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无线电电子与电气工程百科全书 大气及其运动。 无线电电子电气工程百科全书
地球被一层厚厚的空气——大气层包围着。 随着高度的增加，空气变得越来越稀薄，密度越来越小。 在地球表面的海平面上，0 度时一立方米空气的重量约为 1,3 公斤； 在距离地球表面 25 公里的高度，一立方米空气的重量已经减少了三十多倍。 虽然地球大气层的厚度达到数百公里，但与地球的体积相比，却并不算大。 大气层的下层，距地球表面 9 至 18 公里，称为对流层。 该层含有超过 3/4 重量的空气。 上层称为平流层和电离层。 空气，像所有物体一样，有重量。 它以巨大的力量压在地球和所有生活在地球上的人身上； 地球表面的这个力大约等于每平方厘米身体面积一公斤。 气压随海拔高度逐渐降低。 但即使在地球表面，正如我们稍后将看到的，大气压力也不是恒定的，它总是在变化。 等于0毫米高的水银柱在760度时施加的压力的气压称为正常大气压。 该压力等于每平方厘米1,0336千克。 在气象学中，气压通常以毫巴为单位测量。 一毫巴约等于一克施加在一平方厘米表面上的压力。 正常大气压约为1000毫巴。 气象学是研究大气及其中发生的现象（主要是物理现象）的科学。 从狭义上讲，它是关于天气及其变化的科学。 气氛始终不平静。 无论是在两极、热带地区、地下、地球表面、还是云层漂浮的上方，空气都在运动。 空气在地球周围的运动称为风。 是什么导致大气中的空气运动？ 为什么会刮风？ 为了更好地了解风的成因，请记住众所周知的现象。 冬天，当你从温暖的房间打开通往街道或寒冷房间的门时，冷空气从下面涌入温暖的房间。 同时，温暖的室内空气将从上方散发出来。 验证这一点很容易。 点燃一根蜡烛或一根火柴，将其放在敞开的门上 - 首先放在底部，然后放在门槛处，然后放在顶部（图 1）。 在底部，蜡烛火焰会因进入房间的冷空气流而明显偏转，而在顶部，相反，来自房间的暖空气流将使蜡烛火焰向外偏转，离开房间。
为什么会这样？ 原因如下。 如果我们采用两种相同体积的空气，但加热程度不同，那么较冷的空气总是密度更大，因此更重。 当受热时，空气像所有物体一样膨胀，密度变小，重量变轻。 当我们打开临街的门时，较冷、较浓的室外空气涌入温暖的房间，向上取代较稀薄、较轻的室内空气。 由于较重，室外空气从下方进入房间，位于房间的下层，靠近地板。 温暖的空气被寒冷的重空气取代，上升并通过打开的门的顶部离开房间。 这个例子将使我们了解大气中空气运动的原因。 落在地球上的太阳的热量主要加热其表面。 大气仅吸收一小部分太阳热能。 从球体的加热表面，与其接触的下层空气被加热。 温暖的空气层与寒冷的空气层混合，为它们提供热量； 这就是空气被加热的方式。 因此，地球表面被太阳加热得越多，其上方的空气也就越热。 但地球表面是如何被太阳加热的呢？ 远非相同。 这主要是由于一年中的不同时间和不同的气候带。
地球 太阳以不同的方式从地平线升起。 太阳离地平线越高，落在地球表面同一区域的太阳热量就越多（图2）。 由于赤道及其附近的地球呈球形，太阳光线急剧下降，中午几乎垂直。 在气候温和的国家，太阳光线照射到地球表面的光线要柔和得多。 在极地国家和两极，太阳光线似乎只是在地球表面上滑过——太阳升起地平线上方相对较低的位置。 此外，冬天太阳根本不会出现在地平线以上：极夜很长。 出于同样的原因，地球表面的温度在白天也会发生变化。 白天，当太阳高挂在天空时，地球表面温度最高；晚上，当太阳低于地平线时，地球开始变冷，夜间和早晨的温度最高甚至更低。
