Атмосферные Явления: Облачность, Осадки, Давление и Ветры

📚 Учебный Материал: Атмосферные Явления и Циркуляция

Данный учебный материал составлен на основе предоставленного текста (страницы 105-131) и аудиозаписи лекции.

---

📝 Введение

Атмосферные явления играют ключевую роль в формировании погоды и климата на Земле. Этот материал охватывает основные аспекты облачности, атмосферных осадков, снежного покрова, увлажнения территории, а также детально рассматривает атмосферное давление, ветер и общую циркуляцию атмосферы, включая различные атмосферные вихри и местные ветры.

---

☁️ 1. Облачность

Облачность — это степень покрытия неба облаками, измеряемая в баллах (от 0 до 10).

• Распределение облачности:
  • Зональный характер: Облачность распределена по Земле зонально.
  • Экваториальные широты: Наиболее высокая облачность (5-6 баллов над сушей, до 7 баллов над океаном), развиты конвективные облака.
  • Тропические пустыни: Очень низкая облачность (2-4 балла).
  • Умеренные и полярные широты: Облачность составляет 6-7 баллов.
  • Полярные широты: Максимум облачности наблюдается летом.
  • Среднее по Земле: 6 баллов.
• Примеры: В Москве облачность в декабре составляет 8,5 балла, в мае — 5,4 балла.

---

🌧️ 2. Атмосферные Осадки

📚 Определение: Атмосферные осадки — это капли и кристаллы воды, выпадающие на земную поверхность из атмосферы.

• Образование осадков:
  • Начинается с роста мельчайших частиц в облаках.
  • ✅ Условия для роста: Присутствие капель разных размеров или сочетание капель и кристаллов льда.
  • ✅ Механизмы: Перемещение водяного пара к крупным каплям, соударение капель, испарение капелек воды и сублимация водяного пара на кристаллах льда.
• Классификация по агрегатному состоянию:
  • 💧 Жидкие:
    • Дождь: Капли диаметром от 0,05 до 7 мм (максимум 9,4 мм).
    • Морось: Капли диаметром до 0,5 мм, падение незаметно для глаза.
  • ❄️ Твердые:
    • Снег: Шестигранные кристаллы, иногда крупные хлопья (до 1 см и более).
    • Снежная крупа: Мягкие, непрозрачные, сферические крупинки белого цвета (2-5 мм).
    • Ледяная крупа: Круглые ледяные частички, прозрачные снаружи, с возможным белым ядром внутри.
    • Град: Кусочки льда разных форм и размеров, образуются в кучево-дождевых облаках. Размеры от горошины до 30 см в диаметре, масса до 1 кг (рекорд: 4 кг в Испании, 2000 г.).
      • Условия образования града: Большая водность облака и обледенение его вершины.
      • Процесс: Капли воды поднимаются в слои с отрицательной температурой, замерзают, растут, опускаются в теплые слои, покрываются водой, снова поднимаются – многократный процесс, формирующий слоистое строение градины.
  • 🌈 Необычные осадки: Белые, красные, черные дожди (цвет зависит от ядер конденсации: вулканический пепел, микроводоросли). В XX веке появились радиоактивные и кислотные дожди.
• Классификация по характеру выпадения:
  • 💦 Ливневые: Высокая интенсивность (>1 мм/мин), малая продолжительность, небольшая площадь (до 38 мм/мин в Гваделупе).
  • ☔ Обложные: Меньшая интенсивность (0,1-1 мм/мин), большая продолжительность, большая площадь.
  • 💧 Моросящие: Самая малая интенсивность, большая площадь, значительная продолжительность.
  • Пример: В умеренных широтах: 56% обложных, 14% ливневых, 30% моросящих.
• Измерение осадков:
  • Количество: толщина слоя воды (мм).
  • Интенсивность: слой воды (мм) за 1 минуту.
• Классификация по происхождению:
  • 🌬️ Внутримассовые (конвективные): Формируются в одной воздушной массе при конвекции (нагрев поверхности, подъем по склону гор).
  • 🤝 Фронтальные: Образуются при соприкосновении двух воздушных масс (выпадают из более теплой массы).
• Зональное распределение осадков:
  • 📊 Изогиеты: Линии, соединяющие точки с одинаковым количеством осадков.
  • Максимум: Области пониженного давления с восходящими токами воздуха.
    • Экваториальные широты: 1500-2000 мм/год (внутримассовые, термическая конвекция).
    • Умеренные широты: до 1000 мм/год (в основном фронтальные, циклоны).
  • Минимум: Области повышенного давления с нисходящими токами воздуха.
    • Тропические широты: 100-200 мм/год (кроме восточных берегов).
    • Полярные широты (Антарктида, Гренландия): до 100 мм/год.
  • Абсолютный максимум: Черрапунджи (Гималаи) — 12 660 мм; Тутунендо (Анды) — 11 770 мм.
  • Абсолютный минимум: Пустыня Атакама — 1 мм.
• Годовой режим осадков (4 типа):
  • 1️⃣ Экваториальный: Равномерное выпадение в течение года с двумя небольшими максимумами после равноденствий (1500-2000 мм).
  • 2️⃣ Муссонный: Один абсолютный летний максимум, мало осадков зимой (1500 мм в тропиках, 700-1000 мм во внетропиках).
  • 3️⃣ Средиземноморский: Зимний максимум (активизация полярного фронта), резкое уменьшение летом (господство тропической воздушной массы). Количество уменьшается от 1000 мм (западные берега) до 300 мм (внутри континента).
  • 4️⃣ Умеренный:
    • Морской подтип: Равномерное выпадение с небольшим зимним максимумом (1000-700 мм, усиление циклонической активности).
    • Континентальный подтип: Летний максимум, зимних осадков меньше (увеличение абсолютной влажности, конвективные осадки). Пример: Московская область — 560-600 мм/год.

