12 Билет
1.Циркуляция атмосферы — система замкнутых течений воздушных масс, проявляющихся в масштабах полушарий или всего земного шара. Подобные течения приводят к переносу вещества и энергии в атмосфере, как в широтном, так и в меридиональном направлениях, из-за чего являются важнейшим климатообразующим процессом, влияя на погоду в любом месте планеты.
Основная причина циркуляции атмосферы — солнечная энергия и неравномерность её распределения на поверхности планеты, в результате чего различные участки почвы и воздуха имеют различную температуру и, соответственно, различное атмосферное давление (барический градиент). Кроме солнца на движение воздуха влияет вращение Земли вокруг своей оси и неоднородность её поверхности, что вызывает трение воздуха о почву и его увлечение.
Воздушные течения по своим масштабам изменяются от десятков и сотен метров (такие движения создают локальные ветра) до сотен и тысяч километров, приводя к формированию в тропосфере циклонов, антициклонов, муссонов и пассатов. В стратосфере происходят преимущественно зональные переносы (что обуславливает существование широтной зональности). Глобальными элементами атмосферной циркуляции являются так называемые циркуляционные ячейки - ячейка Хадли, ячейка Феррела, полярная ячейка.
Вертикальная скорость на 500 hPa, июльское среднее. Восходящие (отрицательные величины) концентрируются близко к солнечному экватору; нисходящие (положительные величины) более рассредоточены.
ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ — система воздушных течений, охватывающая всю атмосферу и осуществляющая обмен теплом, влагой и взвешенными в воздухе примесями между отдельными поясами земного шара. Важнейшей особенностью О. ц. а. является её непрерывная изменчивость, имеющая характер колебаний около некоторого среднего состояния равновесия, сходных с колебаниями упругой системы. Среди различных направлений и скоростей ветра в данной точке, среди различных вариантов распределения воздушных течений всегда имеются некоторые средние и наиболее частые направления и скорости ветра, наиболее частые формы распределения течений.
О. ц. а. порождается и поддерживается за счёт неодинакового притока солнечной энергии к поверхности земли на разных широтах и разд. преобразования этой энергии на поверхности материков и океанов. Возникающие разности темп-ры земной поверхности приводят к различному нагреванию лежащей над ней атмосферы. Чем теплее вертикальный столб воздуха с одной и той же массой, тем он менее плотен и более высок. Если мысленно разделить атмосферу на лежащие друг над другом слои воздуха с одинаковой массой, то каждый из этих слоев, как и вся атмосфера в целом, становится тоньше в направлении от тепла к холоду. Поверхности равного давления (изобарич.), разделяющие эти слои, опускаются в том же направлении. Горизонтальной остаётся лишь самая нижняя изобарич. поверхность, совпадающая с земной поверхностью; общая масса атмосферы за счёт одних различий в нагревании не меняется и атмосферное давление на уровне земли при этом остаётся всюду одинаковым. На любом из вышележащих уровней давление уменьшается в том направлении, куда опускаются изобарич. поверхности, т. е. от тепла к холоду. Исходя из этого, следует ожидать, что на всех уровнях в свободной атмосфере давление непрерывно понижается от экватора к каждому из полюсов и изобары проходят вдоль параллелей, очерчивая концентрическими кругами центры самого низкого давления над полюсами и полосу наиболее высокого давления вдоль экватора. В действительности, такое распределение давления охватывает не всю атмосферу. Оно наблюдается: между тропиками обоих полушарий — только выше 10 км, между тропиками п полюсами — в основном выше 2—4 км, и только в Южном полушарии между тропиком и полярным кругом уменьшение давления в направлении к полюсу прослеживается до самой земли. Во всех остальных частях атмосферы начальное распределение давления, непосредственно обусловленное только различиями нагревания, оказывается нарушенным из-за перераспределения общей массы атмосферы воздушными течениями.
2. Морским волнением называется явление волновых колебаний масс воды под воздействием ветра, происходящих на поверхности моря.
Волны характеризуются следующими элементами(рис1): верхняя, выступающая над спокойным уровнем поверхности моря часть волны называется гребнем, а ее верхняя точка - вершиной; нижняя часть, расположенная ниже спокойного уровня, - ложбиной или впадиной, а ее нижняя точка - подошвой.
