Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Солнце нагревает Землю, а планета нагревает ближайший слой воздуха. При нагревании молекулы воздуха начинают двигаться быстрее и объем нагретого воздушного слоя возрастает. Нагретый объем становится менее плотным, чем окружающий воздух, и взмывает вверх. Холодный и более тяжелый воздух занимает освободившееся пространство, где, в свою очередь, нагревается и поднимается, продолжая цикл. Это вертикальное движение тепла, в котором участвуют восходящие потоки теплого воздуха, называется конвекцией.

Таким образом, перепады температуры вызывают колебания плотности и давления. И тогда возникают ветры, как вертикальные, так и горизонтальные, – воздух пытается выровнять давление.

На полюсах и на экваторе атмосфера Земли нагревается неравномерно. Это объясняется простыми законами геометрии. Мы живем на шаре, вращающемся вокруг Солнца, и солнечный свет падает на поверхность шара вертикально на экваторе, но под большими углами около Северного и Южного полюсов. Поэтому на одни и те же участки площади в полярных областях приходится меньше энергии солнечного света, чем на экваторе. Эта разница является основным фактором, формирующим погоду на планете. Естественно, тепло стремится переместиться из горячих областей в холодные, поэтому атмосфера и океаны переносят тепло от экватора к полюсам. На планете, где нет перепадов температуры, никогда не дует ветер. Но Земля не такая: здесь всегда дуют ветры, и иногда очень сильные.

Пояса ветров и эффект Кориолиса

В отсутствие вращения Земли глобальная картина ветров на планете была бы очень простой. Горячий воздух поднимался бы вверх на экваторе, а затем, при достижении верхней части атмосферы, распространялся горизонтально к полюсам. На полюсах он охлаждался бы и с увеличением плотности погружался в нижние слои атмосферы, двигаясь вдоль поверхности обратно к экватору. Таким образом, поверхностные ветры дули бы только с севера на юг в северном полушарии и с юга на север в южном.

На вращающейся сфере поверхность вместе с прилегающим к ней воздухом движется быстрее всего на экваторе, а точки на полюсах вообще находятся в покое. Вращение Земли с запада на восток отклоняет ветры в северном полушарии вправо относительно направления их движения и влево в южном. Это отклонение называется эффектом Кориолиса.

Из-за вращения Земли этот эффект довольно силен. Он создает три взаимосвязанные системы поверхностных ветров в каждом полушарии: экваториальные пассаты, западные ветры умеренного пояса и восточные ветры полярных районов (см. рис. 6.4). Если бы Земля вращалась быстрее, таких поясов ветров было бы больше. У Юпитера очень высокая скорость вращения: его сутки длятся всего десять часов, поэтому на Юпитере гораздо больше поясов ветров, чем у Земли.

Рис. 6.4. Ветры на Земле дуют преимущественно в пределах поясов, которые своим появлением частично обязаны эффекту Кориолиса.

На больших высотах, над медленными приземными ветрами, дуют быстрые струйные течения с запада на восток. Такова самая общая схема ветров на нашей планете. В действительности все гораздо сложнее и запутаннее, поскольку мы живем не на однородной сфере, а на земном шаре, поверхность которого изобилует океанами, горами, лесами и пустынями.

Нестабильность и осадки

Одной из предпосылок возникновения неблагоприятных метеоусловий является атмосферная нестабильность, когда менее плотный слой поднимается над окружающим его воздухом. Нестабильность наиболее велика в том случае, когда холодный плотный воздух сосредоточен наверху, а теплый влажный воздух – внизу. Нагретый нижний слой поднимается еще и потому, что содержит водяной пар, который также уменьшает плотность воздуха. Раз начавшись, движение воздуха вверх в нестабильной атмосфере становится довольно устойчивым процессом.

Подъем воздуха приводит к его дальнейшему расширению, которое вызывает охлаждение воздуха, потому что при удалении его молекул друг от друга кинетическая энергия в данном объеме падает. В какой-то момент температура понижается настолько, что водяной пар не может больше оставаться в газообразном состоянии. При достижении этой точки, называемой точкой росы, водяной пар в воздухе начинает конденсироваться – образуются облака, из которых выпадают осадки: дождь, град или снег. Таким образом, для образования осадков необходимы два условия: достаточное количество водяного пара в воздухе и наличие механизма для подъема воздуха, чтобы он мог остыть до температуры точки росы.