Властелины погоды

Властелины погоды

Все знают, что когда по ТВ рассказывают о прогнозе погоды, то, как правило, упоминают про циклоны и антициклоны и их движение относительно земной поверхности. Отсюда легко сделать вывод, что два этих физических явления играют ведущую роль в формировании погоды.
Но давайте сначала разберёмся, почему они возникают.

Ответ на данный вопрос нужно начать с того, почему воздух атмосферы вообще находится в движении. Вот почему всегда волнуется море - это понятно, из-за дующих над ним ветров или подводных землетрясений.
Что же касается воздушных масс (далее ВМ), то первичный приход их в движение можно объяснить локальным нагревом от Солнца. Вторичными источниками тепла (как и холода) для них могут быть как смежные воздушные массы, так и смежные водные массы. Насыщение воздушных масс водяным паром повышает их теплоёмкость, осушение воздушных масс понижает их теплоёмкость, а стало быть они соответственно медленнее или быстрее нагреваются и охлаждаются, что приводит к изменению интенсивности тепловых потоков, а поэтому вносит дополнительные степени свободы в поведении ВМ.

Обращаю также внимание, что неподвижность воздуха даже в комнате - это кажущееся явление, т.к. здесь просто дуют ветры намного менее сильные и быстрые, чем в атмосфере. Кроме того, чем больше воздушное тело, тем больше в нём внутреннего движения. (это только воздух в стакане (приблизительно) неподвижен)

Получается, стало быть, такое: как только воздух в некоторой зоне локально нагревается, то давление в этой зоне повышается и воздух устремляется к периферии этой зоны, постепенно выходя из неё. (после чего давление по всей зоне уравнивается) Таким образом, он при этом движется касательно поверхности Земли.
Но как в циклоне, так и в антициклоне воздух, как известно, еще и вращается. Это значит, что существует сила, которая искривляет его прямолинейное движение под действием градиента давления (метеорологи называют его барический градиент) И эта сила называется сила Кориолиса (далее СК)

Поэтому давайте разберёмся, как она направлена в разных случаях.
Учитывая то, что
1)сила Кориолиса
Fk=-m*[w,vr],
где
m - масса движущегося относительно Земли объекта,
w - угловая скорость вращения Земли относительно собственной оси,
vr - скорость движения объекта относительно Земли,
[w,vr] - векторное произведение.
Векторное произведение находится по правилу левой руки:
1)расположите кисть левой руки так, чтобы её 4 пальца были направлены по вектору w.
2)сохраняя результат 1-го действия, поверните кисть левой руки так, чтобы вектор vr входил в ладонь, пусть и под очень малым острым углом.
3)отставленный перепендикулярно 4 пальцам большой палец кисти левой руки укжет при этом направление вектора [w,vr].
При этом не забываем, что сила Кориолиса направлена противоположно [w,vr], и это не мудрено, т.к. эта сила - 3-ья из квазисил, то есть сил инерции, после просто силы инерции (поступательной) и так называемой центробежной силы. Причина возникновения коих - неинерциальность систем координат, в которых рассматривается движение.

2)Земля вращается с запада на восток, поэтому вектор w направлен вверх (с юга на север)
(вектор w находится по правилу штопора (в учебниках его место занимает буравчик, но я для понятности заменил его на штопор):
если вращать штопор так, чтобы периферийная точка на его ручке вращалась как описываемый объект, то направление поступательного движения его острия при этом (при реальном вкручивании в пробку) укажет направление вектора w)

получаем, что сила Кориолиса отклоняет траекторию движения объекта при движении его с севера на юг (вдоль меридиана) - в северном полушарии на запад, в южном - на восток, а при движении с востока на запад (вдоль параллели) - независимо от полушария вниз, к оси Земли (при противоположном движении - наоборот)
При движении вверх сила Кориолиса отклоняет траекторию движения объекта на запад а при движении вниз - на восток , причём это на зависит, в каком полушарии находится объект) (при противоположном движении - наоборот)
Именно последнее и объясняет, почему как циклон, так и антициклон представляют из себя не плоское, а объёмное явление, при котором линии тока воздуха в их стволе и представляют из себя винтовые линии, восходящие в циклоне и нисходящие в антициклоне.
Никакого отклонения не будет при движении на экваторе с севера на юг и обратно, а также при вертикальном движении на полюсе, т.к. в этих случаях вектор угловой скорости вращения Земли вокруг собственной оси коллинеарен вектору скорости объекта, а поэтому сила Кориолиса по модулю равна 0.
С этим связано и то, что эффект силы Кориолиса при меридианальном движении максимален на полюсах, убывая на экваторе до нуля, при вертикальном же движении этот эффект максимален на экваторе, а полюсах убывает до нуля.

