Цикло́н — атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

Движение воздуха (пунктирные стрелки) и изобары (непрерывные линии) в циклоне в северном полушарии.Воздух в циклоне циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.

Схематическое изображение процесса образования циклонов (чёрные стрелки) из-за вращения Земли (синие стрелки).Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.

Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические. Первые образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.

Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также т.н. «глаз бури» — центральная область диаметром 20—30 км с относительно ясной и безветреной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.

Циклон (от греч. kyklon — кружащийся, вращающийся), атмосферное возмущение с пониженным давлением в центре и вихревым движением воздуха. Различают Циклон (географич.) внетропические и тропические. Последние обладают особыми свойствами и возникают гораздо реже (см. Циклон тропический).

  Минимальное атмосферное давление в Циклон (географич.) приходится на центр Циклон (географич.) (рис. 1); к периферии оно растет, т. е. горизонтальные барические градиенты направлены снаружи Циклон (географич.) внутрь. В хорошо развитом Циклон (географич.) давление в центре на уровне моря может понижаться до 950—960 мбар (1 бар = 105 н/м2), а в отдельных случаях до 930—920 мбар (при среднем давлении на уровне моря около 1012 мбар). Замкнутые изобары (линии равного давления) неправильной, но в общем овальной формы ограничивают область пониженного давления (барическую депрессию) поперечником от нескольких сотен км до 2—3 тысяч км. В этой области воздух находится в вихревом движении. В свободной атмосфере, выше пограничного слоя атмосферы (около 1000 м) он движется приблизительно по изобарам, отклоняясь от барического градиента на угол, близкий к прямому, вправо в Северном полушарии и влево в Южном (вследствие влияния отклоняющей силы Кориолиса и центробежной силы, возникающей при движении по криволинейным траекториям). В пограничном слое ветер вследствие силы трения более или менее значительно (в зависимости от высоты) отклоняется от изобар в сторону барического градиента. У земной поверхности ветер образует с барическим градиентом угол порядка 60°, т. е. к вращательному движению воздуха присоединяется течение воздуха вовнутрь Циклон (географич.) (рис. 1). Линии тока принимают форму спиралей, сходящихся к центру Циклон (географич.) Скорости ветра в Циклон (географич.) сильнее, чем в смежных областях атмосферы; иногда они достигают более 20 м/сек (шторм) и даже более 30 м/сек (ураган).

Новый взгляд на закономерности формирования волнами Россби циклонов, тайфунов, торнадо, смерчей. Показано, что подъём воды в волнах формирует температуру поверхности океанов виде аномалий. В свою очередь эти аномалии формируют циклонические образования в атмосфере, которые поддерживаются и развиваются за счёт передачи тепловой энергии океана, создаваемой волнами.

В атмосфере нередко формируются образования, воздух и содержащаяся в нём влага и твёрдые вещества вращаются циклонически в Северном полушарии и антициклонически — в Южном, т.е. в сторону, противоположную движению часовой стрелки в первом случае, и по её движению – во втором. К ним относятся циклоны тропические и средних широт, торнадо, тайфуны, тромбо, ураганы, смерчи и т. д. Природа этих образований во многом общая. Назовём их циклоническими образованиями. Тропические циклоны обычно в диаметре меньше, чем средних широт и составляют 100-300 км, но скорости движения воздуха в них большие, достигающие 50-100м/с. Циклонические образования с большими скоростями движения воздуха в районе субтропической зоны западной части Атлантического океана около Северной и Южной Америки получили название торнадо или ураганы, аналогичные около Европы — тромбо, около юго-западной части Тихого океана — тайфуны.

Тропические циклоны образуются в восточной части океанов на широтах 5-200 и распространяются в западном направлении вплоть до западных границ океанов, а затем в северном полушарии движутся на север, в южном — на юг. Здесь они нередко превращаются в торнадо или тайфуны. Выходя на материк, они довольно быстро разрушаются, но успевают нанести значительный ущерб природе и людям. Подобные вращательные движения воздуха меньших размеров над морем или океаном получили название смерчей.

Мы провели анализ этих явлений и предлагаем иную гипотезу формирования и развития циклонических образований, на наш взгляд, правильнее объясняющую их природу. Активную роль в формировании и пополнении энергией циклонических образований играют волны Россби Мирового океана.

