Циклоны средних широт

Влажный воздух легче сухого. Оптимальная для человека влажность находится в пределах 40-60%. Но даже в Сахаре влажность находится в дапазоне 30-50%. И это на уровне земной поверхности. А т.к. влажный воздух легче сухого, то даже в Сахаре воздух на высоте должен иметь какую-то влажность (в противном случае воздух с поверхности земли поднялся бы вверх, повысив там влажность). Полагаю, что даже над самой сухой на земле пустыне Атакама

расположенной в излучине Южной Америки (которая формирует Эль Ниньо) влажность воздуха на высоте всё же должна отличаться от нуля. Кстати, парадокс у воды и без воды у пустыни объясняется её местоположением в месте преобразования холодного Перуанского течения в тёплое, что сопровождается исчезновением как пассатов, так и обратного потока воздуха на высоте. Ведь даже сухой океанский воздух на высоте для суши является влажным. Солнце же до такого предела высушило поверхность пустыни Атакама что и испаряться уже нечему. А существующей на высоте влаги недостаточно для создания дождей. И при отсутствии поступления влаги по высоте спасти её не могут даже бризы, которые не проникают далее нескольких километров от берега.

Пустыня Сахара также оказалась заложницей своего географического положения.

Как видно из рисунка, пассаты дуют параллельно Сахаре. Следовательно и обратный поток по высоте в ячейке Хедли также не попадает на Сахару. Т.е. влага пассатов Сахаре не достаётся, что и определяет её пустынный климат.

Красивый рисунок 2 о многом говорит для вихревой физики. Ведь в ячейках Хедли и Ферреля (циркуляции умеренных широт) потоки воздуха вращаются в противоположных направлениях, катясь друг по другу. И всё бы ничего, да только температура по шулерски все карты передёргивает. Трубка Ранка

подсказывает, что вращение потока связано с температурой. Осевая скорость движения обратного потока существенно выше скорости прямого потока. Общая же энергия воздуха, подаваемого в трубку, измениться не может. Поэтому увеличение кинетической энергии обратного потока может измениться только за счёт изменения тепловой энергии. И температура обратного потока в трубке Ранка понижается. Хоть земной шарик и не трубка Ранка, но и он обязан подчиняться этому правилу: изменение кинетической энергии может идти только за счёт тепловой энергии.

Как на границе между ячейками Хедли и Ферреля, так и на границе между ячейками Ферреля и полярными ячейками встречаются не только противоположно двигающиеся потоки (а следовательно и вращающиеся), но и имеющие разные температуры (т.е. разные скорости вращения элементарных вихрей воздуха). А правило прецессии диктует, что сила трения, возникающая между вращающимися с разной скоростью потоками, порождает силу, формирующую струйные течения на границе между ячейками. На струйные течения в свою очередь действует разная влажность воздуха над океанами и над материками.

И струйным течениям ничего иного не остаётся как формировать волны Россби. Забравшись на север на правом рисунке, волна Россби попадает в холод и в полном соответствии с правилом прецессии вынуждена изменять как направление движения, так и направление вращения. Забравшись на юг в область тепла, волна Россби изменяет как направление движения (на север), так и направление вращения. В одном случае волна Россби несёт тепло на север примерно на 10 градусов по широте, а во втором случае несёт холод на юг также примерно на 10 градусов. А как следует из левого рисунка, и холод, и тепло поступают на высоте 7-12 км или на высоте 10-16 км. Следовательно граница между тёплым и холодным фронтами появляется в одном случае сначала на высоте, а только затем опускается вниз, а во втором напротив, появляется внизу и поднимается вверх (что определяет сходятся или расходятся ветры).

