СИНОПТИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Воздушные массы. Воздушная масса — огромный объем воздуха, свойства которого (главным образом температура и влажность) сформировались под воздействием подстилающей поверхности в определенном регионе и постепенно меняются по мере его перемещения из очага формирования в горизонтальном направлении.

Воздушные массы выделяются прежде всего по термическим характеристикам районов формирования, например тропические и полярные. Перемещение из одних областей в другие воздушных масс, сохраняющих многие первоначальные характеристики, можно проследить по синоптическим картам. Например, холодный и сухой воздух из Канадской Арктики, перемещаясь над территорией США, медленно прогревается, но остается сухим. Аналогичным образом теплые влажные тропические воздушные массы, формирующиеся над Мексиканским заливом, остаются влажными, но могут нагреваться или охлаждаться в зависимости от свойств подстилающей поверхности. Конечно, такая трансформация воздушных масс усиливается по мере изменения условий, встречающихся на их пути.

Когда обладающие разными свойствами воздушные массы из удаленных очагов формирования вступают в контакт, они сохраняют свои особенности. Бóльшую часть времени своего существования они разделены более или менее четко выраженными переходными зонами, где резко изменяются температура, влажность и скорость ветра. Затем воздушные массы перемешиваются, рассеиваются и, в конце концов, перестают существовать как обособленные тела. Переходные зоны между движущимися воздушными массами называются "фронтами".

Фронты проходят по ложбинам барического поля, т. е. вдоль изолиний низкого давления. При пересечении фронта направление ветра обычно резко меняется. В полярных воздушных массах ветер может быть северо-западным, тогда как в тропических — южным. Самая плохая погода устанавливается вдоль фронтов и в более холодной области вблизи фронта, где теплый воздух скользит вверх по клину плотного холодного воздуха и охлаждается. В результате образуются облака и выпадают осадки. Иногда вдоль фронта формируются внетропические циклоны. Фронты формируются также, когда соприкасаются холодные северные и теплые южные воздушные массы, находящиеся в центральной части циклона (области с низким атмосферным давлением).

Существует четыре типа фронтов. Стационарный фронт формируется на более или менее стабильной границе между полярными и тропическими воздушными массами. Если в приземном слое холодный воздух отступает, а теплый надвигается, образуется теплый фронт. Обычно перед приближающимся теплым фронтом небо закрыто сплошной облачностью, идут дожди или падает снег, а температура постепенно повышается. Когда фронт проходит, дождь прекращается, а температура остается высокой. При прохождении холодного фронта холодный воздух надвигается, а теплый отступает. Дождливая, ветреная погода наблюдается в узкой полосе вдоль холодного фронта. Напротив, теплому фронту предшествует широкая зона облачности и дождей. Фронт окклюзии сочетает в себе черты как теплого, так и холодного фронтов и обычно связан со старым циклоном.

Циклоны и антициклоны. Циклоны — это крупномасштабные атмосферные возмущения в области низкого давления. В Северном полушарии ветры дуют из области высокого в область низкого давления против часовой стрелки, а в Южном полушарии — по часовой стрелке. В циклонах умеренных широт, называемых внетропическими, обычно выражен холодный фронт, а теплый, если и существует, не всегда хорошо заметен. Внетропические циклоны часто формируются с подветренной стороны горных хребтов, например над восточными склонами Скалистых гор и вдоль восточных берегов Северной Америки и Азии. В умеренных широтах с циклонами связана бóльшая часть осадков.

Антициклон — это область повышенного давления воздуха. Обычно с ним связана хорошая погода при ясном или малооблачном небе. В Северном полушарии дующие из центра антициклона ветры отклоняются по часовой стрелке, а в Южном — против часовой стрелки. Размеры антициклонов обычно больше, чем циклонов, и перемещаются они медленнее.

Поскольку в антициклоне воздух растекается от центра к периферии, более высокие слои воздуха опускаются, компенсируя его отток. В циклоне, наоборот, воздух, вытесняемый сходящимися ветрами, поднимается вверх. Поскольку именно восходящие движения воздуха приводят к формированию облаков, облачность и осадки приурочены бóльшей частью к циклонам, тогда как в антициклонах преобладает ясная или малооблачная погода.

