Налягане, ветрове и циркулация — урок по география

1. Атмосферното налягане

Над всеки квадратен метър от повърхността лежи стълб въздух с маса около 10 тона. Неговото тегло създава атмосферното налягане. През 1643 г. Еванджелиста Торичели показва, че то крепи живачен стълб, висок около 760 mm. Днес налягането се мери с барометър в хектопаскали: $1\ \mathrm{hPa} = 100\ \mathrm{Pa}$ . Какво е налягането изобщо и как действа в течности и газове, е обяснено в урока Статика и флуиди.

О

Нормално атмосферно налягане

p_0 = 1013{,}25\ \mathrm{hPa} = 760\ \mathrm{mm\ Hg}

– средното налягане в морското равнище. Обикновено то е между около 960 и 1050 hPa.

Колкото по-високо се качваме, толкова по-малко въздух остава над нас и налягането спада. Въздухът се свива под собственото си тегло, затова долните слоеве са най-гъсти и налягането спада най-бързо близо до земята. Височината, на която налягането спада с 1 hPa, се нарича барично стъпало. В морското равнище тя е около 8 m, а на 5 km – вече около 14 m.

Т

Барометрична формула

p = p_0\, e^{-z/H}

, където

H = \dfrac{RT}{Mg} \approx 8\ \mathrm{km}

при обикновените температури. На около 5,5 km налягането е наполовина, на Еверест – около една трета от това в морското равнище.

Метеорологичните станции са на различни височини, затова за картите налягането се привежда към морското равнище: добавя се теглото на въздуха, който би имало между станцията и морето. Иначе всяка планинска станция би изглеждала като център на ниско налягане.

Пример

На станция на 400 m барометърът показва 960 hPa. Колко е налягането, приведено към морското равнище?

Близо до земята баричното стъпало е около 8 m/hPa: $400 : 8 = 50\ \mathrm{hPa}$ .
$p_0 = 960 + 50 = 1010\ \mathrm{hPa}$ – съвсем обикновено налягане.

2. Изобари и баричен градиент

Линиите, които свързват места с еднакво (приведено) налягане, се наричат изобари. Обикновено се чертаят през 4 hPa. Подобно на на релефа (виж урока Релефът на картата), затворените изобари очертават „върхове“ и „котловини“ на налягането: области на високо налягане – антициклони, и на ниско – циклони.

Разликата в налягането бута въздуха от високото към ниското налягане. Тази градиентна сила е перпендикулярна на изобарите и е толкова по-голяма, колкото по-нагъсто са те. Колко се мени налягането на единица разстояние, показва баричният градиент – обикновено в hPa на 100 km.

Т

Градиентна сила

На единица маса въздух:

a = \dfrac{1}{\rho}\dfrac{\Delta p}{\Delta n}

, където

\Delta n

е разстоянието по перпендикуляра между изобарите, а

\rho \approx 1{,}2\ \mathrm{kg/m^3}

е плътността на въздуха. Сочи от високото към ниското налягане.

А защо изобщо налягането е различно на различни места? Основната причина е неравномерното нагряване (виж урока Атмосферата и топлинният баланс). Над топлото място въздухът се разширява и се издига, а над студеното се свива и се спуска. Към това се добавят движенията на самия въздух – където той се натрупва, налягането расте, а откъдето изтича – пада.

3. Силата на Кориолис и геострофичният вятър

Ако Земята не се въртеше, вятърът би духал право от високото към ниското налягане и разликата бързо би се изравнила. Но ние гледаме движението от въртяща се Земя и виждаме всеки движещ се въздух да завива – в Северното полукълбо надясно, в Южното – наляво. Това е силата на Кориолис (откъде идва, виж урока Движение на Земята).

Т

Сила на Кориолис

На единица маса:

a_C = f\,V

, където

f = 2\Omega \sin\varphi

е параметърът на Кориолис,

\Omega = 7{,}292 \cdot 10^{-5}\ \mathrm{s^{-1}}

е ъгловата скорост на Земята, а

\varphi

– географската ширина. Силата е перпендикулярна на движението и не променя скоростта, а само посоката. На екватора

f = 0

, на полюсите е най-голяма.

Тръгнал от високото налягане, въздухът се отклонява все повече, докато силата на Кориолис не уравновеси градиентната сила. Тогава той духа успоредно на изобарите. Такъв вятър се нарича геострофичен. Високо над земята, където не пречи, истинският вятър е много близо до него.