Волны имеют высоту, длину, период и скорость распространения. Высота волны h равна расстоянию по вертикали от вершины волны до ее подошвы. Длина волны - это расстояние между гребнями или подошвами двух смежных волн. Период волны - это промежуток времени, за который волна проходит расстояние, равное своей длине. Скорость распространения волн С определяется длиной пути, проходимого в единицу времени. Длина волны, скорость ее распространения и период связаны зависимостью
=С*
Средняя крутизна волны определяется отношением высоты волны к ее длине.
Волны могут быть вынужденными, когда они непрерывно поддерживаются дующим ветром, и свободным (зыбь), когда они продолжаются по инерции.
Для выявления общих законов строения волн и характера движения их отдельных частиц при волнении обычно рассматривается трохоидальная теория волн, предложенная Ф.Герстнером (1802г) и развитая Г.Г. Стоксом (1847г). Согласно выводам этой теории, отдельные частицы воды в поверхностных волнах движутся по замкнутым эллипсоидальным орбитам, совершая полный оборот за время, равное периоду волны (Рис.8). В глубоком море эллиптические орбитальные пути превращаются в круговые, а профиль волны изображается трохоидой. Вращательное движение последовательно расположенных частиц воды, сдвинутых на фазовый угол в начальный момент движения, создает картину поступательного движения профиля волны. Таким образом, из трохоидальной теории следует, что в волнении существуют две формы движения: отдельные частицы движутся по замкнутым орбитам, в то время как профиль волны перемещается поступательно в направлении ветра. На основании этой теории были получены следующие формулы, связывающие отдельные элементы волн:
Рис1.
обозначения, которых даны выше, g - ускорение силы тяжести.
Трохоидальная теория волн позволила установить основные закономерности изменения элементов волн в зависимости от глубины моря:
1.Гребни глубинных волн располагаются под гребнями поверхностных, а подошвы под подошвами.
2.Длина, период и скорость распространения волн с глубиной не меняются.
3.С увеличением глубины в арифметической прогрессии высота волн убывает в геометрической прогрессии. Величину убывания высот волн в зависимости от глубины моря можно определить по формуле
h=h0e
где h0 - высота волны на поверхности, Z - глубина залегания частицы воды, - длина волны.
Таким образом, мы видим, что волна очень быстро уменьшается с глубиной.
У ветровой волны наветренный склон пологий, а подветренный - более крутой. При выходе волны на мелководье она увеличивается в высоте и опрокидывается. С увеличением скорости ветра наблюдается рост отдельных элементов волн. Чем ближе скорость волны к скорости ветра, тем слабее давление ветра на наветренный склон волны, а, следовательно, уменьшается и количество энергии, которое ветер передает волнам. Под продолжительностью действия ветра понимается тот промежуток времени, в течение которого на волны воздействует постоянный по скорости и направлению ветер. Расстояние, на котором ветер постоянного направления воздействует на волны, называется разгоном ветра. Скорость ветра, продолжительность его воздействия и длина разгона определяют высоту волны. Максимальные значения перечисленных воздействий встречаются в антарктическом кольце, где и наблюдаются наибольшие высоты волн.
Прибойный поток и возникающие в его зоне волны приводят к тому, что здесь возникают силы, действующие в различных направлениях и на различных уровнях. В зависимости от величины и направлениях этих сил в зоне прибоя возникают опрокидывающие моменты, воздействующие на плавсредства, оказавшиеся в районе прибоя. Таким образом, прибрежная область без заливов и бухт в шторм более опасна для судов, чем открытое море.
Существенное различие между морями и океанами состоит в повторяемости высот волн. Например, повторяемость высоты 1,25 м в океанах около 40%, а в морях она не бывает ниже 55% и достигает в отдельных районах 80%. Это обусловлено тем, что над морями разгон ветра и продолжительность его действия меньше, чем над океанами. Если рассматривать вероятности превышения различных высот волн, то можно получить зависимость, которая называется функцией обеспеченности высот волн и графически изображается в виде кривой обеспеченности.
