Воздушные массы - это крупные массы воздуха тропосферы и нижней стратосферы, которые формируются над определенной территорией суши или океана и обладают относительно однородными свойствами - температурой, влажностью, прозрачностью. Они движутся как одно целое и в одном направлении в системе общей циркуляции атмосферы.

Воздушные массы занимают площадь в тысячи квадратных километров, их мощность (толщина) достигает до 20-25 км. Перемещаясь над поверхностью с иными свойствами, они нагреваются или охлаждаются, увлажняются или становятся суше. Теплой или холодной называют воздушную массу, которая теплее (холоднее) окружающей ее среды. Различают четыре зональных типа воздушных масс в зависимости от районов формирования: экваториальные, тропические, умеренные, арктические (антарктические) воздушные массы (рис. 13). Они отличаются, прежде всего, температурой и влажностью. Все типы воздушных масс, кроме экваториальных, делятся на морские и континентальные в зависимости от характера поверхности, над которой они сформировались.

Экваториальная воздушная масса формируется в экваториальных широтах, поясе пониженного давления. Обладает достаточно высокими температурами и влажностью, близкой к максимальной, и над сушей, и над морем. Континентальная тропическая воздушная масса формируется в центральной части материков в тропических широтах. Она обладает высокой температурой, низкой влажностью, сильной запыленностью. Морская тропическая воздушная масса образуется над океанами в тропических широтах, где преобладают довольно высокие температуры воздуха и отмечается высокая влажность.

Континентальная умеренная воздушная масса формируется над материками в умеренных широтах, господствует в Северном полушарии. Ее свойства изменяются по сезонам. Летом довольно высокая температура и влажность, характерны осадки. Зимой низкие и крайне низкие температуры и невысокая влажность. Морская умеренная воздушная масса формируется над океанами с теплыми течениями в умеренных широтах. Летом она прохладнее, зимой - теплее, отличается значительной влажностью.

Континентальная арктическая (антарктическая) воздушная масса формируется над льдами Арктики и Антарктиды, обладает крайне низкими температурами и небольшой влажностью, высокой прозрачностью. Морская арктическая (антарктическая) воздушная масса образуется над периодически замерзающими морями и океанами, ее температура несколько выше, влажность больше.

Воздушные массы находятся в постоянном движении, при их встрече образуются переходные зоны, или фронты. Атмосферный фронт - пограничная зона между двумя воздушными массами, обладающими разными свойствами. Ширина атмосферного фронта достигает десятков километров. Атмосферные фронты могут быть теплыми и холодными в зависимости от того, какой воздух надвигается на территорию и какой вытесняется (рис. 14). Чаще всего атмосферные фронты возникают в умеренных широтах, где встречаются холодный воздух из полярных широт и теплый из тропических широт.

Прохождение фронта сопровождается изменениями в погоде. Теплый фронт перемещается в сторону холодного воздуха. С ним связаны потепление, слоисто-дождевые облака, приносящие моросящие осадки. Холодный фронт перемещается в сторону теплого воздуха. Он приносит обильные кратковременные ливневые осадки, часто со шквалистыми ветрами и грозами, и похолодание.

Циклоны и антициклоны

В атмосфере при встрече двух воздушных масс возникают крупные атмосферные вихри - циклоны и антициклоны. Они представляют плоские вихри воздуха, охватывающие тысячи квадратных километров при высоте всего 15-20 км.

Циклон - атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре, с системой ветров от периферии к центру против часовой стрелки в Северном полушарии. В центре циклона наблюдаются восходящие потоки воздуха (рис. 15). В результате восходящих потоков воздуха в центре циклонов формируются мощные облака и выпадают атмосферные осадки.

Летом во время прохождения циклонов температура воздуха снижается, а зимой повышается, начинается оттепель. Приближение циклона вызывает пасмурную погоду и изменение направления ветра.

В тропических широтах от 5 до 25° обоих полушарий возникают тропические циклоны. В отличие от циклонов умеренных широт они занимают меньшую площадь. Тропические циклоны возникают над теплой морской поверхностью в конце лета - начале осени и сопровождаются мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы, обладают огромной разрушительной силой.

В Тихом океане тропические циклоны называют тайфунами, в Атлантическом - ураганами, у берегов Австралии - вилли-вилли. Тропические циклоны переносят большое количество энергии от тропических широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. За свою непредсказуемость тропическим циклонам дают женские имена (например, «Катрин», «Джульетта» и др.).

Антициклон - атмосферный вихрь огромного диаметра (от сотен до нескольких тысяч километров) с областью повышенного давления у земной поверхности, с системой ветров от центра к периферии по часовой стрелке в Северном полушарии. В антициклоне наблюдаются нисходящие потоки воздуха.

Как зимой, так и летом для антициклона характерны безоблачное небо и безветрие. Во время прохождения антициклонов погода солнечная, летом жарко, а зимой очень холодно. Антициклоны образуются над ледовыми покровами Антарктиды, над Гренландией, Арктикой, над океанами в тропических широтах.

Свойства воздушных масс определяются районами их формирования. При их перемещении из мест своего формирования в другие они постепенно меняют свои свойства (температуру и влажность). Благодаря циклонам и антициклонам между широтами осуществляется обмен теплом и влагой. Смена циклонов и антициклонов в умеренных широтах приводит к резким изменениям погоды.

Вихревые движения очень характерны для атмосферы. Среди многих непрерывно возникающих и затухающих вихрей особенно выделяются своими грандиозными размерами циклоны и антициклоны. Диаметр антициклона может достигать нескольких тысяч километров. Большой циклон способен кратковременно охватить сразу почти всю Европу. Ежегодно над ее территорией проносится до сотни серий циклонов, которые активно влияют на состояние погоды.

Циклон охвачен системой круговых ветров. Воздух в таком вихре перемещается по спирали вокруг центра и медленно к нему приближается, двигаясь в Северном полушарии против часовой стрелки с некоторым отклонением в нижнем слое к центру, а в Южном полушарии - по часовой стрелке с таким же отклонением в нижнем слое. Так как в центре скапливаются большие массы теплого влажного воздуха, значительная его часть несется вверх, где оно охлаждается, в результате чего образуются облака высокой плотности, выпадают осадки продолжительный типа. Когда давление в центре начинает расти, циклон разрушается.