---

🌨️ 3. Снежный Покров и Увлажнение Территории

• Снежный покров:
  • Характеристики: Высота (см/м) и плотность (г/см³).
    • Высота: Зависит от количества осадков, плотности снега, рельефа. Примеры: Камчатка — 200 см, Восточная Сибирь — 8-30 см, Западная Сибирь — 50-70 см, Московская область — 30-60 см, горы Норвегии — до 5 м.
    • Плотность: Свежевыпавший снег — 0,04-0,4 г/см³, весной — до 0,7 г/см³. Увеличивается при оттепелях или под воздействием ветра.
  • Свойства и значение:
    • ✅ Низкая теплопроводность: Защищает почву от промерзания (температура почвы под снегом на 15-16°С выше).
    • ✅ Высокое альбедо: Свежевыпавший снег отражает 90-95% солнечных лучей, понижая температуру приземных слоев воздуха.
    • ✅ Источник влаги: Талая вода питает растительность, пополняет подземные воды, является источником питания рек.
  • Устойчивый снежный покров: Сохраняется в течение месяца.
    • Крайний Север: 8-9 месяцев.
    • Центральные районы: 4-6 месяцев.
    • Черноморское побережье: 40 дней.
  • Площадь: Зимой в Северном полушарии до 100 млн км², летом сокращается до 47 млн км². Общая площадь со снегом и льдами — 105 млн км² (21% поверхности Земли).
• Увлажнение территории:
  • Коэффициент увлажнения (К): Отношение количества осадков (r) к испаряемости (Е).
    • K = (r / E) * 100%
    • Избыточное увлажнение (К > 1): Заболоченная тундра, тайга, экваториальные леса.
    • Нормальное увлажнение (К = 0,8-1): Саванны, лесостепи.
    • Недостаточное увлажнение (К = 0,3-0,6): Степи.
    • Очень недостаточное (К = 0,1-0,3): Полупустыни.
    • Ничтожное (К < 0,12): Пустыни.
  • Радиационный индекс сухости (К): Отношение радиационного баланса (R₀) к теплоте, необходимой для испарения годового количества осадков (Lr).
    • K = R₀ / (Lr)
    • Ничтожное увлажнение (К > 3): Пустыни.
    • Недостаточное увлажнение (К = 1-3): Полупустыни.
    • Достаточное увлажнение (К = 1): Саванны, лесостепи.
    • Избыточное увлажнение (К = 0,45-1): Экваториальные леса, леса умеренного пояса.

