Почему меняется погода? Просто о сложном с инфографикой автора. Часть 2.

Как образуются облака, циклоны и ураганы, и что влияет на погоду в России.

АТМОСФЕРА

Пару слов о составе атмосферы: азот - 78%, кислород - 21% от объема, и очень малое, менее 1%, содержание углекислого газа и инертных газов. Воздух может включать в себя водяной пар, причем, чем воздух теплее, тем больше воды может в себя вобрать. Поэтому при понижении температуры, лишняя вода выделяется в виде тумана, или осаждается на материальных объектах, как это происходит в утренние часы, и особенно в низинках, у озер и болот.

В древней Греции воздух (аэр) считали одной из 4-х стихий космоса, вместе с землей, водой и огнем, в даосской философии - это - один из 5 элементов.

В пределах самой тропосферы также выделяются характерные слои воздуха. Самый верхний слой толщиной приблизительно в 1 км, в пределах которого наблюдается постоянство температуры, называют тропопаузой. Слой воздуха от поверхности Земли до 1—1,5 км обычно выделяют как слой трения (воздуха о земную поверхность), он же планетарный пограничный слой, а самый нижний слой до высоты 100 м называют приземным.

В тропосфере температура убывает с ростом высоты в среднем на 6,5° на каждый километр. Легко подсчитать примерную температуру по-высотам: если на уровне моря это 15°, то на высоте 1000 м будет 8-9°, на высоте 2000 м - 2°, а на высоте 4000 м - 15° и т.д.

Зимой картина несколько меняется: температура с высотой будет падать от температуры у земли до температуры тропопаузы -56 град. С.

Например Лхаса, столица Тибета, находится на высоте 3490 м, а в китайском селении Вэньцюань (Тибет) - 5019 м, но высочайшее постоянное поселение в мире - это Ла-Ринконада в Перуанских Андах - 5100 м (и живет здесь, да ещё и работает в шахтах, 30 тыс.чел!). Нам, жителям равнин, находиться там без кислородного оборудования просто опасно для жизни.

Давление тоже падает с высотой, самый плотный воздух находится внизу. Это как в коктейле: тяжелые фракции опускаются вниз. На уровне моря номинальное давление равно 760мм.ртутного столба, далее понижается на 11мм.рт.ст каждые 100 м. Если высота местности составляет 230 м над уровнем моря (среднее значение высоты среднерусской возвышенности), то нормальное давление будет 760 - 11х2,3=735 мм.рт.ст.

Можете сами легко посчитать примерную температуру и давление на любой высоте в любое время года, и надо сказать, сильно не ошибетесь, де-факто примерно так и будет.

Так можно графически представить атмосферу в умеренных широтах "в вертикальном разрезе", вместе со всем "содержимым" (показаны некоторые типы самолетов и их "потолки")

КАК ОБРАЗУЮТСЯ ОБЛАКА

Если максимально кратко, то примерно так: вода, испаряясь над водными пространствами, растворяется в воздухе, и далее вместе с воздухом поднимается вверх, охлаждается, и постепенно, конденсируясь на мельчайших частицах пыли, начинает выделяться в виде мельчайших капель, образуя облака.

Чтобы не отклоняться от темы погоды, перечислю вкратце какие виды облаков встречаются чаще всего, не упоминая о редких видах:

• Кучевые облака (обычно располагаются на высотах: нижняя граница около 1000-2000 м, верхняя - от 2000 до 6000 м над землей). Это самые красивые и живописные облака, иногда принимающие самые фантастические формы. Именно они многократно воспеты в стихах и песнях, и именно они приводят в романтическое настроение даже самых серьёзных деловых людей.

