Циклоны и антициклоны. Вихри, которые делают погоду

Содержание

Введение ………………………………………...стр. 3

Циклоны и антициклоны ……………………....стр. 4

Смерчи …………………………………………..стр. 7

Грозовое облако …………………………….….стр. 8

Тайфуны ………………………………………....стр. 9

Малые вихри …………………………………..стр. 12

Заключение ………………………………….....стр. 14

Список использованной литературы ……..….стр. 16

Приложение ………………………………….....стр.17

Введение

В природе вихри возникают  во множестве и практически постоянно, особенно там, где скорость потока быстро меняется в направлении, перпендикулярном потоку. Для атмосферы Земли характерны вихревые движения. Однако далеко не все вихри «делают погоду». Погода на нашей планете в сильной степени зависит от присутствия гигантских атмосферных вихрей-циклонов и антициклонов, задающих ветровой режим в определенном районе Земли. Эти вихри порою вершат судьбы целых стран и народов.

С 1941 года синоптики, вдохновленные  примером героя романа Д. Стюарта  «Шторм», производя расчет циклона, стали давать циклонам мужские и женские имена. Смысл этого нововведения состоит в том, что при передаче информации об урагане по радио или телеграфу имена не так легко спутать, как числа. Теперь как только служба погоды обнаруживает в тропической зоне зарождение циклона, ему дают очередное имя и начинают внимательно следить за новорожденной богиней ветра.

Очень часто циклон угасает, так и не набрав силы. В таком  случае вместе с ним умирает и его имя. Спустя четыре года этим же именем может быть назван другой циклон. Если же циклон в процессе своего развития превращается из младенца в грозную фурию, присвоенное ему имя продолжает жить и после его распада. Оно надолго остается в памяти людей как символ разрушительной силы.

С 1872 года в России начали составлять синоптические карты. В настоящее время обмен информацией о зарождении и путях следования бурь осуществляется в очень широком масштабе во всем мире. Тем не менее, даже зная эту общую закономерность движения циклонов и антициклонов, трудно предугадать конкретный путь каждого из них, так как на практике они часто выписывают крайне замысловатые кривые, движутся зигзагами, останавливаются и неожиданно поворачивают в обратном направлении. Но все же нужно попытаться понять, как возникают эти гигантские вихри, и какое влияние они оказывают на погодные условия.

ЦИКЛОНЫ И АНТИЦИКЛОНЫ

Зарождение, развитие и перемещение  циклонов и антициклонов оказывают самое существенное воздействие на погоду. Их размеры могут достигать более тысячи километров в диаметре. В некотором смысле это вихри-антиподы: у них практически всё наоборот.

В вихревой системе, называемой циклоном, атмосферное давление понижается от периферии к центру. Поэтому около поверхности Земли воздушные потоки направлены к центру циклона. В Северном полушарии циклон вращается против часовой стрелки, а в Южном – по часовой. В циклонах, у которых давление в центре продолжает падать, наблюдаются восходящие потоки. При этом образуется мощная облачность и наступает ненастная погода, сопровождаемая выпадением осадков.

Схема образования циклона  достаточно проста — всё начинается с взаимодействия холодного и  тёплого атмосферных фронтов. При  этом часть тёплого атмосферного фронта проникает внутрь холодного  в виде своеобразного атмосферного «языка», в результате чего тёплый воздух, более лёгкий, начинает подниматься, и при этом происходят два процесса. Во-первых, молекулы паров воды под воздействием магнитного поля Земли начинают вращаться и вовлекают во вращательное движение весь поднимающийся воздух, образуя гигантский воздушный водоворот. Во-вторых, наверху тёплый воздух охлаждается, и пары воды в нём конденсируются в облака, которые выпадают осадками в виде дождя, града или снега. Такой циклон может испортить погоду на срок от нескольких дней до двух-трёх недель. Его «жизнедеятельность» поддерживается за счёт поступления новых порций влажного тёплого воздуха и взаимодействия его с холодным воздушным фронтом. Направление вращения циклонов в различных полушариях можно объяснить закручивающим действием силы Кориолиса, связанной с суточным вращением Земли.

