Если бы солнце нагревало планету равномерно, погоды не существовало бы. Погода — это процессы, которые возникают в атмосфере из-за разницы температур в разных регионах Земли.

Разные подстилающие поверхности поглощают солнечную энергию по-разному: вода нагревается медленно, суша — быстро. Участки суши тоже прогреваются неравномерно — влияет окраска, облачность, рельеф, угол падения солнечных лучей и суточные изменения температуры.

Вода — единственное вещество, которое встречается в природе в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.

В газообразном состоянии молекулы воды парят в воздухе между молекулами кислорода и азота. Это состояние называют водяным паром. В атмосфере вода встречается и в жидком состоянии — в виде микроскопических капель, висящих в воздухе. Если воздушная масса с этими каплями лежит на земле, мы называем ее туманом, а если висит в воздухе - облаком. В третьем, твердом состоянии вода встречается в атмосфере в виде маленьких узорчатых кристаллов льда, то есть снежинок.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией, а наоборот — испарением. Эти два процесса связаны с поглощением и выделением "скрытой теплоты".

Во время испарения молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) преодолевают притяжение соседних молекул и вырываются за границы жидкости. При этом средняя энергия оставшихся молекул уменьшается — жидкость остывает, происходит поглощение скрытой теплоты.

Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может в себе содержать. Теплый воздух похож на сухую губку, которая легко впитывает воду. По мере остывания воздуха эта его способность снижается и "лишняя" вода из пара конденсируется в жидкость: холод "выжимает губку".

Точка росы — это температура воздуха, при которой содержащийся в нём пар достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу.

Очень горячему и влажному воздуху, чтобы достичь точки росы, нужно остыть совсем немного. Напротив, относительно сухой воздух придется сильно охлаждать, прежде чем начнется конденсация.

Атмосфера всегда стремится выровнять давление по всему объему. Если разница в давлении есть, воздушные массы устремятся от регионов с высоким давлением к регионам с низким. Это движение мы называем ветром. Чем больше перепад давления (барический градиент), тем сильнее ветер.

Кажется, что воздушная масса должна прямолинейно перетекать из области высокого давления в область низкого. Так бы оно и было, если бы Земля не вращалась. Но она вращается, поэтому любой движущийся относительно поверхности объект испытывает действие силы Кориолиса. Ветер — один из таких объектов.

В северном полушарии вектор силы Кориолиса расположен под 90º вправо относительно направления движения объекта, а в южном — влево. Сила Кориолиса прямо пропорциональная скорости объекта и широте. На экваторе сила Кориолиса равна нулю, а на полюсах достигает максимальных значений.

Объем воздуха, его давление и температура — взаимосвязанные величины. При увеличении объема давление и температура снижаются — это адиабатическое расширение. При уменьшении объема давление и температура растут — это адиабатическое сжатие.

Атмосферное давление с высотой падает — поднимающийся воздух из-за слабеющего давления расширяется и остывает. Остывая, он возможно достигнет точки росы. Высота, на которой это произойдет становится нижней границей облака.

Воздух, спускающийся вниз, испытывает рост давления, сжимается и нагревается. Эти процессы называются адиабатическим расширением и сжатием.

В общем виде сейчас должно быть понятно, как все перечисленное работает вместе. Из-за неравномерного прогрева подстилающей поверхности где-то воздух начинает подниматься вверх, где-то — опускаться вниз. Температурный контраст приводит к разнице давления. Воздух перетекает из зоны высокого давления в зону низкого, но не по прямой, а отклоняясь направо в северном полушарии и налево — в южном. Поднимающиеся массы воздуха конденсируются: возникают облака и осадки. При формировании облаков выделяется скрытая теплота, которая дает воздуху дополнительную энергию для подъема.

Воздушная оболочка Земли ни в вертикальном, ни в горизонтальном направлениях неоднородна. Меняются все характеристики: температура, давление, плотность, влажность, газовый состав. Особенно велика разница этих параметров по вертикали.

