Трансформация циркуляционных течений воздуха под действием рельефа

Атмосферная циркуляция реагирует не только на распределение суши и моря, но и на рельеф материков, особенно на горные сооружения. В одних случаях (в зависимости от высоты гор и мощности воздушной массы) ветры обтекают горные массивы с боков. В других – переваливаются через них. Обращенный в сторону ветра склон называется наветренным, а противоположный – подветренным. На подветренных склонах или образуются области относительного затишья – ветровая тень, или, наоборот, происходит резкое возрастание скорости падающих по склону воздушных масс. Наиболее распространенными ветрами, возникающими при трансформации атмосферной циркуляции в горах, являются фены и бора.

Фён – это теплый, иногда горячий, сухой ветер, дующий в гор со значительной силой. Обычно он продолжается меньше суток, реже до недели. Наиболее типичный фен возникает в случае, когда воздушное течение общей циркуляции атмосферы переваливает через горный хребет. При поднятии воздуха по наветренному склону он охлаждается меньше чем на 1⁰ С на 100 м высоты, так как при этом выделяется скрытая теплота парообразования. При опускании по другому склону нагревание происходит уже на 1⁰ С на 100 м падения.

Допустим, что воздушная масса с начальной температурой 10⁰ С переваливает через хребет высотой 2 км. При поднятии воздух охлаждается на 0,5⁰ С на 100 м. У перевала его температура будет равно 0⁰ С. При этом из него выпадает большая часть влаги. Опускающийся воздух нагревается на 1⁰ С на каждые 100 м. У подножия его температура достигнет 20⁰ С, а влажность при этом сильно понизится.

Иногда в природе встречается особая разновидность фена – антициклональный фен. Он образуется в том случае, если над горной страной стоит антициклон. Опускание, начавшееся в свободной атмосфере, захватывает не один, как в первом случае, а оба склона хребта. Опускание воздуха в свободной атмосфере, то есть во всяком антициклоне, производит эффект фена.

Фен представляет собой, таким образом, не случайный и редкий местный ветер, а одну из черт горного климата. В горах феновая погода наблюдается весьма часто: например, в Кутаиси – 114 дней в году, в Инсбруке – 80 дней. Часты фены в горах Средней Азии, в Скалистых горах и др. В каждой стране этот ветер имеет свое название. Ранней весной фен может вызвать быстрое таяние снега в горах и катастрофический разлив рек. Летние фены иногда приводят к гибели садов и виноградников.

Бора – штормовой и очень холодный ветер, дующий через низкие горные перевалы преимущественно в холодную часть года. В Новороссийске он называется норд-остом, на Апшеронском полуострове – нордом, на Байкале – сармой, в долине Роны – мистралью. Дует бора от одних суток до недели.

Бора образуется при больших термодинамических контрастах по обе стороны от невысоких горных хребтов. Например, новороссийская и бакинская бора образуются следующим образом. На Русскую равнину вплоть до Предкавказья распространяется арктический воздух. Он обтекает Кавказский хребет с востока и запада, перетекает через низкие перевалы. При приближении холодных воздушных масс к Черному морю возникает большой барический градиент, обусловливающий очень сильные ветры со скоростями 40 и даже 60 м/сек. Новоземельская бора еще более сильная, чем новороссийская, образуется при антициклоне на Карском море и циклоне на Баренцевом море.

Бора причиняет большие разрушения городам и портам. На море она проникает не далее 10 км.

Влагооборот

Начальным источником атмосферной влаги служит Мировой океан, с поверхности которого вода испаряется. Часть ее конденсируется в облаках и выпадает в виде в виде осадков тут же на океане, завершая малый влагооборот. Другая часть испарившейся влаги в виде водяного пара переносится на сушу, где так же конденсируется в облаках и выпадает в виде жидких или твердых осадков, просачивается в грунт, стекает в реках в океан и расходуется растениями и животными. Это звено влагооборота не замкнуто, поскольку большую часть водяного пара растения в процессе фотосинтеза разлагают на водород и кислород, а меньшую связывают, безвозвратно исключая ее из водообмена. Количественно влагооборот характеризуется водным балансом.

Водный баланс – это алгебраическая сумма всех форм прихода и рас­хода влаги в атмосфере, на избранной территории или на море, на материке или океане и на земной поверхности в целом.