На тело, движущееся во вращающейся  системе отсчёта, например, на поверхности  вращающегося диска или шара, действует  инерционная сила, называемая силой  Кориолиса. Именно эта сила заставляет подмывать правые берега рек Северного  полушария, вне зависимости от того, на север или на юг они текут. В  Южном полушарии эта же сила направлена влево по движению и реки, текущие в меридиональном направлении, подмывают левые берега. Практически во всех исследованиях, посвящённых вопросам образования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, а также их дальнейшему перемещению, указывается на то, что именно сила Кориолиса служит первопричиной их возникновения и именно она задаёт траекторию их передвижения по поверхности Земли. Однако если бы сила Кориолиса участвовала в создании смерчей, тайфунов и циклонов, то в Северном полушарии они имели бы правое вращение — по часовой стрелке, а в Южном — левое, то есть против. Но тайфуны, смерчи и циклоны Северного полушария вращаются влево, против часовой стрелки, а Южного полушария — вправо, по часовой стрелке. Это абсолютно не соответствует направлению воздействия силы Кориолиса, более того — прямо ей противоположно. Величина силы Кориолиса максимальна на полюсах и отсутствует на экваторе. Следовательно, если бы она вносила вклад в создание вихрей разных масштабов, то наиболее часто они появлялись бы в полярных широтах, что полностью противоречит имеющимся данным.

В вихревой системе антициклона  все наоборот: давление возрастает, достигая максимума в центре вихря. В развивающемся антициклоне  присутствуют нисходящие потоки. Опускаясь, газ нагревается и удаляется от состояния насыщения водяным паром. Поэтому для антициклона характерна ясная малооблачная погода. Антициклоны вращаются по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Над низким антициклоном возможно также наличие высотного циклона. Средняя скорость перемещения антициклона составляет около 30 км/ч в Северном полушарии и около 40 км/ч в Южном, но нередко антициклон надолго принимает малоподвижное состояние и превращается в так называемый блокирующий антициклон. Блокирующий антициклон - практически неподвижный мощный антициклон, который обладает способностью не пропускать другие воздушные массы на занятую собой территорию. Средний срок жизни такого антициклона - от трёх до пяти суток, лишь 1% антициклонов дотягивает до 15 суток. Однако в 1972 году и 2010 году антициклон в летнее время (на Европейской территории России) существовал в обоих случаях практически два месяца, вызвав катастрофическую засуху и сильнейшую жару, а также лесные пожары (как закономерное явление).

Важной особенностью антициклонов является образование их на определённых участках. В частности, над ледовыми полями формируются антициклоны. И чем мощнее ледовый покров, тем сильнее выражен антициклон; именно поэтому антициклон над Антарктидой очень мощный, а над Гренландией маломощный, над Арктикой — средний по выраженности. Мощные антициклоны также развиваются в тропическом поясе.

Циклоны же в зависимости от места зарождения делят на тропические и внетропические. Каждый из них обладает своими особенностями.

Внетропический циклон (называемый иногда просто циклоном) - это самый крупный атмосферный вихрь, образующийся в умеренных или полярных широтах и имеющий диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Высота его колеблется между 2-4 и 15-20 км. Скорость ветра в нем в большинстве случаев не превосходит 40-70 км/час. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.

Тропический циклон (называемый также ураганом, тропическим ураганом, тайфуном и пр.) возникает гораздо реже. Районы преобладающего возникновения тропического циклона в Северном полушарии: Тихий океан к В. от Филиппин и Южно-Китайское море (здесь их называют тайфунами), Тихий океан к З. от Калифорнии и Мексики, Атлантический океан к В. от Б. Антильских островов, Бенгальский залив и Аравийское море; в Южном полушарии — Тихий океан к В. от Новой Гвинеи, Индийский океан к В. от Мадагаскара и к С.-З. от Австралии. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а возле самого экватора в полосе широт < 5° по обе стороны мощные вихри вовсе не образуются, поскольку на экваторе горизонтальная составляющая силы Кориолиса равна нулю. Среднее годовое число их над земным шаром около 80. Они могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Поперечный размер тропического циклона значительно меньше - всего несколько сот километров, высота его - до 12-15 км. Давление в ураганах падает намного ниже, чем во внетропическом циклоне. При этом скорость ветра достигает 400-600 км/час. Самые большие скорости ветра в урагане наблюдаются вокруг так называемого "глаза бури" - зоны покоя в центральной части урагана диаметром 20-30 км. Заметим, что внетропические циклоны "глазом" не обладают. Еще четче зона покоя (полость) выражена у мелкомасштабных вихрей – смерчей.