Формирование циклонических образований (гипотеза автора)

Как отмечалось, тропические циклоны и торнадо движутся по экваториальным и зонам западных пограничных течений, в которых волны Россби имеют наибольшие величины амплитуд колебаний скорости, а, следовательно, и наибольшую кинетическую энергию. Подъём в этих волнах глубинной воды на поверхность океана в тропических и субтропических зонах приводит к созданию на поверхности океана значительных отрицательных аномалий воды овальной формы, с температурой в центре ниже температуры вод, их окружающих, "температурных пятен". В экваториальной зоне Тихого океана аномалии температуры имеют такие параметры: ~ 2 – 3° C, диаметр ~ 500 км.

Сам факт движения тропических циклонов и торнадо по зонам экваториальных и западных пограничных течений, а также анализ развития таких процессов, как апвеллинг – даунвеллинг, Эль-Ниньо – Ла-Нинья, пассатов и навёл нас на мысль, что циклонические образования как-то должны быть связаны физически с активностью волн Россби, а точнее должны ими порождаться, чему впоследствии мы нашли объяснение.

Рис. 1а, б. Меридиональная составляющая скорости течения, V (а) и температура воды (б) в пункте I (1400 з.д.) на горизонте 10 м.
На рис. 1а зафиксированы колебания скорости течения волн Россби с периодом ~ 19 суток. Эти колебания формируют вертикальные движения воды и, соответственно, колебания температуры воды у поверхности океана (рис. 1б), которые и образуют температурные аномалии. Большим амплитудам колебаний скорости течений волн Россби соответствуют большие колебания температуры воды и, соответственно, аномалии температуры на поверхности океана с большой температурой, а малым – а малой температурой. Первые наблюдаются в основном летом, а вторые – зимой. Этим и объясняется частое появление циклонов летом и практическое отсутствие их зимой.

Выводы
Циклонические образования формируются температурными аномалиями поверхностных вод с отрицательной температурой: в центре аномалии температура воды ниже, на периферии – выше. Аномалии формируются волнами Россби Мирового океана, в которых происходит подъём холодной воды с глубины океана к его поверхности. При этом температура воздуха в рассматриваемых эпизодах обычно бывает выше температуры воды. Впрочем, выполнение этого условия не обязательно, циклоны могут быть образованы, когда температура воздуха над океаном или морем ниже температуры воды. Главное условие образования циклона: наличие отрицательной аномалии воды и разности температур вода – воздух. В этих условиях и создаётся отрицательная аномалия воздуха. Чем больше разность температур атмосфера – вода океана, тем активнее развивается циклон. Если температура воды аномалии равна температуре воздуха, то циклон не образуется, а существующий циклон в этих условиях не развивается. Далее всё происходит так, как было описано.

Не будем слишком категоричны в выводах. Мы сейчас не располагаем достаточной натурной информацией, чтобы убедительно опровергнуть прежнюю гипотезу формирования циклонических образований и обосновать нашу. Предложенная вниманию читателя информация, демонстрирующая образование циклона над Чёрным морем или поведение циклона в Карибском море позволяет только предположить, что так может быть. Но не категорично заявить: так и только так. Для этого нужно провести глубокий анализ поведения температурного поля поверхностных вод океана, температуры атмосферы, поля давления в моменты образования и развития циклонов. Лучше это сделать по информации тропической зоны океанов, т.е. там где в основном и формируются тропические циклоны. Но в настоящее время мы не располагаем подобной информацией по причине её отсутствия. Из изложенного ясно, что существует также необходимость изучения волн Россби Мирового океана. А пока будем только учитывать наличие нашей гипотезы альтернативной существующей.

Литература
Бондаренко А.Л. Эль-Ниньо – Ла-Нинья: механизм формирования // Природа. №5. 2006. С. 39 – 47.
Грей В.М. Генезис и интенсификация тропических циклонов // Сб. Интенсивные атмосферные вихри. 1985. М.: Мир.
Иванов В.Н. Зарождение и развитие тропических циклонов // C.: Тропическая метеорология. Труды III Международного симпозиума. 1985. Л. Гидрометеоиздат.
Каменкович В.М., Кошляков М.М., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 264с.
Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Шукуров А.В. Физический механизм усиления вихревых возмущений в атмосфере// Доклады Академии наук СССР. 1983. Т.273. №3.
Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. 1969. Л.: Наука.
Юсупалиев У., Анисимов Е.П., Маслов А.К., Шутеев С.А. К вопросу формирования геометрических характеристик смерча. Часть II // Прикладная физика. 2001. №1.
Gray W. M. Tropical cyclone genesis // Atmos. Sci. Paper, Colo. St. Univer. 1975. №234.
Об авторе
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.

