Давление атмосферы
В-третьих, на распределение давления влияет характер земной поверхности. Разные ее участки: суша или океан, лес или пустыня — нагреваются и остывают по-разному. Поэтому в одно и то же время давление над ними разное (рис. 99).
Летом суша нагревается быстро, и над ней образуется низкое давление. В океане вода нагревается медленнее. Воздух над ним летом холоднее, чем над сушей, а давление выше. Зимой суша быстро остывает, и над ней устанавливается высокое давление. Океан же медленно отдает тепло. Над ним зимой более высокая температура воздуха и более низкое давление.
Распределение давления на поверхности Земли
Как вы уже знаете, температура воздуха уменьшается по направлению от экватора к полюсам. Близ экватора воздух сильно нагревается, расширяется и поднимается вверх. Поэтому образуется низкое давление. Вокруг полюсов из-за низких температур воздух тяжелый. Он опускается вниз, и давление становится высоким (рис. 100).
Вопросы и задания
1. Где больше атмосферное давление — на уровне моря, в глубине шахты или на вершине горы?
2. Как давление зависит от температуры воздуха?
3. Как изменяется давление над сушей и над океаном летом и зимой?
4. Почему вдоль экватора атмосферное давление пониженное, а над полюсами — повышенное?
Источник
Планета Земля. Погода и климат
Много ли МЫ знаем о нашем доме, о планете Земля, на которой живем? Каждый ученый, как в той байке о слепцах, ощупывающих слона, говорит о своём и в итоге часто начинают рассказывать сказки. Мне повезло нахвататься верхушек знаний в некоторых науках. И не в теории, а сразу на практике. Этого очень мало для описания полной картины. Но я всё же попытаюсь рассказать о планете Земля, то что знаю. Например, какой размах крыльев был у пингвинов до того, как они разучились летать. Кто и когда оторвал предку человека хвост. Почему летающие динозавры не все имели киль и т.д.
Климат.
На рисунке показан график среднегодовых температур планеты Земля на многие миллионы лет. Все, что закрашено красным цветом, это норма. Всё, что голубым и ниже нуля редкое исключение, не свойственное обычному климату Земли. Сегодняшний климат как раз исключение и вызванное какими-то природными катастрофами. Вроде падения крупных метеоритов, повышенной вулканической активностью или длительных войн с применением атомных бомб.
Ну и каков он, нормальный климат Земли?
Начнем с самого начала. Температура атмосферы, ближе к поверхности планеты зависит в основном от нагрева Солнцем. Количество тепла, приходящее на Землю постоянно и неизменно. Следовательно, температура воздуха на поверхности зависит только от условий на Земле. Вулканический пепел или пыль от взрывов атомных бомб могут заслонить поверхность Земли от солнечного излучения и тогда температура воздуха у поверхности планеты резко снизится. Снег и лед на поверхности планеты также отражает приходящее тепло. В итоге на Земле есть два сравнительно устойчивых, климатических состояний:
-Нормальный обогрев Земли Солнцем, практически со 100% поглощением тепла.
-И Земля в виде ледяного шарика, практически со 100% отражением тепла, получаемого от Солнца.
Всё остальное, лишь переход от одного состояния к другому. Климатические качели. По геологическим меркам очень недолгие. Но за период последних, таких качелей появилось почти всё ныне живущее на планете, в том числе и наша Цивилизация. Есть предположение, что Цивилизаций было несколько. Очень может быть. Ведь Природа любит экспериментировать и менять одни формы жизни на другие, более приспособленные к выживанию.
Как выглядела Земля в виде гигантского ледяного снежка или во времена переходных периодов вы представляете. А вот как выглядела Земля в «теплые» периоды надо написать особо. В эти времена рыбы перешли на сушу, появились первые земноводные и пресмыкающиеся, был расцвет звероящеров и была эпоха динозавров. Появились предки современных растений и животных, некоторые млекопитающие перешли жить обратно в воду, появились предки птиц и человекообразных обезьян…
При среднегодовой температуре от 25 градусов и выше не может быть температурных скачков где-то на планете ниже 15-20 градусов. Иначе плюсовые скачки температур на другом конце планеты будут убийственными, для всего (местного) живого. Температурные скачки возможны только в переходные периоды. Тайфуны, ураганы, смена времен года, циклоны и анти циклоны для человека имеют какое-то значение, но для Земли нужны лишь как уравниватели температур на сравнительно больших площадях поверхности планеты. На хорошо прогретой Земле нет даже повода для климатических возмущений. Нет ледников на полюсах. Льды и снег можно увидеть лишь высоко в горах. Погода во всех уголках планеты всегда одинакова на миллионы лет вперед. Есть небольшие понижения температур на полюсах во время полярной ночи, но сезонные ветра, несильные и теплые выравнивают разницу. Каждый новый день повторяет предыдущий. Повышенная температура вызывает повышенное испарение воды. Та испаряясь образует вечные слоисто-дождевые облака. Сразу над всей планетой. Из которых идет вечный, теплый дождь. От мороси до сильного и без перерывов. Вся поверхность суши сплошные лужи, озера и болота.
