Сделай Сам Свою Работу на 5

Давления и ветров на земном шаре





Прогретый воздух поднимается вверх, а там растекается к океанам. Масса воздуха над материком становится меньше, давление понижается.

Области пониженного и повышенного давления называются центрами действия атмосферы. Они подразделяются на постоянные и сезонные.

Постоянные центры действия атмосферы, существующие в течение всего года: экваториальный пояс пониженного давления, пять субтропических океанических максимумов (Северо-Атлантический – Азорский, Северо-Тихоокеанский – Гавайский, Южноатлантический, Южно-Индийский, Южнотихоокеанский), пояс пониженного давления вокруг Антарктиды, субполярные области над океаном ( Исландский и Алеутский минимумы), Антарктический и Гренландский максимумы.

К сезонным относятся зимние максимумы (Азиатский и Северо-Американский) и летние минимумы (Южно-Американский, Южно-Африканский и Австралийский).

Центры действия атмосферы оказывают большое влияние на воздушные течения, погоду и климат.

Суточный ход атмосферного давления имеет плавные периодические колебания, особенно хорошо выраженные в тропиках, где кривая суточного хода имеет вид двух волн с максимумами давления около 10 ч и 22 ч и минимумами около 4 ч и 16 ч. Амплитуда суточного хода достигает 3-4 мб. По мере удаления от экватора в более высоких широтах суточный ход давления выражен слабее и отмечаемая на экваторе система здесь часто нарушается непериодическими колебаниями. На широте 60° амплитуда суточного хода составляет уже лишь 0,3 мб.



В годовом ходе атмосферного давления можно выделить три основных его типа:

- континентальный с минимумом летом и максимумом зимой, с увеличением амплитуды от окраин материков в их глубину – так над европейской территорией России она составляет 8-12 мб, в Сибири 25-70 мб;

- океанический с максимумом летом и минимумом зимой со средним значением амплитуды до 20 мб, при этом в тропических широтах годовой ход выражен значительно слабее, а над океанами средних широт иногда может наблюдаться более сложный годовой ход – с максимумами летом и зимой и минимумами весной и осенью со среднегодовой амплитудой не более 5-6 мб;

- полярный и субполярный с максимумом в апреле или мае и минимумом в январе или феврале и с амплитудой 5-12 мб.



Тема 6.Ветер

 

Ветром называется движение воздуха относительно земной поверхности, как правило, при этом имеется в виду горизонтальная составляющая этого движения.

Роль ветра в атмосфере как составной части геофизической оболочки заключается, прежде всего, в том, что он является непосредственной причиной, обуславливающей изменение погоды и формирующей климат Земли в целом и ее отдельных регионов.

Ветер участвует в круговороте воды, перенося влагу по всему земному шару и доставляя ее в сухие безводные области, которые без этого превратились бы в мертвые пустыни. Непрерывное действие ветра оказывает влияние на рельефообразование на земной поверхности, разрушая и сглаживая в течение тысячелетий возвышенности и горные хребты и создавая особые эоловые формы рельефа.

Ветер нередко достигает разрушительной силы, приносит человеческие жертвы и колоссальный материальный ущерб. Особенно часто такие ветры, связанные с прохождением тропических циклонов, наблюдаются в бассейне Карибского моря, Юго-Восточной Азии, Бенгальском заливе, реже в Аравийском море и в районе острова Мадагаскар.

На территории России в умеренных широтах ветер, достигая скорости 25 м/с и более, вызывает большие разрушения. Такие ветры обычно наблюдаются в системе глубоких циклонов или на периферии мощных антициклонов.

В соответствии с условиями рельефа скорость ветра может уменьшаться или значительно увеличиваться, но это обычно имеет локальный характер. Такие ветры на территории Нижегородской и соседних с ней областей в период активных конвективных процессов в атмосфере (май-сентябрь) наблюдают не менее 5-6 раз ежегодно. Они называются шквалами и представляют собой вихреобразное движение воздуха вокруг оси, расположенной параллельно земной поверхности.



Возникающие в атмосфере воздушные вихри с вертикальной осью вращения называются смерчами (торнадо в США, тайфуны на Дальнем Востоке). Диаметр их на море составляет 20-100 метров, а над сушей достигает 1-2 км. Скорость ветра в смерче достигает 100 м/с и более, что достаточно для разрушения жилых и промышленных объектов, лесонасаждений, сельхозугодий, линий связи и электропередач и т.д. В системе смерчей движение воздуха чаще всего происходит против часовой стрелки. Возникают они при мощном грозовом облаке, из которого опускается к земле хоботообразный вихрь. Под влиянием большой скорости вращения внутри смерча возникает центробежная сила, в результате действия которой здесь образуется пониженное давление. Это является причиной всасывания внутрь смерча воды или предметов, встречающихся на пути его движения.