СМЕРЧИ

Из всех вихрей, образующихся в природе, наиболее загадочны смерчи или торнадо (как их называют в США), по сути дела, часть грозового облака. Сначала, на первой стадии возникновения смерча, вращение видно только в нижней части грозового облака. Затем часть этого облака отвисает книзу в виде гигантской воронки, которая всё более удлиняется и наконец достигает поверхности земли или воды. Возникает как бы гигантский хобот, свешивающийся из облака, который состоит из внутренней полости и стенок. Высота смерча составляет от сотен метров до километра и, как правило, равна расстоянию от нижней части облака до поверхности земли. Характерная особенность внутренней полости — пониженное давление находящегося в ней воздуха. Такая особенность смерча приводит к тому, что полость смерча служит своеобразным насосом, который может втянуть в себя огромное количество воды из моря или озера, причём вместе с животными и растениями, перенести их на значительные расстояния и низвергнуть вниз вместе с дождём. Смерч способен переносить и довольно большие грузы — автомобили, телеги, малотоннажные суда, небольшие здания, причём иногда даже с находящимися в них людьми. Смерч обладает гигантской разрушительной силой. При соприкосновении со строениями, мостами, линиями электропередач и другими объектами инфраструктуры он причиняет им огромные разрушения.

Смерчи имеют максимальную удельную энергоёмкость, которая пропорциональна квадрату скорости воздушных потоков вихря. По метеорологической классификации при скорости ветра в замкнутом вихре, не превышающей 17 м/с, он называется тропической депрессией, если же скорость ветра не превышает 33 м/с, то это тропический шторм, и если скорость ветра составляет от 34 м/с и выше, то это уже тайфун. В мощных тайфунах скорость ветра может превышать 60 м/с. В смерче же, по данным разных авторов, скорость воздуха может достигать от 100 до 200 м/с (некоторые авторы указывают на сверхзвуковую скорость воздуха в смерче — свыше 340 м/с). Прямые измерения скорости воздушных потоков в смерчах при настоящем уровне развития техники практически невозможны. Все приборы, предназначенные для фиксации параметров смерча, безжалостно им ломаются при первом же соприкосновении. О скорости потоков в смерчах судят по косвенным признакам, главным образом по тем разрушениям, которые они производят, или по весу грузов, которые они переносят. Кроме того, отличительная черта классического смерча — наличие развитого грозового облака, своеобразного электрического аккумулятора, повышающего удельную энергоёмкость смерча. Чтобы разобраться в механизме возникновения и развития смерча, рассмотрим сначала устройство грозового облака.

ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО

В типичном грозовом облаке вершина заряжена положительно, а  основание несёт отрицательный заряд. То есть в воздухе поддерживаемый восходящими потоками парит гигантский электрический конденсатор многокилометровых размеров. Наличие такого конденсатора приводит к тому, что на поверхности земли или воды, над которыми находится облако, появляется его электрический след — наведённый электрический заряд, имеющий знак, противоположный знаку заряда основания облака, то есть земная поверхность будет заряжена положительно.

Возле основания развитого  грозового облака существует мощный восходящий поток воздуха, насыщенного влагой. Кроме дипольных молекул воды, которые в магнитном поле Земли начинают вращаться, передавая импульс нейтральным молекулам воздуха, вовлекая их во вращение, в восходящем потоке имеются положительные ионы и свободные электроны. Они могут образовываться в результате воздействия на молекулы солнечного излучения, естественного радиоактивного фона местности и, в случае грозового облака, за счёт энергии электрического поля между основанием грозового облака и землёй (вспомним о наведённом электрическом заряде!). Кстати, за счёт наведённого положительного заряда на поверхности земли число положительных ионов в потоке восходящего воздуха значительно превышает число ионов отрицательных. Все эти заряженные частицы под действием восходящего потока воздуха устремляются к основанию грозового облака. Иными словами, между земной поверхностью и основанием облака возникнет электрический ток, хотя правильней было бы говорить об огромном количестве элементарных токов, соединяющих земную поверхность с основанием облака. Все эти токи параллельны и текут в одном направлении.

