Всем знакомые с детства явления, о которых говорили в прогнозе погоды по телевизору. Давайте разбираться, что это такое и как работает.
Если помните, то в прогнозе погоды циклоны обозначаются синими областями с буквой Н, а антициклоны – красными с буквой В. Циклон – это область низкого давления воздуха, поэтому обозначается буквой Н, а антициклон – область высокого давления (буква В).
Движения атмосферы нашей планеты подчиняются очень сложным законам и до сих пор до конца не изучены. Однако в их основе, конечно же, лежат основные законы термодинамики, аэродинамики, механики и многих других областей науки.
Основной закон, который здесь работает – закон Бернулли во всех его возможных интерпретациях. Применительно к нашей теме он звучит так: воздух движется из области с более высоким давлением в область с более низким давлением. Причем, чем выше разница (градиент) этих давлений, тем больше скорость потока.
Таким образом, если циклон – область с низким давлением в центре, воздушные массы будут двигаться из периферии к центру этой области. Напротив, антициклон – область с высоким давлением в центре, из которого воздух будет уходить на периферию.
Более нагретый землей снизу воздух, двигаясь к центру циклона будет еще и подниматься вверх, а более холодный в центре антициклона, двигаясь к его периферии будет опускаться вниз. Здесь, помимо закона Бернулли, работает еще и обычная термодинамика. Теплый воздух расширяется (увеличивает объем) и на него со стороны окружающих слоев действует сила Архимеда, выталкивающая его наверх.
Есть еще один момент. Из-за того, что при всех этих движениях атмосферы еще и вращается Земля, движение воздушных масс оказывается в неинерциальной (движущейся) системе отсчета, в которой возникают различные дополнительные силы.
Об этом поговорим отдельно.
Небольшое отступление в механику.
Например, если вы катаетесь на карусели или входите в поворот на автомобиле, вас отбрасывает из центра окружности, по которой вы двигаетесь, какая-то сила. Она называется центробежной. А что будет если вы по этой карусели начнете ходить? При движении, неважно каком, по радиусу окружности или вдоль траектории вращения, вас будет отбрасывать совсем не так, как, если бы вы не двигались. При движении тела во вращающейся неинерциальной системе отсчета, помимо центробежной силы, возникает еще так называемая сила Кориолиса, которая направлена, перпендикулярно вектору скорости движения (как на рисунке). Поэтому, двигаясь в центр циклона или из центра антициклона, воздух еще и закручивается, из-за вращения Земли, причем в разных полушариях по-разному. Как направлена сила Кориолиса и в каком направлении происходит завихрения потока в циклоне и антициклоне в каждом полушарии наглядно изображено на рисунке
Подытожим.
В циклоне воздух по закону Бернулли двигается из периферии в центр с низким давлением, при этом поднимается вверх и закручивается вихрем, из-за Кориолисовой силы, возникающей, из-за вращения Земли. В антициклоне – наоборот, нисходящий поток воздуха из центра с высоким давлением двигается к периферии этой области.
Наглядный рисунок вам в помощь:
Так причем тут осадки?
Для ответа на этот вопрос, нужно понять, как образуются облака.
Образование обычного кучевого облака связано с адиабатическим расширением воздуха и восходящими потоками. Как вы помните из первого закона термодинамики, адиабатический процесс происходит без участия теплоты. А это значит, что, расширяясь, газ уменьшает свою внутреннюю энергию, а значит и температуру. Влажный воздух расширяется и поднимается вверх с восходящими потоками. Наверху он охлаждается и пар в нем достигает насыщения (точки росы), а значит, конденсируется, превращаясь в капельки воды. Высота, на которой происходит конденсация одинакова, поэтому у облака видна чёткая нижняя граница. В таком облаке при определённых обстоятельствах может накопиться много энергии, которая разогреет окружающий воздух и заставит облако подняться выше, а под ним пар продолжит конденсироваться.
Таким образом облако растёт в высоту до огромных размеров, после чего возникает дождь, гроза и другие осадки.
Именно потому, что в циклоне воздух поднимается, двигаясь к центральной части с низким давлением, он остывает, конденсируется, образуя, по вышеописанному принципу тучи и осадки.
Напротив, антициклон приводит к опусканию воздуха при движении из центральной части с высоким давлением, который, в свою очередь по обратному процессу адиабатически сжимается и нагревается. Влажность при этом снижается, а температура воздуха растет, что приводит, обычно к ясной погоде, которую мы наблюдали в ближайшие дни. Аномально высокое давление, о котором я писал, как раз связано с антициклоном.
Фух. На этом про погоду пока все.