Существенный вред сельскому хозяйству приносят суховеи – горячие и сухие ветры, наблюдающиеся в степной и лесостепной зоне, особенно на юго-востоке Европейской территории России. Особенно вредят суховеи в начале вегетации растений, во время цветения и колошения полевых культур. Испарение с почвы и транспирация растений при суховеях резко усиливаются, что приводит к истощению запасов почвенной влаги. Под действием суховеев листья растений сначала сворачиваются, затем становятся мягкими и дряблыми и затем быстро усыхают.

Ветер переносит громадное количество снега. Метели заметают автомобильные и железные дороги, оголяют от снега озимые посевы и сильно ограничивают видимость. Особенно свирепствуют метели на Крайнем Севере, где они называются пургой. Обычно здесь пурга бывает не только сильной, но и продолжительной, что значительно усложняет жизнь в северных поселках. Ветер влияет на реактивность организма, т.е. воздействует на систему терморегуляции, а также оказывает на него механическое воздействие. Он усиливает или снижает механизмы физической терморегуляции, т.е. способствует либо отдаче тепла, либо его задержке в организме.

Отрицательное воздействие ветра усиливается при резких колебаниях температуры, влажности воздуха, атмосферного давления, при сильном холодном ветре и резких колебаниях атмосферного давления повышается артериальное давление, что способствует развитию гипертонических кризов и нарушению мозгового кровообращения. Колебания артериального давления у больных отмечаются также при внезапном изменении направления ветра.

Являясь в отдельных случаях грозным явлением природы, ветер одновременно с этим может быть одним из важнейших источников энергии. Относясь к неисчерпаемым природным и энергетическим ресурсам, ветер обладает их огромными потенциальными запасами. Подсчитано, что запасы энергии ветра на Земле приблизительно в 5000 раз больше энергии угля и газа, потребляемой во всем мире в течение года. Только на территории России та часть энергии ветра, которая могла бы использоваться уже при современном состоянии техники, составляет в год не менее 10 миллиардов киловатт. Особенно большое значение имеет эта энергия в тех районах, где другие ее природные источники отсутствуют. В настоящее время имеются успешные модели ветродвигателей, преобразующих ветровую энергию в электрическую, которая используется в производственном режиме (в частности, в Нидерландах). Однако некоторые технические вопросы остаются пока нерешенными. Так, скорость и направление ветра постоянно меняются, что не дает возможности выдерживать постоянный эксплуатационный режим ветродвигателей. Проблемой остается аккумуляция и использование электроэнергии в период, когда они не могут работать. Но, тем не менее, учитывая высокую экологическую чистоту производства ветровой энергии и ее неограниченные запасы, за ветроэнергетикой, безусловно, стоит большое будущее.

Данные о ветровом режиме определенных регионов необходимы при проектировании промышленных объектов, жилых и общественных зданий, при планировании и застройке новых населенных пунктов и реконструкции старых. Кроме данных фактических наблюдений, при этом широко используются вероятностные характеристики ветра, полученные расчетным путем. Они необходимы для определения возможных ветровых нагрузок на высотные сооружения, летательные аппараты, особенно при их взлете и посадке, при эксплуатации строительных кранов и т.д.

Очень важно учитывать влияние ветра на распространение загрязняющих примесей, поступающих в атмосферу от промышленных предприятий, ТЭЦ, автотранспорта и т.д. Эффективность некоторых мер, направленных на обеспечение чистоты воздуха, находится в прямой зависимости от ветрового режима данного района. Проводимые специально наблюдения позволяют выявить связи между концентрациями загрязняющих примесей с погодными условиями, в том числе с характеристиками ветрового режима.

Специальные формулы, учитывающие розу ветров, позволяют рассчитать конфигурацию и протяженность той санитарно-защитной зоны вокруг промышленных предприятий, в которой не следует производить жилищное строительство.

Ветер характеризуется вектором скорости – числовое его значение показывает непосредственно скорость, а направление указывает, откуда дует, ветер.

Скорость ветра обычно выражается в м/с, км/ч (в авиации) и в узлах (морских милях в час) – на флоте и в баллах по шкале Бофорта.