• Кучево-дождевые облака - мощные облака с сильным вертикальным развитием, дающие обильные осадки (обычно располагаются на высотах: нижняя граница также около 1000-2000 м, верхняя может достигать тропопаузы - до 12000 м над землей, в редких случаях даже выше)

• Слоистые облака (обычно располагаются на высотах: нижняя граница может быть около 100 м, иногда даже закрывая верхние этажи высотных домов, верхняя - до 1000 м над землей). Эти облака, смотрятся довольно уныло, делая таким же всё вокруг. Могут нести осадки, такие же унылые и продолжительные.

• Есть ещё Слоисто-кучевые, слоисто-дождевые, о них я писать не буду. Скажу только, что они мощнее и толще слоистых, а чем толще слой облаков - тем темнее день, и соответственно тем больше воды в них находится.

• Перистые облака (в средних широтах, где мы в основном живем, обычно располагаются в верхних слоях тропосферы на высотах 6000-8000 м над землей). Это красивые полупрозрачные облака, напоминающие перья или мазки акварелью. Неприятностей, связанных с осадками прямо не несут, но в то же время могут быть предвестниками теплого фронта, который в итоге принесет осадки.

Облако - не застывший кусок пудинга, оно живет, развивается или умирает, в нем постоянно идут процессы: воздух поднимается и опускается, постоянно перемешиваясь и меняя состояния. В процессе интенсивного перемешивания, когда складываются подходящие условия, из-за взаимного трения частичек, составляющих облако, вырабатывается электричество, а когда его становится достаточно много тогда сами знаете что… - происходит разряд, или короткое замыкание (на Землю), называемое в народе «молнией». 

На несколько секунд позже вспышки света, слышится звук, подобный пушечному выстрелу, называемый «громом».

Небольшое отступление:

Поскольку свет (молния) распространяется со скоростью 300 000 000 м/с, а звук «грома» распространяется со скоростью 340 м/с на уровне моря (выше – чуть медленнее: на высоте 5 км скорость звука уже 300 м/с) - т.е примерно в миллион раз медленнее, можно легко посчитать на каком удалении от Вас находится грозовое облако в момент разряда, точнее это будет расстояние до места разряда молнии: как только сверкнула молния, начинайте отсчет в секундах. Если услышите гром через 6 сек – значит удар молнии произошел в точку на расстоянии 340 м/с х 6с=2000 м от Вас, а если через 3 сек – значит 1 км от вас, это совсем рядом… и так далее.

К слову сказать, не вздумайте прятаться от дождя в грозу под деревьями, особенно высокими или отдельно-стоящими. Самолетам запрещено летать под грозовыми облаками, гражданам гулять не запрещено, но лучше всё-же не стоит.

ОТКУДА ПРИХОДЯТ ОБЛАКА

Облака идут к нам откуда-то, где-то они формируются. Где? Естественно там, где много воды, а это моря и океаны. Для того, чтобы образовались облака, нужны большие водные пространства и энергия Солнца, которая заставит воду испаряться. Небольшое облако может, конечно сформироваться и над местным озером, прудом, или руслом реки, но оно, что называется, "не сделает погоды".

Если говорить о Европе и России, то погода для них формируется на севере Атлантики (имеется в виду не Исландия со льдами, а в северной части Атлантического океана, т.е который выше экватора).

Вода, испаряясь под действием Солнца, поднимается в воздух, и образует облака. Эти облака собираются в воздушные массы, и вследствие вращения Земли начинают из-за вращения Земли смещаться к востоку и приходят к нам, сначала в западную часть России, а потом и дальше на Урал и в Сибирь.

Таким образом погода в Россию приходит главным образом с запада. Это хорошо видно на анимированных картах некоторых метеорологических сайтов, например gismeteo.ru/maps

ВОЗДУШНЫЕ МАССЫ

Над каждым участком поверхности Земли находится воздух, перенимающий качества этой поверхности: над пустынями он будет сухой, жаркий и запыленный, над арктическими просторами - холодный и прозрачный, над теплыми морями - теплый и влажный и т.д. Мы подошли к понятию воздушной массы. Соответственно, они бывают экваториальные, тропические, умеренные (континентальные и морские) и арктические (антарктические). По размерам они соизмеримы с частью океана или материка.

