Земля шарообразна. Поэтому количество тепла, поступающее от Солнца, различно для разных мест на земном шаре. В зоне экватора солнечные лучи падают на земную поверхность почти отвесно, а ближе к полюсам под углом — они здесь как бы скользят по поверхности Земли. Ясно, что одно и то же количество солнечных лучей распределяется по большей поверхности, падая под углом, чем при отвесном падении.

Подсчеты показывают, что на полюс поступает солнечной энергии почти в три раза меньше, чем на экватор. Этим и объясняется жаркий климат в экваториальных областях Земли и холодный в полярных. Таким образом, на Земле есть постоянный очаг тепла (экваториальная зона) и два постоянных очага холода (районы полюсов).

Если бы Земля не вращалась и поверхность ее была совершенно однородной, циркуляция атмосферы была бы очень проста: в нижнем слое воздушные массы двигались бы от полюсов к экватору, а в верхних слоях — от экватора к полюсам. В действительности картина гораздо более сложна.

Во-первых, на движение воздуха оказывает влияние отклоняющая сила вращения Земли. Эта сила действует на всякое движущееся тело и всегда направлена перпендикулярно к направлению движения, причем в северном полушарии вправо, а в южном влево. Под ее влиянием реки в нашем полушарии подмывают больше правый берег и он поэтому обычно выше, чем левый. Известно также, что на двухпутных железнодорожных линиях правый рельс изнашивается быстрее, чем левый. Льды в арктических морях движутся не по направлению ветра, а отклоняясь от него вправо на 30–40 градусов. В силу этого же закона движение атмосферного воздуха также отклоняется в северном полушарии вправо, а в южном влево.

В результате схематично можно представить следующее распределение воздушных течений в атмосфере (рис. 16). Воздух, поднимающийся в экваториальной зоне и начавший в северном полушарии двигаться на некоторой высоте к северному полюсу, под влиянием отклоняющею действия вращения Земли будет постепенно отклоняться вправо (к востоку). На широте около 30 градусов это отклонение достигнет 90 градусов и воздух будет двигаться уже не с юга на север, а с запада на восток. Так как при этом поступление воздуха из экваториальной зоны не прекращается, то над широтой 30 градусов он накапливается и вызывает повышенное атмосферное давление в широкой полосе у земной поверхности. Аналогичная картина наблюдается и в южном полушарии при движении воздуха из экваториальной зоны к южному полюсу. Воздух из поясов высокого давления над 30 градусами широты оттекает к экватору и к полюсам.

Рис. 16. Упрощенная схема общей циркуляции атмосферы.

В результате в полосе между экватором и параллелями 30 градусов в обоих полушариях возникают постоянные ветры — пассаты. В северном полушарии они дуют с северо-востока, а в южном — с юго-востока.

Обратные им потоки на высоте называются антипассатами.

В северном полушарии та часть приземного воздуха, которая оттекает из пояса высокого давления к полюсу, образует в этой зоне юго-западные ветры. Навстречу этому потоку из района северного полюса движется холодный воздух, направляющийся в сторону экватора. При этом под действием отклоняющей силы вращения Земли он приходит в умеренные широты в виде северо-восточного потока.

Встреча потоков относительно теплого воздуха с юго-запада с холодным воздухом, текущим с северо-востока, приводит к тому, что в одних районах теплый воздух натекает на холодный, продвигаясь к северу, а в других, наоборот, холодный воздух прорывается далеко к югу. Как мы увидим дальше, это взаимодействие теплого и холодного потоков воздуха приводит к образованию циклонов.

Рассмотренная выше схема общей циркуляции атмосферы является весьма упрощенной. В действительности картина гораздо сложнее. Общую схему нарушают как сезонные изменения высоты Солнца над горизонтом (зима и лето), так и, в особенности, неоднородность подстилающей (земной) поверхности. В первую очередь сказывается неравномерность нагревания воздуха над сушей и над водой. Днем поверхность суши сильно нагревается Солнцем, а ночью быстро остывает. Вода же, которая обладает большей теплоемкостью, мало нагревается днем, но зато медленно охлаждается ночью. В результате на берегах морей возникают постоянные потоки воздуха, называемые бризами. Днем суша нагревается сильнее, чем море, и воздух над ней, как более теплый и относительно легкий, поднимается вверх. На его место с поверхности моря притекает более холодный воздух. Так возникает дневной бриз. Ночью воздух над сушей охлаждается быстрее, чем над морем, и начинает двигаться в сторону моря, на место поднимающегося над ним более теплого воздуха. Возникает ночной бриз.

В более крупном масштабе подобное явление происходит на берегах океанов. Из-за различного нагревания поверхности суши и океана возникают воздушные течения, имеющие сезонный характер. Эти течения (их называют муссонами) зимой направлены с охлажденной суши на более теплую поверхность океана, а летом, наоборот, с менее нагревающейся поверхности океана на более нагретую поверхность суши.

Особое значение в системе циркуляции атмосферы имеет возникновение на поверхностях разделов между различными по температуре массами воздуха атмосферных вихрей — циклонов. По наиболее разработанной и распространенной, так называемой «волновой» теории происхождения циклонов, возникают и развиваются они следующим образом. Огромные массы теплого и холодного воздуха, имеющие различную плотность и движущиеся в противоположных направлениях вдоль фронтальных поверхностей, вызывают образование волн на этих поверхностях. Начало образования такой волны схематически изображено на рис. 17. При появлении волны теплый воздух начинает натекать на более холодный, а холодный — вторгаться под теплый. В результате образуется циклоническая, т. е. круговая система ветров и связанная с нею замкнутая область пониженного давления — циклон. В области зарождающегося циклона появляются два различных участка фронта — теплый и холодный.

Рис. 17. Возникновение волны на стационарном атмосферном фронте и образование нового циклона.

На рис. 18 приведено последовательное развитие циклона. Рис. 18, а показывает начальную стадию движения теплого и холодного воздуха вдоль фронтальной поверхности. Рис. 18, б — начало развития волны с сопутствующим появлением осадков (заштрихованная зона). На рис. 18, в вы видите дальнейшее развитие волны (стадия молодого циклона). На рис. 18, г сектор, занимаемый теплым воздухом, сужается в связи с более быстрым движением холодного фронта и приближением холодного фронта к теплому. Циклон продолжает углубляться. На рис. 18, д показано начало затухания (окклюзии) циклона, возникающего вследствие подсекания холодным воздухом теплого и вытеснения теплого воздуха вверх. Наконец, на рис. 18, е изображена заключительная стадия жизни циклона — оставшийся после окклюзии вихрь холодного воздуха, который быстро теряет силу.

Рис. 18. Последовательное развитие циклона.

Характерная для циклона погода наиболее ясно выражена в его второй стадии, стадии молодого циклона.

Рис. 19. Только что образовавшийся «молодой» циклон.

На рис. 19 отчетливо видно, к чему привел изгиб фронтальной поверхности, на которой образовалась волна, переходящая затем в циклон. Давление воздуха в центре циклона показано изобарой, соответствующей 990 миллибарам; к краям циклона это давление увеличивается до 1000 миллибар. От центра циклона расходятся теплый и холодный фронты. Температура воздуха в теплом секторе, заключенном между холодным и теплым фронтом, составляет 2–3 градуса выше нуля. В холодном воздухе, перед теплым фронтом, она понижается до 5–9 градусов ниже нуля. Заштрихованная полоса перед теплым фронтом обозначает широкую зону осадков в виде снега. Высота облачности при этом колеблется от 50 до 300 метров. В массе воздуха за холодным фронтом температура воздуха 2–3 градуса ниже нуля.