Тропические циклоны (ураганы, тайфуны) — это общее название для циклонов, которые формируются над океанами в тропиках (за исключением холодных вод Южной Атлантики и юго-восточной части Тихого океана) и не содержат контрастных воздушных масс. Тропические циклоны возникают в разных районах мира, обычно обрушиваясь на восточные и приэкваториальные районы материков. Они встречаются в южной и юго-западной части Северной Атлантики (включая Карибское море и Мексиканский залив), в северной части Тихого океана (к западу от мексиканского побережья, в районе Филиппинских о-вов и в Китайском море), в Бенгальском заливе и Аравийском море, в южной части Индийского океана у берегов Мадагаскара, у северо-западного побережья Австралии и в южной части Тихого океана — от побережья Австралии до 140° з.д.

По международному соглашению, тропические циклоны классифицируют в зависимости от силы ветра. Выделяют тропические депрессии со скоростью ветра до 63 км/ч, тропические штормы (скорость ветра от 64 до 119 км/ч) и тропические ураганы, или тайфуны (скорость ветра более 120 км/ч).

В некоторых районах земного шара тропические циклоны имеют местные названия: в Северной Атлантике и Мексиканском заливе — ураганы (на о.Гаити — тайно); в Тихом океане у западного побережья Мексики — кордонасо, в западных и большинстве южных районов — тайфуны, на Филиппинах — багуйо, или баруйо; в Австралии — вилли-вилли.

Тропический циклон — это огромный атмосферный вихрь диаметром от 100 до 1600 км, сопровождающийся сильными разрушительными ветрами, ливневыми дождями и высокими нагонами (повышением уровня моря под воздействием ветра). Зародившиеся тропические циклоны обычно движутся на запад, несколько отклоняясь к северу, с возрастающей скоростью перемещения и увеличиваясь в размерах. После движения в направлении полюса тропический циклон может "развернуться", влиться в западный перенос умеренных широт и начать двигаться на восток (однако такая смена направления движения происходит не всегда).

Вращающиеся против часовой стрелки циклонические ветры Северного полушария имеют максимальную силу в поясе диаметром 30-45 км и более, начинающемся от "глаза бури". Скорость ветра вблизи земной поверхности может достигать 240 км/ч. В центре тропического циклона обычно находится свободный от облаков участок диаметром от 8 до 30 км, который и называется "глазом бури", так как небо здесь часто бывает ясным (или малооблачным), а ветер обычно очень слабый. Зона разрушительных ветров на пути движения тайфуна имеет ширину 40-800 км. Развиваясь и перемещаясь, циклоны преодолевают расстояния в несколько тысяч километров, например, от очага формирования в Карибском море или в тропической Атлантике до внутриматериковых районов или Северной Атлантики.

Хотя ураганные ветры в центре циклона достигают огромной скорости, сам ураган может перемещаться очень медленно и даже останавливаться на некоторое время, что особенно характерно для циклонов тропических широт, которые обычно движутся со скоростью не более 24 км/ч. По мере удаления циклона от тропиков скорость его продвижения обычно возрастает и в отдельных случаях достигает 80 км/ч и более.

Ураганные ветры могут причинить большой ущерб. Хотя они слабее, чем в смерче, тем не менее способны валить деревья, опрокидывать дома, обрывать линии электропередачи и даже пускать под откос поезда. Но к самым большим человеческим жертвам приводят наводнения, связанные с ураганами. По мере продвижения шторма часто образуются огромные волны, а уровень моря может за несколько минут подняться более чем на 2 м. Небольшие суда оказываются выброшенными на берег. Гигантские волны разрушают дома, дороги, мосты и другие расположенные на берегу постройки и способны размыть даже длительно существующие песчаные острова. Бóльшая часть ураганов сопровождается проливными дождями, которые заливают поля и портят посевы, размывают дороги и сносят мосты, затопляют низкорасположенные населенные пункты.

Совершенствование прогнозов, сопровождаемых оперативными штормовыми предупреждениями, привело к значительному сокращению числа человеческих жертв. Когда формируется тропический циклон, увеличивается частота трансляции прогнозов. Важнейшим источником информации являются сообщения с самолетов, специально оснащенных для наблюдений за циклонами. Такие самолеты патрулируют на расстоянии сотен километров от побережья, часто проникая в центр циклона для получения точных сведений о его положении и движении.