---

💨 4. Циркуляция Атмосферы: Общие Принципы

Циркуляция атмосферы — это система воздушных потоков планетарного масштаба, охватывающая тропосферу и нижнюю стратосферу. Она обеспечивает перераспределение тепла и влаги.

• Классификация ветров по площади распространения:
  • ✅ Ветры общей циркуляции атмосферы (ОЦА).
  • ✅ Ветры циклонов и антициклонов.
  • ✅ Местные ветры.
• Основная причина: Неравномерное распределение давления по поверхности планеты.

---

🌡️ 5. Атмосферное Давление

📚 Определение: Атмосферное давление — это сила, с которой атмосфера давит на земную поверхность.

• Нормальное атмосферное давление: Вес атмосферного столба сечением 1 см² на уровне океана при 0°С на 45° широты.
  • Равно 760 мм ртутного столба.
  • Равно 1013,25 мб (миллибар) или 1013,25 гПа (гектопаскалей).
• Изменение давления с высотой: Понижается, так как уменьшается мощность вышележащего слоя атмосферы.
  • Барическая ступень: Расстояние (в метрах), на которое нужно подняться/опуститься для изменения давления на 1 мб.
    • 0-1 км: 10,5 м.
    • 1-2 км: 11,9 м.
    • 2-3 км: 13,5 м.
    • ⚠️ Зависимость от температуры: В теплом воздухе барическая ступень больше (увеличивается на 0,4% с повышением температуры).
  • Вертикальный барический градиент: Величина, обратная барической ступени (изменение давления на 100 м).
• Причины изменения давления:
  • Перемещение воздуха (отток/приток).
  • Изменение плотности воздуха из-за неравномерного нагрева подстилающей поверхности.
  • 💡 Принцип: Нагрев участка поверхности -> уменьшение плотности воздуха -> восходящие токи -> переток воздуха вверху к холодным участкам -> уменьшение давления у поверхности в теплом воздухе и увеличение в холодном -> движение воздуха у поверхности от холодного к теплому.
• Барические системы:
  • Изобарические поверхности: Поверхности, проведенные через точки с одинаковым давлением.
    • Повышенное давление: выпуклостью вверх.
    • Пониженное давление: выпуклостью вниз.
  • Изобары: Линии, соединяющие точки с одинаковым давлением на земной поверхности.
  • Виды барических систем (рис. 7.1):
    • ✅ Замкнутые:
      • Барический минимум (циклон): Система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре.
      • Барический максимум (антициклон): Система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре.
    • ✅ Незамекнутые:
      • Барический гребень: Полоса повышенного давления от барического максимума.
      • Барическая ложбина: Полоса пониженного давления от барического минимума.
      • Барическая седловина: Незамекнутая система изобар между двумя максимумами и двумя минимумами, расположенными крест-накрест.
• Суточный и годовой ход давления:
  • Суточный: Один максимум ночью, минимум днем.
  • Годовой:
    • Над сушей: максимум зимой, минимум летом.
    • Над океаном: минимум зимой, максимум летом.
• Экстремальные значения давления:
  • Максимальное: 1083,8 мб (Красноярский край, 1968 г.).
  • Минимальное: 870 мб (Филиппинские острова, 1979 г.).
  • Москва: максимум 1037 мб, минимум 944 мб.
• Зональное распределение давления:
  • Экватор: Пояс пониженного давления (экваториальная депрессия), смещается за Солнцем.
  • Тропические широты: Повышенное давление (зимой над океанами и сушей, летом только над океанами).
  • Умеренные широты (Сев. полушарие): Летом пояс пониженного давления, зимой над материками барические максимумы.
  • Умеренные и субполярные широты (Юж. полушарие): Полоса пониженного давления над водой круглый год.
  • Полярные широты: Повышенное давление над ледяными щитами (Антарктида, Гренландия).
• Постоянные барические системы:
  • Экваториальная депрессия.
  • Пять субтропических барических максимумов (Северо-Тихоокеанский, Северо-Атлантический, Южно-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Индийский).
  • Алеутский и Исландский барические минимумы (Сев. полушарие).
  • Приантарктический пояс пониженного давления (Юж. полушарие).
  • Два полярных барических максимума (Антарктический, Гренландский).
• Сезонные барические системы: Изменяют знак давления на противоположный по сезонам.
  • Летний Южно-Азиатский минимум, зимний Азиатский максимум.
  • Летний Мексиканский минимум, зимние Северо-Американский и Канадский максимумы.
• Смещение: Все барические системы смещаются вслед за Солнцем.
• Центры действия атмосферы: Оказывают большое влияние на воздушные течения, погоду и климат.
• Давление на высоте: Показывается картами абсолютной (АТ) и относительной (ОТ) барической топографии (геопотенциальные метры).

