«Далее было показано, что отклоняющие силы, возникающие из-за восточных компонентов движения каждого полушария от поверхности земли до вершины атмосферы в средних и высоких широтах и верхней части атмосферы в низких широтах, гонят атмосферу от полярных областей к экватору, в то время как те, что возникают из-за западных компонентов движения в нижней части атмосферы в низких широтах, имея противоположный эффект, но малый по сравнению с другим из-за слабости этих сил вблизи экватора, стремятся гнать воздух немного от экватора к полюсам. Существует, следовательно, понижение изобарических поверхностей на всех высотах в полярных областях, особенно в южном полушарии, гораздо меньшее понижение в экваториальных областях и выпуклость изобарических поверхностей вблизи параллели 30° в нижней части атмосферы, причем максимум находится ближе к экватору по мере увеличения высоты, как представлено на рис. 45, но на больших высотах существует минимум барометрического давления на полюсах и максимум на экваторе.
Fig. 45.—General Circulation of the Atmosphere.
«На прилагаемом рисунке сплошные стрелки во внутренней части представляют результирующие движения ветров (более длинные стрелки указывают на большие скорости) в случае земли с однородной поверхностью над обоими полушариями, в которой движения были бы симметричными в обоих и одинаковыми на всех долготах, а экваториальные и тропические пояса штиля располагались бы на равных расстояниях от каждого полюса. Пунктирные стрелки указывают на сильное, почти восточное движение воздуха на всех широтах на некоторой большой высоте, как, например, перистых облаков.
«Контур внешней части рисунка представляет изобарическую поверхность высоко вверху, где выпуклость вблизи параллели 30° исчезает и максимальное давление на той же высоте переносится на экватор. Для более низких высот изобарические поверхности имеют выпуклость на параллели 30° и небольшое понижение на экваторе и вблизи него. Стрелки в этой части представляют полярные и экваториальные компоненты движения, первые выше, а вторые ниже, за исключением окрестностей поверхности земли на полярных сторонах тропических поясов штиля, где существует полярный компонент движения, возникающий из-за того, что воздух вытесняется из-под пояса высокого давления. Это, возможно, не распространяется за пределы полярных кругов, за которыми не может быть большого движения в любом направлении, за исключением аномальных возмущений.
По причинам, изложенным в § 103, фактическое среднее положение экваториальной и тропических зон затишья не совсем такое, как здесь представлено, а все они несколько смещены к северному полюсу, а полярная депрессия изобарических поверхностей в южном полушарии выражена сильнее, чем в северном.
Выводы из этого приближенного анализа в основном подтверждаются наблюдениями, за исключением тех случаев, когда они видоизменяются неоднородностью земной поверхности. Распределение барометрического давления на уровне моря между экватором и полюсами, как показала длинная серия измерений Росса, демонстрирует колебание примерно в один дюйм ртутного столба с максимумами на широтах около 30° к северу и югу, как того требует теория Ферреля. В качестве дополнительной причины депрессии в сторону полюсов можно упомянуть большую скорость постоянного восточного ветра и, как следствие, центробежную подъемную силу в атмосфере.
Что касается общего восточного направления ветров в средних и высоких широтах, то это хорошо известно из наблюдений за движением облаков и воздуха вблизи земли. На уровне перистых облаков скорость в этих широтах направлена почти точно на восток. Однако поток по долготе, проиллюстрированный внешними стрелками на рис. 45, не был полностью определен наблюдениями. Более того, как показал сам Феррель, неравномерный нагрев материков и океанов создает градиенты по долготе, особенно в северном полушарии, тем самым внося значительные возмущения в общую циркуляцию. К этому фактору необходимо добавить также широтное смещение инсоляции, обусловленное годовым движением солнца через экватор, что влечет за собой колебательное сезонное смещение жаркого пояса, а следовательно, и двухполушарного цикла атмосферы.
Некоторые течения общей и постоянной циркуляции достаточно заметны, чтобы иметь специальные названия, такие как пассаты, антипассаты, господствующие западные ветры, а в низких широтах — зоны затишья, где поток исключительно слаб. Все эти течения были известны мореплавателям с древних времен и имели значительное значение в морской навигации. Возможно, со временем они будут иметь такое же значение и в воздухоплавании.
