ВходАтмосферные вихри, тропические циклоны, смерчи, шквалы и ураганы. Атмосферные вихри Тёплый и холодный фронты
Ширина блока px
Скопируйте этот код и вставьте себе на сайт
География 8 класс
Урок на тему: «Атмосферные фронты. Атмосферные вихри: циклоны и
антициклоны»
Цели: сформировать представление об атмосферных вихрях, фронтах; показать связь
между сменой погоды и процессами в атмосфере; познакомить с причинами образования
циклонов, антициклонов.
Оборудование: карты России (физическая, климатическая), демонстрационные таблицы
«Атмосферные фронты» и «Атмосферные вихри», карточки с баллами.
Ход урока
I. Организационный момент
II. Проверка домашнего задания
1. Фронтальный опрос
Что такое воздушные массы? (Крупные объемы воздуха, отличающиеся по своим
свойствам: температуре, влажности и прозрачности.)
Воздушные массы делятся на типы. Назовите их, чем они отличаются? (Примерный
ответ. Над Арктикой формируется арктический воздух -всегда холодный и сухой,
прозрачный, т. к в Арктике нет пыли. Над большей частью России в умеренных широтах
формируется умеренная воздушная масса -зимой холодная, а летом теплая. В Россию
летом приходят тропические воздушные массы, которые формируются над пустынями
Средней Азии и приносят жаркую и сухую погоду с температурой воздуха до 40 °С.)
Что такое трансформация воздушных масс? (Примерный ответ. Изменение свойств
воздушных масс при их передвижении над территорией России. Например, морской
умеренный воздух, приходящий с Атлантического океана, теряет влагу, летом
прогревается и становится континентальным -теплым и сухим. Зимой морской
умеренный воздух теряет влагу, но охлаждается и становится сухим и холодным.)
Какой океан и почемуоказывает большее влияние на климат России? (Примерный
ответ. Атлантический. Во- первых, большая часть России находится в господствующем
западном переносе ветров, во- вторых, препятствий для проникновения западных ветров с
Атлантики фактически нет, т. к. назападе России -равнины. Низкие Уральские горы
препятствием не являются.)
1. Общее количество радиации, достигающей поверхности Земли, называется:
а) солнечной радиацией;
б) радиационным балансом;
в) суммарной радиацией.
2. Самый большой показатель отраженной радиации имеет:
в) чернозем;
3. Над Россией зимой перемещаются:
а) арктические воздушные массы;
б) умеренные воздушные массы;
в) тропические воздушные массы;
г) экваториальные воздушныемассы.
4. Роль западного переноса воздушных масс усиливается на большей части России:
в) осенью.
5. Самый большой показатель суммарной радиации в России имеет:
а) юг Сибири;
б) Северный Кавказ;
в) юг ДальнегоВостока.
6. Разница между суммарной радиацией и отраженной радиацией и тепловым излучением
называется:
а) поглощенной радиацией;
б) радиационным балансом.
7. При движении к экватору величина суммарной радиации:
а) уменьшается;
б) увеличивается;
в) не изменяется.
Ответы: 1 - в; 3 -г; 3 -а, б; 4 -а; 5 -б; 6 -б; 7 -б.
3. Работа по карточкам
Определите, какой тип погоды описан.
1. На рассвете мороз ниже 40 °С. Снег едва голубеет сквозь туман. Скрип полозьев
слышен километра на два. Топят печи -дым из труб столбом поднимается вверх. Солнце
как круг докрасна раскаленного металла. Днем все сверкает: солнце, снег. Туман уже
растаял. Голубое небо, чуть белесое от невидимых кристалликов льда, пронизано светом
Посмотришь вверх из окна теплого дома искажешь: «Как летом». А на дворе стужа
лишь немногим слабее, чем утром. Мороз силен. Силен, да не очень страшен: воздух сух,
ветра нет.
Розовато- сизый вечер переходит в темно- синюю ночь. Созвездия горят не точками, а
целыми кусками серебра. Шорох выдоха кажется шепотом звезд. Мороз все крепчает. По
тайге идет гул от звуков растрескивающихся деревьев. В Якутске средняя температура
января -43 °С, а с декабря по март выпадает в среднем 18 мм осадков. (Континентальный
умеренный.)
2. Лето 1915 г. было очень ненастное. Дожди шли все время с большим постоянством.
Один раз очень сильный ливень длился подряд двое суток. Он не позволял женщинам и
детям выходить из жилищ. Опасаясь, как бы водой не унесло лодки, орочи вытащили их
раз опрокидывать их и выливать дождевую воду. К вечеру второго дня вдруг сверху вода
пришла валом и сразу затопила все берега. Подхватив в лесу валежник, она понесла его
концов превратился в лавину, обладающую такой же разрушительной силой, как и
ледоход. Эта лавина шла по долине и своим напором ломала живой лес. (Муссонный
умеренный.)
III. Изучение нового материала
Комментарии.Учитель предлагает прослушать лекцию, по ходу которой учащиеся дают
определение терминов, заполняют таблицы, делают рисунки- схемы в тетради. Затем
учитель с помощью консультантов проверяет работу. Каждый ученик получает по три
карточки с указанием баллов.Если в течение урока ученик отдал карточку- балл
консультанту, значит, ему требуется еще работа с учителем или консультантом.
Вы уже знаете, что на территории нашей страны движутся воздушные массы трех видов:
арктические, умеренные и тропические. Они достаточно сильно отличаются друг от друга
по главным показателям: температура, влажность, давление и т. д. При сближении
воздушных масс, имеющих различные характеристики, в зоне между ними увеличивается
разница температуры воздуха, влажности, давления, возрастает скорость ветра.
Переходные зоны в тропосфере, в которых происходит сближение воздушных масс с
различными характеристиками, называются фронтами.
В горизонтальном направлении протяженность фронтов, как и воздушных масс, имеет
тысячи километров, по вертикали -около 5 км, ширина фронтальной зоны у поверхности
Земли -порядка сотни километров, на высотах -несколько сотен километров.
Время существования атмосферных фронтов составляет более двух суток
Фронты вместе с воздушными массами перемещаются со скоростью в среднем 30-50
км/ч, а скорость холодных фронтов нередко достигает 60-70 км/ч (а иногда 80-90 км/ч).
Классификация фронтов по особенностям перемещения
1. Теплыми называются фронты, перемещающиеся в сторону более холодного воздуха. За
теплым фронтом в данный регион приходит теплая воздушная масса.
2. Холодными называются фронты, перемещающиеся в сторону более теплой воздушной
массы. За холодным фронтом в данный регион приходит холодная воздушная масса.
(В ходе дальнейшего рассказа учащиеся рассматривают схемы в учебнике (по Р: рис. 37 на
с. 85; по Б: рис. 33 на с. 58).)
Теплый фронт движется в сторону холодного воздуха. На карте погоды теплый фронт
отмечают красным цветом. По мере приближения линии теплого фронта начинает падать
давление, уплотняются облака, выпадают обложные осадки. Зимой при прохождении
фронта обычно появляются низкие слоистые облака. Температура и влажность воздуха
медленно повышаются. При прохождении фронта температура и влажность обычно
быстро возрастают, ветер усиливается. После прохождения фронта направление ветра
меняется (по часовой стрелке), падение давления прекращается и начинается его слабый
рост, облака рассеиваются, осадки прекращаются.
Теплый воздух, перемещаясь, натекает на клин холодного воздуха, совершает восходящее
облакообразование. Охлаждение теплого воздуха при восходящем скольжении по
поверхности фронта приводит к образованию характерной системы слоистообразных
облаков, выше будут находиться перистые облака. При приближении к пункту теплого
фронта с хорошо развитой облачностью сначала появляются перистые облака в виде
параллельных полос с когтевидными образованиями в передней части (предвестники
теплого фронта). Первые перистые облака наблюдаются на расстоянии многих сотен
километров от линии фронта у поверхности Земли. Перистые облака переходят в перисто-
слоистые облака. Затем облака становятся все плотнее: высокослоистые облака
постепенно переходят в слоисто- дождевые, начинают выпадать обложные осадки,
которые ослабевают или совсем прекращаются после прохождения линии фронта.
