Антициклоны – область повышенного атмосферного давления с замкнутыми концентрическими изобарами на уровне моря и с циркуляцией воздуха от центра по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном.

Давление в центре антициклона иногда достигает 1060– 1070 гПа (над Азией зимой), но обычно оно ниже. Нередко антициклон бывает многоцентровым. Горизонтальные барические градиенты в антициклонах, как правило, меньше, чем в циклонах. Это объясняется большими горизонтальными (до 4000 км) размерами антициклонов. Центральные части антициклонов характеризуются штилевой погодой. Однако в северной части Тихого океана антициклоны в осенне-зимний период могут иметь сильный (до штормового) ветер.

Различают промежуточные антициклоны между циклонами циклонических серий и заключительные между циклоническими сериями. Скорость перемещения подвижных антициклонов составляет обычно 30–40 км/ч. Перемещаясь в общем с запада на восток, антициклоны отклоняются (сепарируются от циклонов) к низким широтам. Обычно подвижный антициклон с холодной передней (восточной) периферией и теплой тыловой (западной)" частью, прогреваясь и усиливаясь, превращается со временем в теплый, высокий и малоподвижный антициклон. Этот процесс чаще всего происходит в низких широтах, где формируются мощные, высокие и теплые субтропические антициклоны. Стабилизация антициклонов происходит и в средних, и в высоких широтах.

В этом случае высокие блокирующие антициклоны нарушают общий западно-восточный перенос. Именно устойчивые, малоподвижные антициклоны являются наиболее важными очагами формирования воздушных масс.

Особенности строения антициклона.

В центре барического максимума имеется одна или несколько точек с наивысшим давлением. Обычно оно находится в пределах от 1000 до 1035 гПа. Были случаи, когда давление повышалось до 1080 гПа. Размеры барического максимума измеряются наибольшим расстоянием между точками, находящимися на внешней замкнутой изобаре. Наиболее часто это 2-3, но может быть и до 4-х и более тыс. км. Как правило, в антициклонах расстояния между изобарами больше, чем в циклонах. В центральных частях антициклонов барический градиент небольшой, в соответствии, скорости ветра там маленькие. Барические градиенты увеличиваются к периферии антициклона.

В отличие от циклонов, через центр антициклонов фронты на приземной карте не проходят. Как известно, антициклоны являются областями дивергенции воздушных течений. Воздух оттекает во все стороны от центра антициклона. Это исключает возможность сближения различных воздушных масс. Линия фронта может проходить лишь по окраине антициклона или пересекать его гребень приблизительно перпендикулярно оси гребня.

11. Стадии развития антициклона.

Возникновение и развитие антициклонов тесно связано с развитием циклонов, т.е. с процессом циклогенеза тесно связан и механизм развития антициклонов. По существу это единый процесс, связанный с длинными волнами на стационарном фронте.

Антициклоны зарождаются в гребнях сверхдлинных атмосферных волн на малоподвижном фронте. Анализ синоптических ситуаций показывает, что промежуточные антициклоны зарождаются в холодной воздушной массе за холодным фронтом последнего в серии циклона. В центральных частях антициклонов атмосферные фронты проходить не могут, хотя некоторая температурная асимметрия в них сохраняется. На перифериях антициклонов могут проходить линии атмосферных фронтов.

Заключительный антициклон в отличие от промежуточных, проходит все стадии развития: начальную (возникновения или зарождения), молодого антициклона, стадию максимального развития и стадию разрушения. В двух первых стадиях антициклон на приземной карте погоды представляет собой гребень за холодным фронтом, в центральной части которого появляются замкнутые изобары. Он является низким холодным барическим образованием. В его тыловой части наблюдается адвекция тепла, а в передней адвекция холода.

Область роста давления у поверхности земли охватывает центральную и переднюю части антициклона. Эти факторы (адвекция тепла и холода, и рост давления) способствуют продолжению антициклогенеза. В стадии максимального развития антициклон у поверхности земли очерчивается уже несколькими замкнутыми изобарами. При этом, в первых трех стадиях антициклон перемещается с ведущим потоком на восток. Антициклоны в северном полушарии отклоняются к югу (в южном полушарии – к северу). Они вторгаются в более низкие широты в тылу циклонов за холодными фронтами. Сначала это перемещение довольно быстрое, но по мере старения антициклон уменьшается.

Тот, кто ежедневно имеет дело с синоптическими картами, может заметить, что давление воздуха непрерывно изменяется как во времени, так и в пространстве, а связанные с ним барические системы (циклоны и антициклоны) непрерывно перемещаются, изменяют свои размеры и интенсивность, возникают заново и исчезают. С циклонами и антициклонами связаны определенные системы воздушных течений, распределение температуры, облачности, осадков и т. д., т.е. им принадлежит основная роль в формировании погоды над обширными районами океанов. Учитывая это, нам необходимо познакомиться с самыми общими сведениями о циклонах и антициклонах.

2.9.1. Циклоны

Воздушные вихри с вращательным движением воздуха в северном полушарии против часовой стрелки, в южном - по часовой стрелке называются циклонами. Размеры циклонов изменяются в очень широких пределах - от 100 до 1700 м.миль, над океанами их размеры бывают и больше. Обычно средний диаметр циклона 600 м. миль. Наиболее обширные и глубокие циклоны над океанами наблюдаются на севере Атлантического океана, в районе Девисова пролива, Исландии и на севере Великобритании, а на севере Тихого океана - в районе Камчатка - Аляска. В южном полушарии циклоны наблюдаются вокруг Антарктиды в зоне 55 и 65° ю. ш.

Давление в центре циклона (глубина циклона) зависит от стадии его развития и изменяется от 1010 до 970 мбар, более низкое давление во внетропических циклонах встречается редко.

Ветер в циклоне у поверхности океана дует в направлении против движения часовой стрелки (в южном полушарии, по часовой стрелке), отклоняясь от изобары в сторону низкого давления в среднем на 10-15°.

Градиент давления от центра циклона к его периферии сначала возрастает, а затем начинает убывать. Наибольшие барические градиенты чаще наблюдаются в передней и тыловой частях циклона, обычно в южном и западном квадрантах. В соответствии с этим скорость ветра в циклоне меняется в широких пределах. В самом центре циклона ветер слабый, нередко здесь наблюдается штиль. Во внутренней части циклона, особенно в южной и западной четвертях, ветер наиболее сильный. К периферии скорость его ослабевает.

Температура воздуха в циклоне зависит от стадии его развития: в начальной стадии температура воздуха в северной половине циклона ниже, чем в южной, так как через централь- ную его часть в этой стадии развития проходит фронт, разделяющий холодную массу воздуха от теплой.

По мере развития циклона холодный воздух вытесняет теплый из южной половины циклона, и в конце своего развития в стадии окклюдирования холодный воздух занимает всю область циклона. Обычно с циклоном связана пасмурная, дождливая погода.

Перемещение циклонов чаще всего, особенно над океанами, происходит с юго-запада и запада на северо-восток и восток. Перемещение циклонов с севера на юг и с юга на север над океанами наблюдается значительно реже. Аномальное движение циклонов с востока на запад встречается очень редко. Повторяемость циклонов зависит от времени года и географического района. В среднем над океанами повторяемость циклонов зимой больше, чем летом, но эти сезонные различия невелики. На рис. 21 показаны основные пути циклонов.

Рис. 21. Основные траектории движения циклонов.

Скорость перемещения циклонов меняется в очень широких пределах. Средняя скорость перемещения циклонов составляет 20 уз, иногда достигает 50 уз, но нередки случаи, когда в течение нескольких суток циклоны остаются в пределах одного и того же района, т. е. являются малоподвижными.

2.9.2. Антициклон

На карте погоды антициклоны выглядят как более или менее округлые области повышенного давления с вращательным движением воздуха в северном полушарии по часовой, а в южном против часовой стрелки.

Антициклоны занимают огромные площади материка или океана. Особенно больших размеров достигают антициклоны в зимние месяцы на материках, а в летние - в субтропических районах Тихого и Атлантического океанов.

Давление в центре антициклона в большинстве случаев составляет 1020-1030 мбар. Лишь в отдельных случаях давление в центре антициклона над океаном превышает 1040 мбар.

Градиенты давления небольшие, особенно в центральной части антициклона. К периферии они возрастают и иногда достигают значительных величин. В соответствии с этим ветры в центральной части антициклона слабые, часто наблюдается штиль; на периферии ветры заметно сильнее. Ветер дует по направлению часовой стрелки (в южном полушарии - против часовой стрелки), отклоняясь от изобары в сторону низкого давления в среднем на 15-20°. Наибольшие скорости ветра чаще всего наблюдаются в передней, обычно северо-восточной, части антициклона, наименьшие - в тыловой, обычно западной части.

Из-за указанного распределения воздушных течений температура воздуха в восточной части антициклона ниже, чем в западной. Разница в среднем составляет 3°С. В центральной части антициклона наблюдается безоблачная или малооблачная сухая погода.

Основные пути перемещения антициклонов проходят с запада на восток с небольшой южной составляющей (рис. 22). Повторяемость антициклонов в теплую половину года над океанами больше, чем в холодную.

Скорость перемещения антициклонов немного меньше, чем циклонов (в среднем 17-18 уз), но в отдельных случаях достигает 45 уз. По мере развития антициклона скорость его перемещения постепенно уменьшается, и он становится малоподвижным.

2.9.3. Тропические циклоны

Это сравнительно небольшие по размерам интенсивные атмосферные вихри с низким давлением в центре и ветрами ураганной силы, возникающие и развивающиеся в тропических широтах океана.

Тропические циклоны по сравнению с циклонами умеренных широт имеют небольшие размеры и характеризуются симметричным облачным массивом относительно своего центра.

Диаметр облачного массива колеблется от 80 до 800 км, иногда достигает 1000 км. При приближении тропического циклона вначале на расстоянии около 1000 км появляются тонкие просвечивающие перистые облака, как бы расходящиеся из одной точки. Постепенно перистые облака затягивают все небо и сменяются более низкими плотными облаками слоистых и кучевых форм, за которыми следуют мощные кучево-дождевые облака, переходящие в темную стену грозовых облаков. Интересной особенностью тропического циклона является наличие в его центре зоны тихой и почти безоблачной погоды, называемой «глазом бури». Диаметр «глаза бури» в среднем не превышает 30 км. От взаимодействия приходящих в эту зону циклона волн образуется толчея и взбросы воды, иногда достигающие высоты 20 м.

Рис. 22. Основные траектории движения антициклонов.

