В циклонической системе изобар градиент давления направлен к центру системы.
Однако под влиянием вращения Земли ветры в северном полушарии отклоняются вправо, и воздух в такой системе образует вихревое движение против часовой стрелки. В антициклоне градиент давления направлен от центра к периферии. Под влиянием того же отклоняющего действия вращения Земли ветры, расходящиеся во все стороны от центра антициклона, образуют систему, вращающуюся по часовой стрелке. В южном полушарии — наоборот: в циклонической системе вращение по часовой стрелке, в антициклонической — против часовой стрелки. Устойчивое существование барической депрессии, находящейся под угрозой заполнения притекающим воздухом, возможно лишь при условии компенсации притока в нижних слоях оттоком в верхних слоях тропосферы; наоборот, антициклон, из которого воздух растекается, может существовать лишь при условии возмещения оттока в нижних слоях притоком воздуха в верхних слоях тропосферы.
В каких условиях на Земле возникают описанные выше замкнутые системы изобар?
Центр пониженного давления, к которому устремляется воздух окрестностей, может возникнуть в связи с особенно сильным по сравнению с окружающими районами летним нагреванием какой-нибудь местности, например острова или полуострова — по сравнению с морем, пустыни по сравнению с окаймляющими её более богатыми растительностью районами; наоборот, кратковременное или длительное охлаждение некоторых участков земной поверхности ведёт к образованию антициклонической системы изобар.
Субтропический пояс высокого давления, как мы видели, — динамического происхождения. Причины, его порождающие, одинаково действуют и над материками, и над океанами. Однако сильное летнее прогревание материков не только разрушает те части пояса, которые проходят над сушей, но создаёт над континентами обращённый барический рельеф, и, следовательно, весь пояс распадается на изолированные области высокого давления, разделённые областями низкого давления, подобно тому, как в горной цепи отдельные вершины разобщены седловинами или перевалами.
Следовательно, способы возникновения замкнутых систем изобар довольно многочисленны. Однако наибольший интерес для понимания особенностей циркуляции атмосферы в умеренных широтах представляет образование подобных систем и соответствующих им движений воздуха на так называемых фронтах, т. е. зонах или поверхностях раздела физически разнородных воздушных масс.
Наличие в умеренных широтах пояса низких давлений обусловливает приток к этому поясу воздушных масс как от субтропиков, так и из полярных областей. Линия раздела между этими разнородными воздушными массами носит наименование полярного фронта. Раздел между тёплыми и холодными воздушными массами имеет вид плоскости, полого наклонённой к поверхности земли (пересечение этой плоскости с земной поверхностью и есть линия фронта); при этом холодный воздух клином подтекает под тёплый.
Исчерпывающая теория происхождения циклонов ещё не разработана. Чисто эмпирическим путём с достоверностью установлено, что циклоны и антициклоны возникают чаще всего именно на фронтах. Установлено также, что наклонная поверхность фронта испытывает волнообразные деформации: в одном месте она прогибается книзу, в другом выгибается кверху, что приводит и к волнообразному изгибанию линии фронта (если рассматривать её в плане) на земной поверхности, в результате чего отдельные холодные языки подчас на сотни километров вдаются в тёплую воздушную массу, а в промежутке между ними тёплые языки вдаются в холодную воздушную массу. В языке холодного воздуха фронтальная поверхность не только продвинута к югу, но и приподнята (гребень волны), в языках тёплого воздуха она не только смещена к северу, но и снижена (долина волны). Волнообразная внешность фронтальных деформаций, образование на фронте не одиночных циклонов, а целых их серий, в которых циклоны следуют друг за другом как волны в океане, а также тот факт, что вообще в природе в непрерывной среде всякого рода возмущения распространяются волнообразно, — всё это служит основанием связывать возникновение циклонов с волнообразной деформацией фронта, с образованием здесь волн большой длины. Речь идёт именно о больших волнах (длиной свыше 1 тыс. км), так как только такие волны неустойчивы, т. е. не затухают, а развиваются с Постепенно возрастающей амплитудой и при углублении барической депрессии до тех пор, пока возмущение не потеряет характера волны и не превратится в вихревую систему.
Участок линии фронта везде показан прерывистой линией, направление течения холодного воздуха — ординарными стрелками, течение тёплого воздуха — двойными стрелками, область распространения осадков заполнена точками. В стадии а линия фронта прямая, в стадии b в ней уже намечен изгиб, в стадии с изгиб выражен совершенно отчётливо. Установлено, что вся циклоническая система перемещается, оставляя холодный воздух влево от себя, т. е. практически в направлении господствующего перемещения тёплых воздушных масс (в наших широтах с запада на восток с некоторыми уклонениями). Направление движения циклона в целом обозначено линией СК; линии тока холодного (X) воздуха показаны непрерывными стрелками, линии тока тёплого (Т) воздуха — прерывистыми стрелками. В передней (по направлению движения) части циклона линия СВ, отделяющая тёплый воздух от холодного, носит наименование тёплого фронта, так как вдоль этой линии тёплый воздух надвигается на холодный. В тыловой части циклона линия СА называется холодным фронтом.
