Но есть и такие места на земном шаре, где месяцами дует постоянный ветер в одном направлении, с одинаковой силой. Таковы, например, пассаты, ветры, дующие по обе стороны от экватора, и муссоны – сезонные ветры. Полгода они дуют в одном направлении, а полгода – в другом. Муссоны особенно часты по берегам Индийского и Тихого океанов, а также у берегов Восточной Азии.
Но каким образом и почему приходят в движение массы воздуха? Где и отчего рождается ветер?
Причина, вызывающая ветры, это – различное давление воздуха, или, как говорят, различное атмосферное давление в разных местах, находящихся на одной и той же высоте над уровнем моря.
Атмосферное давление сильно понижается в зависимости от высоты. Но и над самой поверхностью земли давление воздуха не бывает одинаковым и постоянным. В одном месте оно выше, в другом – ниже; сегодня в Москве давление понижается, а завтра, наоборот, начинает повышаться. И так происходит все время.
Различное давление воздуха вызывает движение огромных воздушных масс. Чем сильнее сжат воздух, то есть чем больше это давление, тем сильнее он стремится расшириться, раздаться во все стороны. Но куда воздух может расширяться, когда он окружает всю Землю? А туда, где воздуха меньше, где давление его ниже. Так и «текут» всегда воздушные массы из мест с большим давлением воздуха в те места, где атмосферное давление меньше. И чем больше разность этих давлений в каких-либо соседних областях, тем стремительнее происходит между ними передвижение воздушных масс, тем сильнее там дует ветер. Вот почему рождается на земле ветер, и вот почему он так различен по своей силе – от легкого ветерка до урагана.
Отчего же, однако, меняется на земле давление воздуха?
Попробуйте сделать такой опыт. Опустите горлышко холодной пустой бутылки в воду, а бутылку подогрейте. Как только стекло бутылки немного нагреется, из нее через воду выйдет несколько пузырьков. Это свидетельствует о том, что нагретый воздух всегда стремится расшириться. В нашем опыте воздух нагрелся от теплых стенок бутылки. Но стоит только воздуху расшириться, как плотность его уменьшится, и он начнет вытесняться вверх со старого места более холодным, более тяжелым, плотным воздухом. Расширившийся воздух всплывает вверх, как всплывает в воде масло.
Когда топится печь, используется именно это свойство воздуха. В топке воздух нагревается и с силой устремляется в трубу – кверху. Его место занимает другой, холодный воздух, идущий из комнаты. Создается всем известная «тяга».
Так и в природе. Лишь только где-либо воздух нагрелся сильнее, чем в соседнем месте, он тут же всплывает вверх, его начинает вытеснять находящийся рядом более холодный и тяжелый воздух. Таким путем и образуются воздушные течения, возникает ветер.
Нагревается воздух везде по-разному, и вот почему. Тепло, идущее от Солнца, почти не согревает воздуха; оно все доходит до поверхности земли и нагревает ее. От нагретой земной поверхности нагревается и находящийся над ней воздух.
Выйдите в мартовский солнечный день на улицу. В эти дни Солнце начинает пригревать уже по-весеннему. Хотя термометр еще показывает два-три градуса мороза, с крыш домов уже капает вода. Это солнечные лучи нагрели края крыши и она растопила часть снега. Если на солнечной стороне вы притронетесь рукой к стене деревянного дома, то почувствуете, что она теплая.
В летнее время, вероятно, каждый наблюдал, как в жаркий безветренный день вдали, на горизонте, все предметы как бы дрожат. Это объясняется тем, что большие массы теплого воздуха, получив тепло от земной поверхности, согретой Солнцем, беспрерывно поднимаются вверх.
Сама же поверхность земли нагревается Солнцем различно. Объясняется это тем, что поверхность земного шара состоит из самых различных участков: лесов, степей, водных пространств, песка, камня. Все эти участки нагреваются неодинаково. Вот, например, рядом лежат луг и пашня. Что из них нагреется сильнее? Конечно, пашня. Черная земля всегда поглощает больше тепла, чем зеленая трава.
Рис. 18. Упрощенная схема возникновения местного ветра.
От различно нагретых участков земли по-разному нагреваются и массы воздуха над ними. В том месте, где воздух сильно нагрелся, например над степью, он расширится, давление его уменьшится, и сюда со стороны леса хлынут воздушные потоки, подует ветер (рис. 18). Такие местные ветерки можно наблюдать часто летом. В жаркий день вдруг из ближнего леса потянет прохладой.
Воздух над степью, как более легкий, будет вытесняться кверху притекающим лесным воздухом и увеличивать давление в верхних слоях атмосферы. Как только воздушный поток устремится из леса в степь, давление остающегося в лесу воздуха будет падать. Но ведь на нижние слои воздуха всегда давят верхние слои. Поэтому место уходящего в степь воздуха будут сразу же занимать воздушные массы, опускающиеся из более высоких слоев воздуха. Высокое давление лесного воздуха будет постоянно поддерживаться притекающим с вышины холодным воздухом. Но зато там, вверху над лесом, давление падает. И тогда сюда потечет воздушный ноток из верхних слоев воздуха, лежащих над степью. Таким образом, вверху образуется ветер с направлением, противоположным наземному ветру, дующему из леса.