Многочисленные ручьи и реки быстро размывают все возвышенности и горы. Там где еще вчера были возвышенности и горы, сегодня равнины и болота с торчащими скалами. На размываемых возвышенностях образуются мокрые пустыни, где на сплошных зыбучих песках ничего не растет и не задерживается. Вся живность концентрируется в многочисленных водоемах, на торчащих скалах или по берегам водоемов, где грунт сравнительно плотный и выдерживает вес крупных тел. В том числе и растительность.
Днем вода в океанах нагревается от проникающих сквозь тучи солнечных лучей. Ночью вода в океанах слегка охлаждается от нижних слоев воды. Появляется разница в нагреве воздуха над океанами и над сушей, с моря по утрам начинает дуть довольно сильный и ровный ветер, разгоняющий туман испарений. От этого свежего ветра всё живое лезет в укрытия или в воду для того, чтоб согреться. Либо этот ветер используют летающие животные для поиска корма или перелетов. Морские приливы, заливают громадные пространства около береговых болот и низменностей.
Морская вода с приливом поднимается на десятки и даже сотни километров в верх по рекам. Морские берега напоминают болота с лабиринтом проток и стариц.
Вряд-ли современному человеку понравится такой климат. Миллионы лет идет дождь, вечный полумрак от тяжелых туч и сырость, нет возможности высохнуть и увидеть Солнце, Луну, звезды и просто голубое небо.
Продолжение следует…
Источник
ПОГОДА, КЛИМАТ
Тропический пояс на поверхности океана получает максимальное на Земле количество солнечной радиации — около 160 ккал/см2 в год. Часть тепла расходуется на не парение воды, другая — на нагревание поверхностного слоя. Длинноволновая радиация полностью поглощается в верхних сантиметрах воды. В условиях ясного неба и спокойного моря такой приток тепла вызывает повышение температуры поверхностного слоя до 28-30°. От теплой поверхности океана и суши путем длинноволнового лучеиспускания и конвекции прогревается нижний слой атмосферы.
У экватора количество приходящего тепла и температура воды и воздуха мало меняются на протяжении года и за ряд лет. Близ тропиков количество радиации несколько варьирует в течение года. Оно велико летом, но зимой из-за меньшей высоты солнца над горизонтом и меньшей продолжительности дня несколько сокращается. В результате температура воздуха и поверхностного слоя воды зимой понижается на 4-5°.
Главный ветер тропической зоны — пассат (северо-восточный в северном полушарии, юго-восточный в южном). В тропических широтах над океаном он всегда дует из восточной части горизонта под углом к экватору. В течение года северная и южная границы пассата сдвигаются; зимой — к экватору, летом — в более высокие широты. При этом пассаты южного полушария в Атлантическом и Тихом океанах распространяются несколько севернее экватора.
Там, где встречаются п затихают пассаты северного и южного полушарий, находится экваториальная зона затишья и штилей. Здесь максимально нагревается поверхность океана. От нее теплеет воздух. Он поднимается, увлекая за собой пары воды, охлаждается на высоте, а атмосферное давление у океана падает. Это вызывает компенсационный приток воздуха извне, каковым и являются пассаты. Влага воздуха превращается в мощные облака. Нагрев и подъем воздуха особенно интенсивны днем, в послеполуденные часы. Именно в это время над штилевым океаном вырастают облака. Струи восходящих потоков воздуха прослеживаются в виде быстро растущих кучевых облаков вертикального развития. Иногда плотные серые слоистые облака покрывают все экваториальное небо, и по многу дней идет несильный дождь. Но более типичны яркие краски неба. Утром над тихим и светлым океаном восходит ясное оранжевое солнце. Оно отвесно и быстро поднимается над горизонтом и начинает свой путь к зениту. Поэтому зори на экваторе короткие. Над водой — лишь рваные облака, оставшиеся после ночного ливня. К полудню воздух становится жарким, он уже насыщен влагой и неподвижен. От обилия влаги в воздухе даль становится туманной, небо — белесым. Океан тоже становится светло-голубым. Над ним растут высокие белые массы кучевых облаков — гигантские колонны, замки, башни. Достигнув на высоте нескольких километров зоны обледенения, вершины их закругляются, превращаются в «наковальни». Температура воздуха и воды 28-30° тепла, влажность воздуха 90% и больше.