На профиле (тот же рисунок) видно, что вдоль тёплого фронта тёплый воздух по очень пологой плоскости, как по склону холма, наползает на впереди идущую массу холодного воздуха. Поднимаясь по этой плоскости кверху, тёплый воздух охлаждается, содержащийся в нём водяной пар конденсируется, и поэтому впереди тёплого фронта расстилается обширная область, на которой выпадают (не в очень большом количестве, но равномерно) атмосферные осадки. Однако вдоль холодного фронта холодный воздух, имеющий впереди себя тёплые массы, в силу своей большей плотности не может наползать на эти тёплые массы, а подтекает под них более или менее крутым клином. Это подтекание приводит к тому, что тёплый воздух временами резко вытесняется кверху, что обусловливает выпадение на холодном фронте кратковременных, но обильных осадков; зона осадков вдоль холодного фронта не широка.
В дальнейших стадиях, вследствие непрерывного притока холодного воздуха с севера в тылу циклона, тёплый язык всё более и более суживается. В стадии е он уже изолирован от основной питающей его с юга тёплой массы воздуха, а в стадии f, когда холодный и тёплый фронты в циклоне сомкнулись (это явление называется окклюзией, или «закрытием», циклона), тёплая масса оказывается не только изолированной от питающей массы, но и вытесненной целиком кверху. Иными словами, после окклюзии холодный воздух располагается внизу, а тёплый воздух над ним. Тем самым достигается устойчивое положение, устраняющее импульсы, которые поддерживали развитие циклона в то время, когда холодный и тёплый воздух не лежали друг на друге (в соответствии со своими плотностями), а находились рядом друг с другом.
Некоторых второстепенных осложнений, возникающих после окклюзии, если сомкнувшиеся массы холодного воздуха обладали различной температурой, мы здесь рассматривать не будем.
Как уже отмечалось, на фронте циклоны обычно развиваются сериями, — каждый новый несколько позже предыдущего; поэтому бывает так, что когда первый уже затухает, последний находится ещё в полной силе. В тылу каждого циклона холодный воздух проникает всё дальше к югу: каждый новый циклон в серии возникает южнее предыдущего. Этим путём последний в данной серии циклон вливает холодный полярный воздух в пассатную циркуляцию. С другой стороны, тропический воздух глубоко проникает в полярные страны. Так с помощью циклонов осуществляется обмен воздухом между тропиками и полярными областями. Над Атлантикой и Европой бывает в году не менее 60 серий циклонов.
Средняя скорость перемещения циклона, по наблюдениям над циклонами Северной Америки, северной части Атлантического океана, Европы, Японии и умеренных широт южного полушария, колеблется от 30 до 45 км/час.
Систематическое возникновение и исчезновение циклонов является характерной чертой общей атмосферной циркуляции в умеренных широтах. В Европу с запада они приходят чаще всего следующими путями: севернее Шотландии на северо-восток вдоль берегов Норвегии и Мурмана, или от Шотландии через южную Швецию, Ленинград к Белому морю, либо через Шотландию и Данию на юго-восток, или, наконец, через северо-западную Францию и далее к Средиземному морю.
Циклоны бывают и в жарких странах, зарождаясь здесь обычно между 10—20° северной или южной широты над наиболее нагретыми частями океанов. Они не охватывают таких значительных площадей, как циклоны умеренных широт (достигающие в диаметре до 3200 км), но отличаются нередко большей силой. Главные области развития тропических циклонов лежат в Вест-Индии, в Бенгальском заливе и Аравийском море, в районе Маскаренских островов (около Мадагаскара), около Филиппинских островов — в Восточно-Китайском, ЮжноКитайском и Японском море (здесь они называются тайфунами; «тай-фын» по-китайски «большой ветер»), к западу от Мексики и Калифорнии и в районе островов Самоа и Новые Гебриды.
В северном полушарии тропические циклоны движутся от места своего возникновения сначала на запад, а затем на северо-запад; иногда они поворачивают далее на север и северо-восток и уходят, таким образом, в умеренные широты, присоединяясь к циклонической циркуляции в последних. В южном полушарии направление их — на запад, затем юго-запад и затем на юго-восток.
Примером тропических циклонов могут служить хорошо изученные вестиндские ураганы и тайфуны.
Циклоническая циркуляция атмосферы имеет для жизни ландшафтной оболочки огромное значение. Она не только способствует обмену воздушными массами между различными районами Земли, но, как увидим в дальнейшем, является и передвижной лабораторией, производящей и распределяющей атмосферные осадки.