---

🌬️ 6. Ветер

📚 Определение: Ветер — это движение воздуха в горизонтальном направлении.

• Характеристики ветра:
  • Скорость: Расстояние, проходимое воздухом за единицу времени (м/с, км/ч).
  • Сила: Давление воздуха на площадку 1 м² (кг/м² или баллы по шкале Бофорта, 0-12).
    • F = 0,25v² (F — сила ветра, v — скорость ветра).
  • Направление: Точка горизонта, откуда дует ветер (румбы, азимут).
    • Роза ветров (рис. 7.4): Диаграмма повторяемости ветров определенных направлений.
• Факторы, влияющие на скорость и направление:
  • Горизонтальный барический градиент: Изменение давления на единицу расстояния (100 км) в сторону уменьшения давления.
  • Трение о земную поверхность: Замедляет движение воздуха до высоты 1000 м (слой трения).
    • Максимальная скорость ветра в приземном слое: 13-14 ч.
    • Минимальная скорость: ночные часы.
    • Средняя скорость у поверхности: 5-10 м/с.
    • Зимой скорость возрастает (меньше трения над снегом).
  • Сила Кориолиса: Отклоняет движущийся воздух.
    • Северное полушарие: вправо от направления движения.
    • Южное полушарие: влево от направления движения.
    • Увеличивается от экватора к полюсам и с увеличением скорости ветра.
• Градиентный ветер: Движение воздуха при отсутствии силы трения (выше 1000 м).
  • Геострофический ветер: Дует вдоль параллельных прямолинейных изобар (равновесие градиентной силы и силы Кориолиса).
  • Геоциклострофический ветер: Дует вдоль криволинейных замкнутых изобар (равновесие градиентной, Кориолиса и центробежной сил).
  • Движение в барических системах (Сев. полушарие):
    • Барический минимум (циклон): Против часовой стрелки (градиентная сила к центру, Кориолиса и центробежная уравновешивают).
    • Барический максимум (антициклон): По часовой стрелке (градиентная и центробежная силы от центра, Кориолиса уравновешивает).
  • Влияние трения (в нижнем слое): Отклонение ветра от барического градиента уменьшается (над сушей 45-50°, над водой 70-80°).
    • Циклон: движение по спирали от периферии к центру против часовой стрелки.
    • Антициклон: движение по спирали от центра к периферии по часовой стрелке.
• Турбулентность (порывистость): Объясняется термической и динамической конвекцией.

---

🌍 7. Ветры Общей Циркуляции Атмосферы (ОЦА)

ОЦА — система планетарных воздушных потоков.

