В атмосфере время от времени возникают вертикальные вихри с быстрым спиралеобразным движением диаметром в несколько десятков метров (редко до 100–200 м). Это смерчи над морем и тромбы над сушей (в Северной Америке последние называют торнадо). Измерить скорость движения в них пока не представляется возможным. Разрушения, производимые ими, позволяют думать, что она составляет 50—100 м/с, в особенно сильных вихрях — до 250 м/с с большой вертикальной составляющей скорости. Давление в центре столба падает на несколько десятков миллибар.
Смерчи существуют недолго — от нескольких минут до нескольких часов. Но и в пределах этого небольшого времени они успевают продвинуться на значительное расстояние — несколько десятков километров над морем и еще больше над сушей, неся разрушения и даже смерть. При подходе тромба к зданиям разница между давлением внутри здания и в центре тромба так велика, что дома как бы взрываются — разрушаются стены, выпадают стекла и рамы, слетают крыши. В лесах появляются просеки от вырванных с корнем деревьев, далеко переносятся люди и звери. Обычно тромбы единичны, но бывают случаи, когда их два и больше. В Европе тромбы редки, в азиатской части нашей страны они чаще. Особенно же часты и разрушительны тромбы в США. На побережье Антарктиды при встрече относительно теплого воздуха с моря и стокового ветра с суши часто возникают тромбы. Во фронтальной зоне здесь вздымаются снежные буруны, снежные тромбы, короткое время дуют очень сильные ветры — до 30–35 м/с. Смерчи не имеют такой разрушительной силы, как тромбы.
При высокой температуре и небольшой влажности воздуха появляется сухой горячий ветер — суховей, в котором температура всегда более 25°, часто 35–40 °C, скорость 5—20 м/с. Прохладный влажный воздух, перемещаясь в летнее время с севера в районы лесостепей и степей европейской территории Союза, в Казахстан и Среднюю Азию, сильно нагревается и делается суше. На юг он приходит уже горячим. На европейской территории страны суховеи бывают с апреля по октябрь, чаще всего в Прикаспийской низменности (Саратов — Астрахань) — 40–80 дней в году; в среднеазиатских пустынях — до 180 дней, т. е. в среднем через день.
Из всех метеорологических явлений суховеи наносят наибольший урон народному хозяйству: усиливается испарение, нарушается водный баланс растений, падает уровень в реках, высыхает почва на поверхности, начинается засуха, даже если почва достаточно влажная. Сходны с суховеями жаркие ветры в тропиках и субтропиках.
Ветры обязаны своим происхождением местным условиям и поэтому приурочены к определенным географическим районам. К местным ветрам относятся бризы. Они появляются вблизи береговой черты морей, океанов, и здесь легко проследить суточную смену направления — днем с моря на сушу, а ночью с суши на море. И объяснение этого явления очень простое — в разнице температур над морем и сушей в различное время суток, порождающей замкнутую термическую циркуляцию воздуха. Горизонтальные потоки замыкаются вертикальными — восходящими над сушей и нисходящими над морем. Нижняя часть такого кольца и есть наблюдаемый и отчетливо ощущаемый жителями береговых районов морской прибрежный бриз. Утром в 8—10 часов бриз начинается, затем делается все заметнее, к полудню скорость ветра достигает своего предела — 5–6 м/с, потом ветер ослабевает, и к заходу Солнца его совсем не чувствуется.
Когда поверхность суши начинает охлаждаться больше, чем морская, возникает обратный лоток в приземном слое с суши на море, а в более высоких слоях — с моря на сушу. Особенно отчетливы бризы в тех местах, где им ничто не мешает, т. е. не накладываются другие, более общие и мощные потоки. В нашей стране бризы бывают на Черном, Азовском, Балтийском и Каспийском морях. Вертикальная мощность морских бризов 1–2 км, в этом же слое может находиться и верхнее противотечение. Бризы проникают в глубь суши на 150–180 км, сохраняя при этом заметные скорости ветра. Вертикальная мощность морских бризов в Крыму достигает 800 м, а в тропиках — почти вдвое больше. Значительно слабее по всем параметрам береговые бризы. Морские бризы дуют почти перпендикулярно к береговой черте. Они сильно влияют на погоду в прибрежных районах суши — понижается температура воздуха, повышается его влажность, меняются обычный ход ветра и характер облачности.
