Температурные различия воздушных масс обусловлены тем, что приход лучистой энергии различен в разных географических районах. В водоемах энергию поглощает более глубокий поверхностный слой, чем на суше, но зато и теряет тепло суша быстрее, чем вода. Поэтому характер земной поверхности определяет то количество тепла, которое она может отдать атмосфере.
Тепловое движение молекул воздуха и их столкновения между собою проявляются в виде давления, которое, таким образом, есть прямое следствие термического состояния воздушной массы.
Когда происходит поглощение тепла, молекулы начинают двигаться быстрее и объем воздуха увеличивается. Плотность его при этом уменьшается, т. е. число молекул в единице объема становится меньше. Поскольку плотность нагревшейся порции воздуха меньше плотности окружающей его ненагретой среды, то возникает сила плавучести. Это значит, что появляется импульс, заставляющий • нагревшуюся порцию воздуха подниматься. Поднимающийся воздух оставляет за собой область низкого атмосферного давления. В эту область устремляется холодный и плотный воздух, и давление здесь вновь повышается. Нагретый воздух продолжает восходящее движение до тех пор, пока его температура не окажется равной температуре окружающей среды.
Процесс замещения поднимающегося теплого воздуха холодным и более плотным воздухом называется конвекцией. Итак, вертикальные движения воздуха вызваны его неравномерным нагреванием.
Если посмотреть, как распределяется атмосферное давление по земной поверхности, можно заметить, что, несмотря на зависимость его от силы тяжести, действующей на воздух, в разных точках планеты оно не одинаково. В поле приземного давления есть области, в которых оно ниже или выше, чем в соседних областях, что объясняется различием температуры, радиационных условий и характера земной поверхности.
Используемые далее термины „повышенное давление" и „пониженное давление" характеризуют ту или иную область только относительно окружающих районов. Например, область пониженного давления В умеренных широтах существенно отличается от области низкого давления в так называемом глазу тропического циклона.
Можно заметить, что над горизонтальной поверхностью воздух стремится двигаться из области повышенного давления, где он „накопился", в сторону области пониженного давления. Скорость этого движения определяется разностью давления, так называемым градиентом давления. (Вертикальные же движения типа конвекции поддерживаются разностями температуры я плотности поднимающегося и окружающего воздуха.) При этом область пониженного давления характеризуется сходящимися движениями холодного воздуха, который нагревается и начинает подниматься. В области же повышенного давления опускающийся воздух достигает земной поверхности и начинает растекаться (дивергировать). Горизонтальное движение воздуха от области повышенного к области пониженного давления и создает ветер.
Распределение атмосферного давления по земной поверхности изображают на карте погоды с помощью линий одинакового давления — изобар. Чем теснее лежат изобары на карте погоды, тем больше градиент давления и тем сильнее ветер. В области пониженного давления градиент обычно больше и ветер сильнее, чем в области повышенного давления.
Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты из-за соответствующего уменьшения плотности воздуха. Например, давление на уровне моря примерно вдвое больше, чем на высоте 6 км. Это объясняется тем, что ниже этого уровня сила тяжести удерживает около половины всей массы воздуха. На еще больших высотах плотность воздуха продолжает уменьшаться. Соответственно и давление продолжает падать с высотой, но уже медленнее, чем в нижних слоях атмосферы.
Таким образом, само давление и его. влияние на ветер в свою очередь зависят от высоты и температуры: высота определяет ту массу воздуха, которая создает давление на данном уровне, температура же определяет плотность и в конечном счете давление.
Перемещения воздуха перераспределяют энергию, получаемую атмосферой извне. Такие области, как Арктика, в течение длительных периодов времени испытывают значительный дефицит лучистой энергии, т. е. теряют большее количество энергии, чем получают от Солнца. В области же экватора приходит больше лучистой энергии, чем уходит. Постоянная циркуляция атмосферы и океана— самых подвижных оболочек Земли — перераспределяет эту энергию таким образом, что в масштабе всей Земли в среднем за ряд лет приход и расход энергии находятся в равновесии.
До сих пор имеется еще много неясного в представлениях о переходе одних форм энергии в атмосфере в другие и об обмене энергией между атмосферой и поверхностью Земли. Еще ждут объяснения процессы поглощения и отражения газами разных потоков лучистой энергии. К тому же наши знания о процессах, происходящих на границе между океаном и атмосферой, а также об энергетических свойствах поверхности суши, пока еще тоже весьма неполны.
