Вихревые движения очень характерны для атмосферы. Среди многих непрерывно возникающих и затухающих вихрей особенно выделяются своими грандиозными размерами циклоны и антициклоны. Диаметр антициклона может достигать нескольких тысяч километров. Большой циклон способен кратковременно охватить сразу почти всю Европу. Ежегодно над ее территорией проносится до сотни серий циклонов, которые активно влияют на состояние погоды.
Циклон охвачен системой круговых ветров. Воздух в таком вихре перемещается по спирали вокруг центра и медленно к нему приближается, двигаясь в Северном полушарии против часовой стрелки с некоторым отклонением в нижнем слое к центру, а в Южном полушарии - по часовой стрелке с таким же отклонением в нижнем слое. Так как в центре скапливаются большие массы теплого влажного воздуха, значительная его часть несется вверх, где оно охлаждается, в результате чего образуются облака высокой плотности, выпадают осадки продолжительный типа. Когда давление в центре начинает расти, циклон разрушается.
В антициклоне давление падает от центра к периферии, соответственно и ветры дуют так же, но отклоняясь в Северном полушарии вправо (то есть по часовой стрелке), а в Южной - влево от своего первоначального направления. Для антициклона характерны нисходящие движения воздуха, в результате чего он нагревается и выходит из состояния насыщения водяным паром. Поэтому в области антициклона наблюдается ясное или малооблачная погода.
В формировании циклонов и антициклонов можно выделить три стадии: возникновение, развитие и старение. Продолжительность каждой стадии - 1-2 суток. Чаще всего циклоны возникают и развиваются в местах встречи течений теплого и холодного воздуха, которые движутся в противоположных направлениях. Проковзуючы один относительно другого, эти потоки с разными температурами и плотностями воздуха создают волны на фронтальной поверхности, напоминает дугу, свернутую вогнутостью в сторону теплого воздуха. Отрезок этой дуги, расположенный в передней, восточной части циклона, является теплым фронтом, западная же часть, расположенная в тыловой части циклона, является холодным фронтом. Под влиянием барических возмущений возникают слабые ветры.
Следующая стадия характеризуется дальнейшим углублением разницы в давлении между центром и периферией барической системы. Ветры усиливаются. Восходящие движения воздуха проявляются с наибольшей интенсивностью и часто достигают верхней тропосферы. Поэтому в передней части циклона формируется значительный облачный покров, а в зоне теплого фронта выпадают обложные осадки.
На заключительной стадии циклон заполняется холодным воздухом. Это происходит в результате адвекции холодного воздуха, а также его охлаждения при восходящем движении. Циклон завершается окклюзией, то есть его угасанием и разрушением системы облаков. Активные процессы протекают только на периферии, где могут возникнуть новые вихревые образования. Циклоны в основном идут сериями, при этом каждый последующий циклон проходит несколько южнее предыдущего.
Иначе происходит формирование антициклона. В начальной стадии их развития фронта расположены далеко друг от друга. Впоследствии между ними, в нейтральной зоне, антициклон становится мощной барического системой с высоким давлением в центре, в результате чего воздух отсюда растекается на периферию. На место воздуха, разошлось в приземном слое, опускается воздуха из высших слоев атмосферы. При опускании такой воздух попадает под большее давление, сжимается и нагревается. В результате этого процесса облака, если они были, рассеиваются. Поэтому в антициклоне устанавливается солнечная погода: сухая и жаркая летом и с морозами зимой. Ночью в антициклоне становится довольно прохладно из-за отсутствия на небе облачного покрова, не способствует сохранению тепла. Днем в связи с нагревом земной поверхности неутомимым солнцем, особенно летом, возникают вертикальные потоки теплого влажного воздуха (конвекция), в результате чего могут образоваться легкие облака. Иногда, при очень сильной конвекции внезапно проходят грозы, но они длятся недолго.
Антициклоны, в отличие от циклонов, перемещаются медленно, в среднем со скоростью 25 км / ч и часто подолгу могут задерживаться на одном месте. Чаще всего антициклоны надвигаются на нашу страну зимой с северо-запада, а летом - с юго-запада. Только сибирские антициклоны приходят к нам в холодное время с востока.
Характерная особенность большей части районов умеренных широт - частое чередование циклонов и антициклонов. Это обусловливает постоянное изменение ясной и облачной погоды, направления ветра, значительные колебания температуры и, как следствие, кратковременные потепления и похолодания. В отдельные годы создаются такие условия, что в одних и тех же районов чаще обычного поступают, например, антициклоны. В таких случаях они на некоторый период будто застаиваются. Если это случается летом, воздух в них быстро нагревается и высушивается. Так постепенно возникает недостаток влаги в почве, которая со временем может перерасти в засуху.
В умеренных широтах циклоны перемещаются преимущественно с запада на восток. Теплый влажный воздух таких циклонов поступает из Атлантического океана. Холодный воздух заходит в их тыл с северных части акватории или полярных районов. Нередко циклоны перемещаются в умеренных широт из субтропиков. Теплый воздух таких циклонов имеет очень высокую температуру и вызывает значительное потепление не только зимой, а и летом.
Циклоны почти всегда находятся в движении. Скорость их перемещения может быть разной, уменьшаясь по мере старения циклона. Чаще всего они движутся со скоростью 30-40 км / ч, проходя за сутки 1000-1500 км и более. Иногда они несутся со скоростью легкового автомобиля. Бывают случаи, когда циклон, достаточно быстро двигался, вдруг замедляется и становится малоподвижным. По мере приближения центра циклона давление воздуха снижается - "барометр падает", предвещая осадки. Но если влажность недостаточна или температура воздуха высокая, барометр может и "ошибиться".
Ветры в циклонах иногда достигают ураганной силы. Чаще всего это наблюдается над северными районами Атлантики и Тихого океана, а также на северо-западе Европы, где циклоны развиваются очень интенсивно. Такие циклоны приносят иногда большой ущерб хозяйству и населению, потому что они сопровождаются очень сильными ливнями, метелями, бурей, наводнением. Так, в сентябре 1997 года под влиянием их длительного действия на реке Висле произошла крупнейшая наводнение, в результате чего погибли более ста человек. В Украине особенно свирепствовали циклоны в июне 1969 года. В Карпатах за сутки выпала месячная норма осадков, что привело к резкому повышению уровня воды в реках Днестр, Прут, Случь. Много бед и вреда в регионе вызвали некоторые циклоны и в последующие годы.
Еще более известны, чем огромные циклоны умеренных широт, тропические циклоны, хотя они значительно уступают своим размерам. Причина их развития - мощная энергия, которая попадает в воздух при конденсации в нем огромной массы водяного пара, содержащегося в тропосфере низких широт. Они зарождаются над океаном между 5 и 20 ° широты и движутся с востока на запад, а затем (в Северном полушарии) возвращают на северо-запад, север и северо-восток.
Разрушительное действие тропических циклонов чрезвычайно велика. Скорость ветра достигает 250 км / ч, а иногда и больше. При такой скорости ветер способен переносить массивные вещи на значительные расстояния. Даже современным кораблям трудно бороться с тропическими ураганами, поэтому они спешат заранее избежать встречи с ними.
Тропические циклоны в зависимости от района их зарождения получают разные названия. Тихоокеанские циклоны называют тайфунами, в Северной Атлантике - ураганами, в Индии - циклонами, в Австралии - вилли-вилли. Есть еще Вест-Индской ураганы, ураганы Зеленого Мыса и тому подобное.
Каждому тропическом урагана для удобства их учета принято давать человеческие имена. По международной договоренности с 1953 г.. Тропические циклоны Северного полушария, достигали штормовой силы (скорость ветра 17 м / с), получали женскую собственное название. Первый ураган в новом календарном году называли Анжела, Алиса, Абби или иным именем, но оно обязательно начиналось с буквы "А". Согласно БУРЯ была уже на букву "Б" (например, Бетти, Бетси, Бренда и т.п.), и так далее по алфавиту. В Южном полушарии им присваивали по такому же принципу мужские имена. В восьмидесятых годах увенчалась успехом "кампания за равноправие" и ураганам стали давать везде на планете как женские так и мужские имена. Кроме этого, существует правило исключать из употребления на несколько лет название каждого наиболее жестокого урагана.