Из-за взаимного притяжения электрических токов заряженные частицы устремляются к центру грозового облака, по дороге взаимодействуя с электрически нейтральными молекулами и также перемещая их к центру грозового облака. Площадь поперечного сечения восходящего потока уменьшится в насколько раз, а поскольку поток вращается, то по закону сохранения момента количества движения его угловая скорость возрастёт. С восходящим потоком произойдёт то же самое, что с фигуристкой, которая, вращаясь на льду с расставленными руками, прижимает их к телу, отчего скорость её вращения резко увеличивается (хрестоматийный пример из учебников физики, который мы можем наблюдать по телевизору!). Такое резкое увеличение скорости вращения воздуха в смерче с одновременным уменьшением его диаметра приведёт соответственно к увеличению линейной скорости ветра, которая, как упоминалось выше, может даже превысить скорость звука.

Именно наличие грозового  облака, электрическое поле которого разделяет заряженные частицы по знаку, приводит к тому, что скорости воздушных потоков в смерче превосходят скорости воздушных потоков в тайфуне. Образно говоря, грозовое облако служит своего рода «электрической линзой», в фокусе которой концентрируется энергия восходящего потока влажного воздуха, что и приводит к возникновению смерча.

ТАЙФУНЫ

Тайфун (английский typhoon, от кит. тай фын — большой ветер) — разновидность тропического циклона, которая типична для северо-западной части Тихого океана (до 170° восточной долготы). Перемещаясь к западу и северо-западу со скоростью 10—20 км/ч, тайфуны достигают берегов Индокитая, Китая, Кореи. При последующем изменении направления тайфунов на северное или северо-восточное их скорость часто возрастает до 30—50 км/ч (отдельные порывы свыше 100 км/ч). Некоторые тайфуны достигают при этом южной части Японии, а в отдельных случаях могут проникать в районы Приморья, на Курильские острова и даже на Камчатку, трансформируясь во внетропические циклоны. Повторяемость тайфунов больше, чем тропических циклонов в любом др. районе земного шара. В среднем в год бывает около 30 тайфунов, большая часть которых развивается до стадии урагана (скорость ветра свыше 30 м/сек), остальные достигают стадии тропического шторма. Около 70% тайфунов образуется в период с июля по октябрь. Их диаметры относительно невелики (до несколько сотен км), в своих центрах они сопровождаются резкими понижениями давления воздуха — до рекордно низких значений. Тайфуны вызывают сильное волнение на море, им сопутствует выпадение огромного (до несколько сотен мм, в отдельных случаях свыше 1000 мм) количества осадков. В прибрежных районах Восточной Азии тайфуны часто приводят к разрушениям, наводнениям, нагонам морских волн и др. катастрофическим последствиям. Особенно разрушительным был сезон тайфунов 1991 года, когда у побережья Японии буйствовало несколько тайфунов.

Как же образуются тайфуны? Для возникновения тайфуна поднимающийся воздушный поток должен иметь высокую влажность, которую могут обеспечить только обширные водные пространства с хорошо прогретой поверхностью (по данным некоторых авторов, не менее 27 градусов Цельсия). И тайфуны действительно образуются вблизи от экваториальной зоны (10—25° широты), над океаном, поверхностные воды которого хорошо прогреты, а восходящий поток имеет практически стопроцентную влажность. Как следствие этого, появление тайфунов носит ярко выраженный сезонный характер, что отражено данными, приведёнными в таблице.

Таблица. Повторяемость тропических  циклонов в северной части тропической зоны атлантического океана за 1886—1964 годы.

