В этой статье мы пристально рассмотрим ветер, и что заставляет его дуть. Мотивом изучения этого теоретического раздела является то, что чем больше мы знаем о силах, вызывающих ветер, тем лучше мы подготовлены к пониманию того, что происходит, и к возможности сделать основанное на знаниях суждение о том, что  произойдет в дальнейшем.

 Оставаясь в стороне от нескольких важных моментов влияния берега, скорость и направление ветра могут быть предсказаны в зависимости от того, где именно мы находимся внутри определенной погодной системы (синоптической ситуации). Очень часто лучшим индикатором нашего местоположения в погодной системе является направление существующего ветра и изменение его направления с течением времени. Чтобы уяснить это, требуется понимание того, как ветер движется вокруг систем с высоким и низким атмосферным давлением, которые мы будем называть «антициклон» (атмосферная система с высоким давлением в центре - “High” или “Н”) и циклон (система низкого давления – “Low” или “L”), к которым мы подойдем после краткого обзора атмосферного давления как такового.

Ветер - это просто горизонтальное движение воздуха. 10-узловой ветер означает продвижение массы воздуха на 10 морских миль в час. Воздух - это текучая среда со своей массой, подобно воде, только в 800 раз легче воды, т.е. менее плотный, и значительно более способен к сжатию. Понимание текучей натуры воздуха, его взаимодействия с водой, как жидкостью, и с водяным паром, является ключевым в объяснении большинства морских погодных условий.

Взаимодействие между текучими средами воздуха и поверхности моря вызывает волны; подобное взаимодействие между высоко дующим ветром и водяным паром в облаках образует волны из облаков. Видимые волны облаков показывают нам направление ветра на высоте так же, как волны на воде показывают направление ветра над поверхностью моря. Очень ценно знать направление ветра на высоте, так как это информирует нас о направлении движения шторма. А штормы и фронтальные системы в атмосфере ведут себя подобно водоворотам и волнам в водной среде.

Воздух удерживается у Земли гравитацией (силой тяжести); если бы Земля не была достаточно тяжелой, чтобы обеспечить такое притяжение, воздух был бы выброшен в космическое пространство центробежной силой от вращения нашей планеты. Поскольку воздух сжимаем и удерживаемая его сила тяжести уменьшается с высотой, большинство воздушной массы спрессовано в относительно тонком слое у поверхности земли и этот слой имеет тем большую плотность, чем ближе к поверхности Земли. Грубо говоря, 80 процентов воздуха атмосферы сосредоточено ниже 40,000 футов и около 50 процентов ниже 18,000 футов над поверхностью. Именно эта высота, которая находится на середине высоты атмосферы Земли, является важной демаркационной линией в метеорологии, потому что большинство атмосферных явлений, которые мы воспринимаем как погоду на земле, происходят в этой части атмосферы. Ветра, дующие выше этой линии, значительно сильнее и стабильнее, чем над поверхностью; так же изменение  состояния воды в облаках – от пара к ледяным кристаллам – происходит на этой высоте.

Наряду с уменьшением плотности атмосферы с высотой, воздух становится холоднее, так как все меньше и меньше «атмосферного одеяла», сохраняющего тепло, остается над ним. В среднем, температура воздуха понижается на 4 F° на каждые 1000 футов высоты, если подниматься через атмосферу. Четкие нижние или верхние границы облаков находятся на высотах, где температура воздуха падает до точки росы.