Отличительной чертой тропических циклонов, кроме ураганных ветров, является выпадение огромного количества осадков (200-400 мм/сут), причем наибольшее количество выпадает из мощных кучево-дождевых облаков, кольцом окружающих «глаз бури». Максимальное их количество выпало в течение суток на Филиппинских островах (в Маниле 1168 мм), что в два-три раза превышает среднее годовое количество осадков в большинстве районов умеренных широт (в Москве 587 мм).

Глубина тропического циклона, т. е. давление в его центре изменяется в широких пределах - от 900 до 1005 мбар, в отдельных случаях до 885 мбар. При небольших размерах тропического циклона и очень низком давлении в его центре отмечаются большие градиенты давления, вызывающие ветры ураганной силы. В среднем скорость ветра составляет 40-60 м/с, но нередко достигает 80 м/с. Наибольшая скорость ветра (113 м/с, т.е. 226 уз) была зарегистрирована в тайфуне Ида (сентябрь 1958 г.).

На поверхности океана при прохождении тропического циклона из-за ураганной силы ветра и значительных изменений атмосферного давления развиваются гигантские ветровые волны (высота их 14-16 м). Одновременно с ветровыми волнами образуются волны зыби, распространяющиеся во всех направлениях от центра тропического циклона.

Таблица 3

С момента возникновения тропический циклон перемещается, как правило, с востока на запад (реже на северо-запад) в северном полушарии и на юго-запад - в южном полушарии. Скорость перемещения при этом невелика (5-10 уз). Когда циклон достигает широты 20-30°, направление смещения резко меняется на северное или чаще на северо-восточное (в южном полушарии на юго-восточное), а скорость быстро возрастает, в среднем до 20 уз, иногда достигает 50 уз.

Тропические циклоны возникают в определенных районах Мирового океана и в зависимости от района носят местные названия (табл. 3).

Тропическим циклонам, кроме местных названий, присваивают имена. Использование имен при передаче сведений о тропических циклонах более удобно и исключает путаницу в тех случаях, когда одновременно наблюдаются в одном районе два или несколько тропических циклонов. Тайфунам, помимо имен, присваивается номер. Первые две цифры номера обозначают год, а последние две цифры - порядковый номер тайфуна в этом году. Так, номер 7615 означает, что тайфун наблюдался в 1976 г. и является 15-м с начала года.

Тропические циклоны в своем развитии имеют несколько стадий. Согласно классификации Всемирной метеорологической организации (ВМО), каждая стадия развития тропического циклона характеризуется определенной градацией скорости ветра и имеет свое название (табл. 4).

Таблица 4

Наиболее часто тропические циклоны возникают в теплое время года - с июля по октябрь. Продолжительность жизни тропического циклона от момента зарождения до выхода на сушу или в умеренные широты в среднем около шести суток. В течение года за период с 1956 по 1965 г. над северным полушарием в среднем возникло 52, а над южным- 18 тропических циклонов. Пути тропических циклонов показаны на рис. 23.

Рис. 23. Основные районы возникновения и пути движения тропических циклонов.

2.9.3.1. Признаки приближения тропического циклона

Если по каким-либо причинам на судно не принято предупреждение от ближайшего (или ближайших) метеорологического центра о тропическом циклоне, то его приближение к району плавания можно определить по следующим признакам:

1. По падению атмосферного давления более чем на 3 мбар в сутки.

2. По подходу крупной зыби. При медленном движении тропического циклона, волны зыби могут наблюдаться за один- два дня до его прихода. Если направление распространения волн зыби остается постоянным, то тропический циклон смещается непосредственно на район местонахождения судна. Если направление распространения волн зыби изменяется против часовой стрелки, то центр тропического циклона пройдет справа налево, если же по часовой стрелке, то он пройдет слева направо.

3. По появлению перистых облаков, вытянутых u-образны- ми полосами, причем, они не исчезают после захода и восхода солнца и бывают эффектно окрашены. Если направление полос перистых облаков не меняется с течением времени и суточный ход атмосферного давления нарушен, то тропический циклон движется на район нахождения судна. Если точка сходимости полос перистых облаков перемещается и атмосферное давление незначительно падает, не нарушая суточного хода, то тропический циклон пройдет мимо.

4. По установлению очень знойной и душной погоды с безоблачным небом и отличной видимостью.

2.9.3.2. Правила расхождения с тропическим циклоном

В каком бы положении по отношению к тропическому циклону судно не находилось, важно избежать попадания в его центральную часть (50 миль от центра). Лучше всего следовать по периферии тропического циклона, на расстоянии 500 миль от его центра. Для этого рекомендуется применять маневр «отворачивай навстречу» (рис. 24), что позволит пройти на безопасном расстоянии от центральной части тропического циклона.

Вперед
Оглавление
Назад

Кратковременные процессы ветрообразования

К формированию ветров приводят также и кратковременные процессы, которые, в отличие от преобладающих ветров, не являются регулярными, а происходят хаотически, часто в течение определенного сезона. Такими процессами является образование циклонов , антициклонов и подобных им явлений меньшего масштаба, в частности гроз.

Циклон Катарина в Южной Атлантике. 26 марта 2004 года

Циклонами и антициклонами называют области низкого или, соответственно, высокого атмосферного давления, обычно такие, которые возникают на пространстве размером свыше нескольких километров. На Земле они образуются над большей частью поверхности и характеризуются типичной для них циркуляционной структурой. Из-за влияния силы Кориолиса, в Северном полушарии движение воздуха вокруг циклона вращается против часовой стрелки, а вокруг антициклона — по часовой стрелке. В Южном полушарии направление движения обратное. При наличии трения о поверхность, появляется компонента движения к центру или от центра, в результате воздух движется по спирали к области низкого или от области высокого давления.

Циклон

Цикло́н (от др.-греч. κυκλῶν — «вращающийся») — атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

Движение воздуха (пунктирные стрелки) и изобары (непрерывные линии) в циклоне в северном полушарии

Воздух в циклонах циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.

Схематическое изображение процесса образования циклонов (чёрные стрелки) из-за вращения Земли (синие стрелки)

Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.

Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические . Первые образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.

Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также т. н. «глаз бури» — центральная область диаметром 20—30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.

Циклоны в атмосфере Сатурна. Фотография зонда Кассини

Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном. Однако циклоны в атмосферах других планет изучены недостаточно.

Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера (снимок «Вояджера-1»)

Большое Красное Пятно представляет собой гигантский ураган-антициклон, размерами 24—40 тыс. км в длину и 12—14 тыс. км в ширину (существенно больше Земли). Размеры пятна постоянно меняются, общая тенденция — к уменьшению; 100 лет назад БКП было примерно в 2 раза больше и значительно ярче. Тем не менее, это самый большой атмосферный вихрь в Солнечной системе.

Цветная анимация передвижения БКП

Большое тёмное пятно в атмосфере Нептуна

Тёмное, эллипсовидное пятно (13000 км × 6600 км) по размерам напоминало Землю. Вокруг пятна скорость ветра достигала 2400 км/ч, что являлось наибольшим показателем во всей Солнечной системе. Полагают, что пятно представляло собой дыру в метановых облаках Нептуна. Большое тёмное пятно постоянно меняет свою форму и размер.

Большое Темное Пятно

Внетропический циклон

Циклоны, которые формируются за пределами тропического пояса, известны как внетропические. Из двух типов крупномасштабных циклонов, они больше по размеру (классифицируются как синоптические циклоны), наиболее распространены и встречаются на большей части земной поверхности. Именно этот класс циклонов в наибольшей степени отвечает за изменения погоды день за днём, а их предсказание является главной целью современных прогнозов погоды.

Согласно классической (или норвежской) модели Бергенской школы, внетропические циклоны формируются преимущественно вблизи полярного фронта в зонах особенно сильного высотного струйного течения и получают энергию за счет значительного температурного градиента в этом районе. В процессе формирования циклона стационарный атмосферный фронт разрывается на участки теплого и холодного фронтов, движущихся друг к другу с формированием фронта окклюзии и закручиванием циклона. Подобная картина возникает и по более поздней модели Шапиро-Кейзера, основанной на наблюдении океанских циклонов, за исключением длительного движения теплого фронта перпендикулярно к холодному без образования фронта окклюзии.

Норвежская модель и модель Шапиро-Кейзера формирования внетропического циклона

После формирования, циклон обычно существует несколько дней. За это время он успевает продвинуться на расстояние от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, вызывая резкие смены ветров и осадков в некоторых районах своей структуры.

Хотя большие внетропические циклоны обычно ассоциированы с фронтами, меньшие по размеру циклоны могут образовываться в пределах сравнительно однородной воздушной массы. Типичным примером являются циклоны, которые формируются в потоках полярного воздуха в начале формирования фронтального циклона. Эти небольшие циклоны имеют название полярных и часто возникают над приполярными районами океанов. Другие небольшие циклоны возникают на подветренной стороне гор под действием западных ветров умеренных широт.

Внетропический циклон — циклон, формирующийся в течение года во внетропических широтах каждого полушария. За 12 месяцев их может быть множество сотен. Размеры внетропических циклонов весьма значительны. Хорошо развитый циклон может иметь в поперечнике 2-3 тыс. км. Это значит, что он может одновременно покрывать несколько областей России или провинций Канады и определять режим погоды на этой огромной территории.

Распространение внетропического циклона

Вертикальное распространение (вертикальная мощность) циклона меняется по мере его развития. В первое время циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы. Распределение температуры в первой стадии жизни циклона, как правило, асимметрично относительно центра. В передней части циклона, с притоком воздуха из низких широт, температуры повышены; в тыловой, с притоком воздуха из высоких широт, напротив, понижены. Поэтому с высотой изобары циклона размыкаются: над тёплой передней частью на высотах обнаруживается гребень повышенного давления, а над холодной тыловой — ложбина пониженного давления. С высотой это волнообразование, искривление изобар или изогипс всё более сглаживается.

Видео, показывающее развитие внетропического циклона

Но при последующем развитии циклон становится высоким, то есть замкнутые изобары обнаруживаются в нём и в верхней половине тропосферы. При этом температура воздуха в циклоне в общем понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью более или менее сглаживается: высокий циклон является в общем холодной областью тропосферы. Возможно и проникновение циклона в стратосферу.

Тропопауза над хорошо развитым циклоном прогнута вниз в виде воронки; сначала это понижение тропопаузы наблюдается над холодной тыловой (западной) частью циклона, а потом, когда циклон становится холодным во всей своей области, снижение тропопаузы наблюдается над всем циклоном. Температура нижней стратосферы над циклоном при этом повышена. Таким образом, в хорошо развитом высоком циклоне наблюдается над холодной тропосферой низко начинающаяся тёплая стратосфера.