Осадки (Р), выпавшие на территорию, частично испаряются (Е) в атмосферу, частично стекают (R): в океан

P = E + R,

то есть осадки равны испарению плюс сток.Это и есть водный ба­ланс. Приведенное уравнение было предложено А. И. Воейковым в 1884 г.

В 1932 г. Г. Н. Высоцкий предложил уравнение, в котором испарение и сток разделены на их составные части. Суммарное испарение Е состоит из непосредственного испарения Ен и транспирации Т:

Е = Ен + Т.

Полный сток R был расчленен на поверхностный S и подзем­ный U:

К = S + U.

В водном балансе территории участвует также запас или не­достаток подземных вод в прошлые годы ±W.

В настоящее время формула водного баланса имеет вид:

P = Eн + T + S + U ±W

Полное уравнение водного баланса ограниченной территории включает (кроме уже перечисленных составляющих) конденсацию влаги на поверхности, поверхностный приток, подземный приток, изменение запасов воды в снежном покрове, то же в болотах, водо­забор, переброску в другие системы и возвращение воды из хозяй­ственных нужд. При помощи немногих компонентов оно отражает многообразную взаимосвязь между водой, воздухом атмосферы, почвой и растительностью.

Испарение и испаряемость

Испарение заключается в переходе воды из жидкой или твердой фазы в газообразную и в поступ­лении водяного пара в атмосферу.

Испарение - процесс прежде всего энергетический. Он зависит от количества тепловой энергии, которая может быть затрачена на данной поверхности в единицу времени, и определяется, следо­вательно, уравнением теплового баланса на земной поверхности. На океанах на испарение затрачивается до 90% энергии солнечной радиации.

Вторым метеорологическим условием, определяющим вели­чину испарения, является влагоемкость воздуха, степень его сухо­сти или влажности. Количественно она характеризуется дефицитом влажности, который в свою очередь зависит от температуры воздуха и в меньшей степени от ветра. Разумеется, испарение может происходить только при наличии воды. На суше это условие имеется далеко не везде и не всегда: аридным зонам свойствен дефицит влаги, в гумидных зонахвлагиможет не хватать в отдельные периоды. В связи с этим в метео­рологии выработано понятие об испаряемости (Ец).

Испаряемость – это максимально возможное испарение при данных метео­рологических условиях, не лимитированное запасами влаги. То же относится к термину «потенциально возможное испарение».

Испарение принадлежит к числу важнейших процессов географической оболочки. На него расходуется большая часть сол­нечноготепла. Скрытая теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации влаги, нагревает атмосферу, и этот источник тепла для атмосферы является основным. Испарившаяся влага поступает на материки и обеспечивает их осадками.При фазовых переходах воды происходит поглощение или выделение тепла, а при цирку­ляции атмосферы оно перераспределяется. Один из видов испаре­ния—транспирация—участвует в биологических процессах и об­разовании биологической массы.

Климатическое и, особенно, биофизическое значение испаряе­мости заключается в том, что она показывает иссушающую спо­собность воздуха: чем больше можетиспариться при ограничен­ных запасах влаги в почве, тем ярче выражена засушливость. В одних местах это приводит к появлению пустынь, в других - вызывает временные засухи, в-третьих, где испаряемость ничтож­на, создаются условия переувлажнения.

В Северной Европе испарение близко к своему верхнему пре­делу - испаряемости—около 100 мм в год. В зонесухих степей Юго-Востока Европы, а также в аридных областях средиземно­морских субтропиков испаряемость достигает 1200 - 1300мм, адействительное испарение вследствие недостатка влаги составля­ет только 300 мм. Дефицит влаги - разница между осадками и испаряемостью в аридных зонах составляет примерно 600—800 мм.

Максимальная испаряемость, естественно, в пустынях, особен­но в Сахаре. В центральных ее частях она превышает4500 мм.Испарение, ограниченное ничтожным количеством осадков, не превышает 100 мм в год. Здесь на испарение расходуются не только осадки, но и подземная вода, стекающая с Атласских гор и из бассейна Центральной Африки. Разница между потенциаль­ным (4500 мм) и фактическим (около 100 мм) испарением выражает степень сухости Сахары.

Наибольшее испарение (около 1 200 мм) происходит на забо­лоченных низинах Центральной Африки—в бассейне озера Чад и Верхнего Нила. Растения, обеспеченные здесь теплом и влагой, дают наибольший на Земле прирост растительной массы. В эква­ториальной Африке испаряетсяза год слой воды в 1000мм.

