В роли творцов погоды в наших умеренных широтах выступают крупномасштабные атмосферные вихри: циклоны и антициклоны. Это области пониженного и повышенного давления, но в прогнозах погоды чаще обращают внимание на циклоны, на области пониженного давления. Одна из причин такого перевеса внимания — история: начиная с XVII века с понижением давления связывали ухудшение погоды, потому что при приближении циклона погода действительно ухудшается, но, как я рассказывала в другой лекции, циклон нельзя связать с одним типом погоды. В то же время люди стали связывать хорошую погоду с повышением давления. Считалось, что при высоком давлении ясное небо и хорошая погода, но на самом деле это не так.
Антициклон — область повышенного давления. Для того чтобы понять, с какой погодой и с каким временем года связан антициклон, необходимо иметь представление, как в нем перемещается воздух или ветер. На самом деле ветер некорректно напрямую соотносить с перемещением воздуха. Наша атмосфера трехмерна, но скорости и масштабы перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскости в нашей атмосфере различаются из-за разных размеров. Атмосфера по вертикали — слой тропосферы длиной в 10 километров, в котором происходят и формируются основные погодные процессы. Атмосфера по горизонтали имеет масштаб около 2000 километров, поэтому трехмерный вектор движения никогда не рассматривают, а делят на две составляющих. Ветер — перемещение в горизонтальной плоскости.
Ветер вызывается неравномерным распределением давления. Сила, которая вызывает ветер, — сила барического градиента. В школе учат, что ветер дует из области высокого давления в область. Изначально он дует из области высокого в область низкого давления, но дальше подключается эффект вращения Земли и сила Кориолиса, которая отклоняет перемещающийся объект в Северном полушарии вправо, а в Южном полушарии — влево. В итоге воздух, который начал перемещаться из области высокого в область низкого давления, отклоняется силой Кориолиса вправо, пока сила барического градиента не уравновесит силу Кориолиса, пока две силы не станут направлены в противоположные стороны. В реальности получается, что ветер дует не перпендикулярно линиям равного давления, а параллельно, вдоль изобаров. Перемещение ветра происходит по круговым траекториям: в циклоне в Северном полушарии против часовой стрелки, а в антициклоне — по часовой стрелке.
Если представить антициклон в виде гигантского кругового вихря, который перемещается по часовой стрелке, то в передней части антициклона будет приходить холодный воздух с севера, а в тыловой части — теплый воздух с юга. Для такого идеального процесса необходимо нормальное распределение температуры, когда на севере холодно, а на юге тепло. Такое распределение соблюдается не всегда. Арктика может быть теплой. Другой пример — это теплое климатообразующее течение Гольфстрим в Атлантическом океане. Североатлантическая часть течения проникает в северные моря, в Баренцево море, поэтому при определенных условиях над этим регионом формируются высокие температуры воздуха. Зимой над континентами в холодном воздухе могут формироваться области высокого давления, когда воздух длительное время застаивался над холодной поверхностью, охлаждаясь. Такие процессы создают ситуации, когда на юге холоднее. Если условия так заметно поменялись, то меняется и циркуляция. Тогда нужно смотреть, из области какой температуры — более высокой или более низкой — направлен поток воздуха. В привычном случае, когда на севере холодно, а на юге тепло, у нас в передней части антициклона приходит холодный арктический воздух или летом умеренная воздушная масса, а в тыловой части приходит теплый воздух, но это относится к горизонтальному перемещению воздуха.
Существует третья компонента, связанная с перемещением воздуха, — вертикальная. Здесь стоит вспомнить третью силу, которая влияет на перемещение воздуха, — сила трения. Она замедляет и изменяет направление перемещения воздуха. Если в ситуации, где трения нет, воздух дует вдоль линии равного давления, то там, где действие силы трения, нижний двухкилометровый слой, ветер отклоняется в сторону низкого давления. В антициклоне, в центре которого давление высокое, воздух отклоняется от центра к периферии — возникает расходимость потоков воздуха.
Есть закон сохранения массы, поэтому разреженное безвоздушное пространство в центре антициклона образоваться не может. В итоге расходимость воздуха у земли компенсируется поступлением воздуха сверху, воздух в антициклоне постоянно опускается и нагревается. Он попадает в более плотные слои, сжимается, повышает внутреннюю энергию, а значит, и температуру. При адиабатическом процессе — опускании воздуха без обмена существенной энергией с окружающими объемами воздуха — температура воздушной массы снизится.