Температурные контрасты в области циклона объясняются тем, что циклон возникает и развивается на главном фронте (полярном и арктическом) между воздушными массами разной температуры. В циклоническую циркуляцию втягиваются обе эти массы.

В дальнейшем развитии циклона тёплый воздух оттесняется в верхнюю часть тропосферы, над холодным воздухом, и сам подвергается там радиационному выхолаживанию. Горизонтальное распределение температуры в циклоне становится более равномерным, и циклон начинает затухать.

Давление в центре циклона (глубина циклона) в начале его развития ненамного отличается от среднего: это может быть, например, 1000—1010 мб. Многие циклоны не углубляются более чем до 1000—990 мб. Сравнительно редко глубина циклона достигает 970 мб. Однако в особенно глубоких циклонах давление понижается до 960—950 мб, а в отдельных случаях наблюдалось и 930—940 мб (на уровне моря) с минимумом 925 мб в северном полушарии и 923 мб в южном полушарии. Наиболее глубокие циклоны наблюдаются в высоких широтах. Над Беринговым морем, например, в одной трети всех случаев глубина циклонов зимой от 961 до 980 мб.

Вместе с углублением циклона растут скорости ветра в нём. Ветры иногда достигают штормовых скоростей на больших территориях. В циклонах южного полушария это бывает особенно часто. Отдельные порывы ветра в циклонах могут достигать 60 м/сек, как это было 12 декабря 1957 г. на Курильских островах.

Жизнь циклона продолжается несколько суток. В первой половине своего существования циклон углубляется, во второй — заполняется и, наконец, исчезает вовсе (затухает). В некоторых случаях существование циклона оказывается длительным, особенно если он объединяется с другими циклонами, образуя одну общую глубокую, обширную и малоподвижную область низкого давления, так называемый центральный циклон . Они в северном полушарии чаще всего образуются в северных частях Атлантического и Тихого океанов. На климатологических картах в этих районах отмечаются известные центры действия — исландская и алеутская депрессии.

Уже заполнившись в нижних слоях, циклон может ещё некоторое время сохраняться в холодном воздухе верхних слоёв тропосферы в виде высотного циклона .

Тропический циклон

Схема тропического циклона

Циклоны, которые образуются в тропическом поясе, несколько меньше внетропических (они классифицируются как мезоциклоны ) и имеют другой механизм происхождения. Эти циклоны питаются энергией, получаемой за счет подъема вверх теплого влажного воздуха и могут существовать исключительно над теплыми районами океанов, из-за которых имеют название циклонов с теплым ядром (в отличие от внетропических циклонов с холодным ядром). Тропические циклоны характеризуются очень сильным ветром и значительным количеством осадков. Они развиваются и набирают силу над поверхностью воды, но быстро теряют её над сушей, из-за чего их разрушительный эффект обычно проявляется лишь на побережье (до 40 км вглубь суши).

Для образования тропического циклона необходим участок очень теплой водной поверхности, нагрев воздуха над которой приводит к снижению атмосферного давления минимум на 2,5 мм рт. ст. Влажный теплый воздух поднимается вверх, но из-за его адиабатического охлаждения значительное количество удерживаемой влаги конденсируется на больших высотах и выпадает в виде дождя. Более сухой и таким образом более плотный воздух, что только что освободился от влаги, опускается вниз, формируя зоны высшего давления вокруг ядра циклона. Этот процесс имеет положительную обратную связь, вследствие чего, пока циклон находится над довольно теплой водной поверхностью, что поддерживает конвекцию, он продолжает усиливаться. Хотя чаще всего тропические циклоны образуются в тропиках, иногда признаки тропического циклона приобретают циклоны другого типа на поздних этапах существования, как это случается с субтропическими циклонами.

Тропический циклон — тип циклона, или погодной системы низкого давления, что возникает над теплой морской поверхностью и сопровождается мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы. Тропические циклоны получают энергию от поднятия влажного воздуха вверх, конденсации водяных паров в виде дождей и опускания более сухого воздуха, что получается в этом процессе, вниз. Этот механизм принципиально отличается от механизма внетропических и полярных циклонов, в отличие от которых тропические циклоны классифицируются как «циклоны с теплым ядром».

Термин «тропический» означает как географический район, где в подавляющем большинстве случаев возникают подобные циклоны, то есть тропические широты, так и формирование этих циклонов в тропических воздушных массах.

На Дальнем Востоке и в Юго-Восточной Азии тропические циклоны называются тайфунами , а в Северной и Южной Америке — ураганами (исп. huracán , англ. hurricane ), по имени майянского бога ветра Хуракана. Принято считать, согласно шкале Бофорта, что шторм переходит в ураган при скорости ветра более 117 км/ч.

Тропические циклоны способны вызвать не только чрезвычайной силы ливни, но и большие волны на поверхности моря, штормовые приливы и смерчи. Тропические циклоны могут возникать и поддерживать свою силу только над поверхностью крупных водоемов, тогда как над сушей они быстро теряют силу. Именно поэтому прибрежные районы и острова в наибольшей степени страдают от вызванных ими разрушений, тогда как районы в глубине материков находятся в относительной безопасности. Однако вызванные тропическими циклонами ливневые дожди могут вызвать наводнения значительных масштабов несколько дальше от побережья, на расстоянии до 40 км. Хотя эффект тропических циклонов на человека часто бывает очень негативным, значительные количества воды могут прекращать засухи. Тропические циклоны переносят большое количество энергии от тропических широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. Благодаря им разница в температуре на различных участках поверхности Земли уменьшается, что позволяет существование более умеренного климата на всей поверхности планеты.

Много тропических циклонов образуются при благоприятных условиях из слабых атмосферных волнений, на возникновение которых влияют такие эффекты, как осцилляция Маддена-Джулиана, Эль-Ниньо и североатлантическая осцилляция.

Осцилляция Маддена-Джулиана — колебания свойств циркуляции тропической атмосферы с периодом 30-60 дней, что является главным фактором межсезонной изменчивости в атмосфере на этой временной шкале. Эти колебания имеют вид волны, что движется на восток со скоростью от 4 до 8 м/с над теплыми районами Индийского и Тихого океанов.

Диаграмма излучения на длинных волнах, демонстрирующая осцилляцию Маддена-Джулиана

Движение волны можно увидеть по различным проявлениям, наиболее чётко — по изменениям в количестве осадков. Сначала изменения проявляются на западе Индийского океана, постепенно сдвигаются к центральной части Тихого океана, а затем затухают по мере продвижения к холодным восточным районам этого океана, но иногда вновь возникают с уменьшенной амплитудой над тропическими районами Атлантического океана. При этом вначале идет фаза увеличения конвекции и количества осадков, за которой следует фаза уменьшения количества осадков.

Явление было обнаружено Рональдом Мадденом и Полем Джулианом в 1994 году.

Эль-Ни́ньо (исп. El Niño — малыш, мальчик) или Южная осцилляция — колебание температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, имеющее заметное влияние на климат. В более узком смысле Эль-Ниньо — фаза Южной осцилляции, в которой область нагретых приповерхностных вод смещается к востоку. При этом ослабевают или вообще прекращаются пассаты, замедляется апвеллинг в восточной части Тихого океана, у берегов Перу. Противоположная фаза осцилляции называется Ла-Нинья (исп. La Niña — малышка, девочка). Характерное время осцилляции — от 3 до 8 лет, однако сила и продолжительность Эль-Ниньо в реальности сильно варьирует. Так, в 1790—1793, 1828, 1876—1878, 1891, 1925—1926, 1982—1983 и 1997—1998 годах были зафиксированы мощные фазы Эль-Ниньо, тогда как, например, в 1991—1992, 1993, 1994 это явление, часто повторяясь, было слабо выраженным. Эль-Ниньо 1997—1998 гг. было настолько сильным, что привлекло внимание мировой общественности и прессы. Тогда же распространились теории о связи Южной осцилляции с глобальными изменениями климата. С начала 1980-х Эль-Ниньо возникало также в 1986—1987 и 2002—2003 годах.

Эль-Ниньо 1997 года (TOPEX)

Нормальные условия вдоль западного побережья Перу определяются холодным Перуанским течением, несущим воду с юга. Там, где течение поворачивает на запад, вдоль экватора, из глубоких впадин происходит подъем холодных и богатых планктоном вод, что способствует активному развитию жизни в океане. Само же холодное течение определяет засушливость климата в этой части Перу, формируя пустыни. Пассаты отгоняют прогретый поверхностный слой воды в западную зону тропической части Тихого океана, где формируется так называемый тропический теплый бассейн (ТТБ). В нём вода прогрета до глубин в 100—200 м. Атмосферная циркуляция Уолкера, проявляющаяся в виде пассатов, вкупе с пониженным давлением над районом Индонезии, приводит к тому, что в этом месте уровень Тихого океана на 60 см выше, чем в восточной его части. А температура воды здесь достигает 29—30°C против 22—24°C у берегов Перу. Однако, всё меняется с наступлением Эль-Ниньо. Пассаты ослабевают, ТТБ растекается, и на огромной площади Тихого океана происходит повышение температуры воды. В районе Перу холодное течение сменяется движущейся с запада к берегу Перу теплой водной массой, апвеллинг ослабевает, гибнет без питания рыба, а западные ветры приносят в пустыни влажные воздушные массы, ливни, вызывающие даже наводнения. Наступление Эль-Ниньо снижает активность атлантических тропических циклонов.

Североатлантическая осцилляция — непостоянство климата на севере Атлантического океана, что проявляется прежде всего в изменении температуры морской поверхности. Явление было впервые описано в 2001 году Голденбергом и сотрудниками. Хотя существуют исторические свидетельства существования этого колебания в течение длительного времени, точных исторических данных о его амплитуде и связи с температурами поверхности в тропических районах океана не хватает.

Временная зависимость колебания в период 1856—2013 годов

Другие циклоны, в частности субтропические, способны обретать характеристики тропических циклонов по мере развития. После момента образования, тропические циклоны движутся под действием преобладающих ветров; если условия остаются благоприятными, циклон набирает силу и образует характерную вихревую структуру с глазом в центре. Если же условия неблагоприятны или если циклон смещается на сушу, он довольно быстро рассеивается.

Структура

Тропические циклоны — относительно компактные штормы довольно правильной формы, обычно около 320 км в диаметре, с ветрами, дующими по спирали, сходящимися вокруг центральной области очень низкого атмосферного давления. За счет силы Кориолиса, ветры отклоняются от направления барического градиента и закручиваются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном.