В антициклоне давление падает от центра к периферии, соответственно и ветры дуют так же, но отклоняясь в Северном полушарии вправо (то есть по часовой стрелке), а в Южной - влево от своего первоначального направления. Для антициклона характерны нисходящие движения воздуха, в результате чего он нагревается и выходит из состояния насыщения водяным паром. Поэтому в области антициклона наблюдается ясное или малооблачная погода.

В формировании циклонов и антициклонов можно выделить три стадии: возникновение, развитие и старение. Продолжительность каждой стадии - 1-2 суток. Чаще всего циклоны возникают и развиваются в местах встречи течений теплого и холодного воздуха, которые движутся в противоположных направлениях. Проковзуючы один относительно другого, эти потоки с разными температурами и плотностями воздуха создают волны на фронтальной поверхности, напоминает дугу, свернутую вогнутостью в сторону теплого воздуха. Отрезок этой дуги, расположенный в передней, восточной части циклона, является теплым фронтом, западная же часть, расположенная в тыловой части циклона, является холодным фронтом. Под влиянием барических возмущений возникают слабые ветры.

Следующая стадия характеризуется дальнейшим углублением разницы в давлении между центром и периферией барической системы. Ветры усиливаются. Восходящие движения воздуха проявляются с наибольшей интенсивностью и часто достигают верхней тропосферы. Поэтому в передней части циклона формируется значительный облачный покров, а в зоне теплого фронта выпадают обложные осадки.

На заключительной стадии циклон заполняется холодным воздухом. Это происходит в результате адвекции холодного воздуха, а также его охлаждения при восходящем движении. Циклон завершается окклюзией, то есть его угасанием и разрушением системы облаков. Активные процессы протекают только на периферии, где могут возникнуть новые вихревые образования. Циклоны в основном идут сериями, при этом каждый последующий циклон проходит несколько южнее предыдущего.

Иначе происходит формирование антициклона. В начальной стадии их развития фронта расположены далеко друг от друга. Впоследствии между ними, в нейтральной зоне, антициклон становится мощной барического системой с высоким давлением в центре, в результате чего воздух отсюда растекается на периферию. На место воздуха, разошлось в приземном слое, опускается воздуха из высших слоев атмосферы. При опускании такой воздух попадает под большее давление, сжимается и нагревается. В результате этого процесса облака, если они были, рассеиваются. Поэтому в антициклоне устанавливается солнечная погода: сухая и жаркая летом и с морозами зимой. Ночью в антициклоне становится довольно прохладно из-за отсутствия на небе облачного покрова, не способствует сохранению тепла. Днем в связи с нагревом земной поверхности неутомимым солнцем, особенно летом, возникают вертикальные потоки теплого влажного воздуха (конвекция), в результате чего могут образоваться легкие облака. Иногда, при очень сильной конвекции внезапно проходят грозы, но они длятся недолго.

Антициклоны, в отличие от циклонов, перемещаются медленно, в среднем со скоростью 25 км / ч и часто подолгу могут задерживаться на одном месте. Чаще всего антициклоны надвигаются на нашу страну зимой с северо-запада, а летом - с юго-запада. Только сибирские антициклоны приходят к нам в холодное время с востока.

Характерная особенность большей части районов умеренных широт - частое чередование циклонов и антициклонов. Это обусловливает постоянное изменение ясной и облачной погоды, направления ветра, значительные колебания температуры и, как следствие, кратковременные потепления и похолодания. В отдельные годы создаются такие условия, что в одних и тех же районов чаще обычного поступают, например, антициклоны. В таких случаях они на некоторый период будто застаиваются. Если это случается летом, воздух в них быстро нагревается и высушивается. Так постепенно возникает недостаток влаги в почве, которая со временем может перерасти в засуху.

В умеренных широтах циклоны перемещаются преимущественно с запада на восток. Теплый влажный воздух таких циклонов поступает из Атлантического океана. Холодный воздух заходит в их тыл с северных части акватории или полярных районов. Нередко циклоны перемещаются в умеренных широт из субтропиков. Теплый воздух таких циклонов имеет очень высокую температуру и вызывает значительное потепление не только зимой, а и летом.

Циклоны почти всегда находятся в движении. Скорость их перемещения может быть разной, уменьшаясь по мере старения циклона. Чаще всего они движутся со скоростью 30-40 км / ч, проходя за сутки 1000-1500 км и более. Иногда они несутся со скоростью легкового автомобиля. Бывают случаи, когда циклон, достаточно быстро двигался, вдруг замедляется и становится малоподвижным. По мере приближения центра циклона давление воздуха снижается - "барометр падает", предвещая осадки. Но если влажность недостаточна или температура воздуха высокая, барометр может и "ошибиться".

Ветры в циклонах иногда достигают ураганной силы. Чаще всего это наблюдается над северными районами Атлантики и Тихого океана, а также на северо-западе Европы, где циклоны развиваются очень интенсивно. Такие циклоны приносят иногда большой ущерб хозяйству и населению, потому что они сопровождаются очень сильными ливнями, метелями, бурей, наводнением. Так, в сентябре 1997 года под влиянием их длительного действия на реке Висле произошла крупнейшая наводнение, в результате чего погибли более ста человек. В Украине особенно свирепствовали циклоны в июне 1969 года. В Карпатах за сутки выпала месячная норма осадков, что привело к резкому повышению уровня воды в реках Днестр, Прут, Случь. Много бед и вреда в регионе вызвали некоторые циклоны и в последующие годы.

Еще более известны, чем огромные циклоны умеренных широт, тропические циклоны, хотя они значительно уступают своим размерам. Причина их развития - мощная энергия, которая попадает в воздух при конденсации в нем огромной массы водяного пара, содержащегося в тропосфере низких широт. Они зарождаются над океаном между 5 и 20 ° широты и движутся с востока на запад, а затем (в Северном полушарии) возвращают на северо-запад, север и северо-восток.