Т

Геострофичен вятър

V_g = \dfrac{1}{\rho f}\dfrac{\Delta p}{\Delta n}

. Колкото по-гъсти са изобарите, толкова по-силен е вятърът. Близо до екватора

f \to 0

и равновесието не се получава – там вятърът не следва изобарите.

Влачи центровете В (високо налягане) и Н (ниско налягане) и розовата точка. Моделът е опростен: плътност 1,2 kg/m³, една и съща ширина за цялата карта.

φ, °45

p1012,4 hPaградиент4,1 hPa/100 kmf10,31·10⁻⁵ s⁻¹геострофичен33,3 m/sвятър33,3 m/s от ЮИ

Високо, където няма триене, вятърът духа успоредно на изобарите: ниското налягане остава отляво, ако застанеш с гръб към вятъра. Около Н той се върти обратно на часовниковата стрелка.

В слоя до около 1 km над земята триенето забавя вятъра. Тогава силата на Кориолис отслабва и градиентната сила надделява: вятърът пресича изобарите под ъгъл към ниското налягане – над морето около 10–20°, над сушата често 25–45°. Още през 1857 г. холандският метеоролог Бейс-Бало формулира правилото, по което моряците намират циклона:

Т

Закон на Бейс-Бало

Застанеш ли с гръб към вятъра в Северното полукълбо, ниското налягане е отляво и малко напред, а високото – отдясно. В Южното полукълбо е обратно.

Пример

Колко е геострофичният вятър на ширина 45°, ако изобарите през 4 hPa са на 300 km една от друга?

$f = 2 \cdot 7{,}292 \cdot 10^{-5} \cdot \sin 45^\circ \approx 1{,}03 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}$
$\frac{\Delta p}{\Delta n} = \frac{400\ \mathrm{Pa}}{300\,000\ \mathrm{m}} \approx 1{,}33 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{Pa/m}$
$V_g = \frac{1{,}33 \cdot 10^{-3}}{1{,}2 \cdot 1{,}03 \cdot 10^{-4}} \approx 10{,}8\ \mathrm{m/s}$ , около 39 km/h.

4. Циклони и антициклони

Около центъра на ниско налягане вятърът не влиза право в него, а се завърта. В Северното полукълбо въздухът обикаля циклона обратно на часовниковата стрелка и заради триенето постепенно се стича към центъра. Там няма къде да отиде освен нагоре. Издигащият се въздух се охлажда и в него кондензира (виж урока Водата във въздуха) – затова циклоните носят облаци, и вятър.

В антициклона е обратното: въздухът се спуска отгоре, затопля се при свиването и се разтича навън, по часовниковата стрелка. Облаците се разсейват – времето е ясно и тихо, през лятото горещо, а през зимата нощите са студени и често се задържат в котловините. В Южното полукълбо посоките на въртене са обратни. Как циклоните се раждат и движат заедно с фронтовете, ще видим в урока „Времето и прогнозата“.

	Циклон (Н)	Антициклон (В)
Налягане в центъра	най-ниско	най-високо
Въртене в Северното полукълбо	обратно на часовниковата стрелка	по часовниковата стрелка
Приземен въздух	събира се към центъра (конвергенция)	разтича се навън (дивергенция)
Вертикално движение	издигане	спускане
Време	облачно, валежи, вятър	ясно, тихо, сухо

5. Бризи, планински ветрове и мусони

Най-простият вятър се ражда от разлика в нагряването на две съседни места. Сушата се нагрява и изстива бързо, а водата – бавно. В слънчев летен ден сушата става по-топла от морето. Въздухът над нея се разширява и се издига, изобарните повърхности високо над сушата се повдигат и горе въздухът изтича към морето. Над морето той се натрупва и се спуска, а при земята налягането над сушата остава по-ниско. Така се затваря кръг – термична циркулация.

Н и В – ниско и високо налягане при земята и на височина. Височините и температурите са приблизителни, изобарните повърхности са силно преувеличени.

час14

суша30,7 °Cморе24,3 °CΔp при земята-1,0 hPa над сушата

морски бриз – духа от морето към сушата

Денем при земята духа морски бриз – от морето към сушата. Обикновено той започва късно сутрин, най-силен е следобед и прониква няколко до 20–30 km навътре. Нощем сушата изстива под температурата на морето и се появява по-слабият сухоземен бриз. Същото става в планините: денем нагретите склонове „изтеглят“ въздуха нагоре по долините (долинен вятър), а нощем изстиналият въздух се стича надолу (планински вятър) и се събира в котловините.

