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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Atmosphère et son mouvement. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives La Terre est entourée d’une épaisse couche d’air : l’atmosphère. Avec l’altitude, l’air devient de plus en plus raréfié et moins dense. À la surface de la Terre, au niveau de la mer, un mètre cube d’air pèse environ 0 kilogramme à 1,3 degré ; et à 25 kilomètres d’altitude au-dessus de la surface terrestre, un mètre cube d’air pèse déjà plus de trente fois moins. Bien que l'épaisseur de l'atmosphère terrestre atteigne plusieurs centaines de kilomètres, elle n'est pas du tout grande par rapport au volume du globe. La couche la plus basse de l'atmosphère, située entre 9 et 18 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, s'appelle la troposphère. Cette couche contient plus des 3/4 en poids d'air. Les couches supérieures sont appelées stratosphère et ionosphère. L'air, comme tous les objets, a un poids ; il exerce une pression considérable sur la Terre et sur tous ceux qui y vivent ; cette force à la surface de la Terre est égale à environ un kilogramme pour chaque centimètre carré de surface corporelle. Avec l’altitude, la pression atmosphérique diminue progressivement. Mais même à la surface de la Terre, comme nous le verrons plus tard, la pression atmosphérique n’est jamais constante, elle change toujours. Une pression atmosphérique égale à la pression exercée par une colonne de mercure de 0 millimètres de hauteur à 760 degré est appelée pression atmosphérique normale. Cette pression est égale à 1,0336 kilogrammes par centimètre carré. En météorologie, la pression atmosphérique est généralement mesurée en millibars. Un millibar équivaut approximativement à la pression exercée par un gramme sur la surface d'un centimètre carré. La pression atmosphérique normale est d'environ 1000 XNUMX millibars. La météorologie est la science de l'atmosphère et des phénomènes qui s'y produisent, principalement physiques. Dans un concept plus restreint, il s'agit de la science du temps et de ses changements. L'atmosphère n'est jamais au repos. Partout – aux pôles et sous les tropiques, en bas, à la surface de la Terre et au-dessus, là où flottent les nuages – l’air est en mouvement. Le mouvement de l'air autour de la terre s'appelle le vent. Qu'est-ce qui cause le mouvement de l'air dans l'atmosphère ? Pourquoi les vents soufflent-ils ? Pour bien comprendre la cause du vent, rappelons-nous le phénomène bien connu. Lorsqu'en hiver vous ouvrez la porte d'une pièce chauffée vers la rue ou vers une pièce plus froide, l'air froid du bas s'engouffre dans la pièce chaude. En même temps, l’air chaud de la pièce s’échappe par le haut. Il est facile de vérifier cela. Allumez une bougie ou une allumette et placez-la près de la porte ouverte - d'abord en bas, au seuil, puis en haut (Fig. 1). En bas, la flamme de la bougie sera sensiblement déviée par le flux d'air froid entrant dans la pièce, et en haut, au contraire, le flux d'air chaud provenant de la pièce déviera la flamme de la bougie hors de la pièce.
Pourquoi cela arrive-t-il? Voici pourquoi. Si l'on prend deux volumes d'air identiques, mais chauffés différemment, alors le volume d'air le plus froid sera toujours plus dense, et donc plus lourd. Lorsqu'il est chauffé, l'air, comme tous les corps, se dilate, devient moins dense et plus léger. Lorsque nous ouvrons la porte sur la rue, l’air extérieur plus froid et plus dense s’engouffre dans la pièce chaude, poussant vers le haut l’air intérieur moins dense et plus léger. Plus il est lourd, plus l’air extérieur entre dans la pièce par le bas et se situe dans la pièce dans les couches inférieures, près du sol. Déplacé par l'air froid et lourd, l'air chaud monte et sort de la pièce vers l'extérieur par le haut des portes ouvertes. Cet exemple nous permettra de comprendre les raisons du mouvement de l'air dans l'atmosphère. La chaleur solaire tombant sur la Terre réchauffe principalement sa surface. L'atmosphère n'absorbe qu'une petite partie de l'énergie solaire thermique. La surface chauffée du globe réchauffe les couches d'air inférieures en contact avec elle. Les couches d'air chaudes se mélangent aux couches d'air froides et leur donnent leur chaleur ; C'est ainsi que l'air se réchauffe. Ainsi, plus la surface de la Terre est chauffée par le Soleil, plus l'air qui se trouve au-dessus se réchauffe également. Mais comment la surface de la Terre est-elle chauffée par le Soleil ? Loin d'être pareil. Cela est principalement dû au fait qu'à différents moments de l'année et dans différentes zones climatiques.
