Что такое ветер? Откуда он берется и почему дует? Почему штормовые ветры такие сильные? Как образуются ураганы и циклоны? Похожи ли ветры на других планетах на земные? В этой статье вы найдете ответы на простом и доступном языке.
Земля, ветер и вода
Самое простое определение ветра – это движение воздуха. Ветер возникает из-за неравномерного давления в атмосфере планеты, вызванного неравномерным нагревом суши и океанов.
В начале своего пути воздух нагревается от поверхности Земли, и затем начинает подниматься вверх, а более холодный опускаться вниз. В то же время вращение Земли заставляет воздушные массы перемещаться к полюсам, а затем и от них, все из-за эффекта Кориолиса. Атмосферное трение, вызванное вращением нашей планеты, заставляет воздушные массы и штормовые системы закручиваться против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии. Благодаря этим двум мощным движущим силам атмосфера Земли постоянно циклически изменяется.
На Земле существует пять основных ветровых зон, распределенных по широтам. От полюсов до экватора расположены полярные восточные ветры, западные ветры, конские широты, пассаты и штиль.
Господствующие ветры (полярные и западные) - это воздушные массы, которые движутся в одном направлении над определенным участком Земли. Как правило, господствующие ветры дуют с востока на запад, а не с севера на юг. Пассаты – это постоянные ветры, дующие с востока на запад и циркулирующие между конскими широтами и экватором. Конские широты - это область высокого давления, примерно совпадающая с тропиками, которая (поскольку высокое давление выталкивает их наружу) имеет тенденцию "терять" воздушные массы. Ветры, находящиеся к югу от них, направляются к экватору, а те, что на северной стороне, становятся западными ветрами, которые отклоняются к полюсам, перенося с собой тропические и внетропические циклоны.
Схема циркуляции ветров над поверхностью Земли.
Название "конские широты" берёт начало в мрачной морской истории. В период, когда испанцы колонизировали Америку и Вест-Индию, многие корабли перевозили лошадей в качестве груза. Примерно в тридцати градусах от экватора ветры имеют тенденцию стихать, а давление повышаться, из-за чего погодные явления там не задерживаются. (Это один из факторов, который заставляет ураганы уходить от полюсов в умеренные широты.) Ясная погода всегда приветствуется на земле, но если в океане не дует ветер, парусное судно может "застрять" на одном месте на дни или даже недели. Во время штиля у экипажей часто заканчивалась питьевая вода. Согласно известной легенде, моряки на таких кораблях, столкнувшись с угрозой смерти от жажды, иногда выбрасывали за борт лошадей, которых они перевозили.
Штормовые ветры
Что порождает ураганы? Почему скорость ураганов и торнадо такая высокая? Если ураган — это тропический циклон, существует ли такое понятие, как умеренный циклон? Ответ на все эти вопросы кроется в том, как сила Кориолиса воздействует на атмосферу. Завихряющиеся потоки ветра превращаются в конвективные ячейки, а затем в ураганы, которые могут разразиться с огромной силой в считанные часы.
Ураганы
Ураганы, также известные как тропические циклоны, образуются только в тропиках, где температура верхних 50 метров океана составляет не менее 26,7 градусов по Цельсию. Для ураганов, формирующихся в Атлантическом океане, западные ветры несут теплый воздух, насыщенный пылью и песком из Сахары. Когда ветер проходит над поверхностью океана, часть воды испаряется (превращается в водяной пар) и поднимается вверх. Поднимаясь, он охлаждается и создает зону низкого давления.
Некоторые капли воды конденсируются и образуют "зародыши" вокруг частиц пустынной пыли, создавая высокие кучево-дождевые облака. Поскольку все больше и больше капель сталкиваются, они падают в виде дождя. Между тем трение между каплями и гранулами пыли порождает молнии и гром. Иногда это просто создает мощные штормы, но когда эффект Кориолиса берет верх, может развиться вихрь, который превратит штормовой фронт в ураган.
Когда воздух всасывается в центр урагана с низким давлением, нарастает импульс; вихрь сужается, а скорость ветра увеличивается. Эффект Кориолиса придаёт этим ветрам спиралевидную форму, создавая характерную форму урагана. Фактически, ураганы настолько сильно зависят от эффекта Кориолиса, что в пределах пяти градусов от экватора, где эффект значительно уменьшен, ураганы почти не встречаются. В конечном итоге, когда ураган исчерпывает свою энергию над сушей, остатки шторма рассеиваются, выдуваясь обратно в море.
Циклоны умеренных широт и струйное течение
Те же самые силы Кориолиса, которые создают вихри в земной атмосфере в тропиках, также создают вихри в умеренных широтах, часто над сушей, называемые циклонами умеренных широт или внетропическими циклонами. Подобно ураганам, эти штормовые явления в средних широтах часто циркулируют против часовой стрелки и даже имеют знакомый всем вид «глаза». Они очень часто становятся такими же мощными, как ураганы. Внетропические циклоны ответственны за великую метель 1888 года, потопление судна "Эдмунд Фицджеральд" и "Идеальный шторм" 1991 года.