Разрушительное действие тропических циклонов чрезвычайно велика. Скорость ветра достигает 250 км / ч, а иногда и больше. При такой скорости ветер способен переносить массивные вещи на значительные расстояния. Даже современным кораблям трудно бороться с тропическими ураганами, поэтому они спешат заранее избежать встречи с ними.

Тропические циклоны в зависимости от района их зарождения получают разные названия. Тихоокеанские циклоны называют тайфунами, в Северной Атлантике - ураганами, в Индии - циклонами, в Австралии - вилли-вилли. Есть еще Вест-Индской ураганы, ураганы Зеленого Мыса и тому подобное.

Каждому тропическом урагана для удобства их учета принято давать человеческие имена. По международной договоренности с 1953 г.. Тропические циклоны Северного полушария, достигали штормовой силы (скорость ветра 17 м / с), получали женскую собственное название. Первый ураган в новом календарном году называли Анжела, Алиса, Абби или иным именем, но оно обязательно начиналось с буквы "А". Согласно БУРЯ была уже на букву "Б" (например, Бетти, Бетси, Бренда и т.п.), и так далее по алфавиту. В Южном полушарии им присваивали по такому же принципу мужские имена. В восьмидесятых годах увенчалась успехом "кампания за равноправие" и ураганам стали давать везде на планете как женские так и мужские имена. Кроме этого, существует правило исключать из употребления на несколько лет название каждого наиболее жестокого урагана.

Тропический циклон охватывает тропосферу до высоты 8-12 км. Особенностью его строения является наличие "глаза" бури (зона невозмутимого покоя размером от 5 до 200 км в центре урагана), которая связана с нисходящим движением воздуха. Резкое усиление ветров на периферии обусловлено интенсивным поднятием воздуха и температурными контрастами. Чем ярче выражено "глаз", то есть чем меньше облачность и высокая температура (примерно на 6-12 ° С) по сравнению с температурой окружающего воздуха, тем "безбашенные" ураган (тайфун).

Разрушительные ураганы бушуют ежегодно. Всего на земном шаре за год наблюдается в среднем не менее 70 тропических циклонов с штормовыми и ураганными ветрами, из них около 20 тайфунов - в Тихом океане. Жителям тропиков приходится всегда быть готовыми к встрече со страшной силой циклона. Подсчитано, что среди всех метеорологических катастроф на тропические ураганы и вызванные ими наводнения приходится до 80% человеческих жертв. Тропические циклоны (тайфуны) вместе с землетрясениями и извержениями вулканов делят печальную славу самых ужасных природных бедствий на Земле.

Все циклоны и антициклоны вместе взятые выполняют большую работу по горизонтали и вертикали перемещения больших масс воздуха. Этот процесс очень важен для перераспределения тепла и осадков на земном шаре. Да, именно многочисленным циклонам обязана Европа тем, что ее зимы не такие суровые, как на этих же широтах в Северной Америке, а влажность летом в основном достаточно для выращивания различных культурных растений. Атмосферные вихри определяют формирование и резкие изменения погоды, особенно в умеренных и полярных широтах. Теплый воздух переносится циклонами далеко на север, а массы холодного воздуха зимних антициклонов, наоборот, к югу.

Изменения погоды, которые возникают под действием циклонов и антициклонов, имеют большое значение для сельского хозяйства, авиации, морского транспорта и многих других отраслей. Поэтому многим людям небезразлично, где и когда возникают эти огромные атмосферные вихри, которые причины их формирования и развития, куда и с какой скоростью они перемещаются, как долго продлится их существования и др. На основе изучения этих явлений совершенствуются методы и повышается достоверность прогноза погоды, а население различных регионов земного шара заблаговременно оповещается о ее возможных изменениях.

Солнце рождает циклоны,

Ураганы, пассаты, муссоны.

Они движутся, как по трассе болиды

От Шпицбергена до Антарктиды.

В Австралии – вилли-вилли, в тропиках Тихого океана – тайфуны, в Атлантике – ураганы, все эти специфические названия относятся к циклонам. Такие циклоны имеют высокую скорость перемещения, обладают разрушительной силой и приводят к наводнениям. Поскольку все любят хорошую погоду, поэтому начнем с антициклонов, с которыми связывают солнечную погоду.

Господствующие в науке взгляды на причины, вызывающие возникновение и перемещение циклонических образований в атмосфере, трактуют не совсем корректно. А точнее, не дают четкого объяснения причин высокого давления в антициклонах и низкого в циклонах. Почему возникает именно такая разность в атмосферном давлении в циклонических образованиях и как она образуется? Вот об этом данная статья.

Предварительно необходимо напомнить общие характерные черты названных вихрей.

В антициклонах практически нет фронтов, барические градиенты и ветры внутри антициклонов весьма слабы, а на поверхности Земли возможны штили. В связи с нисходящим движением воздух в антициклоне не насыщается влагой, не происходит облакообразование, преобладает малооблачная и сухая погода. Движение воздушных масс связано с противоградиентным вытеканием их в слое трения от центра к периферии.

В зимний период наблюдаются обширные антициклонические образования над Монголией, в Сибири, Антарктидой. В данных районах продолжительное время преобладает высокое атмосферное давление. С морозным воздухом вроде бы понятно, подсказывает опыт с открытой форточкой – он сильнее притягивается землей. Но почему в летний период в антициклоне конвективные потоки воздуха идут наоборот, не вверх, а вниз? Хотя, казалось бы, присутствуют все предпосылки для восходящих потоков: стоит жаркая погода, безветрие, поверхность земли нагревается, а сам антициклон распространяется на тысячи километров (до 3-4 тысяч км).

Посмотрим на рисунок 1.

Рис. 1

Данный рисунок прекрасно иллюстрирует происходящее в антициклоне процессы. В центре антициклона высокое давление, вызванное оседанием воздуха, который, в приземной области, медленно закручивается и постепенно выдавливается на периферию. Направление вращения противоположно циклоническому, в северном полушарии – по часовой стрелке и против часовой стрелки – в южном.

От продолжительного воздействия антициклона может возникнуть засуха, потрескаться земля, пересохнуть мелководные водоемы.

