Циркуляция атмосферы — Метеорологические наблюдения над состоянием воздушной оболочки земного шара — атмосферы — показывают, что она вообще не находится в покое: при помощи флюгеров и анемометров мы постоянно наблюдаем в виде ветра перенос масс воздуха с одного места на другое. Изучение ветров в различных местностях земного шара показало, что перемещения атмосферы в тех нижних слоях, которые доступны нашему наблюдению, имеют весьма различный характер. Существуют местности, где явления ветра, как и прочие особенности погоды (см.), обладают весьма ясно выраженным характером устойчивости, известным стремлением к постоянству. В других же местностях ветры так быстро и часто меняют свой характер, так резко и внезапно изменяется их направление и сила, как будто бы никакой законности в их быстрых сменах не существовало. С введением синоптического метода для изучения непериодических изменений погоды явилась, однако, возможность подметить некоторую связь между распределением давления и передвижениями масс воздуха; дальнейшие теоретические исследования Ферреля, Гульдберга и Мона, Гельмгольца, Бецольда, Обербека, Шпрунга, Вернера Сименса и других метеорологов разъяснили, откуда и как возникают воздушные потоки и как они распределяются по земной поверхности и в массе атмосферы. Некоторые подробности относительно возникновения воздушных течений см. в статьях Погода (XXIV, 22) и Циклоны. Внимательное изучение метеорологических карт, изображающих состояние нижнего слоя атмосферы, — погоду у самой поверхности земли, показало, что давление атмосферы распределяется по земной поверхности довольно неравномерно, обыкновенно в виде областей с более низким или с более высоким, чем в окружающем районе, давлением; по системе ветров, в них возникающей, эти области представляют собою настоящие атмосферные вихри. Области пониженного давления принято называть обыкновенно барометрическими минимумами, барометрическими депрессиями или циклонами; области повышенного давления называются барометрическими максимумами или антициклонами. С этими областями теснейшим образом связана и вся погода в занимаемом ими районе, резко отличающаяся для областей пониженного давления от погоды в областях сравнительно высокого давления. Перемещаясь по земной поверхности, упомянутые области переносят с собою и характерную, им свойственную погоду, и своими перемещениями вызывают ее непериодические изменения. Дальнейшее изучение тех и других областей привело к тому заключению, что эти типы распределения атмосферного давления могут иметь еще различный характер по способности сохранять свое существование и менять свое положение на земной поверхности, отличаются очень неодинаковою устойчивостью: существуют барометрические минимумы и максимумы временные и постоянные. В то время, как первые — вихри — временные и не обнаруживают достаточной устойчивости и более или менее быстро переменяют свое место на земной поверхности, то усиливаясь, то ослабевая и, наконец, совершенно распадаясь в сравнительно короткие промежутки времени, области постоянных максимумов и минимумов обладают чрезвычайно большой устойчивостью и в течение весьма продолжительного времени держатся, без существенных изменений, на одном и том же месте. С различною устойчивостью этих областей теснейшим образом связана, конечно, и устойчивость погоды и характер воздушных течений в занимаемом ими районе: постоянным максимумам и минимумам будут соответствовать и постоянная, устойчивая погода и определенная, неизменная система ветров, месяцами держащиеся на месте их существования; временные же вихри при своих быстрых, постоянных перемещениях и изменениях вызывают крайне переменчивую погоду и очень непостоянную для данного района систему ветров. Таким образом, в нижнем слое атмосферы, вблизи земной