В отдельных районах Мирового океана на судоходство оказывают влияние так называемые длинные волны, которые проявляются в виде явлений тягуна и цунами. Тягун наблюдается в портах, расположенных как на побережье океанов, так и на побережьях окраинных и внутренних морей, в открытых и закрытых портах. Предполагается, что это явление вызывается длиннопериодными волнами (5-10м), которые входят в порт со стороны моря. Они и вызывают сейшеобразные колебания уровня, внешне проявляющиеся в сильных однонаправленных течениях, способных сорвать судно со швартовых. Цунами - это длинные волны, возникающие вследствие моретрясений. Они практически не фиксируются в открытом море, но при выходе на берег высота волны достигает 30м и производит катастрофические разрушения.
3. Смерчи - Под названием смерчей (также - тромбы или торнадо) известен особый род вихрей, наблюдаемых в теплое время года в нижних слоях атмосферы и отличающихся особыми разрушительными действиями. С. образуются в присутствии особых темных и низких облаков, по своему внешнему виду очень сходных с грозовыми тучами. На нижнем крае такого облака наблюдаются обыкновенно опускающиеся вниз хоботообразные выступы, или придатки, вихреобразно крутимые сильным ветром. Перед возникновением смерча или тромба один из таких придатков начинает удлиняться и вытягивается книзу. Если такое облако проходит над морем или другими водами, поверхность воды под таким удлиняющимся придатком начинает волноваться, море как бы приходит в кипение, уровень воды здесь поднимается, и в поднимаемой воде наблюдается вихреобразное движение; столб воды растет вверх и, наконец, соединяется с опускающимся из облака выступом в одно целое. Образовавшийся таким образом смерч представляет собой как бы две туманные, слившиеся своими узкими концами воронки, обращенные отверстиями одна - вверх, другая - вниз. Смерч на суше по внешнему виду не отличается от образовавшегося на море; только нижняя его часть в таком случае состоит из поднятой вихрем на большую высоту почвы, пыли и различных мелких предметов, встреченных на пути вихрем. Поступательное движение такого вихря сравнительно медленно: он следует всегда за облаком, из которого образовался. Размеры вихря зависят от того, где смерч образовался; на море С. имеют обыкновенно диаметр нижней части не больше нескольких метров, на суше же они достигают диаметра в 100-200 м и даже больше. Кроме сравнительно медленного поступательного движения, С. еще обнаруживают гораздо более сильное, вихревое, вращательное движение масс воздуха вокруг оси вихря. Движение это - так же как и в вихрях, более крупных по своим размерам, - циклонах, совершается в сев. полушарии обратно часовой стрелке, в южном - наоборот, хотя изредка наблюдаются и исключения из этого правила. Скорости такого вихревого движения вообще очень велики; иногда вблизи центра вихря они достигают 40-50 м в секунду, а некоторые наблюдения в Америке дали скорости свыше 100 м в секунду. По мере удаления от центра вихря скорости вращательного движения быстро убывают. Разрушительные действия, вызываемые такими огромными скоростями движения воздуха около центра вихря, наблюдаются обыкновенно в сравнительно неширокой полосе, на суше не превосходящей 100-200 м. На море С. не сопровождаются, по большей части, ни дождем, ни электрическими явлениями; на суше иногда наблюдается вместе со смерчем и то, и другое. Наблюдения метеорологических станций, снабженных самопишущими приборами, дали возможность констатировать, что прохождение смерча через место наблюдения сопровождается весьма быстрым падением барометра, который затем не менее быстро снова повышается до прежней высоты; все колебание барометра длится несколько секунд. Колебание барометра может достигать весьма значительной величины: так, 18 июня 1897 г. в Аньере (Asni è res), близ Парижа, при прохождении смерча, барометр в несколько секунд упал на 9,5 мм и затем также быстро вернулся к прежней высоте; но, так как через Аньер прошел не центр вихря, то есть основание думать, что действительное колебание барометра в центре вихря было еще более. Ни на температуру, ни на влажность воздуха, судя по записям самопишущих приборов, С. не оказывают заметного действия. На суше обыкновенно С. наклонены верхней частью вперед по направлению движения. С. сопровождаются шумом, напоминающим грохот железнодорожного поезда или тяжелой повозки с камнями по плохой мостовой. Вырванные с корнем и разломанные в щепы деревья, сорванные крыши, разрушенные дома - обычное следствие прохождения смерча. Нередко наблюдаются