Холодный фронт движется в сторону теплого воздуха. На карте погоды холодный фронт
отмечают синим цветом или зачерненными треугольниками, направленными в сторону
перемещения фронта. С прохождением холодного фронта начинается быстрый рост
давления.
Перед фронтом часто наблюдаются осадки, а нередко грозы и шквалы (особенно в теплое
полугодие). Температура воздуха после прохождения фронта падает, причем порой
быстро и резко - на 5-10 °С и более за 1-2 ч. Видимость, как правило, улучшается,
поскольку за холодным фронтом вторгается более чистый и менее влажный воздух из
северных широт.
Облачность холодного фронта, образующаяся вследствие восходящего скольжения вдоль
его поверхности вытесняемого холодным клином теплого воздуха, является как бы
зеркальным отражением облачности теплого фронта. В передней части облачной системы
могут возникать мощные кучевые и кучево- дождевые облака, растянутые на сотни
километров вдоль фронта, со снегопадами зимой, ливнями летом, нередко с грозами и
шквалами. Кучевые облака постепенно сменяются слоистыми. Ливневые осадки перед
фронтом после прохождения фронта сменяются более равномерными обложными
осадками. Затем появляются перисто- слоистые и перистые облака.
Предвестниками фронта являются высококучевые чечевицеобразные облака, которые
распространяются перед ним на удалении до 200 км.
Антициклоны -районы относительно высокого атмосферного давления.
Отличительной особенностью антициклонов является строго определенное направление
ветра. Ветер направлен от центра к периферии антициклона, т. е. в направлении снижения
давления воздуха. Другой составляющей ветров в антициклоне является воздействие силы
Кариолиса, обусловленной вращением Земли. В Северном полушарии это приводит к
повороту движущегося потока вправо. В Южном полушарии, соответственно, влево.
Именно поэтому ветер в антициклонах Северного полушария движется по направлению
движения часовой стрелки, а в Южном -наоборот.
Антициклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха в тропосфере.
Средняя скорость перемещения антициклона составляет около 30 км/ч в Северном
полушарии и около 40 км/ч в Южном, но нередко антициклон надолго принимает
малоподвижное состояние.
Признак антициклона -устойчивая и умеренная погода, которая держится несколько
дней. В летний период антициклон приносит жаркую, малооблачную погоду. В зимний
период характеризуется морозной погодой и туманами.
Важной особенностью антициклонов является образование их на определенных участках.
В частности, над ледовыми полями формируются антициклоны: чем мощнее ледовый
покров, тем сильнее выражен антициклон. Именно поэтому антициклон над Антарктидой
очень мощный, над Гренландией - маломощный, а над Сибирью - средний по
выраженности.
Интересным примером резких изменений в формировании различных воздушных масс
служит Евразия. В летнее время над ее центральными районами формируется область
низкого давления, куда засасывается воздух с соседних океанов. Зимой ситуация резко
меняется: над центром Евразии формируется область высокого давления - азиатский
максимум, холодные и сухие ветры которого, расходящиеся из центра по часовой стрелке,
разносят холод вплоть до восточных окраин материка и вызывают ясную, морозную,
практически бесснежную погоду на Дальнем Востоке.
Циклоны - это крупномасштабные атмосферные возмущения в области низкого
давления. Ветер дует из центра против часовой стрелки в Северном полушарии. В
циклонах умеренных широт, называемых внетропическими, обычно выражен холодный
фронт, а теплый, если и существует, не всегда хорошо заметен. В умеренных широтах с
циклонами связана большая часть осадков.
В циклоне воздух, вытесняемый сходящимися ветрами, поднимается вверх. Поскольку
именно восходящие движения воздуха приводят к формированию облаков, облачность и
осадки приурочены большей частью к циклонам, тогда как в антициклонах преобладает
ясная или малооблачная погода.
По международному соглашению, тропические циклоны классифицируют в зависимости
от силы ветра. Выделяют тропические депрессии (скорость ветра до 63 км/ч), тропические
штормы (скорость ветра от 64 до 119 км/ч) и тропические ураганы, или тайфуны (скорость
ветра более 120 км/ч).
IV. Закрепление нового материала
1. Работа с картой
1). Определите, где расположены арктические и полярные фронты над территорией
России летом. (Примерный ответ. Арктические фронты летом расположены в северной
части Баренцева моря, над северной частью Восточной Сибири и морем Лаптевых и над
Чукотским полуостровом. Полярные фронты: первый летом протягивается от побережья
Черного моря над Среднерусской возвышенностью к Предуралью, второй расположен на
юге Восточной Сибири, третий - над южной частью Дальнего Востока и четвертый -
над Японским морем.)
2). Определите, где расположены арктические фронты зимой. (Зимой арктические фронты
сдвигаются к югу, но остается фронт над центральной частью Баренцева моря и над
Охотским морем и Корякским нагорьем.)
3). Определите, в каком направлении происходит сдвиг фронтов зимой. (Примерный
ответ. Зимой фронтыперемещаются к югу, т. к. все воздушные массы, ветры, пояса
давления сдвигаются к югу вслед за видимым движением Солнца. Солнце 22 декабря
находится в зените в Южном полушарии над Южным тропиком.)
2. Самостоятельная работа
Заполнение таблиц.
Атмосферныефронты
Теплый фронт
Холодный фронт
1. Теплый воздух надвигается на холодный.
1. Холодный воздух надвигается на теплый.
Основные закономерности формирования атмосферных вихрей
Приведено собственное, отличное от общепринятого объяснение формирования атмосферных вихрей, в соответствии с которым они образуются океанским волнами Россби. Подъём воды в волнах формирует температуру поверхности океанов в виде отрицательных аномалий, в центре которых вода холоднее, чем на периферии. Эти аномалии воды создают отрицательные аномалии температуры воздуха, которые превращаются в атмосферные вихри. Рассмотрены закономерности их формирования.
В атмосфере нередко формируются образования, в которых воздух, и содержащаяся в нём влага и твёрдые вещества вращаются циклонически в Северном полушарии и антициклонически - в Южном, т.е. против часовой стрелки в первом случае и по её движению - во втором. Это атмосферные вихри, к которым относятся циклоны тропические и средних широт, ураганы, торнадо, тайфуны, тромбо, орканы, вили-вилли, бегвиз, смерчи и т. п.
Природа этих образований во многом общая. Тропические циклоны обычно в диаметре меньше, чем в средних широтах и составляют 100-300 км, но скорости движения воздуха в них большие, достигающие 50-100м/с. Вихри с большими скоростями движения воздуха в районе тропической зоны западной части Атлантического океана около Северной и Южной Америки получили название ураганов, торнадо, аналогичные около Европы – тромбо, около юго-западной части Тихого океана – тайфунов, около Филиппин -бегвиза, около берегов Австралии – вили-вилли, в Индийском океане – орканов.
Тропические циклоны образуются в экваториальной части океанов на широтах 5-20° и распространяются в западном направлении вплоть до западных границ океанов, а затем в северном полушарии движутся на север, в южном – на юг. При движении на север или юг они часто усиливаются и называются тайфунами, торнадо и т.д. Выходя на материк, они довольно быстро разрушаются, но успевают нанести значительный ущерб природе и людям.
Рис. 1. Торнадо. Образования формы, изображённой на рисунке часто называют “воронкой торнадо”. Образование от верхней части торнадо в виде облака до поверхности океана называют трубой или хоботом торнадо.
Подобные вращательные движения воздуха меньших размеров над морем или океаном получили название смерчей.
Принятая гипотеза формирования циклонических образований. Считается, что возникновение циклонов и пополнение их энергией происходит в результате подъёма больших масс тёплого воздуха и скрытой теплоты конденсации. Считается, что в районах образования тропических циклонов вода теплее атмосферы. В этом случае воздух нагревается от океана и поднимается вверх. В результате влага конденсируется и выпадает в виде дождей, давление в центре циклона падает, что и приводит к возникновению вращательных движений воздуха, влаги, твердых веществ, заключенных в циклоне [Грей, 1985, Иванов, 1985, Наливкин, 1969, Gray, 1975]. Считается, что в энергетическом балансе тропических циклонов важную роль играет скрытая теплота испарения. При этом температура океана в области зарождения циклона должна быть не меньше 26° C.
