Циклоны

Вопрос о завтрашней погоде интересует каждого человека. Мы проводили опрос среди студентов географического факультета Московского университета, который показал, что в летнее время есть 3% людей, не интересующихся прогнозом погоды. У нас, в умеренных широтах, погода заслуживает внимания, потому что она хаотична. Это связано с творцами погоды в умеренных широтах — системами циклона и антициклона. Сегодня мы изучим циклоны. Циклоны и антициклоны — атмосферные вихри огромного масштаба. В умеренных широтах средний диаметр циклона составляет 2000 километров, а антициклона — 4000 километров. С циклонами связаны разнообразные условия погоды, поэтому начать стоить не с последствий, а с определения. Циклон — область с пониженным давлением, в центре которой давление максимально низкое. Определять циклон только через показатели атмосферного давления неправильно, потому что это целый комплекс погодных условий: атмосферные фронты, виды облаков и осадки. Циклон сменяет несколько режимов погоды, поэтому важно спрогнозировать его возникновение, эволюцию и исчезновение. Это один из главных вопросов в изучении погоды.

Рассмотрим историю изучения циклона и причины, из-за которых он так интересен. В первую очередь это связано с погодными характеристиками: атмосферное давление и ветер, которые сильно зависят друг от друга. Распределение атмосферного давления связано с неравномерным нагревом атмосферы, а он — с солнечной энергией. Из-за наклона земной оси одна часть планеты получает больше солнечной энергии, чем другая, поэтому возникает разница температуры — градиент температуры. Неравномерно нагретый воздух имеет разную температуру и плотность, а значит, и разный вес. Атмосферное давление — вес столба воздуха, расположенного от точки, от которой вы отсчитываете, до верхней границы атмосферы. Разная температура приводит к разному давлению на Земле.

Если в атмосфере есть разное давление, то воздух перемещается из областей высокого давления в область низкого. Так учат в школе, но на самом деле воздух дует из области высокого давления в область низкого только в приэкваториальной зоне, потому что в этой зоне равна нулю сила Кориолиса — сила, связанная с вращением Земли. Если рассмотреть ситуацию 5-го градуса северной и южной широты, то вклад силы Кориолиса растет, поэтому в умеренных широтах перемещение воздуха — это результат действия двух сил: силы Кориолиса и силы барического градиента — это сила, которая связана с разницей давления. У нас движение воздуха происходит без ускорения, а иначе атмосфера разогналась бы до безумных скоростей и улетела. Существуют порывы ветра, и ветер часто меняется, но если усреднить показания за большой промежуток времени, то ускорение будет нулевое. Вспомним второй закон Ньютона: сумма сил равна массе, умноженной на ускорение. Если у нас ускорение равно нулю, то сумма сил тоже равняется нулю. В простом приближении сила Кориолиса уравновешивает силу барического градиента, изменяя направление перемещения тела и отклоняя его. Предположим, сила градиента направлена с юга на север. Чтобы сила Кориолиса ее уравновешивала, она должна быть направлена с севера на юг, так как она действует только под 90 градусов к направлению движения. В результате получается преобладающее направление перемещения в умеренных широтах с запада на восток. Ветер дует не перпендикулярно линиям равного давления из высокого в низкое, а параллельно. Если циклон — замкнутая область низкого давления, состоящая из круглых линий равного давления — изобаров, то в атмосферном вихре воздух будет дуть по кругу, а в циклоне в Северном полушарии — против часовой стрелки.

Вопрос о том, откуда дует ветер, во многом определяет прогноз погоды, потому что северный ветер чаще будет приносить холодный воздух, а южный ветер — теплый. Из-за этих факторов в передней части циклона, где адвекция тепла и ветры с юга, возникает теплый сектор, и приходит теплая воздушная масса, а в тылу циклона, на его западной и северо-западной периферии, вторгаются холодные воздушные массы, и ветер дует с севера. Связь между погодой и тем, откуда дует ветер, заметил Аристотель. Он давал ветрам причудливые имена, например Апраксий, и с каждым ветром связывал определенные условия погоды. Один был холоден, другой горяч и сух, поэтому уже в Древней Греции понимали, что погода зависит от направления ветра. 

Циклон определяет условия погоды не только благодаря направлению ветра. Мы упоминали только силу барического градиента и силу Кориолиса, но в приземном слое действует еще одна сила — сила трения. Она тоже влияет на направление движения, отклоняет ветер в сторону низкого давления. Представьте себе: там, где трения нет, ветер в циклоне дует по кругу против часовой стрелки. Там, где трение есть, в нижнем двухкилометровом слое, потоки воздуха будут отклоняться к центру циклона, и в центре произойдет сходимость потоков — конвергенция. После конвергенции воздух не может уйти в землю, и он устремляется вверх, поэтому в центре циклона воздух всегда поднимается, расширяется и охлаждается. В воздухе начинается конденсация водяного пара, образуются облака и осадки. Циклон чаще всего связывают с облачной погодой.