Возникает вопрос, почему в этих условиях конвективный поток инвертирован и возникает высокое давление? Каждый из нас прекрасно знает, что благодаря конвективным потокам, нагретый воздух всегда поднимается вверх. В детстве мы все ходили в походы и наблюдали картину, когда в ночном небе, над разгоревшимся костром, взлетали тысячи светящихся искр и пропадали в вышине за пределом человеческого видения. С подбрасыванием новой порции дров и хвороста картина повторялась с новой силой.

Возьмем второй пример: любители русской бани наблюдали аналогичную картину в парной, когда кружка вылитой воды на горячие камни, вызывала визуально видимый выброс пара к потолку, где он постепенно растекался в разные стороны, а затем, охлаждаясь, медленно опускался вниз, заставляя своим теплом прикрывать голову.

Существуют две главные теории. 1) Конвекционная теория объясняет появление циклонических или антициклонических вихрей, как результат первичного местного нагревания или охлаждения . 2) Адвективно-динамическая теория говорит, «что изменение давления происходит в результате действия двух факторов: изменения давления в результате горизонтального переноса (адвекции) масс воздуха, и изменения давления, происходящего за счет отклонения действительного ветра от градиентного (агеострофичности). Первая составляющая была названа адвективной, вторая – динамической» .

Да, действительно, в атмосфере Земли идут довольно сложные процессы, связанные с изменением давления и перемещением воздушных масс. Особенно сложные перемещения идут в циклонических вихрях. Управляет всеми этими процессами наше светило – Солнце.

Но вернемся к антициклонам и, применив гипотезу фотонно-квантовой гравитации (см. « ») и превращении фотона в крафон (см. « »), легко разберемся с погодой в антициклонах.

В антициклоне в дневное время происходит нагрев земной поверхности, в связи с этим, увеличивается интенсивность электромагнитного излучения – крафонов Земли, которые с большей частотой и энергией начинает обстреливать атмосферу. В приземной области воздушного бассейна находятся преимущественно двухатомные молекулы тяжелых газов: азот N 2 , кислород О 2 , углекислый газ СО 2 . Молекулы воздуха, поглощая электромагнитное излучение, трансформируют это излучение в виде вторичного излучения – крафонов с импульсами придачи.

При попадании крафона Земли в электромагнитное поле действия того или иного атома молекулы воздуха, происходит гравитационное взаимодействие (притяжение) между данными полями. После чего молекула получает импульс движения в сторону земной поверхности. В свою очередь, атом молекулы от полученной энергии «перегревается» (возбуждается), и испускает свою электромагнитную волну – крафон. Данный крафон испускается по градиенту, т.е. в направлении наибольшего перепада температуры. Учитывая, что молекулы в основном двухатомные, то в зависимости от того какой из атомов получит квант энергии, верхний или нижний, относительно земной поверхности, соответственно, от его местоположения, преимущественно нормально оболочке молекулы, будет испущен вторичный крафон.

Рассмотрим картину, представленную на рис. 2, где показана молекула кислорода в трех положениях.

Рис. 2

Земля, обладая энергией, постоянно испускает тепловые крафоны, которые устремляются в атмосферу по векторам А и эпизодически попадают в молекулу О 2 .

В данной момент нас интересуют только направленные движения молекул воздуха к поверхности Земли либо от нее. На рис. 2b, молекула развернута к земной плоскости под углом 45 0 . В этом положении атом №1 затенен от излучения Земли на 1/3 своего диаметра, поэтому поглотителем земного излучения, в большинстве случаев, является атом №2. После возбуждения его крафон будет направлен преимущественно, в сторону Земли, по вектору B 4 . Возможность атома №1 получить квант энергии меньше, чем у его собрата, но эта возможность не исключается и когда такое происходит, то молекула, после отстрела крафона данным атомом, будет двигаться по вектору B 3 .

На рис. 2с атом №1 затенен, поэтому приемником и излучателем выступает атом №2. Данный атом поглощает излучение земного кванта и переходит в возбужденное состояние, при этом сам отстреливает вторичный крафон с импульсом придачи. После чего молекула устремляется по вектору В 5 , в данном случае, к поверхности Земли.

Анализ показал, что нижний атом молекулы, направленный на Землю, будет чаще получать энергию и излучать ее, соответственно, в этом направлении будет больший поток крафонов–импульсов движения данной молекулы. В этом направлении и будет преимущественное направление молекул воздуха, т.е. на Землю. Вот так в антициклонах возникает ответная реакция со стороны воздушных масс, крафоны которых с большей частотой обстреливают Землю и под воздействием импульсов придачи, сближаются с ней. Атмосферное давление возрастает.

Верхний атом, по отношению к горизонтали Земли, может получить фотон от облаков, рельефа местности, зданий, деревьев и даже травы, а также от соседних молекул; в том же направлении будет направлен и его ответный крафон.

В зимние периоды, в морозную погоду ситуация не меняется, все процессы идут по тому же сценарию. Возьмем Сибирь с ее «шапкой» холода – Верхоянск, Оймякон или, так называемый азиатский обширный антициклон, центр которого расположен над Монгольским плато. Температура на данной территории порой опускается ниже -50? С, это – зимний барический максимум. Такие барические области оказывают большое влияние на воздушные течения, погоду и климат значительных территорий. Верхние слои атмосферы сильно выхолаживаются и под действием электромагнитного излучения начинают подтягиваться к Земле. В результате плотность в приземном слое начинает повышаться. Процесс обмена тепловой, гравитационной энергией между поверхностью Земли и молекулами воздуха проходит по принципу, описанному выше. Нижние атомы, расположенные ближе к Земле, всегда получают кванты энергии чаще верхних, поэтому молекулы воздуха стремятся приблизиться к земной поверхности. Отсюда повышенное давление в антициклоне.

По этой же причине атмосфера не может оторваться от планеты Земля. Если планета менее энергонасыщена, например Марс, то он и не может удержать легкие молекулы.