Эта общепринятая гипотеза формирования циклонов возникла без анализа натурной информации, путём логических умозаключений и представлений её авторов о физике развития подобных процессов. Естественно предположить: если воздух в образовании поднимается, что происходит в циклонах, то он должен быть легче, чем воздух на его периферии.
Рис. 2. Вид сверху на облако торнадо. Частично оно расположено над п-ом Флорида. http://www.oceanology.ru/wp-content/uploads/2009/08/bondarenko-pic3.jpg
Так и считается: лёгкий тёплый воздух поднимается, влага конденсируется, давление падает, возникают вращательные движения циклона.
Некоторые исследователи видят слабые стороны этой, хотя и общепринятой, гипотезы. Так, они считают, что локальные перепады температуры и давления в тропиках не настолько велики, чтобы только эти факторы могли сыграть решающую роль в возникновении циклона, т.е. столь значительно ускорить воздушные потоки [Юсупалиев, и др., 2001]. До сих пор остаётся неясным, какие физические процессы протекают на начальных стадиях развития тропического циклона, каким образом усиливается исходное возмущение, как возникает система крупномасштабной вертикальной циркуляции, подводящая энергию в динамическую систему циклона [Моисеев и др., 1983]. Приверженцы этой гипотезы никак не объясняют закономерностей потоков тепла из океана в атмосферу, а просто предполагают их наличие.
Мы же видим очевидный следующий недостаток этой гипотезы. Так, чтобы воздух нагревался от океана, недостаточно, чтобы океан был теплее воздуха. Необходим поток тепла с глубины к поверхности океана, а следовательно, и подъём воды. Вместе с тем, в тропической зоне океана вода на глубине всегда холоднее, чем у поверхности, и такого тёплого потока не существуeт. В принятой гипотезе, как отмечалось, циклон формируется при температуре воды более 26°C. Однако в реальности мы наблюдаем иное. Так в экваториальной зоне Тихого океана, где активно образуются тропические циклоны, средняя температура воды ~ 25°C. При этом циклоны чаще образуются во время Ла-Ниньа, когда температура поверхности океана понижается до 20°C и редко во время Эль-Ниньо, когда температура поверхности океана повышается до 30°C. Поэтому можно считать, что принятая гипотеза формирования циклонов не может реализоваться, во всяком случае, в тропических условиях.
Мы провели анализ этих явлений и предлагаем иную гипотезу формирования и развития циклонических образований, на наш взгляд, правильнее объясняющую их природу. Активную роль в формировании и пополнении энергией вихревых образований играют океанические волны Россби.
Волны Россби Мирового океана. Они составляют часть взаимосвязанного поля свободных, прогрессивных, распространяющихся в пространстве волн Мирового океана, обладают свойством в открытой части океана распространяться в западном направлении. Волны Россби присутствуют во всём Мировом океане, но в экваториальной зоне они большие. Движение частиц воды в волнах и волновой перенос (Стоксов, Лагранжев) это, фактически, волновые течения. Их скорости (эквивалент энергии) изменяются во времени и пространстве. По итогам исследований [Бондаренко, 2008] скорость течения равна амплитуде колебания скорости течения волн, фактически – максимальной скорости в волне. Поэтому наибольшие скорости волновых течений наблюдаются в областях сильных крупномасштабных течений: западных пограничных, экваториальных и циркумполярном течении (рис.3а, б).
Рис. 3а, б. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного (а) и Южного (б) полушарий Атлантического океана. Течения: 1 – Гольфстрим, 2 – Гвианское, 3 – Бразильское, 4 – Лабрадорское, 5- Фольклендское, 6 – Канарское, 7 –Бенгельское.
В соответствии с исследованиями [Бондаренко, 2008] линии токов течений волн Россби в узкой приэкваториальной зоне (2° – 3° от Экватора на север и юг) и её окружении схематически можно представить в виде линий токов диполя, (рис. 5а, б). Напомним, что линии токов указывают на мгновенное направление векторов течений, или, что одно и то же, направление силы, создающей течения, скорость которых пропорциональна плотности линий токов.
Рис. 4. Пути всех тропических циклонов за 1985-2005 гг. Цвет указывает их силу по шкале Саффира-Симпсона .
Видно, что у поверхности океана в экваториальной зоне плотность линий токов гораздо больше, чем за её пределами, следовательно, больше и скорости течений. Вертикальные скорости течений в волнах невелики, они составляют приблизительно тысячную часть горизонтальной скорости течения. Если учесть, что горизонтальная скорость на Экваторе достигает 1 м/с, то вертикальная равна приблизительно 1 мм/с. При этом, если длина волны равна 1 тыс. км, то область подъёма и опускания волны составит 500 км.
Рис. 5 а,б. Линии токов волн Россби в узкой приэкваториальной зоне (2° – 3° от Экватора на север и юг) в виде эллипсов со стрелками (вектор волновых течений) и её окружение. Сверху – вид по вертикальному сечению вдоль Экватора (А), снизу – вид сверху на течение. Голубым и синим цветом выделена область подъёма на поверхность холодных глубинных вод, желтым – область опускания на глубину теплых поверхностных вод [Бондаренко, Жмур, 2007].
Последовательность волн как во времени, так и в пространстве, представляет собой непрерывный ряд сформированных в модуляции (группы, цуги, биения) малых - больших - малых и т.д. волн. Параметры волн Россби экваториальной зоны Тихого океана определены по измерениям течений, образец которых представлен на рис. 6 а и температурным полям, образец которых представлен на рис. 7а, б, в. Период волн легко определяется графически по рис. 6 а, он приблизительно равен 17-19 суткам.
При неизменной фазе в модуляциях укладывается примерно 18 волн, что по времени соответствует одному году. На рис. 6а такие модуляции чётко выражены, их три: в 1995, 1996 и 1998 гг. В экваториальной зоне Тихого океана укладывается десять волн, т.е. почти половина модуляции. Порой модуляции имеют стройный квазигармонический характер. Это состояние можно рассматривать как типичное для экваториальной зоны Тихого океана. Когда-то они выражены нечетко, а иногда волны разрушаются и превращаются в образования с чередованием больших и малых волн или волны в целом становятся малыми. Такое наблюдалось, например, с начала 1997 г. и до средины 1998 г. во время сильного Эль-Ниньо, температура воды достигала 30°C. После этого наступило сильное Ла-Ниньа: температура воды опускалась до 20°С, временами до 18°C.
Рис. 6 а,б. Меридиональная составляющая скорости течения, V (а) и температура воды (б) в пункте на Экваторе (140° з.д.) на горизонте 10 м за период 1995-1998 гг. В течениях заметно выделяются колебания скорости течений с периодом порядка 17 – 19 суток, образованные волнами Россби. В измерениях прослеживаются и колебания температуры с аналогичным периодом.
Волны Россби создают колебания температуры поверхности воды (механизм описан выше). Большим волнам, наблюдаемых во время Ла-Ниньа соответствуют большие колебания температуры воды, а малым, наблюдаемых во время Эль-Ниньо – малые. Во время Ла-Ниньа волны формируют заметные температурные аномалии. На рис. 7в выделяются зоны подъёма холодной воды (синий и голубой цвет) и в промежутках между ними зоны опускания тёплой воды (светло синий и белый цвет). Во время Эль-Ниньо эти аномалии небольшие и не заметны (рис. 7б).
Рис. 7 а,б,в. Средняя температура воды (°C) экваториальной области Тихого океана на глубине 15 м. за период 01.01.1993 - 31.12.2009 (а) и аномалии температуры во время Эль-Ниньо декабрь 1997 г. (б) и Ла-Ниньа декабрь 1998 г. (в) .