явления переноса весьма тяжелых предметов на довольно значительные расстояния, притом иногда без разрушения. Так, одним смерчем в Соедин. Штатах жилой дом оказался сорванным с фундамента и перенесенным на расстояние 100 м; в другом случае повозка, весом в 1600 кг, поднята на воздух и через изгородь, высотой в 1,8 м, перенесена без повреждения на 18 м расстояния. Наблюдались также случаи переноса людей, без вреда для них, на значительные расстояния. Явления разрушения или срывания крыш легко могут быть еще объяснены силой ветра или очень быстрым уменьшениям давления; явления же поднятия на воздух и переноса тяжелых предметов и людей до сих пор вполне объяснены быть не могут. Не подлежит сомнению, что вихри эти - явление местное, наблюдаемое на ограниченном пространстве - обыкновенно на окраинах более крупных вихрей - циклонов, или барометрических минимумов (см. Погода; также Бури). Так как образование подобных вихрей идет сверху вниз и постепенно распространяется до земной поверхности, то - вероятнее всего, что причиной возникновения С. является встреча двух воздушных потоков, обладающих различными скоростями. В этом случае, - особенно, если встреча происходит под очень острым углом, - всегда возможно возникновение вихревого движения; особенно легко образуются вихри там, где отделяющиеся от одного потока полосы или струи врезаются в другой. Раз зародившись, такой вихрь, или воздуховорот [Совершенно аналогичный тем водоворотам, которые образуются у концов весел движущейся лодки], может развиться далее и легко дойти до земной поверхности; условия, при которых наблюдаются С., будут только способствовать развитию вихря. В самом деле, образование облаков, подобных тем, из которых развиваются С., - облаков грозовых, - есть следствие возникновения весьма сильного восходящего потока очень теплого и влажного воздуха. Ниже такого облака мы найдем таким образом всегда очень теплый и влажный воздух. В самом облаке, вследствие быстрого поднятия и расширения, - а следовательно, и ненормально быстрого охлаждения воздуха, условия равновесия воздушных масс могут быть очень неустойчивыми и способствовать образованию всяких воздушных потоков. Если на нижней границе такого облака образуется вихревое движение, то уже и при слабом вихревом движении развивающиеся центробежные силы создадут разрежение воздуха близ центра вихря. Это уменьшение давления, в свою очередь, поведет к конденсации паров, близких к точке насыщения ниже облака. Этим процессом еще более будет уменьшено давление, и вихрь еще более усилится. Разрастаясь постепенно в вертикальном направлении и поднимая теплый и влажный воздух из более низких слоев вверх, вихрь будет быстро этот поднимаемый воздух приближать к точке насыщения; пары, перейдя точку росы, будут выделяться в капельно-жидком состоянии. Отсюда - тот туманный вид, который всегда имеет смерч издали; отсюда же и те потоки воды, которые изливаются всегда в момент разрушения или распадения смерча. Частицы воздуха при вихревом движении описывают спиралеобразные траектории, постепенно приближающиеся к оси вихря. По мере приближения к оси вихря, скорости движения воздушных частиц должны очень быстро возрастать, так как чем ближе массы воздуха подходят к оси вихря, тем меньше становится сечение последнего, а следовательно, и тем большие массы воздуха должны в единицу времени пройти через каждую единицу поверхности сечения вихря. Если принять еще во внимание те огромные величины барометрического градиента, какие наблюдаются при С. (на 100-200 м расстояния изменение барометра доходит до 15-20 мм) [В смерче, прошедшем чрез Аньер, барометр упал на 9,5 мм и затем снова поднялся до прежней высоты; след., полное его колебание было при прохождении смерча 19 мм], то становятся понятными при этих условиях необычайные скорости ветра в С. Наконец, в быстром возрастании вертикальной слагающей движения воздушных масс по мере приближения к оси вихря лежит, может быть, причина тех трудно объяснимых действий С., о которых была речь выше. Опыты и наблюдения Вейера и Феттина, которым удалось искусственно воспроизвести в малых размерах образование С., подтверждают приведенные взгляды на происхождение этих вихрей.
Наиболее часто смерчи наблюдаются в странах с тропическим климатом (особенно в районе Мексиканского залива) в жаркую весеннюю и летнюю погоду. Возникают смерчи при встрече воздушных потоков с достаточно различными скоростями движения, особенно в тех частях этих потоков, где сильнее проявляется необходимое для вихреобразования трение между слоями воздуха.