Структура тропического циклона

По структуре тропический циклон может быть поделен на три концентрические части. Внешняя часть имеет внутренний радиус 30-50 км, в этой зоне скорость ветров равномерно увеличивается по мере приближения к центру циклона. Средняя часть, которая имеет название стены глаза , характеризуется большими скоростями ветра. Центральная часть диаметром 30-60 км имеет название глаза, здесь скорость ветра уменьшается, движение воздуха имеет преимущественно нисходящий характер, а небо часто остается ясным.

Глаз

Центральная часть циклона, в которой воздух опускается вниз, имеет название глаза . Если циклон достаточно сильный, глаз большой и характеризуется спокойной погодой и ясным небом, хотя волны на море могут быть исключительно большими. Глаз тропического циклона обычно правильной круглой формы, а его размер может быть от 3 до 370 км в диаметре, однако чаще всего диаметр составляет примерно 30-60 км. Глаз у крупных зрелых тропических циклонов иногда заметно расширяется вверху, это явление получило название «эффекта стадиона»: если наблюдать изнутри глаза, его стена напоминает по форме трибуны стадиона.

Ураган Изабель 2003 года, фотография с МКС — можно четко увидеть характерные для тропических циклонов глаз, стену глаза и окружающие дождевые полосы

Глаз тропических циклонов характеризуется очень низким атмосферным давлением, именно здесь было зарегистрировано самое низкое значение атмосферного давления на уровне земной поверхности (870 гПа в тайфуне Тип). Кроме того, в отличие от циклонов других типов, воздух глаза тропических циклонов очень теплый, всегда теплее, чем на той же высоте за пределами циклона.

Глаз слабого тропического циклона может быть частично или полностью покрыт тучами, которые имеют название центрального плотного облачного покрова. Эта зона, в отличие от глаза сильных циклонов, характеризуется значительной грозовой активностью.

Глаз бури , або офо , бычий глаз — область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона.

Типичный глаз бури имеет диаметр от 20 до 30 км, в редких случаях — до 60 км. В этом пространстве воздух имеет бо́льшую температуру и меньшую влажность, нежели в окружающей его области ветра и дождевых облаков. В результате возникает устойчивая температурная стратификация.

Стена ветра и ливня служит изолятором для очень сухого и более тёплого воздуха, опускающегося в центр циклона из верхних слоёв. По периферии глаза бури часть этого воздуха смешивается с воздухом из облаков и благодаря испарению капель охлаждается, тем самым образуя мощный нисходящий вдоль внутренней стороны облаков каскад относительно холодного воздуха.

Глаз тайфуна Одесса (1985)

В это же время в облаках воздух стремительно поднимается. Это построение и образует кинематическую и термодинамическую основу тропического циклона.

Кроме того, вблизи оси вращения уменьшается горизонтальная линейная скорость ветра, что для наблюдателя, при попадании в центр циклона, производит впечатление прекратившейся бури, по контрасту с окружающим пространством.

Стена глаза

Стеной глаза называют кольцо плотных грозовых облаков, что окружает глаз. Здесь облака достигают наибольшей высоты в пределах циклона (до 15 км над уровнем моря), а осадки и ветры у поверхности сильнейшие. Однако максимальная скорость ветров достигается на несколько большей высоте, обычно около 300 м. Именно во время прохождения стены глаза над определенным районом циклон наносит наибольшие разрушения.

Самые сильные циклоны (обычно категории 3 или больше) характеризуются несколькими циклами замены стены глаза в течение своей жизни. При этом старая стена глаза сужается до 10-25 км, а ей на замену приходит новая, большего диаметра, что постепенно заменяет собой старую. Во время каждого цикла замены стены глаза циклон слабеет (то есть ветры в пределах стены глаза слабеют, а температура глаза уменьшается), но с образованием новой стены глаза он быстро набирает силу до прежних значений.

Внешняя зона

Внешняя часть тропического циклона организована в дождевые полосы — полосы плотных грозовых туч, которые медленно движутся к центру циклона и сливаются со стеной глаза. При этом в дождевых полосах, как и в стене глаза, воздух поднимается вверх, а в пространстве между ними, свободном от низких облаков, воздух опускается. Однако, сформированные на периферии циркуляционные ячейки менее глубокие, чем центральная, и достигают меньшей высоты.

Когда циклон достигает суши, вместо дождевых полос в пределах стены глаза в большей степени концентрируются потоки воздуха, из-за увеличения трения о поверхность. При этом значительно увеличивается количество осадков, что может достигать 250 мм за сутки.

Тропические циклоны также образуют облачный покров на очень больших высотах (возле тропопаузы) за счет центробежного движения воздуха на этой высоте. Этот покров состоит из высоких перистых облаков, которые движутся от центра циклона и постепенно испаряются и исчезают. Эти облака могут быть достаточно тонкими, чтобы через них можно было видеть солнце и могут быть одним из первых признаков приближения тропического циклона.

Размеры

Одним из наиболее распространенных определений размера циклона, которое применяется в различных базах данных, является расстояние от центра циркуляции до наиболее внешней замкнутой изобары, это расстояние имеет название радиуса внешней замкнутой изобары . Если радиус меньше двух градусов широты, или 222 км, циклон классифицируется как «очень маленький» или «карликовый». Радиус от 3 до 6 градусов широты, или от 333 до 667 км, характеризует циклон «средних размеров». «Очень большие» тропические циклоны имеют радиус свыше 8 градусов широты, или 888 км. Согласно такой системе мер, на северо-западе Тихого океана возникают самые большие на Земле тропические циклоны, примерно вдвое больше тропических циклонов Атлантического океана.

Другими методами определения размеров тропических циклонов являются радиус, на котором существуют ветры силы тропического шторма (примерно 17,2 м/с), и радиус, на котором относительный ротор скорости ветра составляет 1×10 −5 с −1 .

Сравнительные размеры тайфуна Тип, циклона Трейси с территорией США

Механизм

Главным источником энергии тропического циклона служит энергия испарения, которая освобождается при конденсации водяных паров. В свою очередь, испарение океанской воды протекает под действием солнечной радиации. Таким образом, тропический циклон можно представить как большую тепловую машину, для работы которой необходимы также вращение и притяжение Земли. В метеорологии, тропический циклон описывается как тип конвекционной системы на мезошкале, развивающийся при наличии мощного источника тепла и влаги.

Направления конвекционных потоков в тропическом циклоне

Теплый влажный воздух поднимается вверх преимущественно в пределах стены глаза циклона, а также в пределах других дождевых полос. Этот воздух расширяется и охлаждается по мере поднятия, его относительная влажность, высокая уже у поверхности, увеличивается ещё больше, вследствие чего большая часть накопленной влаги конденсируется и выпадает в виде дождя. Воздух продолжает охлаждаться и терять влагу с поднятием до тропопаузы, где он теряет практически всю влагу и перестаёт охлаждаться с высотой. Охлажденный воздух опускается вниз до океанской поверхности, где снова увлажняется и снова поднимается. При благоприятных условиях, задействованная энергия превышает расходы на поддержание этого процесса, избыточная энергия тратится на увеличение объёмов восходящих потоков, увеличение скорости ветров и ускорение процесса конденсации, то есть ведёт к образованию положительной обратной связи. Для того, чтобы условия оставались благоприятными, тропический циклон должен находиться над теплой океанской поверхностью, которая даёт необходимую влагу; когда же циклон проходит участок суши, он не имеет доступа к этому источнику и его сила быстро падает. Вращение Земли добавляет конвекционному процессу закручивание в результате эффекта Кориолиса — отклонения направления ветра от вектора барического градиента.

Падение температуры океанской поверхности в Мексиканском заливе с прохождением ураганов Катрина и Рита

Механизм тропических циклонов существенно отличается от механизма других атмосферных процессов тем, что требует глубокой конвекции, то есть такой, что захватывает большой диапазон высот. При этом, восходящие потоки захватывают почти всё расстояние от поверхности океана до тропопаузы, с горизонтальными ветрами, ограниченными преимущественно в приповерхностном слое толщиной до 1 км, тогда как большая часть остальной 15-километровой толщи тропосферы в тропических районах используется для конвекции. Однако тропосфера более тонка на более высоких широтах, а количество солнечного тепла там меньше, что ограничивает зону благоприятных условий для тропических циклонов тропическим поясом. В отличие от тропических циклонов, внетропические циклоны получают энергию преимущественно от горизонтальных градиентов температуры воздуха, что существовали до них.

Прохождение тропического циклона над участком океана приводит к существенному охлаждению приповерхностного слоя, как из-за потери тепла на испарение, так из-за активного перемешивания теплых приповерхностных и холодных глубоких слоев и получения холодной дождевой воды. Также на охлаждение влияет плотный облачный покров, закрывающий океанскую поверхность от солнечного света. Вследствие этих эффектов, за несколько дней, за которые циклон проходит определенный участок океана, приповерхностная температура на нём существенно падает. Этот эффект приводит к возникновению отрицательной обратной связи, что может привести к потере силы тропического циклона, особенно если его движение медленное.

Общее количество энергии, которая выделяется в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 50-200 эксаджоулей (10 18 Дж) в день или 1 ПВт (10 15 Вт). Это примерно в 70 раз больше потребления всех видов энергии человечеством, в 200 раз больше мирового производства электроэнергии и соответствует энергии, что высвобождалась бы от взрыва 10-мегатонной водородной бомбы каждые 20 минут.

Жизненный цикл

Формирование

Карта пути всех тропических циклонов за период 1985—2005 годов

Во всех районах мира, где существует активность тропических циклонов, она достигает максимума в конце лета, когда разница температуры между океанской поверхностью и глубинными слоями океана наибольшая. Однако, сезонные картины несколько отличаются в зависимости от бассейна. В мировом масштабе, май является наименее активным месяцем, сентябрь наиболее активным, а ноябрь является единственным месяцем, когда одновременно активны все бассейны.

Важные факторы

Процесс формирования тропических циклонов все ещё не до конца понятен и является предметом интенсивных исследований. Обычно можно выделить шесть факторов, необходимых для образования тропических циклонов, хотя в отдельных случаях циклон может образоваться и без некоторых из них.

Образование зон конвергенции пассатов, что приводит к нестабильности атмосферы и способствует образованию тропических циклонов

В большинстве случаев, для формирования тропического циклона нужна температура приповерхностного слоя океанской воды не менее 26,5°C на глубине не менее чем 50 м; такая температура воды является минимально достаточной, чтобы вызвать нестабильность в атмосфере над ней и поддержать существование грозовой системы.

Другим необходимым фактором является быстрое охлаждение воздуха с высотой, что делает возможным высвобождение энергии конденсации, главного источника энергии тропического циклона.

Также для образования тропического циклона необходима высокая влажность воздуха в нижних и средних слоях тропосферы; при условии большого количества влаги в воздухе создаются более благоприятные условия для образования нестабильности.