В атмосфере выделяют слои. Мы живем в нижнем, который называют тропосферой. Здесь содержится 75% всего воздуха, почти весь водяной пар и, следовательно, почти все облака. Все погодные процессы протекают в тропосфере.

Высота тропосферы в экваториальных широтах 15-17 км, а в полярных — 6-10 км. Вертикальная мощность тропосферы меняется в течении суток. Днем она выше, а ночью — ниже из-за суточных колебаний температуры.

Для коротковолновой солнечной радиации земная атмосфера прозрачна, поэтому солнце почти не нагревает воздух напрямую — вместо этого нагревается подстилающая поверхность, а уже от нее нагревается сам воздух. Поэтому в тропосфере температура воздуха обратно пропорциональна высоте. на 6,5˚С с каждым километром. Это правило не всегда работает, но в большинстве случаев оно верно.

Всего несколько абзацев назад мы говорили, что теплый воздух, менее плотный и поэтому по закону Архимеда поднимается наверх, а теперь утверждаем, что чем выше поднимешься, тем холоднее будет воздух. Почему же весь этот теплый приземный воздух не поднимается наверх, а холодный не тонет?

Воздух хорошо сжимается: приземные слои находятся под большим давлением атмосферы над ними. С высотой давление падает. Раз окружающее давление падает, согласно газовым законам, воздух должен расширятся, а его плотность — снижаться. Конечно, температура понижается тоже, и мы помним: падение температуры должно "уплотнить" воздух. Но наверху разрежённость так высока, что этот "верховой" холодный воздух все же гораздо менее плотный, чем сжатые давлением всей атмосферы теплые приземные слои. А раз приземные слои плотнее, не возникает и силы Архимеда — все остается на своих местах.

Однако, на отдельных участках воздух все же нагревается достаточно, чтобы начать подниматься вверх. По мере подъема эта порция воздуха будет адиабатически расширятся и остывать. Темп остывания — примерно 1˚С на 100 метров подъема. Эту величину называют адиабатическим градиентом температуры (АГТ). На АГТ сильно влияет относительная влажность: если влажность <100% воздух остывает быстрее, а если влажность равна 100% — медленнее. Прежде чем раскрыть спойлер ниже, подумайте — почему?

Как будет развиваться ситуация зависит от разницы температур поднимающегося воздуха и его окружения. Эта разница определяется скоростью остывания поднимающегося воздуха (в среднем 10ºС на километр подъема) и распределением температуры окружающего воздуха по вертикали (стратификацией).

Если температура окружающего воздуха снижается меньше чем на 1ºС на 100 метров, то поднимающийся воздух остыв станет холоднее и плотнее окружающих воздушных масс и его подъем прекратится. Такую стратификацию называют устойчивой - она препятствует вертикальному движению воздуха.

Если температура окружающего воздуха падает больше чем на 1ºС на каждые 100 метров высоты, то стратификация считается неустойчивой. Она способствует развитию конвекции, активному перемешиванию воздуха и перераспределению температуры.

Как понять устойчива стратификация или нет? Это сложный вопрос. Чтобы сказать наверняка, нужна Scew-T Log P диаграмма, она показывает точное распределение температуры окружающего воздуха. Зная с какой скоростью будет остывать приповерхностный воздух и сравнивая его температуру на каждой высоте с температурой окружающего воздуха, мы сможем понять существует ли в нашем месте потенциальная энергия конвекции или нет.

Проблема в том, что температуру меряют метеозондами, а их мало: Американская Метеослужба запускает на всей территории США всего 92 баллона. Так что точной стратификации для вашего места достать не получится. На практике о стабильности стратификации судят по косвенным признакам.

В случае стабильной стратификации воздух вертикально не перемешивается. Если на небе есть облака, то они будут слоистыми. Часто в безоблачные дни можно увидеть в воздухе белесую или сизую дымку — верный признак того, что приземные воздушные массы не поднимаются вверх, поэтому пыль, выхлопные газы и другие частицы задерживаются на уровне земли и снижают видимость. Запахи и звуки можно почувствовать на большем расстоянии, чем в другие дни.