Различают среднюю скорость за какой-либо промежуток времени (обычно за 10 минут) и мгновенную, которая сильно колеблется около среднего значения, что обусловлено наличием турбулентности в воздушном потоке.

Направление ветра определяется румбом горизонта, откуда он дует или его азимутом, то есть углом между направлением ветра и меридианом пункта наблюдений.

В первом случае обычно различают восемь основных румбов: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад или (для более точного определения направления) восемь основных и восемь промежуточных румбов, к которым относятся северо-северо-восток, восток-северо-восток, восток-юго-восток, юго-юго-восток, юго-юго-запад, запад-юго-запад, запад-северо-запад, северо-северо-запад. Перечисленные 16 румбов показаны на рис. 13.

Если направление ветра характеризуется азимутом, то отсчет угла между ним и меридианом ведется от севера по часовой стрелке. Таким образом, северному направлению будет соответствовать 0° (360°), северо-востоку-45°, востоку-90° и т.д. Направление ветра, как и его скорость, различают среднее и мгновенное.

При климатической обработке наблюдений за направлением ветра обычно строят диаграмму, представляющую собой распределение

Рис. 13. Румбы

Таблица 4

Шкала Бофорта

Балл по Бофорту Скорость ветра (м/с) Характеристика ветра Внешние признаки
Штиль Полное отсутствие движения воздуха
Очень слабый ветер Дым поднимается вверх вертикально. Листья неподвижны
2-3 Слабый ветер Заметное движение воздуха. Колеблются листья
3-5 Небольшой ветер Колышутся легкие флаги, листья, небольшие ветки у деревьев
5-7.5 Умеренный ветер Колышутся легкие флаги, небольшие ветки у деревьев, поднимается пыль с земли
7.5-10 Свежий ветер Вытягиваются большие флаги, колеблются большие, покрытые листьями деревья
10-13 Сильный ветер Колеблются толстые ветви деревьев, звуки ветра слышны внутри зданий, слышно гудение телеграфных проводов
13-15 Крепкий ветер Колеблются стволы небольших деревьев
15-18 Очень крепкий ветер Колеблются большие деревья, ломаются ветви, создается заметное затруднение при движении против ветра
18-21.5 Шторм Ветер ломает ветви, срывает с мест легкие предметы, повреждает крыши
21.5-25 Сильный шторм Клонит деревья к земле, опрокидывает слабые деревья
25-29 Тяжелый шторм Вырывает с корнями деревья, производит тяжелые разрушения
29 и более Ураган Уничтожает все на своем пути

их повторяемости по основным румбам в виде так называемой розы ветров. Для ее построения от начала полярных координат откладываются направления по румбам горизонта отрезками, длины которых пропорциональны повторяемости ветров данного направления.Концы отрезков соединяются ломаной линией. Повторяемость штилей указывается числом в кружке, расположенном в центре диаграммы.

Климатическая обработка значений скорости ветра заключается в расчете повторяемости их величин, представляющем собой выраженное в процентах отношение скорости ветра к общему числу наблюдений. Обычно определяется повторяемость не единичной скорости ветра, а ее значений в некоторых выбранных пределах (градациях). Полученные результаты обычно представляются в табличном или графическом виде.

Причиной возникновения ветра является неравномерность атмосферного давления, то есть наличие горизонтальной разности давления, или горизонтального барического градиента. Воздух стремится двигаться от высокого давления к низкому по наиболее короткому направлению, которое и представляет собой направление барического градиента. Таким образом, барический градиент есть сила, которая сообщает воздушной массе ускорение и вызывает ветер. Следует еще раз подчеркнуть, что только сила барического градиента вызывает ветер. Все другие силы, проявляющиеся при движении воздуха, лишь тормозят это движение или отклоняют его от направления градиента.

Величину горизонтального барического градиента выразим следующим образом

, (6.1)

где dp - разность атмосферного давления между двумя точками, расположенными на расстоянии dn друг от друга по направлению наибольшего изменения давления. Знак (-) показывает, что вектор градиента направлен в сторону пониженного давления. Для того чтобы получить силу барического градиента , действующую на единицу массы, необходимо величину градиента разделить на плотность воздуха , т.е.

. (6.2)

К силам, возникающим при движении воздуха, относятся:

- отклоняющая сила вращения Земли;

- сила трения;

- центробежная сила.

