Тиск повітря та вітер
Якби характер повітряних течій визначався лише термічною неоднорідністю поверхні землі та повітряних мас, то режим вітру в будь-якій частині земної кулі був би простим, тобто вітер визначався б тільки горизонтальним градієнтом тиску і рух повітря відбувався б уздовж цього градієнта від високого тиску до низькому. При цьому швидкість вітру була обернено пропорційна відстані між лініями однакового тиску, тобто ізобарами. Чим менша відстань між ізобарами, тим більший градієнт тиску, а відповідно і швидкість вітру (рис. 26).
Напрямок та швидкість вітру під дією сили градієнта тиску
Проте насправді до термічної першопричини виникнення повітряних течій приєднується дія інших чинників, які значно ускладнюють атмосферну циркуляцію. Тому як мусонна, так і міжширотна циркуляція, за допомогою якої здійснюється безперервний обмін тепла відповідно між материками та океанами та між низькими та високими широтами насправді здійснюється незрівнянно складніше. До сил, що викликають зміну напрямку і швидкості повітряних течій, відноситься в першу чергу сила, що відхиляє обертання Землі, або, як зазвичай називають, сила Коріоліса. Виникнення цієї сили пов'язане із обертанням Землі навколо своєї осі. З механіки відомо, що, згідно із законом інерції, всяке тіло, що знаходиться в русі, при взаємному врівноважуванні всіх зовнішніх впливів, що ним випробовуються, зберігає свій стан руху. Тіло, що рухається на Землі, що обертається, під впливом сили Коріоліса відхиляється в бік, перпендикулярно напрямку його відносного руху.Припустимо, що на будь-якій широті тіло почало рухатися вздовж меридіана на північ. Зберігаючи свій напрямок, тіло одночасно бере участь у добовому обертанні Землі. Тому через деякий проміжок часу відповідно до обертання тіло відхилиться від напрямку меридіана, оскільки меридіан змінить свій напрямок у світовому просторі і повернеться вліво від початкового положення. Так як ми звикли визначати напрямок руху щодо земної поверхні, то нам здається, що не меридіан відхилився вліво, а тіло, що рухається, відхилилося вправо від меридіана, тобто від початкового напрямку руху. Таке відхилення відбувається при русі тіла не тільки вздовж меридіана, але і за будь-якого початкового напрямку. Сила Коріоліса діє на всі рухомі тіла на Землі. Зокрема, її дією пояснюється розмив берегів річок. При напрямі течії у річці з півночі на південь розмиву піддається правий берег. Тому правий берег, як правило, є високим на противагу пологому лівому березі. При напрямі течії з півдня північ розмивається лівий берег річки. Сила Коріоліса впливає і на напрямок морських течій, відхиляючи їх вправо в північній півкулі і вліво в південній. Під дією сили Коріоліса вітер дме не вздовж градієнта тиску, а відхиляючись від нього. Під її впливом потоки повітря, що починають рух уздовж градієнта тиску з поступово зростаючою швидкістю, у північній півкулі відхиляються від напрямку градієнта вправо, у південній півкулі – вліво. Уявлення про дію сили тиску та відхиляючої сили обертання Землі на зміну напрямку дійсного вітру за відсутності впливу інших сил можна отримати із наведеної схеми (рис. 27 а). Припустимо, що під дієюсили баричного градієнта повітряна частка (позначена кружком) почне зміщуватися у напрямку градієнта. У першу мить, як тільки з'явиться швидкість V1 виникне прискорення сили, що відхиляє обертання Землі А1, спрямоване перпендикулярно і вправо по відношенню до швидкості V1. Під впливом цього прискорення наступної миті швидкість руху частинки повітря стане рівною V2. Але разом із цим сила Коріоліса зміниться на А2. Під впливом прискорення швидкість частинки повітря ще зміниться, ставши рівною V3. Не забариться змінитися і сила Коріоліса і т. д. В результаті сила тиску і сила обертання Землі, що відхиляє, врівноважуються і рух повітряної частинки відбувається вздовж ізобар. Такий вітер називається градієнтним. Під час руху вздовж ізобар низький тиск залишається ліворуч від напрямку руху, а високий - праворуч. На рис. 27 б показаний випадок рівноваги між силою тиску і силою, що відхиляє обертання Землі. Спостереження показують, що на висоті близько 1 км і вище рух повітря відбувається приблизно вздовж ізобару, з невеликими відхиленнями, викликаними іншими причинами. Зі збільшенням широти відхиляюча сила обертання Землі зростає, досягаючи максимальної величини біля Північного та Південного полюсів. В екваторіальній зоні вона наближається до нуля.
Схема виникнення градієнтного вітру
Крім відхиляючої сили обертання Землі, у приземному шарі повітря діє сила тертя, спрямована завжди у бік, протилежний руху, і пропорційна швидкості. Вона, зменшуючи швидкість повітряних потоків, відхиляє їх вліво від ізобар і змушує текти не вздовж ізобар, а під деяким кутом від високого тиску до низького. Внаслідок зіткнення повітря, що рухається, з поверхнею землі швидкість руху зменшується. Змінюється інапрямок. За допомогою турбулентного перемішування повітря вплив тертя передається вище шари, що лежать, приблизно до 1 км над поверхнею землі. Вплив тертя на напрямок та швидкість руху повітря можна зобразити за допомогою схеми рис. 28 а. На схемі представлено поле тиску та рух повітря під впливом сили градієнта тиску, що відхиляє сили обертання Землі та тертя. Як бачили, під впливом сили Коріоліса рух повітря відбувається не вздовж градієнта тиску Р, а під прямим кутом щодо нього, т. е. вздовж изобар. Напрямок дійсного вітру зображено стрілкою Ст. Стрілка, що зображує силу тертя Т, спрямована не прямо протилежно напрямку вітру, а дещо убік. Сила Коріоліса, спрямована під прямим кутом до дійсного вітру, зображена стрілкою К. Як видно, кут між дійсним вітром і силою тертя Т становить більше 90°, а кут між дійсним вітром і силою градієнта тиску Г менше 90°. Так як сила градієнта перпендикулярна до ізобарів, то дійсний вітер виявляється відхиленим вліво від ізобар.
Відхилення напрямку вітру від ізобар під дією сили Коріоліса, сили градієнта тиску та сили тертя.
Величина кута, що складається ізобарою та напрямом дійсного вітру, залежить від ступеня шорсткості земної поверхні. На схемі рис. 28 б показано напрям вітру по відношенню до прямолінійних ізобар під впливом відхиляє сили обертання Землі і сили тертя. Вітер спрямований від високого до низького тиску. Крім того, величиною стрілок показано швидкість вітру, яка залежить від градієнта тиску. Чим менша відстань між ізобарами, тим сильніший вітер. Відхилення відбувається вліво від ізобар зазвичай під кутом 20 - 30 °. Над сушею тертя більше, ніжнад морем. У поверхні землі вплив тертя найбільший. З висотою воно зменшується, і на висоті близько 1 км. дія сили тертя майже припиняється. Якщо ізобари криволінійні, тобто мають, наприклад, форму еліпса або кола, то на рух повітря діє відцентрова сила, яка спрямовує потоки повітря по ізобарах (у разі відсутності тертя). Під дією сили тертя вітер дме під кутом до ізобарів у бік низького тиску. У землі навіть на невеликих ділянках переважає криволінійна форма изобар. Тиск повітря визначається його масою в стовпі атмосфери перетином, що дорівнює одиниці площі. При нерівномірному русі повітря внаслідок зміни його термічних властивостей і сил, що діють, відбувається зменшення або збільшення маси повітря в стовпі, а відповідно зниження або підвищення атмосферного тиску. Внаслідок цього часто виникають і розвиваються атмосферні вихори - циклони та антициклони. У системі циклонів тиск повітря зростає від центру до периферії, а вітри спрямовані від периферії до центру проти годинникової стрілки. В антициклонах, навпаки, тиск повітря зростає від периферії до центру, а вітри спрямовані від центру до периферії за годинниковою стрілкою. У південній півкулі, навпаки, у циклоні вітри дмуть за годинниковою стрілкою, а в антициклоні проти годинникової стрілки. Крім циклонів і антициклонів, існують гребені, улоговини та сідловини. Гребінь – це витягнута від центральної частини антициклону область високого тиску з антициклонічною системою циркуляції, але незамкнутими ізобарами. Ложбина - це витягнута від центральної частини циклону область низького тиску з циклонічною системою циркуляції, але незамкнутими ізобарами. Сєдловина — це форма баричного рельєфу між двома циклонами та двомаантициклонами розташованими хрест на хрест. На рис. 29 зображено поле тиску біля поверхні землі із системою вітрів. Крім двох циклонів та двох антициклонів, тут представлені улоговини, гребені та сідловина. Напрям вітру показано стрілками, швидкість - оперенням. Чим більша відстань між ізобарами, тим менша швидкість вітру і менше оперення. Таке зображення ізобар та вітру прийнято на картах погоди (див. нижче). Незважаючи на розвиток як циклонів, так і антициклонів, у середніх широтах північної та південної півкуль біля поверхні землі все ж таки переважає відносно низький тиск. У субтропіках розташовуються антициклони. На крайній півночі та півдні, тобто в Арктиці та Антарктиці, переважає високий тиск повітря, а над екватором – низький.
Баричні системи біля поверхні землі
Циркуляція атмосфери на земній кулі дуже різноманітна та складна. Режим повітряних течій різний взимку і влітку, біля поверхні землі і на висотах, над материками і над океанами, не кажучи вже про велику його мінливість у середніх і високих широтах від дня до дня. Зазвичай середні місячні карти тиску та повітряних потоків відображають лише переважне перенесення повітряних мас протягом місяця та приховують багато цікавих особливостей атмосферних процесів, які виявляються на щоденних картах погоди.