Циклоны

Циклон или барометрический минимум – область пониженного давления, по сравнению с окружающими районами. Понижение давления в центральной части циклонической области увеличивает градиент давления, что приводит к усилению ветра. Возникают вертикальные градиенты, по которым конвективные потоки поднимаются вверх. В таких очагах интенсивной конвекции образуются мощные кучевые и кучево-дождевые облака, При установившемся движении воздушные массы перемещаются вдоль изобар против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии. На динамику такого вращения накладывается силы Кориолиса, связанные с суточным вращением Земли. Такое движение воздуха вдоль изобар носит название градиентного ветра (рис. 3).

Что происходит? Дождевые облака задевают макушки высоких деревьев, моросит дождь, температура понижается, казалось бы, по логике, атмосферное давление должно возрастать, а оно понижается.

Рис. 3

На самом деле происходит следующее. При обширном циклоне атмосферное давление воздуха понижается. Солнечное излучение (фотонное) до Земли практически не доходит, оно рассеивается и поглощается водяными парами в верхних слоях атмосферы и в облаках, тем самым, нагревая их. Происходит ответная реакция, они начинают больше испускать квантов – крафонов в сторону Солнца. За счет этого земная атмосфера поднимается над Землей. В то же время земная поверхность охлаждается, уменьшается количество испущенных крафонов с ее поверхности, атмосфера разрежается и давление уменьшается. Атмосфера поднимается вверх.

Вывод

Циклоны и антициклоны – природные явления, которые являются следствием динамических процессов, происходящих в атмосфере Земли под управлением Солнца. В антициклонах за счет краснофотонного излучения Земли создается повышенное давление и нисходящий поток воздуха. В циклонах, наоборот, солнечные фотоны перехватываются облаками, излучение Земли уменьшается, атмосферное давление понижается.

Источники

1. Фестиваль педагогических идей, http://festival.1september.ru/articles/506981/
2. Гуральник И.И., Дубинский Г.П., Мамиконова С.В., Метеорология, Гидрометеоиздат, Л., 1982.
3. Матвеев Л.Т., Курс общей метеорологии, Гидрометеоиздат, Л., 1984.
4. Ершов Г.Д..html#more-1305
5. Вайсберг Дж, Погода на Земле, Гидрометеоиздат, 1980.
6. Елагина Л.Ф., урок по теме «Атмосферные фронты, циклоны, антициклоны»
7. Любославский Г., Значение слова «Циклоны и антициклоны» в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона.2008.
8. Погосян Х.П., Туркетти З.Л., Атмосфера земли, Просвещение, Л., 1970.
9. Форрестер Ф., Тысяча и один вопрос о погоде, Гидрометеорологическое издательство, Л., 1968.
10. Циклоны и антициклоны, Ж. «Наука и жизнь», №3, 2008.

Барический градиент – вектор, характеризующий степень изменения атмосферного давления в пространстве.

Крафон – красный фотон

Еще совсем недавно, до изобретения спутников, метеорологи не могли и представить, что ежегодно в земной атмосфере возникает около 150 циклонов и порядка 60 антициклонов.

Теперь же ученым известно не только их количество, но и процесс образования, а также влияние на на Земле. Что же это за природные явления? Как они возникают и какую роль играют в земном климате?

Что такое циклон?

В тропосфере (нижнем атмосферном слое) беспрестанно появляются и исчезают атмосферные вихри. Многие из них довольно малы, но некоторые имеют огромный размер и достигают в поперечнике нескольких тысяч километров.

Если такой вихрь движется против часовой стрелки в северном полушарии или по часовой в южном, а внутри наблюдается область пониженного давления, то его называют циклоном. Он имеет колоссальный запас энергии и приводит к негативным погодным явлениям, таким как гроза, сильные ветры, шквалы.

В зависимости от места образования циклоны бывают тропические и внетропические. Первые возникают в тропических широтах и обладают небольшими размерами (несколько сотен километров в диаметре). В их центре обычно находится район диаметром 20–25 км с солнечной погодой, а по краям бушуют бури и ветры.


Внетропические циклоны, образуемые в полярных и умеренных широтах, достигают гигантских размеров и одновременно покрывают большие территории земной поверхности. В разных районах их называют по-разному: в Америке – , в Азии – тайфуном, а в Австралии – вилли-вилли. Каждый мощный циклон получает собственное имя, например Катрина, Сэнди, Нэнси.

Как возникает циклон?

Причина возникновения циклонов кроется во вращении земного шара и связана с силой Кориолиса, согласно которой при движении против часовой стрелки вихри отклоняются в левую сторону, а по часовой уходят вправо. Формирование циклонов происходит в тех случаях, когда теплые экваториальные массы воздуха встречаются с сухими арктическими потоками. При столкновении между ними возникает барьер – атмосферный фронт.

В попытке преодолеть эту границу холодные потоки оттесняют часть теплых слоев, а те, в свою очередь, сталкиваются с идущими за ними холодными массами и начинают вращение по эллипсоидной траектории. Постепенно они захватывают прилагающие воздушные слои, втягивают их в свое движение и перемещаются по поверхности Земли со скоростью до 50 километров в час.

Что такое антициклон?

Антициклоны, как видно из названия, выступают полной противоположностью циклонам и приносят на определенные территории хорошую погоду.


В их внутренней части находится область повышенного давления, а скорость движения варьируется от 30 до 40 километров в час в зависимости от полушария. Нередко антициклоны зависают в неподвижном состоянии, надолго сохраняя в конкретном регионе малую облачность, безветрие и отсутствие осадков.

В летнее время антициклоны приводят к жаре, зимой, напротив, – к сильным морозам. Возникают они в приполярных или субтропических широтах, причем при образовании над мощным ледовым покровом (например, в Антарктиде) становятся более выраженными.

Для антициклонов характерны резкие перепады температур на протяжении суток, что объясняет отсутствие осадков, которые, как правило, оказывают влияние на температуру и делают разницу в градусах не столь заметной. Иногда во время их движения над земной поверхностью появляются туманы или слоистые облака.

Как развиваются антициклоны?

Антициклоны имеют более сложную структуру, нежели циклоны. В северном полушарии в них передвигаются по часовой стрелке, в южном – против. К образованию антициклонов приводит вторжение холодных воздушных потоков в более теплые.