Сразу после образования, и даже в его процессе, воздушные массы начинают перемещаться вследствие вращения Земли вокруг своей оси, и вследствие разности давлений. Воздушные массы, из-за огромных размеров, свои свойства сохраняют значительное время. И всё-же, двигаясь все дальше над земной поверхностью, имеющей другие свойства, они меняются, теряют тепло или влагу, или наоборот нагреваются. Влажный умеренный морской воздух, двигаясь над сушей постепенно нагревается и высушивается, превращаясь в сухой континентальный.

Так происходит над территорией России, летом морской воздух с Атлантики приносит прохладу, зимой - тепло и облака с осадками.

Если к вам приходит воздушная масса - погода практически не меняется на время её прохождения. Другое дело воздушные вихри - циклоны. Поэтому погоду можно разделить на внутримассовую и циклоническую, эти типы погоды очень различны.

Атмосферные движения происходят вследствие неоднородности нагревания различных участков поверхности Земли и атмосферы, а также вращения Земли: воздушные массы, как более инертные, отстают от вращающейся с востока на запад поверхности, и смещаются к востоку. Это основное перемещение воздуха в умеренных широтах.

Вывод : погода приходит к нам главным образом с запада.

В качестве интерпретации этого утверждения приведу графические интерпретации преимущественных ветров, т.н Розы ветров двух городов: Стокгольма - недалеко от западных границ России и Новосибирска - в Сибири.

Роза ветров - это диаграмма, показывающая преимущественные ветра в данном месте по многолетним наблюдениям. Она показывает с каких направлений преимущественно дуют ветры, и позволяет судить об их силе. Роза ветров может быть отстроена по месяцам или по-времени года. Розу ветров учитывают при строительстве взлётно-посадочных полос аэродромов, планировании крупных предприятий и населенных пунктов.

Вы видите, что Стокгольм - значительно более ветреный город, чем Новосибирск. И ветры с северо-восточного направления в Нижнем Новгороде, как и в Стокгольме - большая редкость.
А в Новосибирске основные ветра дуют с юга и юго-запада, а значит если строить взлетно-посадочную полосу - то надо проектировать её в меридиональном направлении, и заводы проектировать в северном направлении от города.

В месте соприкосновения воздушных масс образуются атмосферные фронты.
Если теплая воздушная масса вытесняет холодную - это теплый фронт, если холодная ВМ вытесняет теплую - это холодный фронт, в этом смысле всё просто.

Во фронтальной зоне - в местах соприкосновения холодного и теплого воздуха образуются облака. Механизм образования всё тот же, что и выпадения росы на листве: теплый воздух, охлаждаясь в приграничном слое, доходит до точки росы, и выделяет микро-капли воды, которая образует облака.

Воздушные массы постоянно перемещаются. Если в одном районе создается дефицит массы воздуха (область пониженного давления) - там возникает циклон, а в соседнем – избыток массы воздуха (область высокого давления) , там, соответственно, получается антициклон. Это взаимосвязанные процессы.

ЦИКЛОНЫ

Циклон - это огромный атмосферный вихрь с минимальным давлением в центре. Диаметр циклона бывает разным, чаще около 1-2тыс.км, но может составлять и 3-5тыс.км. 

Самые мощные циклоны, несущие огромную энергию, равную десяткам, а то и сотням ядерных бомб средней мощности, происходят в тропических широтах. Там толще слой тропосферы, там Солнце отдает больше энергии, соответственно и атмосферная активность выше.

В Тихом океанском регионе (Япония, Китай, Филиппины и пр.) циклоны называют тайфунами (от китайского слова taifung «сильный ветер») , в Атлантическом (США, тропический пояс обоих Америк) — ураганами (от имени бога ветра Хуракана (Huracan или Jurakan) в мифологии майя, что прошло через испанский язык как huracán). За свою непредсказуемость тропическим циклонам обычно дают женские имена, хотя встречаются и мужские.

