Фронтом называется граница между холодной и теплой воздушными массами. Если вперед движется более холодный воздух, то фронт называется холодным, если же наоборот - то это теплый фронт. Иногда воздушные массы движутся вперед до тех пор, пока их не остановит возросшее перед ними давление. В этом случае границу между массами называют стационарным фронтом. В данном случае важно, что фронт разделяет воздушные массы с разной температурой, а значит и разной плотности. Воздушные массы разной плотности не стремятся к перемешиванию, подобно маслу с водой. Поэтому стационарный фронт может стоять несколько дней.
Холодный фронт движется в основном с севера на юг в северном полушарии и наоборот - в южном. Этот фронт в своей передней части состоит из холодного, часто сухого воздуха. Если холодный фронт замещает нестабильный воздух, то тот поднимается, и формирует конвективные облака. Этот тип фронтальной активности часто сопровождают грозы и шквалы.
Шквалы порождаются грозами, что распространяется на 80-500 км в глубину фронта и вдоль него.
Холодные фронты имеют тенденцию к большей энергоемкости, чем теплые и могут перемещаться со скоростью более 60 км/ч, особенно зимой, когда воздух более плотный. Быстрое движение фронта определяет буйный характер погоды, но, в то же время, более быстрое его прохождение. Наклон холодных фронтов изменяется от 1/30 до 1/100, что, при его движении вперед, создает сильный подъем теплого воздуха. Наклон зависит от температурного контраста между воздушными массами и скорости ветра через фронт.
Если условия стабильные перед и после холодного фронта, то формируются в основном слоистые облака. В этом случае наблюдается медленное очищение неба после фронта, но сам он протекает вяло.
Начало холодных фронтов, особенно в жаркие месяцы несет чистое небо, хорошую видимость и термическую активность, и плотный воздух.
Теплый фронт может нести с собой закрытое облаками небо, высокую влажность, дымку и туманы, жару и дожди на несколько дней. При прохождении теплого фронта теплый воздух набегает на холодный сверху и вытесняет его. Теплые фронты имеют тенденцию двигаться медленнее, чем холодные - 25 км/ч и менее, и отличаются меньшей плотностью воздуха. Наклон его поверхности колеблется от 1/50 до 1/400, что положе, чем у холодного.
Такой наклон теплого фронта является причиной того, что небо полностью закрыто облаками, на расстоянии более чем 2400 км. Приближение теплого фронта можно предсказать по тому, что за день или два до его прохождения появляются перистые облака, далее развивающиеся в перисто-слоистые и перисто-кучевые.
В случае теплого фронта, несущего стабильный воздух, нас ожидает длительный период до дождя и, в основном, спокойные условия, возможно, до самого фронта. В случае нестабильного воздуха нас ожидают проливные дожди, чередующиеся с мелкими, моросящими. Возможна сильная турбулентность с грозами. В любом случае прохождение теплого фронта лучше переждать под крышей.
Барические системы
Барическими системами называются системы распределения атмосферного давления, характеризуемые определенным расположением изобар на картах погоды. Различают главные барические системы, к которым относят циклоны и антициклоны. Существуют также вторичные барические системы (ложбины, гребни и седловины), но мы остановимся на главных, и то в очень узких рамках основных понятий.
Барические системы высокого давления или антициклоны возникают у поверхности земли. В центре такой системы давление максимальное, к периферии оно уменьшается. В наших широтах они возникают в основном над обширными земными поверхностями зимой, когда земля холоднее воды, и над ней воздух более холодный. Типичный пример тому - сибирский антициклон. Летом же, когда земля прогревается сильнее воды, антициклоны могут возникать над обширными водными поверхностями. Этим объясняется большое число солнечных дней летом на морских и океанических побережьях. Два же постоянных антициклона, обусловленных глобальной циркуляцией воздуха в атмосфере земли, расположены над полюсами. Они являются источниками холодных фронтов.
Кроме этого, при движении воздуха вверх, возникают барические системы низкого давления или циклоны. Их возникновение происходит противоположно антициклонам, т. е. над более теплой поверхностью воздух поднимается вверх, создавая зону пониженного давления.
Взаимодействие циклонов и антициклонов является главной причиной возникновения ветров. В антициклоне у поверхности повышенное давление, в циклоне - пониженное. Это определяет направление ветров. В антициклоне воздух движется от центра к периферии, в циклоне - наоборот. Однако свои поправки вносит эффект Кориолиса. Поэтому в антициклоне нашего полушария воздух, двигаясь от центра, поворачивает по часовой стрелке (если смотреть сверху). В южном полушарии наоборот. В циклоне напротив, в нашем полушарии воздух движется к центру против часовой стрелки, в южном - по часовой. Это важно знать для определения направления ветра по синоптической карте, на которой нанесены барические системы.
В антициклоне воздух опускается сверху, что приводит к его сжатию, нагреву, уменьшению относительной влажности и увеличению стабильности. Воздух в циклоне поднимается, расширяется, охлаждается, увеличивается относительная влажность и уменьшается стабильность.