А как известно, граница между тёплым и холодным фронтами порождает циклоны и антициклоны средних широт. Летом и зимой больших температурных градиентов между фронтами не возникает. Температуры воздуха, приходящие к границам ячеек и с юга, и с севера отличаются незначительно. А т.к. элементарные вихри воздуха вращаются в противоположные стороны (т.е. катятся друг по другу), то небольшая разница температур создаёт и небольшую величину силы трения скольжения. Небольшую величину имеет и возникающая по правилу прецессии противодействующая сила. Амплитуда волн Россби незначительная. И погода относительно стабильна. Осенью же и весной темперетура в средних широтах между севером и югом достаточно сильно изменяется. Разница в скоростях вращения элементарных вихрей воздуха увеличивается. Возникающая по правилу прецессии противодействующая сила увеличивается. Увеличиваются как амплитуда, так и частота волн Россби Поэтому и весной, и осенью погода чрезвычайно изменчива.

Земная поверхность под действием солнца и ветра постоянно испаряет влагу. Как более лёгкий влажный воздух поднимается вверх, создавая распределение относительной влажности по высоте. "2. Относительная влажность меняется с высотой менее закономерно. В общем она с высотой убывает. Но на уровнях, где происходит облакообразование, относительная влажность, конечно, повышена. В слоях с температурными инверсиями она уменьшается очень резко вследствие повышенной температуры." (http://www.matrixplus.ru/meteo-125.htm) Т.е., т.к. относительная влажность убывает с высотой, то испарение не может обеспечить формирования осадков. В средних широтах влагу на материки не могут доставить и дующие с океанов западные ветры рис 2. А тем не менее, осадки выпадают и в центральных частях материков, о чём свидетельствует распределение осадков в России.

Ячейка Ферреля функционирует и в пределах России, скажем в той же Сибири. Воздух в ячейке имеет направление на север и на восток. И конечно же он испаряет влагу с поверхности как Средиземного моря, так и с поверхности Чёрного Кспийского и Аральского море (что-то дают и реки, что видно по зелени восточнее Лены и Индигирки). В ячейке Ферреля относительно влажный воздух по высоте поступает обратно на юг, поставляя влагу на уровень облакообразования. Но этой влаги явно недостаточно для формирования хорошей облачности.

Но рисунок 4 демонстрирует, что полярная струя по границе между ячейкой Ферреля и полярной циркуляцией создаёт волны Россби. Иными словами, граница между ячейкой Ферреля и полярной циркуляцией пляшет в определённых пределах. Т.е. то полярная циркуляция заходит далеко на юг, то ячейка Ферреля забирается во владения полярной циркуляции. А полярная циркуляция испаряет влагу с Северного Ледовитого Океана. Следовательно, когда волна Россби забирается на юг, она поставляет влагу на расположенные южнее территории, формируя типы облаков.

Если летом и зимой температура практически не сказывается на поведении волн Россби, колебания которых определяются только колебаниями влажности между материками и океанами, то весной и осенью появляется дополнительный фактор температуры. И волны Россби увеличивают как амплитуду колебаний, так и их частоту.

Как мы выяснили, волны Россби являются границей между теплом и холодом, что особенно заметно весной и осенью. Воздух же как над сушей, так и над водой нагревается от поверхности. И максимальная разность температур между земной поверхностью и принесённым волной Россби холодом аблюдается в южной точке волны. Принесённая волной влага складывается с испарённой влагой. А т.к. волна (скажем, "язык" справа на рис 7)

, принесла с севера пониженную температуру, то на уровне облакообразования появляются как минимум грозовые тучи. Северное струйное течение (северная волна Россби) существует на границе ячейки Ферреля и полярной ячейки. В ячейке Ферреля по поверхности земли воздух двигается на север, а в полярной ячейке на юг. Следовательно граница между тёплым и холодным фронтами появляется на земной поверхности. А как следует из рис 2 и на границе между ячейками Хедли и Ферреля, и на границе между ячейкой Ферреля и полярной ячейкой воздух поднимается вверх.

Движение по поверхности земли границы между фронтами испаряет влагу с поверхности. Самое время вспомнить о экспериментах Сировича с соавторами.