此外，地球表面受热不均匀的原因是地表不同部分被太阳加热和冷却的程度不同。 特别重要的是水和土地加热和冷却的能力不同。 土地很快就会升温到更高的温度，但很快就会冷却下来。 另一方面，水（尤其是在海洋中）由于不断混合，加热速度非常缓慢，但保留热量的时间比陆地长得多。 这是因为水和土地的热容不同（热容是将物体加热一度所需的热量）。 土地的不同部分在太阳光线的照射下受热程度不同。 例如，黑色的裸地比绿色的田地升温得多。 沙子和石头受到太阳的强烈加热，森林和草地的加热要弱得多。 地球不同部分在太阳光线下加热的能力不同，还取决于入射到表面的光线被表面吸收和反射的比例。 不同的物体有不同的反射率。 因此，雪仅吸收 15% 的太阳能，沙子为 70%，而水仅反射 5% 并吸收 95%（图 4）。 地球上不同受热地区以不同的方式加热空气。 从这个例子中可以看出不同地方空气接收的热量有多么不同。 在沙漠中，空气从加热的沙子中吸收的热量是空气从与沙漠同纬度的海水中吸收的热量的 130 倍。 但正如已经提到的，不同加热的空气具有不同的密度。 这会在不同的地方产生不同的气压：在空气温度较低、因此密度较大的地方，气压较高；在空气温度较低的地方，气压较高；在空气温度较低的地方，气压较高。 相反，空气受热程度越高，因此空气越稀薄，气压就越低。 压力较高的空气总是倾向于移动到大气压力较低的地方，就像水总是从较高的水平流向较低的水平一样。 这就是自然界中风的产生方式。 空气的不断运动造成大气中温度和压力的差异，这与太阳对地球的不均匀加热有关。
因此，自然界中的风是由于太阳光线的能量而产生的。 在图 5 中，我们展示了主气流的简化图。 从图中可以看出，即使是最简单的形式，地球上空的气团运动也是一幅相当复杂的图景。 在赤道，由于地表的强烈加热，观察到气压持续降低。 气流从北方和南方流过这里，产生持续的风——信风。 这些风因地球自转而偏转。 在北半球，如果你朝信风吹的方向看，风向会偏向右侧，在南半球则偏向左侧。 在3-7公里的高度，这些地区吹着反贸易风——反向风。 赤道附近有一个平静地带。 当它们远离赤道时，反贸易风越来越偏离其朝向两极的方向。 在北纬30度左右，赤道两侧有平静带； 在这些地区，来自赤道的气团（反信风）下降并形成高压区域。 信风就是在这里诞生的。 风从这里吹向下面的两极。 这些风是盛行西风； 与信风相比，它们的变化性要大得多。 老水手们把30度到60度之间的区域称为“西部风暴”区域。 纬度 30 度左右的平静区域有时称为马纬度。 这里天气晴朗，气压高。 这个奇怪的名字自水手航海时代起就一直保留下来，仅指百慕大周围地区。 许多船只将马匹从欧洲运往西印度群岛。 一旦进入平静期，帆船就失去了移动的能力。 与此同时，水手们经常发现自己处于困难的境地。 水源枯竭，马匹最先渴死。 被扔到海里的马匹尸体被一波又一波地搬运了很长时间。 从两极吹来的风通常称为极地东风（见图 5）。
由于水和土地加热不均匀而产生的持续风，使我们所描述的地球上空主要气流的情况变得更加复杂。 我们已经说过，土地的升温和降温速度比水快。 因此，白天，陆地比水有更多的时间升温：相反，在夜间，水比陆地冷却得更慢。 因此，陆地上白天的空气温度更高；白天，陆地上的空气温度更高。 加热的空气上升并增加那里的大气压力。 气流（大约1公里高度）冲向水面，水面上方气压升高。 结果，一股清新的风，微风，开始从下面的水中吹来（图6）。
但夜晚来临了。 土地正在迅速变冷； 周围的空气也被冷却。 冷气凝结，下降。 上层的压力下降。 同时，水长时间保持温暖并加热其上方的空气。 据计算，1立方米海水冷却3度所释放的热量，足以将7多立方米空气加热XNUMX度！ 当加热时，空气上升并在那里产生增加的大气压力。 结果，风开始吹向上方的海岸，而大陆风则吹向下方——从陆地吹向水面（图XNUMX）。