Хотя вес воздуха на единицу объема (плотность) очень невелик, общий вес его весьма впечатлят. Например, в обычной комнате содержится около 100 фунтов воздуха, в то время как над каждой квадратной милей поверхности земли мы имеем 30 миллионов тонн воздуха, и эта огромная его масса не всегда распределена равномерно над поверхностью. Именно неравномерное распределение воздуха над землей и есть то, что причиняет ветер. Если ветер дует через целый штат, например с севера с силой 20 узлов в течение целого дня, значит, там, на севере, было очень намного больше воздуха, чем на юге. Количество воздуха над любым местом определяется величиной атмосферного давления в этом месте. Чтобы  охарактеризовать атмосферное давление, необходимо просто установить, сколько весит столб воздуха над определенной площадью поверхности. Типичное значение будет 14,7 фунтов на квадратный дюйм, понимая это так: столб воздуха  поперечного сечения в один дюйм, простирающийся от поверхности до верхней границы атмосферы, весит 14,7 фунтов. Атмосферное давление обычно варьируется от 14,4 до 14,8 фунтов на квадратный дюйм.

 Однако обычно атмосферное давление выражают в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах (14.7 фунтов на квадратный дюйм = 1013.25 mb). Миллиметры ртутного столба, как единица измерения давления, приняты от ртутного манометра – прибора для измерения давления. Высота ртутного столба растет или падает в соответствии с давлением атмосферы на открытую поверхность ртути. Эти единицы измерения применяются в авиации и радио и теле прогнозах погоды.

 С другой стороны, в прогнозах погоды на море и на всех картах погоды принято отражать атмосферное давление в миллибарах (mb), и это лучшая единица измерения для изучения морской погоды. Миллибар – метрическая единица, равная давлению одного килограмма веса на площадь в один квадратный метр. Можно преобразовать дюймы в миллибары: mb = 33.864 х дюймы или стартовать с 30.00 дюймов = 1016mb и изменять соответственно на 1mb для каждых 0.03 дюйма.

Области высокого и низкого давления (называемые «антициклон» и «циклон») показаны на G255 и G251, где схематически представлено распределение воздуха над одной тысяче миль океана. Антициклон – огромный холм воздуха, циклон – впадина (депрессия).

На рис. G251 показано, что где либо в антициклоне (1024 mb) давление выше, чем где либо в циклоне (996 mb), так как над ним больше воздуха.

Поскольку воздух – текучая среда, он следует натуральной тенденции стекать с высоты во впадину, увлекаемый силой тяжести. Следовательно, воздух в антициклоне всегда стремится наружу от центра высокого давления и опускается, стремясь внутрь циклона – к центру низкого давления, и поднимается. Имеем ветер! В точке «В» не может быть ветра, поскольку воздух распределен равномерно и давление одинаково по всем сторонам региона. Окружности над циклоном и антициклоном показывают, как эти участки представлены на картах погоды. Окружности – это контуры с одинаковым давлением, называемые изобары, обычно отмечены двумя последними цифрами значения давления, которое они представляют (24 означает 1024mb) и нарисованы с 4-mb интервалом. Изобары можно рассмотреть по аналогии с контурами высоты на топографических картах, и на данной схематической картинке распределения воздуха, они как бы отражают действительную высоту «холма» или «впадины», хотя фактическое давление также зависит от плотности (температуры) воздуха так и от высоты.

 А сейчас мы подходим к другой проблеме – почему ветер дует по кругу. Движущая сила гравитации одинакова во всех горизонтальных направлениях, но действительное движение воздуха должно быть описано с учетом сферической формы земли, вращающейся под ним. Результат называют «эффект Кориолиса»: все, что движется по прямой линии над вращающейся поверхностью описывает куроиду на этой поверхности. Не углубляясь в эту тему отметим: по причине эффекта Кориолиса все на земле (ветра, течения, баллистические ракеты) при их движении в северном полушарии отклоняются вправо и в южном полушарии -  влево. Это отклонение зависит от скорости движения и географической широты местности. Влияние эффекта Кориолиса является ключевым в метеорологии и океанографии. Поскольку этот эффект влияет на движение воздушных масс, его часть называют Кориолисовой силой. Так как воздух в северном полушарии вынужден двигаться из области антициклона внутрь циклона под воздействием силы тяжести, Кориолисова сила заставляет его отклоняться вправо (см. рис. G255). В высоких широтах в атмосфере, где нет других сил, воздействующих на воздух, ветер продолжает отклоняться вправо до тех пор, пока Кориолисова сила не уравняется с силой гравитации, которая выталкивает воздух наружу. В результате взимодействия этих сил воздух циркулирует по часовой стрелке вокруг антициклона и против часовой в циклоне.

