В атмосфере постоянно создаются такие условия, когда две воздушные массы с разными свойствами располагаются одна подле другой и при этом разделены узкой переходной зоной — фронтом. В зоне фронта, при переходе от одной воздушной массы к другой, температура, ветра и влажность воздуха более или менее резко меняются.
В главе второй говорилось о главных фронтах в атмосфере, разделяющих воздушные массы основных географических типов. Рассмотрим теперь основные свойства фронтов.
Зона фронта всегда имеет какую-то ширину в горизонтальном направлении и какую-то толщину по вертикали. Однако и ширина, и толщина фронта очень невелики в сравнении с размерами разделяемых им воздушных масс. Поэтому, идеализируя действительные условия, можно представлять фронт как поверхность раздела между воздушными массами. В пересечении с земной поверхностью фронтальная поверхность, очевидно, образует линию фронта, которую также кратко называют фронтом. При такой идеализации можно рассматривать фронт также и как поверхность разрыва, понимая под этим, что температура и некоторые другие метеорологические элементы резко меняются в зоне фронта.
Очень важно то обстоятельство, что фронтальные поверхности проходят в атмосфере наклонно (рис. 4.28). Если бы обе воздушные массы были неподвижными, поверхность фронта между ними проходила бы горизонтально, параллельно горизонтальным же изобарическим поверхностям; теплый воздух лежал бы при этом над холодным. Но, поскольку воздушные массы движутся, поверхность фронта может существовать и сохраняться только при условии, что она наклонена к поверхности уровня и, стало быть, к уровню моря. При этом угол наклона зависит от скоростей, ускорений и температур воздушных масс, а также от географической широты и от ускорения силы тяжести. Теория и опыт показывают, что углы наклона фронтальных поверхностей к земной поверхности очень малы, порядка угловых минут. Тангенс угла наклона называют просто наклоном фронта. Он имеет порядок величины от 0,01 до 0,001. Таким образом, фронты проходят в атмосфере очень полого. При удалении от линии фронта на несколько сотен километров фронтальная поверхность окажется всего на высоте нескольких километров. Но все же очень важно, что воздушные массы, разделяемые такой поверхностью, располагаются не только одна рядом с другой, но и одна над другой. При этом холодный воздух лежит под теплым воздухом в виде узкого клина.
На чертежах угол наклона фронтальной поверхности по необходимости приходится преувеличивать.
Рис. 4.28. Поверхность фронта в вертикальном разрезе.
С обеих сторон от поверхности фронта давление одинаково. Но при переходе из одной воздушной массы в другую, с другими температурами и скоростями, изобарические поверхности меняют свое направление, «ломаются». Это значит, что на поверхности фронта испытывают разрыв барические градиенты. Если иметь в виду основное уравнение статики, из которого следует, что барическая ступень в теплом воздухе больше, чем в холодном (и, стало быть, больше вертикальные расстояния между изобарическими поверхностями), то при геострофическом ветре в обеих воздушных массах возможны три основных типа распределения давления и ветра около поверхности фронта (рис. 4.29 и 4.30).
Из рис.4.29 видно, что, пересекая поверхности фронта, изобарические поверхности прогибаются, принимая вид желобов, открытых вверх. Это распределение давления представляет собой ложбину в барическом поле — явную (случай I) или замаскированную (случаи II и III). Легко убедиться, что при этом скорости воздушных течений по обе стороны от линии фронта распределяются следующим образом (рис. 4.30). Если холодный воздух находится на севере, а теплый на юге и, следовательно, поверхность фронта наклонена к северу, то трем случаям распределения давления соответствуют три таких случая распределения ветра:
1) западное течение в теплом воздухе и восточное в холодном;
2) оба западных течения, причем в теплом воздухе более сильное;
3) оба восточных течения, причем в холодном воздухе более сильное.
Фронты в атмосфере не существуют постоянно. Они возникают заново, обостряются, размываются, исчезают. Но условия для их образования всегда существуют в тех или иных частях атмосферы, и потому фронты являются не редкой случайностью, а постоянной, повседневной особенностью атмосферы.
Обычный механизм образования фронтов (фронтогенеза) в атмосфере — это кинематический механизм: фронты возникают под влиянием таких полей движения воздуха, которые сближают между собой воздушные частицы с различной температурой (и другими свойствами). В определенной зоне горизонтальные градиенты температуры растут, что и означает образование резкого фронта, вместо постепенного перехода между воздушными массами. Аналогично уже существующие фронты могут размываться, т. е. превращаться в широкие переходные зоны и сглаживаться.
Рис. 4.29. Типы распределения давления вблизи фронтальной поверхности в вертикальном разрезе.
Тонкие линии — изобарические поверхности, жирная линия — фронтальная поверхность.
Рис. 4.30. Типы распределения ветра по обе стороны фронта в горизонтальной плоскости, соответствующие трем типам распределения давления рис. 4.29
Фронты могут в некоторых случаях возникать и под непосредственным тепловым влиянием подстилающей поверхности, например вдоль кромки льдов или на границе снежного покрова. Но этот механизм образования фронтов имеет малое значение в сравнении с кинематическим фронтогенезом.
