Tworzą się fronty atmosferyczne. Strefy czołowe troposfery
Okazało się, że ciepłe powietrze jest zasysane do cyklonu nie przez całą jego wschodnią (prawą) połowę, ale w dość ograniczonym sektorze, położonym w południowej i południowo-wschodniej części cyklonu, pomiędzy dwiema liniami zbieżności. W cyklonie zachmurzenie i opady rozkładają się nierównomiernie. Deszcze zakrywające padają głównie przed pierwszą (wschodnią) linią zbieżności przepływów powietrza, a także w centrum cyklonu. Opady deszczu i burze skupiają się w wąskim paśmie wzdłuż drugiej (zachodniej) linii zbieżności. Linie te nazwano później frontami atmosferycznymi. Ponieważ cyklony zwykle przemieszczają się z zachodu na wschód w umiarkowanych szerokościach geograficznych, przez punkt obserwacyjny przechodzi najpierw wschodni front cyklonu, a następnie ciepłe powietrze. Ten front atmosferyczny nazwano frontem ciepłym. W sąsiedztwie ciepłego frontu atmosferycznego ciepłe powietrze aktywnie napływa na linię frontu, przemieszczając się niemal prostopadle do niej, a zimne powietrze transportowane jest niemal równolegle do tej linii, tj. powoli się od niej oddala. W rezultacie ciepła masa powietrza dogania i wyprzedza zimną. Następnie do punktu obserwacyjnego zbliża się zachodni (zimny) front cyklonu, po którym następuje gwałtowny spadek temperatury powietrza. W pobliżu zimnego frontu atmosferycznego dynamika jest inna: zimne powietrze dogania ciepłe powietrze i szybko wypiera je w górę.
Osuwanie się w górę pokrywa grube warstwy ciepłego powietrza na całej powierzchni czołowej i powstaje rozległy system chmur wysokowarstwowych z opadami atmosferycznymi. Front ciepły ma krzywiznę antycykloniczną i przesuwa się w stronę zimnego powietrza. Na mapie pogodowej front ciepły zaznaczany jest kolorem czerwonym lub przyciemnionymi półkolami skierowanymi w kierunku ruchu frontu (ryc. 1). W miarę zbliżania się linii frontu ciepłego ciśnienie zaczyna spadać, chmury gęstnieją i zaczynają padać intensywne opady. Zimą, gdy przechodzi front, zwykle pojawiają się niskie chmury stratusowe. Temperatura i wilgotność powoli rosną. Gdy front przechodzi, temperatura i wilgotność zazwyczaj szybko rosną, a wiatry wzmagają się. Po przejściu frontu zmienia się kierunek wiatru (wiatr obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara), jego prędkość maleje, ustaje spadek ciśnienia i rozpoczyna się jego niewielki wzrost, chmury rozpraszają się i ustają opady. Pole trendów ciśnienia przedstawiono następująco: przed frontem ciepłym znajduje się zamknięty obszar spadku ciśnienia, za frontem następuje albo wzrost ciśnienia, albo wzrost względny (spadek, ale mniejszy niż przed z przodu). Przechodzeniu frontu ciepłego towarzyszy zwykle potężna warstwa deszczu pokrywająca całe niebo ulewnymi opadami deszczu. Pierwszą oznaką frontu ciepłego są chmury cirrus. Stopniowo zamieniają się w ciągłą białą zasłonę chmur Cirrostratus. Ciepłe powietrze przemieszcza się już w górnych warstwach atmosfery. Ciśnienie spada. Im bliżej nas znajduje się linia frontu, tym gęstsze stają się chmury. Słońce świeci jak słaby punkt. Następnie chmury opadają niżej i słońce znika całkowicie. Wiatr nasila się i zmienia kierunek zgodnie z ruchem wskazówek zegara (np. najpierw wschodni, potem południowo-wschodni, a nawet południowo-zachodni) Około 300-400 km przed frontem chmury gęstnieją. Zaczyna się słaby, ciągły deszcz lub śnieg. Ale front ciepły już minął. Deszcz lub śnieg ustały, chmury się rozwiewają, nadchodzi ocieplenie – napłynęła cieplejsza masa powietrza. Front ciepły w przekroju pionowym pokazano na ryc. 2.
Jeżeli ciepłe powietrze cofa się, a za nim napływa zimne, oznacza to, że zbliża się front chłodny. Jego przybycie zawsze wywołuje dreszcz. Ale podczas ruchu nie wszystkie warstwy powietrza mają tę samą prędkość. W wyniku tarcia o powierzchnię ziemi dolna warstwa ulega lekkiemu opóźnieniu, natomiast wyższe są ciągnięte do przodu. W ten sposób zimne powietrze opada na ciepłe powietrze w postaci wału. Ciepłe powietrze jest szybko wypychane do góry i tworzą się potężne stosy chmur cumulus i cumulonimbus. Chmury frontu zimnego niosą ze sobą przelotne opady deszczu, burze, którym towarzyszą silne porywiste wiatry. Mogą osiągać bardzo duże wysokości, ale w kierunku poziomym rozciągają się tylko na 20...30 km. A ponieważ front zimny zwykle porusza się szybko, burzowa pogoda nie trwa długo - od 15...20 minut. do 2...3 h. W wyniku oddziaływania zimnego powietrza z ciepłą powierzchnią bazową tworzą się chmury cumulusowe ze szczelinami. Potem przychodzi całkowita jasność.