Формирование атмосферных вихрей (гипотеза автора). Тропические циклоны и торнадо, цунами и т.д. движутся по экваториальным и зонам западных пограничных течений, в которых волны Россби имеют наибольшие вертикальные скорости движения воды (рис.3, 4). Как отмечалось, в этих волнах подъём глубинной воды на поверхность океана в тропических и субтропических зонах приводит к созданию на поверхности океана значительных отрицательных аномалий воды овальной формы, с температурой в центре ниже температуры вод, их окружающих, “температурных пятен” (рис. 7в). В экваториальной зоне Тихого океана аномалии температуры имеют такие параметры: ~ 2 – 3 °C, диаметр ~ 500 км.
Сам факт движения тропических циклонов и торнадо по зонам экваториальных и западных пограничных течений, а также анализ развития таких процессов, как апвеллинг – даунвеллинг, Эль-Ниньо – Ла-Ниньf, пассатов и навёл нас на мысль о том, что атмосферные вихри как-то должны быть связаны физически с активностью волн Россби, а точнее должны ими порождаться, чему впоследствии мы нашли объяснение.
Аномалии холодной воды охлаждают атмосферный воздух, создавая отрицательные аномалии овальной формы, близкой к круговой, холодного воздуха в центре и более тёплого на периферии. В результате и давление внутри аномалии оказывается ниже, чем на её периферии. Как следствие этого возникают усилия, обусловленные градиентом давления, которые движут массы воздуха и содержащейся в нём влаги и твёрдых веществ в центр аномалии – F д. На массы воздуха действует сила Кориолиса - F k , которая отклоняет их вправо в Северном полушарии и влево в Южном. Таким образом, массы будут двигаться в цент аномалии по спирали. Чтобы циклоническое движение возникло, сила Кориолиса должна быть отлична от нуля. Так как F k =2mw u Sinf , где m – масса тела, w – угловая частота вращения Земли, f - широта места, u - модуль скорости движения тела (воздуха, влаги, твёрдых веществ). На экваторе F k = 0, поэтому циклонические образования там не возникают. В связи с движением масс по окружности образуется центробежная сила - F ц, стремящаяся оттолкнуть массы от центра аномалии. В целом на массы будет действовать сила стремящаяся сместить их по радиусу - F r = F д - F ц. и сила Кориолиса. Скорость вращения масс воздуха, влаги и твёрдых веществ в образовании и подачи их в центр циклона будет зависеть от градиента силы F r . Чаще всего в аномалии F д > F ц. Сила F ц достигает существенной величины при больших угловых скоростях вращения масс. Такое распределение усилий приводит к тому, что воздух с содержащимися в нём влагой и твердыми частицами устремляется в центр аномалии и там выталкивается вверх. Именно выталкивается, но не поднимается, как это считается в принятых гипотезах образования циклонов. При этом поток тепла направлен из атмосферы, а не из океана, как в принятых гипотезах. Подъём воздуха вызывает конденсацию влаги и, соответственно, падение давления в центре аномалии, образование облачности над ней, выпадение осадков. Это приводит к уменьшению температуры воздуха аномалии и ещё большему падению давления в её центре. Возникает своего рода связь процессов, взаимно усиливающих друг друга: падение давления в центре аномалии увеличивает подачу в нее воздуха и, соответственно, его подъём, что в свою очередь приводит к ещё большему падению давления и, соответственно, увеличению поступления масс воздуха, влаги и твёрдых частиц в аномалию. В свою очередь это приводит к сильному увеличению скоростей движения воздуха (ветра) в аномалии, образуя циклон.
Итак, мы имеем дело со связью процессов, взаимно усиливающих друг друга. Если процесс протекает без усиления, в вынужденном режиме, то, как правило, скорость ветра небольшая - 5-10 м/с, но в отдельных случаях может достигать и 25 м/с. Так, скорость ветров – пассатов составляет 5 – 10 м/с при различиях температуры поверхностных вод океана 3-4°C на 300 – 500 км. В прибрежных апвеллингах Каспийского моря и в открытой части Черного моря ветры могут достигать 25 м/с при различиях температуры воды ~ 15°C на 50 – 100 км. При “работе” связи процессов, взаимно усиливающих друг друга в тропических циклонах, торнадо, смерчах скорость ветра в них может достигать существенных величин - свыше 100-200 м/с.
Подпитка циклона энергией. Мы уже отмечали, что волны Россби вдоль Экватора распространяются на запад. Они формируют на поверхности океана отрицательные по температуре аномалии воды в диаметре ~ 500км, которые поддерживаются отрицательным потоком тепла и массы воды, поступающей с глубины океана. Расстояние между центрами аномалий равно длине волны, ~ 1000 км. Когда циклон находится над аномалией, то он подпитывается энергией. Но когда циклон оказывается между аномалиями, он практически не подпитывается энергией, поскольку в этом случае отсутствуют вертикальные отрицательные потоки тепла. Эту зону он проскакивает по инерции, возможно, с небольшой потерей энергии. Далее в очередной аномалии он получает дополнительную порцию энергии, и так продолжается на всём пути движения циклона, переходящего нередко в торнадо. Разумеется, могут возникать условия, когда циклон не встретит аномалий или они будут малыми, и он может со временем разрушиться.
Формирование торнадо. После того, как тропический циклон достигнет западных границ океана, он движется на север. За счёт увеличения Кориолисовой силы увеличиваются угловая и линейная скорости движения воздуха в циклоне, давление в нём падает. Перепады давления внутри и вне циклонического образования достигают величин более 300 мб, в то время как в циклонах средних широт эта величина составляет ~ 30 мб. Скорости ветра превышают 100 м/с. Область подъёма воздуха и содержащихся в нём твёрдых частиц и влаги сужается. Она получила название хобота или трубы вихревого образования. Массы воздуха, влаги и твёрдых веществ поступают с периферии циклонического образования в его центр, в трубу. Такие образования с трубой получили название торнадо, тромбов, тайфунов, смерчей (см. рис. 1, 2).
При больших угловых скоростях вращения воздуха в центре торнадо возникают условия: F д ~ F ц.. Сила F д стаскивает массы воздуха, влаги и твёрдых частиц с периферии торнадо на стенки трубы, сила F ц - с внутренней области трубы на ее стенки. В этих условиях влага и твердые вещества в трубе отсутствуют и воздух прозрачен. Такое состояние торнадо, цунами и др. получило название “глаз бури”. На стенках трубы результирующая сила, действующая на частицы, практически равна нулю, а внутри трубы она мала. Также малы угловая и линейная скорости вращения воздуха в центре торнадо. Это и объясняет отсутствие ветра внутри трубы. Но такое состояние торнадо, с “глазом бури” наблюдается не во всех случаях, а только тогда, когда угловая скорость вращения веществ достигает значительной величины, т.е. в сильных торнадо.
Торнадо, как и тропический циклон, на всём пути следования над океаном подпитывается энергией температурных аномалий воды, создаваемых волнами Россби. На суше такой механизм подкачки энергии отсутствует и поэтому торнадо относительно быстро разрушается.
Ясно, что для прогноза состояния торнадо по пути его следования над океаном необходимо знать термодинамическое состояние поверхностных и глубинных вод. Такую информацию дают съёмки из космоса.
Тропические циклоны и торнадо обычно образуются летом и осенью, в это время в Тихом океане формируется Ла-Ниньа. Почему? В экваториальной зоне океанов именно в это время волны Россби достигают наибольшей амплитуды и создают аномалии температуры значительной величины, энергией которых и питается циклон [Бондаренко, 2006]. Нам не известно, как ведут себя амплитуды волн Россби в субтропической части океанов, поэтому нельзя утверждать, что аналогичное происходит и там. Но хорошо известно, что глубокие отрицательные аномалии в этой зоне появляются летом, когда поверхностные воды нагреты сильнее, нежели зимой. В этих условиях возникают температурные аномалии воды и воздуха с большими перепадами температуры, чем и объясняется образование сильных торнадо в основном летом и осенью.
Циклоны средних широт. Это образования без трубы. В средних широтах циклон, как правило, не переходит в торнадо, поскольку выполняются условия Fr ~ Fk, т.е. движение масс геострофическое.
Рис. 8. Поле температуры поверхностных вод Чёрного моря на время 19 ч. 29 сентября 2005г.