Это базовое правило в движении воздуха в циклоне и антициклоне есть фундаментальным в предсказании ветра, но прежде, чем мы продолжим с этим, необходимо прояснить еще некоторые моменты. Из-за разности плотностей воздуха, антициклон может содержать большее его количество, чем рядом находящийся циклон, даже при одинаковой высоте столба воздуха. Холодный воздух тяжелее, чем теплый, поэтому  в регионе с холодным воздухом давление будет выше, чем в таком же с теплым воздухом при той же высоте. Следовательно, ветер из антициклона в циклон и вращение его будет таким же. Поэтому лучше представлять разность давлений (градиент) как основную силу, заставляющую воздух двигаться. (см. рис. G255a)

Чем больше градиент давления (т.е. разность давлений над соседними участками), тем больше сила, воздействующая на воздух и тем сильнее ветер. Величина градиента давления или его крутизна отображается на погодных картах расстоянием между изобарами: чем ближе изобары расположены друг к другу, тем больше градиент. (рис. G254)

Теперь, когда мы рассмотрели эти вопросы, отметим еще один важный  фактор. Когда ветер дует над земной поверхностью, возникает еще одна сила – сила трения воздуха об эту поверхность, и она влияет и на скорость и на направление ветра. Исходя из текучей натуры воздуха, можно провести сравнение с водой, стекающей по наклонной поверхности, например стеклянной и покрытой наждачной бумагой. Понятно, что наждачная бумага создает большую силу трения и поток замедляется больше, чем на стекле. Так и с ветром. Как только он начинает дуть из антициклона и Кориолисова сила отклоняет его вправо, трение воздуха о землю сопротивляется этому отклонению и уменьшает скорость ветра по сравнению с ветром на высоте, где нет трения о землю. В результате – скорость ветра у земли меньше, чем на высоте и его направление уже не следует строго вдоль изобар, а стремится слегка наружу от центра антициклона. То же происходит и в циклоне, только наоборот, приземный ветер отклоняется внутрь циклона, к его центру. Обычно угол отклонения ветра от изобар наружу в антициклоне и внутрь в циклоне составляет 15° - 30° и зависит от состояния моря и изгиба изобар. Над землей, где трение больше, этот угол может достигать значений 30° - 45°. (рис. G255)

Хотя это может показаться не важным, но эта разница в скорости и направлении ветра над землей и на высоте весьма важна при наблюдении за погодой и при ее прогнозе. Чтобы лучше объяснить эти моменты, мы должны условиться о терминах. Ветер называют по направлению, откуда он дует. Северный ветер дует с севера на юг, юго-западный ветер дует с юго-запада и т.д. Также, морской бриз дует с моря на берег, я береговой бриз – с берега в море. Изменения направления ветра тоже имеют свои названия. Поворот ветра вправо называется «veer» (вие), а влево «backing shift» или «back» (бэк), как показано на рисунке G135.

Северный ветер, который меняется на северо-восточный – идет вправо (veered), если лн меняется на северо-западный, то идет влево, против часовой стрелки (backed). Эти определения применяются к ветрам всех направлений и во всех местностях как в северном полушарии, так и в южном. Направления относительно ветра также имеют свои названия. “Windward” (виндвард) означает – ветер в лицо. “Leeward” (леевард) – ветер в спину. “Lee shore” – (лее-шое) – подветренный, на который вы смотрите, глядя по ветру (не против ветра!)

