Уравнения движения воздуха допускают решения в виде различного вида волновых процессов. Пример – распространение звуковых волн как периодических пульсаций давления воздуха (длины волн порядка сантиметров и метров). Этот пример относится к группе самых коротковолновых колебательных процессов в атмосфере. Здесь же нас будут интересовать волновые движения значительно более крупных масштабов. Кроме продольных упругих звуковых волн с длинами порядка сантиметров и метров, существуют атмосферные волны с более значительными длинами [39]:
Бывают динамически устойчивые и неустойчивые волны. Первые существуют продолжительное время без сильного изменения амплитуды, а затем затухают. Вторые характеризуются прогрессивным нарастанием амплитуды и потерей со временем волнового характера движения.
Волна препятствия – возникает в воздушном потоке, обтекающем препятствие. Образуется над препятствием и за ним вниз по потоку.
Волна давления – одна из периодических составляющих суточного хода атмосферного давления. Генераторами волны являются атмосферные приливы и суточный ход температуры, которые попадают в резонанс с собственными упругими колебаниями атмосферы. Волны давления могут быть также обусловлены прохождением циклонов и антициклонов, а также длинными волнами. Могут быть также волны давления с периодом в 24 и 36 суток, обусловленные особенностями общей циркуляции атмосферы.
Волна сдвига обусловлена разрывом горизонтальной скорости ветра на фронтальной поверхности.
Волна тропопаузы – имеющее волновой характер изменение высоты тропопаузы при прохождении высоких циклонов и антициклонов. Тропопауза снижается над тыловой частью циклона и передней частью следующего за ним антициклона и поднимается над тыловой частью следующего циклона. Волны тропопаузы тесно связаны с фронтальными волнами. Механизм возникновения сводится к горизонтальным перемещениям воздуха в соответствии с барическим полем на высотах верхней тропосферы и нижней стратосферы, а также с вертикальным перемещением воздуха в процессе циклогенеза (образования циклонов). Возможно также спонтанное образование на тропопаузе волн бόльших длины и периода.
Факторами развития фронтальных волн, приводящих к образованию циклонов, являются разрыв температуры и ветра на фронте и сила Кориолиса. При определенных соотношениях названных параметров волны становятся неустойчивыми и приводят к зарождению циклона.
Волновые процессы в атмосфере играют большую роль в передаче количества движения (импульса) из одной области атмосферы в другую, и таким образом обеспечивают «взаимодействие» между процессами, происходящими в разных областях атмосферы, например, в тропосфере и стратосфере, или в тропиках и субтропиках.
Волновые процессы различаются (и классифицируются) по возвратному механизму, являющемуся основной причиной колебаний. Например, выталкивающая сила, или сила плавучести, является причиной возникновения так называемых гравитационных волн. В волнах Россби возвращающей силой является дисбаланс между барическим градиентом и силой Кориолиса. Инерционно-гравитационные волны возникают в результате взаимодействия сил плавучести воздуха и силы Кориолиса. Например, зонально распространяющаяся (вдоль круга широты) гравитационная волна, которая осциллирует в вертикальной плоскости, при достаточно большой длине волны колебаний будет подвержена действию также и силы Кориолиса, приводящей появлению меридиональной компоненты скорости. Волны, обладающие свойствами волн Россби и инерционно-гравитационных, называют смешанными волнами (Rossby-gravity waves).
Земная атмосфера, как любое упругое тело, может совершать собственные внутренние колебания с вполне определенными частотами. Если в атмосфере происходят те или иные процессы с подходящими частотами, то благодаря резонансу, они могут привести к возбуждению колебаний атмосферы. В частности, в качестве таких процессов могут выступать суточные колебания температуры воздуха, состоящие из простых гармонических колебаний с периодами 24, 12, 8, 6 и т.д. часов. И действительно, в атмосфере имеются собственные колебания (их обнаруживают по местным колебаниям давления[1]) с периодами 24, 12 и 8 часов. Так, суточная волна, очевидно, связана с суточными изменениями температуры: над более теплой областью (сушей –днем, над морем – ночью) изобарические поверхности повышаются, и в более высоких слоях атмосферы происходит отток воздуха. Над более холодными областями, наоборот, создается приток воздуха. Это и служит причиной колебаний давления. Полусуточная волна состоит из волны, обегающей вокруг Земли за 12 часов, и стоячей волны. Особенностью 8-ми часовой волны является смена фазы волны на 180 градусов при переходе от зимы к лету. Весьма характерной особенностью названных волн давления является различная зависимость их амплитуд от широты. Кроме того, в ходе давления обнаруживаются 6-ти часовые колебания и полусуточные колебания, вызванные приливным действием Луны.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
