Планета Земля и ее атмосфера. Земля как планета. Форма и размеры. Гравитационное поле. Магнитное поле., страница 26

Причина переноса воздушных масс Вам знакома. Это – конвекция, т. е. подъем теплого легкого воздуха и замещение его снизу воздухом холодным. Сильнее всего за день прогреваются тропические области, где солнечные лучи падают на Землю почти отвесно. Градиент температуры, падение ее с высотой вблизи поверхности, становится больше адиабатического, равновесного, отчего и возникает вертикальный поток воздуха. Воздух поднимается вблизи экватора, приподнимая верхнюю границу тропосферы. Высота тропосферы в тропиках около 17 км, вдвое выше ее высоты у полюсов. Но куда же деваться этому воздуху? Легко понять — на больших высотах он растекается от экватора: северный воздух — на север, а южный — на юг (см. рисунок 2.5-6.33), Вертикальные конвекционные потоки переходят в горизонтальные, теплый воздух в верхней тропосфере отчасти охлаждается, отдавая тепловое излучение космосу. Затем, в средних широтах, опускается вниз и устремляется обратно к экватору. Надо же возместить происшедшую там убыль воздушных масс от конвекционного подъема.

Так и работает тепловая машина Земли. Коэффициент полезного действия ее, η, невелик, всего один – два процента. Можна оценить какова же должна быть скорость ветров у поверхности Земли (Смотри книгу А. В. Бялко. Наша планета – Земля. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.-208 с. Библиотечка «Квант». Выпуск 29)). Расчеты дают величину порядка десять метров в секунду т. е. 36 км/ч. Не много ли для средней скорости ветра у поверхности Земли? Во-первых, это всего лишь оценка, а главное, не надо судить об этой величине, исходя лишь из опыта жителя суши средних широт. Ветер на океанских просторах заметно крепче, чем над сушей, а скорости в десяток метров в секунду далеко до ураганной.

Вторая оценка, которую можно получить – это время выравнивания давления. Ее величина порядка недели, т. е. – неделя - есть характерное время изменения погоды. Она же и характерное время ее флуктуации, и время - физическая граница между краткосрочными изменениями погоды, вызванными только движениями воздушных масс, и долгосрочными, связанными с изменениями условий нагревания Земли.

Скорость ветра, получаемая в таких оценках, это скорость движения воздуха около земной поверхности, т. е. на небольшой высоте. Однако от экватора воздух движется в верхней тропосфере, где давление и плотность его – малы. Ясно, что скорость ветра наверху, должна быть такой, чтобы скомпенсировать приток его снизу. Должны быть равны потоки массы воздуха. В верхней тропосфере плотность воздуха на порядок меньше, чем у поверхности. Настолько же больше там скорость ветра. Действительно, на высотах около 10 км ветры дуют со скоростями порядка сотни метров в секунду, т. е. сотен километров в час.

А вот направлен ветер там реально отнюдь не на север и не на юг от экватора. Картинка (рисунок 2.5-6.21.) качественно справедлива, но только как проекция направлений ветров на плоскость. На самом деле, верхний ветер и в Северном, и в Южном полушариях отклоняется и становится ветром западным, а нижний, направляющийся к экватору, приобретает восточное направление. Этот восточный ветер, преобладающий на океанских просторах тропических широт, называется пассатом. Причина же этих отклонений — вращение Земли.

Чтобы легче понять, как вращение Земли отклоняет траектории движения, рассмотрим пример — движение спутника. Посмотрим, как выглядит траектория спутника в земных географических координатах. На спутник действует только гравитационное притяжение и, если скорость его везде параллельна поверхности Земли, то кривая его движения — окружность большого круга, окружность с центром в центре Земли; Плоскость этой окружности неизменна относительно звезд. Однако сама Земля вращается, и за время одного оборота спутника Т_С она поворачивается на угол Δλ = 2π_*Т_С/R_⊕. Поэтому на поверхности Земли, в географических координатах, траектория спутника выглядит колеблющейся незамкнутой кривой. Ее можно видеть на фотографиях табло из Центра космических полетов, которое показывает движение космических кораблей над Землей.