Основные особенности условий погоды в антициклонах зависят от этих процессов. Если воздух опускается и нагревается, он удаляется от состояния насыщения. При нагреве условий для конденсации нет, поэтому новые облака образовываться не будут, а старые рассеются, поэтому с антициклоном связывают ясную и хорошую погоду, а пару столетий назад с повышением давления ассоциировали улучшение погоды и приближение ясной погоды. Летом это теплая погода, а зимой — холодная. Летняя жаркая погода связана с антициклоном, потому что летом от солнца поверхность и воздух прогреваются, но зимой ситуация обратная. Приход солнечной радиации невелик, потому что солнце стоит низко над горизонтом. Зимой важнее альбедо — отражающая способность снега, которая очень велика. В дополнение к альбедо снег хорошо излучает энергию. В результате потери энергии земной поверхности превышают приход энергии солнечной радиации от солнца, поэтому формируется отрицательный радиационный баланс — баланс всех приходящих и уходящих от поверхности Земли потоков энергии. Если баланс отрицательный, то энергия теряется, а поверхность и воздух охлаждаются. В любое время года ясные ночи холоднее. Облака работают как одеяло, сдерживая потоки тепловой радиации, которые излучаются землей. Если облаков нет, а в антициклоне их нет, то потери радиации будут больше. Существует специальный термин — интенсивное радиационное выхолаживание. Такое выхолаживание происходит в зимних континентальных антициклонах, сформировавшихся над снежной поверхностью.
В районах Восточной Сибири все холодное полугодие господствует стационарный антициклон. У него есть несколько названий: Азиатский, Сибирский, Монгольский. В этом антициклоне интенсивное выхолаживание продолжается неделями, редко перебиваемое вторжениями циклонов с Тихого океана. В результате не на Северном полюсе, не в Гренландии, ни на 80 градусе широты, а южнее, в субарктическом поясе, находится полюс холода Северного полушария — районы Верхоянска и Оймякона. В этих местах все холодное полугодие господствует Сибирский антициклон, и температуры падают до рекордных минус 60 и ниже.
Для антициклона очень характерна дивергенция — расходимость потоков. Самые неприятные погодные условия связаны с районами, где сталкиваются воздушные массы — атмосферные фронты. В таких районах образуются мощные облака, с самыми интенсивными осадками. В антициклоне воздушные массы, в силу действия силы трения, расходятся друг от друга, поэтому даже при наличии фронта он размывается. В центральной части антициклона фронтов не бывает, но они могут проходить на периферии, поэтому можно сказать, что погода в антициклоне лучше, чем в циклоне.
Антициклон не всегда приносит хорошую погоду, потому что есть второй тип погоды. С этим типом погоды связаны многие открытия в области прогноза погоды. До начала XX века падение давления ассоциировали с ухудшением погоды, рост давления — с улучшением. В начале XX века началось развитие авиации, для самолетов той эпохи и того технического уровня развития облачность была опасным элементом погоды. Когда авиаторы поняли, что в антициклонах не всегда хорошая погода, появились требования лучше изучить антициклоны. После этих требований Бергенская норвежская школа синоптиков сделала целый ряд открытий. Они открыли второй тип погоды в антициклоне. Этот тип иллюстрируется условиями, когда небо покрыто сплошным слоем облаков и из облаков редко идут слабые осадки. Этот облачный слой, хотя и тонкий, покрывает весь небесный свод, поэтому так мешает авиаторам. Такой тип погоды формируется, если воздух морского происхождения. Например, в Сибирском антициклоне, куда не доходит воздух с океана, такой тип погоды встречается редко. У нас второй тип антициклона наблюдается чаще, чем вариант «мороз и солнце, день чудесный». Дело в том, что в антициклоне воздух всегда опускается, сжимается и нагревается, поэтому получается, что верхние слои воздуха проходят больший путь, чем нижние. В итоге степень нагревания воздуха зависит от его пути, поэтому воздух, опускающийся сверху, нагревается больше. Возникает инверсия температуры — слой, где температура с высотой не понижается, а повышается. Такая инверсия работает как крышка кастрюли, она останавливает подъем воздуха, и все продукты конденсации скапливаются под этой крышкой, образуя сплошной слой облаков.
С температурной инверсией связано еще одно неприятное явление. Многие любят, когда зимой солнышко, но люди, страдающие заболеваниями дыхательных путей, знают, что для них это не лучшие погодные условия, потому что крышка в виде инверсии задерживает не только продукты конденсации, но и все примеси, которые выбрасываются транспортом и промышленностью. В результате если при циклоне или малоградиентном барическом поле примеси выносятся на значительный слой атмосферы, распространяются и перемешиваются, то при антициклоне они скапливаются в нижних 300 метрах. В результате у земли концентрация загрязняющих веществ резко возрастает. Зимой ясная антициклональная погода опасна с точки зрения экологического загрязнения.
