Циклоны и антициклоны
Циклоны и антициклоны
— В статьях: Бури, Градиент и особенно Погода указано на то, что непериодические изменения погоды зависят от возникновения и передвижения особых областей с весьма характерным распределением барометрического давления и прочих метеорологических элементов. Было выяснено также, что эти области — особые образования в атмосфере, — настоящие вихри. Были очерчены и внешние, типические особенности погоды в таких вихрях. Остается несколько подробнее выяснить механизм этих характерных явлений и господствующие в настоящее время в науке взгляды на причины, вызывающие возникновение и перемещение их в атмосфере. Необходимо, предварительно напомнить общие характерные черты названных вихрей.
Циклоном, или барометрическим минимумом, барометрическою депрессией называют обыкновенно область значительно по сравнению с окружающим районом пониженных давлений. От некоторого центра, в котором давление будет наинизшим, это последнее увеличивается во все стороны. Если вблизи такого центра провести линии равных давлений (изобары), то эти линии сомкнутыми овалами будут расходиться от центра во все стороны. Вызванные таким распределением давления воздушные потоки под влиянием центробежной силы от вращения земли вокруг оси и трения воздушных масс о земную поверхность будут приближаться к центру барометрического минимума, описывая спирали, закручивающиеся обратно часовой стрелке в северном и по часовой стрелке в южном полушарии. Различные части такого вихря будут отличаться и различною погодою. В огромном большинстве случаев изобары в барометрическом минимуме оказываются вытянутыми по направлению его поступательного движения овалами. Если разделить вихрь на две половины большою осью, параллельною направлению его движения и проходящею чрез центр наименьшего давления; если провести затем чрез центр малую ось овала, перпендикулярную к первой, то область минимума разделится проведенными линиями на правую и левую относительно направления движения, переднюю и заднюю его половины, — на 4 квадранта. Передняя половина минимума будет, каково бы ни было направление его движения, отличаться повышенною, по сравнению с окружающим районом, температурою, увеличенною облачностью с тяжелыми, плотными массами облаков, обложными, продолжительными осадками и усиливающимся до некоторого расстояния от центра ветром. Задняя половина минимума будет, напротив, отличаться постепенным, по мере удаления от центра, понижением температуры, уменьшением облачности с преобладанием разорванных форм облаков, ветром и осадками, переходящими из обложных в короткие шквалы и ливни, все реже и реже налетающие. Указанное отношение температур в обеих половинах относится к холодному времени года; в теплое же время оно будет обратным предыдущему. Так как в средних широтах северного полушария барометрические минимумы обыкновенно движутся от ЗЮЗ к ВСВ, то лежащая к северу от их главной оси, левая половина всегда будет по сравнению с южной более холодною, с менее плотными облаками и менее интенсивными осадками. Наконец, при прохождении минимума севернее места наблюдения ветер в этом последнем будет менять свое направление в нашем полушарии по часовой стрелке; при прохождении центра к югу от места наблюдения он будет меняться обратно часовой стрелке.