W przypadku frontu zimnego ruch ciepłego powietrza w górę ogranicza się do węższej strefy i jest szczególnie silny przed klinem zimnym, gdzie ciepłe powietrze wypierane jest przez zimne. Chmury będą tu w przeważającej mierze cumulonimbusowe z przelotnymi opadami deszczu i burzami (ryc. 3, ryc. 4). Front zimny ma krzywiznę cyklonową (wybrzusza się w kierunku ciepłego powietrza) i przesuwa się w stronę ciepłego powietrza. Na mapie pogody front chłodny zaznaczany jest kolorem niebieskim lub zaczernionymi trójkątami skierowanymi w kierunku przemieszczania się frontu (ryc. 1). Przepływ zimnego powietrza ma składową skierowaną w stronę linii frontu, zatem zimne powietrze przemieszczając się do przodu zajmuje przestrzeń, w której wcześniej znajdowało się ciepłe powietrze, co zwiększa jego niestabilność.
Podczas przekraczania linii frontu ciepłego wiatr, podobnie jak w przypadku frontu ciepłego, skręca w prawo, ale zakręt jest bardziej znaczący i ostry - z południowo-zachodniego, południowego (przed frontem) na zachodni , północno-zachodnia (za frontem). Jednocześnie wzrasta prędkość wiatru. Przed frontem ciśnienie atmosferyczne zmienia się powoli. Może spaść, ale może też wzrosnąć. Wraz z przejściem zimnego frontu rozpoczyna się szybki wzrost ciśnienia. Za frontem zimnym znajduje się zamknięty izalobaryczny obszar wzrostu ciśnienia, którego wzrost może sięgać 3-5 hPa/3h. Zmiana ciśnienia w kierunku jego wzrostu (od spadku do wzrostu, od powolnego wzrostu do silniejszego) wskazuje na przejście linii frontu powierzchniowego.
Przed frontem często występują burze i szkwały. Po przejściu frontu temperatura powietrza spada, często szybko i gwałtownie – o 10°C lub więcej w ciągu 1-2 godzin. Udział masowy pary wodnej maleje wraz z temperaturą powietrza. Widoczność zwykle poprawia się, gdy powietrze polarne lub arktyczne napływa za chłodnym frontem. Ponadto niestabilność masy powietrza zapobiega kondensacji w pobliżu powierzchni Ziemi.
Charakter pogody na froncie zimnym różni się znacznie w zależności od prędkości ruchu frontu, właściwości ciepłego powietrza przed frontem oraz charakteru ruchów ciepłego powietrza w górę nad klinem chłodu. Fronty zimne pierwszego typu są zdominowane przez uporządkowane unoszenie się ciepłego powietrza nad klin zimnego powietrza. Front zimny typu 1 to pasywna powierzchnia przesuwająca się ku górze. Do tego typu zaliczają się wolno poruszające się lub spowalniające fronty ruchu, występujące głównie na obrzeżach regionów cyklonicznych w głębokich rynnach barycznych. W tym przypadku chmury znajdują się głównie za linią frontu. Nadal istnieje różnica w stosunku do zachmurzenia frontu ciepłego. Z powodu tarcia powierzchnia zimnego frontu w dolnych warstwach staje się stroma. Dlatego też tuż przed linią frontu, zamiast spokojnego i łagodnego przesuwania się ku górze, obserwujemy bardziej stromy (konwekcyjny) unoszenie się ciepłego powietrza (ryc. 3). Z tego powodu w przedniej części układu chmur pojawiają się czasami potężne chmury cumulus i cumulonimbus, ciągnące się przez setki kilometrów wzdłuż frontu, z opadami deszczu w lecie, opadami śniegu w zimie, burzami, gradem i szkwałami. Nad leżącą powyżej częścią powierzchni czołowej o normalnym nachyleniu w wyniku przesuwania się ciepłego powietrza w górę, układ chmur reprezentuje jednolite pokrycie chmur stratus. Opady deszczu przed frontem po przejściu frontu są zastępowane bardziej równomiernymi opadami zbiorczymi. Na koniec pojawiają się chmury cirrostratus i cirrus. Moc pionowa układu oraz szerokość układu chmur i powierzchnia opadów będą prawie 2 razy mniejsze niż w przypadku frontu ciepłego. Górna granica systemu znajduje się w przybliżeniu na wysokości 4-4,5 km. Pod głównym układem chmur mogą rozwijać się chmury przerywane typu Stratus, a czasami mogą tworzyć się mgły czołowe. Czas przejścia zimnego frontu pierwszego typu przez punkt obserwacyjny wynosi 10 godzin lub więcej.
Fronty II rodzaju w dolnej warstwie atmosfery stanowią pasywną wznoszącą się powierzchnię poślizgu, a nad nimi aktywną powierzchnię poślizgu w dół. Do tego typu należy większość szybko poruszających się frontów zimnych w cyklonach. Tutaj ciepłe powietrze z dolnych warstw jest wypychane w górę przez zimny wał poruszający się do przodu. Powierzchnia frontu zimnego w dolnych warstwach jest bardzo stroma, tworząc wręcz wybrzuszenie w postaci wału (ryc. 4). Szybki ruch klina zimnego powietrza powoduje wymuszoną konwekcję wypartego ciepłego powietrza w wąskiej przestrzeni z przodu powierzchni czołowej. Tworzy się tu silny przepływ konwekcyjny wraz z powstawaniem chmur cumulonimbus, nasilających się w wyniku konwekcji termicznej. Zwiastunami frontu są chmury altocumulus lentiform, które rozprzestrzeniają się przed nim w odległości do 200 km. Powstający system chmur ma niewielką szerokość (50–100 km) i nie reprezentuje pojedynczych chmur konwekcyjnych, ale ciągły łańcuch lub bank chmur, który czasami może nie być ciągły. W ciepłej połowie roku górna granica chmur cumulonimbus sięga aż do wysokości tropopauzy. Na frontach chłodnych II typu obserwuje się intensywną aktywność burzową, przelotne opady deszczu, czasami z gradem i porywisty wiatr. W chmurach występuje silna turbulencja i oblodzenie. Szerokość strefy niebezpiecznych zjawisk pogodowych wynosi kilkadziesiąt kilometrów. W zimnej połowie roku szczyty chmur Cumulonimbus osiągają wysokość 4 km. Szerokość strefy opadów śniegu wynosi 50 km. Zachmurzenie to wiąże się z obfitymi opadami śniegu, zamieciami śnieżnymi z widzialnością mniejszą niż 1000 m, gwałtownym wzrostem prędkości wiatru i szorstkością.