За 79-летний период, отражённый в таблице, тайфуны в северной части тропической зоны Атлантического океана возникали 636 раз, то есть практически по 8 тайфунов в год. Из них 504 тайфуна, или почти 80%, приходятся на август, сентябрь и октябрь — период, когда поверхностные воды Атлантики прогрелись, но зато в январе, когда они остыли, за 79 лет не было ни одного тайфуна.

В целом картина возникновения  тайфуна такова. Хорошо прогретая  поверхность океана обеспечивает мощный восходящий поток влажного воздуха, насыщенного молекулами воды, которые, поднимаясь, начинают вращаться вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли. В процессе образования тайфуна каждая молекула воды играет роль миниатюрного вентилятора, так как она совершает вращательное движение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. И посредством многочисленных соударений каждая молекула воды передаёт собственный момент количества движения другим молекулам, не имеющим дипольного момента. Постепенно во вращательное движение вовлекается всё больше молекул влажного воздуха. Такая “спиновая поляризация” воздушного пространства со временем приводит к суммированию моментов количества движения отдельных молекул, что и служит основой образования вихря гигантских размеров.

Рассмотрим соотношение  масс молекул воды и воздуха, содержащего  эти молекулы воды. При температуре  океана 27 градусов Цельсия температура воздуха над океаном будет около 35 градусов. При такой температуре и стопроцентной влажности масса паров воды в одном кубическом метре воздуха составит порядка 40 г, тогда как масса сухого воздуха того же объёма — 1260 г. Таким образом, видно, что масса молекул воды составляет примерно три процента от общей массы влажного воздуха. Отсюда понятно, что для образования тайфуна необходим длительный, порядка нескольких дней, “инкубационный период”. В течение этого времени происходит постепенное образование моментов количества движения у молекул воды в результате их взаимодействия с магнитным полем Земли, передача их посредством соударений нейтральным молекулам и аккумуляция моментов количества движения всех молекул в виде вихря. Тайфун возникнет, если процесс накопления момента количества движения идёт по нарастающей. Для этого достаточно, чтобы температура поверхностных вод океана не опускалась ниже 27 градусов Цельсия, а в дневное время уровень солнечной радиации способствовал испарению воды и созданию мощных восходящих потоков влажного воздуха. К счастью, все эти условия соблюдаются не всегда, поэтому тайфуны не такие уж частые гости в тропических широтах.

Как указывают многие исследователи, тайфун — своего рода тепловая машина, которая превращает тепловую энергию  Солнца в энергию восходящего потока влажного воздуха, а она с помощью магнитного поля Земли преобразуется в энергию гигантского воздушного вихря.

Что же происходит с молекулами воды, которые восходящим потоком  воздуха перемещаются с поверхности  океана, природного нагревателя, в верхние  слои атмосферы, служащие холодильником  этой своеобразной тепловой машины? Они конденсируются, образуя облака, которые через некоторое время проливаются тропическим ливнем. Получается, что если при движении вверх молекулы воды вращаются в одну сторону, закручивая воздух в тайфуне, то при движении вниз они должны вращаться в противоположную сторону, тормозя вращение тайфуна. А поскольку количество молекул воды, движущихся в обоих направлениях, одинаково, то в принципе, казалось бы, тайфун должен быстро угаснуть. Однако этого не происходит.

Между молекулами воды, движущимися  вверх и вниз, есть большая разница: они совершают свои путешествия  в различных агрегатных состояниях. Вверх молекулы воды добираются поодиночке, в парообразном состоянии, а вниз — в виде капель жидкости. Одиночная молекула воды имеет большую свободу движения и может более эффективно играть роль своеобразного вентилятора, тогда как молекулы воды в жидкости, находясь в более тесном взаимодействии, такой свободой не обладают. Отсюда можно сделать вывод, что вероятность образования вихря напрямую зависит от агрегатного состояния дипольных молекул.

Анализируя таблицу повторяемости  тропических циклонов в северной части тропической зоны Атлантического океана, можно заметить, что максимальное число тайфунов возникает именно в сентябре, когда после жаркого лета поверхностные воды океана достаточно прогрелись. Много тайфунов образуется также в августе — температура океана уже высокая, и в октябре — температура ещё высокая, тогда как в июне и июле их число составляет всего лишь 20 процентов от сентябрьской нормы — океан ещё не успел прогреться после зимы.

