Давление атмосферы

Воздух, охлаждающий землю, имеет массу и поэтому оказывает давление. За нормальное атмосферное давление принято давление ртутного столба высотой 76 см сечением в 1 см² на уровне моря на широте 45⁰ при температуре 0⁰С. Оно равно 760 мм, или 1013мб. В СИ давление выражают в паскалях (Па). Один паскаль – это давление силой в 1 Ньютон (Н), приходящееся на площадь 1 м² (

1 Па = 1Н/м²); мб = 100 Па = 1гПа; 1гПа = 10²Па.

Для измерения давления используют ртутный чашечный барометр-анероид в полевых условиях. Барометр-анероид состоит из металлической коробочки, из которой выкачан воздух. При увеличении атмосферного давления дно коробочки сдавливается, а при уменьшении изгибается. Эти изменения передаются на стрелку, которая перемещается по круговой шкале, разделенной на миллиметры или на миллибары. Для записи давления в течении определенного времени применяются самопишущие барометры – барографы. С поднятием вверх давление уменьшается (в нижней тропосфере примерно на 1 мм ртутного столбца, или 1,33 мб на каждые 10,5 м), так как сокращается столб воздуха. Это позволяет с помощью барометра-высотомера определять высоту места.

Атмосферное давление непрерывно изменяется. Главной причиной изменения давления является изменение температуры воздуха: при повышении температуры давление убывает, и наоборот. Это обусловлено тем, что при нагревании воздух расширяется, происходит увеличение его объема и в верхних слоях наблюдается перетекание воздуха от более нагретого участка к менее нагретому, что и приводит к уменьшению давления у земной поверхности. Линии на картах, соединяющие одинаковые точки с одинаковым давлением у земной поверхности, называются изобарами. Они могут быть замкнутые и незамкнутые. Система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называется барическим максимумом или антициклоном.

В распределении давления на земной поверхности проявляется зональность (рис. 7).

Рис. 7. Схема распределения давления и ветров на земном шаре

Общая планетарная схема распределения давления такова: вдоль экватора протягивается пояс пониженного давления; к северу и к югу от него на широтах 30-40 с.ш. – пояса повышенного давления; далее на 60-70 с.н. – пояса пониженного давления, в приполярных районах – области повышенного давления.

Реальная картина распределения давления гораздо сложнее, что отражено на картах июльских и январских изобар. Причем это касается прежде всего субтропических и умеренных - субполярных широт. Экваториальный пояс пониженного давления сохраняется весь год, лишь ось его вслед за Солнцем смещается то в северное (июль), то в южное (январь) полушарие. Существуют весь год и барические максимумы в полярных областях – над Антарктидой и Гренландией.

На 30-40 с. и ю.ш. в зимнее полугодие соответствующего полушария действительно наблюдаются пояса высокого давления. Летом над нагретыми материками давление низкое, а над океанами сохраняется и даже усиливается высокое давление. Таким образом, в течении всего года барические максимумы существуют лишь над океанами: Северо-Атлантический, Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский.

В умеренных – субполярных – широтах южного полушария над океанскими просторами действительно существует весь год пояс пониженного давления вокруг Антарктиды. В северном полушарии, где чередуются материки и океаны, давление над ними различное, особенно зимой. Над охлажденными материками давление высокое, здесь возникают сезонные барические максимумы: Азиатский с центром над Монголией и Северо-Американский (Канадский). Над незамерзающими океанами с теплыми течениями зимой ярко выражены барические максимумы – Исландский и Алеутский. Летом во всем поясе давление пониженное.

Неравномерное распределение давления у земной поверхности вызывает перемещение воздуха. Движение масс воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Ветер всегда дует из области повышенного давления в область пониженного давления. Он обладает скоростью и направлением. Скорость ветра выражается в метрах в секунду. Чем больше разница в давлении, тем сильнее ветер. Для характеристики скорости ветра применяется шкала Бофорта, где сила ветра оценивается в баллах: от 0 до 12. Бальность можно определить визуально. Например, ноль баллов – штиль, 7 баллов – сильный ветер, он качает стволы небольших деревьев, 12 баллов – ураган, производящий разрушения построек. Сила ветра обязательно учитывается при строительстве, особенно высотных сооружений, например телебашен.

Скорость ветра (м/с) определяется с помощью прибора анемометра.

Направление ветра определяется по той стороне горизонта, откуда дует ветер. Например, северный ветер дует с севера. Направление ветра обычно определяется по 16 румбам: северный, северо-северо-восточный, северо-восточный и т.п. Для более точного определения ветра иногда указывают азимут – угол между направлением на север и вектором скорости, отсчитываемый от точки севера по часовой стрелке от 0 до 360. Направление ветра зависит прежде всего от расположения барических максимумов и минимумов. Ветер всегда дует перпендикулярно изобарам в сторону уменьшающегося давления. Но на направление ветра оказывает влияние и отклоняющая сила вращения Земли: вправо – в северном полушарии, влево – в южном. Отклонение увеличивается от экватора к полюсам и сильнее при больших скоростях ветра. Наглядное представление о преобладании ветров различных направлений в данном пункте за определенный промежуток времени (месяц, сезон, год) дает диаграмма «роза ветров» (рис. 8 ).

