Павел Астапенко - Вопросы о погоде

21.12. Что такое турбопауза?

Турбопаузой называют область перехода от гомосферы к гетеросфере, то есть из слоя активной турбулентной диффузии и неизменного состава воздуха в слой молекулярной диффузии, в котором с высотой относительное содержание легких газов увеличивается, а тяжелых – уменьшается, и, таким образом исчезает однородность состава воздуха. Высота турбопаузы – около 100 км, она может колебаться от 95 до 110 км.

Это суточная сумма тепла, получаемая на земной поверхности с учетом угла наклона ее к солнечным лучам и в условиях отсутствия воздуха, то есть атмосферы. Поскольку любая точка земной поверхности за сутки описывает полную окружность, то величина суточной инсоляции не зависит от долготы места, а только от широты. На экваторе она от сезона к сезону изменяется сравнительно мало – от 3729 до 3311 Дж/сут, а на полосах – очень сильно: от 4502 Дж/сут в момент летнего солнцестояния до 0 в период полярной ночи.

Годовые суммы инсоляции обоих полушарий приблизительно одинаковые, но сезонные различия существенны: летом северного полушария Земля находится у афелия своей орбиты, на наибольшем расстоянии от Солнца, и северное полушарие летом получает меньше солнечного тепла, чем южное, находящееся в свой летний сезон в лучших условиях облучения, так как Земля в это время находится у перигелия орбиты, то есть на наименьшем расстоянии от Солнца. Зато зимой инсоляция северного полушария больше, чем инсоляция южного полушария.

Это количество тепла, заключенное во влажном воздухе, то есть суммарное теплосодержание сухой части воздуха и смешанного с ним водяного пара. В биометеорологии в отличие от физики, где энтальпия – тепловая функция воздуха, или просто теплосодержание, это понятие служит для оценки физиологического комфорта живых существ. Она выражается в калориях в секунду, то есть в тех же физических единицах, что и скорость обмена веществ теплокровных животных.

Полярные льды называют маятником земного климата – его раскачивание дестабилизирует климат Земли, делает его неустойчивым в силу большой отражательной способности льдов и сильной зависимости теплового баланса земной поверхности от размеров площади, занятой льдами… Поэтому вопрос об устойчивости полярных льдов – решающий при оценке устойчивости земного климата. Однако мнения ученых об устойчивости полярных льдов расходятся. Определить масштабы потепления атмосферы, необходимого для исчезновения полярных льдов, очень трудно, особенно когда речь идет о льдах Арктики. По одним оценкам, для того чтобы растаяли полярные льды, достаточно устойчивого повышения температуры воздуха на несколько градусов. По другим оценкам, для этого понадобится повышение температуры воздуха не менее чем на 5°C, а для арктических льдов – и того больше (в районе Северного полюса даже на 20°C).

Хотя благодаря постоянному притоку пресной речной воды в арктические воды поверхность последних способна быстро охлаждаться и формирование морских льдов в Арктике происходит иначе, чем в Антарктике, все же трудно себе представить возможность сохранения арктических льдов при летних температурах воздуха, близких к 20°C, а зимних – около -10°C!

В метеорологии помимо измеренных значений состояния воздуха широко используются и так называемые расчетные характеристики, которые вычисляются, а не измеряются. Некоторые из них являются чисто теоретическими величинами. Например, помимо обычного ветра существует понятие эквивалентного ветра (рис. 89), который непосредственно не может быть измерен, его можно только вычислить. Это расчетный ветер, всегда направленный вдоль маршрута полета и оказывающий такое же влияние на путевую скорость самолета, как и фактический ветер. Известно несколько расчетных температур воздуха: эквивалентная, потенциальная, виртуальная, молярная и др. Эквивалентная температура соответствует той температуре воздуха, которую он имел бы после конденсации всего содержащегося в нем водяного пара при неизменном атмосферном давлении. Потенциальная температура – это температура, приведенная по сухоадиабатическому закону (без притока тепла извне) к давлению, равному 1000 гПа. Виртуальная температура – это температура сухого воздуха при данном давлении, если бы его плотность была такая же, как и плотность данного влажного воздуха, и т. д. Есть расчетные значения влажности (абсолютной, удельной, относительной), температуры туманообразования, упругости водяного пара, точки росы и т. п. Известны также расчетные средние климатологические характеристики (суточные, декадные, месячные, сезонные, годовые, экстремальные и др.)