Опускающийся воздух движется со скоростью всего несколько сантиметров в секунду, но этого достаточно, чтобы небо очистилось, и ясная погода у нас всегда ассоциировалась с антициклоном. Ирония в том, что добавляющийся воздух вверху, приводит к большей стабильности воздушных масс, что является главной причиной инверсии. Это обычное явление в не пустынных районах умеренной климатической зоны. Даже вслед за холодным фронтом в антициклоне с большой вероятностью следует погода, несущая низкий уровень нестабильности и термической активности, несмотря на чистый холодный воздух и хороший прогрев земли. Однако если антициклон задерживается, то над этой территорией воздух постепенно стабилизируется и термическая активность прекращается совсем.
Поднимающийся воздух в циклоне приводит к большому количеству облаков и осадкам. Он также может вызвать нестабильность, вплоть до образования грозы.
Ветер
Ветер - это горизонтальное перемещение воздуха. Его сила определяется с помощью анемометра. Если его нет под рукой, можно определить скорость ветра по признакам в окружающей среде, указанным в нижеследующей таблице:
Скорость ветра
Эффекты в окружающей среде
Штиль
Дым поднимается вертикально вверх, растительность неподвижна
0-5 км/ч (0-1.4 м/с)
Дым поднимается вверх, листва начинает шелестеть
5-8 км/ч (1.4-2.2 м/с)
Дым отклоняется от вертикали, вершины деревьев двигаются
8-15 км/ч (2.2-4.2 м/с)
Дым отклоняется на угол около 45 °, мелкие ветки и трава начинают двигаться.
l 5- 29 км/ч ( 4.2-8.1 м/с)
Дым отклоняется до 60 ° от вертикали, ветки двигаются, трава колышется волнами, одежда на веревках колышется.
29-40 км/ч (8.1-11 м/с)
Дым стелется, крупные ветки волнуются, трава покрывается рябью, одежда волнами, начинают появляться мелкие пылевые смерчи.
40 - 56 км/ч (11-15.6 м/с)
Крупные ветки и средние деревья изгибаются. Одежда полощется. Уносятся пыль и снег.
56 км/ч и более (>15.6 м/с)
Клонятся крупные деревья, автомобили качаются. Трудно идти.
Благодаря эффекту Кориолиса, возникающего из-за вращения земли, в северном полушарии ветер с высотой доворачивает правее на 15-45 °, в южном - левее на 15-45 °. Также с увеличением высоты изменяется его сила от 25% над водной поверхностью до 50% над пересеченной местностью.
Лучший способ определить направление высотного ветра - наблюдение за дрейфом облаков верхнего уровня, выбрав в качестве базы какой-нибудь неподвижный объект на земле. Днем в связи с термической активностью и перемешиванием воздуха ветер усиливается, достигая пика примерно в 15 часов по местному времени, и затихает к вечеру. Его минимальная сила достигается в районе 6-7 часов утра. Также, в термически активные дни, ветер может менять направление в сторону восходящих потоков.
Существуют некоторые специфические типы ветров. Мы рассмотрим фены и бризы.
Фен возникает, когда холодные сухие массы воздуха высокого давления застаиваются в запирающем их горном районе. Воздух начинает перетекать через вершины, и, если в долинах по другую сторону гор низкое давление, возникает фен. Скорость его - 60-100 км/ч, отмеченный максимум - около 150 км/ч. Этот ветер может продолжаться несколько дней с постепенным затуханием, внезапными возобновлениями и превращениями. Он типичен для зимы и весны, когда существуют мощные барические системы.
Бриз - ветер, возникающий только на границе водной поверхности и суши. Днем, когда суша более прогрета, воздух над ней поднимается вверх, и его замещает холодный воздух с воды. Эта циркуляция продолжается, пока продолжается прогрев земной поверхности. Ночью ситуация повторяет дневную с точностью до наоборот.
Бриз может проникать на территорию земли в среднем на 10-20 км. Но в пустынных районах отмечались случаи проникновения бриза на 400 км вглубь материка.
Проникая внутрь материка, бриз противостоит воздуху с суши, и в том месте, где его движение вглубь прекращается, возникает миниатюрный холодный фронт, называемый фронтом морского бриза.
Турбулентность
Турбулентность - это хаотическое, случайное движение воздуха. Хотя некоторые ее виды (например, роторы) и отличаются некоторой организованностью, но хаотичность все-таки является определяющим фактором.
Влияние турбулентности на летательный аппарат сказывается по-разному, в зависимости от интенсивности, размеров и ориентаций вихря. В самых простых случаях турбулентность ощущается, как легкая "болтанка", которая немного затрудняет управление. В худшем случае турбулентность может привести даже к полному разрушению параплана.
Цикл турбулентности начинается, когда она формируется одним из трех способов, о которых будет сказано ниже. Крупный ротор, двигаясь с основным потоком, разбивается на все более мелкие, но увеличивающиеся в количестве вихри. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вихри не становятся так малы, что энергия движения гасится вязкостью и подобна тепловому движению (диаметром около 0.25 мм на уровне моря).
Более мелкие вихри могут иметь энергию большую, чем крупные вихри, из которых они образовались. Только с прохождением времени и определенного пути вихри турбулентности уменьшают свою энергию.