Загальне землезнавство - Олійник Я.Б. - 6.7. Загальна циркуляція атмосфери

Під загальною циркуляцією атмосфери розуміють сукупність основних видів повітряних рухів у нижній атмосфері, внаслідок яких здійснюється обмін великих мас повітря в горизонтальному і вертикальному напрямах. Ці повітряні течії зумовлені перш за все різницею температур між екваторіальними і полярними широтами, материками й океанами, а також обертанням Землі навколо своєї осі.

Коли б поверхня Землі була рівною і одноманітною, тобто тільки сушею або водною оболонкою, і на повітряних потоках не позначалась би відхиляюча дія обертання Землі, тоді схема циркуляції повітря була б досить простою: холодне повітря розтікалось би в приземному шарі від полюсів до екватора, а більш легке тепле утворило б на певній висоті компенсаційний потік від екватора до полюсів. Рух повітря, таким чином, здійснювався б уздовж меридіанів.

Насправді ж загальна циркуляція має значно складніший вигляд. На ній позначається вплив форми Землі, добове обертання Землі, річний рух Землі, особливості розподілу суші і моря, характер рельєфу, океанічні течії, поширення льодовиків тощо.

Земна поверхня, маючи кулясту форму, нагрівається Сонцем нерівномірно, і саме ця нерівномірність надходження сонячної енергії в різних широтах є основною причиною виникнення атмосферної циркуляції великого масштабу, яка шляхом переносу величезних мас холодного й теплого повітря в меридіональному напрямі вирівнює температурну різницю між високими і низькими широтами Землі. Крім того, навіть на одній і тій самій широті сонячна радіація поглинається неоднаково материками й океанами, лісами й пустелями, засніженими й оголеними поверхнями. Внаслідок цього виникає циркуляція малого масштабу між материками й океанами, горами й долинами тощо.

Як уже зазначалося, сила Коріоліса зумовлена осьовим обертанням Землі і дуже відчутно впливає на напрям руху вітрових течій. В умовах широтного розташування постійних центрів дії атмосфери це призводить до формування в тропосфері переважно західно-східного переносу повітряних мас.

Рух Землі навколо Сонця є причиною утворення сезонних центрів дії атмосфери. Формування над материками зон пониженого тиску влітку і підвищеного взимку діаметрально змінює напрями циркуляції повітря над одними і тими ж регіонами земної поверхні. Певних сезонних змін зазнає циркуляція повітря і над океанами.

Наявність нерівностей на земній поверхні також позначається на напрямі переміщення повітряних мас. Значно впливають на загальну циркуляцію гори, які нерідко є нездоланною перешкодою для панівних течій і значно трансформують властивості повітря. Над рівнинами й низовинами, як і над морем й океаном, напрям руху повітря визначається переважно меридіональними і широтними особливостями просторового розподілу атмосферного тиску і впливом сили Коріоліса. Основні фізичні характеристики повітря (вологість, температура, прозорість) значною мірою залежать від підстилаючої поверхні. Так, теплі океанічні течії нагрівають повітря і насичують водяною парою, а холодні, навпаки, сприяють його охолодженню (при цьому повітря більш прозоре через низький вміст в ньому вологи).

Зрозуміти деякі закономірності руху повітряних мас дозволяє схема загальної циркуляції атмосфери, яку запропонував у 1897 р. норвезький кліматолог Ф.К. Б'єркнес (рис. 18). Згідно з цією схемою, в кожній півкулі можна виділити три кільця циркуляції повітря.

Перше кільце охоплює тропічні широти, до нього належать висхідні потоки теплого легкого повітря над екватором, які вітрами переносяться до тропіків і опускаються на широтах близько 30°. Звідси, з баричних максимумів повітря пасатами повертається до екватора — баричного мінімуму.

Друге кільце формується в помірних широтах і виражене менш чітко. Тут переважають західні вітри, що дмуть із субтропічних баричних максимумів. При цьому частина повітря з мінімумів помірних широт повертається в тропічні широти, а інша потрапляє в полярні.

Рис. 18. Загальна циркуляція атмосфери

В полярних кільцях відбувається опускання повітря внаслідок зменшення його об'єму під впливом сильного охолодження. Повітря поступово розтікається до арктичного і антарктичного фронтів. У верхніх шарах тропосфери формуються горизонтальні компенсаційні течії.

Незважаючи на детальну характеристику загальної циркуляції атмосфери, ця схема не відображає всіх закономірностей руху повітря. Так, у ній зовсім не враховано вплив неоднорідності земної поверхні. Разом з тим відомо, наскільки важливу роль в переміщенні повітря відіграють суттєві відмінності в нагріванні материків і Світового океану. Фактична циркуляція ще більше ускладнюється циклонічною і антициклонічною діяльністю. Новітні дослідження показали, що обмін повітря ними масами між екваторіальними і полярними широтами досягається, головним чином, горизонтальним переміщенням. Вертикальні кільця проявляються нечітко і не е стійкими утвореннями, особливо у позатропічних широтах.

У загальній циркуляції атмосфери добре простежується зональність в розподілі вітрів: у низьких широтах переважає східний тропічний перенос повітря, у середніх — західний, у високих — полярна циркуляція з переважно північно-східними вітрами у Північній півкулі і південно-східними — в Південній.

