Дэвид Барч
Откуда берется ветер
Часть I
В этой статье мы пристально рассмотрим ветер, и что заставляет его дуть. Мотивом изучения этого теоретического раздела является то, что чем больше мы знаем о силах, вызывающих ветер, тем лучше мы подготовлены к пониманию того, что происходит, и к возможности сделать основанное на знаниях суждение о том, что произойдет в дальнейшем.
Оставаясь в стороне от нескольких важных моментов влияния берега, скорость и направление ветра могут быть предсказаны в зависимости от того, где именно мы находимся внутри определенной погодной системы (синоптической ситуации). Очень часто лучшим индикатором нашего местоположения в погодной системе является направление существующего ветра и изменение его направления с течением времени. Чтобы уяснить это, требуется понимание того, как ветер движется вокруг систем с высоким и низким атмосферным давлением, которые мы будем называть «антициклон» (атмосферная система с высоким давлением в центре - “High” или “Н”) и циклон (система низкого давления – “Low” или “L”), к которым мы подойдем после краткого обзора атмосферного давления как такового.
Ветер - это просто горизонтальное движение воздуха. 10-узловой ветер означает продвижение массы воздуха на 10 морских миль в час. Воздух - это текучая среда со своей массой, подобно воде, только в 800 раз легче воды, т.е. менее плотный, и значительно более способен к сжатию. Понимание текучей натуры воздуха, его взаимодействия с водой, как жидкостью, и с водяным паром, является ключевым в объяснении большинства морских погодных условий.
Взаимодействие между текучими средами воздуха и поверхности моря вызывает волны; подобное взаимодействие между высоко дующим ветром и водяным паром в облаках образует волны из облаков. Видимые волны облаков показывают нам направление ветра на высоте так же, как волны на воде показывают направление ветра над поверхностью моря. Очень ценно знать направление ветра на высоте, так как это информирует нас о направлении движения шторма. А штормы и фронтальные системы в атмосфере ведут себя подобно водоворотам и волнам в водной среде.
Воздух удерживается у Земли гравитацией (силой тяжести); если бы Земля не была достаточно тяжелой, чтобы обеспечить такое притяжение, воздух был бы выброшен в космическое пространство центробежной силой от вращения нашей планеты. Поскольку воздух сжимаем и удерживаемая его сила тяжести уменьшается с высотой, большинство воздушной массы спрессовано в относительно тонком слое у поверхности земли и этот слой имеет тем большую плотность, чем ближе к поверхности Земли. Грубо говоря, 80 процентов воздуха атмосферы сосредоточено ниже 40,000 футов и около 50 процентов ниже 18,000 футов над поверхностью. Именно эта высота, которая находится на середине высоты атмосферы Земли, является важной демаркационной линией в метеорологии, потому что большинство атмосферных явлений, которые мы воспринимаем как погоду на земле, происходят в этой части атмосферы. Ветра, дующие выше этой линии, значительно сильнее и стабильнее, чем над поверхностью; так же изменение состояния воды в облаках – от пара к ледяным кристаллам – происходит на этой высоте.
Наряду с уменьшением плотности атмосферы с высотой, воздух становится холоднее, так как все меньше и меньше «атмосферного одеяла», сохраняющего тепло, остается над ним. В среднем, температура воздуха понижается на 4 F° на каждые 1000 футов высоты, если подниматься через атмосферу. Четкие нижние или верхние границы облаков находятся на высотах, где температура воздуха падает до точки росы.
Хотя вес воздуха на единицу объема (плотность) очень невелик, общий вес его весьма впечатлят. Например, в обычной комнате содержится около 100 фунтов воздуха, в то время как над каждой квадратной милей поверхности земли мы имеем 30 миллионов тонн воздуха, и эта огромная его масса не всегда распределена равномерно над поверхностью. Именно неравномерное распределение воздуха над землей и есть то, что причиняет ветер. Если ветер дует через целый штат, например с севера с силой 20 узлов в течение целого дня, значит, там, на севере, было очень намного больше воздуха, чем на юге. Количество воздуха над любым местом определяется величиной атмосферного давления в этом месте. Чтобы охарактеризовать атмосферное давление, необходимо просто установить, сколько весит столб воздуха над определенной площадью поверхности. Типичное значение будет 14,7 фунтов на квадратный дюйм, понимая это так: столб воздуха поперечного сечения в один дюйм, простирающийся от поверхности до верхней границы атмосферы, весит 14,7 фунтов. Атмосферное давление обычно варьируется от 14,4 до 14,8 фунтов на квадратный дюйм.