Sur Terre, le Soleil se lève au-dessus de l’horizon de différentes manières. Plus le Soleil est haut au-dessus de l'horizon, plus la chaleur solaire tombe sur la même zone de la surface de la Terre (Fig. 2). Grâce à la forme sphérique de la Terre à l'équateur et à proximité, les rayons du Soleil tombent abruptement, presque verticalement à midi. Dans les pays au climat tempéré, les rayons du soleil tombent beaucoup plus uniformément sur la surface de la Terre. Et dans les pays polaires et aux pôles, les rayons du soleil semblent glisser uniquement sur la surface de la terre : le soleil se lève relativement bas au-dessus de l'horizon. De plus, en hiver, le Soleil n'apparaît pas du tout au-dessus de l'horizon : il y a une longue nuit polaire. Pour la même raison, la température à la surface de la Terre change tout au long de la journée. Pendant la journée, lorsque le Soleil est haut dans le ciel, la surface de la Terre est la plus chauffée, le soir, lorsque le Soleil passe sous l'horizon, la Terre commence à se refroidir, et la nuit et le matin, sa température baisse même inférieur.
De plus, le chauffage inégal de la surface terrestre s'explique par le fait que différentes zones de la surface sont chauffées et refroidies différemment par le Soleil. La capacité de l’eau et de la terre à se réchauffer et à se rafraîchir différemment revêt une importance particulière. La terre se réchauffe rapidement jusqu'à atteindre une température plus élevée, mais se refroidit rapidement. L'eau (en particulier dans les mers et les océans), en raison d'un mélange constant, se réchauffe très lentement, mais retient sa chaleur beaucoup plus longtemps que la terre. Cela s'explique par le fait que la capacité thermique de l'eau et de la terre est différente (la capacité thermique est la quantité de chaleur nécessaire pour réchauffer un corps d'un degré). Différentes zones de terre se réchauffent également différemment sous les rayons du soleil. Par exemple, un sol noir et nu se réchauffe beaucoup plus qu'un champ vert, par exemple. Le sable et la pierre sont fortement chauffés par le Soleil, les forêts et les herbes le sont beaucoup moins. La capacité des différentes zones de la Terre à se réchauffer différemment sous les rayons du Soleil dépend également de la fraction des rayons incidents à la surface qui est absorbée par la surface et de ce qui est réfléchi. Différents corps ont une réflectivité différente. Ainsi, la neige n'absorbe que 15 pour cent de l'énergie solaire, le sable - 70 pour cent et l'eau n'en réfléchit que 5 pour cent et en absorbe 95 (Fig. 4). Des parties du globe chauffées différemment entraînent un réchauffement différent de l’air. Cet exemple montre à quel point la quantité de chaleur reçue par l'air à différents endroits est différente. Dans le désert, l’air reçoit 130 fois plus de chaleur du sable chauffé que l’air n’en reçoit de l’eau de la mer, située à la même latitude que le désert. Mais l'air chauffé différemment a, comme déjà mentionné, des densités différentes. Cela crée des pressions atmosphériques différentes selon les endroits : là où l'air est moins chauffé et donc plus dense, la pression atmosphérique est plus élevée ; au contraire, là où l'air est plus chauffé et donc plus raréfié, la pression de l'air est plus faible. Et l’air ayant une pression plus élevée a toujours tendance à se déplacer là où la pression atmosphérique est plus basse, tout comme l’eau s’écoule toujours d’un niveau supérieur vers un niveau inférieur. C'est ainsi que le vent apparaît dans la nature. Le mouvement constant de l'air crée une différence de température et de pression dans l'atmosphère, associée à un chauffage inégal du globe par le Soleil.