Мусонът е „бриз“ с годишен ход и с мащаба на цял континент. Лятото над Азия се образува обширна област на ниско налягане и влажният въздух от Индийския океан нахлува към сушата – идва сезонът на дъждовете. Силата на Кориолис завива този поток и над Индия той духа от югозапад. През зимата над студената Азия налягането е високо и сух вятър духа от сушата към океана – от североизток. В подножието на Хималаите, около Черапунджи и Маусинрам, годишно падат над 11 000 mm валеж – сред най-много на Земята.

Пример

Защо на плажа в Бургас в горещ юлски ден около обед започва да духа прохладен вятър откъм морето, а вечер той стихва?

Сутринта сушата и морето са почти еднакво топли – затишие.
До обед пясъкът и сушата се нагряват много повече от водата; над тях налягането при земята става по-ниско и въздухът тръгва от морето към сушата – морски бриз.
Вечер сушата изстива, разликата изчезва и бризът стихва; през нощта може дори да задуха слаб вятър от сушата.

6. Общата циркулация на атмосферата

В голям мащаб Земята е като огромен бриз: получава повече слънчева енергия, отколкото излъчва, а полюсите – по-малко. Атмосферата и океанът пренасят излишъка към полюсите. През 1735 г. Джордж Хадли предполага, че въздухът се издига над екватора и се спуска при полюсите в една огромна клетка. Но силата на Кориолис не позволява това: потокът високо горе, който тръгва към полюса, завива все повече на изток и около 30° вече духа почти само от запад. Затова във всяко полукълбо циркулацията се разпада на три клетки.

Клетката на Хадли (от екватора до около 30°) – въздухът се издига в екваториалния пояс на ниско налягане, високо горе тече към полюса, спуска се около 30° в субтропичните антициклони и при земята се връща към екватора. Силата на Кориолис го завива и така се раждат пасатите – североизточни в Северното и югоизточни в Южното полукълбо.
Клетката на Ферел (около 30–60°) – при земята въздухът тече към полюса и завива на изток: това са западните ветрове на умерените ширини. Тази клетка се поддържа главно от циклоните и антициклоните, които пренасят топлина, и е по-скоро средна картина, отколкото истински кръг.
Полярната клетка – студеният въздух се спуска над полюса и се разтича към 60°, завивайки на запад: това са полярните източни ветрове. Около 60° той се среща с по-топлия въздух от умерените ширини – по полярния фронт.

Схема, средна по всички дължини. Над континентите поясите се местят много повече – над Южна Азия през лятото ВЗК стига до около 20–25° с.ш. Височината на клетките е силно преувеличена.

месец7

ВЗК≈ 9° с.ш.субтропичен пояс≈ 35° с.ш.субполярен пояс≈ 62° с.ш.

Лято в Северното полукълбо: поясите са изместени на север. Субтропичният антициклон (у нас – Азорският) често се разпростира към Балканите и носи горещо и сухо време.

Пасатите от двете полукълба се срещат във вътрешнотропичната зона на конвергенция (ВЗК). Там въздухът се издига, всеки ден се образуват и пада много дъжд, а вятърът е слаб – моряците са наричали тези ширини „екваториално безветрие“. Около 30° спускащият се въздух е сух – там са Сахара, Арабската пустиня, пустините на Австралия и Калахари. Безветрието там моряците наричали „конски ширини“.

Ширина	Пояс на налягането	Движение и ветрове	Време
0–10° (сезонно до около 20°)	екваториална депресия, ВЗК	издигане, безветрие или слаби ветрове	обилни дъждове всеки ден
около 30°	субтропични антициклони	спускане, „конски ширини“	сухо – тук са големите пустини
0–30°	—	пасати: СИ в Северното, ЮИ в Южното полукълбо	постоянни, умерено силни
30–60°	—	западни ветрове	променливо време, циклони и фронтове
около 60°	субполярни депресии	издигане по полярния фронт	облачно, валежи
60–90°	полярни антициклони	полярни източни ветрове	студено и сухо

Над границите между клетките, на 9–14 km височина, духат струйните течения – тесни „реки“ от западен вятър със скорост често над 150 km/h, понякога над 300 km/h. Субтропичното течение е над около 30°, а полярното – над полярния фронт, където температурата се мени най-рязко. Полярното струйно течение криволичи и вълните му насочват циклоните.

Поясите не стоят на едно място – те следват Слънцето с около един-два месеца закъснение и се местят на север през нашето лято и на юг през зимата (как се мени височината на Слънцето през годината, виж урока Движение на Земята). България е в пояса на западните ветрове. През лятото към нас често се разпростира Азорският антициклон и времето е горещо и сухо, а през зимата над Средиземно море минават повече циклони. От изток понякога нахлува студен въздух от Сибирския антициклон. Как всичко това оформя на Земята, ще видим в урока „Климатите на Земята“.