Участки побережья, наиболее подверженные ураганам, оборудованы радиолокационными установками для их обнаружения. В результате шторм может быть зафиксирован и прослежен на расстоянии до 400 км от радиолокационной станции.

Смерч (торнадо) — вращающееся воронкообразное облако, которое протягивается к земле от основания грозового облака. Цвет его меняется от серого до черного. Приблизительно в 80% торнадо на территории США максимальные скорости ветра достигают 65-120 км/ч и только в 1% — 320 км/ч и выше. Приближающийся торнадо обычно издает шум, подобный грохоту движущегося товарного поезда. Несмотря на сравнительно небольшие размеры, смерчи относятся к наиболее опасным штормовым явлениям.

С 1961 по 1999 на территории США от торнадо погибало в среднем 82 человека в год. Однако вероятность того, что смерч пройдет в данном месте, крайне низка, поскольку средняя длина его пробега довольно коротка (ок. 25 км), а полоса охвата невелика (шириной менее 400 м).

Смерч зарождается на высотах до 1000 м над поверхностью. Некоторые из них так и не достигают земли, другие могут коснуться ее и вновь подняться. Смерчи обычно связаны с грозовыми облаками, из которых на землю выпадает град, и могут возникать группами по два и более. В этом случае первым образуется более мощный смерч, а затем еще один или несколько более слабых вихрей.

Для формирования смерча в воздушных массах необходим резкий контраст температуры, влажности, плотности и параметров воздушных потоков. Прохладный и сухой воздух с запада или северо-запада надвигается на теплый и влажный воздух, находящийся в приземном слое. Это сопровождается сильными ветрами в узкой переходной зоне, где происходят сложные преобразования энергии, которые могут вызвать формирование вихря. Вероятно, смерч образуется только при строго определенном сочетании нескольких довольно обычных факторов, изменяющихся в широких пределах.

Смерчи отмечаются по всему земному шару, но наиболее благоприятные условия для их формирования имеются в центральных районах США. Частота возникновения торнадо обычно повышается в феврале во всех восточных штатах, прилегающих к Мексиканскому заливу, и достигает максимума в марте. На территории Айовы и Канзаса их наибольшая частота приходится на май-июнь. С июля по декабрь число торнадо в целом по стране быстро сокращается. Среднее количество смерчей на территории США ок. 800 в год, причем половина из них приходится на апрель, май и июнь. Наибольших величин этот показатель достигает в Техасе (120 в год), а наименьших — в северо-восточных и западных штатах (1 в год).

Разрушения, вызванные смерчами, ужасны. Они происходят как из-за ветра огромной силы, так и из-за больших перепадов давления на ограниченной площади. Смерч способен разнести на кусочки здание и разметать его по воздуху. Могут обрушиваться стены. Резкое снижение давления приводит к тому, что тяжелые предметы, даже находящиеся внутри зданий, поднимаются в воздух, как бы всасываемые гигантским насосом, и иногда переносятся на значительные расстояния.

Невозможно предсказать, где именно образуется смерч. Однако можно определить район площадью ок. 50 тыс. кв. км, внутри которого вероятность появления смерчей достаточно высока.

Грозы, или грозовые бури, представляют собой локальные атмосферные возмущения, связанные с развитием кучево-дождевых облаков. Такие бури всегда сопровождаются громом и молниями и обычно сильными порывами ветра и ливневыми осадками. Иногда выпадает град. Бóльшая часть гроз заканчивается быстро, и даже самые длительные из них редко продолжаются более одного-двух часов.

Грозы возникают из-за атмосферной неустойчивости и связаны в основном с перемешиванием слоев воздуха, которые стремятся достичь более устойчивого распределения по плотности. Мощные восходящие потоки воздуха являются отличительной особенностью начальной стадии грозы. Сильные нисходящие движения воздуха в зонах ливневых осадков характерны для ее заключительной фазы. Грозовые облака часто достигают высоты 12-15 км в умеренных широтах и еще большей — в тропиках. Их вертикальный рост ограничен устойчивым состоянием нижних слоев стратосферы.