В результате в области столкновения повышается давление и образуется так называемый высотный гребень, под которым начинает формироваться центр вихря. По мере разрастания антициклоны достигают размеров до нескольких тысяч километров в диаметре и передвигаются с запада на восток, отклоняясь к нижним широтам.

Неравномерное нагревание подстилающей поверхности при участии отклоняющей силы вращения Земли может вызвать образование атмосферных вихрей.
Допустим, что замкнутый участок поверхности нагревается значительно сильнее, чем остальная поверхность. Очевидно, над таким участком возникнет восходящее движение воздуха, сопровождающееся растеканием (расходимостью) его наверху в стороны. Это приведет к появлению у поверхности замкнутой области пониженного давления с вихреобразным перемещением воздуха от периферии к центру. Вихревое поднятие в центре и растекание воздуха наверху обеспечивают отток приходящего с периферии воздуха и поддерживают низкое давление. Возникает восходящий атмосферный вихрь, существование которого возможно до тех пор, пока сохраняются причины, обеспечивающие отток воздуха наверху в стороны. Если отток прекращается, происходит заполнение воздухом области пониженного давления и выравнивание давления.
Можно также представить положение, при котором менее нагретый (охлаждающийся) участок окажется среди сравнительно теплой поверхности. В этом случае произойдет уплотнение воздуха, вызванный этим приток его наверху к центру и, как следствие, возникновение у поверхности замкнутой области повышенного давления с вихревым движением воздуха от центра к периферии (растекание). Место воздуха, ушедшего от центра, занимает воздух, опускающийся сверху. Возникает вихрь с нисходящим движением в центре. Если приток воздуха наверху прекращается, исчезают условия существования нисходящего вихря. Атмосферные вихри, обусловленные неравномерным нагреванием подстилающей поверхности, - явление не редкое, но, как правило, они имеют незначительные размеры и существуют недолго.
В атмосфере постоянно возникают, развиваются и исчезают вихри очень больших масштабов (диаметром от сотен до 2 тыс. км и более), называемые циклонами и антициклонами Роль этих вихрей в атмосферных процессах очень велика.
Циклоны - восходящие атмосферные вихри с сильно наклонной осью вращения, проявляющиеся у поверхности Земли замкнутой областью пониженного давления (барическим минимумом) с соответствующей системой ветров от периферии к центру (против часовой стрелки в северном полушарии).
Антициклоны - нисходящие атмосферные вихри с наклонной осью, проявляющиеся у поверхности Земли замкнутой областью повышенного давления (барическим максимумом) с соответствующей системой ветров, от центра к периферии (по часовой стрелке в северном полушарии). Вихри, образующиеся над неравномерно нагретой поверхностью, могут дать только первое представление о циклонах и антициклонах. В действительности структура циклонов и антициклонов значительно более сложная, а причины их образования еще окончательно не выяснены.

Формирование циклонов и антициклонов объясняют волновыми движениями потоков воздуха в средних слоях тропосферы.
При отсутствий причин, нарушающих геострофическое равновесие (равенство сил барического градиента и отклоняющего действия вращения Земли), воздух на высоте двигается вдоль изобар в северном полушарии вправо от направления барического градиента. Нарушение условий геострофического равновесия, постоянно наблюдающееся в природе (влияние подстилающей поверхности), вызывает отклонение потоков воздуха от направления изобар. Отклоняясь, поток воздает избыток воздуха по одну сторону изобар и недостаток - по другую. В том месте, куда поток принес воздух, давление повышается и изобары, отклоняясь в сторону пониженного давления, очерчивают гребни высокого давления. В том месте, где возникает недостаток воздуха (следствие отклонения потока), изобары, отклоняясь в сторону повышенного давления, оконтуривают ложбины низкого давления. Направление изобар приобретает волнообразный характер (рис. 60, а). Смещение изобар в сторону пониженного давления выражено сильнее, и поэтому на гребнях изобары расходятся, а в ложбинах сближаются. Следуя по направлению изобар, поток двигается также волнообразно (подобно извивающемуся водному потоку). При незначительной скорости движения он или обтекает гребни и ложбины, или двигается вместе с ними. Быстро двигающийся поток воздуха, сохраняя скорость, по инерции растекается в той части волны, где изобары расходятся, и сжимается в той части, где изобары сближаются.
Все изменения, происходящие в потоке воздуха на высоте, заметно отражаются на изменении давления у поверхности. Под областью растекания воздуха (расходимости) давление на поверхность резко ослабевает, возникает замкнутая область пониженного давления с вихреобразным движением воздуха к центру. В центре области низкого давления воздух поднимается, компенсируя недостаток его наверху, вызванный растеканием. Так образуется в нижнем слое тропосферы циклон .
Под областью сходимости потока давление резко повышается, и здесь формируется замкнутая область повышенного давления, в которой воздух растекается от центра к периферии. Отток воздуха компенсируется его опусканием в центре из области сходимости воздушного потока наверху. Таким образом формируется антициклон.
Возникшие в приземном слое тропосферы циклоны и антициклоны продолжают существовать только до тех пор, пока наверху процессы оттока воздуха от области расходимости и притока в область сходимости изобар оказываются интенсивнее процессов оттока и притока воздуха в центрах вихрей внизу.
Развитие гребней высокого давления может привести к их обособлению и к превращению в замкнутую область высокого давления - в высотный антициклон. В результате развития ложбин низкого давления могут сформироваться высотные циклоны (рис. 60, б).
Высотные антициклоны и циклоны не располагаются непосредственно над приземными. Ho в результате того, что, двигаясь в одну сторону с ними при отсутствии трения, они обладают большей скоростью, через некоторое время происходит их смыкание. Приземный антициклон смыкается с располагающимся над ним высотным антициклоном, приземный циклон - с высотным циклоном. Высотные зоны сходимости и расходимости исчезают, вместе с тем исчезают и условия для существования приземных циклонов и антициклонов, и они постепенно ликвидируются.
Наиболее благоприятные условия возникновения волнового движения существуют в зоне атмосферного фронта, т. е. там, где на коротком расстоянии быстро изменяются температура и давление. Поэтому и образование циклонов и антициклонов приурочено к фронтальной зоне, к климатическим фронтам. В циклоне стекание воздуха с разных сторон к центру приводит к сближению теплых и холодных потоков и создает условия для сохранения и развития фронта, проходящего через центр циклона. Циклоны, за редким исключением (возникновение в результате местного перегрева), имеют фронтальную структуру. На схеме развития фронтального циклоид (рис. 61) в верхней из трех горизонтальных частей рисунка (а) показаны распределение давления и часть волны воздушного потока на высоте 4-6 км над земной поверхностью. В средней части рисунка (б), можно видеть соответствующее распределение давления, ветров, воздушных масс и разделяющих их фронтов вблизи земной поверхности. Нижняя часть рисунка (в) - вертикальный разрез по линии А - А через область развития циклона.
На первой (1) из пяти вертикальных частей рисунка мы видим положение, предшествующее появлению приземного циклона. Наверху - часть волны с расходящимся потоком. У земной поверхности - стационарный фронт, разделяющий холодный и теплый воздух.
Фронтальная плоскость наклонна в сторону холодного воздуха; на рисунке 1, в видно, что холодный воздух течет под теплым.
Возникновение приземного циклона (2) под областью расходимости воздушного потока вызывает изменение в приземном движении воздуха, направляющегося теперь к центру циклона (2, б) . В результате фронт изгибается, причем изгиб начинает перемещаться вдоль линии фронта в направлении движения верхнего воздушного потока. Участок фронта в передней части изгиба (волны) становится теплым фронтом (он перемещается в сторону холодного воздуха), в тыловой части - холодным фронтом (перемещается в сторону теплого воздуха). Переход холодного фронта в теплый совпадает с центром циклона (это положение отображено на рис. 2, в).
В начальной (волновой) стадии развития циклон обрисовывается у поверхности одной изобарой. В дальнейшем идет расширение циклона, увеличение занятой им площади и вовлечение в циклоническое вращательное движение более высоких слоев - до 2-3 км - во второй стадии развития циклона. Это стадия типичного молодого циклона (3, а, б, в), характеризующегося хорошо выраженным теплым сектором, ограниченным сходящимися под острым углом в центре циклона теплым и холодным участками фронта. Происходит постепенное сближение теплого и холодного фронтов в результате более быстрого продвижения последнего (холодный фронт догоняет теплый).