7. Тренажор

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

5\ \text{изобари през } 4\ \mathrm{hPa}\ \text{на } 200\ \mathrm{km}

Колко е баричният градиент в hPa на 100 km?

8. Налягането и вятърът около нас

0 / 4

🏔️ Въздухът на Мусала

Колко е налягането на връх Мусала (2925 m), ако в морското равнище е 1013 hPa? Приеми $p = p_0 e^{-z/H}$ с $H = 8$ km. Колко процента от налягането в морското равнище е това?

🗺️ Къде е по-високо налягането?

Станцията в София е на 560 m и барометърът показва 948 hPa. Във Варна, на морското равнище, показва 1015 hPa. Колко е налягането в София, приведено към морското равнище (8 m/hPa)? Къде всъщност е центърът на по-високото налягане?

🌬️ Вятърът от картата

На синоптична карта изобарите 1004 и 1012 hPa са на 400 km една от друга, на ширина 45°. Каква е скоростта на геострофичния вятър в m/s ( $\rho = 1{,}2\ \mathrm{kg/m^3}$ )? А в km/h?

✈️ С попътен вятър

Самолет лети от Ню Йорк до Лондон (5570 km) със скорост 900 km/h спрямо въздуха. Струйното течение духа от запад със 150 km/h. Колко часа трае полетът на изток и колко – обратно, срещу вятъра?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

9. ⚠️ Чести грешки

Посоката на вятъра

✗ Северният вятър духа на север.

✓ Вятърът се назовава по посоката, ОТКЪДЕТО духа: северният духа от север на юг.

Вятърът и изобарите

✗ Вятърът духа право от високото към ниското налягане.

✓ Заради силата на Кориолис високо горе той духа успоредно на изобарите, а при земята ги пресича под ъгъл.

Кориолис и мивката

✗ Водата в мивката се върти в различни посоки в двете полукълба.

✓ За мивката силата на Кориолис е хиляди пъти по-слаба от другите влияния. Тя е важна само за движения, дълги стотици километри и часове.

Налягането на станцията

✗ По показанията на барометрите направо се вижда къде е циклонът.

✓ Първо налягането трябва да се приведе към морското равнище – иначе планинските станции винаги „показват“ ниско налягане.

Циклон и тайфун

✗ Всеки циклон е опустошителна буря.

✓ Циклонът е всяка област с ниско налягане – обикновено носи облаци и дъжд. Тропичните циклони (урагани, тайфуни) са само един силен вид.

Пасатите

✗ Пасатите духат от екватора към тропиците.

✓ При земята пасатите духат от субтропичните антициклони към екватора – от СИ и ЮИ.

10. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Колко е нормалното атмосферно налягане в морското равнище?

Избери отговор (или натисни 1–4)

11. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

12. Обобщение

✓ Нормалното налягане е 1013 hPa; близо до земята спада с 1 hPa на около 8 m, а изобщо – по $p = p_0 e^{-z/H}$ , $H \approx 8\ \mathrm{km}$
✓ За картите налягането се привежда към морското равнище; изобарите очертават циклони (Н) и антициклони (В)
✓ Градиентната сила бута въздуха към ниското налягане; силата на Кориолис го отклонява надясно в Северното полукълбо, $f = 2\Omega\sin\varphi$
✓ Високо горе вятърът е геострофичен – успореден на изобарите, $V_g = \frac{1}{\rho f}\frac{\Delta p}{\Delta n}$ ; при земята триенето го завива към ниското налягане
✓ В циклона въздухът се събира и издига – облаци и валежи; в антициклона се спуска – ясно време
✓ Неравномерното нагряване ражда бризи, планинско-долинни ветрове и мусони
✓ Три клетки във всяко полукълбо: Хадли, Ферел и полярна; пасати, западни и полярни източни ветрове; ВЗК, субтропични и субполярни пояси, струйни течения – и всичко се мести със сезоните

💡 Интересен факт

Струйното течение над Япония е открито през 1920-те години от японския метеоролог Васабуро Ооиши, който пускал балони от обсерваторията в Татено, североизточно от Токио. Той публикувал резултатите си на есперанто и почти никой извън Япония не ги прочел. По време на Втората световна война Япония използва знанието си: пуска около 9000 балона със запалителни бомби, които струйното течение отнася за около три дни през Тихия океан. До Северна Америка достигат няколкостотин; при експлозия на един от тях в Орегон през 1945 г. загиват шестима души.