Въздушни маси

 

Постоянната циркулация на атмосферата води до съществени изменения на свойствата на въздуха над определени райони. Процесът на изменение на свойствата на въздуха се нарича трансформация. При трансформацията главно се изменя температурата и влажността на въздуха, в зависимост от характера на даденият район. Нееднородността на въздуха в тропосферата се дължи на неравномерното разпределение на притока на слънчевата радиация, както и на различните свойства на земната повърхност. Топлинната трансформация зависи от времетраенето на престоя и взаимодействието на въздуха над район с определени топлинни характеристики. Изменението на влажността на въздуха не е така пряко както температурното, а зависи от наличието на изпаряваща се повърхност, както и от способността на даден обем въздух да поема влагата. Тези свойства на въздуха се изменят най-бързо в приземният слой и постепенно, вследствие на турбулентното смесване и възходящите течения, се предават по-нагоре.
Тази разлика в скоростта на трансформация на ниските и високи слоеве води до изменение на Стратификация на атмосферата в съответният район т. е. до трансформация на неговата устойчивост. Ако въздухът е в контакт с топла повърхност, ниските слоеве бързо се загряват, докато високите по-дълго остават студени, тоест това води до неустойчива стратификация. Такава среда е благоприятна за развитието на възходящи течения, които при издигането си се охлаждат и парата в тях кондензира и се образуват облаци - валежи. Обратно, при студена подложна повърхност се формира устойчива стратификация, като в някой случай се стига до изотермно и дори до инверсно разпределение на температурата. В такъв случай образуването на облаци е затруднено, а ако има облаци, то те са най-често слоести.
Над много обширни територии може да се наблюдава сравнително еднороден въздух, чийто физически свойства в голяма степен са еднакви. Характера и на времето в такива райони е един и същ. Тези относително еднакви порции въздух се наричат въздушни маси. Хоризонталните размери на тях могат да достигнат няколко хиляди километра, а вертикалните до няколко километра. В едни случаи въздушните маси се простират от земната повърхност до тропопаузата, а в други се наслояват една над друга, като по-студените се намират по-отдолу. Отделни области от земното кълбо, над който общата атмосферна циркулация обуславя продължително задържане на въздушните маси, даваща възможност за тяхната пълна трансформация, се наричат Огнища на зараждане на въздушните маси. Типични представители на такива огнища са Субтропичните пояси на високо налягане и Антициклоналните области около полюсите.
При промяна на циркулацията на атмосферата, формираните въздушни маси напускат съответните огнища и се преместват в други райони. Там те пренасят свойствата, придобити в района на формирането си, тоест своето характерно време. При настаняването си над новите райони, те започват да взаимодействат с новата подложна повърхност и променят свойствата си - трансформират се. С течение на времето те или част от тях могат да се превърнат в други типове въздушни маси. От това следва, че въздушните маси се формират непрекъснато във всеки географски район и при всякакви циркулационни условия. В съвременната метеорология въздушните маси се делят по няколко критерия.
Географската класификация ги дели по местонахождението на техните огнища, като са познати четири основни типа; Арктичен ( Антарктичен ) въздух, Въздух на умерените ширини, Тропичен въздух и Екваториален въздух. Тези типове въздушни маси, с изключение на Екваториалния, се делят на морски и континентални в зависимост от характера на повърхността в огнището на формиране.
Термодинамична класификация, в която като признак за разделянето на въздушните маси служи посоката на трансформацията. В съответствие с нея се различават Топли и Студени въздушни маси. Освен за тях, може да се говори и за Неутрални въздушни маси. За топла въздушна маса се подразбира тази маса, която е по-топла от подложната повърхност. В нея трансформацията води до изстиване на въздуха. Обратно, въздушната маса, която се затопля от подложната повърхност се нарича студена. Намиращата се в термично равновесие с подложната повърхност въздушна маса е неутралната. В нея процеса на трансформация вече е завършил и тя е напълно формирана. Всяка от посочените въздушни маси може да бъде устойчива или неустойчива, което означава различна способност за развитие на вертикални движения и образуване на облаци и валежи.
Движението на отделните въздушни маси е пряко свързано с движението на цялата земна атмосфера. За да вникнем по-подробно в този процес, трябва да разберем и природата на движещият се във височина въздух.
На около 3000 метра височина, въздуха следва движението на Земята от запад на изток с леко вълнообразен път. На показаната схема на движението на Земята от височина над Северният полюс, ясно се вижда вълнообразното движение на въздушният поток във височина. Издадените изпъкналости в точките от А до Е са причинени от неочаквано затопляне, което се е разпространило над сушата. Движението на въздуха около Земята се подчинява на законите на движение на тяло по кръгова траектория, като един от тях гласи, че колкото въртящата се маса се движи по-далеч от центъра на въртенето, толкова по-забавено е нейното предвиждане. От това следва, че въздуха движейки се по кръгов път около земната ос и отдалечавайки се от нея, забавя своето движение, и обратното, приближавайки оста на въртене, ускорява своя ход.
Проследявайки пътя на въздушният поток, то от точка А завивайки на юг до точка С той забавя постепенно движението си. След като завие на север, то той започва постепенно да се ускорява, като достига по-бързо движещият се въздух в точка Е. Фактически всички точки, в които потокът е по-близо до Северният полюс, съдържат по-бързо движещ се въздух, докато по-отдалечените от полюса точки съдържат по-бавно движещ се въздух. Нека да проследим процесите в точки В и D. Както казахме по-горе при движението между точка А и точка С въздуха забавя своя ход. Идващите от зад въздушни маси поради по-голямата си скорост започват да се натрупват и компресират така, че в точка В налягането върху повърхността се увеличава. Компресирането на въздуха в точка В се нарича Конвергенция и общият ефект е че въздуха се натрупва във височина.
Обратният ефект може да се наблюдава в точка D. Поради ускоряването на движението на потока между точки С и Е, въздуха в точка D започва да изтънява като ефекта от това е че там се създава район с ниско атмосферно налягане. Този процес се нарича Дивергенция. От това следва, че истинската причина за създаване на области с високо и ниско налягане върху земната повърхност, са процесите възникващи при движение на въздушният поток във височина. Проследявайки тези процеси, може да се каже че около районите с високо налягане преобладава ясно безоблачно време, докато въздушните маси с ниско атмосферно налягане са предимно облачни. Обяснението за това е много просто - конвергенцията в горната атмосфера причинява постепенно падане (потъване) на въздуха, който след това се стича до земната повърхност. Падащият въздух се нагрява от компресирането си и затова не се образуват облаци, а изобилстват термики. От друга страна, въздухът в областите с ниско налягане постепенно се издига на горе и от охлаждането и кондензирането си се образуват масивни облачни системи.
Северните и южните барични системи с високо налягане се стремят да си противодействат и носените от тях въздушни маси обикновено се срещат на тъй наречения Полярен фронт - 60° ширина. През зимата внезапно откъснатите въздушни маси са по-силни и достигат по-далече на юг; през лятото топлият въздух се изтласква далеч на север, макар че летните антициклони са по-слаби и с по-малка сила.
Преходната зона между две съседни въздушни маси е широка 200 - 500 км. За разлика от зоните на двете въздушни маси, където хоризонталната градиента на температурата е малка, то в преходната зона са характерни резките изменения в свойствата на въздуха и тя се нарича Фронтална зона.