Совокупность основных воздушных течений над планетой называется общей циркуляцией атмосферы. Именно она осуществляет общий обмен воздухом между различными районами Земли. Нагревание и охлаждение земной поверхности на разных географических широтах, над сушей и морем создает воздушные течения, усложняемые отклоняющей силой вращения планеты и силой трения.
При всей сложности, подвижности и изменчивости воздушных потоков можно выявить определенные закономерности, повторяющиеся из года в год в тех или иных районах. Это делается путем осреднения данных, при котором сглаживаются отдельные возмущения и отчетливо выступает общая картина. Каковы же эти основные крупномасштабные атмосферные движения, слагающие общую циркуляцию атмосферы? Прежде всего — воздушные течения, далее — струйные течения, воздушные потоки в циклонах и антициклонах, пассаты и муссоны.
Если бы поверхность Земли была однородна, то температура воздуха плавно убывала бы, а давление возрастало от экватора к полюсам. В то же время с высоты 4–5 и до 20 км распределение давления противоположно приземному — на экваторе, где воздух теплее, оно выше, чем на полюсах. В действительности на высотах эти условия сохраняются. Но в пограничном слое и в нижней тропосфере отчетливо сказывается влияние неоднородности земной поверхности, барических систем и центров действия атмосферы.
Над полярными районами циркуляция связана с более высоким давлением над полюсами и относительно низким над широтным поясом 60°—65°. Для умеренных широт характерны северо-западное направление ветров в северном полушарии (кроме слоя трения) и юго-западное — в южном. Общая зональность циркуляции нарушается такими крупномасштабными возмущениями, как циклоны и антициклоны. В циклонах движение воздуха направлено против часовой стрелки, а в антициклоне — по часовой стрелке. Преобладает, однако, зональная циркуляция — западный перенос. Обмен воздуха (теплого и холодного) происходит и в направлении север — юг и запад — восток, а также по вертикали.
В тропических широтах возникают тропические восточные ветры — пассаты. У земной поверхности вследствие трения пассаты имеют северо-восточное направление в северном полушарии и юго-восточное — в южном. Пассаты не являются единым общим потоком, опоясывающим Земной шар. Они устойчивы и почти не изменяют своего направления в течение года, дуют со скоростью 5–6 м/с и имеют вертикальную мощность 2–4 км. Особенно хорошо заметны пассаты над океанами. В экваториальном районе во всей тропосфере и нижней стратосфере царят восточные пассатные ветры, а над этим слоем — западные.
В верхней тропосфере или стратосфере были открыты неизвестные до того мощные струйные течения. Их скорость резко меняется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях с нижним пределом скорости по оси 30 м/с. Обнаружены струйные течения были во время полетов на высоте 8—10 км со скоростью 300–400 км/ч. При этом самолеты неожиданно попадали в районы ветров, замедлявших их скорость, а иногда и вовсе снимавших ее, так что самолеты оказывались как бы подвешенными в воздухе. Попутное же струйное течение увеличивает скорость самолета. Это удивительное явление привлекло внимание не только авиаторов, но и ученых различных стран. Удалось обнаружить, что струйные течения — явление не местное, а существует во всем мире. Струйные течения движутся на запад, за исключением экваториальной зоны, где они имеют противоположное, восточное направление. На оси струйного течения скорости наиболее велики, в среднем они равны 45–55 м/с. Известны, однако, случаи, когда скорости струйных течений достигали более 200 м/с. Ширина струйных течений обычно составляет 1000–2000 км, крайние пределы — от 300 до 3000 км, вертикальное распространение 8—12 км. В некоторых случаях струйные течения на высоте 6—16 км охватывают кольцом всю планету. Обычно они тянутся на несколько тысяч километров. Струйные течения многократно наблюдались над европейской территорией нашей страны и Западной Сибирью. Они известны у восточных берегов США и в других районах. Открытие и изучение струйных течений имеет большое научное и практическое значение, и в первую очередь для самолетовождения.