Ещё одной характеристикой благоприятных условий является низкий вертикальный градиент ветра, поскольку большой градиент ветра приводит к разрыву циркуляционной картины циклона.

Тропические циклоны обычно возникают на расстоянии не менее 550 км или 5 градусов широты от экватора — только там сила Кориолиса бывает достаточно сильной для отклонения ветра и закручивания вихря.

И наконец, для образования тропического циклона обычно нужна уже существующая зона низкого давления или волнений погоды, хотя и без циркуляционного поведения, характерного для зрелого тропического циклона. Такие условия могут быть созданы низкоуровневыми и низкоширотными вспышками, которые ассоциируются с осцилляцией Маддена-Джулиана.

Районы формирования

Большинство тропических циклонов в мире формируются в пределах экваториального пояса (межтропического фронта) или его продолжения под действием муссонов — муссонной зоны низкого давления. Районы, благоприятные для формирования тропических циклонов, также возникают в пределах тропических волн, где возникает около 85% интенсивных циклонов Атлантического океана и большинство тропических циклонов на востоке Тихого океана.

Подавляющее большинство тропических циклонов формируется между 10 и 30 градусами широты обоих полушарий, причем 87% всех тропических циклонов — не далее 20 градусов широты от экватора. Из-за отсутствия силы Кориолиса в экваториальной зоне, тропические циклоны очень редко формируются ближе 5 градусов от экватора, однако это все же случается, например с тропическим штормом Вамэй 2001 года и циклоном Агни 2004 года.

Тропический шторм Вамэй перед выходом на сушу

Тропический шторм Вамэй, иногда известный как тайфун Вамэй — тропический циклон, известный тем, что сформировался ближе к экватору, чем любой другой тропический циклон за всю историю наблюдений. Вамэй сформировался 26 декабря как последний тропический циклон тихоокеанского сезона тайфунов 2001 года на 1,4° северной широты в Южно-Китайском море. Он быстро усилился и вышел на сушу на юго-западе Малайзии. Он практически рассеялся над островом Суматра 28 декабря, а его остатки позже вновь реорганизовались над Индийским океаном. Хотя официально этот тропический циклон обозначается как тропический шторм, его интенсивность спорная, а некоторые агентства классифицируют его как тайфун, основываясь на скорости ветра в 39 м/с и наличии глаза. Этот шторм вызвал наводнения и оползни в восточной Малайзии, причинив ущерб на 3,6 млн. долларов США (по ценам 2001 года ) и пять жертв.

Движение

Взаимодействие с пассатами

Движение тропических циклонов вдоль поверхности Земли зависит прежде всего от преобладающих ветров, возникающих вследствие глобальных циркуляционных процессов ; тропические циклоны увлекаются этими ветрами и движутся вместе с ними. В зоне возникновения тропических циклонов, то есть между 20 параллелями обоих полушарий, они движутся на запад под действием восточных ветров — пассатов.

Схема глобальной циркуляции атмосферы

В тропических районах северной части Атлантического океана и на северо-востоке Тихого океана пассаты образуют тропические волны, начинающиеся от африканского побережья и проходящие через Карибское море, Северную Америку и затухающие в центральных районах Тихого океана. Эти волны являются местом возникновения большой части тропических циклонов этих регионов.

Эффект Кориолиса

Вследствие эффекта Кориолиса вращение Земли не только вызывает закручивание тропических циклонов, но и влияет на отклонение их движения. Из-за этого эффекта тропический циклон, что движется на запад под действием пассатов при отсутствии других сильных воздушных потоков, отклоняется к полюсам.

Инфракрасное изображение циклона Моника, что демонстрирует закручивание и вращение циклона

Поскольку восточные ветры прилагаются к циклонному движению воздуха на его полярной стороне, сила Кориолиса там сильнее, и в результате тропический циклон оттягивается к полюсу. Когда тропический циклон достигает субтропического хребта, западные ветры умеренного пояса начинают уменьшать скорость движения воздуха на полярной стороне, но разница в расстоянии от экватора между различными частями циклона достаточно большая, чтобы суммарная сила Кориолиса была направлена к полюсу. В результате тропические циклоны Северного полушария отклоняются на север (до поворота на восток), а тропические циклоны Южного полушария — на юг (также до поворота на восток).

Взаимодействие с западными ветрами умеренных широт

Когда тропический циклон пересекает субтропический хребет, который является зоной высокого давления, его путь обычно отклоняется в зону низкого давления с полярной стороны хребта. Попав в зону западных ветров умеренного пояса, тропический циклон имеет тенденцию двигаться с ними на восток, проходя момент изменения курса (англ. recurvature ). Тайфуны, движущиеся через Тихий океан на запад к берегам Азии, часто меняют курс у берегов Японии на север, а затем на северо-восток, захваченные юго-западными ветрами с Китая или Сибири. Много тропических циклонов также отклоняются из-за взаимодействия с внетропическими циклонами, движущимися в этих районах с запада на восток. Примером изменения курса тропическим циклоном служит тайфун Йоке 2006 года , который двигался по описанной траектории.

Путь тайфуна Йоке, что изменил курс у японского побережья в 2006 году

Выход на сушу

Формально считается, что циклон проходит над сушей, если это случается с его центром циркуляции, независимо от состояния периферийных областей. Штормовые условия обычно начинаются над определенным участком суши за несколько часов до выхода на сушу центра циклона. В этот период, то есть до формального выхода тропического циклона на сушу, ветры могут достигнуть своей наибольшей силы — в таком случае говорят о «прямом ударе» тропического циклона о берег. Таким образом, момент выхода циклона на берег фактически означает середину штормового периода для районов, где это случается. Меры безопасности должны приниматься до момента достижения ветрами определенной скорости или до момента достижения определенной интенсивности дождя, а не быть связанными с моментом выхода тропического циклона на сушу.

Взаимодействие циклонов

Когда два циклона приближаются друг к другу, их центры циркуляции начинают вращаться вокруг общего центра. При этом два циклона приближаются друг к другу и в конце концов сливаются. Если циклоны разного размера, больший будет доминировать в этом взаимодействии, а меньший будет вращаться вокруг него. Этот эффект носит название эффекта Фудзивары, в честь японского метеоролога Сакухея Фудзивары.

Это изображение показывает Тайфун Melor и Тропический шторм Парма, и их взаимодействие в юго-восточной Азии. На этом примере видно, как сильный Melor тянет более слабого Парму к себе

Спутники запечатлели танец циклонов-близнецов над Индийским океаном

15 января 2015 года над центром Индийского океана образовались два тропических циклона. Ни один из них не угрожал населенным пунктам ввиду низкой интенсивности и низких шансов выйти на сушу. Метеорологи были уверены, что «Диамондра» и «Юнис» ослабнут и рассеются в последующие дни. Близкое расположение тропических циклонов дало возможность спутникам сделать восхитительные фотографии танца вихревых систем над океаном.

28 января 2015 года геостационарные спутники, принадлежащие EUMETSAT и Японскому метеорологическому агентству, предоставили данные для создания композитного изображения (сверху). Радиометр (VIIRS) на борту спутника Suomi NPP сделал три снимка циклонов-близнецов, в результате объединения которых получилось нижнее изображение.

Две системы находились на расстоянии около 1,5 тысячи километров друг от друга 28 января 2015 года. «Юнис», более сильный из двух циклонов, располагался к востоку от «Диамондры». Максимальная скорость стабильных ветров «Юнис» достигала почти 160 км/ч, тогда как максимум скорости ветров «Диамондры» не превышал 100 км/ч. Оба циклона двигались в юго-восточном направлении.

Как правило, если два тропических циклона приближаются друг к другу, они начинают циклонически вращаться вокруг оси, соединяющей их центры. Метеорологи называют это явление эффектом Фудзивары. Такие двойные циклоны могут даже соединиться в один, если их центры сойдутся достаточно близко.

«Но в случае с „Юнис“ и „Диамондрой“ центры двух вихревых систем оказались слишком далеко друг от друга, — объясняет Брайан Мак-Нолди, метеоролог из университета Майами. — Из опыта, центры циклонов должны находиться на расстоянии по меньшей мере 1350 километров, чтобы начать вращаться вокруг друг друга. Согласно последним прогнозам Совместного центра предупреждения о тайфунах, оба циклона двигаются на юго-восток примерно с одинаковой скоростью, потому они, вероятно, уже не подойдут друг к другу ближе».

(Продолжение следует)

П. МАНТАШЬЯН.

Продолжаем публиковать журнальный вариант статьи П. Н. Манташьяна «Вихри: от молекулы до Галактики» (см. «Наука и жизнь № ). речь пойдёт о смерчах и торнадо - природных образованиях огромной разрушительной силы, механизм возникновения которых до сих пор не вполне понятен.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Рисунок из книги американского физика Бенжамина Франклина, поясняющий механизм возникновения смерчей.

Марсоход Spirit обнаружил, что в разреженной атмосфере Марса возникают смерчи, и заснял их. Снимок с сайта НАСА.

Гигантские смерчи и торнадо, возникающие на равнинах юга США и Китая, - явление грозное и очень опасное.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Смерч может достигать километра в высоту, упираясь вершиной в грозовое облако.

Смерч на море поднимает и втягивает в себя десятки тонн воды вместе с морской живностью и может разломать и потопить небольшое судно. В эпоху парусных кораблей смерч пытались разрушить, стреляя по нему из пушек.

На снимке хорошо видно, что смерч вращается, закручивая спиралью воздух, пыль и дождевую воду.

Город Канзас-сити, превращённый в руины мощным торнадо.

Силы, действующие на тайфун в потоке пассатного ветра.

Закон Ампера.

Силы Кориолиса на проигрывателе.

Эффект Магнуса на столе и в воздухе.

Вихревое движение воздуха наблюдается не только у тайфунов. Существуют вихри размерами, превышающими тайфун, - это циклоны и антициклоны, самые большие воздушные вихри на планете. Их размеры значительно превосходят размеры тайфунов и могут достигать более тысячи километров в диаметре. В некотором смысле это вихри-антиподы: у них практически всё наоборот. Циклоны Северного и Южного полушарий вращаются в ту же сторону, что и тайфуны этих полушарий, а антициклоны - в противоположную. Циклон приносит с собой ненастную погоду, сопровождаемую осадками, антициклон же, наоборот, приносит ясную, солнечную погоду. Схема образования циклона достаточно проста - всё начинается с взаимодействия холодного и тёплого атмосферных фронтов. При этом часть тёплого атмосферного фронта проникает внутрь холодного в виде своеобразного атмосферного «языка», в результате чего тёплый воздух, более лёгкий, начинает подниматься, и при этом происходят два процесса. Во-первых, молекулы паров воды под воздействием магнитного поля Земли начинают вращаться и вовлекают во вращательное движение весь поднимающийся воздух, образуя гигантский воздушный водоворот (см. «Наука и жизнь» № ). Во-вторых, наверху тёплый воздух охлаждается, и пары воды в нём конденсируются в облака, которые выпадают осадками в виде дождя, града или снега. Такой циклон может испортить погоду на срок от нескольких дней до двух-трёх недель. Его «жизнедеятельность» поддерживается за счёт поступления новых порций влажного тёплого воздуха и взаимодействия его с холодным воздушным фронтом.