N.B.
Уважаемые читатели! Если у вас появились вопросы, которые вы хотите задать Альберту Леонидовичу – вы можете написать их в комментариях ниже или отправить мне по электронной почте. Я их обязательно передам Альберту Леонидовичу и опубликую ответы на блоге. Спасибо!

1. Введение
Впервые начатые в 1982 г. Crutzen & Birks, и продолженные затем Turco и дру-
гими [1983], а также Александровым и Стенчиковым [1983] исследования по-
казали, что полномасштабная ядерная война привела бы к такому большому
уменьшению поверхностной температуры, осадков и инсоляции, что ожидае-
мые климатические последствия были квалифицированы как «ядерная зима».
Вскоре после того, как мир был оповещен о том, что потенциальные косвенные
воздействия ядерной войны могут оказаться намного страшнее, чем ее прямые
последствия, включая голодание миллиардов людей вследствие коллапса ми-
рового сельского хозяйства, гонка вооружений и холодная война закончились.
С тех пор общий мировой ядерный арсенал сократился втрое.
В недавних работах Toon и др. [2006] и Robock и др. [2006] было показано,
что региональный конфликт с применением ста ядерных зарядов мощностью
15 Кт каждый (примерно, как в Хиросиме) - что составляет в сумме только око-
ло 0,03% от мощности всего ядерного мирового арсенала - привел бы к беспре-
цедентному в истории человечества изменению климата. Этот вывод подтолк-
нул нас снова обратиться к исследованию ядерной зимы с применением
современной модели климата. Мы задались вопросом, могут ли существующие
сегодня ядерные арсеналы все еще произвести ядерную зиму.
Все предшествующие моделирования реакции климата на дым, создавае-
мый ядерной войной, были ограничены мощностью компьютеров и доступны-
ми моделями климата. Как показано в таблице 1, каждое такое моделирование
было нацелено на изучение определенных аспектов климатических реакций с
использованием простых моделей, или же моделей общей циркуляции атмо-
сферы (general circulation models – GCMs) с низким пространственным разре-
шением. Здесь мы впервые проводим расчеты на 10-летний период, используя
совместную модель общей циркуляции атмосферы и океана (AOGCM) с верхней
границей расчетной области на уровне мезопаузы на высоте приблизительно 90
км.
Некоторые критики выводов предшествовавших исследований ядерной
зимы намекали, что стоит только обратиться к неопределенностям, как стро-
гость результатов сразу уменьшается. И когда Thompson & Schneider использо-
вали в 1986 году термин «ядерная осень» (даже хотя авторы ясно дали понять,
что климатические последствия будут велики), в политических кругах теория
ядерной зимы стала рассматриваться как что-то преувеличенное и подлежащее
опровержению [Martin, 1988]. Это побудило нас включить в расчеты механиз-
мы моделирования, не использованные ранее, чтобы посмотреть, получатся ли
те же самые результаты. Однако, неизвестности неизвестны по определению, и
оказалось, что мы, используя предшествующий базовый сценарий, не только
опять получаем ядерную зиму, но также впервые обнаружили, что климатиче-
ская реакция будет гораздо более длительной, чем получалось ранее. Сущест-
вующие ядерные арсеналы по-прежнему могут произвести ядерную зиму.
2. Предыдущие моделирования ядерной зимы
Перед тем, как описать нашу работу, мы кратко суммировали в таблице 1 сде-
ланное до нас, отметив ограничения, имевшие место в каждом из тех исследо-
ваний.
Pittock и др. [1986], Turco и др. [1990], Sagan & Turco [1990] обобщили
практически все предшествовавшие исследования, и нам известно, что за по-
следние почти 20 лет не было сделано каких-либо моделирований климата в
рамках рассматриваемой здесь проблемы, исключая нашу последнюю работу.

