Пожалуй, ничто другое не влияет на яхтинг так сильно, как погода. Именно она является ключевым фактором, определяющим, когда и как идти, где делать следующую остановку и выходить ли в море вообще. В связи с головокружительными успехами точных наук в предшествующие столетия в обществе укоренилось безоговорочное доверие к математическим расчетам, моделирующим живые процессы. Согласно ньютоновской модели мир является огромным и невероятно сложным механизмом, работающим по строгим законам. Зная эти законы, нам нужно только точно представлять исходное состояние этого механизма, чтобы верно предсказать его будущее. Понимание физической основы происходящего в сочетании с мощным вычислительным потенциалом действительно дает возможность делать достаточно точные и зачастую достоверные прогнозы любых процессов, в том числе и взаимодействий различных типов воздушных масс.
Но как бы ни совершенствовали синоптики технику прогнозирования, периодически реальное развитие событий идет совершенно непредсказуемым путем. Красивая математическая модель накладывается на сучковатую реальность, идеальный ветер встречает неровности рельефа и возмущения от неравномерного нагревания. Синоптики не могут учесть всех тонкостей воздействия локальных условий и случайных факторов на все типы воздушных масс. И дело здесь не только в ошибке расчетов или несовершенстве математической модели. Похоже, что зачастую живая реальность выражает человеку свою собственную волю, отрицая саму возможность быть оцифрованной и посчитанной.
Может быть, пора вернуться от ньютоновской механической модели к восприятию мира как живого существа, наделенного своей собственной волей и разумом? Физические законы, лежащие в основе процессов погодообразования — лишь частичное проявление этого разума. Рассмотрение этих законов позволяет выделить некоторые типичные паттерны (образцы) поведения погоды, подобно тому как психология выделяет устойчивые (наиболее вероятные) модели поведения человека, оказавшегося в тех или иных ситуациях. Многообразие вариантов поведения никогда не может быть сведено к набору «узнаваемых» паттернов, но коль скоро вы распознали в поведении погоды один из них, есть вероятность, что и далее события будут развиваться в этом русле.
Рассмотрим подробнее некоторые физические явления различных типов воздушных масс, лежащие в основе погодообразования.
Физические феномены воздушных масс.
Bonfire Effect (температура и давление воздушных масс).
Плотность воздушных масс зависит от их температуры. Чем выше температура, тем меньше плотность воздушных масс.
Атмосфера прозрачна для солнечных лучей, нагрев воздушных масс происходит от поверхности земли, нагреваемой в свою очередь солнечными лучами.
Менее плотный теплый воздух «всплывает» за счет архимедовой силы, вытесняясь наверх более плотным холодным. В местах с интенсивным нагревом поверхности земли образуется постоянное течение воздуха наверх. Отток этого воздуха вызывает понижение давления воздушной массы в этих местах. Вытеснение теплого воздуха наверх приводит к образованию областей пониженного давления .
В местах с пониженной температурой поверхности земли воздух, охлаждаясь, начинает растекаться в стороны, вызывая приток новых воздушных масс сверху. Этот приток приводит к образованию областей повышенного давления.
Воздушные массы устремляются от областей повышенного в сторону областей пониженного давления у поверхности земли, возвращаясь обратно в верхних слоях атмосферы.
Любой ветер на земле, являющийся движущей силой в яхтинге, начинается благодаря эффекту Bonfire.
Испарение и конденсация воды (температура и влажность воздушных масс).
Воздух может растворять некоторое количество воды в себе.
Насыщенным паром называется смесь воздуха и воды, при которой смесь еще не утрачивает своей прозрачности и однородности. Чем выше температура, тем больше воды может вобрать в себя воздушная масса до наступления состояния насыщенного пара.
В замкнутом объеме вода будет всегда испаряться с поверхности водного резервуара до тех пор, пока не будет достигнуто состояние насыщенного пара. При понижении температуры воздушной массы излишек воды сконцентрируется в виде капель, вернувшись обратно в резервуар.
Зависимость возможности воздуха содержать воду от температуры приводит к явлению осадков.