Антициклоны связаны с опусканием воздушных масс, которые при этом адиабатически, то есть без теплообмена с окружающей средой, нагреваются, их относительная влажность падает, что и приводит к испарению имеющихся облаков. При этом за счёт взаимодействия молекул воды с магнитным полем Земли происходит антициклоническое вращение воздуха: в Северном полушарии - по часовой стрелке, в Южном - против. Антициклоны приносят с собой устойчивую погоду на период от нескольких дней до двух-трёх недель.

Видимо, механизмы образования циклонов, антициклонов и тайфунов идентичны, а удельная энергоёмкость (энергия единицы массы) тайфунов намного больше, чем циклонов и антициклонов, только за счёт более высокой температуры воздушных масс, нагретых солнечным излучением.

СМЕРЧИ

Из всех вихрей, образующихся в природе, наиболее загадочны смерчи, по сути дела, часть грозового облака. Сначала, на первой стадии возникновения смерча, вращение видно только в нижней части грозового облака. Затем часть этого облака отвисает книзу в виде гигантской воронки, которая всё более удлиняется и наконец достигает поверхности земли или воды. Возникает как бы гигантский хобот, свешивающийся из облака, который состоит из внутренней полости и стенок. Высота смерча составляет от сотен метров до километра и, как правило, равна расстоянию от нижней части облака до поверхности земли. Характерная особенность внутренней полости - пониженное давление находящегося в ней воздуха. Такая особенность смерча приводит к тому, что полость смерча служит своеобразным насосом, который может втянуть в себя огромное количество воды из моря или озера, причём вместе с животными и растениями, перенести их на значительные расстояния и низвергнуть вниз вместе с дождём. Смерч способен переносить и довольно большие грузы - автомобили, телеги, малотоннажные суда, небольшие здания, причём иногда даже с находящимися в них людьми. Смерч обладает гигантской разрушительной силой. При соприкосновении со строениями, мостами, линиями электропередач и другими объектами инфраструктуры он причиняет им огромные разрушения.

Смерчи имеют максимальную удельную энергоёмкость, которая пропорциональна квадрату скорости воздушных потоков вихря. По метеорологической классификации при скорости ветра в замкнутом вихре, не превышающей 17 м/с, он называется тропической депрессией, если же скорость ветра не превышает 33 м/с, то это тропический шторм, и если скорость ветра составляет от 34 м/с и выше, то это уже тайфун. В мощных тайфунах скорость ветра может превышать 60 м/с. В смерче же, по данным разных авторов, скорость воздуха может достигать от 100 до 200 м/с (некоторые авторы указывают на сверхзвуковую скорость воздуха в смерче - свыше 340 м/с). Прямые измерения скорости воздушных потоков в смерчах при настоящем уровне развития техники практически невозможны. Все приборы, предназначенные для фиксации параметров смерча, безжалостно им ломаются при первом же соприкосновении. О скорости потоков в смерчах судят по косвенным признакам, главным образом по тем разрушениям, которые они производят, или по весу грузов, которые они переносят. Кроме того, отличительная черта классического смерча - наличие развитого грозового облака, своеобразного электрического аккумулятора, повышающего удельную энергоёмкость смерча. Чтобы разобраться в механизме возникновения и развития смерча, рассмотрим сначала устройство грозового облака.

ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО

В типичном грозовом облаке вершина заряжена положительно, а основание несёт отрицательный заряд. То есть в воздухе поддерживаемый восходящими потоками парит гигантский электрический конденсатор многокилометровых размеров. Наличие такого конденсатора приводит к тому, что на поверхности земли или воды, над которыми находится облако, появляется его электрический след - наведённый электрический заряд, имеющий знак, противоположный знаку заряда основания облака, то есть земная поверхность будет заряжена положительно.

Кстати, опыт по созданию наведённого электрического заряда можно провести дома. Насыпьте на поверхность стола мелкие бумажки, расчешите пластмассовой расчёской сухие волосы и приблизьте расчёску к насыпанным бумажкам. Все они, оторвавшись от стола, устремятся к расчёске и прилипнут к ней. Результат этого несложного опыта объясняется очень просто. Расчёска получила электрический заряд в результате трения о волосы, а на бумажке он наводит заряд противоположного знака, который притягивает бумажки к расчёске в полном соответствии с законом Кулона.

Возле основания развитого грозового облака существует мощный восходящий поток воздуха, насыщенного влагой. Кроме дипольных молекул воды, которые в магнитном поле Земли начинают вращаться, передавая импульс нейтральным молекулам воздуха, вовлекая их во вращение, в восходящем потоке имеются положительные ионы и свободные электроны. Они могут образовываться в результате воздействия на молекулы солнечного излучения, естественного радиоактивного фона местности и, в случае грозового облака, за счёт энергии электрического поля между основанием грозового облака и землёй (вспомним о наведённом электрическом заряде!). Кстати, за счёт наведённого положительного заряда на поверхности земли число положительных ионов в потоке восходящего воздуха значительно превышает число ионов отрицательных. Все эти заряженные частицы под действием восходящего потока воздуха устремляются к основанию грозового облака. Однако вертикальные скорости положительных и отрицательных частиц в электрическом поле различны. Напряжённость поля можно оценить по разности потенциалов между основанием облака и поверхностью земли - по измерениям исследователей, она составляет несколько десятков миллионов вольт, что при высоте основания грозового облака в один - два километра даёт напряжённость электрического поля в десятки тысяч вольт на метр. Это поле будет ускорять положительные ионы и тормозить отрицательные ионы и электроны. Поэтому в единицу времени через поперечное сечение восходящего потока положительных зарядов пройдёт больше, чем отрицательных. Иными словами, между земной поверхностью и основанием облака возникнет электрический ток, хотя правильней было бы говорить об огромном количестве элементарных токов, соединяющих земную поверхность с основанием облака. Все эти токи параллельны и текут в одном направлении.

Понятно, что они по закону Ампера будут взаимодействовать между собой, а именно притягиваться. Из курса физики известно, что сила взаимного притяжения единицы длины двух проводников с электрическими токами, текущими в одном направлении, прямо пропорциональна произведению сил этих токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.

Притяжение двух электрических проводников обусловлено силами Лоренца. Электроны, движущиеся внутри каждого проводника, находятся под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током в соседнем проводнике. На них действует сила Лоренца, направленная по прямой, соединяющей центры проводников. Но для возникновения силы взаимного притяжения наличие проводников совершенно необязательно - достаточно самих токов. Например, две покоящиеся частицы, имеющие одинаковый электрический заряд, отталкиваются одна от другой согласно закону Кулона, но эти же частицы, движущиеся в одном направлении, притягиваются, причём до тех пор, пока силы притяжения и отталкивания не уравновесят друг друга. Нетрудно видеть, что расстояние между частицами в положении равновесия зависит только от их скорости.

Из-за взаимного притяжения электрических токов заряженные частицы устремляются к центру грозового облака, по дороге взаимодействуя с электрически нейтральными молекулами и также перемещая их к центру грозового облака. Площадь поперечного сечения восходящего потока уменьшится в насколько раз, а поскольку поток вращается, то по закону сохранения момента количества движения его угловая скорость возрастёт. С восходящим потоком произойдёт то же самое, что с фигуристкой, которая, вращаясь на льду с расставленными руками, прижимает их к телу, отчего скорость её вращения резко увеличивается (хрестоматийный пример из учебников физики, который мы можем наблюдать по телевизору!). Такое резкое увеличение скорости вращения воздуха в смерче с одновременным уменьшением его диаметра приведёт соответственно к увеличению линейной скорости ветра, которая, как упоминалось выше, может даже превысить скорость звука.

Именно наличие грозового облака, электрическое поле которого разделяет заряженные частицы по знаку, приводит к тому, что скорости воздушных потоков в смерче превосходят скорости воздушных потоков в тайфуне. Образно говоря, грозовое облако служит своего рода «электрической линзой», в фокусе которой концентрируется энергия восходящего потока влажного воздуха, что и приводит к возникновению смерча.

МАЛЫЕ ВИХРИ

Существуют также и вихри, механизм образования которых никак не связан с вращением диполь-ной молекулы воды в магнитном поле. Наиболее распространённые среди них - пыльные вихри. Они образуются в пустынных, степных и горных местностях. По своим размерам они уступают классическим смерчам, их высота составляет порядка 100-150 метров, а диаметр - несколько метров. Для образования пыльных вихрей необходимым условием является пустынная, хорошо нагретая равнина. Образовавшись, такой вихрь существует довольно недолго, 10-20 минут, всё это время перемещаясь под действием ветра. Несмотря на то что воздух пустынь практически не содержит влаги, вращательное движение его обеспечивается взаимодействием элементарных зарядов с магнитным полем Земли. Над равниной, сильно прогретой солнцем, возникает мощный восходящий поток воздуха, часть молекул которого под воздействием солнечного излучения и особенно его ультрафиолетовой части, ионизируется. Фотоны солнечного излучения выбивают из внешних электронных оболочек атомов воздуха электроны, образуя при этом пары положительных ионов и свободных электронов. Вследствие того что электроны и положительные ионы имеют существенно разные массы при равных по величине зарядах, их вклад в создание момента количества движения вихря различен и направление вращения пыльного вихря определяется направлением вращения положительных ионов. Такой вращающийся столб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль, песок и мелкие камешки, которые сами по себе не играют никакой роли в механизме формирования пыльного вихря, но служат своеобразным индикатором вращения воздуха.

В литературе описаны ещё и воздушные вихри, довольно редкое природное явление. Они возникают в жаркое время дня на берегах рек или озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они появляются неожиданно и так же внезапно исчезают. По-видимому, вклад в их создание вносят как молекулы воды, так и ионы, образующиеся в тёплом и влажном воздухе за счёт солнечного излучения.

Гораздо опаснее водяные вихри, механизм образования которых аналогичен. Сохранилось описание: «В июле 1949 года в штате Вашингтон в тёплый солнечный день при безоблачном небе на поверхности озера возник высокий столб из водяных брызг. Он существовал всего несколько минут, но обладал значительной подъёмной силой. Надвинувшись на берег реки, он поднял довольно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его на несколько десятков метров и, ударив о землю, разбил на куски. Водяные вихри наиболее распространены там, где поверхность воды сильно нагревается солнцем, - в тропических и субтропических зонах».