поверхности, перемещения атмосферы отличаются большим разнообразием и сложностью, а кроме того, не всегда и не везде обладают и достаточной устойчивостью, особенно в тех районах, где преобладают вихри временного характера. Каковы будут движения масс воздуха в несколько более высоких слоях атмосферы, обычные наблюдения не говорят ничего; только наблюдения над движениями облаков позволяют думать, что там — на некоторой высоте над поверхностью земли, все вообще движения воздушных масс несколько упрощаются, носят более определенный и более однообразный характер. А между тем нет недостатка в фактах, указывающих на огромное влияние высоких слоев атмосферы на погоду в нижних: достаточно, напр., указать, что направление передвижения временных вихрей стоит, по-видимому, в прямой зависимости от движения высоких слоев атмосферы. Поэтому еще прежде, чем наука стала располагать достаточным количеством фактов, чтобы решать вопрос о перемещениях высоких слоев атмосферы, явились уже некоторые теории, пытавшиеся объединить все отдельные наблюдения над движениями нижних слоев воздуха и создать общую схему Ц. атмосферы; такова, напр., была теория Ц. атмосферы, данная Мори. Но, пока не было собрано достаточного числа фактов, пока не было вполне выяснено соотношение между давлением воздуха в данных пунктах и ею перемещениями, до тех пор подобные теории, основанный более на гипотезах, чем на фактических данных, не могли дать реального представления о том, что в действительности может совершаться и совершается в атмосфере. Только к концу минувшего XIX в. накопилось достаточно для этого фактов и динамика атмосферы была разработана настолько, что явилась возможность дать действительную, а не гадательную картину Ц. атмосферы. Честь решения вопроса об общем круговороте масс воздуха в атмосфере принадлежит американскому метеорологу, Уильяму Феррелю (см.), — решения, настолько общего, полного и верного, что все позднейшие исследователи в этой области только разрабатывали детали или вносили дальнейшие дополнения в основные идеи Ферреля (W. Ferrel, «The Winds and the Currents of the Ocean», Nashville Journ. of Medicine and Surgery, 1856; «The Motions of Fluids and Solids etc.», Нью-Йорк, I860; «Recent Advances in Meteorology», Вашингтон, 1886, Report Chief Signal Officers, 1885, r. II; «Popular Treatise on the Winds», Нью-Йорк, 1889).
Основною причиною всех движений в атмосфере является неравномерное нагревание различных точек земной поверхности солнечными лучами. Неодинаковость нагревания влечет за собою возникновение разности давлений над различно нагретыми точками; а результатом разности давлений всегда и неизменно явится передвижение масс воздуха от мест более высокого к местам более низкого давления. Поэтому, вследствие сильного нагревания экваториальных широт и очень низкой температуры полярных стран в обоих полушариях, воздух, прилегающий к земной поверхности, должен придти в движение. Если, по имеющимся наблюдениям, подсчитать средние температуры различных широт, то экватор окажется в среднем на 45° теплее полюсов. Для определения направления движения необходимо проследить распределение давления но земной поверхности и в массе атмосферы. Чтобы исключить сильно осложняющее все расчеты неравномерное распределение суши и вод по земной поверхности, Феррель сделал предположение, что и суша, и вода равномерно распределены по параллелям, и подсчитал средние температуры различных параллелей, понижение температуры по мере поднятия на некоторую высоту над земною поверхностью и давление внизу; а затем по этим данным он уже вычислил и давление на некоторых других высотах. Следующая небольшая табличка представляет результат подсчетов Ферреля и дает распределение давления в среднем по широтам на поверхности земли и на высотах 2000 и 4000 м.