Влияние СК при движении объекта вдоль параллели (п-движение) максимально на экваторе и сходит на нет на полюсах.(т.к. здесь параллелей нет)
Но это только по отклонению вниз (или вверх), т.к. такое движение (с востока на запад) вызывает еще отклонение на север в северном полушарии (далее СП) и на юг в в южном полушарии (далее ЮП). (при противоположном движении - противоположный эффект, в том числе это распространяется  на вертикальное отклонение) И оно, это отклонение максимально на полюсах и сходит на нет на экваторе.
Если, конечно, на полюсах он имеет смысл.(ведь на С полюсе  нет направления на север, как и Ю полюсе нет направления на юг.)
Проблема для полюсов разрешается просто: (так называемое) п-движение на полюсах эквивалентно м-движению, поэтому результат получается такой же, как и при обычном м-движении на полюсах - отклонение вправо на 90 о, независимо от полушария и направления (ведь все направления на полюсах - в одну сторону)

Всё это вместе взятое порождает цепочку причин и следствий влияния СК на движущий в горизонтальной плоскости объект в виде закручивания его движения в СП по часовой стрелке, в ЮП – против часовой. Таким образом, казалось бы, СК сама по себе может породить антициклон (но только в СП) или циклон (то только в ЮП)
Однако как циклоны, таки антициклоны возникают в обоих полушариях. Спрашивается тогда, действительно порождаемое только СК образование является циклоном?

Кроме того, для этого образование непонятно, какое же давление, низкое или высокое будет в его центре? Ибо не просматривается причин для возникновения перепада давлений в центре и на периферии этого образования. Но .. ведь именно перепад давлений и является движущей силой ветра, то есть движения ВМ. Что же отсюда следует?
Что в настоящем циклоне воздух как бы втекает с периферии в его центр, а в антициклоне – вытекает из центра. Как бы – это потому, что не может воздух бесконечно втекать или вытекать из точки, поэтому на самом деле он куда-то из этой точки девается или откуда-то в неё приходит. И это куда-то и откуда-то добавляет еще одну степень свободы в нашу систему координат, а именно высоту.
А именно, в циклоне из центра воздух идёт вверх, а в антициклоне приходит в центр сверху.

Вот еще что интересно: на тропических широтах диаметр (и время жизни) циклонов и антициклонов меньше, чем на средних широтах (а вот скорость ветра – существенно больше!), тогда как над океанами и вовсе имеют место стабильные (то есть неразрушаемые) антициклоны и циклоны. Это опять же говорит о том, что в образовании истинных циклонов принимает участие не только СК.

Итак, с помощью СК удаётся объяснить возниковение воздушных барических образований, только поверхностно эквивалентных реальным циклонам и антициклонам.(назовём их кольцами)
Ведь, тогда как в этих образованиях линии тока воздуха являются (концентрическими) окружностями, в истинных циклонах и антициклонах линии тока - спирали Архимеда.(это если смотреть сверху, а сбоку - это винтовые линии.)
Но может быть кольца имеют место в атмосфере наряду с циклонами?

Почему же в истинных циклонах и АЦ воздух движется не по окружности, а по спирали Архимеда? В этом принимает участие еще один фактор – сила трения о подстилающую поверхность (то есть поверхность планеты, над которой движутся воздушные массы (далее ВМ): море, равнина, горы) Сила трения, будучи направлена противоположно вектору скорости, при условии отсутствия СК (а это так на экваторе) будет направлена и противоположно силе барического градиента (далее СБГ), поэтому на экваторе ветер дует строго перпендикулярно изобарам (линиям равного давления на данном уровне)
При условии отсутствия же силы трения силе барического градиента противодействует только СК,  а так как последняя направлена перпендикулярно скорости, то ветер в этом случае дует точно вдоль изобары (это  так называемый геострофический ветер). (такое имеет место над морем, на большой высоте от поверхности Земли (метеорологи называют это свободной атмосферой) или на полюсе. И 1-ые 2 случая получаются из-за того, что в них сила трения пренебрежимо мала, тогда как 3-ий случай возникает из-за того, что на полюсе СК достигает наибольшего значения, поэтому подавляет силу трения, и особенно над водной гладью)
И отсюда понятно, что барические образования, выше названные кольцами  (или что-то похожее на них, а именно циклоны и АЦ с очень-очень малым шагом соответственно схождения или расхождения), всё-таки имеют место быть при геострофическом ветре. (то есть над водной гладью, в свободной атмосфере или на полюсе)

Если же на ВМ действуют все 3 упомянутые сил, то получается нечто среднее: ветер дует под острым углом к изобарам, причем тем меньшим, чем больше широта данной точки Земли. Именно это и заставляет воздух как в циклоне так и в АЦ двигаться по соответственно сходящейся или расходящейся спирали Архимеда.