Закручивание потоков воздуха может происходить при больших пожарах. В литературе описаны такие случаи, приведём один из них. «Ещё в 1840 году в США расчищали лес под поля. На большой поляне было свалено громадное количество хвороста, веток и деревьев. Их подожгли. Через некоторое время пламя отдельных костров стянулось вместе, образовав огненную колонну, внизу широкую, вверху заострившуюся, высотой 50 - 60 метров. Ещё выше огонь сменялся дымом, уходившим высоко в небо. Огненно-дымовой вихрь вращался с поразительной скоростью. Величественное и ужасающее зрелище сопровождалось громким шумом, напоминавшим раскаты грома. Сила вихря была настолько велика, что он поднимал в воздух и отбрасывал в сторону большие деревья».

Рассмотрим процесс образования огненного смерча. При горении древесины выделяется тепло, которое частично переходит в кинетическую энергию восходящего потока нагретого воздуха. Однако при горении происходит ещё один процесс - ионизация воздуха и продуктов сгорания

топлива. И хотя в целом нагретый воздух и продукты сгорания топлива электрически нейтральны, в пламени образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Движение ионизованного воздуха в магнитном поле Земли неизбежно приведёт к образованию огненного смерча.

Хочется отметить, что вихревое движение воздуха возникает не только при больших пожарах. В своей книге «Смерчи» Д. В. Наливкин задаёт вопросы: «Мы уже не раз говорили о загадках, связанных с маломерными вихрями, пытались понять, почему все вихри вертятся? Возникают и другие вопросы. Почему, когда горит солома, нагретый воздух поднимается не по прямой линии, а по спирали и начинает кружиться. Так же ведёт себя в пустыне горячий воздух. Почему он не идёт просто вверх без всякой пыли? То же происходит с водяной пылью и брызгами, когда горячий воздух проносится над поверхностью воды».

Существуют вихри, возникающие в процессе извержения вулканов, их, например, наблюдали над Везувием. В литературе они получили название пепловых вихрей - в вихревом движении участвуют облака пепла, извергаемые вулканом. Механизм образования таких вихрей в общих чертах аналогичен механизму образования огненных смерчей.

Посмотрим теперь, какие силы действуют на тайфуны в неспокойной атмосфере нашей Земли.

СИЛА КОРИОЛИСА

На тело, движущееся во вращающейся системе отсчёта, например, на поверхности вращающегося диска или шара, действует инерционная сила, называемая силой Кориолиса. Эта сила определяется векторным произведением (нумерация формул начинается в первой части статьи)

F K =2M[VΩ ], (20)

где М - масса тела; V - вектор скорости тела; Ω - вектор угловой скорости вращения системы отсчёта, в случае земного шара - угловой скорости вращения Земли, а [VΩ ] - их векторное произведение, которое в скалярном виде выглядит так:

F л = 2M | V | | Ω | sin α, где α - угол между векторами.

Скорость тела, двигающегося на поверхности земного шара, можно разложить на две составляющие. Одна из них лежит в плоскости, касательной к шару в точке нахождения тела, иными словами - горизонтальная составляющая скорости: вторая, вертикальная составляющая перпендикулярна этой плоскости. Сила Кориолиса, действующая на тело, пропорциональна синусу географической широты его местонахождения. На тело, движущееся по меридиану в любом направлении в Северном полушарии, действует сила Кориолиса, направленная вправо по движению. Именно эта сила заставляет подмывать правые берега рек Северного полушария, вне зависимости от того, на север или на юг они текут. В Южном полушарии эта же сила направлена влево по движению и реки, текущие в меридиональном направлении, подмывают левые берега. В географии это явление называется законом Бэра. Когда русло реки не совпадает с меридиональным направлением, сила Кориолиса будет меньше на величину косинуса угла между направлением течения реки и меридианом.

Практически во всех исследованиях, посвящённых вопросам образования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, а также их дальнейшему перемещению, указывается на то, что именно сила Кориолиса служит первопричиной их возникновения и именно она задаёт траекторию их передвижения по поверхности Земли. Однако если бы сила Кориолиса участвовала в создании смерчей, тайфунов и циклонов, то в Северном полушарии они имели бы правое вращение - по часовой стрелке, а в Южном - левое, то есть против. Но тайфуны, смерчи и циклоны Северного полушария вращаются влево, против часовой стрелки, а Южного полушария - вправо, по часовой стрелке. Это абсолютно не соответствует направлению воздействия силы Кориолиса, более того - прямо ей противоположно. Как уже говорилось, величина силы Кориолиса пропорциональна синусу географической широты и, значит, максимальна на полюсах и отсутствует на экваторе. Следовательно, если бы она вносила вклад в создание вихрей разных масштабов, то наиболее часто они появлялись бы в полярных широтах, что полностью противоречит имеющимся данным.

Таким образом, приведённый анализ убедительно доказывает, что сила Кориолиса не имеет никакого отношения к процессу формирования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, механизмы образования которых рассмотрены в предыдущих главах.

Считается, что именно сила Кориолиса определяет их траектории, тем более что в Северном полушарии тайфуны, как метеорологические образования, при своём движении отклоняются именно вправо, а в Южном - именно влево, что соответствует направлению действия силы Кориолиса в этих полушариях. Казалось бы, причина отклонения траекторий тайфунов найдена - это сила Кориолиса, но не будем торопиться с выводами. Как говорилось выше, при движении тайфуна по поверхности Земли на него, как на единый объект, будет действовать сила Кориолиса, равная:

F к = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

где θ - географическая широта тайфуна; α - угол между вектором скорости тайфуна, как единого целого, и меридианом.

Для выяснения истинной причины отклонения траекторий тайфунов попробуем определить величину силы Кориолиса, действующей на тайфун, и сравнить её с другой, как мы сейчас убедимся, более реальной силой.

СИЛА МАГНУСА

На тайфун, перемещаемый пассатом, будет действовать сила, которую в данном контексте, насколько это известно автору, до сих пор не рассматривал ни один исследователь. Это сила взаимодействия тайфуна, как единого объекта, с воздушным потоком, который перемещает этот тайфун. Если посмотреть на рисунок с изображением траекторий тайфунов, станет видно, что они движутся с востока на запад под действием постоянно дующих тропических ветров, пассатов, которые образуются вследствие вращения земного шара. При этом пассат не только переносит тайфун с востока на запад. Самое главное - на тайфун, находящийся в пассате, действует сила, обусловленная взаимодействием воздушных потоков самого тайфуна с воздушным потоком пассата.

Эффект возникновения поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа, был открыт немецким учёным Г. Магнусом в 1852 году. Он проявляется в том, что если вращающийся круговой цилиндр обтекает безвихревой (ламинарный) поток, перпендикулярный его оси, то в той части цилиндра, где линейная скорость его поверхности противоположна скорости набегающего потока, возникает область повышенного давления. А на противоположной стороне, там, где направление линейной скорости поверхности совпадает со скоростью набегающего потока, - область пониженного давления. Разность давлений на противоположных сторонах цилиндра и приводит к возникновению силы Магнуса.

Изобретатели предпринимали попытки использовать силу Магнуса. Был спроектирован, запатентован и построен корабль, на котором вместо парусов установили вертикальные цилиндры, вращаемые двигателями. Эффективность таких вращающихся цилиндрических «парусов» в некоторых случаях даже превосходила эффективность парусов обычных. Эффект Магнуса используют также футболисты, которые знают, что если при ударе по мячу придать ему вращательное движение, то траектория его полёта станет криволинейной. Таким ударом, который называется «сухой лист», можно послать мяч в ворота противника практически с угла футбольного поля, находящегося на одной линии с воротами. Мяч при ударе закручивают и волейболисты, теннисисты, и игроки в пинг-понг. Во всех случаях движение закрученного мяча по сложной траектории создает немало проблем противнику.

Однако вернёмся к тайфуну, перемещаемому пассатом.

Пассаты, устойчивые воздушные течения (дуют постоянно больше десяти месяцев в году) в тропических широтах океанов, охватывают в Северном полушарии 11 процентов их площади, а в Южном - до 20 процентов. Основное направление пассатов - с востока на запад, однако на высоте 1-2 километра их дополняют ветры меридионального направления, дующие к экватору. В результате в Северном полушарии пассаты движутся на юго-запад, а в Южном

На северо-запад. Пассаты стали известны европейцам после первой экспедиции Колумба (1492-1493), когда её участники были поражены устойчивостью сильных северо-восточных ветров, уносивших каравеллы от берегов Испании через тропические районы Атлантики.

Гигантскую массу тайфуна можно рассматривать как цилиндр, вращающийся в воздушном потоке пассата. Как уже говорилось, в Южном полушарии они вращаются по часовой стрелке, а в Северном - против. Поэтому за счёт взаимодействия с мощным потоком пассатного ветра тайфуны и в Северном и в Южном полушарии отклоняются в сторону от экватора - на север и на юг соответственно. Этот характер их движения хорошо подтверждают наблюдения метеорологов.

(Окончание следует.)

ЗАКОН АМПЕРА

В 1920 году французский физик Анре Мари Ампер экспериментально обнаружил новое явление - взаимодействие двух проводников с током. Оказалось, что два параллельных проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Проводники стремятся сблизиться, если токи текут в одном направлении (параллельны), и удалиться один от другого, если токи текут в противоположных направлениях (антипараллельны). Ампер сумел правильно объяснить это явление: происходит взаимодействие магнитных полей токов, которое определяется по «правилу буравчика». Если буравчик ввинчивать по направлению тока I, движение его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля H.

Две заряженные частицы, летящие параллельно, тоже образуют электрический ток. Поэтому их траектории будут сходиться или расходиться в зависимости от знака заряда частиц и направления их движения.

Взаимодействие проводников приходится учитывать при конструировании сильноточных электрических катушек (соленоидов) - параллельные токи, текущие по их виткам, создают большие силы, сжимающие катушку. Известны случаи, когда громоотвод, сделанный из трубки, после удара молнии превращался в цилиндрик: его сжимают магнитные поля тока разряда молнии силой в сотни килоампер.

На основе закона Ампера установлен эталон единицы силы тока в СИ - ампер (А). Государственный стандарт «Единицы физических величин» даёт определение:

«Ампер равен силе тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 . 10 -7 Н».