Пассаты — это мягкие тропические приземные течения с удивительно устойчивой скоростью и направлением. Зарождаясь в поясах высокого давления в обоих полушариях на широте около 30°, они дуют в сторону экватора с усиливающейся западной составляющей. Как показано на картах 46 и 47 для середины зимы и середины лета, пассаты охватывают большую часть тропических зон в обоих океанах и слегка смещаются по широте вслед за солнцем. На тепловом экваторе они разделены экваториальными зонами затишья, или штилевой полосой, и ограничены к северу и югу соответственно зонами затишья Рака и Козерога. Особенно интересны пассаты, дующие из Испании в Вест-Индию, которые благоприятствовали Колумбу в его западном плавании и которые некоторые предприимчивые немцы предлагали использовать для повторения этого памятного путешествия на дирижаблях.
Fig. 46.—Normal Wind Direction and Velocity for January and February. (Köppen.)
Антипассаты, или противопассаты, — это высотные ветры, дующие над пассатами в противоположном им направлении. Поскольку существовали некоторые сомнения относительно направления этих противопассатов, в 1905 году двумя выдающимися метеорологами, Тейссеренком де Бором из Франции и А. Лоуренсом Ротчем из Америки, была направлена экспедиция для исследования атмосферы над тропической частью Атлантики. Г-н Ротч обобщил их измерения и выводы следующим образом: [63]
«Пилотные шары, запущенные с островов Тенерифе и Сент-Винсент, наблюдались с помощью теодолитов с концов базисной линии, и таким образом можно было установить высоты, на которых шары меняли направление. Позже шары запускались с самой яхты, которая следовала за ними, при этом проводились измерения их угловой высоты. Наблюдения, нанесенные на рис. 46, убедительно доказывают существование верхнего противопассата. Курсы шаров представлены так, как если бы они были спроецированы на поверхность моря, и показывают, что северо-восточный пассат распространялся только до высоты 3200 или 4000 метров, а затем постепенно переходил в южное течение, которое выше становилось юго-западным. Ширина пунктирной полосы приблизительно представляет изменяющуюся скорость пассата и противопассата. Аналогичные доказательства существования северо-западного пассата к югу от экватора были получены той же экспедицией в течение следующего года, но вышесказанного достаточно, чтобы показать, что воздухоплаватель на обычном аэростате мог бы стартовать с африканского побережья или с некоторых островов в области пассатов и, дрейфуя на юго-запад, подняться на несколько миль в поток, который унес бы аэростат на север и в конечном итоге на северо-восток обратно к суше. Тем не менее, в определенных атмосферных ситуациях над тропической частью северной Атлантики случается, что ветры общего северо-западного направления преобладают до больших высот без каких-либо признаков обратного пассата. Вблизи экватора ветры имеют восточное направление до самых больших высот, которые были достигнуты».
Fig. 47.—Normal Wind Direction and Velocity for July and August. (Köppen.)
Fig. 48.—Trade and Counter Trade-winds.
Господствующие западные ветры — это приземные ветры высоких широт в системе постоянной циркуляции. В южном полушарии они особенно сильны и устойчивы благодаря сравнительно непрерывному океаническому пространству. На севере они также сильны и постоянны, но изменчивы по направлению из-за возмущений, вызванных местными ветрами вследствие неравномерного нагрева участков суши и моря. Эти особенности хорошо проиллюстрированы на картах 47 и 48. Особый интерес в воздухоплавании представляет господствующий ветер, дующий из Соединенных Штатов в Европу, который считается подходящим течением для трансокеанских перелетов на аэростатах. [64]
Периодические ветры — это те, градиент которых меняется ежегодно или ежедневно из-за годовых или суточных колебаний температуры на наклонных или неоднородных участках земного шара. Ежегодно меняющиеся ветры, обусловленные попеременным нагреванием и охлаждением материков или обширных сухопутных территорий, носят общее название муссонов. Среди суточных ветров наиболее заметными являются береговые бризы, а также горно-долинные ветры. Оба вида практически применимы в воздухоплавании: муссоны — для дальних перелетов, суточные ветры — для местного использования.