• Зональные переносы (субширотное направление):
  • ✅ Западный перенос: господствует в верхней тропосфере и нижней стратосфере по всей планете.
  • ✅ В нижней тропосфере: восточные ветры в полярных и экваториальных широтах, западные в умеренных.
  • ✅ Струйные течения: над фронтальными зонами в верхней тропосфере.
• Меридиональные переносы: Муссоны тропических-экваториальных и внетропических широт.
• Факторы формирования ОЦА: Неравномерное распределение солнечной радиации, сила Кориолиса, неоднородность подстилающей поверхности.
• Основные воздушные потоки (рис. 7.5):
  • Пассаты (восточные ветры): От субтропических поясов высокого давления к экваториальной депрессии. Постоянны над океанами. В Северном полушарии — северо-восточные, в Южном — юго-восточные.
    • Внутритропическая зона конвергенции: Место схождения пассатов, сильные восходящие токи, кучевые облака, ливневые осадки.
  • Западные ветры умеренных широт: От тропического пояса повышенного давления в умеренные широты. Усиливаются зимой. В Северном полушарии — юго-западные, в Южном — северо-западные.
  • Полярные восточные ветры: От полярных областей повышенного давления к поясу пониженного давления умеренных широт. В Северном полушарии — северо-восточные, в Южном — юго-восточные.
• Ячейки циркуляции:
  • Ячейка Гадлея: Тропическое звено (восточные ветры внизу, западный перенос вверху).
  • Ячейка Ферреля: Умеренное звено (западные ветры внизу и вверху).
• Струйные течения: Ураганной силы ветры (300-400 км/ч) над фронтальными зонами в верхней тропосфере/нижней стратосфере.
• Муссоны: Сезонные ветры, меняющие направление на противоположное летом и зимой.
  • Тропические-экваториальные муссоны: Причина — разный нагрев полушарий.
    • Летний муссон: влажный, приносит дожди (например, юго-западный в Сев. полушарии).
    • Зимний муссон: сухой, пассат соответствующего полушария (например, северо-восточный в Сев. полушарии).
  • Внетропические муссоны: На восточных берегах материков, причина — неравномерный нагрев суши и океана.
    • Зимний: с суши на море (высокое давление над сушей).
    • Летний: с океана на материк (низкое давление над сушей).
    • Ярко выражены на восточном побережье Азии.

---

🌀 8. Атмосферные Вихри (Циклоны и Антициклоны)

Играют ключевую роль в погодообразовании.

• Циклоны: Области пониженного давления с восходящими потоками воздуха.
  • Условия формирования: Дивергенция воздуха на высоте (расходимость), благоприятно для пониженного давления у поверхности.
  • Стадии развития (рис. 7.6): Молодость, зрелость, старость (окклюзия).
  • Движение (Сев. полушарие): От периферии к центру против часовой стрелки.
  • Типы циклонов:
    • Фронтальные: Образуются на арктическом и полярном фронтах. Имеют теплый сектор, ограниченный теплым и холодным фронтами. Холодный фронт движется быстрее теплого, вызывая окклюзию. Существуют несколько суток, движутся с запада на восток (20-30 км/ч).
    • Центральные: Образуются при слиянии нескольких фронтальных циклонов, малоподвижны, поддерживают области пониженного давления над океанами.
    • Низкие (теплые): Формируются в нижней и средней тропосфере, высокая температура в центре. Над ними антициклон.
    • Высокие (холодные): Охватывают всю тропосферу, могут вторгаться в стратосферу, низкая температура в центре.
    • Тропические (тайфуны, ураганы, вилли-вилли):
      • Образование: Между 5° и 20° широты (нет на экваторе из-за нулевой силы Кориолиса), над океанами в конце лета/осенью при температуре воды 27-28°С.
      • Энергия: Мощный подъем теплого влажного воздуха, выделение тепла при конденсации.
      • Строение: Грозовое облако до 14-18 км, в центре "глаз бури" (область чистого неба с нисходящими потоками), вокруг — восходящие токи и кучевые облака.
      • "Глаз бури": Овальная форма, диаметр до 55 км, расширяется до 700 км вверху, вращается с огромной скоростью.
      • Температура: В центре на 15°С выше, чем на периферии.
      • Движение: С востока на запад по экваториальной периферии постоянных барических максимумов. В умеренных широтах теряют энергию и движутся с запада на восток.
      • Скорость ветра: До 100 м/с (рекорд: 113 м/с в урагане "Ида").
      • Районы возникновения (рис. 7.8): Восточное побережье Азии, северное побережье Австралии, Аравийское море, Бенгальский залив, Карибское море, Мексиканский залив.
      • Названия: Тайфуны (Тихий океан), ураганы (Атлантический океан), вилли-вилли (Австралия).
      • Воздействие: Огромные разрушения, сильные бури (300 тыс. погибших в Бенгалии в 1970 г.).
    • Термические депрессии: Возникают над сушей из-за сильного нагрева поверхности.
• Антициклоны: Области повышенного давления с нисходящими потоками воздуха.
  • Условия формирования: Сходимость воздуха на высоте (конвергенция), благоприятно для повышенного давления у поверхности.
  • Движение (Сев. полушарие): От центра к периферии по часовой стрелке.
  • Типы антициклонов:
    • Фронтальные: Возникают в умеренных широтах в холодном воздухе. Фронт не проходит через антициклон, а окаймляет его.
    • Субтропические (динамического происхождения): Постоянные барические максимумы над океанами.
    • Стационарные: Над сушей зимой из-за сильного выхолаживания.
• Смещение циклонов и антициклонов (рис. 7.9):
  • Циклоны: отклоняются к северу (на северо-восток).
  • Антициклоны: отклоняются к югу (на юго-восток).
  • Причина: влияние силы Кориолиса (больше на северной периферии вихря).
• Обмен теплом и влагой: Ветры циклонов и антициклонов обеспечивают обмен между широтами.
  • "Волны тепла": внедрение теплых воздушных масс (тропических) -> засухи летом, оттепели зимой.
  • "Волны холода": внедрение арктических воздушных масс -> похолодание.

