Давление, ветры и влажность

Атмосферное давление — сила, с которой столб воздуха давит на единицу поверхности. Воздух кажется невесомым, но на каждый квадратный сантиметр у поверхности моря давит примерно килограмм.

За нормальное принимают давление 760 мм ртутного столба на уровне моря при температуре 0 °C. В нижних слоях атмосферы давление падает примерно на 1 мм рт. ст. на каждые 10–12 м подъёма — это рабочее соотношение для задач.

Отсюда расчёт, который иногда просят сделать: если у подножия горы 750 мм, а на вершине 690 мм, разница 60 мм, значит высота горы примерно 60 × 10 = 600 м.

Что ещё меняет давление. Нагретый воздух расширяется, становится легче и поднимается — давление у поверхности падает. Охлаждённый воздух уплотняется и опускается — давление растёт. Поэтому над прогретой сушей летом давление ниже, а над холодной зимой — выше.

Ветер — это движение воздуха из области высокого давления в область низкого. Чем больше разница давления на единицу расстояния, тем сильнее ветер. Никаких других причин у ветра нет: он всегда следствие неравномерного нагрева и вызванной им разницы давления.

На картах погоды области равного давления соединяют линиями — изобарами. Там, где изобары сгущаются, перепад давления резкий и ветер сильный; там, где они редкие, штиль.

Если бы Земля не вращалась, воздух двигался бы просто от полюсов к экватору. Вращение и неравномерный нагрев создали более сложную, но строго закономерную картину из четырёх поясов давления в каждом полушарии.

Экваториальный пояс низкого давления (около 0°). Воздух здесь сильно прогрет, поднимается вверх, у поверхности давления не хватает. Поднимаясь, он охлаждается, пар конденсируется — отсюда постоянные ливни и влажные экваториальные леса.

Тропические пояса высокого давления (около 30°). Поднявшийся над экватором воздух растекается на высоте к тропикам, остывает и опускается. Опускаясь, он сжимается и нагревается, а значит удаляется от насыщения: облака не образуются. Вот почему именно на 30° лежит пояс пустынь — Сахара, Аравия, Калахари, пустыни Австралии и Мексики. Это не совпадение рельефа, а прямое следствие общей циркуляции.

Умеренные пояса низкого давления (около 60°). Здесь встречаются тёплый воздух из тропиков и холодный из полярных широт; более лёгкий тёплый воздух вытесняется вверх, давление падает, образуются циклоны и выпадают осадки.

Полярные области высокого давления (около полюсов). Холодный тяжёлый воздух оседает, осадков почти нет — Арктика и Антарктида по количеству осадков сопоставимы с пустынями.

Постоянные ветры дуют из поясов высокого давления в пояса низкого, отклоняясь силой вращения Земли:

— пассаты — от тропиков к экватору; отклоняясь вправо, в Северном полушарии они становятся северо-восточными, в Южном (отклоняясь влево) — юго-восточными; — западные ветры умеренных широт — от тропиков к 60°; отклоняясь, они получают западную составляющую, отсюда название. Именно они приносят в Европу и в Европейскую часть России влагу с Атлантики; — восточные полярные — от полюсов к 60°.

В умеренных широтах погода меняется чаще, чем где-либо ещё, и виноваты в этом подвижные вихри.

Циклон — область пониженного давления с минимумом в центре. Воздух устремляется к центру и, встречаясь там, вынужден подниматься. Поднимаясь, он охлаждается, пар конденсируется — образуются облака и выпадают осадки. Погода в циклоне: пасмурно, ветрено, осадки, зимой оттепель, летом похолодание. Из-за отклоняющей силы вращения воздух в циклоне Северного полушария закручивается против часовой стрелки.

Антициклон — область повышенного давления с максимумом в центре. Воздух растекается от центра, а сверху на его место опускается. Опускаясь, он нагревается и удаляется от насыщения — облака рассеиваются. Погода в антициклоне: ясно, сухо, безветренно, летом жара, зимой сильный мороз. Вращение — по часовой стрелке в Северном полушарии.