生活在大湖或大海沿岸的每个人都知道这种沿海风。 例如，众所周知的是黑海、亚速海和里海的微风； 因此，苏呼米一年四季都有微风。 微风也吹过塞凡湖、伊塞克湖、奥涅加湖等大型湖泊。 在大河的河岸上也可以观察到微风，例如萨拉托夫附近的伏尔加河右岸高处。 微风不远行。 这些纯粹是地方风。 海洋沿海地区的水和陆地加热不均匀会产生类似于微风的风。 这些就是所谓的季风。 季风是季节性的风，半年向一个方向吹，半年向另一个方向吹。 它们的吹动是由于冬季和夏季海洋和大陆的加热和冷却不同而产生的。 夏季，大陆上空的空气温度比海上高得多。 相反，在冬季，海洋上空的空气比大陆上空的空气温暖。 这是因为，在夏季，大陆比水更热，而在冬季，它们比水更冷，而夏季较冷的海洋，在冬季却比陆地更温暖。 水的大热容量使海洋能够储存夏季的大量热量。 因此，在夏季，大陆使大气升温，而海洋则使大气降温。 到了冬天，情况发生了变化：海洋变成了“大气炉”，大陆变成了“冰箱”。 因此，季风吹； 冬季 - 从陆地到海洋，夏季从海洋到大陆。 所有气候带都会出现季风，甚至在北冰洋沿岸也是如此。 季风的方向也受到地球自转的影响。 印度的季风最为明显。 最后，为了对气流进行一般性的描述，有必要说一下大气涡流——气旋。 我们上面讨论的气流与大气中大量空气（气团）的运动有关。 人们习惯上将在一段时间内保持其特定属性的空气体积称为气团。 例如，来自北极的气团带来了低温、干燥、透明的空气。 两个不同气团之间的界面称为锋面。 锋面两侧的气温、风速等往往相差很大，因此，当锋面经过某个地方时，该地区的天气通常会发生剧烈的变化。 当两个相邻的具有不同温度（因而空气密度不同）的气团以不同的速度运动时，或者当它们在气团边界面上沿锋面（上图8）相对运动时，由于温暖和寒冷的空气团，会产生波扰动 - 可以说，空气波在前面形成。 在这种情况下，冷空气在暖空气下方流动，而暖空气又开始推动冷空气。 气流开始旋转。 前方的波浪扰动增强，两个气团之间的界面弯曲得越来越陡：因此，逐渐产生越来越强的涡旋空气运动——气旋（见图8）。
气旋发生在三个主要锋面：北极、极地和热带。 北极锋是北极和极地空气（北纬）之间的分界线。 极锋将极地和热带空气（温带纬度）分开。 热带锋面是热带和赤道空气（南纬）之间的分界线。 气旋中的大气压力朝其中心减小。 在气旋中心，气压最低。 如果在气旋发展区域的地图上，所有具有相同压力的点都用线连接 - 例如，一条线连接所有压力为 990 毫巴的点，另一条线连接压力为 995 毫巴的点，等等，那么事实证明，所有这些位于气旋区域内的线都将是闭合曲线（图9）。 这样的线称为等压线。 该区域中心的等压线将连接最低压力点。 由于气旋内压力的这种分布，风从边缘吹向中心，从而形成一圈逆时针风。
气旋穿过大气层； 它带来了风向和风速的突然变化。 气旋的平均速度为每小时25-40公里。 除了气旋，即低压区域外，大气中还出现高压区域 - 反气旋。 这里气压向中心上升。 气旋和反气旋通常会袭击绵延数千公里的大片区域。 因此，这些大气扰动对大气中空气的总体循环有显着影响，使其变得更加复杂。 温带地区各种风的出现和变化主要与气旋和反气旋的运动有关。 源自热带锋面、南部海域的气旋扰动会产生非常强的飓风级大风。 这些气旋称为热带气旋。 作者：Karmishin A.V.
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