В антициклоне, или барометрическом максимуме, погода будет в области вихря совершенно отлична от таковой же в циклоне. Слабые ветры, раскручивающиеся по весьма пологим спиралям от центра высокого давления к периферии вихря в направлении часовой стрелки для северного полушария, в обратном для южного; малая облачность с сопровождающими ее большими амплитудами температурных колебаний, туманы и росы по ночам летом, сильные охлаждения, быстро переходящие в интенсивные морозы в зимнее время, — таковы типичные черты погоды в антициклонах. Наконец, если припомнить весьма большую подвижность барометрических минимумов и сравнительно большую устойчивость максимумов, то перечисленные особенности дадут достаточно полное представление о внешнем облике этих вихрей. Механизм возникновения подобных вихревых систем вполне удовлетворительно разъяснен теоретическими исследованиями Ферреля («Recents Advances in Meteorology» by W. Ferrel, 1886; Report Chief, Signal Officer, 1885, ч. II; «Popular Treatise on the Winds», Нью-Йорк, 1898), а также Гульдберга и Мона (Guldberg et Mohn, «Etudes sur les mouvements de l’atmosphère». Христиания, I, 1876; II, 1880). Представим себе, что вследствие возникшей каким бы то ни было образом разности давлений воздуха в двух соседних точках земной поверхности началось перемещение масс воздуха от места с более высоким давлением к месту с меньшим давлением. Так как всякое перемещение всегда будет стремиться к пути наименьшего сопротивления, а следовательно, при прочих равных условиях и наименьшей длины, то, если бы не было никаких возмущающих обстоятельств, движение направилось бы по прямой, соединяющей названные точки; проведя через взятые точки изобары, то есть линии равных давлений, в силу того же мы получили бы всегда движение по нормали к изобаре, или по направлению наибольшего градиента (см.). Вследствие действия центробежной силы, возникающей при суточном вращении земли около своей оси, всякое тело, переходя от одной точки земной поверхности к какой угодно другой, не может двигаться по прямой, соединяющей два рассматриваемых пункта, а непременно отклонится от своего первоначального направления вправо в северном полушарии, влево в южном. Величина отклоняющего действия центробежной силы будет изменяться в зависимости от синуса широты места: она будет наибольшею на полюсах, 0 на экваторе. Но, кроме того, пришедшие в движение массы воздуха будут испытывать еще трение как о те поверхности, вдоль которых им приходится перемещаться, так и об окружающие, неподвижные или перемещающиеся в других направлениях массы воздуха. Назовем через G величину градиента, то есть силу, движущую рассматриваемую массу; это будет падение давления на единицу длины или, точнее,
- G = (dp)/(dl).
Пусть далее будет ω — угловая скорость вращения точек земной поверхности в единицу времени, v — скорость ветра (то есть длина, проходимая рассматриваемой массой воздуха в единицу времени), φ — широта данного пункта и ρ — радиус кривизны той траектории, по которой движется рассматриваемая масса воздуха. Тогда, при установившемся движении, движущая сила будет
- G = 2 ω vsin φ ± (v²/ ρ ),
где знак + соответствует циклоническому, знак — антициклоническому движению. Первый член правой части написанного выражения есть отклоняющая сила вращения земли около оси, второй член — слагающая движения, зависящая от инерции движущейся массы. Написанное выражение имеет место в том случае, когда трение отсутствует. Если ввести трение воздушных масс, то, кроме написанных выше величин, в уравнение движения масс воздуха войдут еще: коэффициент трения k и слагающая, зависящая от величины трения, заставляющая частицу воздуха отклониться от направления градиента (то есть от нормали к изобаре) на угол α. Тогда:
- Gsin α = 2 ω vsin φ ± (v²/ ρ), Gcos α = kv;
и, наконец,
- tang α = [2 ω vsin φ ± (v²/ ρ)]/[kv],
или для слабо искривленных траекторий, когда ρ — очень велико (то есть, главным образом, в антициклонах)
- tang α = 2 ω sin φ /k.