Парадокс, который стоит проговорить: зимой самые сильные морозы бывают в ясную антициклональную погоду, хотя Солнце светит. Причина — отсутствие облаков: ночью ничто не задерживает уходящее от поверхности тепловое излучение, и за долгую ночь земля выхолаживается. В пасмурную погоду облака работают как одеяло, и мороз слабее.

Атмосферный фронт — переходная полоса между тёплой и холодной воздушными массами. На тёплом фронте лёгкий тёплый воздух медленно наползает на холодный, давая длительные обложные дожди. На холодном фронте тяжёлый холодный воздух подныривает под тёплый и резко выталкивает его вверх — отсюда короткие, но бурные ливни с грозами и шквалами, после которых обычно холодает.

Экзаменационная связка: циклон → низкое давление → восходящие потоки → облачность и осадки; антициклон → высокое давление → нисходящие потоки → ясная сухая погода.

Кроме постоянных ветров есть сезонные и местные, и они объясняют климат целых регионов.

Муссон — ветер, дважды в год меняющий направление на противоположное. Причина — разная скорость нагрева суши и моря. Летом суша прогревается быстрее, над ней давление падает, и влажный воздух идёт с океана на сушу: наступает сезон дождей. Зимой суша остывает быстрее, давление над ней растёт, и сухой воздух дует с суши на океан: наступает сухой сезон.

Муссонный климат характерен для восточных окраин материков в умеренных и субтропических широтах, а самый мощный муссон планеты — муссон Южной Азии, определяющий жизнь Индии и Юго-Восточной Азии. В России муссоны действуют на юге Дальнего Востока: во Владивостоке максимум осадков приходится на лето, зима ясная и морозная. Именно поэтому Владивосток и Сочи, лежащие на одной широте 43°, имеют совершенно разные зимы: в Сочи около +6 °C, во Владивостоке около −12 °C.

Бриз — тот же механизм, но в суточном масштабе и на побережье. Днём суша теплее, ветер дует с моря на сушу; ночью суша остывает быстрее, и ветер дует с суши на море. Бризы смягчают дневную жару на побережьях.

Горно-долинные ветры работают похоже: днём воздух поднимается по склону, ночью стекает вниз.

Фён — тёплый сухой ветер, дующий с гор: перевалив хребет, воздух опускается, сжимается и нагревается. Фён может за час поднять температуру на десяток градусов и стремительно сушит склоны.

Как это спрашивают: «объясните, почему на восточном побережье материка максимум осадков летом» — ответ через муссон. «Почему на побережье днём дует ветер с моря» — через бриз. Схема одна: разница в нагреве → разница давления → направление ветра.

Роза ветров — диаграмма, показывающая повторяемость ветров разных направлений в данном месте. По каждому из восьми направлений откладывают число дней или процент случаев, концы отрезков соединяют, и получается многоугольник; штиль обычно отмечают числом в центре.

Главная тонкость: ветер называют по тому направлению, ОТКУДА он дует. Северный ветер дует с севера на юг. Поэтому длинный луч на розе ветров, направленный на запад, означает, что чаще всего дуют западные ветры, то есть воздух приходит с запада.

Как читают розу ветров на экзамене: находят самый длинный луч — это преобладающее направление; находят самый короткий — наиболее редкое.

Зачем это нужно на практике. Преобладающее направление ветра определяет, куда уносит выбросы. Поэтому промышленные предприятия размещают с подветренной стороны относительно жилых кварталов — то есть так, чтобы господствующий ветер уносил загрязнение от города, а не на него. Если преобладают западные ветры, завод ставят к востоку от жилой застройки. Это классическое задание на планировку, и в ответе обязательно нужно сослаться на розу ветров.

Второй практический сюжет — ориентация улиц и расположение аэропортов: взлётные полосы строят вдоль преобладающего направления ветра, чтобы самолёты взлетали против ветра.

Третий — снегозадержание и лесополосы в степи: их располагают поперёк господствующих ветров.