Отклоняющая сила Земли, или сила Кориолиса A, направлена под прямым углом к направлению движения воздуха (в северном полушарии вправо, в южном – влево) и изменяет направление ветра. Сила Кориолиса выражается следующим образом:

, (6.3)

где - скорость ветра;

- угловая скорость вращения Земли;

φ – широта места;

M – масса перемещающегося объема воздуха.

Сила трения тормозит движение воздуха, но не меняет его направление. Вектор силы трения направлен в сторону противоположную движению, и пропорционален его скорости, т.е.

, (6.4)

где - коэффициент пропорциональности, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности;

- скорость ветра.

С увеличением высоты над земной поверхностью влияние силы трения быстро ослабевает. На высоте более 1000 м она практически исчезает.

Центробежная сила возникает при криволинейном движении воздуха. В расчете на единицу массы она выражается формулой:

, (6.5)

где - скорость движения;

r – радиус кривизны траектории.

Для атмосферных процессов центробежная сила обычно мала, так как велик радиус кривизны их траекторий. Только в небольших вихрях с вертикальной осью, смерчи, торнадо радиус траекторий мал. Центробежная сила во многом превышает силу градиентного давления, она оказывает существенное влияние на движение воздуха.

В реальной атмосфере в однородном барическом поле на высоте больше 1000-1500 м, где трение движущегося воздуха о земную поверхность уже не ощущается, на него действует градиентная сила , направленная перпендикулярно изобарам, и отклоняющая сила вращения Земли A, направленная перпендикулярно к вектору скорости справа (рис. 14).

При установившемся движении, когда в каждой точке пространства величина и направление средней скорости ветра не изменяются со временем, силы Рис. 14 и A одинаковы по величине, но противоположны по направлению. Так как отклоняющая сила перпендикулярна движению, то его вектор должен быть направлен перпендикулярно градиенту давления, то есть ветер направлен вдоль изобар. Ветер, дующий вдоль прямолинейных и параллельных изобар, называется геострофическим.

В слое от высоты 1000-1500 м до земной поверхности скорость ветра вследствие трения уменьшается настолько, что у земли на высоте 10-15 м над сушей она примерно вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра. Над морем скорость ветра на этой же высоте составляет 2/3 скорости геострофического ветра.

Сила трения влияет и на направление ветра (рис. 15). Установившееся движение в приземном слое становится возможным, если уравновешиваются три силы: барический градиент , отклоняющаяся сила вращения Земли A и сила трения .

Рис. 15

Отклоняющая сила вращения Земли по-прежнему отклоняется по перпендикуляру вправо от вектора скорости. Для того чтобы сила барического градиента могла уравновесить силу трения и отклоняющую силу вращения Земли, она должна лежать на одной прямой с их равнодействующей, и иметь противоположное ей направление и быть равной ей по абсолютной величине. Таким образом, вектор силы барического градиента будет составлять с вектором скорости ветра не прямой, а острый угол α. Значит, вектор скорости ветра будет направлен не по изобарам, как в случае геострофического ветра, а пересекать их, отклоняясь от барического градиента вправо на некоторый угол α. (Все рассуждения, приведенные выше, относятся к Северному полушарию.)

Ветер, дующий в слое от земной поверхности до высоты 1000-1500 м, под некоторым углом к изобаре вследствие воздействия на него силы трения, называется действительным или приземным ветром.

Зная общие закономерности распределения давления на поверхности Земли, можно установить направление основных потоков воздуха в нижних слоях атмосферы. Если в тропических широтах (в полосе между 20-40°с. и ю.ш) в течение круглого года удерживается повышенное атмосферное давление, а в экваториальных широтах (вдоль экватора до 10° с. и ю.ш.) – пониженное, то постоянные потоки воздуха будут направлены от тропиков к экватору. Эти постоянные ветры называются пассатами. На их направление оказывает влияние отклоняющая сила вращения Земли, поэтому в северном полушарии потоки идут с северо-востока, а в южном – юго-востока.

Из тропических и субтропических областей повышенного давления часть воздуха будет оттекать к экватору, а часть – уходить в умеренные широты, образуя юго-западные, переходящие в западные ветры в северном полушарии, и северо-западные, переходящие в западные в южном.

Ветра с океанов несут много осадков на материки (например, на территорию западной Европы, западную часть Канады и юг Анд).

В полярных широтах ввиду повышенного давления воздуха ветры в северном полушарии северо-восточные, а в южном – юго-восточные.

Ветры – пассаты тропических широт, западные ветры умеренных широт и северо-восточные и юго-восточные полярных широт называются планетарными, они распределяются зонально.