Узкий и быстро движущийся ветровой поток, называемое полярным струйным течением, которое циркулирует по краям полярного вихря, влияет на путь штормовых фронтов и внетропических циклонов. Одним из важных направлений внетропических циклонов являются ветры Чинук, которые порождают и переносят сильные штормы, известные как альбертские смерчи, которые проходят через внутренние районы Канады и верхнюю часть Среднего Запада США. Если северо-восточный ветер, такой как струйное течение, подхватывает штормовую систему и направляет ее к восточному побережью, синоптики часто называют такой шторм "норвежским".
Атмосферные реки
В 2022 году извержение подводного вулкана в южной части Тихого океана выбросило в атмосферу достаточное количество водяного пара, чтобы изменить ее состав и повлиять на погодные условия по всему миру. Господствующие ветровые потоки разнесли эту влагу на тысячи километров, образую структуры облаков, охватывающие весь континент, из которых всего за несколько часов могло выпасть месячное количество дождя или даже больше. Эти штормы, называемые атмосферными реками, настолько гигантские, что их трудно назвать обычными штормами. Когда атмосферная река проходит над сушей, сопровождающие её ливневые дожди могут быть одними из самых мощных известных осадков.
Ветры на других планетах
Каким бывает ветер на других планетах? На Марсе и других каменистых планетах с атмосферой дуют ветры, очень похожие на земные. Многочисленные фотографии с космических аппаратов, посланных для исследования Марса, показывают, что даже при его разреженной атмосфере местные ветры способны переносить достаточно частиц, чтобы разрушать скалы, поднимать песчаные дюны и засыпать солнечные батареи марсоходов тончайшей пылью.
Эти полосатые песчаные дюны с поверхности Марса называются поперечными эоловыми хребтами. (У древних греков Эол управлял ветрами.) Фото: НАСА.
На газовом гиганте ситуация иная. Судя по тому, что мы знаем о Юпитере и ему подобных, газовые гиганты не имеют поверхности, подобной Земле, с четко выраженным переходом между твердой корой и атмосферой. Газовые гиганты опоясаны ветровыми поясами, движущимися со скоростью сотен и даже тысяч километров в час. Космический аппарат НАСА «Юнона» запечатлел эти пояса Юпитера в сентябре 2023 года.
Ветровые пояса окружают Юпитер, демонстрируя сопротивление жидкости и турбулентность, когда слои обтекают друг друга.
Поскольку газовые гиганты почти идеально сферичны, их ветровые пояса могут порождать причудливые эффекты во внешних слоях, напоминая спирограф. У Юпитера и Сатурна в нашей Солнечной системе оба полюса украшены поразительными геометрическим бурями.
Полярный шестиугольник Сатурна и титанические циклоны вокруг полюсов Юпитера порождаются теми же силами, что циркулируют в атмосфере и океанах Земли.
Солнечный ветер
Звёзды вроде нашего Солнца преобразуют собственную массу в энергию посредством внутреннего термоядерного синтеза. Эту энергию они излучают в космос в виде солнечного ветра. Солнечный ветер создаётся за счёт внешнего расширения плазмы (совокупности заряженных частиц) из солнечной короны. Плазма постоянно нагревается внутренним ядерным реактором Солнца, и её энергии хватает, чтобы преодолеть солнечное притяжение. Затем плазма движется вдоль линий магнитного поля Солнца, которые простираются радиально наружу. По тем же радиальным линиям определяется направление ионного хвоста комет.
Обычно магнитное поле Земли защищает нас от большей части космического и солнечного ветра. Однако поверхностная активность Солнца увеличивается и уменьшается в течение 11-летнего солнечного цикла (который достигнет своего следующего пика в 2025 году). Иногда турбулентность во внешних слоях Солнца создает «корональные дыры» — магнитные возмущения настолько большие, что они могут поглотить Землю целиком. Когда эти магнитные возмущения наконец выравниваются, они часто приводят к выбросу корональной массы. Двигаясь со скоростью около миллиона километров в час, эти сгустки плазмы иногда достигают даже орбиты Марса, уносимые внешним потоком солнечного ветра.
Иногда, из-за того, что солнечное пятно направлено в нашу сторону, корональный выброс массы угрожает всем живым существам на Земле. В 1859 году гигантский солнечный взрыв, известный как «Событие Кэррингтона», отключил электрические системы на всей солнечной стороне планеты. Событие Кэррингтона — самая интенсивная геомагнитная буря в истории человечества. Во время этого события северное сияние было видно во многих странах, вплоть до центральной Мексики. Оно было настолько ярким, что люди утверждали, что при его свете можно было читать газеты даже посреди ночи.
«Над северным горизонтом возникло нечто ужасающе величественное, откуда поднимались фантастические световые шпили, а розовое сияние, напоминающее прожилки огня в пару, распространилось до зенита», — писала в то время газета Cincinnati Daily Commercial. Телеграфы выбрасывали искры и работали сами по себе, позволяя операторам вести разговоры в течение нескольких часов, не подключая телеграфы к какой-либо сети или батарее.
В конечном итоге, звездные и земные ветры существуют только потому, что газы и жидкости подчиняются законам движения жидкостей. Сложное взаимодействие рельефа местности, влажности воздуха, температуры и состава атмосферы определяет характер ветровой циркуляции в атмосфере Земли в данный момент времени.