Тропический циклон охватывает тропосферу до высоты 8-12 км. Особенностью его строения является наличие "глаза" бури (зона невозмутимого покоя размером от 5 до 200 км в центре урагана), которая связана с нисходящим движением воздуха. Резкое усиление ветров на периферии обусловлено интенсивным поднятием воздуха и температурными контрастами. Чем ярче выражено "глаз", то есть чем меньше облачность и высокая температура (примерно на 6-12 ° С) по сравнению с температурой окружающего воздуха, тем "безбашенные" ураган (тайфун).
Разрушительные ураганы бушуют ежегодно. Всего на земном шаре за год наблюдается в среднем не менее 70 тропических циклонов с штормовыми и ураганными ветрами, из них около 20 тайфунов - в Тихом океане. Жителям тропиков приходится всегда быть готовыми к встрече со страшной силой циклона. Подсчитано, что среди всех метеорологических катастроф на тропические ураганы и вызванные ими наводнения приходится до 80% человеческих жертв. Тропические циклоны (тайфуны) вместе с землетрясениями и извержениями вулканов делят печальную славу самых ужасных природных бедствий на Земле.
Все циклоны и антициклоны вместе взятые выполняют большую работу по горизонтали и вертикали перемещения больших масс воздуха. Этот процесс очень важен для перераспределения тепла и осадков на земном шаре. Да, именно многочисленным циклонам обязана Европа тем, что ее зимы не такие суровые, как на этих же широтах в Северной Америке, а влажность летом в основном достаточно для выращивания различных культурных растений. Атмосферные вихри определяют формирование и резкие изменения погоды, особенно в умеренных и полярных широтах. Теплый воздух переносится циклонами далеко на север, а массы холодного воздуха зимних антициклонов, наоборот, к югу.
Изменения погоды, которые возникают под действием циклонов и антициклонов, имеют большое значение для сельского хозяйства, авиации, морского транспорта и многих других отраслей. Поэтому многим людям небезразлично, где и когда возникают эти огромные атмосферные вихри, которые причины их формирования и развития, куда и с какой скоростью они перемещаются, как долго продлится их существования и др. На основе изучения этих явлений совершенствуются методы и повышается достоверность прогноза погоды, а население различных регионов земного шара заблаговременно оповещается о ее возможных изменениях.
Атмосферные явления на протяжении столетий были объектом исследования из-за своей значимости и влияния на все сферы жизни. Циклон и антициклон не являются исключениями. Понятие об этих погодных феноменах дает еще в школе география. Циклоны и антициклоны после такого краткого изучения для многих остаются загадкой. и фронты являются ключевыми понятиями, которые помогут отобразить суть этих погодных явлений.
Воздушные массы
Часто бывает так, что на протяжении многих тысяч километров в горизонтальном направлении воздух имеет очень похожие свойства. Эта масса и называется воздушной.
Воздушные массы делят на холодные, теплые и местные:
Холодной масса называется, если ее температура ниже, чем температура поверхности, над которой она находится;
Теплая - это такая воздушная масса, температура которой выше, чем температура той поверхности, что находится под ней;
Местная воздушная масса по температуре ничем не отличается от находящейся под ней поверхности.
Воздушные массы формируются над различными участками Земли, что приводит к особенностям в их свойствах. Если масса образовывается над Арктикой, то, соответственно, она будет называться арктической. Конечно же, такой воздух очень холодный, он может принести густые туманы или легкую дымку. Полярный воздух своим месторождением считает умеренные широты. Его свойства могут меняться в зависимости от того, какое время года наступило. Зимой полярные массы мало чем отличаются от арктических, а вот летом такой воздух может принести очень плохую видимость.
Тропические массы, пришедшие из тропиков и субтропиков, имеют высокую температуру и повышенную запыленность. Они являются виновниками дымки, которой охвачены предметы, если смотреть на них на расстоянии. Тропические массы, сформированные на континентальной части тропического пояса, приводят к пылевым вихрям, бурям и смерчам. Экваториальный воздух очень похож на тропический, но все эти свойства более выражены.
Фронты
Если две воздушные массы, обладающие различной температурой, встречаются, образуется новое погодное явление - фронт, или поверхность раздела.
По характеру движения фронты делят на стационарные и подвижные.
Каждый существующий фронт разделяет между собой воздушные массы. Например, главный полярный фронт является воображаемым посредником между полярным и тропическим воздухом, главный арктический - между арктическим и полярным, и так далее.
Если теплая воздушная масса наползает на холодную, возникает теплый фронт. Для путешественников вход в такой фронт может предвещать либо проливной дождь, либо снег, который значительно снизит видимость. Когда же холодный воздух вклинивается под теплый, наблюдается образование холодного фронта. Корабли, попадающие в область холодного фронта, страдают от шквалов, ливней и гроз.
Бывает так, что воздушные массы не сталкиваются, а догоняют одна другую. В таких случаях образуется фронт окклюзии. Если роль догоняющей выполняет холодная масса, то называют такое явление фронтом холодной окклюзии, если же наоборот, то фронтом теплой окклюзии. Эти фронты несут ливневую погоду с сильными порывами ветра.
Циклоны
Чтобы понять, что такое антициклон, нужно понимать, Это область в атмосфере с минимальным показателем в центре. Его порождают два имеющие разную температуру. Очень благоприятные условия для их образования создаются в фронтах. В циклоне воздух движется от его краев, где давление более высокое, к центру с В центре воздух будто бы выбрасывается вверх, что дает возможность образованию восходящих потоков.
По тому, как движется воздух в циклоне, легко можно определить, в каком именно полушарии он образовался. Если его направление совпадает с движением часовой стрелки, то это определенно Южное полушарие, если же против - это
Циклоны провоцируют такие погодные явления, как скопление облачных масс, сильные осадки, ветер и перепады температуры.
Тропический циклон
От циклонов, образованных в умеренных широтах, отделяют циклоны, которые своим происхождением обязаны тропикам. Они имеют множество названий. Это и ураганы (Вест-Индия), и тайфуны (восток Азии), и просто циклоны (Индийский океан), и арканы (юг Индийского океана). Размеры таких вихрей колеблются от 100 до 300 миль, а диаметр центра - от 20 до 30 миль.
Ветер тут разгоняется до 100 км/час, и это характерно для всей области вихря, что кардинально отличает их от циклонов, образованных в умеренных широтах.
Верным признаком приближения такого циклона является рябь на воде. Причем она идет в противоположную сторону дующему ветру или ветру, который дул незадолго до этого.
Антициклон
Область повышенного давления в атмосфере с максимумом в центре - это и есть антициклон. Давление на его краях более низкое, что позволяет воздуху устремляться от центра к периферии. Воздух, находящийся в центре, постоянно спускается и расходится к краям антициклона. Так образуются нисходящие потоки.
Антициклон является противоположностью циклону еще и потому, что в Северном полушарии он следует за часовой стрелкой, в Южном идет против нее.
Перечитав всю вышеизложенную информацию, с уверенностью можно сказать, что такое антициклон.
Интересным свойством антициклонов умеренных широт является то, что они как бы преследуют циклоны. В таком случае малоподвижное состояние вполне характеризует антициклон. Погода, образуемая этим вихрем, малооблачная и сухая. Ветра практически не наблюдается.
Второе название этого явления - Сибирский максимум. Продолжительность его жизни - около 5 месяцев, а именно конец осени (ноябрь) - начало весны (март). Это не один антициклон, а несколько, которые очень редко уступают место циклонам. Высота ветров достигает 3 км.
Из-за географической среды (горы Азии) холодный воздух не может разойтись, что приводит к еще большему его охлаждению, температура около поверхности опускается до 60 градусов ниже нуля.
Говоря о том, что такое антициклон, можно с уверенностью сказать, что это атмосферный вихрь огромных размеров, приносящий ясную погоду без осадков.