Испаряемость и испарение отражают и режим осадков, и ре­жим тепла. Соотношение прихода и расхода атмосферной влаги называется атмосферным увлажнением.

Влажность воздуха

Водяной пар обладает только ему прису­щим свойством, резко отличающим его от других газов атмо­сферы: его количественное содержание, или влажность воздуха, зависит от температуры воздушной массы. В 1 кг воздуха может содержаться при температуре 27 ⁰ С 23 г пара, при 0 ° - 4 г, при - 33°С - 0,2 г.В то время как при понижении температуры воздушной массы основные газы - кислород и азот только уплотняются, мо­лекулы их сближаются и замедляют движение, водяной пар выпа­дает, количество его уменьшается (в приведенном примере в 115 раз). Влажность воздуха характеризуется несколькими пока­зателями.

Абсолютная влажность - количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 м³ воздуха.

Абсолютная влажность повышается с ростом температуры воз­духа, поскольку чем теплее воздушная масса, тем больше она может содержать пара.

Относительная влажность - отношение в процентах фактического насыщения к максимально возможному при данной температуре. С охлаждением воздуха абсолютная влажность па­дает, поскольку уменьшается его влагоемкость. Температура, при которой воздух становится насыщенным, называется точкой росы. Дальнейшее охлаждение воздуха приводит к конденсации влаги. Относительная влажность зависит, конечно, и от абсолютной.

В среднем влажность воздуха, приходящего с океана, равна 80%. Если внутри материков она падает до 40%, осадки уже не образуются. Однако при подъеме воздушных масс по склонам гор температура их понижается, влажность повышается, достигает 100% и начинается конденсация.

Половина всей влаги тропосферы сосредоточена в нижнем полуторакилометровом слое. Большая часть второй половины не поднимается выше 5 км. В тропосфере одновременно содержится около 15 000 км³ воды; продолжительность пребывания воды в тропосфере составляет около 25 дней.

Конденсация и сублимация

Конденсация - переход пара в капельно-жидкое состояние.

Сублимация – переход влаги в твердое (снег, лед) состояние.

Для конденсации необходимы следующие два условия:

-понижение темпе­ратуры воздуха до точки росы;

-наличие ядер конденсации – микроскопических тел, на которых возможно оседание пара.

Конденсация и сублимация бывают и на поверхности Земли и местных предметов и в свободной атмосфере. В первом случае образуются роса или иней. На льду, снегу или в песках пустынь оседает слой влаги, участвующий в их водном балансе. При ад­векции теплого воздуха на охлажденную территорию на предметах (стенах, стволах и др.) оседает жидкий налет, а если температура ниже 0°, твердый.

В свободной атмосфере все осадки образуются при адиабати­ческом охлаждении воздуха. Этот процесс определяет важнейшие свойства погоды и климата - температуру, влажность, осадки.

Адиабатическое охлаждение происходит:

во-первых, в вертикальных восхо­дящих токах нагретого от земли воздуха; облака и осадки, обра­зующиеся в этом случае, называются внутримассовыми;

во-вторых, при подъеме воздуха на фронтах; облачность и осадки называются фронтальными;

в-третьих, при движении воздуха вверх по склонам; облач­ность и осадки, возникающие при этом, называются орографиче­скими.

Ядрами конденсации служат аэрозоли - твердые или жидкие частицы, взвешенные в воздухе. Около 30% их образуется из мор­ской воды (с океана в атмосферу ежегодно поднимается около 10¹⁰ т солей). Второй источник ядер конденсации – поверхность материков, которая поставляет аэрозоли как естественного,так и антропогенного происхождения.

Уровень конденсации

Известно, что адиабатически воздух охлаждается на каждые 100 м высоты примерно на 0, 6° С. Влажному и холодному воздуху достаточно подняться на 100 - 300 м, чтобы температура его достигла точки росы. Сухой и теплый воздух пус­тыни должен подняться на 5—6 км, чтобы охладиться до такой степени, при которой начнется конденсация немногочисленной в нем влаги.

Высота, на которой в процессе подъема воздуха происходит конденсация или сублимация влаги, называется уровнем конден­сации. Положение уровня конденсации зависит от температуры и влажности воз­духа, от географических условий и времени года. При фронталь­ном подъеме больших воздушных масс уровень конденсации всегда ниже, чем во внутримассовых конвекционных токах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: