Слава Кан - Океан и атмосфера
Уравнение статики не дает возможности решать постоянно возникающие практические задачи в реальных условиях движущейся атмосферы. Поэтому основное уравнение решают при различных упрощающих предположениях, соответствующих фактическим реальным условиям, выдвигая ряд частных предположений. Из основного уравнения статики можно получить значение вертикального градиента давления, представляющего собой изменение давления при перемещении на единицу высоты, т. е. убывание давления на единицу расстояния по вертикали (мб/100 м). Вместо вертикального градиента часто пользуются обратной ему величиной — барической ступенью в метрах на миллибар (изредка еще встречается устаревший синоним термина «градиент давления» — барометрический градиент).
Вертикальный градиент зависит, в первую очередь от самого давления, а также температуры воздуха. Поэтому в нижнем слое атмосферы давление наибольшее, особенно при низких температурах. Барическая ступень — это высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб. Одним из частных решений основного уравнения статики является барометрическая формула Лапласа, учитывающая влажность воздуха и зависимость ускорения силы тяжести от высоты и широты места. По этой формуле можно определить превышение одного пункта над другим на определенной географической широте, располагая наблюдениями над давлением, температурой воздуха и упругостью водяного пара в рассматриваемых пунктах. Формула Лапласа, дающая высокую точность расчетов, часто используется в более упрощенном виде — допускают, что воздух сухой, и не учитывают зависимость ускорения силы тяжести от широты и высоты. Зная две из трех входящих в барометрическую формулу величин (давление, температура, высота), нетрудно определить третью. Таким образом высота двух пунктов вычисляется с точностью до 1 м. И хотя это можно сделать с помощью геодезических методов, но барометрической формуле и метеорологическим наблюдениям проще и быстрее, что особенно важно в горных районах. Можно также вычислить распределение давления по высоте и решить задачу приведения давления к уровню моря и ряд других практически важных задач.
Для существования человека убывание давления с высотой имеет очень большое значение. На больших высотах у человека наступает так называемая горная болезнь — гипоксия, или кислородное голодание, т. е. кровь здесь недостаточно насыщается кислородом. Люди не могут селиться выше 5200 м — этот предел зафиксирован в Перу. В Индии встречаются поселения на высоте до 4000 м. Выше 7000 м человек не может жить и работать без кислородной маски. Лишь некоторые птицы поднимаются до высоты 7–9 км.
Давление воздуха, измеренное на самолете, дает возможность определить его высоту над точкой взлета с помощью специального прибора — самолетного альтиметра со шкалой в метрах. Данный способ применялся, в частности, в Антарктиде.
Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Это — скалярное поле, характеризующееся системой поверхностей равного давления, или изобарических поверхностей. Изобарические поверхности не параллельны друг другу и земной поверхности, так как температура и давление изменяются в горизонтальном направлении. Поэтому изобарические поверхности наклонены под разными углами к земле и весьма разнообразны — от прогнутых вниз обширных, неглубоких «котловин» до выгнутых вверх растянутых «холмов». Если мысленно пересечь их горизонтальной плоскостью, получатся кривые — изобары — линии, соединяющие пункты с одинаковым значением давления. По результатам наблюдений в определенные моменты времени строятся карты изобар — синоптические, по средним многолетним данным (за месяц, сезон, год) — климатологические. На синоптических картах между изобарами принят интервал, равный 5 мб. Плавные и на первый взгляд причудливые линии изобар, никогда не пересекаются, потому что в одной точке не может быть одновременно двух разных значений давления. На ограниченной карте изобары могут обрываться, но в пределах всего Земного шара каждая изобара обязательно замкнута.
В то же время на ограниченной карте очень часто (почти всегда) бывают замкнутые изобары, ограничивающие участки низкого или высокого давления — барические системы. Это области с пониженным давлением в центре — циклоны и области с относительно повышенным давлением — антициклоны. В первом случае давление возрастает от центра к периферии, а во втором — убывает.
Над европейской территорией пашей страны в год проходит в среднем 75 циклонов. Диаметр циклона — 1000 км и более. В Европе за год бывает в среднем 36 антициклонов, из которых шесть имеют давление в центре более 1050 мб. Среднее давление в северном полушарии равно 1013,68 мб, в южном полушарии до широты 72,5° ю. ш. — 1011,68 мб. Над Антарктидой давление еще недостаточно исследовано для получения средних данных. Кроме циклонических и антициклонических систем, существуют промежуточные — ложбины, гребни, седловины. На периферии циклонов и антициклонов или между ними изобары близки к параллельным линиям.
Если рассмотреть изобарическое поле в вертикальном разрезе, то в циклоне изобары выглядят как воронка, а в антициклоне — как холм. На пространственные распределения барических поверхностей влияет температура воздуха. В теплом воздухе вблизи земли барические поверхности лежат выше холодных. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и давление в нем уменьшается с высотой быстрее.
Если составить карты изобар по осредненным значениям за весь имеющийся ряд наблюдений, за определенные месяцы или сезоны (на уровне моря), можно получить следующую картину. В январе вдоль экватора лежит зона пониженного давления, в середине которой давление равно примерно 1010 мб. Внутри этой полосы обнаруживаются области с самым низким давлением (1008 мб), которые лежат над наиболее нагретыми материками южного полушария — в Южной Америке, Южной Африке и Австралии, т. е. около 15° ю. ш. Здесь в это время года лето.
По обе стороны низкого давления в обоих полушариях на широте 30°—35° возникают области повышенного давления с давлением в отдельных центрах более 1020 мб — субтропические барические антициклоны. Это — Азорский максимум в северном полушарии в Атлантическом океане и Гавайский — в Тихом. В южном полушарии в субтропиках выделяются три барических антициклона — все над океанами: Индийским, Тихим и Атлантическим. В то же время над материками южного полушария, в январе более теплыми, чем океаны, давление понижено.
На север от субтропиков давление начинает убывать, образуя в северном полушарии барические минимумы: Исландский с давлением порядка 995 мб и Амурский — около 1000 мб. А на суше давление чем дальше от моря, тем все более увеличивается, создавая два мощных максимума — антициклон над Монгольским плато с давлением в центре до 1040 мб и Канадский — до 1025 мб.
Убывает давление и в южном полушарии, образуя пояс пониженного давления на широте 60°—65°. Так как южное полушарие в основном океаническое, изобары имеют преимущественно широтное направление. Летом в июле экваториальный пояс пониженного давления не исчезает, а лишь несколько смещается в северное полушарие. Смещаются к северу также и субтропические барические максимумы над океанами северного полушария. В южном полушарии в июле субтропические антициклоны расширяются, захватывая и области высокого давления над холодными материками. Заметно ослабляются Алеутский и Исландский минимумы, причем первый на средних картах даже не прослеживается. Над материками северного полушария давление понижено. В это время заметно выделяется барический минимум над Юго-Восточной Азией с давлением в центре 995 мб и несколько менее — Мексиканский минимум (1010 мб).
В южном полушарии летом, как и зимой, удерживается зона низкого давления в субполярных широтах и антициклон над материком Антарктиды. Следовательно, в среднем распределение давления на земном шаре имеет зональный характер, образуя зоны пониженного и повышенного давления. Эта общая картина нарушается изменениями давления над материками, где оно повышается зимой и понижается летом.
Можно различить также постоянные и сезонные барические области. К последним относятся такие, в которых зимние максимумы сменяют летние минимумы. Это — так называемые центры действия атмосферы. Их роль в формировании воздушных течений, погоды и климата очень велика. Причины возникновения центров действия атмосферы — термические и динамические — связаны с охлаждением и нагреванием в нижних слоях атмосферы. Субтропические барические максимумы обусловлены вторжением антициклонов в эти районы; Исландский и Алеутский минимумы, а также субполярная область пониженного давления южного полушария — образованием и движением циклонов.