Эти простые формулы дают полное выражение того, что происходит с воздушными массами в районе образовавшегося вихря; они показывают, что в тех случаях, где k очень мало, движение воздушных масс будет происходить по направлениям, близким к касательной изобары в данном пункте или почти перпендикулярно к направлению градиента. При постоянных k и φ угол α будет также величиною постоянною, и массы воздуха в установившемся вихревом движении будут двигаться по логарифмическим спиралям (см.), отличающимся именно указанным постоянством угла между касательною и радиусом кривизны. С изменением широты места угол α, при прочих равных условиях, должен изменять свою величину, увеличиваясь от экватора к полюсу. Наконец, при слабо искривленных траекториях он не зависит от скорости ветра. Проверка этих теоретических заключений данными, полученными из наблюдений, показывает вообще, что эти последние достаточно хорошо совпадают с теоретическими выводами (подробности можно найти в книге Наnn, «Lehrbuch der Meteorologie», Лпц., 1901). Но в образовавшемся вихревом движении, при котором массы воздуха будут двигаться по логарифмическим спиралям, приближаясь к центру вихря в случае циклона, удаляясь от центра при антициклоне, приходится считаться еще со следующим. По мере приближения к центру вихря площадь, занимаемая массами воздуха, будет все более и более суживаться. Если скорость движения воздушных масс не будет возрастать пропорционально уменьшению площади, занимаемой данною массою воздуха, то должно существовать в циклоне еще восходящее движение этих масс. Наблюдения показывают, что скорость ветра с приближением к центру циклона, возрастает только до ⅔; радиуса этого последнего, где она достигает максимума; с дальнейшим приближением к центру вихря скорость ветра снова уменьшается, а в центре даже падает до 0. С другой стороны, массы воздуха, ранее скопившегося близ центра вихря, вытесняемые все новыми, притекающими от периферии, должны себе найти исход. Таким образом, восходящее движение, усиливающееся по мере приближения к центру циклона, есть необходимое следствие установившегося вихревого движения, притом достигающее наибольшей силы в центральной части вихря. Таким же точно образом, необходимо допустить нисходящее движение воздушных масс в антициклоне, являющееся прямым следствием увеличения занимаемой данною массою воздуха площади при удалении этих масс от центра вихря, с одной стороны, и заполнения образующегося при оттоке от центра разрежения, с другой. Эти восходящие и нисходящие потоки и определяют все особенности погоды в обоих типах вихрей. Подымаясь кверху и расширяясь вследствие уменьшения давления с высотой, массы воздуха будут охлаждаться по мере поднятия почти на 1 °C на каждые 100 м высоты, пока воздух не насыщен содержащимися в нем водяными парами (см. Температура воздуха). Как только насыщение водяными парами достигнуто, понижение температуры с возрастанием высоты уменьшается и будет тем меньше, чем выше начальная температура поднимающейся массы и чем меньше начальная ее упругость. Отсюда — большая облачность в Ц., сопровождающаяся обильными осадками; отсюда же типичная ясная погода антициклона, в котором нисходящие массы воздуха, нагреваясь на 1° на каждые 100 м опускания, все больше и больше удаляются, по мере понижения, от точки насыщения. Прибавим к сказанному еще влияние распределения температуры на области, охваченной вихрем, и в соседних с ним местностях, и тогда станут понятными дальнейшие частности погоды в различных частях циклона.
В описанных основных процессах нагревания и охлаждения с изменением высоты, являющихся необходимым следствием возникшего вихревого движения, кроются в значительной мере и те причины, вследствие которых образовавшийся вихрь или приходит в более или менее быстрое поступательное движение, или является стационарным, оставаясь иногда в течение сравнительно продолжительного времени неизменным на одном и том же месте. Антициклонический вихрь, как только он возник вследствие каких бы то ни было причин, уже в самом себе носит условия стационарности. — условия очень малых скоростей поступательного движения. Являясь чрезвычайно мало зависимым от местных влияний, поддерживаемый исключительно только массами воздуха, опускающимися из верхних слоев атмосферы, где температурные и другие условия являются весьма однородными на очень большом протяжении, антициклон уже этою независимостью от условий, существующих в нижних сдоях атмосферы, обречен на несравненно большую устойчивость, или стационарность, нежели вихрь циклонический. Слабость ветров и отсутствие в нем больших градиентов еще более увеличивают его стационарность. Только в том случае, когда антициклон достигает большой высоты и, следовательно, своею верхнею частью войдет в верхние, имеющие определенное поступательное движение, слои атмосферы, вихрь будет перемещаться по земной поверхности, медленно увлекаемый этими верхними течениями. Так как общее движение на больших высотах в средних и высоких широтах направлено вообще от З к В, то и направление перемещения антициклона будет вообще то же, если только другие условия, в виде подобных же вихрей циклонического или антициклонического характера, не будут препятствовать этому. А затем перемещения антициклона могут быть вызваны также чисто механическим давлением других вихрей, образующихся в его соседстве. Для Ц. направление их перемещения также до известной степени связано с движением атмосферы. Особенно характерным образом это влияние атмосферы на направление движения Ц. сказывается на тропических ураганах (см.), отличающихся от Ц. средних широт только своими размерами и более резко выраженным характером всех типических свойств этих вихрей. Вообще все вихри циклонического характера обнаруживают тенденцию двигаться от экватора к полюсам, как вихри антициклонического типа — обратную. Возникая в узкой полосе между 6° с. ш. и тропиком и обнаруживая поступательное движение к северу, ураганы северного полушария движутся сначала от юго-востока к северо-западу, так как движение атмосферы в полосе между экватором и тропиком направлено именно от востока к западу; перейдя через тропик, ураганы резко меняют направление движения и от юго-запада движутся теперь уже к северо-востоку, опять следуя общему направлению движения атмосферы. Траектория их движения имеет, таким образом, вид параболы, обращенной выпуклостью к западу. Но, кроме этой общей причины, до известной степени определяющей общее направление движения Ц., на перемещение этих последних сильно влияют местные условия, — особенно температура и влажность в районе, окружающем образовавшийся вихрь, — влияют иногда настолько сильно, что под влиянием этих местных условий движущийся уже по определенному направлению Ц. нередко совершенно изменяет направление своего движения и описывает сложные и запутанные траектории, образуя в известных случаях даже ряд петель.