По вечерам заходящее солнце рассеивает свои лучи в насыщенной водяными парами атмосфере и создает яркие и сочные закатные краски — красную, вишневую. Небо покрыто розовыми полупрозрачными облаками верхнего яруса, ярко освещены нагромождения высоких кучевых облаков, а нижние, разорванные, плывут темными фиолетовыми тенями над потемневшим океаном.
Вечером и ночью часты сильные ливни с грозой. Становится прохладно, хотя температура падает лишь до 25-24°. Иногда в пределах видимости наблюдается несколько дождевых очагов.
Поднявшийся воздух, отдав океану избыток влаги в виде дождей, растекается в верхних слоях атмосферы от экватора к северу и югу. Постепенно под влиянием вращения Земли он поворачивает к востоку и около 30° северной и южной широт на высоте нескольких километров образует широтные воздушные потоки на восток.
В результате создается избыток воздуха и высокое давление. Воздух опускается к поверхности океана со скоростью нескольких сотен метров в сутки, нагревается и становится очень сухим. На суше в этих широтах находятся великие пустыни — Юго-Западной Азии, Северной Америки, Австралии, Северной и Юго-Западной Африки и т. д.
Так над океаном в зоне высокого давления зарождаются пассаты. Они несут избыток воздуха над поверхностью океана к экваториальной зоне низкого давления. (Часть избыточного воздуха уходит в умеренные широты.) Вращение Земли отклоняет воздушные потоки, движущиеся к экватору, вследствие чего образуются северо-восточный и юго-восточный пассаты. Поток воздуха на высоте от экватора к тропикам получил название антипассата. Так замыкается тропический атмосферный круговорот: подъем у экватора, движение поверху к тропикам, опускание к поверхности близ 30° широты, движение пассата над поверхностью океана к экватору и т. д. Получается своеобразная тепловая машина, описанная академиком В. В. Шулейкиным.
Поскольку интенсивный прогрев экваториальной полосы происходит весь год, то в течение этого времени поддерживается разность давления между экватором и тропиками и дуют пассаты. Недавно были выявлены новые детали процесса — колебания напряженности пассатной циркуляции, развитие западных ветров в экваториальной полосе затухания пассатов.
Сила пассата обычно колеблется. Несколько дней дует слабый ветер, 2-3 балла. Затем он постепенно усиливается, и через несколько дней уже достигает 6-8 баллов (максимальную силу пассат имеет в низких широтах, недалеко от экватора, особенно зимой). Затем сила его вновь начинает уменьшаться.
Вместе с границами пассатов смещается в течение года зона экваториального затишья: в июне-августе — к северу, в декабре-феврале — к югу. Изменяется и ее ширина. То пассат северного полушария почти соприкасается с пассатом южного, и зона затишья практически исчезает, то пассаты не доходят друг до друга, и между ними остается широкая, в 300 миль, штилевая полоса.
Пассаты в зонах их господства создают мощные и устойчивые поверхностные течения на запад — пассатные, или экваториальные. Осадки у экватора обильны, в год выпадает обычно 2-4 м. Особенно дождливы весна и осень, когда солнце проходит через зенит. Это так называемые зенитальные дожди. По обе стороны от экватора количество осадков уменьшается, два дождливых сезона сближаются и близ тропиков сливаются в один дождливый летний сезон. Зима — относительно, а иногда и очень сухое время года. У тропиков выпадает обычно 500-1000 мм осадков в год.
Испарение максимально в сухом воздухе близ тропиков, в зоне зарождения пассатов. У экватора во влажном воздухе оно меньше. Соотношение количества осадков и величины испарения определяет соленость поверхностных слоев воды.
Таким образом, наблюдаются существенные климатические различия между экватором и тропиками: у экватора преобладают маловетрие, постоянно высокая температура воздуха, значительная влажность и облачность, обильные осадки. У тропиков господствуют устойчивые пассатные ветры, более сухой воздух, летние дожди, заметные колебания температуры воздуха в течение года. Морской тропический воздух — теплый и сравнительно сухой — при движении в пассатном потоке к экватору прогревается, насыщается влагой и постепенно трансформируется в экваториальный — очень теплый (27 — 30°) и влажный.