Общая движущая причина одна и та же для всех периодических ветров. Когда какая-либо часть земной поверхности периодически нагревается выше своей нормальной температуры или среднегодового значения сильнее, чем соседний регион, возникающий аномальный температурный градиент вызывает периодический приземной ветер, направленный к чрезмерно нагретому месту, и встречный ветер выше. То есть более холодный и тяжелый столб воздуха, оседая и вытесняя более легкий, приводит к понижению общего центра тяжести двух столбов воздуха и, таким образом, обеспечивает движущую силу ветра. Например, остров или полуостров может быть значительно жарче днем и холоднее ночью, чем окружающая вода; материк может быть намного жарче летом и намного холоднее зимой, чем прилегающий океан. Таким образом, в жаркий период влажный ветер дует в сторону суши; в холодный период сухой ветер дует в сторону моря. Если суша имеет обширные и высокие склоны, подъем воздуха в жаркий период и опускание в холодный период могут быть очень мощными. Течения, созданные таким образом совокупностью местных факторов, включая отклонение, вызванное вращением Земли, сочетаются с общей циркуляцией атмосферы, образуя фактический ветер данной местности. Таким образом, периодическое течение может совпадать с общей циркуляцией или противодействовать ей; может усиливать, ослаблять или уничтожать ее; может подавлять, изменять направление или полностью маскировать ее.
Из различных континентальных муссонов земного шара наиболее мощные возникают в результате ежегодного прилива и отлива атмосферы над обширными склонами и плоскогорьями Азии. Здесь условия особенно благоприятны. По мере приближения солнца к тропику Рака палящие пустыни и высокие плато, объединяя свою силу с тягой на горных склонах, порождают континентальный восходящий поток, который всасывает все воздушные течения окружающих морей, выбрасывая их ввысь к изотермическому слою, откуда они расходятся как четыре ветра небесных; ибо здесь в это время года планетарная циркуляция нарушается, уничтожается или меняется на обратную, проявляясь лишь как возмущение муссона в его зените. В Индии эта сила особенно эффективна. Вдоль севера Гималаи простираются на 1300 миль по широте, со средней высотой 18 000 футов и с выжженными солнцем участками по обе стороны. К северу от этого хребта находятся высокие плато Тибета и Кашмира, к югу — пустыня Гоби и побережье Индийского океана. Над этим водным пространством из-за экваториальной линии, с островов Океании и с зимних равнин Австралии воздух вливается с накопленной силой, проносясь над Бенгальским заливом и Аравийским морем непрерывным штормом, поднимая на горные склоны невероятные потоки воды. Над Аравийским морем летом шторм настолько устойчив и быстр, что ни одно обычное судно не может пробиться из Бомбея в Аденский залив. Над Бенгальским заливом влажные южные ветры, сходясь между побережьем и мысами, устремляются, нагруженные облаками, вверх по склонам Гималаев, изливая весь свой пар в чудовищных потоках, редко встречающихся где-либо еще. Хасия в это время года переживает допотопный ливень, причем дождь временами выпадает почти на ярд глубиной за одни сутки. [65] Вполне уместно поэтому летний муссон над Индией, особенно его составляющая — юго-западный ветер из Аравийского моря и южный ветер из Бенгальского залива и далее на восток, называется влажным муссоном.
Зимний муссон Азии является обратным летнему как по направлению градиента, так и по физическому характеру. Это холодный поток воздуха, изливающийся с ледяных плоскогорий и зимних глубин пустыни, вниз по горам и долинам в непрерывном переливе со всех сторон материка, а затем далеко в море, где он снова поднимается, чтобы завершить свой длинный цикл. При опускании вся влага исчезает из-за нагревания, и не возникает интенсивного температурного градиента, как летом, чтобы ускорить этот мягко модулированный прилив. В Индии ветры из Кашмира и Тибета устремляются вниз по Гималаям в сторону Аравийского моря — чистый поток воздуха, который соединяется с пассатом, усиливая его силу и образуя умеренный зимний муссон этого региона, или, как его обычно называют из-за недостатка влаги, сухой муссон.
Кинематический характер и протяженность как летних, так и зимних течений хорошо показаны на картах 47 и 48 для всего юга и юго-востока Азии. Можно заметить, что над островами Японии ветры дуют в противоположных направлениях летом и зимой. В Сибири муссонные ветры направлены вдоль ее великих рек и долин, как правило, на север зимой и наоборот летом, сочетаясь в оба сезона с господствующими западными ветрами, обусловленными вращением Земли.