Циклоны и антициклоны. Сходства и отличия
Для того чтобы разобраться лучше, что такое антициклон и циклон, нужно сравнить их. Определения и главные аспекты этих явлений мы выяснили. Остается открытым вопрос о том, чем отличаются циклоны и антициклоны. Таблица покажет эту разницу более четко.
| № | Характеристика | Циклон | Антициклон |
| 1. | Размеры | 300-5000 км в диаметре | Может достигать 4000 км в диаметре |
| 2. | Скорость перемещения | От 30 до 60 км/ч | От 20 до 40 км/ч (кроме малоподвижных) |
| 3. | Места возникновения | Везде, кроме экватора | Над ледовым покровом и в тропиках |
| 4. | Причины возникновения | Из-за естественного вращения Земли (сила Колиолиса), при дефиците массы воздуха. | Из-за возникновения циклона, при избытке массы воздуха. |
| 5. | Давление | В центре пониженное, на краях высокое. | В центре повышенное, на краях низкое. |
| 6. | Направление вращения | В Южном полушарии - по часовой стрелке, в Северном - против нее. | В Южном - против часовой стрелки, в Северном - по часовой стрелке. |
| 7. | Погода | Пасмурная, сильный ветер, множество осадков. | Ясная или малооблачная, ветра и осадков нет. |
Таким образом, мы видим, чем отличаются циклоны и антициклоны. Таблица показывает, что это не просто противоположности, природа их возникновения совершенно разная.
Атмосфер представляет собой чрезвычайно подвижную среду. В ней постоянно происходят перемещения в горизонтальном и вертикальном направление по отношению к з.п. разных по масштабу объёма воздуха с различной скоростью. Наибольшее разнообразие движений воздуха наблюдается тропосфере, особенно в приземное слое. Передвижение воздушных масс в атмосфере играют большую роль в погодообразующих процессах. Благодаря им происходит перенос очагов тепла и холода, водяного пара, формирование облачности, сложных и опасных для авиации погодных условий. Горизонтальное движение воздушных масс относительно з.п. представляет собой ветер. В свободной атмосфере в однородных воздушных массах движение частиц воздуха происходит в результате совместного действия трех сил: барического градиента, Кориолиса и центробежной. Под влиянием горизонтальной составляющей градиента давления частичка воздуха начинает двигаться ускоренно перпендикулярно изобарам в сторону низкого давления. Одновременно с возникновением скорости начинает действовать сила Кориолиса, отклоняющая вектор ветра от первоначального направления в северном полушарии вправо. Изменение скорости и направление ветра будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесие действующих в атмосфере сил. Тогда частица воздуха начинает двигаться вдоль изобар таким образом, что низкое давление всегда будет оставаться слева от направления движения, высокой-справа. Такое установившееся движение воздуха при отсутствии сил трения называется градиентным ветром. Градиентный ветер при прямолинейных изобарах принято называть геострофическим ветром, при криволинейных – геоциклострофическим
16. Основные силы, определяющиеся движение воздуха в слое трения
В свободной атмосфере в однородных воздушных массах движение частиц воздуха происходит в результате совместного действия трех сил: барического градиента, Кориолиса и центробежной. Но и вязкие силы т.е. силы трения. В результате их действия ветер, наблюдаемый у Земли, отличается от градиентного как по скорости, так и по направлению.
17. Направление движения воздуха в циклоне (антициклоне) в северном полушарии
В циклоне барический градиент направлен к центру и уравновешивается суммой сил Кориолиса и центробежной. При этом движение воздуха в циклоне происходит против часовой стрелки. В антициклонах барический градиент направлен от центра и в сумме с центробежной силой уравновешивается силой Кориолиса. При этом движение воздуха в антициклоне происходит по часовой стрелке. В общем случае для циклонов и антициклонов равенство действующих на частицу воздуха сил можно записать в виде: . Здесь знак «+» для циклона, а «-» для антициклона. При одном и том же барическом градиенте скорость градиентного ветра в антициклоне должна быть больше, чем в циклоне. В реальной атмосфере скорость градиентного ветра в циклоне практически всегда больше, чем в антициклоне, так как здесь большие градиенты давления.
18. Движение воздуха в циклоне (антициклоне) вблизи земной поверхности
В циклоне барический градиент уравновешивается силами Кориолиса, трения, центробежной, а в антициклоне равнодействующая барического градиента и центробежной силы уравновешиваются равнодействующей сил Кориолиса и сил трения. При таком расположение сил очевидно, что в циклоне у з.п. воздух движется против часовой стрелки и направлен к центру циклона. А в антициклоне, движение будет происходить по часовой стрелке и направлено под некоторым углом к изобарам от цента антициклона к периферии. Это в свою очередь приводит к тому, что в циклоне вследствие сходимости воздушных потоков в центральной части начинают развиваться восходящие потоки воздуха, которые приводят к формированию сложных для полетов условий погоды. Формируется низкая сплошная облачность, осадки в виде дождя или снега в зависимости от сезона года, видимость ограничена. В антициклоне – вследствие расходимости потоков от центра к периферии у земли на высотах в центральной части антициклона начинает развиваться компенсирующий нисходящий поток воздуха, который приводит к размыванию облачности, если она имела место, и к улучшению для полетов условий погоды.
Кратковременные процессы ветрообразования
К формированию ветров приводят также и кратковременные процессы, которые, в отличие от преобладающих ветров, не являются регулярными, а происходят хаотически, часто в течение определенного сезона. Такими процессами является образование циклонов , антициклонов и подобных им явлений меньшего масштаба, в частности гроз.
Циклон Катарина в Южной Атлантике. 26 марта 2004 года
Циклонами и антициклонами называют области низкого или, соответственно, высокого атмосферного давления, обычно такие, которые возникают на пространстве размером свыше нескольких километров. На Земле они образуются над большей частью поверхности и характеризуются типичной для них циркуляционной структурой. Из-за влияния силы Кориолиса, в Северном полушарии движение воздуха вокруг циклона вращается против часовой стрелки, а вокруг антициклона — по часовой стрелке. В Южном полушарии направление движения обратное. При наличии трения о поверхность, появляется компонента движения к центру или от центра, в результате воздух движется по спирали к области низкого или от области высокого давления.
Циклон
Цикло́н (от др.-греч. κυκλῶν — «вращающийся») — атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.
Движение воздуха (пунктирные стрелки) и изобары (непрерывные линии) в циклоне в северном полушарии
Воздух в циклонах циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.
Схематическое изображение процесса образования циклонов (чёрные стрелки) из-за вращения Земли (синие стрелки)
Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.
Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические . Первые образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.
Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также т. н. «глаз бури» — центральная область диаметром 20—30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.
Циклоны в атмосфере Сатурна. Фотография зонда Кассини
Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном. Однако циклоны в атмосферах других планет изучены недостаточно.
Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера (снимок «Вояджера-1»)
Большое Красное Пятно представляет собой гигантский ураган-антициклон, размерами 24—40 тыс. км в длину и 12—14 тыс. км в ширину (существенно больше Земли). Размеры пятна постоянно меняются, общая тенденция — к уменьшению; 100 лет назад БКП было примерно в 2 раза больше и значительно ярче. Тем не менее, это самый большой атмосферный вихрь в Солнечной системе.
Цветная анимация передвижения БКП
Большое тёмное пятно в атмосфере Нептуна
Тёмное, эллипсовидное пятно (13000 км × 6600 км) по размерам напоминало Землю. Вокруг пятна скорость ветра достигала 2400 км/ч, что являлось наибольшим показателем во всей Солнечной системе. Полагают, что пятно представляло собой дыру в метановых облаках Нептуна. Большое тёмное пятно постоянно меняет свою форму и размер.
Большое Темное Пятно
Внетропический циклон
Циклоны, которые формируются за пределами тропического пояса, известны как внетропические. Из двух типов крупномасштабных циклонов, они больше по размеру (классифицируются как синоптические циклоны), наиболее распространены и встречаются на большей части земной поверхности. Именно этот класс циклонов в наибольшей степени отвечает за изменения погоды день за днём, а их предсказание является главной целью современных прогнозов погоды.
Согласно классической (или норвежской) модели Бергенской школы, внетропические циклоны формируются преимущественно вблизи полярного фронта в зонах особенно сильного высотного струйного течения и получают энергию за счет значительного температурного градиента в этом районе. В процессе формирования циклона стационарный атмосферный фронт разрывается на участки теплого и холодного фронтов, движущихся друг к другу с формированием фронта окклюзии и закручиванием циклона. Подобная картина возникает и по более поздней модели Шапиро-Кейзера, основанной на наблюдении океанских циклонов, за исключением длительного движения теплого фронта перпендикулярно к холодному без образования фронта окклюзии.
