Циркуляция атмосферы. Основные ветры Земли

Ветер представляет собой движение воздуха вдоль земной поверхности из области с более высоким атмосферным давлением в область с более низким атмосферным давлением. Чтобы представить общую картину ветров у земной поверхности, нужно рассмотреть особенности распределения давления воздуха у земной поверхности и его изменения с высотой, так как именно распределение атмосферного давления и его изменение вызывают движение воздуха в атмосфере Земли – его циркуляцию, частью которой выступают ветры.
Масса воздуха давит на земную поверхность. Числовую величину силы, с которой воздух давит на единицу площади, называют атмосферным давлением. В любой точке атмосферы имеется определенная величина давления воздуха, или атмосферного давления. Величину атмосферного давления измеряют в мм рт. ст., в миллибарах или гектопаскалях [11].
Опытным путем было установлено, что на 45° с.ш. на уровне моря при температуре воздуха 0°, высота ртутного столбика устанавливалась на уровне 760 мм. Давление воздуха, эквивалентное давлению ртутного столбика в 760мм рт. ст. принято считать нормальным атмосферным давлением [11].
С переходом на измерение атмосферного давления барометрами-анероидами, в метеорологии для измерения атмосферного давления стали использовать миллибары, которые с физической точки зрения имеют более точный смысл.
Один миллибар - это давление, которое сила в 1000 дин производит на площадь в 1см2. Нормальное атмосферное давление в 760 мм рт. ст. будет приблизительно 1013 мб. Для перехода от величины атмосферного давления, указанного в мм рт. ст. к мб, необходимо использовать коэффициент 1,33. В метеорологии для указания величины атмосферного давления используются также паскаль (Па): 1Па=1Н/м2=1кг/(м×с2); гектопаскали (ГПа) 1гПА=103мб [11].
Величина атмосферного давления изменяется под влиянием многих факторов. Основным фактором выступает плотность воздуха, которая изменяется под влиянием температуры, ускорения силы тяжести, влажности воздуха, особенностей циркуляции атмосферы и т.д.
Теоретически, давление воздуха определяется по формуле уравнения состояния идеального газа [11]:
Ρ=ηκΤ
где Ρ- давление воздуха; Τ- температура воздуха; η- концентрация частиц газа; κ - постоянная Больцмана.
Атмосферное давление изменяется в горизонтальном направлении и вертикальном.
С высотой атмосферное давление уменьшается, так как уменьшается мощность воздуха над плоскостью, для которой определяется атмосферное давление, а также плотность воздуха, в связи с ослаблением влияния силы земного тяготения

. Изменение атмосферного давления с высотой характеризуется вертикальным барическим градиентом и барической ступенью.
Барический градиент - вектор, который указывает, в каком направлении уменьшается атмосферное давление, а скалярная величина (модуль) барического градиента показывает величину изменения атмосферного давления на единицу расстояния по вертикали в том направлении, в котором давление убывает [11]. Средняя величина вертикального барического градиента в тропосфере принимается за 100 мм рт. ст. на км высоты. Чаще вместо барического вертикального градиента используют барическую ступень (величина, обратная барическому градиенту).
Барическая ступень характеризует величину изменения высоты, при которой атмосферное давление меняется на единицу. В результате эмпирических исследований выяснено, что барическая ступень в теплом воздухе выше, чем в холодном. При температуре 0°С и атмосферном давлении 1000мб, барическая ступень составляет 8 м/мб, а при той же величине атмосферного давления и температуре 10° С - 8,32 м/мб [11].
В атмосфере над областями земного шара, которые получают больше солнечной радиации и приземные слои воздуха прогреваются сильнее (приэкваториальные широты), барическая ступень больше, давление с высотой падает медленнее, чем над приполярными районами, где воздух холоднее. Поэтому на границе тропосферы над экватором атмосферное давление выше, а над полюсами - ниже. Так, изобарическая поверхность 300 ГП вблизи экватора располагается на высоте порядка 9500 м, а над полярными областями ниже на 1000-1500 м. в связи с этим для верхней тропосферы характерен наклон изобарических поверхностей от экватора в сторону полюсов, в соответствии с чем барические градиенты направлены вдоль меридианов в сторону высоких широт (приполярных). Эта особенность распределения атмосферного давления на границе тропосферы и направление барических градиентов вызывают движение воздуха от экваториальных широт к полюсам, определяя глобальные особенности циркуляции воздуха над всей планетой [10]