Волновые движения в атмосфере. . Продольные и поперечные волны.

Волны в атмосфере, процесс распространения периодических или почти периодических движений, налагающихся на общий перенос воздуха. Кроме упругих продольных звуковых и взрывных волн, в атмосфере существует несколько типов атмосферных волн, различных по происхождению и характеру со значительно большими длинами волн, о периодичности этих волн можно говорить лишь приближённо. К таким волнам относятся волны, развивающиеся на границе двух воздушных слоёв, движущихся с разными скоростями и имеющими различные плотности и температуры. При этом в гребнях волн, где имеет место восходящее движение воздуха, происходит охлаждение воздуха, содержащийся в нём водяной пар конденсируется, и образуются облака. В долинах волн, где возникают нисходящие течения, воздух нагревается и удаляется от состояния насыщения, и небо между гребнями остается чистым, в результате появляются гряды волнистых облаков. Аналогичный процесс происходит в так называемых горных волнах, возникающих при обтекании гор, возвышенностей и т.п. (см. рис.). Колебательные движения продолжаются довольно долго после того, как данный объём воздуха миновал горное препятствие. Волны этого типа — короткие волны — широко распространены. Они влияют на полёт летательных аппаратов, часто порождая, например, болтанку самолётов. Амплитуда и длина волн этого типа тем больше, чем больше разность скоростей движущихся масс и чем меньше разность плотностей и температур. Длина волн — от сотен м до десятков км, а амплитуда до 1—2 км. Скорости восходящих движений, например, в гребнях горных волн могут достигать нескольких м/сек, этой их особенностью пользуются планеристы.

Кроме коротких волн (когда частицы колеблются в вертикальной плоскости), в атмосфере существуют волны крупного масштаба с длинами в сотни и тысячи км; колебания в этом случае происходят преимущественно в горизонтальном направлении. Во-первых, это циклонические волны, возникающие на фронтах атмосферных, т. е. на границах между воздушными массами с разной температурой. При потере устойчивости эти волны приводят к образованию циклонов. Существуют также так называемые длинные волны: господствующий в средних широтах земной атмосферы западный поток является волнообразным; длина этих волн порядка нескольких тысяч км, так что по окружности земного шара обычно укладывается несколько (3—6) длинных волн. Одна из причин их возникновения — различие в температурных условиях континентов и океанов. Циклонические и длинные волны. определяют режим погоды над большими территориями; их изучение играет первостепенную роль для прогноза погоды.

Остановимся на краткой характеристике волн, которые воз­никают на поверхностях, разделяющих воздушные потоки с различном плотностью (температурой) и горизонтальной ско­ростью движения. В том простейшем случае, когда рассматри­вается плоское движение двух бесконечно протяженных (по вер­тикали) несжимаемых воздушных потоков с горизонтальной ско­ростью u₁ и u₂, не меняющейся с высотой (но различной в обоих потоках), скорость распространения волны с рассчитывается по формуле Гельмгольца:

где λ— длина волны, Т₂ и Т_{ — температура воздуха вблизи по­верхности раздела соответственно верхнего (более теплого) и нижнего потоков, g— ускорение силы тяжести. Согласно теории ¹ устойчивость волны зависит от знака под­коренного выражения в формуле. Предельная длина волны изменяется от сотен метров до 5—8 км.Согласно теории, развитой Н. Е. Кочиным, А. А. Дородницыным и др., сложная система волн, в которой про­исходит чередование слоев с восходящими и нисходящими вер­тикальными движениями. Длина и амплитуда волн зависят от целого ряда факторов: скорости набегающего потока, верти­кального градиента температуры, ширины горы и др. Возму­щающее влияние гор распространяется до большой высоты (на всю тропосферу, а, возможно, и стратосферу).

Исследование волновых движений на фронтах имеет весьма большое значение для уяснения механизма образования циклонов.

Еще М. Маргулес предполагал, что кинетическая энергия цикло­нов связана с процессом опускания масс холодного воздуха и вытес­нения вверх масс теплого воздухаПозднее В. Бъеркнесом была высказана гипотеза, что циклоны возникают В результате потери устойчивости волновых движений на фронтах. Исследования, имевшие целью определить критерий устой­чивости этих движений, развивались в двух направлениях.