В этом нетрудно убедиться, если внимательно понаблюдать за облаками: можно увидеть, что они часто идут в другую сторону, чем дует ветер у земли. Там, в вышине, дует ветер другого направления.
Мы рассказали о путешествии воздуха на одном маленьком участке земной поверхности. Но воздух не страшится и очень больших путешествий. Более того: вся земная атмосфера находится в постоянном движении – от экватора до полюса. Благодаря огромным перемещениям воздушных масс и возникает большинство различных ветров, как постоянных, так и переменных.
Постоянное путешествие воздушных масс объясняется различным атмосферным давлением воздуха у поверхности земли. Это давление в значительной мере зависит от температуры воздуха: чем сильнее нагрет воздух, тем ниже его давление. Если бы вся поверхность земли была однородной и Земля не вращалась бы, передвижение воздушных масс было бы очень простым. В этом случае в каждом полушарии воздух путешествовал бы по одному большому замкнутому пути – от полюса к экватору у поверхности земли и обратно–в верхних слоях атмосферы.
В самом деле, у экватора воздух нагревается сильнее, а у полюсов – слабее. Вследствие этого у экватора существовали бы постоянные потоки воздуха, восходящие кверху, а сюда благодаря понижению давления приходили бы массы арктического холодного воздуха от полюсов. В свою очередь, к полюсам шел бы постоянный приток воздуха из верхних слоев атмосферы, и таким образом вверху ветер направлялся бы от экватора к полюсам.
В действительности поверхность земного шара далеко не одинакова, и возникают ветры самых различных направлений. Так как Земля вращается вокруг своей оси, движение воздуха от полюсов к экватору и обратно происходит не так просто, как это было только что описано, хотя зарождение ветров у экватора именно таково, как мы рассказали. Вдоль экватора с той и другой стороны находятся самые жаркие места земного шара. Здесь повсеместно наблюдается постоянное пониженное давление воздуха. В то же время к северу и к югу от экватора находятся области повышенного воздушного давления. Поэтому в сторону экватора из более высоких широт полушарий круглый год дуют постоянные ветры со скоростью шести-семи метров в секунду – пассаты. На направление этих ветров оказывает влияние вращение Земли. Наша планета вращается вокруг своей оси с запада на восток. Вследствие этого в северном полушарии воздушные потоки, идущие к экватору с севера, отклоняются к западу и превращаются в северо-восточные ветры. В южном полушарии южное направление пассатов сменяется на юго-восточное.
По той же причине верхние воздушные течения – антипассаты, – направляясь от экватора к полюсам, на своем пути все более и более отклоняются на восток, пока не превратятся в западные ветры.
Таким образом, воздушные массы, идущие от экватора, не попадают к полюсам, а задерживаются примерно на широте 30–35°. Постоянно притекающий сюда экваториальный воздух уплотняется и постепенно опускается. В результате здесь создаются области повышенного атмосферного давления и рождаются ветры, дующие к экватору и к полюсам.
Так осуществляется обмен воздуха между экваториальными областями и странами умеренного климата. У самого экватора находится узкая полоса, где постоянно дуют лишь слабые переменные ветры. Зато здесь нередко возникают непродолжительные, но очень сильные тропические бури.
В более северных областях земного шара наблюдается такая картина. Здесь области повышенного давления находятся как у полюсов, так и в тех местах, куда притекает экваториальный воздух. Между ними находятся районы с пониженным атмосферным давлением. Сюда и устремляются воздушные потоки как от полюсов, так и из стран умеренного климата. Благодаря вращению Земли эти потоки превращаются в ветры: дующие от полюсов – в северо-восточные и юго-восточные (для двух полушарий) и дующие из стран умеренного климата – в северо-западные и юго-западные.
Такова, в самых общих чертах, картина передвижения воздушных масс над Землей (рис. 19).
Рис. 19. Упрощенная схема передвижения воздушных масс над Землей.
Граница различно нагретых воздушных масс называется фронтом. Фронт никогда не остается в покое. Когда воздушные массы движутся с различной скоростью или когда одна воздушная масса перемещается в одном направлении, а другая – в обратном, линия фронта прогибается. Здесь образуются воздушные волны. При этом холодный воздух сильнее и сильнее поворачивается на юг, «подтекает» под теплый воздух и вытесняет его вверх. Массы же теплого воздуха отклоняются к северу и, в свою очередь, оттесняют перед собой холодный воздух.
В результате там, куда движутся массы теплого воздуха, давление падает, а в тех местах, куда наступают холодные массы, давление растет. Возникает область, в центре которой образуется пониженное давление воздуха. Систему ветров в этой области называют обычно циклоном (циклон значит «круговой»). Ветер в циклоне дует от краев к центру таким образом, что образуется круговое направление ветров, дующих против часовой стрелки.