Зональное распределение ветров нарушается на восточном побережье материков умеренных широт. Над материками в зимнее время устанавливается повышенное давление, а над океаном – пониженное. Образуются потоки воздуха с материков на океан, но ввиду отклоняющей силы вращения Земли они приобретают северо-западное направление. Летом над материками возникает пониженное давление, а над океанами – повышенное. В результате образуются потоки воздуха с океана на материк (юго-восточное направление), приносящие на материк большое количество осадков.

Ветры, изменяющие свое направление по сезонам, называются муссонами (араб. маусим – сезон). Летний муссон – это поток воздуха с океана на материк, зимний – поток воздуха с материка на океан. Особенно хорошо выражены муссоны на восточном берегу Евразии (Восточный Китай, Дальний Восток). Муссоны восточной части Северной Америки выражены слабее.

Местные ветры

Неоднородность и разная степень нагревания подстилающей поверхности приводит к возникновению местных ветров.

Бризы (от фран. Brise – легкий ветер) – береговые ветры, меняющие направление два раза в течение суток: днем они дуют с водяной поверхности, ночью с суши. Бризы образуются в результате термической циркуляции воздуха в нижних слоях атмосферы. Дневной бриз образуется в результате того, что суша нагревается сильнее, чем вода. Воздух над сушей поднимается на высоту 500-1000 м, в этом слое происходит его столкновение, что приводит к повышению давления по сравнению с давлением над водой на этой же высоте. Воздух движется к водоему. Над водоемом происходит увеличение массы воздуха, давление в нижних его слоях повысится по сравнению с сушей. Потоки воздуха у поверхности водоема устремятся на сушу, образуя дневной бриз. В тропических широтах дневные бризы – довольно сильные ветры, приносящие влагу и прохладу с моря.

Ночью поверхность воды нагрета сильнее, чем суша. Воздух поднимается вверх на высоту 300-500 м, здесь он сталкивается. В это время над сушей на той же высоте воздух становится разреженным из-за оттока к поверхности воды. Потоки воздуха устремляются от моря к суше. Над поверхностью происходит уплотнение воздуха по сравнению с нижними слоями его над морем. Когда поток воздуха устремляется с суши на водную поверхность, образуется ночной бриз. А по силе он уступает дневному.

Бризы наблюдаются в ясную погоду на берегах водоемов: океанов, морей, крупных озер, водохранилищ и даже рек.

В горах наблюдается фён (лат. fauonius – теплый западный ветер). Это теплый сухой ветер, дующий по склону горы. Образуется он в условиях значительной разницы давления на противоположных склонах гор. Например, на левом склоне горы давление повышено, температура воздуха +10°С . Воздух поднимается по склону горы, снижая свою температуру через каждые 100м на 0,6°С, т.е. на каждый километр высоты температура падает на 6°С. На высоте 3км температура падает на 18°С, т.е. понижается до -8°С. С вершины горы воздух течет по противоположному склону вниз, температура его будет повышаться через каждые 100м на 1°С. На противоположном склоне горы воздух приобретает температуру 22°С. Вот этот поток теплого воздуха со склонов гор и называется фёном. Он сухой, т.к. при повышении температуры происходит его иссушение. Фён продолжается обычно менее суток.

Фёны весной приводят к быстрому таянию снегов, резкому подъему уровня рек, образованию снежных лавин.

Борá (итал. bora, греч. Boreas – северный ветер). Это сильный порывистый ветер, дующий с прибрежных гор в сторону моря, преимущественно в холодное время года. Этот ветер возникает в том случае, когда холодный воздух над сушей отделен от теплого над водой невысокими горами. Холодный воздух сталкивается перед хребтом, а затем с большой скоростью скатывается вниз к морю. Зимой бора приносит сильное похолодание. Особенно типична бора для побережья Адриатического и Черного морей.

Разновидность боры является ветер сарма, характерный для Байкала. Он образуется при переваливании холодного арктического воздуха через хребты юга Сибири.

Самум – знойный ветер в пустынях Аравийского полуострова и Северной Африки, несущий раскаленный песок и пыль. Возникает он при сильных прогревах поверхности земли в циклонах. Шквал длится от 20 минут до 3 часов и иногда сопровождается грозой.

Сирокко (итал. Sirocco – сильный). Это жаркий и сухой ветер в Северной Африке. В Италии это, как правило, теплый и влажный южный и юго-восточный ветер.

Суховей – очень жаркий ветер, отмечающийся в степях, пустынях и полупустынях.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.