В. Бьеркнес и его ближайшие сотрудники в Норвегии предпо­лагали, что основные характеристики процесса могут быть установ­лены путем рассмотрения фронта, находящегося в безграничном пространстве (без учета влияния земли на характер движения). Рас­сматривая колебания, перпендикулярные к плоскости фронта, они пришли к выводу, что устойчивость волновых движений уменьшается с ростом скачка скорости и с уменьшением скачка температур.

Принципиально иной подход к решению той же задачи указал Н. Е. Кочин. Основная идея Н. Е. Кочина состоит в том, что потеря устойчивости фронтов происходит не в результате движений, перпен­дикулярных плоскости фронта (т. е. практически вертикальных), а в результате почти горизонтальных движений, направленных к по­верхности фронта под очень малым углом. В самом деле, характер­ные значения вертикальной скорости w=w' относятся к характер­ным значениям возмущений горизонтальной скорости как высота фронта к длине волны. Поскольку фронтальные волны имеют длину порядка нескольких сот километров, вертикальная ско­рость (и вертикальное ускорение) во много раз меньше характерных значений горизонтальных скоростей (и ускорений). Это дает осно­вание ввести ряд упрощений, применяемых с успехом в гидродина­мической теории длинных волн. Необходимо сразу подчеркнуть, что выводы, полученные Н. Е. Кочиным относительно влияния на цикло­генез скачка температуры и скачка скорости, противоположны выводам норвежской школы.

 

 

49.Процессы, приводящие к движению в атмосфере. Преобразование энергии.

Движение атмосферы возникает под влиянием неравномерного распределения давления, обусловленное процессами теплообмена в атмосфере. В этих процессах важную роль играет преобразование лучистой энергии в тепловую,а также выделение или поглощение тепла при фазовых превращениях воды. Неравномерность же распределения давления обусловлена процессами теплообмена в атмосфере и на ее границе с землей. Возникающие при этом атмосферные движения оказывают обратное влияние на процессы тепло- и влагообмена. Таким образом, атмосферные движения в совокупности с тепло- и влагообменом представляют собой основные факторы, определяющие погоду и климат. Атмосферные движения, процессы тепло- и влагообмена и связанные с ними изменения погоды определяются характером пространственного распределения в атмосфере метеорологических величин: давления, температуры, влажности воздуха, ветра и т.д. Основной причиной атмосферных движений является неоднородность нагревания различных участков поверхности Земли и атмосферы. Подъем теплого и опускание холодного воздуха на вращающейся Земле сопровождается формированием циркуляционных систем различного масштаба. Совокупность крупномасштабных атмосферных движений получила название общей циркуляции атмосферы. Вследствие Кориолиса силы движение воздуха при общей Ц. является квазигеострофическим, т. е. за исключением приэкваториальных широт и пограничного слоя оно достаточно близко к геострофическому ветру.

Часть луч. Энергии оставшаеся после отражения и рассеяния в мировом пространство, превращается во внутреннюю энергию. В атмосфере сущ. всегда и обратное превращение внутренней энергии в луч. благодаря излучению. Изменение темпер. Обусловленные излучением и поглощением луч. энергии,всегда связана с расширением воздуха, в результате которого изменяется гравитационная потенциальная энергия.Вследствии сжимаемости воздуха изменения внутренней и гравитац.потенциальной энергии всегда связаны. Благодаря зависимости максимальной упругости водяного пара от темпер. обычно изменения внутренней энергии сопровождаются изменением скрытой энергии парообразования. Дальнейшее превращение энергии обусловлены градиентами давления, которые возникают благодаря горизонтальной неоднородности приращений гравитационной и внутренней энергии. Горизонтальные градиенты давления приводят к появлению циркуляции, при этом запасы потенциальной энергии непрерывно уменьшаются,потенц.энергия превращается в кинетическую энергию. Отдельные области возник.циркуляции харак-ся восходящих или нисходящих движениями, во время которых кинетич.энергия превращается в скрытую энергию парообразования или наоборот. Затем кинет.энергия превращается в энергию вихрей или энергию турбулентности. Завершается процесс переходом вихревой энергии в кинетическую энергии молекул, т.е.во внутреннюю энергию. При неустойчивом состоянии внутренней и потенциальной энергий в энергию турбулентности.