Наконец, если на ВМ действует только СБГ (а это так и есть на экваторе, но только над морем или в свободной атмосфере), то ветер дует перпендикулярно изобарам и может разгоняться до существенно бОльших скоростей, чем на средних широтах (что и объясняет существование в тропической (то есть приэкваториальной) зоне ураганов и тайфунов. Но скорость ветра в них всё-таки ограничена, а именно в результате увеличения силы трения даже над морем вследствие возникающего сильного волнения моря.)

Какие силы заставляют воздух из центра циклона подниматься вверх, а в центр антициклона спускаться вниз?
Надо думать, это то, что в циклоне при движении воздуха с периферии к центру давление в центре постепеннно повышается, вследствие чего центральный воздух вытесняется вверх. Поэтому в циклоне:
1)на периферии внизу давление максимально.
2)в центре внизу – меньше, но среднее.
3)в центре вверху – еще меньше, но не минимальное.
4)на периферии вверху – минимальное.
Похожие градации давления имеют место и в антициклоне, но в обратной последовательности. (поэтому общепринятые эквиваленты понятий циклон и антициклон как область низкого давления и область высокого давления – не совсем корректны.)

***
Итак все вопросы о механизме возникновения циклонов и АЦ исчерпаны.
(за исключением, правда, вопроса о механизме возникновения циклона в северном полушарии и антициклона в южном. Ибо принимая во внимание только силу барического градиента, силу Кориолиса и силу трения о подстилающую поверхность невозможно это сделать, для этого нужны еще какие-то факторы.)
Осталось ответить на вопросы об их влиянии на погоду.

Во-первых, теперь понятно: выпадение осадков случается в связи с подъёмом влажного воздуха, в связи с чем он охлаждается, и если при этом достигается точка росы, то образуется конденсат, который и выпадает на землю в виде осадков. В каких же барических образованиях имеет место восходящее движение воздуха? В циклонах,  (барических) ложбинах и, видимо, в низких секторах (барических же) седловин.(то есть областях низких давлений, замкнутых или открытых, не важно). Ибо, стекаясь (с периферии) к центру циклона или оси ложбины, воздух скапливается в них и поэтому вынужден подниматься вверх. А этот подъём и обеспечивает его охлаждение и выпадение осадков. (и это имеет место в особенности в центре циклона)
Но это происходит, повторюсь, только при достижении точки росы (которая, как известно из курса физики, зависит от исходной влажности и температуры воздуха) Что же будет, если в результате охлаждения точка росы не будет достигнута? Увеличится облачность, т.к. облака – это образования из взвешенных в атмосфере мельчайших капелек конденсата, которым не удаётся упасть на землю, т.к. падая, они нагреваются (при отсутствими, конечно, температурной инверсии, то есть падения температуры при уменьшении высоты. Что, как бы, считается аномалией, но иногда случается), а поэтому вновь превращаются в пар. Далее поднимаясь опять вверх, поэтому опять охлажадаясь и конденсируясь, снова падают и т.д. и т.п.

Что же даёт антициклон в плане предсказания погоды? Это хорошо иллюстрирует рисунок, приведённый в заголовке статьи. Рассмотрим, о чём он говорит.
А он говорит, что в центре антициклона всегда тихо (безветренно) и безоблачно, на севере от центра ясно (то есть безоблачно), на западе от центра – легкие перистые облака, на северо-западе – холодно зимой, жарко летом, на северо-востоке – облачно зимой (куевые облака), ясно летом, на юго-востоке – ясно и холодно зимой, жарко летом, на юго-западе – ясно, холодно зимой, очень жарко летом.
Какая же здесь закономерность?

В центре антициклона нет ветра и нет облаков. Почему?
Нет ветра потому, что в центре антициклона (и его (ближайшей) окрестности) существует исключительно вертикальный барический градиент. (то есть движущаяя сила ветра) Поэтому, по крайней мере в приземном слое, ветер (то есть горизонтальное движение ВМ) отсутствует.
А нет облаков потому, что по вертикальной оси антициклона происходит опускание воздуха;что вызывает его нагрев, а поэтому, даже при исходно довольно влажном воздухе отодвигает его от точки росы. Что исключает даже повышение облачности.