Нельзя обойти молчанием и разрушительную роль циклонов. Циклоны, проходящие над Балтикой, при известных условиях нагоняют воду в Финский залив, оттуда в устье Невы и вызывают сильные наводнения в Ленинграде. С 1703 г., т. е. после основания города, было свыше 330 случаев, когда вода поднималась на 1,5 м и более над обычным уровнем (ординаром) Невы. В сентябре 1777 г. вода поднялась на 3,3 м, 19 ноября 1824 г. высота воды была 3,88 м, а через сто лет (23 сентября 1924 г.) 3,82 м. При подъёме воды в 1,5 ж затопляется около 5 кв. км городской территории, при 2 м около 10 кв. км, а при 3 м уже около 50 кв. км; в 1924 г. под водой оказалось 65 к&. км города.
Тропические циклоны сопровождаются проливными дождями. В июле 1911 г. на Филиппинах в Багио (Baguio) во время урагана за сутки выпало 1170 мм осадков. В пересечённой местности такое количество осадков приводит к многочисленным катастрофам: возникают грандиозные оползни и оплывины, реки выходят из берегов, смываются селения и т. п.
Особенно разрушительна возникающая при урагане штормовая волна. В ноябре 1932 г. такой штормовой волной был разрушен город Санта-Крус-дель-Сур на о. Куба (погибло 2500 человек). Некоторые авторы полагают, что штормовая волна образуется вследствие поднятия поверхности моря (результат низкого давления), перемещается вместе с циклоном, но особенно высокой и страшной становится, когда попадает в узкое пространство — залив, устье реки и т. п.
Сила ветра в тропическом циклоне бывает настолько велика, что по воздуху переносятся тяжёлые предметы на значительное расстояние. На о. Барбадос 1 декабря 1780 г. ураганом разрушены каменные форты, и много тяжёлых пушек отнесено от них на десятки метров; поднимало на воздух и перебрасывало на несколько метров людей и скот; деревья выворачивало с корнями. Во время урагана на Гваделупе 26 июля 1825 г. ветер подхватил доску толщиной в 2,5 см и пробил ею, как иглой, навылет ствол пальмы диаметром 40 см. Города после тропического циклона часто выглядят так, как если бы они были взорваны: сорваны крыши, двери, окна, улицы завалены обломками, некоторые дома сброшены с фундаментов. Флоридский ураган в сентябре 1935 г. сбросил с пути поезд (кроме локомотива и тендера). Корабли, сорванные с якорей, выбрасывает на берег и т. п.
Сила ветра в циклонах умеренных широт меньше, чем в тропических, но и здесь она подчас достаточна для причинения значительных разрушений и для переноса на большие расстояния различных предметов. В циклоне, бушевавшем 31 января— 1 февраля 1953 г. над Северным морем, скорость ветра достигала 35 м/сек; нагон ветром воды в юго-западную, суженную часть моря был причиной подъёма воды в речных устьях, прорыва плотин и других заградительных сооружений на берегах моря и вызвал на побережьях Нидерландов, Бельгии и юго-востока Англии катастрофическое наводнение, в результате которого разрушены многие поселения, повреждены крупные портовые города (Остенде, Антверпен, Роттердам, Грейт-Ярмут, Лондон и др.), затоплены на обширных пространствах плодородные земли; от наводнения пострадало свыше 1 млн. человек (в том числе несколько тысяч погибло).
Неотъемлемыми звеньями циклонической циркуляции атмосферы являются также антициклоны. За каждым циклоном следует и перемещается с той же скоростью антициклон. Антициклон заключает собой всякую циклоническую серию. Такой заключительный антициклон, продвинувшись (в северном полушарии) далеко на юг, теряет высокую подвижность, какой отличаются антициклоны, располагающиеся между циклонами одной и той же серии, и делается более или менее стационарным, напоминая в этом отношении антициклоны, возникающие над материками в холодное время года, или антициклоны, существующие в субтропическом поясе высокого давления. Антициклоны, будучи неразрывно связанными в своём возникновении и развитии с циклонами, образуют вместе с последними как бы две стороны межширотного обмена воздушными массами. Значение их в циркуляции атмосферы не меньшее, чем значение циклонов, а в отдельных случаях даже большее (сибирский антициклон) .
Стационарные антициклоны могут отделять от себя весьма подвижные центры (ядра) высокого давления. Для Европы наибольшую роль играют ядра, посылаемые на восток (или восток-северо-восток) азорским максимумом.
Погода в антициклоне зависит от особенностей слагающей его воздушной массы, но чаще всего в районах, занятых центром антициклона, наблюдаются слабые ветры, малая облачность и отсутствуют атмосферные осадки (всё это связано с господством нисходящих движений воздуха).