Первый человек, который нанес изменения давления на географическую карту и открыл циклон, — немецкий метеоролог Вильгельм Брандес. Он обратил внимание на связь циклонов с плохой погодой. Это не до конца корректное убеждение сохранялось на протяжении практически ста лет, потому что только в начале XX века группа норвежских метеорологов открыла, что условия в циклоне более разнообразны. Изначально падение давления или приближение циклона связывалось с плохой погодой. В XX веке это определяли по падению показателей барометра. Другой метеоролог и контр-адмирал Роберт Фицрой, которого называют отцом синоптической метеорологии, обязал всех капитанов судов и всех людей, занимающихся рыболовством в прибрежных зонах, приобрести барометры, чтобы по падению давления они могли судить о приближающемся ухудшении погоды и подготовиться. Эта идея спасла жизнь многим мореплавателям, хотя некоторые организаторы морских путешествий относились к нововведению скептически, потому что падение давления не всегда сопровождается плохой погодой, но это поняли позже. К сожалению, Роберта Фицроя травили в прессе и ругали за плохие прогнозы погоды — в основном люди, которые теряли деньги на этом. Весь этот негатив привел к трагедии: Роберт Фицрой в 60 лет покончил жизнь самоубийством.

Вернемся к группе норвежских метеорологов, которые обнаружили связь циклона с разными условиями погоды. Все из-за того, что он состоит из трех разных воздушных масс и зон, которые разделяют массы. Понятия «воздушная масса» и «зона раздела», которую норвежцы назвали атмосферным фронтом, — это важные элементы структуры циклонического образования. Интересный факт: все знают, что на экваторе теплее, а у полюсов холоднее и температура от экватора к полюсу падает. При этом она могла бы падать равномерно, 1 градус на каждые 100 километров, но наша атмосфера организована не так. Над пространствами в тысячи километров свойства воздуха однородны, поэтому эти гигантские объемы с относительно однородными свойствами, схожими температурой и влажностью называют воздушными массами. На земном шаре существует четыре типа таких масс: арктические, антарктические, тропические и экваториальные. Между такими массами есть узкие зоны раздела, где сталкиваются теплый и холодный воздух. Длина зоны раздела не больше сотни километров, а иногда меньше. От столкновения разных воздушных потоков пошел термин «атмосферный фронт» — пространство, где сталкиваются теплый и холодный воздух, Атмосферный фронт формирует мощные облака, которые дают интенсивные осадки. Для того чтобы воздух сталкивался, воздушные потоки должны сходиться, а сходятся они вдоль оси пониженного давления, поэтому в циклонах атмосферные фронты будут более выражены, нежели в областях повышенного давления — антициклонах.

В каждом циклоне существуют две холодных воздушных массы и одна теплая, которые разделяет теплый и холодный фронт. В передней части циклона, где ветер дует с юга, формируется теплый фронт, потому что теплый воздух наступает на холодный. На теплом фронте образуются слоистообразные облака и идут долгие осадки. Перед теплым фронтом воздух холоднее, поскольку воздух всегда поднимается в циклоне и образует облака, но осадки идут только вблизи центра циклона, ближе к окраине они прекращаются. За теплым фронтом приходит теплая воздушная масса, которая формирует слоисто-кучевые облака, сплошным слоем покрывает небо облаками, но осадки при таких облаках слабые, малоинтенсивные или их нет вообще. Исключение — лето: в умеренных широтах летом развиваются конвективные облака и появляются грозы. Интересный факт: в таком теплом воздухе грозы бывают не днем, а ночью, поэтому если вы столкнулись с ночной грозой, то можете быть уверены, что к вам пришел теплый тропический воздух.

Мы рассмотрели три типа погоды в циклоне: в передней части облака без осадков, дальше теплый фронт с продолжительными осадками и слоистообразными облаками, затем потепление, морось, погода, связанная с высокими температурами (зимой это оттепели и повышение температуры воздуха выше 0 °C). В западной и северо-западной части циклона надвигается холодный воздух, вытесняя теплый. Под давлением холодных воздушных потоков теплый воздух резко устремляется вверх и образует огромный вал — гряду кучево-дождевых облаков. С наступлением холодного фронта приходят шквалы, грады, грозы, ливневые осадки. Несмотря на свою опасность, холодный фронт имеет меньшую ширину, чем теплый, поэтому осадки идут не 10 часов, а час. Другой интересный факт о холодном фронте — это зарядовый характер. Весной, когда появилось солнышко и все настраиваются на лето, часто приходят свинцово-серые тучи, а иногда выпадает снег на фоне повышенных температур. Он выпал, мы сжали зубы, переждали, и опять светит солнышко. Это явление называют зарядами холодного фронта. За холодным фронтом небо проясняется, образуются кучевые облака, которые не дают осадков. Летом осадки выпадают, когда за холодным фронтом, в тылу циклона, приходит влажный воздух с Атлантики.

Циклон и понижение давления можно назвать хорошей погодой, но погода эта неоднозначная. Перед теплым фронтом, на теплом фронте, в теплом секторе, на холодном фронте и за холодным фронтом — пять разных типов условий погоды. С точки зрения метеорологов, циклоны помогают в прогнозировании. Для обывателей это скорее не самое приятное явление. Прогнозисты знают, какие типы погоды в какой последовательности происходят, поэтому если циклон сформировался над Атлантикой и известно, что в течение трех дней он дойдет до нас, а в течение еще трех дней будет над нами проходить, то последовательность смены условий погоды можно предсказывать с большой степенью вероятности. В таких условиях оправданность прогнозов на срок 5–7 дней весьма увеличивается. Циклон с уверенностью можно назвать хорошим помощником синоптика.