Атмосферные процессы
Атмосферные процессы связаны с влиянием и проявлением процессов, идущих как из космоса, так и от земной поверхности, которые особым образом проявляются в земной атмосфере.
Источником энергии атмосферных процессов в основном является солнечная радиация (солнечное излучение), приходящая к земной поверхности из космического пространства. Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверхности в теплоту, с последующей трансформацией полученной энергии в различных воздушных массах, а затем и превращением в энергию движения и другие виды энергии.
Солнечные лучи больше нагревают земную поверхность, чем непосредственно воздух, но между земной поверхностью (сушей и океаном) и атмосферой происходит постоянный оживлённый обмен тепла, а также воды. Строение земной поверхности, её подстилающая поверхность, а также особенности рельефа имеют большое значение для движения воздуха в атмосфере. Наличие атмосферы, в свою очередь, является важным фактором для возникновения разнообразных физических процессов как на поверхности суши, так и в Мировом океане. Это, например, установление и сход снежного покрова, возникновение и таяние морского льда и льдов материкового происхождения, воздушные вихри разного масштаба и ветровые волнения, морские течения и многое другое.
Существуют три основных цикла атмосферных процессов, которые определяют теплооборот в атмосфере. Это так называемые климатообразующие процессы — теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.
ТЕПЛООБОРОТ
Теплооборот, создающий тепловой режим атмосферы, состоит в следующем: главным источником энергии почти для всех процессов, происходящих в атмосфере Земли, является Солнце. Сквозь атмосферу проходит поток солнечной радиации. Величина этой энергии для Земли оценивается приблизительно значением в 2,5 × 1018 кал/мин. Атмосфера частично поглощает солнечные лучи, преобразуя их энергию в теплоту. Частично лучи рассеиваются и отражаются назад облаками, примесями и другими компонентами атмосферы.
Прямая солнечная радиация, достигшая земной поверхности, а также рассеянная радиация, попадая на земную поверхность, частично от неё отражается, но в большей части поглощается этой поверхностью. При этом происходит нагревание верхних слоёв как суши, так и водной поверхности. Механизмы этого процесса в аккумуляции тепла и отдаче его в атмосферу для суши и моря имеют ряд существенных отличий.
Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которая в большей части поглощается атмосферой и нагревает её. Атмосфера, в свою очередь, излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой поглощается земной поверхностью. В то же время земная и атмосферная радиация непрерывно уходит за пределы земной атмосферы вместе с отражённой солнечной радиацией, уравновешивая приток солнечной радиации к Земле.
Кроме обмена теплом путём излучения, между земной поверхностью и атмосферой происходит обмен тепла путём теплопроводности. Особенно важную роль играет перемешивание воздуха в вертикальном направлении. Значительная часть тепла, поступающего на земную поверхность, затрачивается ещё на испарение воды, переходя в скрытую форму. Потом, при конденсации водяного пара в атмосфере, это тепло, выделяясь, идёт на нагревание воздуха.
Температура воздуха изменяется постоянно, но неравномерно, как у поверхности Земли, так и на различных высотах, имеет целый ряд особенностей в различных географических районах и над разной земной поверхностью. Она изменяется как с определённым постоянством, так и нерегулярно, непериодически, в связи с общей циркуляцией атмосферы и трансформацией воздушных масс. Это происходит по многим причинам. Они могут проявляться в течение суток, сезона, года, и т. д., в зависимости от вращения Земли и связанных с ним изменений в притоке солнечной радиации, а также внутренних процессов в самой Земле и на её поверхности.
Тепловой режим атмосферы оценивается посредством измерения температуры воздуха.
Распределение температуры воздуха по земному шару в основном зависит от общих условий притока солнечной радиации по широтам, от неравномерности распределения поверхности суши и Мирового океана, которые по-разному нагреваются и отдают своё тепло атмосфере, а также от особенностей циркуляции атмосферы в том или ином географическом районе.
ВЛАГООБОРОТ
Кроме теплооборота между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный оборот воды, или влагооборот (рис. 4.1).
С любой земной поверхности в атмосферу испаряется вода, на что затрачивается большое количества тепла. Водяной пар — вода в газообразном состоянии — является важной составляющей атмосферного воздуха.
Водяной пар, попадая в результате испарения в атмосферу, при определённых условиях испытывает обратное преобразование — он конденсируется, вследствие чего образуются облака, туманы и осадки, выпадает роса и образуется иней.
Количество выпадающих осадков, их интенсивность, распределение по сезонам в течение года влияют на условия речного стока, уровень рек, озёр и другие гидрологические явления. Вода, возвращаясь на Землю в виде осадков, тем самым уравновешивает испарение в целом для всего земного шара.
АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ
В атмосфере постоянно наблюдаются движения воздуха различного происхождения и масштаба. Эти движения различны по интенсивности, по охватываемому ими пространству, по географии их проявления и времени существования. Непосредственной причиной атмосферных движений или элементов атмосферной циркуляции служит неравномерность распределения атмосферного давления, обусловленная процессами теплообмена. Изучение атмосферных движений позволяет понять характер атмосферной циркуляции.