Температура, при которой воздух достигает состояния насыщения при данном содержании в нем водяного пара и при неизменном давлении, называется точкой росы. Это важная характеристика состояния воздуха, позволяющая оценить его влажность, возможность возникновения тумана или облаков, а также вероятность обледенения самолетов при полетах в облаках и ряд других показателей, необходимых в практике метеорологического обеспечения нужд народного хозяйства.

Линию, соединяющую точки с максимальной температурой воздуха на ежедневных картах погоды низкоширотной зоны Земли, в метеорологии принято называть термическим экватором. На средних годовых картах температуры земного шара термический экватор оказывается приблизительно совпадающим с положением параллели 5° с. ш. Несовпадение его положения с настоящим экватором (географической широтой 0°) объясняется тем, что в северном полушарии больше материков, чем в южном, и очень высокая температура воздуха субтропических пустынь северного полушария делает северные тропики на 2°C теплее южных тропиков. Летом северного полушария термический экватор оказывается примерно у 20° с. ш., а летом южного полушария – у 5° ю. ш. Это положение термического экватора примерно соответствует положению оси экваториальной депрессии – области относительно низкого атмосферного давления приэкваториальных широт.

Английский ученый Гадлей в 1735 году дал объяснение пассатной циркуляции, механизм которой получил название ячейки Гадлея (рис. 90). Это упрощенная модель циркуляции воздуха в тропической зоне, согласно которой избыток тепла вблизи экватора превращается в кинетическую энергию: значительная часть тепла расходуется на испарение и переносится вместе с движущимся воздухом в виде скрытой теплоты, реализуемой при конденсации водяного пара. Над экватором происходит подъем воздуха: на высотах – его отток к субтропикам, а у земной поверхности – возвращение в виде пассатных ветров снова к экватору.

Синоптики называют ведущим потоком ветер в средней или верхней тропосфере, направление которого определяет перемещение циклонов и антициклонов и других синоптических объектов. Его высота зависит от распространения вверх этих крупномасштабных вихрей, которые смещаются со скоростью, пропорциональной скорости ведущего потока и равной 0,5-0,9 этой скорости в зависимости от уровня, на котором она определяется. Низкие барические системы подчиняются ведущему потоку средней тропосферы на высоте 3-5 км, развитые выше 5 км – потоку на более высоких уровнях. Циклоны и антициклоны, развитые до стратосферы, обычно малоподвижны, для них понятия ведущего потока не существует.

Атмосферные вихри большого масштаба с низким давлением в центре, называемые циклонами, как правило, приносят с собой сложные условия погоды – облачность, осадки, усиление ветра, нередко характерные сезонные явления, такие, как грозы, метели, туманы, гололед и пр. Это связано с особенностями распределения давления и характером циркуляции воздуха. Под влиянием трения в нижних слоях атмосферы в циклоне наблюдается движение воздуха, помимо кругового, еще и от периферии к центру, и поэтому возникает постоянное вертикальное, восходящее, движение воздуха и его охлаждение по мере подъема. Воздух, охлаждаясь, становится влагонасыщенным, в нем образуются облака, дающие осадки и многие другие явления погоды, называемой ненастной. В циклонах умеренных широт, кроме того, благоприятные условия для возникновения атмосферных фронтов, на которых условия погоды всегда очень сложные. Добавим к сказанному, что в циклонах, особенно вблизи их центров, всегда велика разность давления между центром и периферией (то есть велики так называемые горизонтальные градиенты давления), а следовательно, постоянно наблюдаются сильные порывистые ветры.