Рис. 8. Диаграмма “роза ветров” (повторяемость ветров разных направлений в днях)

Ветры, наблюдаемые у земной поверхности, весьма разнообразны. Их обычно делят на три группы: местные ветры, вызванные местными условиями (температурой, орографией); ветры циклонов и антициклонов; ветры, являющиеся общей частью циркуляции атмосферы.

К местным ветрам термического происхождения относятся бризы (рис. 9).

Рис. 9. Бризы

Это ветры по берегам морей, озер, крупных рек, которые дважды в сутки меняют направление на противоположное из-за различного нагревания суши и воды. Ночной (береговой) бриз дует со стороны быстро остывшей суши в сторону водоема, дневной (морской) бриз – со стороны водоема в сторону нагретой суши. Они охватывают слой воздуха в сотни метров и проникают вглубь суши (моря) на несколько километров или десятки километров. Лучше выражены в безоблачную антициклональную погоду. Весьма характерны на западных побережьях тропиков, где нагретые материки омываются водами холодных течений. Этим объясняется глубокое (до 50 км) проникновение на сушу дневного морского бриза. С бризами связаны весьма низкие для тропиков температуры побережий (15…20С) и большая влажность воздуха береговых пустынь.

В циклонах ветры дуют от периферии к центру, где наиболее низкое давление (рис. 10).

Рис. 10. Циклоны (А) и антициклоны (Б) в северном полушарии

При этом в северном полушарии они отклоняются вправо и образуют круговые) против часовой стрелки) вихревые поднимающиеся потоки воздуха диаметром 1000-2000 км. В южном полушарии они отклоняются влево и соответственно закручены по часовой стрелке.

В антициклонах ветры дуют от центра, где наиболее высокое давление, к периферии. В результате отклонения возникают такие же крупные вихревые опускающиеся потоки воздуха по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки – в южном.

Наиболее крупные воздушные течения планетарного масштаба, соизмеримые по величине с материками и океанами, захватывающие всю тропосферу и нижнюю стратосферу (примерно до 20 км) и характеризующиеся относительным постоянством, создают общую циркуляцию атмосферы. В тропосфере к ним относятся пассаты, западные ветры умеренных широт и восточные ветры приполярных областей, а также муссоны. Иногда к ветровым потокам общей циркуляции атмосферы относят ветры циклонов и антициклонов.

Основными «ветроразделами» Земли являются субтропические «пояса» высокого давления. От них воздушные массы оттекают как к экватору, образуя пассаты, так и в сторону умеренных широт, образую западные ветры.

Таким образом, пассаты – ветры экваториальных периферий субтропических барических максимумов, дующие от тропиков к экватору. Им свойственно постоянное направление: преимущественно северо-восточное в северном полушарии и юго-восточное – в южном. Над океаном они дуют весь год, так как океанические субтропические максимумы постоянны, над сушей - лишь зимой.

В умеренных широтах господствующими являются западные ветры. Однако это идеальная схема. В умеренных широтах, где весьма характерна встреча теплых воздушных масс со стороны тропиков и холодных – из полярных областей, постоянно возникают фронтальные циклоны и антициклоны, в которых и осуществляется перенос воздуха с запада на восток.

Кроме того, на восточных побережьях материков в умеренных и субтропических широтах северного полушария, где ослабевают западные ветры по мере удаления от океанических субтропических максимумов, имеет место муссонная циркуляция. Муссоны – воздушные потоки сезонного характера, меняющие направления зимой и летом на противоположное. Во внетропических широтах муссоны вызваны различным нагреванием суши и моря в один и тот же сезон года. Они выражены в основном в северном полушарии. Зимний северо-западный муссон дует с охлажденной суши (из Азиатского и Канадского максимумов) в сторону теплого незамерзающего океана (Алеутский и Исландский минимумы). Летом юго-восточный муссон дует со стороны океана (из Северо-Тихоокеанского и Северо-Атлантического максимумов) на нагретую сушу. Летний муссон, таким образом, является «нарушителем» западных ветров, господствующих в умеренном поясе.

Иное происхождение имеют тропические (экваториальные) муссоны. Как уже отмечалось, экваториальная барическая депрессия перемещается вслед за Солнцем. В июле она располагается на 15-25 северной широты. Поэтому юго-восточный пассат южного полушария пересекает экватор и устремляется к барической депрессии, отклоняясь при этом в северном полушарии вправо и приобретая юго-западное направление. Это и есть летний экваториальный муссон северного полушария. В январе барическая депрессия смещается в южное полушарие примерно на 5 с.ш. Туда устремляется северо-восточный пассат северного полушария, изменяющий свое направление в южном полушарии на северо-западное. Этот ветер для северного полушария является зимним тропическим муссоном. Тропические (экваториальные) муссоны – результат различий в нагреве северного и южного полушарий. Поскольку контрасты подстилающей поверхности, а следовательно, и нагрева максимальны между Южной Азией и Индийским океаном, именно в этих регионах они получили наиболее широкое распространение.

Преобладающими ветрами полярных областей являются северо-восточные ветры в северном полушарии и юго-восточные – в южном.