Обычно атмосферные процессы в тропиках отличаются исключительной правильностью. Это определяет относительно малую изменчивость условий в океане. Лишь тропические ураганы нарушают регулярный ход событий.
Климат экваториальной зоны, фактически без засух, формирует на суше природный ландшафт густого и влажного вечнозеленого экваториального леса (в Центральной Африке, Амазонии и Юго-Восточной Азии).
Собственно тропический климат с дождливым летом создает ландшафт саванны — тропической степи с редкими деревьями п небольшими рощами. Таковы ландшафты во многих районах Южной Азии, Южной Америки, на Кубе, но самые классические саванны — в Африке. В умеренном поясе два главных сезона года — холодная зима и более или менее теплое лето. Два основных сезона и в тропиках. Они оба теплые, но зима сухая, а лето влажное. В сухое зимнее время года трава желтеет и выгорает, опадают листья с деревьев, сухой ветер несет горячий воздух из пустынь, высыхают реки, иссякают источники. Пыльная дымка висит над землей. Стада антилоп и других животных преодолевают огромные расстояния в поисках воды и корма. В середине лета со стороны экватора приходят темные тучи, на землю обрушиваются потоки воды. Ливни сопровождаются сильнейшими грозами. Русла рек превращаются в бурные потоки. На равнинах они разливаются па десятки километров в ширину. Животные ищут убежища на холмах. Самое прекрасное время в саванне — после сезона дождей, когда нет ни жары, ни сухости, ни чрезмерной влажности.
Иной характер имеет муссонная циркуляция. Как известно, муссоны развиваются в результате годовой (сезонной) неравномерности нагрева суши и океана. Весной и летом суша нагревается быстрее. Осенью и зимой она быстрее охлаждается. Наоборот, океан из-за большей теплоемкости воды и проникновения значительных количеств тепла в глубину (до нескольких десятков метров) вследствие ветрового перемешивания нагревается значительно медленнее и редко до температуры выше 30°, но сохраняет тепло значительно дольше. В итоге создаются значительные термические различия между сушей и океаном, а следовательно, и разность атмосферного давления. Особенно велика разность атмосферного давления над Азией, с одной стороны, и над Индийским и Тихим океанами — с другой. Поэтому муссонные явления наиболее развиты на южных и восточных окраинах Азии. В Южной Азии весной и летом устанавливается очень высокая температура и необычайно низкое давление. Над Индийским океаном давление сравнительно высокое. Поэтому с июня или июля возникает устойчивый поток воздуха с океана на сушу — летний муссон с юго-запада. Его обычная сила 4-7 баллов. Летний муссон приносит влажный воздух, большую облачность, обильные дожди. Он продолжается до сентября.
Зимой в результате выхолаживания суши над Азией устанавливается высокое давление (порядка 1035 мб). Над теплыми водами океана давление ниже. Разность давлений создает устойчивый, но несильный (2- 4 балла) поток воздуха с континента на океан с северо-востока на юго-запад. По некоторым свойствам он сходен с пассатом. Смена ветра определенным образом влияет на направление течений в северной части Индийского океана, а также на температуру, осадки, испарение, соленость. Аналогичная циркуляция — между Юго-Восточной Азией и Тихим океаном.
Муссонная циркуляция развивается (но слабее) и в некоторых других районах, например к юго-востоку от Северной Америки.
Таким образом, основной процесс в тропиках — интенсивный прогрев поверхности океана и передача тепла в атмосферу. Океан отдает здесь атмосфере тепло, а получает от нее количество движения, порождающее волны и течения.
