При анализе механизма «усиления» первоначального возмущения давления, связанного, как мы видели, с определенной раскомпенсацией действующих в нижней атмосфере сил и образованием составляющей ветра, носящей агеострофический характер, рассматривались лишь усредненные характеристики и не учитывалось конкретное состояние атмосферы и существование различных неустойчивостей.
Неустойчивости играют важную роль в циркуляции атмосферы. И если для движения и эволюции развившихся циклонов их учет не имеет определяющего значения, то для анализа процесса образования циклонов он необходим. Так, известно, что горизонтального перераспределения давления недостаточно для объяснения кинетической энергии, развивающейся в циклоне. Оно может породить лишь около 5% общего ее запаса. В основном же энергия черпается из неустойчивого вертикального распределения масс в атмосфере, которое является конденсатором огромных запасов потенциальной энергии, преобразующейся в кинетическую энергию при распределении воздушных масс.
Существуют два основных вида неустойчивостей: вертикальная и инерционная. При вертикальной неустойчивости частица воздуха, отклонившаяся от начального положения вверх или вниз, будет стремиться удалиться от него (при устойчивости — вернуться). В конкретных условиях устойчивость определяется распределением температуры с высотой или, как говорят, стратификацией атмосферы. Обычно в некотором неподвижном слое тропосферы температура хорошо аппроксимируется линейным законом:
Т=Т0 – γΔz.
Если малый объем выделенного газа смещается адиабатически (в сухом воздухе процессы близки к адиабатическим) на высоту Δz, то его температура будет Т0–(g/Cp)Δz. Разность температур между этим объемом и окружающим газом:
ΔТ=(γ – g/Cp)Δz,
а разность плотностей:
Δρ = – ρ ΔТ/Т = –(ρ/Т) (γ – g/Cp)Δz.
Из этой формулы видно, что если в атмосфере градиент температуры γ больше адиабатического g/Cp, то Δρ<0, т. е. малый объем, сместившись вверх, станет легче окружающей среды. Поэтому он будет продолжать подниматься. Это означает, что при γ>g/Cp слой атмосферы будет находиться в неустойчивом состоянии. Ясно, что такое состояние быстро рассасывается и переходит в устойчивое. Время его существования мало.
Положение существенно меняется для влажного воздуха. В этом случае может возникнуть так называемая условная неустойчивость. Пока воздух не насыщен влагой, стратификация устойчива, когда достигается насыщение — возникает неустойчивость (влажно-диабатический градиент γs<g/Cp). Таким образом, стратификация воздуха оказывается устойчивой по отношению к малым возмущениям и неустойчивой по отношению к большим. Порог зависит от степени влажности воздуха. Ясно, что в условно устойчивом состоянии атмосфера может пребывать достаточно долго и аккумулировать большие запасы потенциальной энергии (до 108—109 эрг/см2). В основном это — энергия конденсации водяного пара.
Процесс образования внетропических циклонов и происходит на границе между холодным сухим воздухом и теплым влажным, где образуется обширная зона условных вертикальных неустойчивостей, особенно при быстром движении фронтов теплого и холодного воздуха (характерными в этом отношении являются районы к югу от Исландии и Аляски). Как хорошо видно из космоса, в стадии молодого циклона вдоль фронтов возникают сплошные облачные системы, т. е. происходит раскрытие неустойчивостей.
При анализе возможного влияния ИК-излучения верхней атмосферы на процесс циклонообразования следует прежде всего отметить характерные особенности первичного возмущения: действие на огромных расстояниях, единым образом и одновременно. Эти факторы могут оказаться весьма существенными для процессов развития неустойчивости и формирования циклона. Как уже говорилось, при поглощении ИК-излучения возникает градиент нагрева вдоль направления «север—юг» и связанная с ним первичная адвекция (горизонтальный перенос тепла за счет переноса масс воздуха). Изменение же давления за счет адвекции приводит к вертикальному движению воздуха. При типичных распределениях, возникающих на границе между теплым и холодным воздухом, энергии, выделяемой за счет ИК-излучения, оказывается достаточно для такого вертикального подъема, при котором преодолевается порог условной неустойчивости. Дальнейший процесс будет происходить за счет энергии конденсации паров воды. В результате может выделиться вся энергия, запасенная в неустойчивой стратификации. Она на два порядка может превышать энергию, поставляемую ИК-излучением за сутки. Процесс выделения энергии неустойчивости за счет первичного нагрева начинается сразу вдоль всего фронта. Постепенно благодаря росту выделения энергии и увеличению адвекции происходит более равномерное распределение выделяющейся энергии и преодолеваются пороги всех скрытых неустойчивостей.