Норвежская модель и модель Шапиро-Кейзера формирования внетропического циклона
После формирования, циклон обычно существует несколько дней. За это время он успевает продвинуться на расстояние от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, вызывая резкие смены ветров и осадков в некоторых районах своей структуры.
Хотя большие внетропические циклоны обычно ассоциированы с фронтами, меньшие по размеру циклоны могут образовываться в пределах сравнительно однородной воздушной массы. Типичным примером являются циклоны, которые формируются в потоках полярного воздуха в начале формирования фронтального циклона. Эти небольшие циклоны имеют название полярных и часто возникают над приполярными районами океанов. Другие небольшие циклоны возникают на подветренной стороне гор под действием западных ветров умеренных широт.
Внетропический циклон — циклон, формирующийся в течение года во внетропических широтах каждого полушария. За 12 месяцев их может быть множество сотен. Размеры внетропических циклонов весьма значительны. Хорошо развитый циклон может иметь в поперечнике 2-3 тыс. км. Это значит, что он может одновременно покрывать несколько областей России или провинций Канады и определять режим погоды на этой огромной территории.
Распространение внетропического циклона
Вертикальное распространение (вертикальная мощность) циклона меняется по мере его развития. В первое время циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы. Распределение температуры в первой стадии жизни циклона, как правило, асимметрично относительно центра. В передней части циклона, с притоком воздуха из низких широт, температуры повышены; в тыловой, с притоком воздуха из высоких широт, напротив, понижены. Поэтому с высотой изобары циклона размыкаются: над тёплой передней частью на высотах обнаруживается гребень повышенного давления, а над холодной тыловой — ложбина пониженного давления. С высотой это волнообразование, искривление изобар или изогипс всё более сглаживается.
Видео, показывающее развитие внетропического циклона
Но при последующем развитии циклон становится высоким, то есть замкнутые изобары обнаруживаются в нём и в верхней половине тропосферы. При этом температура воздуха в циклоне в общем понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью более или менее сглаживается: высокий циклон является в общем холодной областью тропосферы. Возможно и проникновение циклона в стратосферу.
Тропопауза над хорошо развитым циклоном прогнута вниз в виде воронки; сначала это понижение тропопаузы наблюдается над холодной тыловой (западной) частью циклона, а потом, когда циклон становится холодным во всей своей области, снижение тропопаузы наблюдается над всем циклоном. Температура нижней стратосферы над циклоном при этом повышена. Таким образом, в хорошо развитом высоком циклоне наблюдается над холодной тропосферой низко начинающаяся тёплая стратосфера.
Температурные контрасты в области циклона объясняются тем, что циклон возникает и развивается на главном фронте (полярном и арктическом) между воздушными массами разной температуры. В циклоническую циркуляцию втягиваются обе эти массы.
В дальнейшем развитии циклона тёплый воздух оттесняется в верхнюю часть тропосферы, над холодным воздухом, и сам подвергается там радиационному выхолаживанию. Горизонтальное распределение температуры в циклоне становится более равномерным, и циклон начинает затухать.
Давление в центре циклона (глубина циклона) в начале его развития ненамного отличается от среднего: это может быть, например, 1000—1010 мб. Многие циклоны не углубляются более чем до 1000—990 мб. Сравнительно редко глубина циклона достигает 970 мб. Однако в особенно глубоких циклонах давление понижается до 960—950 мб, а в отдельных случаях наблюдалось и 930—940 мб (на уровне моря) с минимумом 925 мб в северном полушарии и 923 мб в южном полушарии. Наиболее глубокие циклоны наблюдаются в высоких широтах. Над Беринговым морем, например, в одной трети всех случаев глубина циклонов зимой от 961 до 980 мб.
Вместе с углублением циклона растут скорости ветра в нём. Ветры иногда достигают штормовых скоростей на больших территориях. В циклонах южного полушария это бывает особенно часто. Отдельные порывы ветра в циклонах могут достигать 60 м/сек, как это было 12 декабря 1957 г. на Курильских островах.
Жизнь циклона продолжается несколько суток. В первой половине своего существования циклон углубляется, во второй — заполняется и, наконец, исчезает вовсе (затухает). В некоторых случаях существование циклона оказывается длительным, особенно если он объединяется с другими циклонами, образуя одну общую глубокую, обширную и малоподвижную область низкого давления, так называемый центральный циклон . Они в северном полушарии чаще всего образуются в северных частях Атлантического и Тихого океанов. На климатологических картах в этих районах отмечаются известные центры действия — исландская и алеутская депрессии.
Уже заполнившись в нижних слоях, циклон может ещё некоторое время сохраняться в холодном воздухе верхних слоёв тропосферы в виде высотного циклона .
Тропический циклон
Схема тропического циклона
Циклоны, которые образуются в тропическом поясе, несколько меньше внетропических (они классифицируются как мезоциклоны ) и имеют другой механизм происхождения. Эти циклоны питаются энергией, получаемой за счет подъема вверх теплого влажного воздуха и могут существовать исключительно над теплыми районами океанов, из-за которых имеют название циклонов с теплым ядром (в отличие от внетропических циклонов с холодным ядром). Тропические циклоны характеризуются очень сильным ветром и значительным количеством осадков. Они развиваются и набирают силу над поверхностью воды, но быстро теряют её над сушей, из-за чего их разрушительный эффект обычно проявляется лишь на побережье (до 40 км вглубь суши).
Для образования тропического циклона необходим участок очень теплой водной поверхности, нагрев воздуха над которой приводит к снижению атмосферного давления минимум на 2,5 мм рт. ст. Влажный теплый воздух поднимается вверх, но из-за его адиабатического охлаждения значительное количество удерживаемой влаги конденсируется на больших высотах и выпадает в виде дождя. Более сухой и таким образом более плотный воздух, что только что освободился от влаги, опускается вниз, формируя зоны высшего давления вокруг ядра циклона. Этот процесс имеет положительную обратную связь, вследствие чего, пока циклон находится над довольно теплой водной поверхностью, что поддерживает конвекцию, он продолжает усиливаться. Хотя чаще всего тропические циклоны образуются в тропиках, иногда признаки тропического циклона приобретают циклоны другого типа на поздних этапах существования, как это случается с субтропическими циклонами.
Тропический циклон — тип циклона, или погодной системы низкого давления, что возникает над теплой морской поверхностью и сопровождается мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы. Тропические циклоны получают энергию от поднятия влажного воздуха вверх, конденсации водяных паров в виде дождей и опускания более сухого воздуха, что получается в этом процессе, вниз. Этот механизм принципиально отличается от механизма внетропических и полярных циклонов, в отличие от которых тропические циклоны классифицируются как «циклоны с теплым ядром».
Термин «тропический» означает как географический район, где в подавляющем большинстве случаев возникают подобные циклоны, то есть тропические широты, так и формирование этих циклонов в тропических воздушных массах.
На Дальнем Востоке и в Юго-Восточной Азии тропические циклоны называются тайфунами , а в Северной и Южной Америке — ураганами (исп. huracán , англ. hurricane ), по имени майянского бога ветра Хуракана. Принято считать, согласно шкале Бофорта, что шторм переходит в ураган при скорости ветра более 117 км/ч.
Тропические циклоны способны вызвать не только чрезвычайной силы ливни, но и большие волны на поверхности моря, штормовые приливы и смерчи. Тропические циклоны могут возникать и поддерживать свою силу только над поверхностью крупных водоемов, тогда как над сушей они быстро теряют силу. Именно поэтому прибрежные районы и острова в наибольшей степени страдают от вызванных ими разрушений, тогда как районы в глубине материков находятся в относительной безопасности. Однако вызванные тропическими циклонами ливневые дожди могут вызвать наводнения значительных масштабов несколько дальше от побережья, на расстоянии до 40 км. Хотя эффект тропических циклонов на человека часто бывает очень негативным, значительные количества воды могут прекращать засухи. Тропические циклоны переносят большое количество энергии от тропических широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. Благодаря им разница в температуре на различных участках поверхности Земли уменьшается, что позволяет существование более умеренного климата на всей поверхности планеты.
Много тропических циклонов образуются при благоприятных условиях из слабых атмосферных волнений, на возникновение которых влияют такие эффекты, как осцилляция Маддена-Джулиана, Эль-Ниньо и североатлантическая осцилляция.