Однако обычно атмосферное давление выражают в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах (14.7 фунтов на квадратный дюйм = 1013.25 mb). Миллиметры ртутного столба, как единица измерения давления, приняты от ртутного манометра – прибора для измерения давления. Высота ртутного столба растет или падает в соответствии с давлением атмосферы на открытую поверхность ртути. Эти единицы измерения применяются в авиации и радио и теле прогнозах погоды.
С другой стороны, в прогнозах погоды на море и на всех картах погоды принято отражать атмосферное давление в миллибарах (mb), и это лучшая единица измерения для изучения морской погоды. Миллибар – метрическая единица, равная давлению одного килограмма веса на площадь в один квадратный метр. Можно преобразовать дюймы в миллибары: mb = 33.864 х дюймы или стартовать с 30.00 дюймов = 1016mb и изменять соответственно на 1mb для каждых 0.03 дюйма.
Области высокого и низкого давления (называемые «антициклон» и «циклон») показаны на G255 и G251, где схематически представлено распределение воздуха над одной тысяче миль океана. Антициклон – огромный холм воздуха, циклон – впадина (депрессия).
На рис. G251 показано, что где либо в антициклоне (1024 mb) давление выше, чем где либо в циклоне (996 mb), так как над ним больше воздуха.
Поскольку воздух – текучая среда, он следует натуральной тенденции стекать с высоты во впадину, увлекаемый силой тяжести. Следовательно, воздух в антициклоне всегда стремится наружу от центра высокого давления и опускается, стремясь внутрь циклона – к центру низкого давления, и поднимается. Имеем ветер! В точке «В» не может быть ветра, поскольку воздух распределен равномерно и давление одинаково по всем сторонам региона. Окружности над циклоном и антициклоном показывают, как эти участки представлены на картах погоды. Окружности – это контуры с одинаковым давлением, называемые изобары, обычно отмечены двумя последними цифрами значения давления, которое они представляют (24 означает 1024mb) и нарисованы с 4-mb интервалом. Изобары можно рассмотреть по аналогии с контурами высоты на топографических картах, и на данной схематической картинке распределения воздуха, они как бы отражают действительную высоту «холма» или «впадины», хотя фактическое давление также зависит от плотности (температуры) воздуха так и от высоты.
А сейчас мы подходим к другой проблеме – почему ветер дует по кругу. Движущая сила гравитации одинакова во всех горизонтальных направлениях, но действительное движение воздуха должно быть описано с учетом сферической формы земли, вращающейся под ним. Результат называют «эффект Кориолиса»: все, что движется по прямой линии над вращающейся поверхностью описывает куроиду на этой поверхности. Не углубляясь в эту тему отметим: по причине эффекта Кориолиса все на земле (ветра, течения, баллистические ракеты) при их движении в северном полушарии отклоняются вправо и в южном полушарии - влево. Это отклонение зависит от скорости движения и географической широты местности. Влияние эффекта Кориолиса является ключевым в метеорологии и океанографии. Поскольку этот эффект влияет на движение воздушных масс, его часть называют Кориолисовой силой. Так как воздух в северном полушарии вынужден двигаться из области антициклона внутрь циклона под воздействием силы тяжести, Кориолисова сила заставляет его отклоняться вправо (см. рис. G255). В высоких широтах в атмосфере, где нет других сил, воздействующих на воздух, ветер продолжает отклоняться вправо до тех пор, пока Кориолисова сила не уравняется с силой гравитации, которая выталкивает воздух наружу. В результате взимодействия этих сил воздух циркулирует по часовой стрелке вокруг антициклона и против часовой в циклоне.
Это базовое правило в движении воздуха в циклоне и антициклоне есть фундаментальным в предсказании ветра, но прежде, чем мы продолжим с этим, необходимо прояснить еще некоторые моменты. Из-за разности плотностей воздуха, антициклон может содержать большее его количество, чем рядом находящийся циклон, даже при одинаковой высоте столба воздуха. Холодный воздух тяжелее, чем теплый, поэтому в регионе с холодным воздухом давление будет выше, чем в таком же с теплым воздухом при той же высоте. Следовательно, ветер из антициклона в циклон и вращение его будет таким же. Поэтому лучше представлять разность давлений (градиент) как основную силу, заставляющую воздух двигаться. (см. рис. G255a)
Чем больше градиент давления (т.е. разность давлений над соседними участками), тем больше сила, воздействующая на воздух и тем сильнее ветер. Величина градиента давления или его крутизна отображается на погодных картах расстоянием между изобарами: чем ближе изобары расположены друг к другу, тем больше градиент. (рис. G254)