При нестабильной стратификации воздух активно перемешивается, поэтому он будет чистым и прозрачным. Для нестабильной стратификации характерны облака кучевого типа. Ветер достигает больших скоростей.

Если температура подстилающей поверхности ниже, чем температура приземного воздуха стратификация — устойчивая. Если приземный воздух значительно холоднее подстилающей поверхности, стратификация неустойчивая. Зная температуру воздуха и подстилающей поверхности — в нашем случае воды — можно судить о устойчивой или неустойчивой стратификации.

Весной или в начале лета, когда море еще не прогрелось, стратификация обычно устойчива. Похожая ситуация возникает за теплым фронтом, когда относительно теплый воздух оказывается над более холодными водами.

Напротив, осенью и ранней весной, теплоемкое море остается все еще теплым, тогда как воздух уже остыл. Это очень похоже на ситуацию за холодным фронтом: относительно холодный воздух нагревается от более теплой воды.

Из-за кривизны земной поверхности лучи падают на Землю под разным углом: одна и та же порция энергии на экваторе и на полюсе распределяется на разные площади. А еще лучам приходится проходить через разную толщину атмосферы: часть энергии рассеивается не доходя до поверхности — она отражается от облаков и поглощается частицами в атмосфере.

Наклон оси вращения Земли означает, что один из полюсов по половине года не получат вообще никакой солнечной энергии.

Еще один фактор — коэффициент отражения подстилающей поверхности — альбедо; часть дошедшей до поверхности энергии отражается обратно. Снежные покровы приполярных областей отражают 90% даже той небольшой порции энергии, которой удается пробиться сквозь толщу атмосферы.

Области земли севернее и южнее 40º широты отражают больше солнечной энергии, чем поглощают. А тропические и экваториальные области между этими широтами, наоборот больше поглощают, чем отражают. Если бы в дальнейшем тепло между этими зонами не распределялось, мы бы быстро получили непригодную для жизни планету. Функцию распределения тепла выполняет глобальная циркуляция атмосферы — планетарная система ветров.

Если бы земля не вращалась и состояла только из суши, то в каждом полушарии существовало бы по одной конвективной ячейке. Горячий воздух у экватора поднимался бы вверх и тёк в сторону полюсов. По мере остывания воздух опускался бы к поверхности у полюса, откуда перетекал обратно к экватору.

Но Земля вращается и на ней есть материки сложной формы, поэтому схема циркуляции более сложная.

Теперь нужно вспомнить о вращении Земли и силе Кориолиса: потоки ветра в северном полушарии отклоняются направо, а в южном — налево.

Поэтому воздушные массы двигаясь от экватора в сторону полюса будут отклонятся на восток, а двигаясь от полюса в сторону экватора — на запад. Куда будет отклонятся восточные и западные ветра в каждом полушарии?

Сила Кориолиса - причина, по которой в северном полушарии воздух вокруг зоны высокого давления циркулирует по часовой стрелке и против часовой — вокруг зоны низкого. В южном полушарии наоборот.

Воздух в ячейке Хэдли двигаясь от экватора к полюсам (то есть на высоте 12-15 км) настолько отклоняется из-за силы Кориолиса, что на уровне 30º широты дует уже на восток. Этот западный верховой ветер между ячейками Хэдли и Феррела называют субтропическим струйным течением. Это самый сильный ветер на планете, максимальной скоростью до 450 км/ч (по информации Британской Метеорологической Службы).

Механизм возникновения полярного струйного течения другой. Полярное струйное течение находится на границе полярной ячейки и ячейки Феррела, эту границу также называют полярным фронтом. Полярный фронт — граница между теплыми тропическими и холодными полярными воздушными массами.

Полярное струйное течение возникает из-за температурного контраста полярного фронта — чем сильнее этот контраст, тем мощнее полярное струйное течение.