Осцилляция Маддена-Джулиана — колебания свойств циркуляции тропической атмосферы с периодом 30-60 дней, что является главным фактором межсезонной изменчивости в атмосфере на этой временной шкале. Эти колебания имеют вид волны, что движется на восток со скоростью от 4 до 8 м/с над теплыми районами Индийского и Тихого океанов.
Диаграмма излучения на длинных волнах, демонстрирующая осцилляцию Маддена-Джулиана
Движение волны можно увидеть по различным проявлениям, наиболее чётко — по изменениям в количестве осадков. Сначала изменения проявляются на западе Индийского океана, постепенно сдвигаются к центральной части Тихого океана, а затем затухают по мере продвижения к холодным восточным районам этого океана, но иногда вновь возникают с уменьшенной амплитудой над тропическими районами Атлантического океана. При этом вначале идет фаза увеличения конвекции и количества осадков, за которой следует фаза уменьшения количества осадков.
Явление было обнаружено Рональдом Мадденом и Полем Джулианом в 1994 году.
Эль-Ни́ньо (исп. El Niño — малыш, мальчик) или Южная осцилляция — колебание температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, имеющее заметное влияние на климат. В более узком смысле Эль-Ниньо — фаза Южной осцилляции, в которой область нагретых приповерхностных вод смещается к востоку. При этом ослабевают или вообще прекращаются пассаты, замедляется апвеллинг в восточной части Тихого океана, у берегов Перу. Противоположная фаза осцилляции называется Ла-Нинья (исп. La Niña — малышка, девочка). Характерное время осцилляции — от 3 до 8 лет, однако сила и продолжительность Эль-Ниньо в реальности сильно варьирует. Так, в 1790—1793, 1828, 1876—1878, 1891, 1925—1926, 1982—1983 и 1997—1998 годах были зафиксированы мощные фазы Эль-Ниньо, тогда как, например, в 1991—1992, 1993, 1994 это явление, часто повторяясь, было слабо выраженным. Эль-Ниньо 1997—1998 гг. было настолько сильным, что привлекло внимание мировой общественности и прессы. Тогда же распространились теории о связи Южной осцилляции с глобальными изменениями климата. С начала 1980-х Эль-Ниньо возникало также в 1986—1987 и 2002—2003 годах.
Эль-Ниньо 1997 года (TOPEX)
Нормальные условия вдоль западного побережья Перу определяются холодным Перуанским течением, несущим воду с юга. Там, где течение поворачивает на запад, вдоль экватора, из глубоких впадин происходит подъем холодных и богатых планктоном вод, что способствует активному развитию жизни в океане. Само же холодное течение определяет засушливость климата в этой части Перу, формируя пустыни. Пассаты отгоняют прогретый поверхностный слой воды в западную зону тропической части Тихого океана, где формируется так называемый тропический теплый бассейн (ТТБ). В нём вода прогрета до глубин в 100—200 м. Атмосферная циркуляция Уолкера, проявляющаяся в виде пассатов, вкупе с пониженным давлением над районом Индонезии, приводит к тому, что в этом месте уровень Тихого океана на 60 см выше, чем в восточной его части. А температура воды здесь достигает 29—30°C против 22—24°C у берегов Перу. Однако, всё меняется с наступлением Эль-Ниньо. Пассаты ослабевают, ТТБ растекается, и на огромной площади Тихого океана происходит повышение температуры воды. В районе Перу холодное течение сменяется движущейся с запада к берегу Перу теплой водной массой, апвеллинг ослабевает, гибнет без питания рыба, а западные ветры приносят в пустыни влажные воздушные массы, ливни, вызывающие даже наводнения. Наступление Эль-Ниньо снижает активность атлантических тропических циклонов.
Североатлантическая осцилляция — непостоянство климата на севере Атлантического океана, что проявляется прежде всего в изменении температуры морской поверхности. Явление было впервые описано в 2001 году Голденбергом и сотрудниками. Хотя существуют исторические свидетельства существования этого колебания в течение длительного времени, точных исторических данных о его амплитуде и связи с температурами поверхности в тропических районах океана не хватает.
Временная зависимость колебания в период 1856—2013 годов
Другие циклоны, в частности субтропические, способны обретать характеристики тропических циклонов по мере развития. После момента образования, тропические циклоны движутся под действием преобладающих ветров; если условия остаются благоприятными, циклон набирает силу и образует характерную вихревую структуру с глазом в центре. Если же условия неблагоприятны или если циклон смещается на сушу, он довольно быстро рассеивается.
Структура
Тропические циклоны — относительно компактные штормы довольно правильной формы, обычно около 320 км в диаметре, с ветрами, дующими по спирали, сходящимися вокруг центральной области очень низкого атмосферного давления. За счет силы Кориолиса, ветры отклоняются от направления барического градиента и закручиваются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном.
Структура тропического циклона
По структуре тропический циклон может быть поделен на три концентрические части. Внешняя часть имеет внутренний радиус 30-50 км, в этой зоне скорость ветров равномерно увеличивается по мере приближения к центру циклона. Средняя часть, которая имеет название стены глаза , характеризуется большими скоростями ветра. Центральная часть диаметром 30-60 км имеет название глаза, здесь скорость ветра уменьшается, движение воздуха имеет преимущественно нисходящий характер, а небо часто остается ясным.
Глаз
Центральная часть циклона, в которой воздух опускается вниз, имеет название глаза . Если циклон достаточно сильный, глаз большой и характеризуется спокойной погодой и ясным небом, хотя волны на море могут быть исключительно большими. Глаз тропического циклона обычно правильной круглой формы, а его размер может быть от 3 до 370 км в диаметре, однако чаще всего диаметр составляет примерно 30-60 км. Глаз у крупных зрелых тропических циклонов иногда заметно расширяется вверху, это явление получило название «эффекта стадиона»: если наблюдать изнутри глаза, его стена напоминает по форме трибуны стадиона.
Ураган Изабель 2003 года, фотография с МКС — можно четко увидеть характерные для тропических циклонов глаз, стену глаза и окружающие дождевые полосы
Глаз тропических циклонов характеризуется очень низким атмосферным давлением, именно здесь было зарегистрировано самое низкое значение атмосферного давления на уровне земной поверхности (870 гПа в тайфуне Тип). Кроме того, в отличие от циклонов других типов, воздух глаза тропических циклонов очень теплый, всегда теплее, чем на той же высоте за пределами циклона.
Глаз слабого тропического циклона может быть частично или полностью покрыт тучами, которые имеют название центрального плотного облачного покрова. Эта зона, в отличие от глаза сильных циклонов, характеризуется значительной грозовой активностью.
Глаз бури , або офо , бычий глаз — область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона.
Типичный глаз бури имеет диаметр от 20 до 30 км, в редких случаях — до 60 км. В этом пространстве воздух имеет бо́льшую температуру и меньшую влажность, нежели в окружающей его области ветра и дождевых облаков. В результате возникает устойчивая температурная стратификация.
Стена ветра и ливня служит изолятором для очень сухого и более тёплого воздуха, опускающегося в центр циклона из верхних слоёв. По периферии глаза бури часть этого воздуха смешивается с воздухом из облаков и благодаря испарению капель охлаждается, тем самым образуя мощный нисходящий вдоль внутренней стороны облаков каскад относительно холодного воздуха.
Глаз тайфуна Одесса (1985)
В это же время в облаках воздух стремительно поднимается. Это построение и образует кинематическую и термодинамическую основу тропического циклона.
Кроме того, вблизи оси вращения уменьшается горизонтальная линейная скорость ветра, что для наблюдателя, при попадании в центр циклона, производит впечатление прекратившейся бури, по контрасту с окружающим пространством.
Стена глаза
Стеной глаза называют кольцо плотных грозовых облаков, что окружает глаз. Здесь облака достигают наибольшей высоты в пределах циклона (до 15 км над уровнем моря), а осадки и ветры у поверхности сильнейшие. Однако максимальная скорость ветров достигается на несколько большей высоте, обычно около 300 м. Именно во время прохождения стены глаза над определенным районом циклон наносит наибольшие разрушения.