Тропические циклоны. В тропических широтах возникают, развиваются и движутся чрезвычайно опасные метеорологические образования — тропические циклоны. Они распространены в основном в западных, теплых частях океанов. В Атлантическом они называются вест-индскими ураганами, в западной части Тихого — тайфунами. В связи с особенностями циркуляции атмосферы и вод западные части океанов в низких широтах существенно теплее восточных. Особенно сильно, до 30°, эти воды нагреты во второй половине лета и в начале осени. От теплой поверхности воды нагревается воздух. Нагрев вызывает мощные восходящие движения воздуха, происходит сильное испарение, атмосферное давление резко падает. При конденсации влаги выделяется скрытая тепловая энергия, которая нагревает воздух и еще более усиливает восходящие потоки влажного воздуха. В образовавшуюся область пониженного атмосферного давления с разных сторон устремляется, засасывается воздух. Из-за суточного вращения Земли потоки воздуха отклоняются (в северном полушарии против часовой стрелки). Создается воздушный вихрь диаметром в сотни километров, с очень низким давлением в середине (рис. 2). Направленные к его средней части (под некоторым углом) воздушные потоки имеют очень большую скорость и часто (но не всегда) достигают силы урагана, т. е. 12 баллов, или приблизительно 30 и даже 100 м/сек (для такой скорости ветра нет градаций в шкале Бофорта). С возрастанием скорости ветра растет его разрушительная сила как на море, так и на суше. Одновременно с вращательным движением тропический циклон имеет поступательное — он перемещается над теплой водой обычно со скоростью 15-20 км/час и следует приблизительно вдоль оси теплых течений. Теплая поверхность вод поддерживает силу этого вихря, и вдоль течений он проходит большие расстояния, проникая до умеренных широт (Ньюфаундленд, Англия, Япония, Камчатка). Над холодными водами циклон постепенно теряет силу. В северном полушарии ураганы особенно сильны с июля по октябрь. Они сопровождаются сильнейшими ветрами, мощной облачностью, спускающейся до самой поверхности океана, ливневыми дождями. За 1-2 дня выпадают сотни миллионов и миллиарды тонн воды.
Рис. 2. Схема циркуляции потоков воздуха в тропическом циклоне. 1 — направление потоков воздуха. Облака: 2 — перистые; 3 — высокие кучевые; 4 — слоистые дождевые; 5 — кучевые дождевые; 6 — зона дождей
Циклоны Атлантического океана возникают в его тропическом поясе или над Карибским морем. Отсюда они движутся в Мексиканский залив, а затем — на сильно нагретую летом территорию США или Мексики либо идут восточнее, вдоль Гольфстрима. Иногда они меняют направление движения, задерживаются на 1-2 дня на одном месте. Живет циклон несколько дней. По традиции каждому присваивают женское имя. В последние годы одним из наиболее разрушительных был циклон «Флора». Его обнаружили с помощью искусственного спутника 26 сентября 1963 г. к западу от берегов Африки. Через несколько дней он приблизился к Малым Антильским островам, пересек их гряду и достиг острова Гаити. Число жертв на острове достигло 5000 человек. От Гаити «Флора» направилась к Восточной Кубе. Здесь ураган бушевал несколько дней, так как центр его описал сложную траекторию и несколько задержался южнее острова. Ветер и наводнение, вызванное небывалыми по интенсивности дождями, произвели большие разрушения. За 4 дня выпало 2800 мм осадков, т. е. более двух годовых норм, твердый сток рек был в сотни раз больше обычного. Погибло много посевов, скота. Была смыта почва, вырвано с корнем и унесено в море множество деревьев. Число человеческих жертв на Кубе достигло 1200 человек. Циклон вышел в океан севернее Кубы и постепенно утратил разрушительную силу. Много дней спустя встречались в море странные, плывущие пальмовые рощи: деревья были вырваны с корнем, легкие стволы пальм удерживали их на плаву, а сохранившиеся между корнями грунт и камни обеспечивали вертикальное положение деревьев.
Механику и термодинамику урагана изучили лишь в самое недавнее время (академик В. В. Шулейкин и другие исследователи). При анализе использовались фотографии, сделанные с искусственных спутников Земли, и другие материалы. Было определено количество пара, который поднимается до уровня конденсации, выделяющееся при этом тепло и энергия, получаемая ураганом в секунду при обычной летом температуре на поверхности воды +28°. Была вычислена мощность, поглощаемая трением воздуха о поверхность воды.
Мощность атлантического урагана обычно составляет 200 млрд. квт, механическая — лишь 7 млрд. квт, а в редких случаях, когда поверхность воды нагрета почти до 32°, достигает 12 млрд. квт. Величины такого порядка отмечались в августе 1969 г., когда над Карибским морем и Мексиканским заливом проходил циклон «Камилла». Общая энергия среднего циклона эквивалентна силе взрыва нескольких водородных бомб.
Таковы основные особенности климата и погоды в тропических и экваториальных широтах океана, которые определяют все главные черты природы океана до глубины нескольких сотен метров — течения, температуру и другие свойства вод, органический мир, особенности геологии и гидрохимии.
Источник