У нас, в умеренном поясе, циклоны значительно более спокойные и таких бед и разрушений не приносят.
Циклон порождают две воздушные массы, имеющие разную температуру. Соответственно он имеет, как правило, два фронта, теплый и холодный, иногда фронтов образуется больше.

В циклоне воздух перемещается от его краев, где давление более высокое, к центру с низким давлением. Это происходит одновременно с вращением вокруг центра циклона против часовой стрелки в Северном полушарии, в Южном - наоборот. В центре циклона воздух направляется вверх - образуется восходящий поток.

Циклоны провоцируют такие погодные явления, как скопление облачных масс, сильные осадки, ветер и перепады температуры. Летом они несут над просторами Европы и России похолодание, зимой - потепление.

Наиболее мощными для России являются циклоны, пришедшие к нам с юга, юго-запада (средиземноморские, балканские, черноморские, каспийские) и смещающиеся на север и северо-восток. Они обладают огромными запасами энергии; именно с ними в средней полосе России связаны наиболее сильные осадки, ветры и грозы.

Так выглядят мощный циклон из космоса (на фото - справа) над восточной частью США, внизу слева - Мексика, в центре - Мексиканский залив.

Наиболее неустойчивая погода в циклонах, связанная с осадками, ветрами и грозами, связана с прохождением фронтов.

Фронты в циклонах идут от центра по-радиальной траектории, и изгибаются выпуклостью по-ходу фронта. Они имеют большую протяженность и обычно процесс прохождения фронта занимает от 10 до 20 часов, в зависимости от глубины фронта и скорости его прохождения (обычно 30-50км/ч).

Здесь показан простой, "идеальный" случай, когда фронтов на каждый циклон всего два…
сложные, с несколькими фронтами, оставим метеорологам.

Фото циклона из космоса, а справа фрагмент метеокарты с изобарами и фронтами:

Прохождение теплого и холодного фронтов происходит по-разному

Теплый фронт образуется, когда теплый воздух наступает на холодный, он поднимается по линии соприкосновения. Такой фронт, перемещаясь по поверхности Земли, начинает прохождение с высоких облаков, обычно перистых, которые постепенно снижаются и уплотняются, и заканчиваются низкими кучевыми, с осадками, иногда с грозами. Зачастую при прохождении теплого фронта идут довольно продолжительные - в течение нескольких часов (не дней!) дожди. После этого приходит более теплый воздух.

Следовательно, увидев на небе перистые облака (предвестники теплого фронта), можно предположить, что если за ними пойдут слоистые, значит высока вероятность дальнейшего понижения и уплотнения облаков, которое закончится дождями и грозами.

Так выглядит схема теплого фронта в вертикальном разрезе

Холодный фронт образуется, когда холодный воздух наступает на теплый, он как бы подтекает под него. Холодный фронт не имеет предвестников в виде перистых облаков, и приходит всегда внезапно. Холодный фронт начинает прохождение с резкого ухудшения погоды с осадками, сразу холодает, потом погода начинает улучшаться и облака поднимаются, и в целом погода стабилизируется, но становится заметно холоднее.

Циклоны средних широт, возникнув, начинают движение со средней скоростью 50км/ч в направлении с Запада на Восток, с небольшим доворотом к Северу.
Поскольку, если нам известно, что воздух движется по-окружности, и одновременно к центру циклона, значит когда-то он туда, в центр, придет и разность давлений исчезнет - циклон перестанет существовать.

Срок жизни циклона обычно составляет несколько дней, но может составлять и 2-3 недели, а в редчайших случаях - месяц.

