Давление, структура и циркуляция атмосферы


Изучением распределения атмосферного давления в центральной части Северного Ледовитого океана и построением схем циркуляции воздушных масс занимались многие ученые. Однако большинство этих схем было построено в значительной степени на умозрительных заключениях, так как конкретных данных, характеризующих состояние атмосферы над Арктикой, вначале совсем не было, а потом, когда они появились («Фрам», «Мод» и др.), их все-таки было недостаточно. Совершенно ясно, что циркуляционные схемы, лишенные конкретного обоснования, в большинстве случаев были неопределенны, противоречивы, часто сопровождались всякого рода оговорками и ограничениями. И только в последние годы благодаря работам советских экспедиций (дрейфующие станции «Северный полюс», воздушные высокоширотные экспедиции), а также в результате наблюдений советских полярных метеорологических станций, расположенных по окраинам Арктического бассейна, удалось накопить огромный фактический материал, позволивший пересмотреть все существовавшие раньше циркуляционные схемы и создать новые, более точные и соответствующие уровню современной метеорологии.

На земном шаре существуют области с более или менее устойчивой погодой. В этих областях формируются воздушные массы, приобретающие свои особые характерные свойства. Претерпевая в течение года большие изменения, эти, как их иногда называют, «центры действия атмосферы» не остаются постоянными. Они перемещаются, захватывая то большие, то меньшие площади, в соответствии с чем изменяется и циркуляция атмосферы.

Как установили советские ученые, в приполярной области районы высокого давления расположены над обоими материками (Евразийским и Северо-Американским) и над значительной площадью Арктического бассейна. Область пониженного атмосферного давления простирается от юга Гренландии через Гренландское, Баренцево и Карское моря почти до берегов Северной Земли.

В распределении атмосферного давления выделяются зимний (октябрь — март) и летний (апрель — сентябрь) режимы.

Анализируя карты распределения давления воздуха в приземном слое Центральной Арктики, советский синоптик Б. Л. Дзердзеевский установил, что для зимней половины года характерно наличие в центральной части Северного Ледовитого океана довольно устойчивой области высокого давления. Эта область не остается постоянной: она то увеличивается, то уменьшается в своих размерах и, кроме того, от месяца к месяцу меняет свое положение, оставаясь несколько смещенной к западному полушарию.

В летнюю половину года картина меняется. Уже в июне над Центральной Арктикой формируется область низкого давления, которая устойчиво держится в течение июля и августа. Область низкого давления все время меняет свое положение, не выходя, однако, за пределы Арктического бассейна. В это время резко возрастает количество циклонов.

Среднее давление воздуха в январе и июле в миллибарах (по 3. М. Прик) точками отмечено местоположение дрейфующих станций
Среднее давление воздуха в январе и июле в миллибарах (по 3. М. Прик) точками отмечено местоположение дрейфующих станций

Май и октябрь являются переходными месяцами.

Долгое время ученые были убеждены в том, что над центральной частью Арктики устойчивый полярный антициклон (область высокого давления), или, как его иногда называли, полярная шапка, сохраняется в течение всего года. Поэтому они отрицали возможность циклонической деятельности в этой области.

Теперь доказано существование в приполюсной области интенсивной циклонической деятельности. Так, по данным наблюдений станции «Северный полюс-1» (1937—1938 годы), обработанным Б. Л. Дзердзеевским, было установлено, что в околополюсных районах в летние месяцы число дней с циклонами равно числу дней с антициклонами или даже превышает его. Так, например, общая продолжительность циклонов за шесть месяцев наблюдений составила 78 дней. Циклоны эти проходили по двум направлениям: либо с востока на запад, либо с северо-запада на юго-восток. Прохождение циклонов, связанное с резким изменением давления воздуха, направления и скорости ветра, вызывает неустойчивую погоду, изменение температуры воздуха, появление пасмурного неба, образование осадков и туманов.

Таким образом, наблюдения показали, что в тех районах Северного Ледовитого океана, где ранее предполагалось существование устойчивой и постоянной области высокого давления, а стало быть, и существование более или менее однородных воздушных масс с их характерными свойствами, в летнее время одна воздушная масса часто сменяется другой.

Весьма распространенным было также ошибочное мнение о том, что зимой в нижних слоях тропосферы центральной части Арктики, в так называемой холодной пленке, условия погоды однородные и что в это время отсутствует арктический фронт. В результате анализа метеорологических наблюдений дрейфующей станции «Северный полюс-1» и экспедиции на «Г. Седове» Б. Л. Дзердзеевский дал первые более или менее обоснованные схемы атмосферной циркуляции в Центральной Арктике и доказал неизбежность существования арктического фронта и арктического воздуха как самостоятельной воздушной массы.

Схема распределения давления над центральной частью Северного Ледовитого океана и схемы атмосферной циркуляции, созданные Б. Л. Дзердзеевским, сохраняют свою силу в основном и в настоящее время. Однако наблюдения советских воздушных высокоширотных экспедиций и дрейфующих станций внесли много принципиально нового в эти схемы и значительно дополнили их.