Східний тропічний перенос формується пасатами — постійними вітрами помірної сили (в середньому 6—8 м/с), що дмуть із субтропічних антициклонів у бік екваторіального баричного мінімуму. Оскільки міжширотні градієнти температури в жаркому поясі невеликі, то і атмосферна циркуляція менш інтенсивна, ніж в помірних широтах. У Північній півкулі пасати мають напрям з північного сходу на південний захід, а в Південній — з південного сходу на північний захід. Пасатна смуга не суцільна в тропічному поясі: ці вітри відсутні, наприклад, над південною частиною Північної Америки і над північною Австралією.

Зона панівних західних вітрів охоплює в помірних широтах всю тропосферу. Швидкість вітру змінюється в широких межах, середня ж становить 5—10 м/с.

У полярних поясах обох півкуль до висоти 2—3 км переважають вітри східних румбів з малими швидкостями. Це пояснюється відсутністю постійного полярного антициклону. Відтікаючи в приполярні широти, арктичне і антарктичне повітря нагрівається й опадів, як правило, не дає. На вищих рівнях у цих широтах панують західні вітри.

Західно-східний перенос повітря в помірних широтах постійно порушується циклонічною і антициклонічною діяльністю. Частому зародженню циклонів сприяють тут значні контрасти температур повітря, які створюють сприятливі умови для інтенсивної адвекції (горизонтального перенесення) тепла і холоду. Найчастіше вони утворюються на півночі Атлантики і Тихого океану. Взимку, коли збільшуються контрасти температур між океаном і материками, циклонічна діяльність посилюється. В цей час циклони зароджуються і над Середземним морем.

Циклони помірних широт — це грандіозні порівняно плоскі атмосферні вихори розміром до декількох тисяч кілометрів. Повітря в такому вихорі рухається за спіраллю навколо центра, повільно до нього наближаючись. Причиною цього є знижений тиск в центральній частині.

Зростання атмосферного тиску може спричинити утворення антициклонів — баричних максимумів в однорідній повітряній масі. Повітря в них опускається, ущільнюється і притискується до земної поверхні. З низхідними токами пов'язане адіабатичне нагрівання повітря та його висихання. Тому в антициклоні, на відміну від циклонів, погода ясна і суха, небо безхмарне. Температура влітку висока, а взимку дуже морозна. В центрі антициклона стоїть штиль, а на периферії дмуть слабкі вітри.

Істотну роль у загальній циркуляції атмосфери відіграють мусони (тропічні і позатропічні) — стійкі сезонні повітряні течії з різкою зміною переважаючого напряму вітру від зими до літа і навпаки. Влітку, коли краще нагрітий суходіл, з океану дме вологий вітер — літній мусон, який приносить щедрі опади. Взимку ж, навпаки, відбувається перенос повітря з холодної суші на більш теплий океан у вигляді сухого й холодного зимового мусону. Мусони дуже характерні для Східної та Південно-Східної Азії, Індії, Пакистану, Бангладеш.

Виділяють ще екваторіальні мусони. Вони утворюються у зв'язку з періодичним сезонним переходом пасатів через екватор з однієї півкулі в іншу. Цей перехід зумовлюється міграцією термічного екватора внаслідок зміни зенітального положення Сонця. При переході через екватор повітряні течії відхиляються під впливом сили Коріоліса в іншій півкулі не на захід, а на схід. Так виникають між східними пасатними течіями окремі вузькі приземні західні потоки повітря, які рухаються безпосередньо вздовж екватора.

В екваторіальній смузі сходяться і затихають північно-східні і південно-східні пасати. Це так звана зона екваторіального затишку, відома раніше як пояс штилів. Для неї характерний низький атмосферний тиск і слабкі змінні вітри. Повітря в зоні затишку нагрівається і піднімається вгору, де розтікається на північ і південь, відхиляючись у Північній півкулі праворуч, а в Південній — ліворуч. Так утворюються антипасати. Висхідні течії повітря, охолоджуючись, виділяють водяну пару. Тому в зоні затишку часто спостерігається велика хмарність і випадає багато опадів.

З висотою різниця температур між екватором і полюсами в тропосфері зменшується, але не зникає. Оскільки контрасти температур взимку більші, ніж влітку, то й атмосферні циркуляції протікають у цю пору інтенсивніше. Внаслідок цього переважаючі західні вітри мають у помірних широтах в холодну пору більшу швидкість, ніж у теплу.

Вітри, властиві тій чи іншій фронтальній зоні, з висотою посилюються, оскільки зменшується тертя. У верхніх шарах атмосфери і нижніх шарах стратосфери вітри дмуть з великою швидкістю (від 50 до 100 м/с) у вигляді сильних вузьких струменів. Звідси і походить їхня назва — струминні течії. Довжина їх може сягати тисячі кілометрів.

Таким чином, загальна циркуляція атмосфери має досить складний вигляд. У зв'язку з перепадами тиску повітря переміщується в тропосфері у вигляді пасатів і антипасатів, західних вітрів у помірних широтах, полярних вітрів, різних вітрів меншого масштабу і повітряних потоків. Ці переміщення повітряних мас мають великий вплив на клімат, і насамперед на перерозподіл тепла і вологи в атмосфері. Панівні вітри викликають утворення течій в морях і океанах, визначають основні напрями переносу еолових відкладів.