Всасывая и подымая вверх в своей центральной части огромное количество воздуха, который затем вверху растекается во все стороны, циклонический вихрь в своем поступательном движении, захватывая все новые и новые массы воздуха, должен быть уподоблен волне, перекатывающейся в воздухе с места на место. Но, если вихрь этот не связан с определенными массами воздуха, если, далее, массы эти, поднимаясь вверх и охлаждаясь по мере поднятия, будут отдавать здесь содержащиеся в них водяные пары, то, очевидно, вовсе не безразлично для всего дальнейшего хода процессов в этих охлаждающихся массах, каковы будут их начальная температура и влажность. Чем влажнее притекающий воздух, тем скорее достигнет он при подъеме насыщения водяными парами; а чем он теплее, тем больше отдаст он окружающим массам скрытой теплоты, выделяющейся при конденсации пара в жидкость. Представим себе теперь, что в районе, окружающем возникший центр низкого давления, температуры, а следовательно, и влажности, распределены достаточно неравномерно, так что в этом районе обрисовались даже достаточно резко выраженные области тепла и холода, и припомним, что к образовавшемуся центру вихря массы воздуха из этих областей неравномерной температуры и влажности будут двигаться по логарифмическим спиралям, закручивающимся в северном полушарии обратно часовой стрелке. В таком случае в одну часть вихря будут притекать массы воздуха из области тепла, уже в силу своей сравнительно высокой температуры богатые водяными парами; в другую, противоположную часть вихря, наоборот, потекут сравнительно холодные, а потому и бедные парами массы воздуха. Там, где притекает теплый и влажный воздух, поднимающейся по мере приближения к центру вихря вверх, — налицо, очевидно, все условия способствующие дальнейшему понижению здесь давления воздуха. Воздух высокой температуры, а следовательно, и менее плотный, чем окружающий, обилие водяных паров, уменьшающих упругость воздуха, скрытая теплота конденсации паров, замедляющая падение температуры вверх, — все это условия, вследствие которых давление здесь должно падать еще более, чем в момент возникновения вихря. Наоборот, холодные, а потому и более плотные массы воздуха, притекающие из области холода, бедные парами, почему и процесс конденсации может здесь начаться только на больших высотах и дать сравнительно небольшие количества конденсированной влаги, — все это условия, способствующие скорейшему повышенно и, следовательно, выравниванию пониженного здесь давления. В силу этих причин циклон всегда стремится двигаться, оставляя области холода влево, области тепла вправо, — приблизительно по направлению, параллельному направлению изотерм данной области. Механические воздействия движущихся масс воздуха также не остаются без влияния на перемещение циклона, хотя играют второстепенную роль сравнительно с влиянием температуры. Под влиянием этих воздействий образовавшийся вихрь стремится всегда двигаться но направлению наиболее сильных ветров, или перпендикулярно к направлению наибольших градиентов, и огибает обыкновенно области высоких давлений, двигаясь по часовой стрелке. Когда условия, вызывающие перемещение вихря, выражены слабо, циклон обнаруживает уже известную стационарность, передвигаясь очень медленно, и даже может в течение значительных промежутков времени оставаться на одном месте, что и наблюдается обыкновенно летом, когда температуры распределены значительно более правильно и равномерно по земной поверхности, нежели в холодное время года.