Kiedy przez punkt obserwacyjny przechodzą zimne fronty II typu, najpierw pojawiają się chmury Cirrus (3-4 godziny przed przejściem linii frontu w pobliżu Ziemi), które szybko ustępują altostratusom, czasem soczewkowym, które szybko zastępują ogromne chmury z ulewami, burzami, gradem i szkwałami. Czas przemieszczania się systemu chmur z opadami deszczu i burzami zwykle nie przekracza 1-2 godzin. Po przejściu frontu chłodnego opady ustają. Cechą zimnych frontów zarówno pierwszego, jak i drugiego typu są szkwały przedczołowe. Ponieważ w przedniej części zimnego klina w wyniku tarcia powstaje strome nachylenie powierzchni czołowej, część zimnego powietrza pojawia się nad ciepłym. Następnie masy zimnego powietrza „zapadają się” w przednią część nacierającego zimnego szybu. Zapadnięcie się zimnego powietrza powoduje wyparcie ciepłego powietrza w górę i pojawienie się wiru o poziomej osi wzdłuż czoła. Szkwały na lądzie są szczególnie intensywne latem, kiedy po obu stronach frontu występuje duża różnica temperatur pomiędzy ciepłym i zimnym powietrzem oraz gdy ciepłe powietrze jest niestabilne. W tych warunkach przejściu zimnego frontu towarzyszą niszczycielskie prędkości wiatru. Prędkość wiatru często przekracza 20-30 m/s, czas trwania zjawiska wynosi zwykle kilka minut, czasami występują porywy.
Fronty okluzyjne
Ze względu na ruchy zimnego powietrza w tył cyklonu w dół, front zimny przemieszcza się szybciej niż front ciepły i z czasem go dogania. Na etapie napełniania cyklonu powstają fronty złożone – fronty okluzyjne, które powstają w wyniku zamykania się zimnych i ciepłych frontów atmosferycznych.
W układzie frontów okluzyjnych oddziałują na siebie trzy masy powietrza, z których ciepła nie ma już kontaktu z powierzchnią Ziemi. Proces wypierania ciepłego powietrza do górnych warstw nazywa się okluzją. W tym przypadku tylny klin zimnego powietrza cyklonu zamyka się z przednim klinem zimnego powietrza. Ciepłe powietrze w postaci lejka stopniowo unosi się do góry, a jego miejsce zajmuje zimne powietrze napływające z boków (ryc. 5). Powierzchnia styku, która występuje, gdy spotykają się fronty zimny i ciepły, nazywana jest przednią powierzchnią okluzji.
W przypadku zokludowanego frontu zimnego opady mogą wystąpić po obu stronach frontu dolnego, a przejście od opadów ogólnych do ulewnych, jeśli wystąpi, następuje nie przed frontem dolnym, ale w jego bliskiej odległości. W przypadku ciepłego frontu okluzyjnego wir ciepłego powietrza jest wypierany przez cieplejsze powietrze napływające na klin zimniejszego powietrza. Tylny klin mniej zimnego powietrza wyprzedza przedni klin zimniejszego powietrza, a front zimny, po oddzieleniu się od powierzchni Ziemi, wznosi się wzdłuż powierzchni frontu ciepłego.
Słabe przesuwanie się ku górze powietrza tylnego wzdłuż frontu wzdłuż powierzchni okluzyjnej może prowadzić do powstania wzdłuż niej chmur St-Sc, nie sięgających poziomu rdzeni lodowych. Spowodują one przelotne opady deszczu przed dolnym frontem ciepłym.
Pewnego zimowego wieczoru, kiedy piekłam naleśniki, z ulicy przybiegł mój synek Sasza i jego przyjaciel Misza. Chłopaki byli zachwyceni ciepłą pogodą i grali w śnieżki. W telewizji spiker powiedział, że nadciągnął ciepły front atmosferyczny. Chłopcy zapytali mnie, co to jest ten front atmosferyczny? Musiałem im wszystko jasno wytłumaczyć.
Co to jest front atmosferyczny
Powiedziałem chłopakom wszystko, co wiedziałem o tym zjawisku. Fronty atmosferyczne powstają, gdy zderzają się zimne i ciepłe masy powietrza. Przybywają do nas z różnych miejsc na Ziemi, zatem masy powietrza to:
- Arktyczny.
- Polarny.
- Tropikalny.
- Równikowy.
Front ciepły przynosi niskie ciśnienie i obfite opady. A powietrze staje się cieplejsze, tak jak teraz u nas.
Zimnym frontom latem towarzyszą ulewne deszcze, grad i wiatr. Zimą przynosi burze śnieżne i porywisty wiatr.
![](https://i1.wp.com/s2.travelask.ru/system/images/files/001/190/649/wysiwyg/sneg.jpg)
Chłopaki byli pod wrażeniem zdjęcia cyklonu, który może powstać również pod wpływem frontów atmosferycznych.
![](https://i0.wp.com/s3.travelask.ru/system/images/files/001/190/652/wysiwyg/3_1.jpg)
Jakie fronty atmosferyczne wpływają na klimat Rosji
Opowiedziałem Saszy i Miszy, jakie fronty atmosferyczne są typowe dla naszego kraju. Zwykle mamy front arktyczny i polarny, powstają one na Morzu Karskim, Ochockim i Barentsa. Sasza przypomniała sobie, że w lipcu w środkowej strefie, w której mieszkamy, mocno pada deszcz, co utrudnia zbieranie wiśni w ogrodzie. Zasugerowałem, że można to wytłumaczyć wpływem frontu polarnego.