В этих условиях вектор скорости движения масс воздуха, влаги и твёрдых частиц направлен по окружности циклона и все эти массы только слабо поступают в его центр. Поэтому циклон не сжимается и не превращается в торнадо. Нам удалось проследить образование циклона над Чёрным морем. Волны Россби нередко создают отрицательные темпера-турные аномалии поверхностных вод в центральных районах западной и восточной его частях. Они и образуют над морем циклоны, иногда с большой скоростью ветра. Нередко температура в аномалиях достигает ~ 10 – 15 °C, в то время, как над остальным морем температура воды ~ 230C. На рис.8 приведено распределение температуры воды Чёрного моря. На фоне относительно тёплого моря с температурой поверхностных вод до ~ 23°C в западной его части выделяется аномалия воды до ~ 10°C. Различия весьма существенны, что и сформировало циклон (рис. 9). Этот пример свидетельствует о возможности реализации предложенной нами гипотезы формирования циклонических образований.
Рис. 9. Схема поля атмосферного давления над Чёрным морем и около его, соответствующее времени: 19ч. 29 сентября 2005г. Давление в мб. В западной части моря находится циклон. Средняя скорость ветра в районе циклона равна 7 м/с и направлена циклонически вдоль изобар.
Нередко к Чёрному морю со стороны Средиземного приходит циклон, который значительно усиливается над Чёрным морем. Так, скорее всего, в ноябре 1854г. образовалась знаменитая Балаклавская буря, потопившая Английскиё флот. Аналогичные изображённым на рис.8 температурные аномалии воды образуются и в других замкнутых или полузамкнутых морях. Так, торнадо движущиеся в сторону США, часто значительно усиливаются при прохождении над Карибским морем или Мексиканским заливом. Для обоснования наших выводов приведём дословно выдержку из сайта Интернета “Атмосферные процессы в Карибском море”: “Ресурс представляет динамическое изображение тропического урагана Dean (торнадо), одного из наиболее мощных в 2007 году. Наибольшую силу ураган набирает над водной поверхностью, а при прохождении над сушей происходит его “размывание” и ослабление”.
Смерчи. Это вихревые образования небольших размеров. Как и торнадо, они имеют трубу, образуются над океаном или морем, на поверхности, которых возникают температурные аномалии небольших по площади размеров. Автору статьи приходилось многократно наблюдать смерчи в восточной части Чёрного моря, где большая активность волн Россби на фоне очень тёплого моря приводит к образованию многочисленных и глубоких температурных аномалий поверхностных вод. Развитию смерчей в этой части моря также способствует очень влажный воздух.
Выводы. Атмосферные вихри (циклоны, торнадо, тайфуны и пр.) формируются температурными аномалиями поверхностных вод с отрицательной температурой, в центре аномалии температура воды ниже, на периферии - выше. Эти аномалии формируются волнами Россби Мирового океана, в которых происходит подъём холодной воды с глубины океана к его поверхности. При этом температура воздуха в рассматриваемых эпизодах обычно бывает выше температуры воды. Впрочем, выполнение этого условия не обязательно, атмосферные вихри могут быть образованы, когда температура воздуха над океаном или морем ниже температуры воды. Главное условие образования вихря: наличие отрицательной аномалии воды и разности температур вода – воздух. В этих условиях и создаётся отрицательная аномалия воздуха. Чем больше разность температур атмосфера – вода океана, тем активнее развивается вихрь. Если температура воды аномалии равна температуре воздуха, то вихрь не образуется, а существующий в этих условиях не развивается. Далее всё происходит так, как было описано.
Литература:
Бондаренко А.Л. Эль-Ниньо – Ла-Ниньа: механизм формирования// Природа. №5. 2006. С. 39 – 47.
Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Настоящее и будущее Гольфстрима// Природа. 2007. № 7. С. 29 – 37.
Бондаренко А.Л., Борисов Е.В., Жмур В.В. О длинноволновой природе морских и океанских течений// Метеорология и гидрология. 2008. №1. С. 72 – 79.
Бондаренко А.Л. Новые представления о закономерностях формирования циклонов, торнадо, тайфунов смерчах. 17.02.2009г.
http://www.oceanographers.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=1534&Itemid=52
Грей В.М. Генезис и интенсификация тропических циклонов// Сб. Интенсивные атмосферные вихри. 1985. М.: Мир.
Иванов В.Н. Зарождение и развитие тропических циклонов// C.: Тропическая метеорология. Труды III Международного симпозиума. 1985. Л. Гидрометеоиздат.
Каменкович В.М., Кошляков М.М., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 264с.
Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Шукуров А.В. Физический механизм усиления вихревых возмущений в атмосфере// Доклады Академии наук СССР. 1983. Т.273. №3.
Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. 1969. Л.: Наука.
Юсупалиев У., Анисимов Е.П., Маслов А.К., Шутеев С.А. К вопросу формирования геометрических характеристик смерча. Часть II// Прикладная физика. 2001. №1.
Gray W. M. Tropical cyclone genesis// Atmos. Sci. Paper, Colo. St. Univer. 1975. №234.
Альберт Леонидович Бондаренко
, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.
[email protected]
Вихри в воздухе. Экспериментально известен ряд способов создания вихревых движений. Описанный выше способ получения дымовых колец из ящика позволяет получать вихри, радиус и скорость которых имеют порядок 10-20 см и 10 м/сек соответственно, в зависимости от диаметра отверстия и силы удара. Такие вихри проходят расстояния 15-20 м.
Вихри гораздо большего размера (радиусом до 2 м) и большей скорости (до 100 м/сек) получаются с помощью ВВ. В трубе, закрытой с одного конца и заполненной дымом, производится подрыв заряда ВВ, расположенного у дна. Вихрь, получаемый из цилиндра радиусом 2 м при заряде весом около 1 кг, проходит расстояние около 500 м. На большей части пути вихри, получаемые таким способом, имеют турбулентный характер и хорошо описываются законом движения, который изложен в § 35.
Механизм образования таких вихрей качественно ясен. При движении в цилиндре воздуха, вызванном взрывом, на стенках образуется пограничный слой. На краю цилиндра пограничный слой отрывается, в
результате чего создается тонкий слой воздуха со значительной завихренностью. Затем происходит сворачивание этого слоя. Качественная картина последовательных этапов приведена на рис. 127, где изображен один край цилиндра и срывающийся с него вихревой слой. Возможны и другие схемы образования вихрей.
При малых числах Рейнольдса спиральная структура вихря сохраняется довольно долго. При больших числах Рейнольдса, в результате неустойчивости, спиральная структура разрушается сразу и происходит турбулентное перемешивание слоев. В результате образуется вихревое ядро, распределение завихренности в котором можно найти, если решить поставленную в § 35 задачу, описываемую системой уравнений (16).
Однако в настоящий момент нет никакой схемы расчета, которая позволяла бы по заданным параметрам трубы и весу ВВ определять начальные параметры сформировавшегося турбулентного вихря (т. е. его начальные радиус и скорость). Эксперимент показывает, что для трубы с заданными параметрами существует наибольший и наименьший вес заряда, при которых вихрь образуется; на его образование сильно влияет и расположение заряда.
Вихри в воде. Мы уже говорили, что вихри в воде можно получать аналогичным способом, выталкивая поршнем из цилиндра некоторый объем жидкости, подкрашенной чернилами.
В отличие от воздушных вихрей, начальная скорость которых может достичь 100 м/сек и более, в воде при начальной скорости 10-15 м/сек вследствие сильного вращения жидкости, движущейся вместе с вихрем, возникает кавитационное кольцо. Оно возникает в момент образования вихря при срыве пограничного слоя с края Цилиндра. Если пытаться получить вихри со скоростью
более 20 м/сек, то кавитационная каверна становится столь большой, что возникает неустойчивость и вихрь разрушается. Сказанное относится к диаметрам цилиндра порядка 10 см возможно, что с увеличением диаметра удастся получить устойчивые вихри, движущиеся с большой скоростью.