Исследования Ферреля, Гульдберга и Мона и ряда других ученых, выясняя процессы, совершающиеся в циклонических и антициклонических вихрях, рассматривают только уже возникший и установившийся круговорот масс воздуха, но не касаются того, откуда и каким образом могут возникнуть подобные вихревые системы. Вопрос об их происхождении не может считаться вполне решенным в настоящее время; существуют две главные теории. По конвекционной теории — появление циклонических или антициклонических вихрей является результатом первичного местного нагревания или охлаждения. При достаточной интенсивности каждого из этих процессов должны возникнуть мощные выходящие или нисходящие потоки, вызывающие передвижение по земной поверхности окружающих масс воздуха по направлению к теплому центру или, наоборот, растекание от холодного. Однако, если принять во внимание те массы воздуха, которые должны пройти через возникший таким образом циклонический вихрь, или те, которые растекутся от холодного центра, то нелегко понять, откуда же может взяться та огромная энергия, которая нужна на поддержание подобного движения днями и даже неделями или месяцами; само собою разумеется, что простое нагревание или охлаждение не в состоянии развить этот запас энергии. Поэтому другой взгляд — динамическая теория атмосферных вихрей — стремится найти иной источник этой колоссальной энергии и видит его именно в движении верхних слоев атмосферы. Если представить себе два соприкасающихся друг к другу потока, движущихся в различные стороны или с различными скоростями, то теория учит, — и опыт вполне подтверждает эти теоретические выводы, — что достаточно ничтожнейших причин, чтобы струи или нити одного потока вдались немного в массу другого. Одной такой струи при благоприятных условиях достаточно, чтобы возник сначала небольшой, элементарный вихрь, который начнет тотчас же на счет энергии потоков всасывать окружающие массы. Если возмущающая спокойное движение обоих потоков энергия достаточно велика и распределение скоростей и направлений в потоках этому благоприятствует, результатом такого процесса должно быть возникновение вихря, совершенно аналогичного тем циклоническим вихрям, которые описаны выше. Что касается до вихрей антициклонических, то возникновение их, по динамической теории, может явиться следствием ранее образовавшегося циклонического вихря: восходящий поток в одном месте непременно вызовет на своей периферии противоположное нисходящее движение, которое и может явиться в форме антициклона. Детальное изучение строения тех вихрей, которые мы наблюдаем вблизи земной поверхности, и распределение в них температуры по вертикали заставляет думать, что динамическая теория возникновения Ц. и антициклонов ближе соответствует действительности, нежели конвекционная.
Большие тропические циклоны, в которых давление в центре с лишком на 10 мм ниже, чем в окружающих местах, приурочены к определенным местностям и временам года. Их нет в тропической части Атлантического океана и в восточной части южного Тихого. Главные области тропических циклонов следующие:
- 1) Антильские о-ва и Атлантический океан к В от них (всего лучше изучены). Поворот на С средним числом около 29½ ° с. ш.
- 2) Бенгальский залив и (гораздо реже) Аравийское море, то есть северные заливы Индийского океана; в последнее время хорошо изучены; возникают обыкновенно близ Андаманских о-вов, то есть в восточной части Бенгальского залива.
- 3) Тайфуны Филиппинских островов и Китайских морей; в последнее время хорошо изучены; поворот на С обыкновенно около 20° с. ш.; после поворота опустошают сев. Китай, Японию и южную часть Уссурийского края.
- 4) Юго-западная часть Индийского океана, около Маскаренских островов; поворот на Ю около 20° ю. ш.
- 5) Юго-западный тропический Тихий океан, между Австралией и о-вом Паумоту; поворот на Ю около 20° ю. ш.