Самые сильные циклоны (обычно категории 3 или больше) характеризуются несколькими циклами замены стены глаза в течение своей жизни. При этом старая стена глаза сужается до 10-25 км, а ей на замену приходит новая, большего диаметра, что постепенно заменяет собой старую. Во время каждого цикла замены стены глаза циклон слабеет (то есть ветры в пределах стены глаза слабеют, а температура глаза уменьшается), но с образованием новой стены глаза он быстро набирает силу до прежних значений.
Внешняя зона
Внешняя часть тропического циклона организована в дождевые полосы — полосы плотных грозовых туч, которые медленно движутся к центру циклона и сливаются со стеной глаза. При этом в дождевых полосах, как и в стене глаза, воздух поднимается вверх, а в пространстве между ними, свободном от низких облаков, воздух опускается. Однако, сформированные на периферии циркуляционные ячейки менее глубокие, чем центральная, и достигают меньшей высоты.
Когда циклон достигает суши, вместо дождевых полос в пределах стены глаза в большей степени концентрируются потоки воздуха, из-за увеличения трения о поверхность. При этом значительно увеличивается количество осадков, что может достигать 250 мм за сутки.
Тропические циклоны также образуют облачный покров на очень больших высотах (возле тропопаузы) за счет центробежного движения воздуха на этой высоте. Этот покров состоит из высоких перистых облаков, которые движутся от центра циклона и постепенно испаряются и исчезают. Эти облака могут быть достаточно тонкими, чтобы через них можно было видеть солнце и могут быть одним из первых признаков приближения тропического циклона.
Размеры
Одним из наиболее распространенных определений размера циклона, которое применяется в различных базах данных, является расстояние от центра циркуляции до наиболее внешней замкнутой изобары, это расстояние имеет название радиуса внешней замкнутой изобары . Если радиус меньше двух градусов широты, или 222 км, циклон классифицируется как «очень маленький» или «карликовый». Радиус от 3 до 6 градусов широты, или от 333 до 667 км, характеризует циклон «средних размеров». «Очень большие» тропические циклоны имеют радиус свыше 8 градусов широты, или 888 км. Согласно такой системе мер, на северо-западе Тихого океана возникают самые большие на Земле тропические циклоны, примерно вдвое больше тропических циклонов Атлантического океана.
Другими методами определения размеров тропических циклонов являются радиус, на котором существуют ветры силы тропического шторма (примерно 17,2 м/с), и радиус, на котором относительный ротор скорости ветра составляет 1×10 −5 с −1 .
Сравнительные размеры тайфуна Тип, циклона Трейси с территорией США
Механизм
Главным источником энергии тропического циклона служит энергия испарения, которая освобождается при конденсации водяных паров. В свою очередь, испарение океанской воды протекает под действием солнечной радиации. Таким образом, тропический циклон можно представить как большую тепловую машину, для работы которой необходимы также вращение и притяжение Земли. В метеорологии, тропический циклон описывается как тип конвекционной системы на мезошкале, развивающийся при наличии мощного источника тепла и влаги.
Направления конвекционных потоков в тропическом циклоне
Теплый влажный воздух поднимается вверх преимущественно в пределах стены глаза циклона, а также в пределах других дождевых полос. Этот воздух расширяется и охлаждается по мере поднятия, его относительная влажность, высокая уже у поверхности, увеличивается ещё больше, вследствие чего большая часть накопленной влаги конденсируется и выпадает в виде дождя. Воздух продолжает охлаждаться и терять влагу с поднятием до тропопаузы, где он теряет практически всю влагу и перестаёт охлаждаться с высотой. Охлажденный воздух опускается вниз до океанской поверхности, где снова увлажняется и снова поднимается. При благоприятных условиях, задействованная энергия превышает расходы на поддержание этого процесса, избыточная энергия тратится на увеличение объёмов восходящих потоков, увеличение скорости ветров и ускорение процесса конденсации, то есть ведёт к образованию положительной обратной связи. Для того, чтобы условия оставались благоприятными, тропический циклон должен находиться над теплой океанской поверхностью, которая даёт необходимую влагу; когда же циклон проходит участок суши, он не имеет доступа к этому источнику и его сила быстро падает. Вращение Земли добавляет конвекционному процессу закручивание в результате эффекта Кориолиса — отклонения направления ветра от вектора барического градиента.
Падение температуры океанской поверхности в Мексиканском заливе с прохождением ураганов Катрина и Рита
Механизм тропических циклонов существенно отличается от механизма других атмосферных процессов тем, что требует глубокой конвекции, то есть такой, что захватывает большой диапазон высот. При этом, восходящие потоки захватывают почти всё расстояние от поверхности океана до тропопаузы, с горизонтальными ветрами, ограниченными преимущественно в приповерхностном слое толщиной до 1 км, тогда как большая часть остальной 15-километровой толщи тропосферы в тропических районах используется для конвекции. Однако тропосфера более тонка на более высоких широтах, а количество солнечного тепла там меньше, что ограничивает зону благоприятных условий для тропических циклонов тропическим поясом. В отличие от тропических циклонов, внетропические циклоны получают энергию преимущественно от горизонтальных градиентов температуры воздуха, что существовали до них.
Прохождение тропического циклона над участком океана приводит к существенному охлаждению приповерхностного слоя, как из-за потери тепла на испарение, так из-за активного перемешивания теплых приповерхностных и холодных глубоких слоев и получения холодной дождевой воды. Также на охлаждение влияет плотный облачный покров, закрывающий океанскую поверхность от солнечного света. Вследствие этих эффектов, за несколько дней, за которые циклон проходит определенный участок океана, приповерхностная температура на нём существенно падает. Этот эффект приводит к возникновению отрицательной обратной связи, что может привести к потере силы тропического циклона, особенно если его движение медленное.
Общее количество энергии, которая выделяется в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 50-200 эксаджоулей (10 18 Дж) в день или 1 ПВт (10 15 Вт). Это примерно в 70 раз больше потребления всех видов энергии человечеством, в 200 раз больше мирового производства электроэнергии и соответствует энергии, что высвобождалась бы от взрыва 10-мегатонной водородной бомбы каждые 20 минут.
Жизненный цикл
Формирование
Карта пути всех тропических циклонов за период 1985—2005 годов
Во всех районах мира, где существует активность тропических циклонов, она достигает максимума в конце лета, когда разница температуры между океанской поверхностью и глубинными слоями океана наибольшая. Однако, сезонные картины несколько отличаются в зависимости от бассейна. В мировом масштабе, май является наименее активным месяцем, сентябрь наиболее активным, а ноябрь является единственным месяцем, когда одновременно активны все бассейны.
Важные факторы
Процесс формирования тропических циклонов все ещё не до конца понятен и является предметом интенсивных исследований. Обычно можно выделить шесть факторов, необходимых для образования тропических циклонов, хотя в отдельных случаях циклон может образоваться и без некоторых из них.
Образование зон конвергенции пассатов, что приводит к нестабильности атмосферы и способствует образованию тропических циклонов
В большинстве случаев, для формирования тропического циклона нужна температура приповерхностного слоя океанской воды не менее 26,5°C на глубине не менее чем 50 м; такая температура воды является минимально достаточной, чтобы вызвать нестабильность в атмосфере над ней и поддержать существование грозовой системы.
Другим необходимым фактором является быстрое охлаждение воздуха с высотой, что делает возможным высвобождение энергии конденсации, главного источника энергии тропического циклона.
Также для образования тропического циклона необходима высокая влажность воздуха в нижних и средних слоях тропосферы; при условии большого количества влаги в воздухе создаются более благоприятные условия для образования нестабильности.
Ещё одной характеристикой благоприятных условий является низкий вертикальный градиент ветра, поскольку большой градиент ветра приводит к разрыву циркуляционной картины циклона.
Тропические циклоны обычно возникают на расстоянии не менее 550 км или 5 градусов широты от экватора — только там сила Кориолиса бывает достаточно сильной для отклонения ветра и закручивания вихря.
И наконец, для образования тропического циклона обычно нужна уже существующая зона низкого давления или волнений погоды, хотя и без циркуляционного поведения, характерного для зрелого тропического циклона. Такие условия могут быть созданы низкоуровневыми и низкоширотными вспышками, которые ассоциируются с осцилляцией Маддена-Джулиана.
Районы формирования
Большинство тропических циклонов в мире формируются в пределах экваториального пояса (межтропического фронта) или его продолжения под действием муссонов — муссонной зоны низкого давления. Районы, благоприятные для формирования тропических циклонов, также возникают в пределах тропических волн, где возникает около 85% интенсивных циклонов Атлантического океана и большинство тропических циклонов на востоке Тихого океана.