Интересное явление возникает, когда вихрь движется в воде вертикально вверх по направлению к свободной поверхности. Часть жидкости, образующая так называемое тело вихря, взлетает над поверхностью, сначала почти без изменения формы - водяное кольцо выпрыгивает из воды. Иногда скорость вылетевшей массы в воздухе увеличивается. Это можно объяснить отбрасыванием воздуха, которое происходит на границе вращающейся жидкости. В дальнейшем вылетевший вихрь разрушается под действием центробежных сил.
Падение капель. Легко наблюдать вихри, образующиеся при падении капель чернил в воду. Когда чернильная капля попадает в воду, образуется кольцо, состоящее из чернил и движущееся вниз. Вместе с кольцом движется некоторый объем жидкости, образующий тело вихря, которое также окрашено чернилами, но гораздо слабее. Характер движения сильно зависит от соотношения плотностей воды и чернил. При этом оказываются существенными различия плотности в десятые доли процента.
Плотность чистой воды меньше, чем чернил. Поэтому при движении вихря на него действует сила, направленная вниз, по ходу вихря. Действие этой силы приводит к увеличению импульса вихря. Импульс вихря
где Г - циркуляция или интенсивность вихря, и R - радиус вихревого кольца, а скорость движения вихря
Если пренебречь изменением циркуляции, то из этих формул можно сделать парадоксальный вывод: действие силы в направлении движения вихря приводит к уменьшению его скорости. Действительно, из (1) следует, что с ростом импульса при постоянной
циркуляции должен увеличиваться радиус R вихря, но из (2) видно, что при постоянной циркуляции с ростом R скорость падает.
В конце движения вихря чернильное кольцо распадается на 4-6 отдельных сгустков, которые в свою очередь превращаются в вихри с маленькими спиральными кольцами внутри. В некоторых случаях эти вторичные кольца распадаются еще раз.
Механизм этого явления не очень ясен, и существует несколько его объяснений. В одной схеме главную роль играет сила тяжести и неустойчивость так называемого тейлоровского типа, которая возникает, когда в поле тяжести более плотная жидкость находится над менее плотной, причем обе жидкости вначале покоятся. Плоская граница, разделяющая две такие жидкости, неустойчива - она деформируется, и отдельные сгустки более плотной жидкости проникают в менее плотную.
При движении чернильного кольца циркуляция на самом деле уменьшается, и это приводит к полной остановке вихря. Но на кольцо продолжает действовать сила тяжести, и в принципе оно должно было бы опускаться дальше как целое. Однако возникает тейлоровская неустойчивость, и в результате кольцо распадается на отдельные сгустки, которые опускаются под действием силы тяжести и в свою очередь образуют маленькие вихревые кольца.
Возможно и другое объяснение этого явления. Увеличение радиуса чернильного кольца приводит к тому, что часть жидкости, движущаяся вместе с вихрем, принимает форму, изображенную на рис. 127 (стр. 352). В результате действия на вращающийся тор, состоящий из линий тока, сил, аналогичных силе Магнуса, элементы кольца приобретают скорость, направленную перпендикулярно скорости движения кольца как целого. Такое движение неустойчиво, и происходит распад на отдельные сгустки, которые снова превращаются в маленькие вихревые кольца.
Механизм образования вихря при падении капель в воду может иметь разный характер. Если капля падает с высоты 1-3 см, то ее вход в воду не сопровождается всплеском и свободная поверхность деформируется слабо. На границе между каплей и водой
образуется вихревой слой, сворачивание которого и приводит к образованию кольца чернил, окруженного захваченной вихрем водой. Последовательные стадии образования вихря в этом случае качественно изображены на рис. 128.
При падении капель с большой высоты механизм образования вихрей иной. Здесь падающая капля, деформируясь, растекается на поверхности воды, сообщая на площади, много большей ее диаметра, импульс с максимальной интенсивностью в центре. В результате на поверхности воды образуется впадина, она по инерции расширяется, а потом происходит схлопывание и возникает кумулятивный всплеск - султан (см. гл. VII).
Масса этого султана в несколько раз больше массы капли. Падая под действием силы тяжести в воду, султан образует вихрь по уже разобранной схеме (рис. 128); на рис. 129 изображена первая стадия падения капли, приводящая к образованию султана.
По этой схеме образуются вихри, когда на воду падает редкий дождь с крупными каплями - поверхность воды покрывается тогда сеткой небольших султанчиков. Вследствие образования таких султанчиков каждая
капля значительно наращивает свою массу, и поэтому вихри, вызванные ее падением, проникают на довольно большую глубину.
По-видимому, это обстоятельство можно положить в основу объяснения известного эффекта гашения дождем поверхностных волн в водоемах. Известно, что при наличии волн горизонтальные составляющие скорости частиц на поверхности и на некоторой глубине имеют противоположные направления. Во время дождя значительное количество жидкости, проникающее на глубину, гасит волновую скорость, а восходящие из глубины токи гасят скорость на поверхности. Было бы интересно подробнее разработать этот эффект и построить его математическую модель.
Вихревое облако атомного взрыва. Явление, очень похожее на образование вихревого облака при атомном взрыве, можно наблюдать при взрывах обычных ВВ, например, при подрыве плоской круглой пластины ВВ, расположенной на плотном грунте или на стальной плите. Можно также располагать ВВ в виде сферического слоя или стакана, как показано на рис. 130.
Наземный атомный взрыв отличается от обычного взрыва прежде всего существенно большей концентрацией энергии (кинетической и тепловой) при очень малой массе бросаемого вверх газа. При таких взрывах образование вихревого облака происходит за счет выталкивающей силы, которая появляется из-за того, что масса горячего воздуха, образующаяся при взрыве, легче окружающей среды. Выталкивающая сила играет существенную роль и при дальнейшем движении вихревого облака. Точно так же, как при движении чернильного вихря в воде, действие этой силы приводит к росту радиуса вихревого облака и уменьшению скорости. Явление осложняется тем, что плотность воздуха меняется с высотой. Схема приближенного расчета этого явления имеется в работе .
Вихревая модель турбулентности. Пусть поток жидкости или газа обтекает поверхность, которая представляет собой плоскость с вмятинами, ограниченными сферическими сегментами (рис. 131, а). В гл. V мы показали, что в районе вмятин естественно возникают зоны с постоянной завихренностью.
Предположим теперь, что завихренная зона отделяется от поверхности и начинает двигаться в основном потоке (рис.
131,6). В силу закрученности эта зона, кроме скорости V основного потока, будет иметь еще компоненту скорости, перпендикулярную к V. В результате такая движущаяся вихревая зона вызовет турбулентное перемешивание в слое жидкости, размер которого в десятки раз превышает размеры вмятины.
Это явление, по-видимому, можно использовать для объяснения и расчетов передвижения больших масс воды в океанах, а также передвижения масс воздуха в горных районах при сильных ветрах.
Снижение сопротивления. В начале главы мы говорили о том, что воздушные или водяные массы без оболочек, которые движутся вместе с вихрем, несмотря на плохо обтекаемую форму испытывают значительно меньшее сопротивление, чем такие же массы в оболочках. Мы указали и причину такого снижения сопротивления - оно объясняется непрерывностью поля скоростей.
Возникает естественный вопрос о том, нельзя ли придать обтекаемому телу такую форму (с подвижной границей) и сообщить ему такое движение, чтобы возникающее при этом течение было аналогично течению при движении вихря, и тем самым попытаться уменьшить сопротивление?
Мы приведем здесь принадлежащий Б. А. Луговцову пример, который показывает, что такая постановка вопроса имеет смысл. Рассмотрим симметричное относительно оси х плоское потенциальное течение несжимаемой невязкой жидкости, верхняя половина которого изображена на рис. 132. На бесконечности поток имеет скорость, направленную вдоль оси х, на рис. 132 штриховкой отмечена каверна, в которой поддерживается такое давление, что на ее границе величина скорости постоянна и равна
Нетрудно видеть, что если вместо каверны в поток поместить твердое тело с подвижной границей, скорость которой также равна то наше течение можно рассматривать и как точное решение задачи обтекания этого тела вязкой жидкостью. В самом деле, потенциальное течение удовлетворяет уравнению Навье-Стокса, а условие прилипания на границе тела выполняется в силу того, что скорости жидкости и границы совпадают. Таким образом, благодаря подвижной границе течение останется потенциальным, несмотря на вязкость, след не появится и полная сила, действующая на тело, будет равной нулю.