![](https://i0.wp.com/s1.travelask.ru/system/images/files/001/190/653/wysiwyg/Nature___Seasons___Summer_Cherry_wet_from_a_summer_rain_078386_.jpg)
Wpływ frontów atmosferycznych na klimat naszej planety
Klimat na Ziemi zmienia się dramatycznie. Fronty atmosferyczne często przynoszą obecnie śnieg latem i ciepło zimą. Możemy jedynie przystosować się do globalnych zmian pogodowych. Naukowcy sugerują, że ocean może wkrótce zalać całe wyspy.
![](https://i0.wp.com/s2.travelask.ru/system/images/files/001/190/654/wysiwyg/mayak_more_okean_shtorm_volny_udary_veter_nepogoda_55025_1400x1050.jpg)
Na szczęście w mojej okolicy nie ma większych huraganów. Ale klimat też się zmienił. Teraz próbuję przykryć pomidory w łóżkach folią. Na otwartym terenie znikają z powodu nagłych przymrozków lub upałów.
Masy powietrza poruszają się po planecie jako pojedyncza jednostka. Fronty atmosferyczne, lub po prostu fronty, to strefy przejściowe pomiędzy dwiema różnymi masami powietrza. Nazywa się strefy przejściowe pomiędzy sąsiednimi masami powietrza o różnych właściwościach fronty atmosferyczne. Główna cecha charakterystyczna frontów atmosferycznych są duże wartości gradientów poziomych: ciśnienia, temperatury, wilgotności itp. Obserwuje się tu znaczne zachmurzenie, spada najwięcej opadów i zachodzą najintensywniejsze zmiany ciśnienia, siły i kierunku wiatru.
Front atmosferyczny powstaje, gdy masy zimnego i ciepłego powietrza zbliżają się i spotykają w dolnych warstwach atmosfery lub w całej troposferze, pokrywając warstwę o grubości do kilku kilometrów, tworząc między nimi nachyloną granicę.
Główną cechą charakterystyczną frontów atmosferycznych są duże wartości gradientów poziomych: ciśnienia, temperatury, wilgotności itp. Strefa frontu atmosferycznego jest bardzo wąska w porównaniu z oddzielanymi przez niego masami powietrza. Kiedy następuje ruch, powierzchnia przejściowa staje się nachylona, a gęstsze (zimne) powietrze tworzy klin pod mniej gęstym (ciepłym) powietrzem, a ciepłe powietrze przesuwa się w górę wzdłuż tego klina.
Pionowa grubość powierzchni czołowej jest bardzo mała – kilkaset metrów, czyli znacznie mniej niż szerokość oddzielanych przez nią mas powietrza. W troposferze jedna masa powietrza nakłada się na drugą. Szerokość strefy frontu na mapach pogodowych wynosi kilkadziesiąt kilometrów, jednak analizując mapy synoptyczne front rysowany jest jako pojedyncza linia. Jedynie w dużych pionowych przekrojach atmosfery możliwe jest określenie górnej i dolnej granicy warstwy przejściowej.
Z tego powodu fronty przedstawiane są na mapach synoptycznych jako linia (linia frontu). Na przecięciu z powierzchnią ziemi strefa czołowa ma szerokość około dziesięciu kilometrów, podczas gdy poziome wymiary samych mas powietrza wynoszą około tysięcy kilometrów.
W kierunku poziomym długość frontów, podobnie jak mas powietrza, wynosi tysiące kilometrów, w pionie - około 5 km, szerokość strefy czołowej do powierzchni Ziemi wynosi około setek kilometrów, na wysokościach - kilkaset kilometrów. Strefy czołowe charakteryzują się znacznymi zmianami temperatury i wilgotności powietrza, kierunkami wiatru wzdłuż powierzchni poziomej, zarówno na poziomie Ziemi, jak i powyżej.
Fronty pomiędzy masami powietrza głównych typów geograficznych wskazanych powyżej nazywane są głównymi frontami atmosferycznymi. Główne fronty to: arktyczny (między powietrzem arktycznym a polarnym), polarny (między powietrzem polarnym a tropikalnym) i tropikalny (między tropikalnym powietrzem równikowym).
Zgodnie z właściwościami termodynamicznymi fronty atmosferyczne między masami powietrza tego samego typu geograficznego dzielą się na ciepłe, zimne i osiadłe (stacjonarne), które mogą być pierwotne, wtórne i górne, a także proste i złożone (okludowane). Szczególną pozycję zajmują fronty okluzyjne, powstające w wyniku zamykania się frontów ciepłych i zimnych. Fronty okluzji mogą być frontami zimnymi lub ciepłymi. Na mapach pogody fronty są rysowane w postaci kolorowych linii lub symboli.
Złożone fronty złożone - fronty okluzji powstają w wyniku zamykania się frontów zimnych i ciepłych podczas okluzji cyklonów. Rozróżnia się ciepły front okluzji, gdy powietrze za frontem zimnym jest cieplejsze niż powietrze przed frontem ciepłym, i zimny front okluzji, gdy powietrze za frontem zimnym jest zimniejsze niż powietrze w przed frontem ciepłym.
Dobrze zaznaczony front ma wysokość kilku kilometrów, najczęściej 3-5 km. Główne fronty są związane z długotrwałymi i obfitymi opadami; W układzie frontów wtórnych procesy chmurotwórcze są mniej wyraźne, opady są krótkotrwałe i nie zawsze docierają do Ziemi. Występują także opady śródmasowe niezwiązane z frontami.
W warstwie powierzchniowej, na skutek zbieżności strumieni powietrza do osi rynien ciśnieniowych, tworzą się tutaj największe kontrasty temperatur powietrza – dlatego też fronty przyziemne przebiegają dokładnie wzdłuż osi rynien ciśnieniowych. Fronty nie mogą być usytuowane wzdłuż osi grzbietów ciśnieniowych, gdzie przepływy powietrza są rozbieżne, lecz mogą przecinać oś grzbietów jedynie pod dużym kątem.