Подавляющее большинство тропических циклонов формируется между 10 и 30 градусами широты обоих полушарий, причем 87% всех тропических циклонов — не далее 20 градусов широты от экватора. Из-за отсутствия силы Кориолиса в экваториальной зоне, тропические циклоны очень редко формируются ближе 5 градусов от экватора, однако это все же случается, например с тропическим штормом Вамэй 2001 года и циклоном Агни 2004 года.
Тропический шторм Вамэй перед выходом на сушу
Тропический шторм Вамэй, иногда известный как тайфун Вамэй — тропический циклон, известный тем, что сформировался ближе к экватору, чем любой другой тропический циклон за всю историю наблюдений. Вамэй сформировался 26 декабря как последний тропический циклон тихоокеанского сезона тайфунов 2001 года на 1,4° северной широты в Южно-Китайском море. Он быстро усилился и вышел на сушу на юго-западе Малайзии. Он практически рассеялся над островом Суматра 28 декабря, а его остатки позже вновь реорганизовались над Индийским океаном. Хотя официально этот тропический циклон обозначается как тропический шторм, его интенсивность спорная, а некоторые агентства классифицируют его как тайфун, основываясь на скорости ветра в 39 м/с и наличии глаза. Этот шторм вызвал наводнения и оползни в восточной Малайзии, причинив ущерб на 3,6 млн. долларов США (по ценам 2001 года ) и пять жертв.
Движение
Взаимодействие с пассатами
Движение тропических циклонов вдоль поверхности Земли зависит прежде всего от преобладающих ветров, возникающих вследствие глобальных циркуляционных процессов ; тропические циклоны увлекаются этими ветрами и движутся вместе с ними. В зоне возникновения тропических циклонов, то есть между 20 параллелями обоих полушарий, они движутся на запад под действием восточных ветров — пассатов.
Схема глобальной циркуляции атмосферы
В тропических районах северной части Атлантического океана и на северо-востоке Тихого океана пассаты образуют тропические волны, начинающиеся от африканского побережья и проходящие через Карибское море, Северную Америку и затухающие в центральных районах Тихого океана. Эти волны являются местом возникновения большой части тропических циклонов этих регионов.
Эффект Кориолиса
Вследствие эффекта Кориолиса вращение Земли не только вызывает закручивание тропических циклонов, но и влияет на отклонение их движения. Из-за этого эффекта тропический циклон, что движется на запад под действием пассатов при отсутствии других сильных воздушных потоков, отклоняется к полюсам.
Инфракрасное изображение циклона Моника, что демонстрирует закручивание и вращение циклона
Поскольку восточные ветры прилагаются к циклонному движению воздуха на его полярной стороне, сила Кориолиса там сильнее, и в результате тропический циклон оттягивается к полюсу. Когда тропический циклон достигает субтропического хребта, западные ветры умеренного пояса начинают уменьшать скорость движения воздуха на полярной стороне, но разница в расстоянии от экватора между различными частями циклона достаточно большая, чтобы суммарная сила Кориолиса была направлена к полюсу. В результате тропические циклоны Северного полушария отклоняются на север (до поворота на восток), а тропические циклоны Южного полушария — на юг (также до поворота на восток).
Взаимодействие с западными ветрами умеренных широт
Когда тропический циклон пересекает субтропический хребет, который является зоной высокого давления, его путь обычно отклоняется в зону низкого давления с полярной стороны хребта. Попав в зону западных ветров умеренного пояса, тропический циклон имеет тенденцию двигаться с ними на восток, проходя момент изменения курса (англ. recurvature ). Тайфуны, движущиеся через Тихий океан на запад к берегам Азии, часто меняют курс у берегов Японии на север, а затем на северо-восток, захваченные юго-западными ветрами с Китая или Сибири. Много тропических циклонов также отклоняются из-за взаимодействия с внетропическими циклонами, движущимися в этих районах с запада на восток. Примером изменения курса тропическим циклоном служит тайфун Йоке 2006 года , который двигался по описанной траектории.
Путь тайфуна Йоке, что изменил курс у японского побережья в 2006 году
Выход на сушу
Формально считается, что циклон проходит над сушей, если это случается с его центром циркуляции, независимо от состояния периферийных областей. Штормовые условия обычно начинаются над определенным участком суши за несколько часов до выхода на сушу центра циклона. В этот период, то есть до формального выхода тропического циклона на сушу, ветры могут достигнуть своей наибольшей силы — в таком случае говорят о «прямом ударе» тропического циклона о берег. Таким образом, момент выхода циклона на берег фактически означает середину штормового периода для районов, где это случается. Меры безопасности должны приниматься до момента достижения ветрами определенной скорости или до момента достижения определенной интенсивности дождя, а не быть связанными с моментом выхода тропического циклона на сушу.
Взаимодействие циклонов
Когда два циклона приближаются друг к другу, их центры циркуляции начинают вращаться вокруг общего центра. При этом два циклона приближаются друг к другу и в конце концов сливаются. Если циклоны разного размера, больший будет доминировать в этом взаимодействии, а меньший будет вращаться вокруг него. Этот эффект носит название эффекта Фудзивары, в честь японского метеоролога Сакухея Фудзивары.
Это изображение показывает Тайфун Melor и Тропический шторм Парма, и их взаимодействие в юго-восточной Азии. На этом примере видно, как сильный Melor тянет более слабого Парму к себе
Спутники запечатлели танец циклонов-близнецов над Индийским океаном
15 января 2015 года над центром Индийского океана образовались два тропических циклона. Ни один из них не угрожал населенным пунктам ввиду низкой интенсивности и низких шансов выйти на сушу. Метеорологи были уверены, что «Диамондра» и «Юнис» ослабнут и рассеются в последующие дни. Близкое расположение тропических циклонов дало возможность спутникам сделать восхитительные фотографии танца вихревых систем над океаном.
28 января 2015 года геостационарные спутники, принадлежащие EUMETSAT и Японскому метеорологическому агентству, предоставили данные для создания композитного изображения (сверху). Радиометр (VIIRS) на борту спутника Suomi NPP сделал три снимка циклонов-близнецов, в результате объединения которых получилось нижнее изображение.
Две системы находились на расстоянии около 1,5 тысячи километров друг от друга 28 января 2015 года. «Юнис», более сильный из двух циклонов, располагался к востоку от «Диамондры». Максимальная скорость стабильных ветров «Юнис» достигала почти 160 км/ч, тогда как максимум скорости ветров «Диамондры» не превышал 100 км/ч. Оба циклона двигались в юго-восточном направлении.
Как правило, если два тропических циклона приближаются друг к другу, они начинают циклонически вращаться вокруг оси, соединяющей их центры. Метеорологи называют это явление эффектом Фудзивары. Такие двойные циклоны могут даже соединиться в один, если их центры сойдутся достаточно близко.
«Но в случае с „Юнис“ и „Диамондрой“ центры двух вихревых систем оказались слишком далеко друг от друга, — объясняет Брайан Мак-Нолди, метеоролог из университета Майами. — Из опыта, центры циклонов должны находиться на расстоянии по меньшей мере 1350 километров, чтобы начать вращаться вокруг друг друга. Согласно последним прогнозам Совместного центра предупреждения о тайфунах, оба циклона двигаются на юго-восток примерно с одинаковой скоростью, потому они, вероятно, уже не подойдут друг к другу ближе».
(Продолжение следует)
Погода на территории нашей страны неустойчива. Особенно это проявляется в европейской части России. Это происходит из-за того, что встречаются разные воздушные массы: теплые и холодные. Воздушные массы отличаются по свойствам: температуре, влажности, запыленности, давлению. Атмосферная циркуляция позволяет воздушным массам перемещаться из одной части в другую. Там, где соприкасаются разные по свойствам воздушные массы, формируются атмосферные фронты .
Атмосферные фронты наклонены к поверхности Земли, их ширина достигает от 500 до 900 км, а в длину они простираются на 2000-3000 км. Во фронтальных зонах возникает поверхность раздела двух типов воздуха: холодного и теплого. Такая поверхность называется фронтальной . Как правило, эта поверхность наклонена в сторону холодного воздуха - он как более тяжелый располагается под ней. А теплый воздух, более легкий, располагается над фронтальной поверхностью (см. рис. 1).