Частая ошибка: перепутать, откуда и куда, и разместить завод так, что ветер понесёт дым прямо на жилые дома.

Погоду конкретного дня определяет то, какая воздушная масса сейчас над территорией. Для России важны четыре.

Арктический воздух формируется надо льдами Северного Ледовитого океана: холодный, сухой, прозрачный. Его вторжение зимой даёт резкие морозы вплоть до юга Европейской части, летом — возвратные холода и заморозки, губящие посевы.

Умеренный морской воздух приходит с Атлантики вместе с западными ветрами и циклонами. Зимой он приносит оттепели, снегопады и пасмурную погоду, летом — прохладу и дожди. Именно из-за него зима в Петербурге мягче, чем в Новосибирске, лежащем южнее.

Умеренный континентальный воздух формируется над самой территорией Сибири: зимой очень холодный и сухой, летом жаркий и сухой. Он определяет резко континентальный климат Восточной Сибири.

Тропический воздух приходит летом с юга, из Средней Азии и с Причерноморья: жаркий и сухой, он вызывает суховеи и засухи в степной зоне, а иногда и пыльные бури.

Механизм трансформации. Воздушная масса, пройдя над чужой поверхностью, постепенно меняет свойства. Морской атлантический воздух, двигаясь на восток, отдаёт влагу и выхолаживается зимой — к Уралу он уже мало напоминает исходный. Именно поэтому континентальность климата растёт с запада на восток: дело не только в расстоянии до океана, но и в превращении самой воздушной массы.

Как это спрашивают: «объясните, почему зимой в городе А чаще бывают оттепели, чем в городе Б, расположенном на той же широте». Ответ: город А западнее, туда чаще проникает морской воздух умеренных широт с Атлантики вместе с циклонами, который зимой значительно теплее континентального.

Соберём весь урок в один типовой разбор линии 2.

Условие. На метеостанциях 1, 2 и 3, расположенных на склоне одной горы, одновременно измерили атмосферное давление. Станция 1 — 749 мм рт. ст., станция 2 — 738 мм рт. ст., станция 3 — 755 мм рт. ст. Расположите станции в порядке повышения их высоты над уровнем моря.

Ход мысли. С подъёмом количество воздуха над головой уменьшается, значит давление падает. Следовательно, чем меньше давление, тем выше станция. Упорядочиваем давления по убыванию: 755, 749, 738 — это станции 3, 1, 2. Порядок повышения высоты: 3, 1, 2.

Проверка через высоту. Разница между 755 и 738 равна 17 мм, а падение составляет примерно 1 мм на 10 м, значит станции 2 и 3 разделяет около 170 м по высоте. Число правдоподобное для склона горы — значит, мы не ошиблись в порядке величины.

Вариант того же задания с температурой. Если вместо давления даны температуры, работает второе правило: в тропосфере температура падает с высотой примерно на 6 °C на километр. Значит, чем холоднее, тем выше.

Вариант с относительной влажностью. Здесь нужно смотреть, что в условии постоянно. Если у всех станций одинаковое количество пара, то относительная влажность выше там, где холоднее, то есть выше по склону. Если одинакова относительная влажность, то пара больше там, где теплее, то есть ниже по склону.

Главное предостережение: не смешивай правила. Сначала выпиши, какая величина задана и какая постоянна, и только потом применяй соответствующее правило.

Что воздух имеет вес и давит на нас, доказали двумя опытами, и оба стоит помнить: они объясняют и прибор, и все задачи на изменение давления с высотой.

Опыт Торричелли, 1643 год. Ученик Галилея Эванджелиста Торричелли заполнил ртутью стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца, и опрокинул её в чашку с ртутью. Ртуть вылилась не вся: столб высотой примерно 760 мм остался стоять, а над ним образовалась пустота. Объяснение Торричелли: столб держит давление воздуха на поверхность ртути в чашке. Так появился барометр и заодно первая в истории искусственная пустота.