Природе до лампочки на какой поверхности идёт движение потока воздуха: по самолётному крылу или по поверхности земли. Как в том, так и в другом случае возникают парные вихри противоположного направления вращения, двигающиеся в противоположные стороны. Но в рассматриваемом случае при движении идёт испарение с поверхности, возникает влажный воздух, который легче сухого и обязан подниматься вверх (а в парном вихре опускаться вниз). И поднимающийся, и опускающийся воздух содержит влагу (которая является диамагнетиком), на которую действует магнитное поле земли. И тот, и другой поток закручивается (естественно в разные направления), что формирует вихри Бенара, практически полностью идентичные вихрю над нагретым склоном холма.

А вот здесь уже возникают варианты. Влажность воздуха на высоте облакообразования может быть незначительной, а может быть и высокой. Скажем, в России практически неоткуда взяться высокой влажности на высоте. Вращение поднимающегося вверх воздуха перераспределяет энергию, уменьшая температуру, что ведёт к конденсации влаги. Т.к. величина центростремительной силы больше величины центробежной силы, то в вершине вихря увеличение кинетической энергии увеличивает его горизонтальный размер. Сконденсированная влага потоком воздуха переносится на периферию вихря, формируя на ней облачность. Таким образом хобот вихря Бенара растёт в размерах. И горизонтальная, и вертикальная скорость движения воздуха уменьшается и хобот перестаёт поставлять влагу на высоту. Таким образом в результате сформировался циклон средних широт. А т.к. поступление влаги в хоботе прекращается, а периферия разбазаривает влагу дождём, то циклон с течением времени приказывает долго жить.

Но на границе между фронтами сформировалось два вертикальных потока с разными направлениями вращения, одно направлено вверх, а второе вниз. Направленный вверх поток сформировал циклон средних широт. А что же происходит со вторым потоком воздуха, направленным вниз. Как известно влажность с высотой убывает. Поэтому самостоятельно поток сверху вниз сформироваться не может.. И возникать он может только в паре с потоком вверх на границе между тёплым и холодным фронтом. При этом формирует этот поток вихрь Бенара, вершина которого направлена вниз и расходящийся от центра поток по поверхности земли двигается к периферии. Движение по поверхности земли (хоть и с малой скоростью), но испаряет влагу. Поэтому на периферии набравшийся влаги воздух поднимается вверх. Но благоприобретённой влаги катастрофически не хватает для того, чтобы пролиться дождём. И поднятая влага только повышает влажность на высоте. Таким образом сформировался антициклон средних широт.

Но существуют и области, в которых ситуция с влагой не так мрачна. Одной из этих областей является аллея торнадо в США.

Мексиканский залив находится в пределах ячейки Ферреля. Ветры западного направления испаряют влагу с поверхности залива. А т.к. влага является диамагнетиком, то магнитное поле земли отправляет её на США на высоте облакообразования. И в аллее торнадо появляется большой избыток влаги на высоте. Но эта влага не поставляет ни богу свечку, ни чёрту кочергу. Для появления кочерги должна появиться граница между теплом и холодом, как это и показано на рис 7.

На правом рисунке волна Россби свой язык запустила далеко на юг. И попав в район аллеи торнадо этот язык принесёт в неё границу холода. А т.к. Мексиканский залив снабдил аллею излишками влаги, то в ней волна холода конденсирует влагу и возникает мощная облачность. На поверхности суши в конце зимы и весной уже достаточно тепло, а с севера волна Россби приносит сильный холод. В облачности возникает сильный градиент температуры. И в её пределах возникают мощные потоки вверх, закручиваемые магнитным полем земли. Конденсация влаги идёт с большой скоростью. Возникшая при этом ячейка Бенара быстро набирает мощность. В пределах облачности вихрю становится тесно и он растёт и вверх, и вниз. Достигнув земли вихрь преобразуется в полноценное торнадо, которое начинает своё разрушительное движение по ней.