Ainsi, le vent dans la nature est dû à l'énergie des rayons du soleil. Sur la figure 5 nous montrons un schéma simplifié des principaux courants d'air. Comme le montre le diagramme, même dans sa forme la plus simple, le mouvement des masses d'air au-dessus de la Terre est une image plutôt complexe. À l'équateur, en raison du fort échauffement de la surface, il existe une faible pression atmosphérique constante. Les courants d'air circulent ici du nord et du sud et créent des vents constants - les alizés. Ces vents sont déviés par la rotation de la Terre. Dans l'hémisphère nord, si vous regardez dans la direction dans laquelle souffle l'alizé, le vent dévie vers la droite, dans l'hémisphère sud - vers la gauche. À une altitude de 3 à 7 kilomètres dans ces zones, soufflent des vents anti-alizés - des vents dans la direction opposée. Il existe une zone calme près de l'équateur. A mesure qu'ils s'éloignent de l'équateur, les vents contraires s'écartent de plus en plus de leur direction vers les pôles. À environ 30 degrés de latitude, des bandes calmes sont observées de part et d’autre de l’équateur ; dans ces zones, les masses d'air venant de l'équateur (anti-alizés) descendent et créent une zone de haute pression. C'est de là que naissent les alizés. D'ici en bas, les vents soufflent vers les pôles. Ces vents sont majoritairement d'ouest ; Comparés aux alizés, ils sont beaucoup plus variables. Les vieux marins appellent les zones situées entre 30 et 60 degrés les zones de « tempêtes d'ouest ». Les bandes calmes autour de 30 degrés de latitude sont parfois appelées latitudes équestres. Un temps clair et une pression atmosphérique élevée règnent ici. Ce nom étrange a été conservé depuis l'époque où les marins naviguaient sur les navires et ne s'appliquait qu'à la zone proche des Bermudes. De nombreux navires transportaient des chevaux d’Europe vers les Antilles. Se retrouvant dans une période de calme, les voiliers perdent la capacité de se déplacer. Souvent, les marins se retrouvaient dans des conditions difficiles. Les réserves d'eau étaient épuisées et les chevaux furent les premiers à mourir de soif. Les cadavres de chevaux jetés par-dessus bord ont été longtemps emportés par les vagues. Les vents soufflant des pôles sont souvent appelés vents d’est polaires (voir Fig. 5).
L'image que nous avons décrite des principaux courants d'air au-dessus de la Terre est encore compliquée par les vents constants qui surviennent en raison du chauffage inégal de l'eau et de la terre. Nous avons déjà dit que la terre se réchauffe et se refroidit plus rapidement que l'eau. Grâce à cela, pendant la journée la terre parvient à se réchauffer beaucoup plus que l'eau ; la nuit, au contraire, l'eau se refroidit plus lentement que la terre. Par conséquent, pendant la journée, l’air au-dessus de la terre se réchauffe davantage ; l'air chauffé monte et y augmente la pression atmosphérique. Les courants d'air (à environ 1 km d'altitude) se précipitent vers l'eau et une pression atmosphérique accrue s'établit au-dessus de la surface de l'eau. En conséquence, un vent frais - une brise - commence à souffler de l'eau en contrebas (Fig. 6).
Mais la nuit arrive. La terre se refroidit rapidement ; l'air adjacent est également refroidi. L'air froid, se condensant, coule. Sa pression dans les couches supérieures diminue. En même temps, l’eau reste chaude pendant longtemps et réchauffe l’air au-dessus. On calcule que refroidir 1 mètre cube d'eau de mer d'un degré produit une quantité de chaleur suffisante pour réchauffer plus de 3 7 mètres cubes d'air d'un degré ! Lorsqu'il est chauffé, l'air monte vers le haut et y crée une pression atmosphérique accrue. En conséquence, le vent commence à souffler sur le rivage au-dessus et la brise du continent en dessous souffle de la terre vers l'eau (Fig. XNUMX).