Циклоны тропические всего чаще в конце лета и начале осени данного полушария (июль — окт. в сев., янв. — апр. в южн., только Ц. Бенгальского зал. бывают часто в мае и июне). Зимой тропические Ц. очень редки, в большинстве случаев их совсем не бывает. Самое низкое давление, наблюдавшееся на земном шаре при тропическом циклоне на восточном берегу Индии в сентябре 1885 г., 687,8. На следующий день давление (на материке) было всего 740, через два дня циклон исчез, хотя горы, через которые перешел Ц., не выше 1200 м. Это указывает на малые вертикальные размеры тропических Ц. Глубокие тропические Ц., вместе с тем, — явление морское; лишь острова и берега материков опустошаются ими; внутрь материков они не проникают и там не возникают. На материках тропического пояса в дождливое время бывают небольшие Ц., давление в центре лишь на 5 мм и менее ниже, чем в окружающих местах; градиенты малы; сопровождаются сильными дождями; изучены только в Индии. Горизонтальные размеры циклонов средних широт гораздо больше, чем тропических, и так как они здесь достаточны часты, то огромное пространство средних широт постоянно бывает в области циклонической деятельности, между тем как в тропиках и по редкости Ц., и по незначительным размерам их, они — исключение, очень мало влияющее на средние величины метеор. элементов. Большие циклоны, с низким давлением в центре, бывают всего чаще в северном полушарии на сев. Атлантическом и сев. Тихом океанах, Северо-Американском материке между 35 — 50° с. ш. к В от Скалистых гор, в сев. и зап. Европе с омывающими ее морями. Они чаще на теплых водах (Гольфстрим), чем на других частях океана; чаще поздней осенью и зимой, чем в другие времена года. И на материках есть пути, чаще других посещаемые Ц., напр., вдоль сев.-американских озер, р. Св. Лаврентия; в Новой Шотландии их бывает 38 в год. Вертикальные размеры Ц. средних широт больше, чем тропических; они переходят через горы, но высокие горы все-таки задерживают их движение; в Европе Ц. всего реже близ Альп. Средняя скорость движения центров циклонов в Соедин. Штатах в год 41,8, дек. 52,8, июнь 33,8 км в сутки; на сев. Атлантическом океане и в Европе 27 до 34 км в средней за год, а также значительно больше зимой, чем летом. Летом большие глубокие Ц. реже, особенно в Европе к Ю от 50° с. ш., но довольно часты Ц. меньших размеров, с менее глубоким давлением в центре, сопровождаемые грозами. Всего реже в средних широтах Ц. в холодные месяцы года внутри восточной Сибири и в центральной Азии. Это область почти постоянного зимнего азиатского антициклона, низких температур и ясной погоды. Самое низкое давление в центре Ц. средних и высоких широт: Вардё, сев. Норвегия февраль 1891 г. 692,8, в южн. Шотландии в янв. 1884 г. 694, в Рейкьявике в Исландии в феврале 1824 г. 692,0. В России лишь к С от 59° с. ш. наблюдали давление ниже 720, к Ю от 55° не ниже 725, к 10 от 48° с. ш. не ниже 735. Самое высокое давление в центре антициклона наблюдалось в Барнауле Тобольской губ., в январе 1900 г., 803,7. В Европейской России несколько раз уже наблюдали 797 (напр., в Петербурге в январе 1869 г., на средней Волге в декабре 1877 г. и январе 1900 г.; давление везде приведено к уровню моря и тяжести 45°). Подробности относительно Ц. и антициклонов, кроме упомянутых в тексте исследований, можно найти в:
- Наnn, «Lehrbuch der Meteorologie» (Лпц., 1901);
- Sprung, «Lehrbuch der Meteorologie» (Гамбург, 1885);
- Hildebrandson et Teisserenc de Bort, «Les hases de la météorologie dynamique» (Париж, 1898—1903);
также в известных курсах: Davis, «Elementary Meteorology» (Бостон, 1899); Angot, «Traité de météorologie» (Пар., 1899).
- В статье воспроизведен материал из Большого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона.