Уникальным свойством гроз является их электрическая активность. Молния может наблюдаться внутри развивающегося кучевого облака, между двумя облаками или между облаком и землей. В действительности разряд молнии почти всегда состоит из нескольких разрядов, проходящих по одному и тому же каналу, причем они проходят так быстро, что воспринимаются невооруженным глазом как один и тот же разряд.

Пока еще не совсем ясно, каким образом происходит в атмосфере разделение крупных зарядов противоположного знака. Большинство исследователей полагает, что этот процесс связан с различиями в размерах жидких и замерзших капель воды, а также с вертикальными воздушными потоками. Электрический заряд грозового облака индуцирует заряд на земной поверхности под собой и заряды противоположного знака вокруг основания облака. Между противоположно заряженными участками облака и земной поверхностью возникает огромная разность потенциалов. Когда она достигнет достаточной величины, происходит электрический разряд — вспышка молнии.

Гром, сопровождающий разряд молнии, вызван мгновенным расширением воздуха на пути разряда, которое происходит при внезапном его нагревании молнией. Гром чаще слышен как продолжительные раскаты, а не как одиночный удар, так как возникает вдоль всего канала разряда молнии, и поэтому звук преодолевает расстояние от своего источника до наблюдателя в несколько этапов.

Струйные воздушные течения — извилистые "реки" сильных ветров в умеренных широтах на высотах 9-12 км (к которым обычно приурочены дальние перелеты реактивных самолетов), дующих со скоростью иногда до 320 км/ч. Самолет, летящий по направлению струйного течения, экономит много горючего и времени. Поэтому прогноз распространения и силы струйных течений имеет существенное значение для планирования полетов и воздушной навигации в целом.

СИНОПТИЧЕСКИЕ КАРТЫ (КАРТЫ ПОГОДЫ)

Для характеристики и изучения многих атмосферных явлений, а также для прогноза погоды необходимо одновременно проводить различные наблюдения во множестве пунктов и фиксировать полученные данные на картах. В метеорологии обычно применяется т. н. синоптический метод.

Приземные синоптические карты. На территории США каждый час (в некоторых странах — реже) проводятся наблюдения за погодой. Характеризуется облачность (плотность, высота и вид); снимаются показания барометров, к которым вводятся поправки для приведения полученных величин к уровню моря; фиксируются направление и скорость ветра; измеряются количество жидких или твердых осадков и температура воздуха и почвы (в срок наблюдения, максимальная и минимальная); определяется влажность воздуха; тщательно фиксируются условия видимости и все прочие атмосферные явления (например, гроза, туман, дымка и т.п.).

Каждый наблюдатель затем кодирует и передает информацию по Международному метеорологическому коду. Поскольку эта процедура стандартизирована Всемирной метеорологической организацией, такие данные могут быть легко расшифрованы в любом районе мира. Кодирование занимает ок. 20 минут, после чего сообщения передаются в центры сбора информации и происходит международный обмен данными. Затем результаты наблюдений (в виде цифр и условных знаков) наносятся на контурную карту, на которой точками указаны метеорологические станции. Таким образом синоптик получает представление о погодных условиях в пределах крупного географического региона. Общая картина становится еще более наглядной после соединения точек, в которых зафиксировано одинаковое давление, плавными сплошными линиями — изобарами и нанесения границ между разными воздушными массами (атмосферных фронтов). Выделяются также районы с высоким или низким давлением. Карта станет еще более выразительной, если закрасить или заштриховать территории, над которыми в момент наблюдений выпадали осадки.

Синоптические карты приземного слоя атмосферы являются одним из основных инструментов прогноза погоды. Специалист, разрабатывающий прогноз, сравнивает серии синоптических карт на разные моменты наблюдений и изучает динамику барических систем, отмечая изменения температуры и влажности внутри воздушных масс по мере их перемещения над различными типами подстилающей поверхности.

Высотные синоптические карты. Облака перемещаются воздушными течениями обычно на значительных высотах над земной поверхностью. Поэтому для метеоролога важно располагать надежными данными для многих уровней атмосферы. На основании данных, полученных при помощи метеозондов, самолетов и спутников, составляются карты погоды для пяти высотных уровней. Эти карты передаются в синоптические центры.