| Среднее давление в Северном полушарии | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| На широте: | 80° | 70° | 60° | 50° | 40° | 30° | 20° | 10° |
| На уровне моря | 760,5 | 758,6 | 758,7 | 760,7 | 762,0 | 761,7 | 759,2 | 757,9 |
| высоте 2000 м | 582,0 | 583,6 | 587,6 | 593,0 | 598,0 | 600,9 | 600,9 | 600,9 |
| 4000 | 445,2 | 446,6 | 451,9 | 457,0 | 463,6 | 468,3 | 469,9 | 470,7 |
| Среднее давление в Южном полушарии | ||||||||
| На широте: | 0 (экватор) | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60 | 70° |
| На уровне моря | 758,0 | 759,1 | 761,7 | 763,5 | 760,5 | 753,2 | 743,4 | 738,0 |
| высоте 2000 м | 601,1 | 601,6 | 602,7 | 602,2 | 597,1 | 588,0 | 577,0 | 569,9 |
| 4000 | 471,0 | 471,1 | 471,1 | 469,3 | 463,1 | 453,7 | 443,9 | 437,2 |
Если оставить пока в стороне самый нижний слой атмосферы, где распределение температуры, давления, а также и течений очень неравномерно, то на некоторой высоте, как видно из таблички, вследствие восходящего тока нагретого воздуха близ экватора, мы находим над этим последним повышенное давление, равномерно уменьшающееся к полюсам и здесь достигающее своей наименьшей величины. При таком распределении давления на этих высотах над земной поверхностью должен образоваться грандиозный поток, охватывающий целое полушарие и относящий поднимающиеся вблизи экватора массы теплого, нагретого воздуха к центрам низкого давления, — к полюсам. Если принять в расчет еще отклоняющее действие центробежной силы, происходящей от суточного вращения земли вокруг своей оси, которое должно отклонить всякое движущееся тело вправо от первоначального направления в северном, влево — в южном полушариях, то на рассматриваемых высотах в каждом полушарии образовавшийся поток превратится, очевидно, в огромный вихрь, переносящий массы воздуха в направлении от юго-запада к северо-востоку в северном, от северо-запада к юго-востоку — в южном полушарии. Наблюдения над движением перистых облаков и другие подтверждают эти теоретические выводы. По мере того, как суживаются, с приближением к полюсам, круги широт, скорость движения воздушных масс в этих вихрях будет возрастать, но до известного предела; затем она делается более постоянной. Вблизи полюса притекающие массы воздуха должны опускаться вниз, уступая место вновь притекающему воздуху, образуя нисходящий поток, а затем понизу должны течь обратно к экватору. Между обоими потоками должен находиться на некоторой высоте нейтральный слой воздуха, находящегося в покое. Внизу, однако, такого правильного переноса масс воздуха от полюсов к экватору не наблюдается: предшествующая табличка показывает, что в нижнем слое воздуха давление атмосферы будет внизу наивысшим не на полюсах, каким оно должно было бы быть при правильном, соответствующем верхнему, его распределении. Наивысшее давление в нижнем слое падает на широту около 30°—35° в обоих полушариях; следовательно, от этих центров повышенного давления нижние течения будут направляться и к полюсам, и к экватору, образуя две обособленные системы ветров. Причина этого явления, теоретически также разъясненного Феррелем, заключается в следующем. Оказывается, что на некоторой высоте над земною поверхностью, в зависимости от изменения широты места, величины градиента и коэффициента трения, меридиональная слагающая скорости движения масс воздуха может упасть до 0. Это именно и происходит в широтах ок. 30°—35°: здесь на некоторой высоте не только поэтому не существует движения воздуха, по направлению к полюсам, но даже идет, вследствие его непрерывного притока от экватора и от полюсов, его накопление, которое и ведет к повышению в этих широтах давления внизу. Таким образом, у самой поверхности земли в каждом полушарии возникают, как уже упомянуто, две системы течений: от 30° к полюсам дуют ветры, направленные в среднем от юго-запада к северо-востоку в северном, от северо-запада к юго-востоку в южном полушарии; от 30° к экватору дуют ветры от СВ к ЮЗ в северном, от ЮВ к СЗ в южном полушарии. Эти две последние системы ветров, дующих в обоих полушариях между экватором и широтою 31°, образуют как бы широкое кольцо, разделяющее в нижних и средних слоях атмосферы оба грандиозных вихря, переносящие воздух от экватора к полюсам (см. также Давление атмосферы). Там, где образуются восходящие и нисходящие потоки воздуха, наблюдаются затишья; таково именно происхождение экваториального и тропических поясов тишины; подобный же пояс тишины должен, по