De tels vents terrestres sont connus de tous ceux qui vivent au bord de grands lacs ou de grandes mers. Par exemple, les brises de la mer Noire, de la mer d'Azov et de la mer Caspienne sont bien connues ; Ainsi, à Soukhoumi, il y a des brises toute l'année. Des brises soufflent également sur les grands lacs tels que Sevan, Issyk-Kul, Onega et autres. Des brises sont également observées sur les rives des grands fleuves, par exemple sur la Volga près de Saratov, sur sa haute rive droite. Les brises ne voyagent pas loin. Ce sont des vents purement locaux. Le réchauffement inégal de l’eau et des terres dans les zones côtières des mers et des océans crée des vents semblables à des brises. Ce sont ce qu'on appelle les moussons. Les moussons sont des vents saisonniers : ils soufflent la moitié de l’année dans une direction et la moitié de l’année dans l’autre. Ils soufflent en raison du réchauffement et du refroidissement différents des mers et des continents en hiver et en été. En été, l’air au-dessus du continent se réchauffe beaucoup plus qu’au-dessus de la mer. Au contraire, en hiver, l’air au-dessus de la mer (océan) s’avère plus chaud que l’air au-dessus du continent. Cela s'explique par le fait qu'en été, les continents se réchauffent davantage et qu'en hiver ils se refroidissent plus que l'eau, tandis que la mer, plus froide en été, devient plus chaude que la terre en hiver. La grande capacité calorifique de l’eau permet à l’océan de stocker d’énormes réserves de chaleur dès l’été. Ainsi, en été, les continents semblent réchauffer l’atmosphère, et les mers et océans la refroidissent. En hiver, la donne change : les mers deviennent des « poêles atmosphériques », et les continents des « réfrigérateurs ». Pour cette raison, les moussons soufflent; en hiver - de la terre à la mer et en été de la mer au continent. Les moussons sont observées dans toutes les zones climatiques, même sur les rives de l'océan Arctique. La direction des moussons est également affectée par la rotation de la Terre. Les moussons sont les plus prononcées en Inde. Enfin, pour une description générale des courants d'air, il faut dire quelque chose sur les tourbillons atmosphériques - les cyclones. Les courants d'air dont nous avons parlé ci-dessus sont associés au mouvement d'énormes volumes d'air dans l'atmosphère - des masses d'air. La masse d'air est généralement appelée volumes d'air qui conservent certaines propriétés pendant un certain temps. Par exemple, une masse d’air provenant de l’Arctique entraîne de basses températures et un air sec et transparent. L’interface entre deux masses d’air différentes s’appelle un front. Des deux côtés du front, il y a souvent des températures de l'air, des vitesses de vent, etc. très différentes. Par conséquent, lorsqu'un front passe au-dessus d'un endroit, le temps dans cette zone change généralement de façon spectaculaire. Lorsque deux masses d'air voisines, ayant des températures différentes (et donc des densités d'air différentes), se déplacent à des vitesses différentes, ou lorsqu'elles se déplacent l'une par rapport à l'autre le long du front (Fig. 8 ci-dessus) sur la surface limite des masses d'air, en raison de la interaction des masses d'air chaudes et froides, une perturbation des vagues apparaît - une sorte de vague d'air se forme à l'avant. Dans ce cas, l’air froid circule sous l’air chaud et l’air chaud, à son tour, commence à repousser l’air froid. Les courants d'air commencent à tourbillonner. La perturbation des vagues au front augmente, l'interface entre les deux masses d'air se courbe de plus en plus fortement : c'est ainsi qu'apparaît progressivement un mouvement tourbillonnaire d'air de plus en plus fort - un cyclone (voir fig. 8).
Il existe trois fronts principaux où se produisent les cyclones : arctique, polaire et tropical. Le front arctique constitue la ligne de démarcation entre l'air arctique et l'air polaire (latitudes septentrionales). Le front polaire sépare l'air polaire de l'air tropical (latitudes tempérées). Le front tropical est la ligne de démarcation entre l'air tropical et équatorial (latitudes sud). La pression atmosphérique dans un cyclone diminue vers son centre. Au centre du cyclone, la pression atmosphérique est la plus basse. Si sur une carte de la zone où se développe un cyclone, tous les points avec les mêmes pressions sont reliés par des lignes - par exemple, une ligne reliera tous les points avec une pression de 990 millibars, une autre - avec une pression de 995 millibars, etc. - il s'avère alors que toutes ces lignes se trouvant dans les zones cycloniques seront des lignes courbes fermées (Fig. 9). Ces lignes sont appelées isobares. L'isobare située au centre de cette zone reliera les points ayant la pression la plus basse. Grâce à cette répartition de la pression dans le cyclone, les vents y soufflent des bords vers le centre, de sorte qu'un cercle de vents se forme, soufflant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
Le cyclone se déplace dans l’atmosphère ; cela entraîne un changement brusque de la direction et de la vitesse du vent. La vitesse moyenne des cyclones est de 25 à 40 kilomètres par heure. Outre les cyclones, c'est-à-dire les zones à basse pression, des zones à haute pression - les anticyclones - apparaissent également dans l'atmosphère. Ici, la pression de l'air augmente vers le centre. Les cyclones et les anticyclones couvrent souvent de très vastes zones, s'étendant sur des milliers de kilomètres. Ces perturbations atmosphériques ont donc un impact notable sur la circulation générale de l’air dans l’atmosphère et la compliquent encore davantage. L'émergence et le changement de divers vents dans les latitudes tempérées sont principalement associés au mouvement des cyclones et des anticyclones. Des vents très forts, de force ouragan, se produisent lors de perturbations cycloniques provenant du front tropical au-dessus des mers du sud. Ces cyclones sont appelés tropicaux. Auteur : Karmishin A.V.
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