В следующей стадии (4, а, б, в) - стадии окклюзии - циклон достигает максимального развития, перед тем как начинает постепенно заполняться. Наверху оформляется центр низкого давления, смещенный по отношению к приземному центру несколько в сторону холодного воздуха. Холодный фронт все более приближается к теплому и наконец смыкается с ним (4, в), образуя сложный фронт окклюзии. Процесс этот начинается от центра, и теплый сектор постепенно сокращается. Теплый воздух, выжимаемый наверх холодным, уже не соприкасается с поверхностью. Циклон оказывается полностью в холодном воздухе (становится термически симметричным). Некоторое время после окклюцирования он еще может углубляться, а затем начинает заполняться. В последней стадии развития - стадии заполняющегося старого циклона - циклон становится холодным образованием, захватывающим значительную толщу атмосферы (до 2-6 км и более). Циклоническая циркуляция распространяется часто на высоту всей тропосферы. Отток воздуха наверху прекращается, падение давления приостанавливается, и циклон ликвидируется (б). Циклоны обычно существуют несколько суток, двигаясь чаще с запада на восток с некоторым отклонением к северу. Скорость движения циклонов разнообразна, обычно 20-40 км в час (около 700 км в сутки), в отдельных случаях - более 2000 км в сутки. В начале развития циклон движется быстрее, затем движение замедляется и он становится малоподвижным.
Иногда циклон, прошедший все стадии развития, не заполняется окончательно, а начинает снова углубляться (регенерирует). Это происходит в том случае, если в область старого циклона вторгаются новые порции холодного или теплого воздуха, создавая резкие температурные контрасты. Особенно благоприятно для регенерации циклона встречное движение теплого и холодного воздуха.

На периферии старых, уже заполняющихся циклонов на участке холодного фронта нередко возникают новые циклоны (называемые частными), перемещающиеся в том же направлении, в каком перемещается первоначальный циклон, но только несколько южнее. Новый циклон проходит те же стадии развития, что и первоначальный, но, конечно, отстает от него, т. е. является более молодым. На холодном фронте этого циклона может появиться еще один частный циклон, расположенный южнее. Так, на одном общем фронте последовательно возникает до трехчетырех циклонов. Такая взаимосвязанная и последовательно развивающаяся группа циклонов называется серией или семейством циклонов (рис. 62). Прохождение циклонической серии занимает в среднем 5-6 суток, но в отдельных случаях может продолжаться и значительно дольше (до 12 суток).
Сотни фронтальных циклонов существуют одновременно в каждом из полушарий, оказывая огромное влияние на погоду внетропических широт. В тропических широтах также возникают циклонические вихри, но совершенно иной структуры - тропические циклоны.
Между циклонами возникают подвижные антициклоны , перемещающиеся с циклонами в направлении движения ведущего потока.
В первой стадии развития молодой антициклон представляет собой сравнительно небольшой вихрь, обнаруживающийся до высоты 2-3 км. Во второй стадии - стадии максимального развития - в антициклоническое движение включаются все более и более высокие слои - до высоты 8-12 км. В третьей стадии - стадии разрушения - антициклон становится малоподвижным, происходит сближение нижней и верхней областей высокого давления, вызывающее разрушение антициклона.