---

🏞️ 9. Местные Ветры и Мелкомасштабные Вихри

• Местные ветры: Возникают на ограниченных участках из-за местных причин.
  • Термического происхождения:
    • Бризы (рис. 7.10): На берегах морей, озер, океанов.
      • Дневной (морской): С моря на сушу (суша нагрета сильнее, восходящие токи).
      • Ночной (береговой): С суши на море (суша охлаждается сильнее).
      • Скорость до 7 м/с, распространение до 100 км.
    • Горно-долинные ветры: Суточная периодичность.
      • Ветры склонов: Днем вверх по склону, ночью вниз по склону.
      • Горно-долинные: Днем в сторону гор, ночью в сторону равнины.
    • Фён (рис. 7.11): Теплый, сухой ветер с высоких гор.
      • Механизм: Адиабатическое охлаждение на наветренном склоне и адиабатический нагрев на подветренном.
      • Эффекты: Раннее цветение садов, таяние снега.
      • Примеры: Кастек (Тянь-Шань), Гармсиль (Средняя Азия), Чинук (Скалистые горы).
    • Бора: Холодный ветер с невысоких гор в сторону теплого моря.
      • Механизм: Холодный воздух с равнины (высокое давление) переваливает хребет и устремляется к теплой бухте (низкое давление).
      • Эффекты: Резкое падение температуры (до -5°С), замерзание бухт.
      • Примеры: Новороссийская бора, Мистраль (Франция), Норд (Баку), Сарма (Байкал).
• Мелкомасштабные вихри:
  • 🌪️ Смерчи (над морем) и Тромбы/Торнадо (над сушей):
    • Характеристики: Небольшие размеры (диаметр 100-300 м), высокая скорость ветра (до 100 м/с), большая разность давления.
    • Движение: Вихрь движется со скоростью 30-40 км/ч.
    • Зарождение: В жарком влажном климате (например, Мексиканский залив для США), энергия от конденсации водяных паров.
    • Видимость: Благодаря втягиванию пыли и конденсации.
    • Эффекты: Разрушение построек, вырывание деревьев, перенос объектов (например, падение лягушат в Англии в 1932 г.).

---

☀️ 10. Погода

📚 Определение: Погода — это состояние атмосферы в данный момент над определенной территорией.

• Характеристики: Совокупность метеоэлементов (температура, давление, влажность, осадки, облачность).
• Свойства: Изменчивость, многообразие, повторяемость.