Подробности для любознательных

СИЛЫ МАГНУСА И КОРИОЛИСА

Сравним действие сил Магнуса и Кориолиса на тайфун, представив его в первом приближении в виде вращающегося воздушного цилиндра, обтекаемого пассатом. На такой цилиндр действует сила Магнуса, равная:

F м = DρHV n V m / 2, (22)

где D - диаметр тайфуна; ρ - плотность воздуха пассата; H- его высота; V n >- скорость воздуха в пассате; V т - линейная скорость воздуха в тайфуне. Путём несложных преобразований получим

Fм = R 2 HρωV n , - (23)

где R - радиус тайфуна; ω - угловая скорость вращения тайфуна.

Принимая в первом приближении, что плотность воздуха пассата равна плотности воздуха в тайфуне, получим

М т = R 2 Hρ, - (24)

где M т - масса тайфуна.

Тогда (19) можно записать в виде

F м = M т ωV п - (25)

или F м = M т V п V т /R. (26)

Разделив выражение для силы Магнуса на выражение (17) для силы Кориолиса, получим

F м /F к = M т V п V т /2RМV п Ω sinθ cosα (27)

или F м /F к = V т /2RΩ sinθ cosα (28)

Принимая во внимание, что согласно международной классификации тайфуном считается тропический циклон, скорость ветра в котором превышает 34 м/с, примем в расчётах эту наименьшую цифру. Поскольку географическая широта, максимально благоприятная для образования тайфунов, составляет 16 о, примем θ = 16 о и, поскольку сразу же после образования тайфуны движутся практически по широтным траекториям, примем α = 80 о. Радиус тайфуна средних размеров примем 150 километров. Подставив все данные в формулу, получим

F м /F к = 205. (29)

Иными словами, сила Магнуса превышает силу Кориолиса в двести раз! Таким образом, ясно, что сила Кориолиса не имеет отношения не только к процессу создания тайфуна, но и к изменению его траектории.

На тайфун, находяшийся в пассате, будут действовать две силы - вышеупомянутая сила Магнуса и сила аэродинамического давления пассата на тайфун, которую можно найти из простого уравнения

F д = KRHρV 2 п, - (30)

где К - коэффициент аэродинамического сопротивления тайфуна.

Нетрудно видеть, что движение тайфуна будет обусловлено действием результирующей силы, являющейся суммой сил Магнуса и аэродинамического давления, которая будет действовать под углом р к направлению движения воздуха в пассате. Тангенс этого угла найдётся из уравнения

tgβ = F m /F д. (31)

Подставив в (31) выражения (26) и (30), после несложных преобразований получим

tgβ = V т /КV п, (32)

Понятно, что результирующая сила F р, действующая на тайфун, будет касательной к его траектории, и если известны направление и скорость пассатного ветра, то можно будет с достаточной точностью вычислить эту силу для конкретного тайфуна, определив, таким образом, его дальнейшую траекторию, что позволит минимизировать ущерб, наносимый им. Траектория тайфуна может быть спрогнозирована пошаговым методом, при этом вероятное направление результирующей силы должно вычисляться в каждой точке его траектории.

В векторном виде выражение (25) выглядит так:

F м = M[ωV п ] . (33)

Нетрудно видеть, что формула, описывающая силу Магнуса, структурно идентична с формулой силы Лоренца:

F л = q .

Сопоставляя и анализируя эти формулы, замечаем, что структурное сходство формул достаточно глубоко. Так, левые части обоих векторных произведений (Мω и qV ) характеризуют параметры объектов (тайфуна и элементарной частицы), а правые части (V п и B ) - среды (скорость пассата и индукцию магнитного поля).

Физпрактикум

СИЛЫ КОРИОЛИСА НА ПРОИГРЫВАТЕЛЕ

Во вращающейся системе координат, например на поверхности земного шара, законы Ньютона не выполняются - такая система координат неинерциальна. В ней появляется добавочная сила инерции, которая зависит от линейной скорости тела и угловой скорости системы. Она перпендикулярна траектории движения тела (и его скорости) и называется силой Кориолиса, по имени французского механика Густава Гаспара Кориолиса (1792-1843), который эту добавочную силу объяснил и рассчитал. Сила направлена так, что для совмещения с вектором скорости её нужно повернуть на прямой угол в сторону вращения системы.

Увидеть, как «работает» сила Кориолиса, можно при помощи электрического проигрывателя для пластинок, поставив два несложных опыта. Для их проведения вырежьте из плотной бумаги или картона кружок и положите его на диск. Он будет служить вращающейся системой координат. Сразу сделаем замечание: диск проигрывателя вращается по часовой стрелке, а Земля - против. Поэтому силы на нашей модели будут направлены в сторону, противоположную наблюдаемым на Земле в нашем полушарии.

1. Сложите рядом с проигрывателем две стопки книг, чуть выше его диска. На книги положите линейку или прямую планку так, чтобы один её край приходился на диаметр диска. Если при неподвижном диске провести вдоль планки линию мягким карандашом, от его центра к краю, то она, естественно, будет прямой. Если же теперь запустить проигрыватель и провести карандаш вдоль планки, он начертит криволинейную траекторию, уходящую влево, - в полном согласии с законом, рассчитанным Г. Кориолисом.

2. Постройте из стопок книг горку и приклейте к ней скотчем жёлоб из плотной бумаги, ориентированный по диаметру диска. Если скатить небольшой шарик по жёлобу на неподвижный диск, он покатится по диаметру. А на вращающемся диске он станет уходить влево (если, конечно, трение при его качении будет невелико).

Физпрактикум

ЭФФЕКТ МАГНУСА НА СТОЛЕ И В ВОЗДУХЕ

1. Склейте из плотной бумаги небольшой цилиндр. Недалеко от края стола поставьте стопку книг и соедините её с краем стола дощечкой. Когда бумажный цилиндрик скатится с получившейся горки, мы вправе ожидать, что он станет двигаться по параболе прочь от стола. Однако вместо этого цилиндрик круто изогнёт траекторию в другую сторону и залетит под стол!

Его парадоксальное поведение вполне объяснимо, если вспомнить закон Бернулли: внутреннее давление в потоке газа или жидкости становится тем меньше, чем выше скорость потока. Именно на основе этого явления работает, например, пульверизатор: более высокое атмосферное давление выжимает жидкость в поток воздуха с пониженным давлением.

Интересно, что закону Бернулли в какой-то степени подчиняются и людские потоки. В метро, у входа на эскалатор, где движение затруднено, люди собираются в плотную, сильно сжатую толпу. А на быстро идущем эскалаторе они стоят свободно - «внутреннее давление» в потоке пассажиров падает.

Когда цилиндрик падает, продолжая вращаться, скорость его правой стороны вычитается из скорости набегающего потока воздуха, а скорость левой - складывается с ней. Относительная скорость потока воздуха слева от цилиндра больше, а давление в нём ниже, чем справа. Разность давлений и заставляет цилидрик круто изменять траекторию и залетать под стол.

Законы Кориолиса и Магнуса учитывают при запуске ракет, точной стрельбе на дальние расстояния, расчёте турбин, гироскопов и пр.

2. Обмотайте бумажный цилиндрик бумажной или текстильной лентой в несколько оборотов. Если теперь резко дёрнуть за конец ленты, она раскрутит цилиндрик и одновременно придаст ему поступательное движение. В результате под действием сил Магнуса цилиндрик полетит, описывая в воздухе мёртвые петли.

Циклоны всегда перемещаются. Под перемещением мы подразумеваем перемещение циклона как целого, независимо от дующих в нем ветров, которые в разных частях цик­лона имеют разные скорости и направления. Перемещение циклона как единой системы характеризуется перемещением его центра.

Циклоны перемещаются в направлении общего переноса воз­духа в средней и верхней тропосфере (говорят еще: в направле­нии ведущего потока). Такой общий перенос воздуха чаще всего происходит с запада на восток. Поэтому и циклоны чаще всего перемещаются от западной половины горизонта к восточной.

Но бывает и так, что высокие малоподвижные циклоны и антициклоны, простирающиеся на всю толщу тропосферы, располагаются таким образом, что изобары и течения на вы­сотах отклоняются от зонального направления. Тогда и по­движные циклоны, следуя этому незональному верхнему пере­носу, перемещаются с большой составляющей к югу или к се­веру. В редких случаях направление ведущего потока бывает даже восточным; тогда и циклон перемещается аномально, с востока на запад.

В отдельных случаях пути циклонов оказываются очень разнообразными и даже типовые пути над той или иной областью представляют собой довольно сложную картину. Но в среднем циклоны движутся с запада на восток с составляющей, на­правленной к высоким широтам. Поэтому наиболее глубокие циклоны наблюдаются, как сказано выше, в субполярных ши­ротах: в северном полушарии - на севере Атлантического и Тихого океанов, в южном полушарии - вблизи материка Антарк­тиды.

Скорость перемещения циклона на 25-35% меньше ско­рости ведущего потока. В среднем она имеет порядок величины 30-40 км/час. В отдельных случаях она может быть до 80 км/час и более. В поздней стадии жизни циклона, когда он уже заполняется, скорость перемещения уменьшается, иногда очень резко.

Хотя скорости циклонов и невелики, но за несколько суток своего существования циклон может переместиться на значи­тельное расстояние, порядка нескольких тысяч километров, меняя по пути режим погоды.

При прохождении циклона усиливается ветер и меняется его направление. Если циклон проходит через данное место своей южной частью, ветер меняется с южного на юго-западный и северо-западный. Если циклон проходит своей северной частью, ветер меняется с юго-восточного на восточный, северо-восточ­ный и северный. Таким образом, в передней (восточной) части циклона наблюдаются ветры с южной составляющей, в тыловой (западной) части - с северной составляющей. С этим связаны и колебания температуры при прохождении циклона.

Наконец, циклонические области характеризуются увеличен­ной облачностью и осадками. В передней части циклона осадки обложные, восходящего скольжения, выпадающие из облаков теплого фронта или фронта окклюзии. В тыловой части осадки ливневые, из кучево-дождевых облаков, свойственные холод­ному фронту, но главным образом холодным воздушным мас­сам, текущим в тылу циклона к низким широтам. В южной части циклона иногда наблюдаются моросящие осадки теплой воз­душной массы.

Приближение циклона часто можно заметить по падению давления и по первым облакам, появляющимся на западном го­ризонте. Это фронтальные перистые облака, движущиеся парал­лельными полосами. На взгляд, вследствие перспективы эти полосы кажутся расходящимися от горизонта. За ними идут перисто-слоистые облака, затем более плотные высоко-слоистые и, наконец, слоисто-дождевые с сопровождающими их разорванно-дождевыми. Потом, в тылу циклона, давление растет, а облачность принимает быстро меняющийся характер: кучевые и кучево-дождевые облака часто сменяются прояснениями.

---