Феррелю, существовать и на полюсах. Куда же, однако, девается растекающийся от полюсов к экватору по низу обратный поток воздуха? Но необходимо принять во внимание, что по мере удаления от полюсов размеры кругов широт, а следовательно, и площади поясов равной ширины, занимаемые растекающимися массами воздуха, быстро возрастают; что скорость потоков должна быстро уменьшаться обратно пропорционально увеличению этих площадей; что на полюсах, наконец, опускается сверху вниз сильно разреженный в верхних слоях воздух, объем которого весьма быстро уменьшается по мере возрастания книзу давления. Все эти причины объясняют вполне, почему трудно, и даже прямо невозможно, уследить на некотором расстояния от полюсов за этими обратными нижними потоками. Такова в общих чертах схема общей циркуляционной атмосферы в предположении равномерного распределения суши и вод по параллелям, данная Феррелем. Наблюдения вполне ее подтверждают. Только в нижнем слое атмосферы воздушные течения будут, как это указывает и сам Феррель, много сложнее этой схемы именно вследствие неравномерности распределения суши и вод, и неодинаковости их нагревания лучами солнца и их охлаждения при отсутствии или уменьшении инсоляции; горы и возвышенности также немало влияют на перемещения самых нижних слоев атмосферы.
Внимательное изучение перемещений атмосферы вблизи земной поверхности показывает вообще, что вихревые системы представляют собою основную форму таких перемещений. Начиная с грандиозных вихрей, обнимающих, по Феррелю, каждый целое полушарие, вихрей, как их можно назвать, первого порядка, вблизи земной поверхности приходится наблюдать последовательно уменьшающиеся в своих размерах вихревые системы, до элементарно малых и простых вихрей включительно. Как результат взаимодействия различных по своим скоростям и направлениям потоков в области вихрей первого порядка, вблизи земной поверхности возникают вихри второго порядка — упомянутые в начале настоящей статьи постоянные и временные барометрические максимумы и минимумы, представляющие по своему происхождению как бы производную предыдущих вихрей. Изучение образования гроз привело А. В. Клоссовского и других исследователей к заключению, что и эти явления суть не что иное, как подобные же по строению, но несравненно меньшие по размерам сравнительно с предыдущими, вихри третьего порядка. Эти вихри возникают, по-видимому, на окраинах барометрических минимумов (вихрей второго порядка) совершенно подобно тому, как вокруг крупного углубления, образуемого на воде веслом, которым мы гребем при плавании на лодке, образуются мелкие, весьма быстро крутящиеся и исчезающие водовороты. Совершенно таким же образом барометрические минимумы второго порядка, представляющие собою мощные воздушные круговороты, при своем движении образуют более мелкие воздуховороты, имеющие, по сравнению с образующим их минимумом, очень незначительные размеры. Если эти вихри сопровождаются электрическими явлениями, что может быть нередко вызвано соответствующими условиями температуры и влажности в притекающем к центру барометрического минимума по низу воздухе, то они являются в виде грозовых вихрей, сопровождаемых обычными явлениями электрического разряда, громом и молнией. Если условия не благоприятствуют развитию грозовых явлений, эти вихри третьего порядка мы наблюдаем в виде быстро преходящих бурь, шквалов, ливней и т. п. Есть, однако, полное основание думать, что и этими тремя категориями, столь различными по масштабу явления, вихревые движения атмосферы не исчерпываются. Строение смерчей, тромбов и т. п. явлений показывает, что и в этих явлениях мы имеем дело также с настоящими вихрями; но размеры этих вихрей четвертого порядка еще меньше, еще незначительнее, чем вихрей грозовых. Изучение движений атмосферы приводит нас, таким образом, к заключению, что перемещения воздушных масс происходят преимущественно — если не исключительно — путем возникновения вихрей. Возникая под влиянием чисто температурных условий, вихри первого порядка, охватывающие каждый целое полушарие, дают начало вблизи земной поверхности вихрям меньших размеров; эти, в свою очередь, являются причиной возникновения еще более мелких вихрей. Происходит как бы постепенная дифференцировка более крупных вихрей в более мелкие; но основной характер всех этих вихревых систем остается совершенно один и тот же, начиная с более крупных и до самых незначительных по своим размерам, даже у смерчей и тромбов.