Фронта в антициклоне нет, воздушные течения, направляющиеся от центра, относят фронт на периферию. Обычно фронт окаймляет антициклон почти с трех сторон (это характерно для антициклона, лежащего между двумя циклонами). Фронтальная поверхность может прослеживаться на некоторой высоте и в центральной части антициклона в виде слабовыраженного инверсионного слоя (фронтальная инверсия).
Нисходящее движение воздуха в антициклоне, сопровождающееся адиабатическим нагреванием, приводит к появлению инверсии сжатия . Инверсия сжатия возникает вследствие того, что скорость снижения воздуха на более высоком уровне медленнее, чем на более низком (результат растекания воздуха в стороны в нижней части антициклона). На рисунке 63 даны числовые значения высот и температуры, показывающие образование инверсионного слоя. Верхняя граница слоя - a1 - снижается быстрее, чем нижняя - b1. В результате опускания они займут положение a1 и b2. (мощность слоя уменьшится от H1 до Н2). Граница a1 переместилась вниз на расстояние 2300 м, и температура воздуха при этом повысилась на 23° (1° на 100 м), граница b1 переместилась только на 1500 м, и соответственно температура стала выше на 15°. Если в слое a1 b1 на каждые 100 м высоты наблюдалось изменение температуры на 0,5, то в слое а2 b2 вертикальный температурный градиент составляет уже 1,5°.
Инверсионный слой, образовавшийся вследствие сжатия, препятствует образованию конвективных облаков. Поэтому в антициклоне осадки, как правило, выпадают редко. Только в нижнем слое в холодный период года и суток в связи с охлаждением поверхности возможно образование тумана и низких слоистых облаков, иногда под слоем инверсии возникают волнистые облака. В центре антициклона у земной поверхности обычны штили, на периферии могут быть ветры значительной силы.
Тропические циклоны - вихри, образующиеся вокруг центров пониженного давления в тропических широтах, между 5 и 20° в каждом полушарии. В экваториальной зоне, под широтами ниже 5° северной и южной широты, циклоническая циркуляция почти не возникает из-за слишком малого влияния отклоняющей силы вращения Земли. От циклонов вне тропических широт тропические циклоны отличаются меньшими размерами (диаметр при наибольшем развитии их не превосходит 1000 км) и значительно большей (от 50 до 120 м/сек) скоростью ветра. Скорость перемещения тропического циклона - 10-12 км в час.
Тропические циклоны захватывают всю тропосферу, распространяясь до высоты 15-18 км. Причины возникновения тропических циклонов еще недостаточно выяснены. Считают, что они могут образовываться в связи с термической неустойчивостью воздуха, богатого влагой. Быстрое поднятие такого воздуха сопровождается бурной конденсацией влаги и выделением огромного количества тепловой энергии. Быстрому поднятию воздуха способствует также центробежное выбрасывание его из центральной части циклона при малом притоке в приземном слое.
Подсчитано, что количество энергии, выделяющееся в тропическом циклоне диаметром около 700 км, составляет 150*10в18 эргов в секунду. Столько же энергии выделится при взрыве 5 таких атомных бомб, какая была сброшена на Хиросиму. За один час существования подобного циклона выделяется энергия, равная энергии 36 водородных бомб средней мощности.
Интересно, что во всей системе тропического циклона воздух поднимается и только в центре его существует нисходящее движение. Этим объясняется тот факт, что в центре тропического циклона («глаз бури» диаметром 18-55 км) тихо и можно видеть чистое небо, тогда как для всей системы типична ненастная погода с ураганными ветрами, сильными ливня)ми и грозами. Особенно характерны сильные ветры и ливневые осадки для зоны, непосредственно примыкающей к «глазу бури».
Существует несколько очагов наиболее частого зарождения тропических циклонов: в Атлантическом океане - Карибское море и Мексиканский залив, в Тихом океане - район Филиппинских островов и Южно-Китайского моря, в Индийском океане - Аравийское море, Бенгальский залив, район острова Маврикия.
Больше всего тропических циклонов возникает над Тихим океаном; у юго-восточных берегов Азии возникает в среднем 20 циклонов в год. Здесь их называют тайфунами («чрезвычайном ветром»). На втором месте по количеству тропических циклонов - Атлантический океан (местное название их на Антильских островах - ураганы) и на третьем- Индийский океан (местное название - орканы).
Образовавшиеся тропические циклоны в северном полушарии движутся сначала на северо-запад, затем, на широте 25-30°, поворачивают на северо-восток. Переходя в умеренные широты, тропические циклоны или затухают, или превращаются в мощные внетропические циклону.
Разрушительная сила тропических циклонов огромна. В сентябре 1961 г. циклон «Ненси», возникший вблизи Маршалловых островов, прошел вдоль Японских островов. Скорость ветра превышала 300 км/час, шли ливневые дожди. На своем пути тайфун разрушил более 450 тыс. домов, 400 мостов и дамб, погибло более 1500 и тяжело ранено свыше 2000 человек. Прибрежные районы были затоплены океанскими волнами. От Японских островов тайфун прошел в Охотском море и произвел разрушения на Южном Сахалине. «Ненси» - один из самых сильных тайфунов, наблюдавшихся за последние годы. Тропические циклоны меньшей силы наблюдаются ежегодно.
Смерчи, тромбы (маломасштабные вихри) - вихри с осью, близкой к вертикальной, диаметром от нескольких десятков метров (над водой) до нескольких сотен метров (над сушей). Воздух в таком вихре быстро вращается (со скоростью 50-100 м/сек), и одновременно весь вихрь перемещается со скоростью около 10-20 м/сек.
Вихрь может образовываться и над морем - смерч, и над сушей - тромб. Возникают смерчи (тромбы) при неустойчивом вертикальном равновесии атмосферы над перегретой поверхностью перед наступающим холодным воздухом в результате резкого поднятия теплого воздуха и сильного падения давления на некоторой высоте над земной поверхностью. В появившуюся разреженную область с очень низким давлением засасываются: сверху - облако, образовавшееся при быстром поднятии воздуха, снизу - вода, пыль и пр. В атмосфере видны две «воронки», соединенные, узкими концами на некоторой высоте над Землей. У поверхности Земли в центре вихря давление очень низкое.
Маломасштабные вихри обладают большой разрушительной силой. Они способны вырывать с корнями деревья, разрушать здания. Налетевший вихрь может «высосать» водоем вместе со всем его «населением», а затем где-то выпадут удивительные «осадки» из водорослей, рыб, лягушек. При прохождении вихря давление падает так быстро, что в зданиях могут вылететь стекла. Известны случаи, когда здание при этом полностью разрушалось. В Северной Америке, где тромбы очень часты, их называют торнадо . За год в США наблюдается в среднем около 150 торнадо, в некоторые годы количество их достигает 900. В Европе тромбы сравнительно редки.