Атмосферный фронт (силы поверхностного натяжения). Типы воздушных масс.
Атмосфера Земли не является однородной. Отдельные части атмосферы (воздушные массы) формируются в столь различных условиях и становятся столь непохожими, что «не узнают» друг друга при встрече. Сухой холодный воздух Арктики и влажный горячий воздух тропических морей, встречаясь, не смешиваются в прохладное «полусухое», а начинают делить сферы влияния. Теплый воздух забрасывает шапками, карабкаясь вглубь и вверх территории неприятеля, а более плотный холодный методично теснит неприятеля на земле.
Поэтому атмосферный фронт никогда не бывает вертикальным. Он всегда наклонен. Уж какой-какой, а атмосферный фронт трудно назвать невидимым: по всей поверхности соприкосновения разнородных воздушных масс происходят драматические процессы конденсации. Осадки и прочие неприятности обильно сыпятся на головы яхтсменов, случайных свидетелей подобных разборок. Как водится, разные типы воздушных масс не могут тихо «перетереть» между собой, придя к мирному соглашению, только в силу кланового эгоизма — подобное тянет к себе подобное.
Похожие типы воздушных масс, сформированные в одинаковых условиях, как бы замыкаются в невидимую оболочку: их граница стягивается силой поверхностного натяжения. Чтобы проникнуть внутрь этого объема, нужно преодолеть это невесомое воздушное препятствие. Сама по себе сила поверхностного натяжения весьма незначительна, и самолет или птица даже не заметят ее, а вот для воздушных масс она является серьезным барьером, препятствующим их взаимопроникновению. В итоге разнородные типы воздушных масс начинают вести себя как две не смешивающихся жидкости, например вода и бензин.
Сила Кориолиса (инерция воздушных масс) .
Если устроить себе дорожку боулинга на вращающейся платформе, то попасть в цель будет проблематично. Шар, брошенный игроком к центру платформы, по мере продвижения будет переходить на участки поверхности, движущиеся с меньшей скоростью, нежели точка, с которой совершен бросок. Сила инерции потянет шар в бок от намеченной цели, и сам шар прокатится по красивой дуге, слетев с платформы, так и не достигнув центра. Сила, отклоняющая его движение от прямой траектории, называется силой Кориолиса.
Земля вращается с огромной скоростью. В районе экватора, например, линейная скорость, вызванная вращением Земли, составляет около 900 морских миль в час! Воздушные массы, двигаясь вдоль поверхности земли, должны испытывать существенное воздействие силы Кориолиса.
При перемещении от экватора к полюсу воздушные массы, разогнавшись на более широкой окружности, будут двигаться по инерции, опережая поверхность земли на участке с меньшим радиусом вращения, то есть будут убегать на восток.
Смещаясь в противоположном направлении от полюса к экватору, массы будут переходить на участок поверхности, двигающийся с большей скоростью, чем скорость, до которой они были разогнаны. Воздушные массы при этом будут «притормаживать», отставая от поверхности, и их будет относить к западу от намеченного пути следования. Таким образом, в Северном полушарии сила Кориолиса будет отклонять движущиеся воздушные массы вправо независимо от направления их движения, а в Южном полушарии — влево.
Воздух будет не просто растекаться вдаль радиальных прямых из области повышенного давления: отклонившись вправо, он будет закручиваться в поток вокруг этой области . Направление вращения воздушных масс вокруг зоны повышенного давления — по часовой стрелке. Подобным образом вокруг зоны пониженного давления возникнет циркуляция воздушных масс против часовой стрелки. Это все справедливо для Северного полушария.
Сила Кориолиса ответственна за формирование циклонов. Ее действие ничтожно мало в экваториальных (0-7°) и полярных широтах (83-90°). В первом случае из-за того, что поверхность Земли в районе экватора параллельна оси вращения и проекция скорости воздушных масс к центру или от центра вращения равна нулю, а во втором — потому что линейная скорость вращения поверхности Земли очень мала по причине близости к оси вращения. Действительно в указанных крайних широтах циклоны не выживают!
Влияние этих феноменов воздушных масс на погодообразование читайте в следующей статье.