Crutzen & Birks [1982] были первыми, кто обнаружил, что дым от пожаров
и пыль с поверхности, создаваемые ядерными взрывами при полномасштабной
ядерной войне между Соединенными Штатами и Советским Союзом, были бы
настолько интенсивными, что это вызвало бы изменение глобального климата.
Для первой оценки климатической реакции Александров и Стенчиков исполь-
зовали в 1983 году модель атмосферы с очень низким пространственным раз-
решением (12° х 15° по широте и долготе соответственно) и только двумя уров-
нями по вертикали, со среднегодовой солнечной инсоляцией, интерактивно
связанную с перемешанным слоем океана. По этой модели был проведен один
расчет для периода в 400 дней. В сценарии с использованием около одной тре-
ти тогдашнего ядерного потенциала количество создаваемого дыма оценива-
лось величиной в 150 Tg. Авторы указанного исследования установили, что при
этом имеет место большое снижение температуры у земной поверхности, го-
раздо ниже температуры замерзания, а также возникает циркуляция в атмо-
сфере, которая способствует глобальному распространению аэрозолей.
Turco и др. [1983], использовали одномерную радиационно-конвективную
модель с нулевой теплоемкостью поверхности, применимую для оценки клима-
тических эффектов в континентальных областях. Рассмотрев большое число
различных сценариев, они смогли смоделировать в деталях эволюцию клима-
тической реакции по вертикали. Однако им не удалось увидеть динамику таких

реакций или пространственное распределение изменений климата. Они также
дали этому феномену имя «ядерная зима», связав во фразе всего из двух слов и
само воздействие, и реакцию на него.
Covey и др. [1984] и Thompson [1985] применили модель общей циркуля-
ции атмосферы Национального Центра по Исследованию Атмосферы (National
Center for Atmospheric Research-NCAR) для коротких расчетов, чтобы рассмот-
реть сезонный цикл климатической реакции. Полученные ими результаты под-
твердили верность выводов, сделанных Александровым и Стенчиковым в 1983
году. Robock [1984] использовал энерго-балансовую модель со смешанным сло-
ем океана и был первым, кто изучил сезонный цикл и реакции климатической
системы в течение года. Предположив, следуя Turco и др. [1983], короткий срок
существования атмосферного дыма, он, тем не менее, обнаружил увеличение
продолжительности ежегодных охлаждений, обусловленное отражающим эф-
фектом снега и морского льда. Этот результат был позднее подтвержден в рас-
четах по климатической модели со смешанным слоем океана [Schneider &
Thompson, 1988; Ghan, 1991]. Malone и др. [1985] показали, что подъем аэрозо-
лей летом в стратосферу из-за нагревания солнцем должен увеличивать их
время жизни, т.к. в стратосфере нет «вымывающих» их осадков. Однако при
этом модель имела относительно низкую высоту модельной атмосферы (только
32 км), и, кроме того, расчет проводился лишь на 40 дней.
Ghan и др. [1988] использовали простую модель двухслойной атмосферы,
чтобы изучить краткосрочную (1 месяц) реакцию климата на большое число
разных сценариев с различными свойствами дыма и параметрами модели. Pittock
и др. [1989] проверяли краткосрочные гидрологические эффекты для не-
больших количеств дыма с оптической толщиной, равной 0,2. Однако они де-
лали это, основываясь на предшествующих результатах, в которых
недооценивалось время жизни дыма.
Turco и др. в [1990] отметили, что их предыдущие [1983] результаты были
грубыми (приблизительными), и описали, как в последующих работах пред-
ставлены детали по эмиссии дыма, его свойствам, и климатической реакции.
Наш эксперимент, проведенный на более длительный период с использо-
ванием современной улучшенной модели климата, демонстрирует увеличение
масштаба времени климатической реакции по сравнению с результатами, по-
лученными в 80-х годах. Но основной вывод прежних исследований о том, что
широкомасштабный ядерный конфликт приведет к опустошительным клима-
тическим последствиям, при этом не только подтверждается, но еще и усилива-
ется.

Сельское хозяйство подверглось бы воздействию многих факторов, в том
числе изменениям температуры, интенсивности выпадения осадков и солнеч-
ной освещенности [Robock и др., 1993; Maytin и др., 1995]. К примеру, на рисун-
ке 10 показаны изменения в длительности периодов, свободных от заморозков,
в третий полный сезон выращивания урожая в северном и южном полушариях.
Такие большие сокращения вегетационного периода могут полностью уничто-
жить урожай из-за недостатка времени для его созревания. Эти сокращения
продолжаются несколько лет. Кроме того, вероятны и потери в озоновом слое
17
[Toon и др., 2006], с влиянием на проникающую вниз ультрафиолетовую ра-
диацию [Vogelmann и др., 1992] и на атмосферную циркуляцию. Необходим по-
следующий анализ этих и других воздействий, что выходит за рамки данной
публикации.