Относительно вихрей второго порядка — постоянных и временных барометрических максимумов и минимумов — остается сказать еще следующее. Исследования Гофмейера, Тейссеран де Бора и Гильдебрандсона указали на тесную связь между возникновением и особенно перемещением максимумов и минимумов временных с изменениями, претерпеваемыми максимумами и минимумами постоянными. Уже то, что эти последние при всевозможных изменениях погоды в окружающих их областях весьма мало изменяют свои границы или контуры, указывает, что здесь мы имеем дело с некоторыми постоянно действующими причинами, лежащими выше воздействия обычных факторов погоды. По Тейссеран де Бору, разности давления, обусловленные неравномерностью нагревания или охлаждения различных частей земной поверхности, суммируясь под влиянием непрерывного нарастания первичного фактора в течение более или менее продолжительного промежутка времени, дают начало крупным барометрическим максимумам и минимумам. Если первичная причина действует непрерывно или достаточно продолжительно, результатом ее действия явятся постоянные, устойчивые вихревые системы. Достигнув известных размеров и достаточной интенсивности, такие постоянные максимумы и минимумы являются уже определителями или регуляторами погоды на огромных районах в их окружности. Такие крупные, постоянные максимумы и минимумы получили в последнее время, когда выяснилась их роль в явлениях погоды окружающих их стран, название центров действия атмосферы. Вследствие неизменности в конфигурации земной поверхности и вытекающей отсюда непрерывности воздействия первичной причины, вызывающей их существование, положение таких максимумов и минимумов на земном шаре является вполне определенным и неизменным до известной степени. Но, в зависимости от различных условий, их границы и их интенсивность могут в известных пределах изменяться. А эти изменения их интенсивности и их очертаний, в свою очередь, должны отозваться на погоде не только соседних, а иногда даже и довольно отдаленных стран. Так, исследования Тейссеран де Бора вполне установили зависимость погоды в Европе от одного из следующих центров действия: аномалии отрицательного характера, сопровождающиеся понижением температуры сравнительно с нормальною, вызываются усилением и расширением Сибирского максимума или же усилением и надвиганием Азорского максимума; аномалии положительного характера — с повышением температуры против нормальной — находятся в прямой зависимости от перемещения и интенсивности Исландского минимума. Гильдебрандсон пошел в этом направлении еще далее и вполне успешно попытался связать изменения в интенсивности и передвижения двух названных Атлантических центров с изменениями не только Сибирского максимума, но и центров давления на Индийском океане.
Подробности по намеченным в настоящей статье вопросам: относительно Ц. атмосферы, кроме указанных в тексте работ Ферреля, см. Hann. «Lehrbuch der Meteorologie» (Лпц., 1901); Hildebrandsson et Teisserenc de Bort, «Les bases de la Météorologie dynamique» (Париж, 1899 — 1903); Brillouin, «Mémoires originaux sur la circulation de l’atm.» (П., 1900); Вальдо, «Современная метеорология» (СПб., 1897); относительно центров действия атмосферы — см. статьи Teisserenc de Bort, «Note sur l’importance des hautes pressions d’Asie sur la prévision du temps pour l’Europe» (в «Annales du Bureau Centr. Mét. de France», 1885, 1); Hildebrandsson, «Quelques recherches sur les centres diction de 1 aim.» (Стокгольм, I — 1897, II — 1899); также «Meteorol., Zeitschr.» (1898, 1900); также Л. Данилов, «Центры действия атмосферы» (Одесса, 1902; содержит подробный обзор указанных работ).