В принципе такую конструкцию тела с подвижной границей можно осуществить и на практике. Для поддержания описанного движения необходим постоянный подвод энергии, который должен компенсировать диссипацию энергии вследствие вязкости. Ниже мы подсчитаем необходимую для этого мощность.
Характер рассматриваемого течения таков, что его комплексный потенциал должен быть многозначной функцией. Чтобы выделить его однозначную ветвь, мы
сделаем в области течения разрез вдоль отрезка (рис. 132). Ясно, что комплексный потенциал отображает эту область с разрезом на область, изображенную на рис. 133, а (соответствующие точки помечены одинаковыми буквами), на нем указаны также образы линий тока (соответствующие помечены одинаковыми цифрами). Разрыв потенциала на линии не нарушает непрерывности поля скоростей, ибо производная комплексного потенциала остается непрерывной на этой линии.
На рис. 133,б показан образ области течения при отображении это круг радиуса с разрезом по действительной оси от точки до точка разветвления потока В, в которой скорость равна нулю, переходит в центр круга
Итак, в плоскости образ области течения и положение точек вполне определены. В плоскости напротив, можно произвольно задавать размеры прямоугольника Задав их, можно найти по
теореме Римана (гл. И) единственное конформное отображение левой половины области рис. 133, а на нижний полукруг рис. 133 ,б, при котором точки на обоих рисунках соответствуют друг другу. В силу симметрии тогда вся область рис. 133, а отобразится на круг с разрезом рис. 133, б. Если при этом выбрать надлежащим образом положение точки В на рис. 133, а (т. е. длину разреза), то она перейдет в центр круга и отображение определится полностью.
Это отображение удобно выразить через параметр , меняющийся в верхней полуплоскости (рис. 133, в). Конформное отображение этой полуплоскости на круг с разрезом рис. 133, б с нужным соответствием точек выписывается элементарно.
Антициклоны . Антициклонами называются области повышенного атмосферного давления с замкнутыми изобарами, с максимальным давлением в центре до 1070 мб.и соответствующим распределением воздушных течений. Диаметр антициклона может достигать нескольких тысяч километров. Горизонтальные градиенты давления в антициклонах направлены от центра к периферии, а ветер, отклоняясь от барического градиента в северном полушарии вправо, дует вокруг центра антициклона по часовой стрелке, а в южном полушарии, отклоняясь влево, направлен против часовой стрелки.
В центральнои̌ части антициклона, как правило, преобладает малооблачная сухая погода со слабым ветром.
Понятие и виды, 2018.
К периферии антициклона происходит увеличение облачности и усиление скорости ветра. Температура в западнои̌ части антициклона, где господствуют южные ветры (в северном полушарии), обычно выше, чем в восточнои̌ с её северными ветрами. В антициклоне резко выражен суточный ход метеорологических элементов, особенно температуры и влажности. Летом при сильнои̌ конвекции в антициклоне иногда возникают грозы. В исключительных случаях в антициклоне может наблюдаться морось, туман и слоистые облака.
Циклоны.
Циклоном называется область пониженного давления с замкнутыми изобарами, с минимальным давлением в северном полушарии и по часовой стрелке в южном.
Понятие и виды, 2018.
Циклоны бывают различны по размерам и глубине: один должна быть около 100 миль в диаметре, другой более 2000 миль. Давление в центре большей части циклонов колеблется от 980 до 1010 мб, однако в отдельных случаях давление падает до 935 мб. и ниже.
Циклоны могут передвигаться почти в любом направлении, но чаще всᴇᴦο они направлены к северо-востоку в северном полушарии и к юго-востоку- в южном; скорость их колеблется от 10 до 40 узлов, иногда достигает 60 узлов. При заполнении (окклюдировании) циклонов скорость их уменьшается.
Тропические циклоны являются одним из наиболее опасных и наименее изученных явлений природы. Они представляют из себясравнительно небольшие по размерам, диаметром от 20 до 600 миль, но очень глубокие атмосферные вихри. Обладают высокой кинетической энергией (с низким давлением и ветрами ураганнои̌ силы, образующими круговорот против часовой стрелки в северном и по часовой стрелке в южном полушарии с легким отклонением к центру). Такой циклон в целом (или ᴇᴦο центр) обладает поступательным движением и часто является причинои̌ большого волнения, гораздо большего, чем при самых жестоких штормах умеренных широт.
Скорость движения тропического циклона колеблется от 70 до 240 миль в сутки, возрастая с увеличением географической широты. Атмосферное давление в тропическом циклоне от.периферии к центру понижается до 950-970 мб, а в отдельных случаях падает ещё ниже, скорость же ветра, наоборот, возрастает и вблизи центральнои̌ зоны тропического циклона достигает своих наибольших значений, равных 40-60 м/сек и даже более. Однако в самой центральнои̌ зоне тропического циклона диаметром от 20 до 30 миль ветер ослабевает до штиля.
Прохождение тропического циклона всегда сопровождается мощнои̌ облачностью, очень сильными и продолжительными ливнями и значительным волнением. В центральнои̌ зоне тропического циклона (ʼʼглаз буриʼʼ) небо обычно ясное или покрыто тонкими высокослоистыми облаками; волнение здесь приобретает характер сильнои̌ толчеи. представляющей большую опасность для судна. Тропические циклоны отмечаются во всех океанах.
Главнейшие очаги зарождения и местные названия их следующие:
· Карибское море и Мексиканский залив. Возникающие здесь циклоны носят название антильских ураганов
· Район Филиппинских островов, Южно - Китайское море тропические циклоны называются тайфунами
· Аравийское море и Бенгальский залив, где тропические циклоны местного названия не имею
· Индийский океан вблизи берегов Австралии. Здесь тропические циклоны называются ʼʼвилли-виллиʼʼ
· в Тихом океане у западного побережья Мексики - кордонасо
· на Филиппинах - багуйо, или баруйо
· В южнои̌ части Индийского океана, восточнее острова Мадагаскар.
Размещено на реф.рф
Местное название тропических циклонов - ʼʼорканыʼʼ.
Тропические циклоны чаще зарождаются в открытом океане обычно между 5 и 20° широты, на границах зоны преобладающих слабых ветров и штилей и в районах распространения муссонов. На первой стадии своᴇᴦο движения тропические циклоны перемещаются с, небольшой скоростью 10-20 км/час, к западу, затем скорость увеличивается до 30-40 км/час и более.
Затем все, более отклоняясь вправо в северном полушарии влево в южном, они начинают двигаться соответственно на северо-запад и на юго-запад. Дойдя до границы зоны пассатов, т. е. примерно до 15-30°, севернои̌ и южнои̌ широты, тропические циклоны, в случае если они к ϶тому времени ещё не заполнились, меняют направление движения и начинают перемещаться на северо-восток в северном полушарии и на юго-восток в южном.
Понятие и виды, 2018.
Некоторые тропические циклоны, однако, не изменяют направления, а продолжают перемещаться в северо-западном или юго-западном направлении до тех пор, пока не достигнут материка. С выходом в умеренные широты циклон постепенно заполняется и замедляет движение. Но при проникновении циклона в систему более холодного воздуха (в область полярного фронта) он трансформируется: происходит ᴇᴦο углубление, увеличивается скорость (порой до 60 км/час), расширяется зона штормовых ветров и т. д. И уже как внетропический вихрь он может сместиться в довольно высокие широты. При выходе на континент тропический циклон быстро ослабевает и затухает. Наиболее часто тропические циклоны в северном полушарии наблюдаются в период с августа по сентябрь, а в южном полушарии в районе Тихого океана - с января по июль, в Индийском океане - с ноября по апрель. Исключение составляет северная часть Индийского океана, где тропические циклоны чаще наблюдаются с мая по декабрь.
