Океан и атмосфера
Шрифт:
Вертикальный градиент зависит, в первую очередь от самого давления, а также температуры воздуха. Поэтому в нижнем слое атмосферы давление наибольшее, особенно при низких температурах. Барическая ступень — это высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб. Одним из частных решений основного уравнения статики является барометрическая формула Лапласа, учитывающая влажность воздуха и зависимость ускорения силы тяжести от высоты и широты места. По этой формуле можно определить превышение одного пункта над другим на определенной географической широте, располагая наблюдениями над давлением, температурой воздуха и упругостью водяного пара в рассматриваемых пунктах. Формула Лапласа, дающая высокую точность расчетов, часто используется в более упрощенном виде — допускают, что воздух сухой, и не учитывают зависимость ускорения силы тяжести от широты и высоты. Зная две из трех входящих в барометрическую формулу
Для существования человека убывание давления с высотой имеет очень большое значение. На больших высотах у человека наступает так называемая горная болезнь — гипоксия, или кислородное голодание, т. е. кровь здесь недостаточно насыщается кислородом. Люди не могут селиться выше 5200 м — этот предел зафиксирован в Перу. В Индии встречаются поселения на высоте до 4000 м. Выше 7000 м человек не может жить и работать без кислородной маски. Лишь некоторые птицы поднимаются до высоты 7–9 км.
Давление воздуха, измеренное на самолете, дает возможность определить его высоту над точкой взлета с помощью специального прибора — самолетного альтиметра со шкалой в метрах. Данный способ применялся, в частности, в Антарктиде.
Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Это — скалярное поле, характеризующееся системой поверхностей равного давления, или изобарических поверхностей. Изобарические поверхности не параллельны друг другу и земной поверхности, так как температура и давление изменяются в горизонтальном направлении. Поэтому изобарические поверхности наклонены под разными углами к земле и весьма разнообразны — от прогнутых вниз обширных, неглубоких «котловин» до выгнутых вверх растянутых «холмов». Если мысленно пересечь их горизонтальной плоскостью, получатся кривые — изобары — линии, соединяющие пункты с одинаковым значением давления. По результатам наблюдений в определенные моменты времени строятся карты изобар — синоптические, по средним многолетним данным (за месяц, сезон, год) — климатологические. На синоптических картах между изобарами принят интервал, равный 5 мб. Плавные и на первый взгляд причудливые линии изобар, никогда не пересекаются, потому что в одной точке не может быть одновременно двух разных значений давления. На ограниченной карте изобары могут обрываться, но в пределах всего Земного шара каждая изобара обязательно замкнута.
В то же время на ограниченной карте очень часто (почти всегда) бывают замкнутые изобары, ограничивающие участки низкого или высокого давления — барические системы. Это области с пониженным давлением в центре — циклоны и области с относительно повышенным давлением — антициклоны. В первом случае давление возрастает от центра к периферии, а во втором — убывает.
Над европейской территорией пашей страны в год проходит в среднем 75 циклонов. Диаметр циклона — 1000 км и более. В Европе за год бывает в среднем 36 антициклонов, из которых шесть имеют давление в центре более 1050 мб. Среднее давление в северном полушарии равно 1013,68 мб, в южном полушарии до широты 72,5° ю. ш. — 1011,68 мб. Над Антарктидой давление еще недостаточно исследовано для получения средних данных. Кроме циклонических и антициклонических систем, существуют промежуточные — ложбины, гребни, седловины. На периферии циклонов и антициклонов или между ними изобары близки к параллельным линиям.
Если рассмотреть изобарическое поле в вертикальном разрезе, то в циклоне изобары выглядят как воронка, а в антициклоне — как холм. На пространственные распределения барических поверхностей влияет температура воздуха. В теплом воздухе вблизи земли барические поверхности лежат выше холодных. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и давление в нем уменьшается с высотой быстрее.
Если составить карты изобар по осредненным значениям за весь имеющийся ряд наблюдений, за определенные месяцы или сезоны (на уровне моря), можно получить следующую картину. В январе вдоль экватора лежит зона пониженного давления, в середине которой давление равно примерно 1010 мб. Внутри этой полосы обнаруживаются области с самым низким давлением (1008 мб), которые лежат над наиболее нагретыми материками южного полушария — в Южной Америке, Южной Африке и Австралии, т. е. около 15° ю. ш. Здесь в это время года лето.
По обе стороны низкого давления в обоих полушариях на широте 30°—35° возникают области повышенного давления с давлением в отдельных центрах более 1020 мб — субтропические барические антициклоны. Это — Азорский максимум
На север от субтропиков давление начинает убывать, образуя в северном полушарии барические минимумы: Исландский с давлением порядка 995 мб и Амурский — около 1000 мб. А на суше давление чем дальше от моря, тем все более увеличивается, создавая два мощных максимума — антициклон над Монгольским плато с давлением в центре до 1040 мб и Канадский — до 1025 мб.
Убывает давление и в южном полушарии, образуя пояс пониженного давления на широте 60°—65°. Так как южное полушарие в основном океаническое, изобары имеют преимущественно широтное направление. Летом в июле экваториальный пояс пониженного давления не исчезает, а лишь несколько смещается в северное полушарие. Смещаются к северу также и субтропические барические максимумы над океанами северного полушария. В южном полушарии в июле субтропические антициклоны расширяются, захватывая и области высокого давления над холодными материками. Заметно ослабляются Алеутский и Исландский минимумы, причем первый на средних картах даже не прослеживается. Над материками северного полушария давление понижено. В это время заметно выделяется барический минимум над Юго-Восточной Азией с давлением в центре 995 мб и несколько менее — Мексиканский минимум (1010 мб).
В южном полушарии летом, как и зимой, удерживается зона низкого давления в субполярных широтах и антициклон над материком Антарктиды. Следовательно, в среднем распределение давления на земном шаре имеет зональный характер, образуя зоны пониженного и повышенного давления. Эта общая картина нарушается изменениями давления над материками, где оно повышается зимой и понижается летом.
Можно различить также постоянные и сезонные барические области. К последним относятся такие, в которых зимние максимумы сменяют летние минимумы. Это — так называемые центры действия атмосферы. Их роль в формировании воздушных течений, погоды и климата очень велика. Причины возникновения центров действия атмосферы — термические и динамические — связаны с охлаждением и нагреванием в нижних слоях атмосферы. Субтропические барические максимумы обусловлены вторжением антициклонов в эти районы; Исландский и Алеутский минимумы, а также субполярная область пониженного давления южного полушария — образованием и движением циклонов.
Атмосферное давление постоянно меняется. Когда легкие теплые воздушные массы уступают место холодному тяжелому воздуху, давление растет. Когда над тем или иным районом проходят барические системы, давление также изменяется: если циклон, то давление сначала падает, а затем начинает расти; при прохождении же антициклона картина обратная — давление вначале растет, а потом падает.
В течение одних суток давление может колебаться в очень больших пределах — до 20–30 мб, особенно значительно в умеренных и высоких широтах, где наиболее активна циклоническая деятельность. Самое высокое давление было зарегистрировано 31 июля 1968 г. на ст. Агата в Красноярском крае. Оно составляло 1083,8 мб (приведено к уровню моря). А самое низкое давление — 877,0 мб отмечено в тайфуне над Тихим океаном 24 сентября 1958 г. Осреднив наблюдения над давлением за много лет и прослеживая полученные результаты от месяца к месяцу, можно определить годовой ход давления. Амплитуда годового хода в средних широтах больше, чем в экваториальных. Над материками годовой ход выражен более отчетливо, чем над океанами. В целом годовой ход давления разнообразен и тесно связан с физико-географическими условиями. Тем не менее выделяются некоторые основные типы, например: континентальный и океанический.
Путем осреднения получают также общую картину изменения давления в пределах суток. Здесь обнаруживаются два максимума и два минимума. По местному времени максимумы приходятся на 10 и 22 часа, а минимумы — на 4 и 16 часов. В тропических широтах, где это прослеживается наиболее отчетливо, амплитуда составляет 3–4 мб.
Прохождение циклонов и антициклонов во внетропических зонах перекрывает суточный ход давления. Чем выше географическая широта места, тем меньше амплитуда суточного хода уровня. Дневной минимум на всех широтах заметнее ночного, а утренний максимум отчетливее, чем вечерний. Нагревание воздуха в дневное время определяет дневной барический минимум, а охлаждение — утренний максимум. Вторые максимумы и минимумы объясняются причинами иного происхождения, а именно: упругими колебаниями атмосферы, вызванными периодическим нагреванием атмосферы солнечными лучами. Периодические колебания с суточным и полусуточным периодом очень малы по сравнению с большими и длительными изменениями, определяемыми сезонным ходом и прохождением циклонов и антициклонов. Это наблюдается в полярных и умеренных широтах.