Wraz z wysokością kontrasty temperaturowe występują na osi spadku doliny ciśnienia – oś doliny przesuwa się w kierunku niższych temperatur powietrza i ma tendencję do zrównania się z osią doliny termicznej, gdzie kontrasty temperatur są minimalne. Zatem wraz z wysokością front stopniowo odsuwa się od osi niecki ciśnieniowej w stronę jej obrzeża, gdzie tworzą się największe kontrasty.
W zależności od kierunku przemieszczania się mas ciepłego i zimnego powietrza, znajdujących się po obu stronach strefy przejściowej, fronty dzielą się na ciepłe i zimne. Fronty, które nieznacznie zmieniają swoje położenie, nazywane są siedzącymi. Szczególną pozycję zajmują fronty okluzyjne, powstające w wyniku zamykania się frontów ciepłych i zimnych. Fronty okluzji mogą być frontami zimnymi lub ciepłymi. Na mapach pogody fronty są rysowane w postaci kolorowych linii lub symboli.
Przód atmosferyczny(Grecki atmos - para i łac. front to - czoło, przód).
Kiedy heterogeniczne elementy łączą się, powstają strefy przejściowe lub czołowe, które stale się poruszają i zacierają; szybkość i siła tych procesów zależy od różnicy temperatur pomiędzy spotykającymi się masami. W strefie czołowej nasila się, osiągając prędkość (200 km/h) na wysokości 9-12 km, powstają duże wiry atmosferyczne i ujawniają się granice między zimnymi i ciepłymi masami powietrza. Te powierzchnie działowe nazywane są fronty atmosferyczne. Ich szerokość jest niewielka – kilkadziesiąt kilometrów, grubość pionowa – kilkaset metrów. Nachylenie frontu atmosferycznego w stronę Ziemi jest bardzo niewielkie, mniejsze niż 1°.
Jeśli front przesuwa się w kierunku wyższych temperatur, oznacza to, że napływa zimne powietrze. Front taki nazywany jest frontem zimnym. Kiedy to nastąpi, ciężkie masy zimnego powietrza wypierają w górę lżejsze, ciepłe masy powietrza, które unosząc się w górę, ochładzają się, uwalnia się i tworzy zawarta w nich wilgoć. Natychmiastowe podejście zimnego frontu można zaobserwować po nagromadzeniu się potężnych chmur Cumulonimbus. Szybko posuwają się jak ściana i wkrótce zajmują całe niebo. Ich dolna krawędź jest tak niska, że wydaje się ciągnąć po ziemi. Olśniewający biały kędzierzawy szczyt wznosi się na wysokość ponad 10 km. W naturze robi się cicho i duszno, przyroda zamarza. Wkrótce wiatr zaczyna wiać w porywach i nagle zmienia kierunek. Nagle spada ściana ulewnego deszczu, któremu często towarzyszy grad. Ciemne niebo przecinają błyskawice, słychać ogłuszające grzmoty. Zła pogoda zwykle nie trwa długo, rzadko dłużej niż dwie. Potem robi się chłodniej, gdyż przestrzeń zajmują masy zimnego powietrza. Później mogą rozpocząć się ulewne deszcze, które stopniowo przejdą w mżawkę. To, co stanie się dalej, będzie zależeć od szybkości natarcia frontu zimnego.
Kiedy zbliża się front ciepły, ciepłe powietrze przemieszcza się w kierunku niższych temperatur i napływając do masy zimnego powietrza, ślizga się wzdłuż niej, unosząc się w górę i tworząc chmury. Chmury Cirrus tworzą się wysoko w atmosferze. Są zwiastunami ciepłego frontu. Wkrótce te chmury zaczynają się topić, a nad powierzchnią Ziemi w atmosferze tworzy się ciągła zasłona prawie niezauważalnych, cienkich chmur Cirrostratus. Warstwa chmur szybko gęstnieje i opada niżej. Wiatr wzmaga się i zaczyna kropić lekki deszcz (lub wirują płatki śniegu). Stopniowo nasila się, a następnie leje przez kilka godzin. Ten rodzaj deszczu nazywany jest ulewnym deszczem. Postępowi frontu ciepłego towarzyszy wzmożenie. Nie trwa to jednak długo, gdyż wkrótce znów nadejdzie front chłodny, który zwykle porusza się szybciej.
Linia frontu nigdy nie jest prosta, jest kręta. Zakręty linii na północ powodowane są zazwyczaj przez języki ciepłego powietrza, zakręty na południe – przez języki zimnego powietrza. Kiedy zakręty linii frontu zbliżają się do siebie, powstają potężne wiry atmosferyczne -
Jak widzieliśmy, nierównomierne nagrzewanie się powierzchni Ziemi i powietrza w troposferze jest przyczyną powstawania poziomych gradientów temperatury i ciśnienia oraz powstawania prądów powietrznych. W wyniku transportu masy powietrza o różnych właściwościach mogą zbliżać się do siebie lub oddalać. Kiedy masy powietrza o różnych właściwościach fizycznych zbliżają się do siebie, zwiększają się poziome gradienty temperatury, wilgotności, ciśnienia i innych elementów meteorologicznych, a także wzrasta prędkość wiatru. Wręcz przeciwnie, gdy oddalają się od siebie, gradienty maleją. Strefy, w których spotykają się różne masy powietrza, na przykład stosunkowo suche, zimne i wilgotne, ciepłe, nazywane są strefami przejściowymi lub frontowymi. W strefach czołowych wydaje się, że toczy się walka pomiędzy zimnymi i ciepłymi masami powietrza. W wyniku tej walki masy zimnego powietrza przedostają się do obszarów, w których znajdują się masy ciepłe, a masy ciepłe przedostają się do obszarów, w których znajdują się masy zimne. W wyniku tych procesów obie masy powietrza stopniowo uzyskują właściwości właściwe powietrzu danego obszaru geograficznego.