Классификация опасных природных явлений Опасные метеорологические (агрометеорологические) явления – природные процессы и явления, возникающие в атмосфере, которые по своей интенсивности (силе), масштабу распространения и продолжительности оказывают или могут оказать поражающее воздействие на людей, сельскохозяйственных животных и растения, объекты экономики и окружающую среду. К ним относят: - бури, ураганы, смерчи (торнадо), шквалы; - сильные осадки (снегопад, ливень, град, метель, гололед); - сильный мороз; - сильная жара, засуха, суховей; - сильный туман; - поздние заморозки Метеорологические и агрометеорологические опасные явления
H, км t° С 3000 экзосфера термосфера мезосфера-90 55стратосфера тропосфера-60 Строение атмосферы
Газ Молекулярн ая масса, г/моль Содержание, % объема Плотность абсолютная, г/м 3 по отношению к сухому воздуху Азот 28,10678,967 Кислород 3220,105 Аргон 39,9440,379 Углекислый газ 44,010,529 Неон 20,18318,18* ,695 Гелий 4,0035,24* ,138 Криптон 83,71,14* ,868 Водород 2,0160,5* ,07 Озон 48(0…0,07)* ,624 Сухой воздух 28,
Психрометрические будки высокие башни и мачты аэростаты, шары-зонды, летающие лаборатории Средства космического мониторинга: метеорологические и геофизические ракеты искусственные спутники Земли космические корабли и орбитальные станции косвенные методы Для изучения атмосферы могут использоваться:
Масса атмосферы триллионов т. Масса загрязнений 1/10 тыс. % Загрязняющие вещества в атмосфере: Накапливаются со временем Распределены неравномерно на Земле Токсичны в небольших концентрациях
Источники загрязнения атмосферы: I – Естественные: пылевые, солевые, вулканические. II – Искусственные (антропогенные): Промышленные предприятия: - предприятия химической промышленности - металлургические предприятия - тепловые электростанции - цементные заводы Автотранспорт Сельскохозяйствен ные предприятия - животноводческие комплексы - птицефабрики - химические средства защиты растений - обработка почвы
Снижению загрязнения атмосферы способствуют: – регулирование в крупных городах транспортных потоков; – переход транспорта на альтернативные источники топлива (спирт, газ и др.) – строительство очистных сооружений; – перевод ТЭЦ на экологически безопасные виды топлива; – совершенствование технологий производства; – централизация мелких котельных; – вывод промышленных предприятий за черту города и др.
Общая циркуляция атмосферы - система воздушных течений крупного, планетарного масштаба, переносящих огромные массы воздуха из одних широт в другие. Рис. Распределение атмосферного давления и ветров у земной поверхности; справа – меридиональный разрез направления ветра (по А.П. Шубаеву): 1 – направление ветра; 2 – направление горизонтального барического градиента
Тип воздушной массы Обозначение Где формируется Арктические (антарктические)А ВАрктика, Антарктика Умеренных широт (полярные)П ВУмеренные широты ТропическиеТ ВСубтропические и тропические широты ЭкваториальныеЭ ВЭкваториальный пояс земли Основные географические типы воздушных масс
Атмосферные вихриМестное названиеХарактеристика Циклон (тропический и внетропический) – замкнутая барическая система - вихри, в центре которых низкое давление Тайфун (Китай, Япония) Вилли-Вилли (Австралия) Ураган (Сев. и Южной Америке) Ширина км Высота 1-12 км Диаметр области затишья ("глаз бури") км Скорость ветра до 120 м/с Время действия суток Характеристика атмосферных вихрей Атмосферные вихри
ПервичныеВторичные - сильный ветер, несущий большие массы воды, грязи, песка (до 250 км/ч); - морские волны (высотой более 10 м); - ливни (мм). - тяжелые предметы, переносимые ветром; - подтопление, затопление территории; - разрушение зданий и сооружений; - обрыв линий электропередач; - повыл деревьев, мачт, труб, опор и т.п.; - пожары, взрывы. Поражающие факторы урагана ПервичныеВторичные - потоки воздуха, несущие воду, грязь, предметы и пр. (скорость ветра в воронке до км/ч, иногда до 400 км/ч); - пониженное давление воздуха в воронке; - спиральное или вертикальное движение потоков воздуха в пределах воронки; - ливни; - грозы. - разрушение объектов при боковых ударах; - отрыв объектов и людей, подъем вверх с переносом на сотни метров; - всасывание газообразных и жидких масс с их последующим выбросом; - обрыв линий электропередач; - пожары, взрывы; - затопление территории. Поражающие факторы смерчей Смерч - атмосферный вихрь, возникающий в кучево-дождевом (грозовом) облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли (воды), в виде облачного рукава или хобота Торнадо (США, Мексика) Тромб (Зап. Европа) Высота – от нескольких сот метров до неск. км. Диаметр - от нескольких сот метров до 1,5 км и более. Скорость перемещения от до 100 км/ч Скорость вращения вихрей в воронке до 300 км/ч Ураган - ветер большой разрушительной силы и значительной продолжительности, возникающий в основном с июля по октябрь в зонах сближения циклона и антициклона. Тайфун (Тихий океан) Скорость ветра более 33 м/с Продолжительность 9-12 дней Ширина - до 1000 км
Атмосферные вихриМестное названиеХарактеристика Шквал - кратковременные вихри, возникающие перед холодными атмосферными фронтами, нередко сопровождаемые ливнем или градом и возникающие во все сезоны года и в любое время суток. Буря Скорость ветра 25 м/с и более Время действия до 1 часа Буря – очень сильный ветер, скорость которого меньше ураганного. ШтормПродолжительность - от нескольких часов до нескольких суток Скорость ветра м/с Ширина - до нескольких сот километров Бора - очень сильный порывистый холодный ветер приморских районов, приводящий в зимнее время к обледенению портовых сооружений и кораблей Сарма (на Байкале) Бакинский норд Продолжительность - несколько суток Скорость ветра до м/с Фён - жаркий сухой ветер, дующий со склонов гор в долину. (Кавказ, Алтай, Ср. Азия) Скорость м/с, высокая температура и низкая относительная влажность воздуха Характеристика атмосферных вихрей (продолжение)
Буря - длительный, очень сильный ветер со скоростью более 20 м/с, наблюдающийся при прохождении циклона и сопровождающийся сильным волнением на море и разрушениями на суше. Длительность действия - от нескольких часов до нескольких суток. Вид буриПервичные факторыВторичные факторы Шторм- высокая скорость ветра; - сильное волнение моря - разрушение строений, плавсредств; - разрушение, размыв побережья Пыльная буря- высокая скорость ветра; - высокая температура воздуха при крайне низкой относительной влажности; - потеря видимости, пыль. - разрушение строений; - иссушение почв, гибель с/х растений; - вынос плодородного слоя почвы (дефляция, эрозия); - потеря ориентации. Снежная буря (буран, пурга, метель) - высокая скорость ветра; - низкая температура; - потеря видимости, снег. - разрушение объектов; - переохлаждение; - обморожение; - потеря ориентации. Шквал- высокая скорость ветра (в течение 10 минут скорость ветра возрастает с 3 до 31 м/с) - разрушение строений; - бурелом. Поражающие факторы бури
Название ветрового режима Скорость ветра (км/ч) БаллыПризнаки Затишье 0 – 1,60 Дым идёт прямо Лёгкий ветерок 3,2 – 4,81 Дым изгибается Лёгкий бриз 6,4 – 11,32 Листья шевелятся Слабый бриз 12,9 – 19,33 Листья двигаются Умеренный бриз 20,9 – 28,94 Листья и пыль летят Свежий бриз 30,6 – 38,65 Тонкие деревья качаются Сильный бриз 40,2 – 49,96 Толстые деревья качаются Сильный ветер 51,5 – 61,17 Стволы деревьев изгибаются Буря 62,8 – 74,08 Ветви ломаются Сильная буря 75,5 – 86,99 Черепица и трубы срываются Полная буря 88,5 – 101,410 Деревья вырываются с корнем Шторм 103,0 – 120,711 Везде повреждения Ураган Более 120,712 Большие разрушения ВЕТЕР Шкала Бофорта