Рис. 1. Атмосферные фронты
Линия пересечения фронтальной поверхности с поверхностью Земли образует линию фронта , которую кратко также называют фронтом .
Атмосферный фронт - переходная зона между двумя разнородными воздушными массами.
Теплый воздух, как более легкий, поднимается вверх. Поднимаясь, он охлаждается, насыщается водяными парами. В нем образуются облака и выпадают осадки. Поэтому прохождение атмосферного фронта всегда сопровождается выпадением осадков.
В зависимости от направления перемещения, движущиеся атмосферные фронты подразделяются на теплые и холодные. Теплый фронт образуется при натекании теплого воздуха на холодный. Линия фронта при этом перемещается в сторону холодного воздуха. После прохождения теплого фронта наступает потепление. Теплый фронт образует сплошную полосу облаков длиной в сотни километров. Идут затяжные моросящие дожди, и наступает потепление. Подъем воздуха при наступлении теплого фронта происходит более медленно по сравнению с холодным фронтом. Предвестником приближающегося теплого фронта служат образующиеся высоко в небе перистые и перисто-слоистые облака (см. рис. 2).
Рис. 2. Теплый атмосферный фронт ()
Образуется при подтекании холодного воздуха под теплый, при этом линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, который вытесняется наверх. Как правило, движется холодный фронт очень быстро. Это вызывает сильные ветры, обильные, часто ливневые осадки с грозами, а зимой метели. После прохождения холодного фронта наступает похолодание (см. рис. 3).
Рис. 3. Холодный фронт ()
Атмосферные фронты бывают стационарными и движущимися. Если воздушные потоки не перемещаются ни в сторону холодного, ни в сторону теплого воздуха вдоль линии фронта, такие фронты называются стационарными . Если воздушные потоки имеют скорость перемещения, перпендикулярную линии фронта, и перемещаются либо в сторону холодного, либо в сторону теплого воздуха, такие атмосферные фронты называются движущимися . Атмосферные фронты возникают, движутся и разрушаются примерно за несколько дней. Роль фронтальной деятельности в формировании климата более ярко выражена в умеренных широтах, поэтому для большей части России характерна неустойчивая погода. Самые мощные фронты возникают при соприкосновении основных типов воздушных масс: арктических, умеренных, тропических (см. рис. 4).
Рис. 4. Образование атмосферных фронтов на территории России
Зоны, отражающие их многолетние положения, называют климатическими фронтами . На границе между арктическим и умеренным воздухом, над северными районами России, формируется арктический фронт. Воздушные массы умеренных широт и тропическиеразделяет полярный умеренный фронт, который расположен преимущественно южнее границ России. Главные климатические фронты не образуют сплошных полос линий, а разбиты на отрезки. Многолетние наблюдения показали, что арктический и полярный фронты смещаются зимой к югу, а летом к северу. На востоке страны арктический фронт зимой достигает побережья Охотского моря. К северо-востоку от него господствует очень холодный и сухой арктический воздух. В европейской России арктический фронт перемещается не столь далеко. Здесь сказывается отепляющее воздействие Северо-Атлантического течения. Ветви полярного климатического фронта протягиваются над южными территориями нашей страны только летом, зимой они пролегают над Средиземным морем и Ираном и изредка захватывают Черное море.
Во взаимодействии воздушных масс принимают участие циклоны и антициклоны - крупные движущиеся атмосферные вихри, переносящие атмосферные массы.
Область низкого атмосферного давления с определенной системой ветров, дующих от краев к центру и отклоняющихся против часовой стрелки.
Область высокого атмосферного давления с определенной системой ветров, дующих от центра к краям и отклоняющихся по часовой стрелке.
Циклоны имеют внушительные размеры, простираются в тропосферу на высоту до 10 км, а в ширину до 3000 км. В циклонах давление увеличивается, а в антициклонах - понижается. В северном полушарии дующие к центру циклонов ветры отклоняются под воздействием силы осевого вращения земли вправо (воздух закручивается против часовой стрелки), а в центральной части воздух поднимается вверх. В антициклонах направленные к окраинам ветры отклоняются тоже вправо (воздух закручивается по часовой стрелке), а в центральной части воздух опускается из верхних слоев атмосферы вниз (см. рис. 5, рис. 6).
Рис. 5. Циклон
Рис. 6. Антициклон
Фронты, на которых зарождаются циклоны и антициклоны, почти никогда не бывают прямолинейными, для них характерны волнообразные изгибы (см. рис. 7).
Рис. 7. Атмосферные фронты (синоптическая карта)
В образовавшихся заливах теплого и холодного воздуха образуются вращающиеся волчки атмосферных вихрей (см. рис. 8).
Рис. 8. Образование атмосферного вихря
Постепенно они обособляются от фронта и начинают перемещаться и переносить воздух самостоятельно со скоростью 30-40 км/ч.
Атмосферные вихри живут до разрушения 5-10 дней. А интенсивность их образования зависит от свойств подстилающей поверхности (температуры, влажности). Ежедневно в тропосфере формируется несколько циклонов и антициклонов. В течение года их образуются сотни. Ежедневно наша страна находится под воздействием какого-либо атмосферного вихря. Поскольку в циклонах воздух поднимается вверх, с их приходом всегда связана пасмурная погода с осадками и ветрами, прохладная летом и теплая зимой. В течение всего времени пребывания антициклона господствует безоблачная сухая погода, жаркая летом и морозная зимой. Этому способствует медленное опускание воздуха вниз из более высоких слоев тропосферы. Опускающийся воздух нагревается и становится менее насыщенным влагой. В антициклонах ветры слабые, а во внутренних их частях наблюдается полное безветрие - штиль (см. рис. 9).
Рис. 9. Движение воздуха в антициклоне
В России циклоны и антициклоны приурочены к основным климатическим фронтам: полярному и арктическому. А также формируются на границе между морскими и континентальными воздушными массами умеренных широт. На западе России циклоны и антициклоны возникают и перемещаются в направлении общего переноса воздуха с запада на восток. На Дальнем Востоке в соответствии с направлением муссонов. При движении с западным переносом на востоке циклоны отклоняются к северу, а антициклоны - к югу (см. рис. 10). Поэтому пути прохождения циклонов в России чаще всего проходят по северным районам России, а антициклонов - по южным. В связи с этим атмосферное давление на севере России ниже, много дней подряд может быть ненастная погода, на юге больше солнечных дней, сухое лето и малоснежная зима.
Рис. 10. Отклонение циклонов и антициклонов при движении с запада
Районы прохождения интенсивных зимних циклонов: Баренцево, Карское, Охотское моря и северо-запад Русской равнины. Летом циклоны наиболее часты на дальнем Востоке и на западе Русской равнины. Антициклональные погоды преобладают весь год на юге Русской равнины, на юге Западной Сибири, а зимой над всей Восточной Сибирью, где устанавливается азиатский максимум давления.
Движение и взаимодействие воздушных масс, атмосферные фронты, циклоны и антициклоны изменяют погоду, влияют на нее. Данные об изменениях погоды наносятся на специальные синоптические карты для дальнейшего анализа погодных условий на территории нашей страны.
Движение атмосферных вихрей приводит к изменению погоды. Её состояние на каждый день фиксируется на специальных картах - синоптических (см. рис. 11).
Рис. 11. Синоптическая карта
Наблюдения за погодой осуществляются обширной сетью метеорологических станций. Затем результаты наблюдений передаются в центры гидрометеорологических данных. Здесь они обрабатываются, и информация о погоде наносится на синоптические карты. На картах показывают атмосферное давление, фронты, температуру воздуха, направление и скорость ветра, облачность и осадки. Распределение атмосферного давления свидетельствует о положении циклонов и антициклонов. Изучив закономерности протекания атмосферных процессов можно прогнозировать погоду. Точный прогноз погоды - исключительно сложное дело, поскольку трудно учесть весь комплекс взаимодействующих факторов в их постоянном развитии. Поэтому даже краткосрочные прогнозы гидрометцентра не всегда оправдываются.
Источник).).
Домашнее задание
- Почему в зоне атмосферного фронта выпадают осадки?
- В чем главное отличие циклона от антициклона?