Общие представления об атмосферных движениях
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ШИРОТНЫХ ЗОН И ВОЗДУШНЫЕ ТЕЧЕНИЯ
Земля в целом, атмосфера в отдельности и земная поверхность находятся в состоянии теплового равновесия, если рассматривать условия за длительный период времени (год и более). Но это среднее равновесие для всей Земли. В высоких широтах, где приток радиации меньше отдачи, должна существовать значительная нерадиационная передача тепла от атмосферы к земной поверхности как путём теплопроводности, так и при конденсации, при переносе воздуха из одних широт в другие, в адвекции воздуха. Тёплые воздушные массы, притекающие в высокие широты, отдают там своё тепло более холодной земной поверхности. Холодные воздушные массы, попадая в низкие широты, воспринимают путём теплопроводности избыток тепла от земной поверхности. Таким образом, в широтных зонах поддерживается тепловое равновесие земной поверхности. В результате этого в атмосфере устанавливается более равномерное распределение тепла по земному шару.
Путём адвекции в земной атмосфере огромные количества тепла переносятся из низких широт в высокие.
Кроме переноса тепла из низких широт в высокие, воздушные течения осуществляют и сезонный перенос тепла между полушариями. Тепло переносится из того полушария, в котором лето или осень, в то, в котором зима или весна.
ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ
Общей циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений, которые по своим масштабам соизмеримы с большими частями материков и океанов. От общей циркуляции атмосферы отличают местные циркуляции, такие как бризы на побережьях морей и океанов, горно-долинные ветры, ледниковые ветры и другие. Эти местные циркуляции в определённых географических районах временами налагаются на воздушные течения общей циркуляции.
Разнообразие проявлений общей циркуляции атмосферы зависит от возникающих в атмосфере огромных волн и вихрей, которые перемещаются в пространстве с различной скоростью под действием многих возникающих в атмосфере сил. Образование атмосферных возмущений большого масштаба повышенного и пониженного давления — антициклонов и циклонов — является наиболее характерной чертой общей циркуляции атмосферы (рис. 4.2).
Однако в общей циркуляции атмосферы при всём разнообразии её непрерывных изменений можно подметить и некоторые устойчивые особенности, повторяющиеся ежегодно.
Течения общей циркуляции в большей части атмосферы являются квазигеострофическими. Это означает, что они достаточно приближаются к геострофическому ветру, т. е. направлены на большой высоте почти по изобарам и только в слое трения течения существенно отличаются от геострофического ветра и значительно отклоняются от изобар.
СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В АТМОСФЕРЕ
Силы, действующие в атмосфере, можно разделить на две главные группы: массовые (объёмные) и поверхностные.
Массовые силы действуют на каждый элемент массы (или объём). Такими силами являются сила тяжести и инерционные силы. К инерционным силам относятся сила вращения Земли и центробежная сила.
Сила тяжести g представляет собой разность нормальных составляющих сил притяжения к центру Земли F и центробежной силы C , направленной по радиусу-вектору вращения. Обозначив эти составляющие как Fn и Cn для величины силы тяжести g, рассчитанной на единицу массы (ускорение силы тяжести), мы получим
Ускорение силы тяжести может быть выражено через геопотенциал 
Оно изменяется вдоль уровенной поверхности и с высотой над уровнем моря. Среднее его значение на широте φ = 45° и уровне моря равно g = 980,62 см/с2.
Центробежная сила возникает только в том случае, если движение происходит вдоль криволинейной траектории. Если радиус кривизны этой траектории r, а скорость движения в некоторой точке V, то центробежная сила С в ней будет равна
Ускорение силы тяжести может быть выражено через геопотенциал 
Наибольшая величина центробежной силы С — на экваторе. Она равна здесь Со = 3,4 см/с2 и составляет очень малую долю силы притяжения F.
Отклоняющая сила вращения Земли характерна для всех тел, движущихся по земной поверхности, и представляет собой относительное ускорение — ускорение Кориолиса. Вызвано оно тем, что Земля вращается вокруг своей оси. Эта сила — инерционная, действует только на движущиеся массы и проявляется лишь в том случае, когда рассматривается движение в системе координат, неподвижно связанной с вращающейся Землёй.
Обозначив вектор отклоняющей силы K, угловой скорости ω и скорости движения V, выразим эту силу как
Величина K достаточно мала в сравнении с g. Но так как эта сила действует перпендикулярно направлению скорости движения, то она, не изменяя величины последней, заметно изменяет её направление.
Силой барического градиента G называется сила, действующая на единицу массы воздуха и возникающая в результате неравномерного распределения давления в атмосфере.
Вектор силы барического градиента определяется отношением
является той основной силой, под влиянием которой возникают горизонтальные движения воздуха (ветер).
Вязкие силы (силы трения) возникают при движении воздуха в тех случаях, когда различные его объёмы имеют разную скорость движения.
Тепловой режим атмосферы формирует особый режим воздушных масс и атмосферных процессов, в которых проявляются действующие в атмосфере силы, а вместе с этим — погода и климат на Земле.
Литература
Гидрометеорологическое Обеспечение Мореплавания - Глухов В.Г., Гордиенко А.И., Шаронов А.Ю., Шматков В.А. [2014]
