсов там – холодильники. А топка – это Солнце. Лучистое солнечное тепло нагревает котел – воздух экватора. Нагретый воздух поднимается и течет к холодильникам, там остывает и, опускаясь, течет понизу к экватору. Так над Землей вращается огромное воздушное колесо, которое приводит в ход Солнце». Это первое кольцо планетарной циркуляции. Однако вращение Земли отклоняет эти движущиеся массы вправо в северном полушарии, и влево – в южном. В итоге воздух течет не на север, а на северо-восток и где-то на уровне 30 градусов от экватора идет уже не по меридиану, а по широте с запада на восток. Накопление воздуха в районе 30 градуса широты в обоих полушариях приводит к образованию пояса повышенного давления над поверхностью Земли. От этого пояса воздух растекается в обе стороны, отклоняясь под действием сил Кориолиса. Часть воздушных масс, охлаждаясь, поворачивает назад – к экватору и движется в северо-восточном направлении. Такие воздушные потоки называются пассатами, они замыкают второе кольцо циркуляции атмосферы, кольцо пассатов. Другие массы идут дальше на север, но сила Кориолиса отклоняет их вправо. Здесь образуется система юго-западных и западных ветров, преобладающих в умеренных широтах. У северного полюса воздух, охлаждаясь, опускается вниз и растекается к югу, у южного – к северу,. при этом ветер приобретает направление с востока на запад. При встрече с воздухом умеренных широт происходит подъем этих воздушных масс. Так замыкается третье кольцо движения воздушных масс. Это очень упрощенная, устаревшая картина планетарной циркуляции, содержащая только три замкнутых кольца. В природе, однако, эти кольца связаны в единый механизм. Реальные ветры часто меняют свои маршруты. Экваториальный воздух иногда прорывается через пассатное кольцо и добирается до полюса. На средиземноморском побережье из-за затока арктического воздуха весной бывает так холодно, что замерзают сады. Кроме того, подстилающая поверхность Земли отличается большим разнообразием – материки, океаны и т.п. Каждый материк летом очень быстро нагревается, а зимой выхолаживается. Значит в «кухне планеты» есть и другие «котлы» и «холодильники», которые работают по-разному в каждом сезоне. Зимой материк – холодильник, а океан – котел, летом наоборот. Так в сложный круговорот воздуха вливается еще и колесо муссонов, которое летом вращается в одну сторону, а зимой – в другую.

Современные принципы классификации форм атмосферной циркуляции северного полушария Вангенгейма – Гирса.

Воздушные массы постоянно перемещаются вокруг земного шара. На скорость их движения оказывает влияние неравномерность поступления солнечной радиации и поглощение ее различными участками подстилающей поверхности и атмосферы, вращение Земли, термическое и динамическое взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, в том числе взаимодействие с океаном. Основной причиной атмосферных движений является неоднородность нагревания различных участков поверхности Земли и атмосферы. Подъем теплого и опускание холодного воздуха на вращающейся Земле сопровождается формированием циркуляционных систем различного масштаба. Совокупность крупномасштабных атмосферных движений получила название общей циркуляции атмосферы. Атмосфера получает тепло, поглощая солнечную радиацию за счет конденсации водяного пара и благодаря теплообмену с подстилающей поверхностью. Поступление скрытой теплоты в атмосферу зависит от подъема влажного воздуха. Так, тропическая зона Тихого океана является мощным источником тепла и влаги для атмосферы. Значительная теплопередача от поверхности океана происходит зимой там, где холодные воздушные массы приходят в районы теплых морских течений. Одним из наиболее крупномасштабных звеньев общей циркуляции атмосферы является циркумполярный вихрь. Его формирование обусловлено наличием в полярной области очагов холода, а в тропической зоне – очагов тепла. Циркумполярное движение и его проявление – западный перенос – представляют устойчивую и характерную особенность общей атмосферной циркуляции. В 1930-е были начаты исследования общей циркуляции атмосферы. Все синоптические процессы (СП) были разделены на элементарные (ЭСП), затем были сведены к трем формам циркуляции: западной (W), восточной (Е) и меридиональной (С). Процессы западной формы (W) характеризуются развитием зональных составляющих циркуляции и быстрым смещением барических образований с запада на восток. При развитии меридиональных форм циркуляции, когда формируются стационарные волны большой амплитуды, наблюдаются процессы форм Е и С. Распределение воздушных течений на земном шаре тесно связано с распределением давления, температуры и характером циклонической деятельности, поэтому в распределении ветра на Земле должна быть определенная зональность. Однако фактические направления ветров зимой и летом отличаются от ветров, предполагаемых зональной схемой. Наиболее четкую зональность имеют ветры в приэкваториальной зоне. В северном полушарии зимой и летом преобладают ветры северо-восточного направления, а в южном – ветры юго-восточного направления, пассаты. Наиболее отчетливо пассаты проявляются над Тихим океаном. Над материками и вблизи них пассаты нарушаются другой системой течений – муссонами, которые возникают из-за циклонической деятельности, связанной с большим перепадом температуры между морем и сушей. Зимой муссон направлен с континента на океан, а летом – с океана на континент. Ярко муссонный перенос воздушных масс наблюдается в прибрежных районах Восточной Азии и, в частности, в Приморьи, Воздушные массы перемещаются как у поверхности Земли, так и на больших высотах от Земли и не только в горизонтальном направлении, но и в вертикальном. Несмотря на то, что вертикальные скорости движения воздуха малы, они играют важную роль в воздухообмене по вертикали, образовании облаков и осадков и других погодных явлений. Есть и другие особенности в распределении вертикальных движений. Анализ синоптических карт показал, что температурные контрасты между полюсом и экватором неравномерно распределены по широте. Наблюдается сравнительно узкая зона, где сконцентрирована значительная часть энергии атмосферной циркуляции. Здесь отмечаются максимальные значения барических градиентов, а, следовательно, и скоростей ветра. Для таких областей было введено понятие высотной фронтальной зоны (ВФЗ), а связанные с ней сильные западные ветры стали называть струйными течениями или струями. Обычно скорость ветра вдоль оси струи превышает 30 м/с, вертикальный градиент скорости ветра превышает 5 м/с на 1 км, а горизонтальный градиент скорости достигает 10 м/с и более, сохраняясь на протяжении около 100 км. ВФЗ занимает большие географические пространства: ее ширина 800–1000 км, а высота 12–15 км при длине 5–10 тыс. км. ВФЗ включает в себя обычно один или несколько атмосферных фронтов и является местом возникновения подвижных фронтальных циклонов и антициклонов, перемещающихся по направлению основного (ведущего) потока. В периоды сильного развития меридиональных процессов ВФЗ как бы «извивается», огибая высотные гребни с севера и ложбины с юга. Общая циркуляция атмосферы представляет собой систему крупномасштабных воздушных течений над земным шаром. Эта система доступна изучению с помощью ежедневных синоптических карт, а также находит отображение на средних многолетних картах для земной поверхности и тропосферы. Область преобладания высокого или низкого давления на средних картах указывает на район, где находится центр действия атмосферы (ЦДА). ЦДА могут быть постоянными (азорский антициклон) и сезонными (сибирский антициклон, алеутская депрессия). Изучение особенностей общей циркуляции атмосферы позволило создать методы для прогнозирования погоды на сроки различной длительности.