Все остальные материки имеют свои муссоны, хотя и менее мощные, чем в Азии. В великой пустыне Сахара, например, летом существует восходящий горячий поток, вызывающий сильный приток воздуха из Атлантики и Средиземного моря; но это гораздо менее интенсивно, чем если бы его действие усиливалось высокими склонами и плоскогорьями. Зимой, когда Сахара остывает почти до температуры океана, муссонный эффект почти не ощущается, и общая циркуляция продолжается без возмущений. В Австралии влияние муссонов еще слабее из-за ограниченных размеров страны и общей низменности и равнинности суши. Над частями Южной Америки ежегодный прилив и отлив атмосферы значителен, особенно вдоль северо-восточного побережья и во всей долине Амазонки, чьи воздушные течения в целом совпадают с пассатами, существенно усиливая их южным летом, хотя зимой это влияние меньше, когда температура материка более приближается к температуре океана. Муссоны Северной Америки были довольно подробно описаны Феррелем следующим образом:
«На материке Северная Америка мы имеем муссонные влияния, подобные азиатским, но далеко не такие сильные, поскольку размеры материка и, следовательно, годовой диапазон температур не так велики. По большей части они недостаточно сильны, чтобы полностью преодолеть и изменить направление потока общей циркуляции атмосферы и таким образом создать настоящий муссон, но они вызывают большие различия между господствующими направлениями зимних и летних ветров.
«Летом вся внутренняя часть материка нагревается до температуры, значительно превышающей температуру океанов на тех же широтах с обеих сторон — фактически, выше температуры Мексиканского залива и Тихого океана на его южных и юго-западных границах. Следствием этого является то, что воздух над внутренней частью материка становится более разреженным, чем над океанами, поднимается вверх и растекается во всех направлениях наверху, в то время как барометрическое давление понижается, и воздух со всех сторон — из Атлантики на востоке, Тихого океана на западе, Мексиканского залива на юге и полярного моря на севере — втекает снизу, чтобы занять его место. На востоке тенденция к притоку недостаточно сильна, чтобы противодействовать общему восточному движению воздуха у поверхности Земли в средних широтах и вызвать западное течение, но она просто замедляет общее восточное течение и приводит к большей повторяемости восточных ветров вдоль атлантического побережья в летний сезон...
«Зимой термические условия над материком меняются на противоположные. Внутренняя часть материка теперь является самой холодной частью, и она особенно холоднее окружающих океанов в этот сезон. Она также имеет очень высокие плоскогорья и горные хребты. Поэтому воздух нижних слоев, и особенно тех, что прилегают к поверхности Земли, теперь стремится вытекать во всех направлениях к более теплым океанам и Мексиканскому заливу, и особенно стекать по длинному склону плоскогорья от Скалистых гор в долину Миссисипи. Эффект на всей территории Соединенных Штатов к востоку от Скалистых гор заключается в том, что ветры, которые в противном случае были бы западными и юго-западными, становятся в основном северо-западными, вместо южных и юго-западных, как летом. Здесь нет полного муссонного эффекта, а просто большое различие между летом и зимой в господствующих направлениях ветров. В Техасе, однако, и далее на восток вдоль северной границы залива, эффект в некоторой степени подобен полному муссону. В Новой Англии и далее на юг в восточных штатах муссонный эффект заключается в том, что господствующие ветры дуют из точки севернее запада, вместо южнее запада, как летом.
«Летом Центральная Америка и Мексика имеют гораздо более высокую температуру, чем прилегающее тропическое море на юго-западе, и, имея высокие горные хребты и возвышенные плоскогорья, вследствие этого существует сильная тенденция к притоку воздуха с юго-запада в этот сезон, что не только полностью нейтрализует регулярные пассаты этих широт, но даже меняет их направление и вызывает юго-западные ветры. Эффект заключается в том, что в середине лета здесь возникает обширная область, простирающаяся далеко на запад, затиший и нерегулярных слабых ветров, в основном юго-западных, и кажущееся расширение экваториальной зоны затишья в этот сезон, так что ее северная граница достигает вдоль побережья почти параллели 20°. Эффект подобен тому, что наблюдается в Атлантике к западу от Гвинейского залива и Либерии, за исключением того, что здесь он представляется несколько большим и вызывает настоящий муссонный эффект, поскольку зимой преобладают регулярные северо-восточные пассаты, усиленные обратными термическими условиями зимнего сезона. На восточной стороне и над западной оконечностью Мексиканского залива наблюдается в некоторой степени регулярный муссонный эффект: господствующие ветры являются восточными, или дуют в сторону суши летом, и наоборот зимой.