Ветра у поверхности также отклоняются из-за силы Кориолиса. В ячейке Хэдли приповерхностные ветра дуют в направлении экватора, отклоняются к западу в обоих полушариях и образуют пассаты или торговые ветра: северо-восточный ветер в северном полушарии и юго-восточный в южном.

В ячейке Феррела приповерхностные ветра дуют в направлении полюсов и отклоняются на восток. Так возникают западные ветры умеренного пояса: юго-западные в северном полушарии и северо-западные в южном.

Что происходит с ветром между ячейками — на экваторе и широте 30º? Для этих мест характерны слабые ветра и штили. Зона у экватора называется Внутритропической Зоной Конвергенции. А узкий пояс на широте 30-35º — конскими широтами: во времена парусного мореплавания длительные штили вызывали задержки судов и вынуждали моряков выбрасывать лошадей за борт, чтобы экономить пресную воду.

Тропическая континентальная воздушная масса формируется над Северной Африкой и Сахарой. Теплая и сухая воздушная масса.

Тропическая морская возникает над теплыми водами Атлантики между Азорами и Бермудами. Этот воздух теплый и влажный.

Полярная континентальная воздушная масса формируется над восточной Европой и Россией (Сибирский Антициклон) с ноября по апрель. В течение лета, когда регион значительно теплее, эта воздушная масса по характеристикам больше похожа тропическую континентальную.

Погодные условия сильно зависят от длины пути этой массы над морем. Если эта масса движется над Северным морем, она теряет стабильность и впитывает влагу.

Полярная морская рождается над северной Канадой и Гренландией. Вначале она очень холодная и сухая, но при движении над относительно теплыми водами северной Атлантики, полярная морская масса прогревается и становится очень нестабильной.

Арктическая морская масса похожа по характеристикам на полярную морскую, но она холоднее и не такая влажная. Эта масса формируется над Северным полюсом и Северным Ледовитым Океаном.

Возвратная арктическая морская — родственница полярной морской, но ее путь более извилист. Сначала она движется из Северной Атлантики на юг, а потом поворачивает на северо-восток к Британским островам.

По мере движения на юг насыщается влагой и нагревается, а на втором северо-восточном участке пути, проходит над более холодными водами и стабилизируется, по крайней мере, в нижней части.

Погода это взаимодействие воздушных масс с разными характеристиками. Переходная зона между массами называется фронтом.

Термин "фронт" впервые использовал норвежский метеоролог Якоб Беркенс. Должно быть, близость первой Первой Мировой Войны заставила его использовать военную аналогию для описания пограничной зоны между двумя воздушными массами. Он уподобил их воюющим армиям, между которыми фронт представляет собой поле битвы.

Фронт простирается от поверхности Земли до высоты, где разница между двумя массами стирается — часто до верхней границы тропосферы. Фронты подвержены изменениям — они могут усиливаться или размываться.

Для образования выраженного фронта нужны сходящиеся потоки воздушных масс (конвергенция). Напротив, расходящееся движение воздушных масс (дивергенция) размывает фронт.

Для наблюдателя прохождение фронта — это резкое изменение метеорологических параметров: температуры, влажности, атмосферного давления, направления и скорости ветра. На фронтах образуется больше всего облаков и осадков.

Это атмосферный фронт разделяющий умеренные и тропические воздушные массы. Если бы полярные и тропические массы воздуха сохраняли свое положение на определенной широте, существовал бы стацинарный полярный фронт. Но из-за сложной формы материков и годового изменения температуры воздушные массы полярных областей могут проникать далеко на юг, а тропические - на север. Поэтому действительная форма полярного фронта приобретает вид волнообразной линии.

Области проникновения холодного воздуха занимают громадные территории сопоставимые с частями света. Фронты ежедневно меняют свое положение: на одних участках фронты обостряются, на других - распадаются.

Фронтальные циклоны возникают на линиях разделов основных воздушных масс: на полярных и арктических фронтах и представляют собой волновое возмещение этих фронтов.

Образование циклона начинается со стадии волны.