Strefy czołowe troposfery można codziennie wykrywać w zakresie temperatury i ciśnienia głównie na pozatropikalnych szerokościach geograficznych, gdzie dopływ energii słonecznej jest inny na północy i południu strefy umiarkowanej. Wielkości poziomych gradientów temperatury i ciśnienia są tutaj większe niż gdziekolwiek indziej na świecie. Strefy czołowe stale powstają, pogarszają się i ulegają zniszczeniu. Mają one jednak różną intensywność, która zależy od różnicy temperatur pomiędzy zbliżającymi się masami powietrza.
W dolnych warstwach atmosfery, przy przekraczaniu stref czołowych w kierunku od ciepłego do zimnego powietrza, zgodnie z dużymi gradientami poziomymi, następuje gwałtowny spadek temperatury, ciśnienia i wilgotności oraz obserwuje się duże prędkości prądów powietrza. Na średnich szerokościach geograficznych na wysokościach 10-12 km w tych strefach wiatry często osiągają siłę huraganu, tj. 200 km/h i więcej. Jak zobaczymy poniżej, strefy czołowe odgrywają wiodącą rolę w rozwoju procesów atmosferycznych.
Ponieważ masy zimnego i ciepłego powietrza mają różną gęstość, są one umieszczone względem siebie nie pionowo, ale ukośnie. Zimne powietrze, będąc gęstsze i cięższe, klinuje się pod ciepłym, lżejszym. W tej strefie granicznej pomiędzy masami powietrza o różnych właściwościach powstają zwykle cyklony i antycyklony, przynosząc niepogodę i ładną pogodę.
Wymiary stref przejściowych są małe w porównaniu z masami powietrza. W strefie czołowej pojawiają się granice między zimnymi i ciepłymi masami powietrza, które nazywane są frontami atmosferycznymi. Powierzchnie czołowe są zawsze nachylone w kierunku zimnego powietrza, które znajduje się pod ciepłym powietrzem w postaci wąskiego klina (ryc. 52). Kąt nachylenia powierzchni czołowej do horyzontu jest bardzo mały: wynosi mniej niż 1°, a tangens tego kąta waha się w granicach 0,01-0,02. Oznacza to, że jeśli odsuniemy się 200 km od linii frontu przy powierzchni ziemi w kierunku zimnego powietrza, wówczas powierzchnia czołowa znajdzie się na wysokości 1-2 km. Po usunięciu w kierunku poziomym o 500 km powierzchnia czołowa znajduje się na wysokości 2,5-5,0 km. Ponieważ kąty nachylenia frontów są bardzo małe, w celu wyraźniejszego przedstawienia frontów w płaszczyźnie pionowej przyjmuje się zwykle skalę poziomą wielokrotnie mniejszą niż pionową. Na przedstawionym schemacie frontu skala pionowa jest zwiększona prawie 50-krotnie.
Największa długość frontów na średnich szerokościach geograficznych wynosi 8-12 km. Często osiągają tropopauzę. Według badań E. Palmena, G. D. Zubyana i innych fronty obserwuje się także w dolnych warstwach stratosfery.
Na frontach troposferycznych zwykle tworzą się chmury wielowarstwowe, z których opadają opady. Fronty są najbardziej widoczne w cyklonach, gdzie dominuje ruch powietrza w górę. W antycyklonach, w wyniku ruchów w dół, chmury czołowe rozpraszają się.
Fronty atmosferyczne dzielą się na zimne i ciepłe.
Front chłodny to front przesuwający się w stronę wyższych temperatur. Po przejściu frontu chłodnego następuje ochłodzenie. Front ciepły to front przesuwający się w stronę niskich temperatur. Po przejściu frontu ciepłego następuje ocieplenie.
W zakresie temperatury i wiatru fronty najsilniej zaznaczają się na powierzchni ziemi w układzie rozwijających się cyklonów i dolin ciśnieniowych. Ułatwia to zbieżność prądów powietrza w strefie czołowej w pobliżu powierzchni ziemi, ponieważ z powodu tej zbieżności w strefie czołowej występują masy powietrza o niskich i wysokich temperaturach. Na ryc. 53a przedstawia pole ciśnienia, wiatru i temperatury w rynnie cyklonu na powierzchni ziemi. Front się nasila, gdyż na północy napływają zimne masy powietrza o temperaturach 1-2° poniżej zera, a na południu ciepłe masy powietrza o temperaturach do 10-12° powyżej zera.
W antycyklonach fronty w pobliżu powierzchni ziemi są wymywane, ponieważ układ prądów powietrza jest rozbieżny (ryc. 53-6). Tutaj, w pierwszej części grzbietu, zimna część frontu w pobliżu powierzchni ziemi jest zmywana, ponieważ przepływy są kierowane nie do przodu, ale od przodu. W układzie rozwijającego się cyklonu powietrze ma tendencję do unoszenia się ku górze, a w wyniku dynamicznego ochłodzenia i kondensacji pojawiają się chmury i opady atmosferyczne. Natomiast w układzie rozwijającego się antycyklonu następuje ruch powietrza w dół i w wyniku dynamicznego nagrzewania powietrze odchodzi od stanu nasycenia, chmury rozpraszają się i opady ustają.
Prędkość frontu zależy od wielkości normalnej składowej wiatru, która jest bardzo zróżnicowana. W Europie w przejściowych porach roku średnia prędkość przemieszczania się frontów sięga około 30 km/h, czyli około 700 km dziennie; ale często w systemie cyklonów fronty pokonują dziennie odległość ponad 1200-1500 km. W tych przypadkach front, położony na przykład w Europie Zachodniej, w ciągu jednego dnia okazuje się, że znajduje się w centralnych regionach europejskiego terytorium ZSRR. Jeśli prądy powietrza skierowane są równolegle do przodu, wówczas front pozostaje nieaktywny. Ponieważ gradienty temperatury i ciśnienia w zimie są znacznie większe niż w lecie, aktywność frontów zimowych jest bardziej intensywna.