Циклоны проходят несколько стадий, носящих достаточно условный характер:
• стадия молодого циклона
• стадия максимального развития
• стадия заполнения циклона

Они рождаются, живут, и умирают, увы, как и всё в природе. Причем рождаются и развиваются они над морями и океанами, а усыхать/умирать начинают, едва выйдя на сушу, но этот процесс обычно затягивается, как уже было сказано, на несколько дней.

АНТИЦИКЛОНЫ

Антициклоны - это атмосферные вихри, образующиеся в одной воздушной массе, поэтому не имеющие фронтов. В их центре - давление высокое. Поэтому ветер направлен от центра к его краям. Воздух в них циркулирует по-часовой стрелке в Северном полушарии.

Возникают главным образом в высоких широтах, над ледовыми просторами и над большими участками суши вдали от морей и океанов, а также могут образовываться над океанами при вторжении больших масс полярного воздуха.

Вследствие воздействия вращения Земли ветры отклоняются по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном.

Летом антициклоны приносят малооблачную, теплую и даже жаркой погоды, зимой - ясную, сухую и морозную.

Антициклоны в целом менее подвижны, чем циклоны. Малоподвижные антициклоны, нарушающие общий западный перенос средних широт, называются блокирующими.

Именно такой сибирский циклон распространил свое влияние на западную часть России (вплоть до Урала) во 2-й декаде февраля 2018г. 

Переток воздуха к циклонам на западе останавливает их продвижение на восток, как результат - холодная ясная погода на несколько дней, при этом ветра почти нет, или он слабый. Очень холодные ночи, вызывающие морозный туман и иней на деревьях.

Небольшое пояснение:
Причина ночных похолоданий - поглощение тепла черным небом, тепло уходит в черноту, в космос (облака предохраняют поверхность Земли от этого явления). Поэтому именно за ночь происходит максимальное похолодание. За день солнце снова нагревает поверхность, но поскольку день относительно короткий, а ночь - длинная, угол подъема солнца над горизонтом на 15-200 ниже летнего, к тому же белый снег отражает солнечные лучи.

В результате дневной нагрев не компенсирует ночную потерю тепла. Таким образом, зимой в центральных областях России, за несколько дней температура может опуститься ниже 300, и так держится обычно до прихода циклонов с Запада.

Циклоны и антициклоны взаимодействуют между собой, воздух перетекает из антициклона к центру циклона. В итоге происходит перетекание воздушных масс из антициклона в циклон, что ведет к его исчезновению. 

Поскольку они могут располагаться на огромных площадях, этот процесс не происходит мгновенно.

КАК ФОРМИРУЕТСЯ ПОГОДА В РОССИИ

Над Северной частью Атлантического океана формируются воздушные массы, циклоны, и смещаясь к востоку, приходят к нам, принося нам во фронтальных зонах дожди и непогоду. Погода на краях циклона, его периферии, не имеет столь выраженных свойств.

Рисунок прохождения фронтов: холодного и теплого, уже описан выше.

Над полярными районами, в восточной Сибири и над Монголией формируются антициклоны, и обеспечивают ясную, солнечную погоду, отсутствие осадков и крайне холодные зимы. Иногда эти антициклоны распространяются на запад, выполняя блокирующую роль.

Так они и идут, меняя друг-друга: воздушные массы, накрывающие сразу большой район, словно одеялом, и меняющиеся циклонами с их фронтами с Запада. Разумеется, между циклонами располагаются промежуточные области: их периферии и седловины, несущие мало-изменчивую погоду.

А иногда приходит антициклон с Сибири, Лапландии или с Центральной Азии (обычно это летом), и на несколько дней устанавливается мало-меняющаяся ясная погода, летом жаркая, зимой - холодная.

Вот такой получился краткий курс метеорологии для начинающих.

Рисунки и схемы автора.

Начало – здесь. https://golos.io/psk/@sofya/pochemu-menyaetsya-pogoda-prosto-o-slozhnom-s-infografikoi-avtora-chast-1

До встречи на Голосе! С любовью, ваша @sofya