На пульсаре - Кадомцев Б.Б.
ISBN 5-85504-013-5
Скачать (прямая ссылка):
вопрос непростой, но давайте попробуем в нем разобраться. В конечном
счете ветры рождаются за счет тепловой конвекции воздуха. Поверхность
Земли прогревается Солнцем, так что в слое сравнительно небольшой толщины
масштаба ста метров происходит как бы перегрев атмосферы: этот слой
оказывается легче вышележащих слоев атмосферы. Такое расположение легкого
слоя газа под тяжелым неустойчиво, и время от времени возникает
конвекционный подъем воздуха вверх. Это явление удобно наблюдать в
утренние часы в поле, когда начинается процесс рождения облаков. Если вы
будете внимательны, то сможете заметить, что облачко рождается внезапно,
как бы из ничего. Каждый прогретый объем воздуха, поднимаясь вверх,
попадает последовательно в слои воздуха все с меньшим и меньшим
давлением. Этот объем расширяется, и при этом его температура
уменьшается. На некоторой высоте температура воздуха достигает точки
росы, когда водяные пары начинают конденсироваться в мельчайшие капельки
тумана. На этой высоте и начинает образовываться облако. Все кучевые
облака имеют гладкое основание, будучи как бы подрезанными снизу: это они
опираются на плоскость с точкой росы.
Е'
>>/> I )})>))/!))))/ >
Рис. 24. Конвективные потоки в атмосфере (а) и их слияние (б), приводящие
к образованию ветра.
А теперь рассмотрим эти потоки воздуха в вертикальном сечении. На рис. 24
а мы видим два восходящих потока R, R!, а между ними нисходящий поток D,
который вытесняется вниз восходящими потоками. В потоках R, R' могли бы
образовываться первичные облачка, но сейчас мы сосредоточим свое внимание
не на облаках, а на структуре потоков. Как мы видим, они выглядят, как
цепочка вихрей переменного знака: в областях С, С' воздух вращается
7. В стране неизотропных масс
61
против часовой стрелки, а в области А - по часовой стрелке.
Соответственно и в самом верхнем слое мы имеем знакопеременный поток
газа, направленный то в одну, то в другую сторону, в зависимости от точки
наблюдения.
Оказывается, однако, что такая периодическая структура неустойчива - она
стремится превратиться в однонаправленный ветер.
В самом деле, пусть центральный вихрь оказался немного менее интенсивным
по сравнению с соседними вихрями (рис. 24 6). При этом часть потока в
верхней части вихрей, т. е. по линии ЕЕ' перекинется с одного крайнего
вихря на другой крайний вихрь. В результате в точке S окажутся по
соседству встречные потоки. Это значит, что внутренний вихрь за счет
вязкости будет тормозиться, и его интенсивность будет уменьшаться. Но
если центральный вихрь полностью исчезнет, то встретятся потоки в точках
F, F'. Они также будут тормозить друг друга, или, как иногда говорят,
будут перезамыкаться: вместо того, чтобы существовать в виде вихрей,
течение воздуха разобьется на два потока. Нижний, приземный поток,
направленный на рис. 24 6 направо, имеет тенденцию затухать из-за вязкого
трения о неподвижный грунт, а верхний слой ЕЕ', движущийся налево,
образует ветер.
Итак, конвекция исправно создает ветровое движение на некоторой высоте,
более одного-двух километров. Если смотреть из космоса, то эти ветровые
потоки выглядят сначала как вихри небольших размеров. Но оказывается, что
вихри имеют тенденцию к слиянию, и тогда образуются крупномасштабные
вихри, хорошо видимые из космоса. Эти гигантские вихри образуют циклоны и
антициклоны. В циклонах воздух вращается в сторону вращения Земли, а в
антициклонах - в противоположную сторону.
Основной ветер, который определяет перенос воздушных масс атмосферы,
называют геострофическим ветром. Любопытно, что ветер дует не из области
высокого давления в сторону меньшего атмосферного давления, а почти
поперек градиента давления. (Градиент давления - это вектор,
пропорциональный скорости возрастания давления на единице длины и
направленный в сторону наибольшего возрастания давления.)
Это происходит потому, что градиент давления уравновешивается так
называемой силой Кориолиса. Сила Кориолиса пропорциональна скорости и
направлена перпендикулярно скорости в северном полушарии вправо, а в
южном - влево. Именно сила Кориолиса уравновешивает градиент давления,
так что ветер дует почти вдоль изобар - линий постоянного давления.
62
7. В стране неизотропных масс
Теперь мы можем порассуждать, какие изменения в эти процессы вносит
неизотропия масс. Прежде всего меняется картина конвекции: восходящие и
нисходящие потоки будут направлены, в основном, вдоль В, т. е. под углом
к поверхности Земли. Кроме того, поперечный масштаб конвекции уменьшается
из-за того, что поперечная масса увеличена. Это приводит к тому, что при
почти прежнем значении продольной скорости в конвекционной ячейке
поперечная скорость заметно уменьшается. Следовательно, и ветер,
генерируемый этими ячейками, становится слабее. Соответственно,
уменьшится величина геострофического ветра, ответственного за
крупномасштабные изменения погодных условий. Сила Кориолиса испытывает