Так, например, еще не так давно считалось, что циклоническая деятельность в притихоокеанской части Центральной Арктики развита значительно слабее, чем в приатлантической, и что теплые массы воздуха не проникают далеко на север.

Однако наблюдения последних лет показали, что со стороны Тихого океана в центральную часть Арктики проникает значительное количество циклонов, несущих большие запасы тепла. Эти теплые воздушные массы иногда распространяются над холодным приземным слоем воздуха, толщина которого составляет 100-200 метров, и заполняют мощный слой тропосферы, достигая высоты 7-8 километров. Часто они распространяются по периферии высотного антициклона, расположенного над Аляской. В этих случаях холодные массы арктического воздуха проникают из околополюсных районов в более южные широты, распространяясь на Восточную Европу и Западную Сибирь.

Существенно изменилось и представление о вертикальной структуре атмосферы над Центральной Арктикой. Так, раньше считали, что в Арктике тропопауза располагается очень низко, что температура ее несколько выше, чем в других районах, и что здесь тропопауза довольно устойчива и не обнаруживает сколько-нибудь заметных изменений. Все эти положения оказались неправильными.

Наблюдениями было установлено, что высота и температура тропопаузы обнаруживают значительные изменения как за длинные, так и за короткие промежутки времени. Например, по данным воздушной высокоширотной экспедиции 1948 года, в районе Северного полюса высота тропопаузы в конце апреля за 4 дня изменилась более чем на 4 километра (от 6250 до 10 500 метров).

Кроме того, было установлено, что высота и температура тропопаузы имеют определенный годовой ход. Зимой тропопауза располагается ниже, чем летом.

Средние максимальные температуры тропопаузы (около минус 47 градусов) приходятся на лето, минимальные (около минус 57 градусов) — на зиму, при абсолютном максимуме минус 37,5 и абсолютном минимуме минус 64,2 градуса.

Изучение распределения по высоте температуры, давления, влажности и других метеорологических элементов привело к важным и весьма интересным результатам. Прежде всего было установлено, что атмосфера в Арктике характеризуется ярко выраженной слоистостью. Первый слой (слой возникновения и разрушения инверсии) располагается вблизи подстилающей поверхности; второй (слой адвекции) — в средней части тропосферы; третий (слой колебания тропопаузы) находится над тропопаузой.

Инверсией температуры называется возрастание температуры воздуха в тропосфере с высотой вместо обычного ее падения.

Слой инверсии температуры образуется в результате проникновения в высокие широты Арктики теплого легкого тропического воздуха. Постепенно он вытесняется более холодным и тяжелым воздухом в верхние слои тропосферы. В результате иногда наблюдается напластование холодных и теплых слоев воздуха. Инверсия в Арктике также может возникать вследствие опускания вышележащего слоя воздуха и его нагревания при одновременном радиационном охлаждении воздуха в приземном слое.

Первый слой существует весь год, причем в более теплое время года (май — сентябрь) он отделен от подстилающей поверхности так называемой холодной пленкой. Раньше считали, что наибольшая мощность пленки холодного воздуха наблюдается летом, наименьшая — зимой. Теперь установлено, что максимальная мощность ее (около 370 метров) приходится на осень, минимальная (приблизительно 220 метров) — на лето. Ночью холодная пленка выражена слабее, чем днем. Слой возникновения и разрушения инверсии, наоборот, выражен ночью более резко, чем днем.

Анализ наблюдений над вертикальной структурой атмосферы показал также, что максимальные среднемесячные температуры воздуха в тропосфере приходятся на июль, а в стратосфере — на июнь; минимальные же температуры наблюдаются в нижней части тропопаузы в самое холодное время, т. е. в апреле и октябре.

Ночью температура стратосферы всегда ниже, чем днем, в то время как температура всей тропосферы ночью ниже, чем днем, только в июне — августе (в слое до 200 метров еще и в апреле-мае).

Интересные данные были получены также о распределении по вертикали влажности и ветра. Среднемесячная относительная влажность воздуха с высотой сначала увеличивается, а затем уменьшается, причем минимальные величины влажности в тропосфере наблюдаются в июле, а в стратосфере — в июне, максимальные — в мае и октябре.

В слое от 0 до 200 метров резко увеличиваются скорости ветра; при этом максимальные скорости наблюдаются обычно под тропопаузой. Максимальные среднемесячные скорости ветра на больших высотах отмечены в августе, а минимальные — в апреле.

Широкие наблюдения, проведенные за последнее время, позволили достаточно подробно изучить явление инверсии в арктических условиях. Ученые установили, что наиболее часто инверсия температуры наблюдается в апреле и мае и меньше всего — в сентябре. При этом в апреле — мае инверсия наблюдается в слое около 500-1000 метров, а в остальное время года — в слое 100-600 метров. Инверсии нередко имеют ряд разрывов по высоте.