Powiedzieliśmy już, że w strefie frontu atmosferycznego, zwłaszcza w układzie rozwijającego się cyklonu, dochodzi do unoszenia się powietrza, schładzania adiabatycznego, tworzenia się chmur i opadów. Podnoszenie powietrza następuje nie tylko w warstwie przyziemnej, ale także na wysokościach. Ale jeśli w warstwie powierzchniowej jest to spowodowane zbieżnością wiatru powierzchniowego, przyczyną wznoszenia się powietrza na wysokościach jest ruch niestacjonarny i różnica w prędkości ruchu powietrza transfrontalnego i przedczołowego.
W przypadku frontu zimnego, szybko poruszające się zimne powietrze za frontem, napływając pod powietrze ciepłe, wypiera je ku górze. W rezultacie, jeśli warunki dynamiczne powodują ogólne wznoszenie się powietrza, ciepłe powietrze zaczyna przesuwać się w górę wzdłuż pochyłej powierzchni czoła i ochładzać się adiabatycznie.
W przypadku frontu ciepłego, w tych samych warunkach, następuje również ruch ciepłego powietrza w górę nad klinem zimnego powietrza. Im większa jest różnica temperatur pomiędzy zimnym i ciepłym powietrzem, czyli im wyraźniejszy jest front nie tylko przy powierzchni ziemi, ale także na wysokościach, tym intensywniejszy jest w tych samych warunkach ruch ciepłego powietrza ku górze, kondensacja i powstają chmury i opady.
Na dobrze zdefiniowanym froncie reprezentowane są chmury wszystkich poziomów. Chmury frontu ciepłego potrafią być bardzo potężne, często rozciągają się poziomo prostopadle do frontu na długości 500-700 km, a pionowo do 6-8 km i więcej. Co więcej, długość takiego frontu może sięgać 1000-2000 km. Górna część potężnych chmur czołowych, nawet latem, znajduje się w strefie ujemnych temperatur, dlatego zwykle składa się z kryształków lodu. Na ryc. 54 w przekroju pionowym prostopadłym do frontu przedstawia układ chmur charakterystyczny dla frontu ciepłego. Chmury te są warstwowe i zlokalizowane głównie w ciepłym powietrzu nad powierzchnią czołową. Najwyższe chmury (cirrus i cirrostratus) znajdują się na wysokościach 6-8 km. Są zwiastunami ciepłego frontu. Pojawienie się tych chmur na kilka godzin przed zbliżającą się strefą opadów wskazuje na pogorszenie pogody. Chmury Cirrostratus wypierane są przez chmury altostratus, przez które w dalszym ciągu prześwieca słońce, jednakże mają one większą grubość pionową. Następnie następują gęstsze chmury nimbostratus, wytwarzające zbiorcze opady, które docierają do ziemi. Poniżej znajdują się chmury stratus i nimbo, których wysokość dolnej granicy, w zależności od zawartości wilgoci, może wynosić od zera do kilkuset metrów. Jednocześnie, jak widać na rys. 54, chmury niskopoziomowe tworzą się nie tylko w ciepłym powietrzu nadfrontowym, ale także częściowo w zimnym powietrzu w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni czołowej. Strzałki na tym rysunku pokazują kierunek przepływu powietrza w ciepłym i zimnym powietrzu z ogólnym przejściem od lewej do prawej w płaszczyźnie przedstawionego tutaj diagramu.
Układ chmur potężnego zimnego frontu pokazano na ryc. 55. Jak łatwo zauważyć, profile frontu ciepłego (ryc. 54) i zimnego (ryc. 55) wyraźnie się od siebie różnią. Dzieje się tak, ponieważ podczas ruchu ciepłe powietrze w dolnej warstwie, na skutek tarcia o powierzchnię ziemi, jest rozciągane w kierunku przeciwnym do ruchu. Tymczasem zimny front staje się bardziej stromy z powodu tarcia w dolnej warstwie 1-2 km.
Pokazane na ryc. Układy chmur 54 i 55 frontów ciepłych i zimnych dotyczą przypadków, gdy zasięg pionowy frontów jest duży, kontrasty temperatur na froncie są znaczne i występuje intensywny ruch powietrza ku górze. Masy powietrza po obu stronach frontu są stabilne. Jeśli we wszystkich tych warunkach zimne powietrze jest rozwarstwiane niestabilnie, po zimnym froncie nie następują chmury stratocumulus, ale potężne chmury cumulus i cumulonimbus. Jeśli jednocześnie zimne i ciepłe powietrze ulegną niestabilnemu rozwarstwieniu, wówczas przed frontem tworzą się potężne chmury szkwałowe (ryc. 56), powodujące ulewne opady deszczu, którym towarzyszą burze, a nawet grad.
System chmur frontu ciepłego również ma swoje odmiany. Kiedy ciepłe powietrze jest niestabilne, tworzą się chmury konwekcyjne i pojawiają się opady deszczu. Przyjmuje się, że wilgotność powietrza jest wystarczająca.
