11.1. Общая циркуляция атмосферы

Общей циркуляцией атмосферы называют совокупность воздушных течений планетарного масштаба или сравнимых по размерам с материками и океанами, захватывающих всю тропосферу и нижнюю стратосферу (до высоты около 20 км) и характеризующихся относительным постоянством. В ее основе лежат постоянные и сезонные воздушные потоки между центрами действия атмосферы.

В нижней тропосфере это основные зональные воздушные течения: восточные – пассаты в низких экваториально-тропических широтах, западные – в умеренных широтах и восточные – в приполярных широтах (рис. 63, 64). Помимо зональных переносов, в нижней тропосфере развиты также муссоны, где преобладающее направление ветров как зимой, так и летом ближе к меридиональному, чем к зональному. Кроме того, к воздушным течениям общей циркуляции атмосферы нередко относят ветры, связанные с циклонами и антициклонами внетропических широт, которые обеспечивают междуширотный обмен воздушных масс.

В верхней тропосфере – нижней стратосфере господствуют западный перенос воздуха и так называемые струйные течения определенного направления в зависимости от широты.

Атмосферная циркуляция очень сложна, так как в атмосфере одновременно существуют движения воздуха разных масштабов, накладывающиеся друг на друга. Поэтому все перечисленные воздушные течения выявлены на Земле с помощью статистического осреднения, позволившего подметить самые основные устойчивые особенности циркуляции атмосферы.

Планетарная циркуляция атмосферы складывается под влиянием трех главных факторов: во-первых, зонального распределения солнечной радиации и соответственно температуры и давления; во-вторых, осевого вращения Земли и связанного с ним отклонения воздушных потоков от градиентного направления; в-третьих, неоднородности земной поверхности – наличия материков и океанов с разными физическими характеристиками воздуха над ними. Все эти факторы усложняют общую циркуляцию атмосферы.

На однородной невращающейся Земле распределение температуры и давления у земной поверхности отвечало бы термическим условиям и имело бы широтный характер: температура уменьшалась бы от низких широт («нагревателя») к полюсам («холодильникам»). В связи с этим над экватором теплый воздух поднимался бы, а у полюсов холодный воздух опускался бы к земной поверхности. При этом в верхней тропосфере над экватором происходило бы скопление воздуха и было бы повышенное давление, убывающее к полюсам. Воздух при этом оттекал бы на высоте в том же направлении – от экватора к полюсам, что приводило бы к уменьшению давления над экватором и увеличению его на полюсах. Близ земной поверхности воздух оттекал бы от полюсов с их высоким давлением к экватору в меридиональном направлении. Таким образом, первая причина циркуляции термическая: температурная разница между широтами обусловливает различие их давления и меридиональную слагающую общей циркуляции атмосферы. На реальной Земле это выражается в существовании на уровне моря у экватора термического пояса пониженного давления, а у полюсов (особенно у Южного) – областей повышенного давления.

На однородной вращающейся Земле на высоте (в верхней тропосфере и нижней стратосфере) ветер, оттекая от экватора к полюсам, должен отклоняться вправо в северном полушарии, влево – в южном и становиться западным. В нижней тропосфере, выше слоя трения (на высоте более 1 км), оттекая от полюсов к экватору и отклоняясь, ветер стал бы восточным, а в слое трения – северо-восточным в северном полушарии и юго-восточным в южном. Таким образом, вторая причина циркуляции динамическая: вращение планеты обусловливает зональную слагающую общей циркуляции атмосферы.

Наблюдения и измерения подтвердили, что в верхней тропосфере и нижней стратосфере в интервале высот от 10 км над экватором и от 4 км над полюсами вплоть до 20 км действительно существует западный перенос воздуха. Причем из-за отсутствия трения ветер дует довольно сильный. Движение воздуха происходит против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса, и по часовой – со стороны Южного полюса. Таким образом, на высоте существуют две циклонические системы ветров с центрами над полюсами.

В верхней тропосфере – нижней стратосфере близ тропопаузы в 40-х гг. XX в. были обнаружены струйные течения – плоские (вертикальной мощностью в несколько километров) и сравнительно узкие (первые сотни километров) сильные потоки воздуха протяженностью в тысячи километров со скоростью ветра до 300 км/час. Направление их во внетропических широтах в целом западное. Они образуются над фронтальными зонами, т. е. главными арктическим (антарктическим) и полярными фронтами у земной поверхности, где резкие термические и барические контрасты прослеживаются во всей толще тропосферы и выше. Струйные течения повторяют местоположение фронтальных зон: при резком отклонении главного фронта от широтного направления такое же отклонение имеет и струйное течение.

Струйные течения представляют научный и практический интерес. В 1944 г. Япония разработала и осуществила план воздушных налетов на США через Тихий океан с использованием струйных течений. Было запущено более 10000 воздушных шаров с зажигательными бомбами. Специальные устройства автоматически поддерживали нужную высоту полета шаров. Но лишь 10% их достигли цели, и ущерб от них для США оказался незначительным. А самолеты ВВС США, летавшие на высоте 12–13 км на запад, в Японию, попадая в очень сильное струйное течение, тормозившее их движение, нередко прерывали полет, сбрасывая бомбы в море, не выполнив задания. Особое значение для авиации струйные течения имеют и сейчас, так как уменьшают или увеличивают скорость полета; сильная турбулентность в них вызывает болтанку самолетов. Струйные течения переносят по земному шару примеси, в том числе продукты распада радиоактивных веществ.

Прослеживаются основные черты динамической составляющей циркуляции и в приземном слое: так, по обе стороны от экватора существуют пояса повышенного давления динамического происхождения, от которых к экватору дуют ветры восточных направлений. Такое же направление, хотя и со слабой повторяемостью, имеют и ветры арктических (антарктических) областей. В умеренных и субполярных широтах давление, как правило, ниже, чем в тропиках и высоких широтах; здесь наблюдается отчетливая тенденция западного переноса воздушных масс.

Вместе с тем у Земли на планетарную циркуляцию атмосферы существенное влияние накладывает подстилающая поверхность с ее неравномерным распределением суши и моря, океаническими течениями разной температуры и горными массивами.

Итак, рассмотрим реальные ветровые потоки у поверхности Земли, которые имеют наибольшее значение для погоды, климата и природы Земли в целом.