Термические минимумы , или тепловые минимумы , представляют собой нефронтальные области низкого давления , которые возникают над континентами в субтропиках в теплое время года в результате интенсивного нагрева по сравнению с окружающей их средой. [1] Термические минимумы происходят вблизи пустыни Сонора , на Мексиканском плато , в Большой Центральной долине Калифорнии , в Сахаре , в Калахари , над северо-западом Аргентины , в Южной Америке , над регионом Кимберли на северо-западе Австралии , над Пиренейским полуостровом и над Тибетским нагорьем .
На суше интенсивный и быстрый солнечный нагрев земной поверхности вызывает нагрев самых нижних слоев атмосферы за счет переизлученной энергии в инфракрасном спектре. Более горячий воздух менее плотен, чем окружающий более холодный воздух, и поднимается вверх, что приводит к образованию области низкого давления. Возвышенные районы могут усилить силу термического минимума, поскольку они нагреваются быстрее, чем атмосфера, окружающая их на той же высоте. Над водой минимумы нестабильности образуются зимой, когда воздух над сушей холоднее, чем в более теплом водоеме.
Термические минимумы могут достигать 3100 метров (10 200 футов) в высоту и, как правило, имеют слабую циркуляцию. Термические минимумы над западными и южными частями Северной Америки, Северной Африки и Юго-Восточной Азии достаточно сильны, чтобы привести к возникновению летних муссонов . Термические минимумы внутри береговой линии приводят к развитию морских бризов , что в сочетании с пересеченной топографией вблизи побережья может привести к ухудшению качества воздуха. Из-за очень высоких температур в центре теплового минимума прямых наблюдений термических минимумов относительно немного.
В пустынях недостаток почвенной и растительной влаги, которая обычно обеспечивает испарительное охлаждение , может привести к интенсивному и быстрому солнечному нагреву нижних слоев воздуха. Горячий воздух менее плотный, чем окружающий более холодный воздух. Это, в сочетании с подъемом горячего воздуха, приводит к образованию области низкого давления, называемой тепловым минимумом. [1] На возвышенных поверхностях нагрев земли превышает нагрев окружающего воздуха на той же высоте над уровнем моря , что создает соответствующий минимум тепла над местностью и усиливает любые тепловые минимумы, которые в противном случае существовали бы. [2] [3] В холодное время года ( зима ) теплые водоемы, такие как Великие озера, могут вызвать нестабильность минимума. [4] Термические минимумы, которые развиваются вблизи уровня моря, могут увеличиваться в высоту в теплое время года или летом до высоты поверхности давления 700 гПа, [5] которая находится на высоте около 3100 метров (10 200 футов) над уровнем моря. [6] Жаровые минимумы обычно стационарны и имеют слабую циклоническую циркуляцию. [7] Поскольку они наиболее сильны на поверхности и нагреваются ближе к центру, а наверху, где воздух более стабилен, они слабее, термический минимум считается теплым ядром. [8] [9] Самые сильные версии этих особенностей во всем мире находятся над Аравией, северной частью Индийского субконтинента , Аризоной , Мексиканским плато , [10] северо-западом Аргентины , [11] юго-западом Испании , [12] Австралией, [13] и северной Африки . Формирование теплового минимума над северной Африкой приводит к низкоуровневому западному струйному течению с июня по октябрь. [14]
Муссоны вызваны большей амплитудой сезонного цикла температуры суши по сравнению с таковой в близлежащих океанах. Это дифференциальное потепление происходит потому, что тепло в океане смешивается вертикально через «смешанный слой», глубина которого может достигать пятидесяти метров, из-за действия ветра и турбулентности, создаваемой плавучестью , тогда как поверхность суши проводит тепло медленно, при этом сезонный сигнал проникает в океан. возможно, метр или около того. Кроме того, удельная теплоемкость жидкой воды значительно выше, чем у большинства материалов, входящих в состав суши. В совокупности эти факторы означают, что теплоемкость слоя, участвующего в сезонном цикле, намного больше над океанами, чем над сушей, а это означает, что воздух над сушей нагревается быстрее и достигает более высокой температуры, чем воздух над океаном. Горячий воздух над сушей имеет тенденцию подниматься вверх, создавая область низкого давления . Это создает устойчивый ветер, дующий в сторону суши, увлекая за собой влажный приповерхностный океанский воздух. [15] Подобные осадки вызваны подъемом влажного океанского воздуха вверх горами, [16] нагревом поверхности, [17] конвергенцией на поверхности, [18] расхождением наверху или вызванными штормами потоками на поверхности. [19] Однако при подъеме воздух охлаждается из-за расширения при более низком давлении, что, в свою очередь, приводит к конденсации .
Зимой суша быстро остывает, но океан дольше сохраняет тепло благодаря более высокой удельной теплоемкости. Горячий воздух над океаном поднимается вверх, создавая область низкого давления и ветер с суши к океану, в то время как над сушей образуется большая область высыхания и высокого давления, усиливающегося за счет зимнего похолодания. [15] Муссоны похожи на морские и сухопутные бризы , этот термин обычно относится к локализованному суточному (суточному) циклу циркуляции вблизи береговой линии повсюду, но они гораздо крупнее по масштабу, гораздо сильнее и сезонны. [20]
Море прогревается солнцем на большую глубину, чем суша, из-за большей удельной теплоемкости . [21] Таким образом, море обладает большей способностью поглощать тепло, чем суша, поэтому поверхность моря нагревается медленнее, чем поверхность суши. По мере того как температура поверхности земли повышается , земля нагревает воздух над ней. Менее плотный теплый воздух поднимается вверх, что снижает давление на уровне моря примерно на 0,2%. Более прохладный воздух над морем с более высоким давлением на уровне моря течет к суше в область более низкого давления, создавая более прохладный бриз у побережья. Сила морского бриза прямо пропорциональна разнице температур суши и моря. Если поле ветра окружающей среды превышает 8 узлов (15 км/ч) и противоположно направлению возможного морского бриза, развитие морского бриза маловероятно. [22]
Вдоль побережья Калифорнии более прохладная вода создает поверхностный морской слой, который летом намного прохладнее, чем во внутренних районах. В то же время интенсивное нагревание внутри страны создает выраженную термическую впадину, граничащую с Центральной долиной и обычно связанную с более широким термальным минимумом в пустынях Северной Америки. В результате создается сильный градиент давления, который притягивает прохладный морской воздух к суше. Когда температура резко падает, туман и слоистые слои текут внутрь и через разрывы Береговых хребтов, и особенно через Золотые Ворота в Сан-Франциско ( см. Туман Сан-Франциско ). Одна и та же термическая впадина иногда выдвигается к побережью, особенно поздней осенью, когда более высокое давление развивается на востоке из-за похолодания еще дальше на восток. Эта ситуация часто приводит к тому, что самые высокие температуры года достигают обычно прохладной береговой линии, потому что морской бриз прекращается или даже заменяется опасно сухим бризом (см. Также ветер Диабло и ветер Санта-Ана ).
В холмистых или гористых районах вблизи береговой линии термические морские бризы в сочетании с ветровыми циркуляциями по склонам гор могут способствовать производству химических веществ, которые могут привести к развитию смога . Загрязнение было зафиксировано в средних уровнях тропосферы в виде озона , который концентрируется над циркуляцией термического минимума, а также над прилегающими областями океана. [23]