Почему же на севере от центра антициклона (по-прежнему) ясно? Но отнюдь, видимо, не безветренно.То есть хотя какой-то ветер всё же есть? Конечно, есть, и это периферическое движение воздуха по часовой стрелке и от центра (линии тока в антициклоне представляют из себя расходящуюся спираль Архимеда), которое, по идее, при увеличении расстояния от центра сначала усиливается, а потом ослабляется
(ибо антициклон имеет размеры, пусть и измеряемые тысячами км на средних широтах и сотнями км вблизи экватора. В связи с этим вопрос: а как определяются размеры циклона и антициклона? А до тех пор, пока изобары продолжают «нанизываться» на одну ось.)
(иначе говоря, изобарические поверхности антициклона представляют из себя соединение параболоида вращения сверху и гиперболоида вращения снизу, которое до сих пор не получило ни названия ни функции, график которой отображает форму этих поверхностей)
)
А ясно, но не по-прежнему – потому, что облачность по-прежнему низка, но по мере удаления от центра антициклона усиливается. Почему? Наверно, потому, что исходная температура воздуха при удалении от центра антициклона падает, поэтому запас по необразованию облаков (расстояние от точки росы) тоже падает.

Но почему температура на расстоянии от центра антициклона падает? Может, потому, что падает давление воздуха? При этом, кстати, относительная влажность тоже растёт, поэтому температура воздуха, может, даже не в счёт. Ибо увеличение относительной влажности – приближает точку росы. Вот почему при удалении от центра антициклона облачность растёт, как и выпадение осадков. Но, если они уж совсем развеселись, то тут и антициклону конец.

А вот на северо-востоке от центра АЦ – облачно зимой, ясно летом. (про температуру и ветренность ничего не сказано, поэтому, видимо, они в пределах нормы, то есть их среднего уровня) Отчего же здесь зимой  облачность повышается, по сравнению с центром АЦ? Зима отличается от лета бОльшим расстоянием Земли от Солнца, в результате чего, особенно на средних широтах, воздух имеет приобретает меньшую температуру, чем летом. Что, при неизменной абсолютной его влажности, повышает его относительную влажность, то есть приближает точку росы. Оттого и облачность зимой растёт, но всё же не доходит до осадков.

Что же на северо-западе от центра АЦ? Холодно зимой, жарко летом, то есть имеет место температура ниже средней зимой и выше средней летом. (при этом об облачности ни слова, поэтому она, видимо, находится на среднем уровне для данного места и времени года) Почему же случается такое отклонение температуры от средних значений?
Потому что ощущение человеком температуры (холодно-жарко) зависит на самом деле не только собственно от температуры воздуха, но и от его влажности: чем больше влажность воздуха, тем более холодно зимой и более жарко летом. Почему это так? Потому что водяной пар обладает существенно большей теплоёмкостью, чем сухой воздух, отсюда и теплоёмкость влажного воздуха – больше теплоёмкости сухого воздуха, и тем больше, чем больше влажность. А именно теплоёмкость смежного (с кожей человека) материала и создаёт ощущение охлаждения или нагревания, потому что это ощущение – зависит от теплового потока, от кожи к материалу. А тепловой поток, который при это возникает – зависит не только от разности температур, но и от разности теплоёмкостей.

Итак, получается, что вышеупомянутое явление (холодно зимой, жарко летом) может быть объяснено повышенной влажностью воздуха на северо-западе от центра АЦ. Но чем может быть объяснена эта повышенная влажность на западе? Только близостью открытых водных пространств. Отсюда понятно, что такое явление на самом деле зависит от расположения центра АЦ. А именно, если на западе от него есть открытые водные пространства, то так и будет. (а  если иначе, то будет по-другому) А рассматриваемая карта погоды составлена как раз для этого случая.

Данную гипотезу подтверждает и тот факт, что на юго-западе от центра АЦ – ясно, холодно зимой, очень жарко летом. Ибо очень жарко летом – это опять же:
1)следствие близости открытого водного пространства,
2)смещения на юг, то ближе к экватору.
А некоторое прояснение зимой (то есть некоторое понижение облачности относительно среднего значения, но не очень большое) – объясняется опять же смещением ближе к экватору, а значит, повышением средней температуры, что и влечёт за собой отдаление точки росы призаданной абсолютной влажности.

Теперь осталось объяснить, почему на юго-востоке от центра АЦ – ясно, холодно зимой, жарко летом. Понятно, что для данного случая (море на западе от центра циклона) это легко объяснить: при смещении на восток влажность воздуха падает, а поэтому:
1)слегка проясняется
2)ощущение жары летом спадает.

А что на юге от центра АЦ (в данном случае) – на рисунке не показано. Видимо, еще более ясная погода, чем в центре (потому что здесь температура выше. Но это точно может быть только вблизи экватора. А на средних широтах – еще надо посмотреть.) А что касается температуры – она может быть еще выше, чем на средней западо-восточной линии циклона.(и хоть зимой, хоть летом)

Что же происходит в плане погодных явлений в центре и по разным сторонам от центра циклона, предоставляем разобрать заинтересованному читателю.