Опыт Паскаля, 1648 год. Француз Блез Паскаль рассудил: если столб держит воздух, то на горе, где воздуха над головой меньше, столб должен стать короче. Сам он был болен, и опыт по его просьбе поставил родственник Флорен Перье: он поднял барометр на вершину горы Пюи-де-Дом в Оверни, высотой около 1460 м. Ртуть опустилась более чем на 80 мм, а внизу, в городе, контрольный барометр всё это время стоял неподвижно.

Отсюда всё остальное. Давление падает с высотой, потому что уменьшается вес столба воздуха над точкой. У поверхности падение составляет примерно 1 мм ртутного столба на 10–12 м подъёма; выше воздух разрежен, и на ту же разницу требуется уже больший подъём. Нормальным давлением на уровне моря при 0 °C считают 760 мм рт. ст.

Ловушка задания. Когда просят найти давление на вершине по давлению у подножия, ошибаются в знаке: с подъёмом давление уменьшается. И считать надо по разности высот, а не по высоте вершины над уровнем моря, если подножие лежит не на нуле.

Воздух движется из области высокого давления в область низкого. Если бы Земля не вращалась, ветер дул бы точно вдоль этой разницы, по кратчайшему пути. На вращающейся планете он так не дует — и это надо уметь объяснить, а не просто назвать.

Механизм. Точка на экваторе за сутки проходит около 40 000 км, а точка на широте 60° — вдвое меньший круг, значит, движется вдвое медленнее. Воздух, двинувшийся от тропика к экватору, сохраняет свою прежнюю, меньшую скорость вращения вместе с планетой, а поверхность под ним бежит на восток быстрее. Для наблюдателя на земле это выглядит как отклонение потока вправо (в Северном полушарии). Математически это описал в 1835 году французский механик Гаспар Гюстав Кориолис.

Следствие для пассатов. От тропических поясов высокого давления воздух идёт к экваториальной депрессии — то есть в Северном полушарии на юг. Отклоняясь вправо, он превращается в северо-восточный ветер. В Южном полушарии отклонение влево даёт юго-восточный пассат. Название «пассат» пришло от мореходов: устойчивость этих ветров и сделала возможными регулярные плавания через Атлантику.

Следствие для западных ветров. От тех же тропических поясов часть воздуха идёт к умеренным широтам, то есть на север; отклоняясь вправо, она даёт западный перенос, который и определяет погоду Европы и большей части России.

Правило для проверки себя. Сила отклонения максимальна у полюсов и равна нулю на экваторе. Именно поэтому тропические циклоны не зарождаются в узкой полосе у самого экватора: закрутить вихрь там нечему.

Циклон — не просто «область низкого давления». Внутри него есть атмосферные фронты — границы между тёплым и холодным воздухом, и именно они приносят ту погоду, которую замечает человек.

Тёплый фронт — тёплый воздух наступает на холодный. Он легче, поэтому не может вытолкнуть холодный, а наползает на него по пологому клину длиной в сотни километров. Подъём медленный, облачность слоистая и растянутая: сначала на горизонте появляются перистые облака, через несколько часов небо затягивает, затем начинается обложной дождь, идущий долго и ровно. После прохождения фронта теплеет, давление перестаёт падать.

Холодный фронт — холодный воздух догоняет тёплый. Он тяжёлый и подрезает тёплый снизу, выбрасывая его вверх круто и быстро. Подъём резкий, облака кучево-дождевые: короткий, но сильный ливень, шквалистый ветер, летом гроза и град. После прохождения резко холодает, давление растёт, небо быстро проясняется.

Сравнение — прямо то, что спрашивают. Тёплый фронт: медленно, долго, слоистые облака, потепление. Холодный: быстро, коротко, кучево-дождевые облака, похолодание. Причина различия одна — угол, под которым тёплый воздух вынужден подниматься.

Антициклон работает наоборот. Воздух в нём опускается, при опускании сжимается и нагревается, относительная влажность падает — облака не образуются. Отсюда ясная погода: летом жара, зимой сильные морозы, потому что ночью безоблачное небо беспрепятственно выпускает тепло. Зимний антициклон над Сибирью — самый устойчивый на планете.