Чтобы определить, где находится центр циклона, нужно стать лицом к ветру, и тогда центр низкого давления окажется на вашей правой стороне, немного сзади (около 30°).(см. рис G168)

Если мы имеем северный ветер, скажем, 30 узлов на высоте кучевых облаков, то у поверхности будет только 20-узловой ветер от северо-северо-запада. Причина – трение воздуха о поверхность земли. Другими словами – ветер наверху поворачивает вправо относительно к ветру у земли, и это справедливо для всех ветров в антициклонах и циклонах. Результатом этого есть направление движения кучевых облаков. Поскольку они бегут в ветрах наверху, направление их движения не совпадает с направлением ветра у земли. Если вы станете лицом к ветру, вы увидите облака, бегущие не строго на вас. Обычно их курс отклоняется на 30° вправо.  Порывы ветра – другой пример этого эффекта. Причиной порывов служит вертикальная нестабильность в воздухе. Порывы – это просто большие «куски» ветра с высоты, которые брошены вниз, к земле. И поскольку они приходят сверху, где нет трения о землю, ветер в порывах сильнее и заходит вправо относительно ветра, сохраняя свое «верхнее» направление. Если коротко: когда приходит порыв ветра, он отворачивает вправо.

Другим результатом трения есть его вклад в типичное изменения направления ветра у низкого берега. Поскольку вода создает меньшее трение, чем суша, над морем ветер обычно сильнее, чем на берегу. Не есть редкостью, что ветер над большим водным пространством вдвое сильнее, чем на ближайшем берегу в то же время – важная практическая подсказка для выходящих в море из гаваней или прибрежных якорных стоянок. Когда трение о воду сменяется трением о землю при пересечении береговой черты, направление ветра также изменяется и ветер отворачивает влево, начиная с некоторого расстояния от берега. (G267).

 Общая тенденция такая, что при приближению к берегу, ветер дует более перпендикулярно береговой чете, чем в открытом море.

Наряду с тем фактом, что ветра циркулируют в разных направлениях вокруг циклона и антициклона, имеется другое, более важное различие между этими погодными системами: Циклон всегда приносит плохую погоду, а антициклон – обычно хорошую. Более того, ветра в циклонах всегда сильнее. А антициклоны известны своими слабыми ветрами. Чтобы разобраться, почему это происходит, давайте пристальнее взглянем на то, какие силы здесь вовлечены. Зная, что две силы причиняют ветра – градиент (или разность) давления, и Кориолисова сила, путем несложных векторных разложений сил, можно сделать вывод, что для ветров в антициклоне результирующая сила = Кориолисова сила – сила разности давлений. В циклоне же, эта результирующая сила, вызывающая ветер будет = Кориолисова сила + сила разности давлений, что конечно же больше, чем в первом случае. А значит, и ветер в циклоне сильнее.

Как правило, чем быстрее движется циклон, тем интенсивнее его ветра. Летом циклоны путешествуют со скоростью 10 -20 узлов; зимой скорость их движения возрастает до 20 -30 узлов. В любое время года циклон может остановиться (так называемый «стационарный циклон»), а зимой его скорость может достигать 60 узлов. Повсюду в средних широтах  (30° - 60°), циклоны движутся в восточном направлении через океан. В тропиках же - больше в западном направлении.

Вся плохая погода – это циклоны. Шторм – это большой циркулирующий циклон; ураганы и другие тропические депрессии – это малые, интенсивные циклоны; фронтальные системы – это длинные и узкие области низкого давления; и шквалы – очень локализованные циклоны под высокими кучевыми облаками. Наряду с сильными ветрами, циклоны приносят облачность и дождь: так как воздух в циклонах всегда поднимается, он охлаждается с высотой до точки росы, и когда он становиться насыщенный влагой или кристаллами льда, начинается дождь. В антициклонах же, воздух опускается, и любые облака, что появились в антициклоне, испарятся при опускании вниз и нагревании.

В следующей статье мы рассмотрим фронты и фронтальные системы.

Из «Weather trainer” by David Burch, опубликовано в журнале Фарватер

Перевод С.Свистула.

Visit blog to discuss this artilce