Распределение ураганов по годам неравномерно. Современные  исследователи связывают это со многими факторами, в том числе и с активностью Солнца.

МАЛЫЕ ВИХРИ

Существуют также и  вихри, механизм образования которых  никак не связан с вращением диполь-ной молекулы воды в магнитном поле. Наиболее распространённые среди них — пыльные вихри. Они образуются в пустынных, степных и горных местностях. По своим размерам они уступают классическим смерчам, их высота составляет порядка 100—150 метров, а диаметр — несколько метров. Для образования пыльных вихрей необходимым условием является пустынная, хорошо нагретая равнина. Образовавшись, такой вихрь существует довольно недолго, 10—20 минут, всё это время перемещаясь под действием ветра. Несмотря на то что воздух пустынь практически не содержит влаги, вращательное движение его обеспечивается взаимодействием элементарных зарядов с магнитным полем Земли. Над равниной, сильно прогретой солнцем, возникает мощный восходящий поток воздуха, часть молекул которого под воздействием солнечного излучения и особенно его ультрафиолетовой части, ионизируется. Направление вращения пыльного вихря определяется направлением вращения положительных ионов. Такой вращающийся столб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль, песок и мелкие камешки, которые сами по себе не играют никакой роли в механизме формирования пыльного вихря, но служат своеобразным индикатором вращения воздуха.

В литературе описаны ещё  и воздушные вихри, довольно редкое природное явление. Они возникают в жаркое время дня на берегах рек или озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они появляются неожиданно и так же внезапно исчезают. По-видимому, вклад в их создание вносят как молекулы воды, так и ионы, образующиеся в тёплом и влажном воздухе за счёт солнечного излучения.

Гораздо опаснее водяные  вихри, механизм образования которых  аналогичен. Сохранилось описание: «В июле 1949 года в штате Вашингтон в тёплый солнечный день при безоблачном небе на поверхности озера возник высокий столб из водяных брызг. Он существовал всего несколько минут, но обладал значительной подъёмной силой. Надвинувшись на берег реки, он поднял довольно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его на несколько десятков метров и, ударив о землю, разбил на куски. Водяные вихри наиболее распространены там, где поверхность воды сильно нагревается солнцем, — в тропических и субтропических зонах».

Закручивание потоков  воздуха может происходить и  при больших пожарах. Существуют вихри, возникающие в процессе извержения вулканов, их, например, наблюдали над Везувием. В литературе они получили название пепловых вихрей — в вихревом движении участвуют облака пепла, извергаемые вулканом.

Заключение

В последние десятилетия  крупные вихри исследовались  со специальных самолетов метеослужбы. Радиолокаторы и метеоспутники позволили получить "изображения" глобальных ветровых систем. Особенно четкими получаются фотографии циклонов, поскольку они сопровождаются сильной облачностью и осадками. Как показывают фотографии, осадки в циклонах концентрируются в четко выделяющиеся спиральные полосы. Антициклон прозрачен, осадки в нем редки, а если они и выпадают, то обычно на периферии в виде мороси. Поэтому антициклоны значительно труднее различить на спутниковых фотографиях.

И все-таки, несмотря на обилие фактического материала, последовательной теории вихрей еще нет. Связано это, прежде всего, с тем, что в каждом конкретном случае зарождения вихря его развитие определяется огромным множеством внешних факторов. Неясно, какое именно сочетание известных условий вызовет первоначальное развитие вихря. В самом деле, до стадий урагана развиваются менее 10% образовавшихся в тропиках областей пониженного давления, остальные бесследно исчезают. Пока нельзя предсказать развитие урагана или смерча в данной конкретной ситуации.

Особенно плохо разработана  теория смерчей. И дело здесь не только в том, что возникают они неожиданно и при более разнообразных  условиях, чем ураганы (так, смерчи иногда образуются в глубине материка). Огромная скорость ветра в смерчах  мешает их экспериментальному изучению. Это же обстоятельство не позволяет  сколько-нибудь последовательно изучить  это явление математически.