Суммарная кинетическая энергия, выделяющаяся за счет неустойчивой вертикальной стратификации в результате первоначального возмущения при действии теплового излучения верхней атмосферы при ширине области неустойчивости ~200 км и длине фронта 1000 км, может составить 1024—1025 эрг.
Таким образом, рассмотренный механизм образования внетропических циклонов при геомагнитных возмущениях показывает, что первичный нагрев играет роль своего рода спускового механизма, а основная энергия черпается из самой атмосферы — это потенциальная энергия неустойчивости и конденсации.
Наряду с вертикальной неустойчивостью при анализе образования циклонов следует учитывать инерционную неустойчивость и конкретное поле ветра. Как мы уже отмечали, частицы воздуха движутся в основном вдоль изобар. Скорость геострофического ветра пропорциональна величине горизонтального градиента давления, т. е. густоте изобар. Следовательно, при сближении теплого и холодного воздуха и увеличении горизонтального контраста температур во фронтальной зоне, а значит, горизонтального градиента давлений резко возрастают скорости воздушных течений. Во фронтальной зоне концентрируются большие запасы энергии, в верхней тропосфере и стратосфере образуются струйные течения со скоростью 300—400 км/ч. В этих условиях даже сравнительно малые возмущения, обусловленные инфракрасным излучением и приводящие к агеострофичности и нестационарности потока, могут оказаться существенными. Если под действием ИК-излучения скорость ветра становится меньше геострофической, то может возникнуть инерционная неустойчивость. Искажение поля ветра и нестационарность процессов (в соответствии с адвективно-динамической теорией образования циклонов X. П. Погосяна и Н. Л. Таборовского) приводят к увеличению давления в области сходимости воздушных потоков и падению — в области их расходимости.
Конкретные условия образования циклона, в частности устойчивое или неустойчивое положение фронта, связаны с взаимодействием начального возмущения с реальным полем ветра. Разумеется, развитие неустойчивостей и возникновение циклонов имеют место и без воздействия солнечной активности. Солнечный фактор лишь способствует образованию внетропических циклонов, синхронизирует их возникновение.
Отметим, что развитие значительных неустойчивостей в нижней атмосфере может сопровождаться быстрым подъемом воздуха, выбросом паров воды в стратосферу, образованием гравитационных и инфразвуковых волн. Гравитационные волны являются крупномасштабными волновыми движениями воздушных масс в поле силы тяжести Земли с длиной волны до нескольких десятков километров, распространяющихся в верхней тропосфере и стратосфере со скоростями порядка нескольких десятков метров в секунду. (Эти атмосферные волны называют также внутренними гравитационными волнами и волнами плавучести.) Гравитационные волны могут играть существенную роль и в самом процессе развития неустойчивости, осуществляя обратную связь через дополнительный нагрев вышележащих слоев атмосферы, достигая, в частности, и верхней атмосферы. А это в свою очередь приводит к увеличению интенсивности инфракрасного излучения. Гравитационные волны могут переносить значительный вертикальный поток энергии (до 103 эрг/см2·с). В целом же волны в процессе генерации, распространения и затухания запасают и переносят энергию в масштабе, достаточном для того, чтобы играть заметную роль в глобальном балансе энергии атмосферы.
В области образования циклонов происходит и интенсивная генерация инфразвуковых волн в области частот 10–3—20 Гц, практически совпадающей с областью частот геомагнитных пульсаций. И гравитационные и инфразвуковые волны образуются при многочисленных разнообразных атмосферных процессах, распространяются на громадные расстояния, сопоставимые с размерами земного шара.
Добавить комментарий