Zasięg pionowy frontów atmosferycznych nie zawsze jest jednak znaczący, często nie przekracza 1-3 km. Zgodnie z tym zachmurzenie czołowe ma ograniczony rozwój, z wyjątkiem przypadków, gdy z powodu niestabilności powstaje zachmurzenie konwekcyjne, osiągające wysokość 5-6 km lub więcej. Nawet przy dużym pionowym zasięgu frontu chmury czołowe nie stanowią ośrodka ciągłego, jak pokazano na ryc. 54 i 55, ale składa się z szeregu warstw, pomiędzy którymi występują bezchmurne przestrzenie (ryc. 57 a). Wynika to z faktu, że w wielu przypadkach ogólny wzlot ciepłego powietrza zostaje zakłócony, a w strefie frontowej naprzemiennie układają się warstwy z wznoszącymi się i opadającymi ruchami powietrza. W tym przypadku te ostatnie powodują zniszczenie układu chmur frontu, aż do całkowitego rozproszenia chmur. Gdy powietrze jest bardzo suche, chmury na froncie albo w ogóle nie powstają, albo pojawiają się chmury małej mocy warstwy środkowej i górnej, które nie powodują opadów (ryc. 57-6).
Istnieją inne typy frontów, które powstają, gdy spotykają się fronty zimny i ciepły. Domykanie frontów następuje na skutek ich przemieszczania się z różną prędkością. W systemie cyklonów fronty zimne zwykle poruszają się z większą prędkością niż fronty ciepłe. Dlatego front zimny, doganiając ciepły, zamyka się z nim, tworząc front zamknięcia, czyli jak to zwykle nazywa się front okluzji. Początkowo systemy chmur obu frontów po zamknięciu utrzymują się i dają obfite, przeważnie przelotne opady. Stopniowo jednak intensywność frontu okluzji słabnie ze względu na istniejący już proces jego zacierania. W tym samym czasie potężne systemy chmur zaczynają się rozpraszać, a resztki chmur wykrywają front w polu wiatru przyziemnego. Na ryc. 58 schematycznie pokazuje zamykanie się frontów zimnych i ciepłych w miarę ich przemieszczania się od lewej do prawej. Zimne powietrze, ponieważ jest gęstsze, klinuje się pod ciepłym powietrzem.
Wszystkie rodzaje frontów, napotykając przeszkody górskie, pozostawiają po swojej nawietrznej stronie dużą ilość wilgoci. Jednak po pokonaniu przeszkody wysokogórskiej układ frontów chmur zostaje zakłócony, a po zawietrznej stronie gór chmury się rozprzestrzeniają, a opady często ustają. Dopiero po pokonaniu przeszkody układ czołowy chmur zostaje ponownie przywrócony.
Badanie frontów atmosferycznych podyktowane jest koniecznością poszerzania wiedzy w tym zakresie w powiązaniu z wymogami praktyki, zwłaszcza lotniczej, gdyż z frontami kojarzone są potężne chmury, niczym nagłe zmiany pogody. Dlatego ich badanie jest jednym z najważniejszych zadań meteorologów.
Pomimo wagi zadania badania frontów, wiedza o warunkach ich występowania jest wciąż niewystarczająca. Dotyczy to przede wszystkim powstawania i ewolucji chmur czołowych. Powyższe diagramy dają jedynie ogólne pojęcie o chmurach czołowych. W rzeczywistości chmury w strefie frontów atmosferycznych składają się zarówno z ciągłej warstwy średniej, jak i grubych, pomiędzy którymi znajdują się bezchmurne przestrzenie.
Trudności w badaniu fizyki powstawania chmur na frontach wiążą się z brakiem metod masowego i szczegółowego badania wszystkich cech rozwoju chmur w określonych warunkach synoptycznych, gdyż wymaga to długiego przebywania na wysokościach, co jest technicznie trudne do zrealizowania .
Naprawdę nowoczesne samoloty, latające z dużymi prędkościami, umożliwiają dokonywanie obserwacji i różnorodnych pomiarów wzdłuż toru lotu. Balony są najwygodniejsze do badania chmur. Jednak nie zawsze mogą one przedostać się do interesującej nas chmury. W szczególności balon nie może wejść w chmury burzowe, ponieważ mógłby zapalić się od uderzenia pioruna.
Wspomniano już powyżej, że powstawanie chmur spowodowane jest kondensacją pary wodnej na skutek unoszenia się powietrza i jego adiabatycznym chłodzeniem. Aby wyobrazić sobie trudności w badaniu ewolucji zachmurzenia, wystarczy powiedzieć, że pionowych ruchów powietrza powodujących powstawanie i niszczenie chmur nie można jeszcze bezpośrednio zmierzyć. Przybliżone obliczenia ruchów pionowych wykonuje się obecnie głównie na podstawie teoretycznych założeń zmian pól ciśnienia i wiatru na różnych wysokościach.
Badania frontów atmosferycznych i ich systemów chmur przyciągają uwagę wielu naukowców zarówno w ZSRR, jak i za granicą. Często ryzykując życiem, latają w chmurach burzowych i krok po kroku poszerzają swoją wiedzę na temat aktywności frontalnej. Przepisy dotyczące cech konstrukcyjnych frontów, opracowane głównie przez norweskich meteorologów (T. Bergeron, S. Petersen i in.), zostały zrewidowane i wyjaśnione przez sowieckich naukowców. Dzięki pracom A. F. Dyubyuka, N. L. Taborovsky'ego, E. G. Zaka, E. K. Fedorowa, G. D. Zubyana, E. S. Seleznevy i innych nasza wiedza na temat powstawania i erozji frontów, natury pionowych ruchów powietrza i powstawania chmur, a także innych zagadnień związane z frontami, zostały znacznie wzbogacone. A jednak wiele ważnych cech powstawania chmur i zmian w ich formach podczas ewolucji frontów pozostaje nieznanych.
Nie ma jednolitości poglądów w kwestii zasięgu pionowego frontów w troposferze i powstawania frontów w stratosferze. Jednak w ostatnich latach coraz więcej naukowców dochodzi do wniosku, że fronty troposferyczne w większości przypadków docierają do tropopauzy; wyżej – w stratosferze – też istnieją (G.D. Zubyan, R. Bergren), jednak ze względu na znikomą wilgotność powietrza, na frontach stratosfery nie tworzą się chmury.