Ветер геострофический, градиентный, геотриптический

Ветер возникает в связи с неравномерным распределением атмосферного давления, т.е. с наличием горизонтальных разностей давления. Мерой неравномерности распределения давления является горизонтальный барический градиент. Воздух стремится двигаться по направлению этого градиента, получая при этом ускорение тем большее, чем больше барический градиент. Следовательно, горизонтальный барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т.е. вызывающая ветер и меняющая его скорость. Все остальные силы, проявляющиеся при движении воздуха, могут лишь тормозить движение воздуха или отклонять его от направления градиента. Установлено, что градиент в 1 гПа на 100 км создает ускорение в 0.1 см/с². Если бы на воздух действовала только сила барического градиента, то движение воздуха под действием этой силы было бы равномерно ускоренным, и при длительном воздействии воздух получил бы большие, не ограниченные скорости. Но в действительности на воздух действуют и другие силы, более или менее уравновешивающие силу градиента. Это, прежде всего, сила Кориолиса или отклоняющая сила вращения Земли. Поворотное ускорение или ускорение Кориолиса на Земле имеет величину

А=2w Vsin g, (52)

где w - угловая скорость вращения Земли, V - скорость ветра, g - географическая широта.

При этом мы имеем в виду только горизонтальную составляющую поворотного ускорения. Из формулы ясно, что ускорение имеет наибольшее значение на полюсе и превращается в нуль на экваторе. Значение силы Кориолиса для ветра является величиной того же порядка, что и ускорение, создаваемое барическим градиентом. Поэтому, отклоняющая сила вращения Земли при движении воздуха может уравновесить силу барического градиента.

Ветер, на который действует только сила барического градиента и сила Кориолиса, называется геострофическим. При условии, что силы уравновешивают друг друга, движение ветра прямолинейное равномерное. Сила Кориолиса в Северном полушарии направлена под прямым углом к скорости движения вправо, а сила градиента, равная ей, должна быть направлена под прямым углом к скорости влево. Поэтому в северном полушарии геострофический ветер будет дуть вдоль изобар, оставляя низкое давление слева. В Южном полушарии геострофический ветер дует, оставляя низкое давление справа, так как сила Кориолиса направлена влево.

В реальных условиях геострофический ветер возникает в свободной атмосфере, на высотах больше 1 км, когда сила трения становится так мала, что ею можно пренебречь.

Если движение воздуха происходит без действия силы трения, но криволинейно, то это значит, что кроме силы градиента и силы Кориолиса, появляется еще центробежная сила:

С = V²/r, (53)

где V - скорость, r - радиус кривизны траектории движущегося воздуха. Направлена центробежная сила по радиусу кривизны траектории наружу, в сторону выпуклости траектории. Если движение воздуха равномерное, то все три силы уравновешены. Такой теоретический случай равномерного движения воздуха по круговым траекториям без влияния силы трения называют градиентным ветром. Для градиентного ветра возможны два случая: в циклоне и в антициклоне. В циклоне, т.е. в барической системе с самым низким давлением в центре, центробежная сила направлена всегда наружу, против силы градиента. Как правило, центробежная сила в действительных атмосферных условиях меньше силы градиента, поэтому для равновесия действующих сил нужно, чтобы сила Кориолиса была направлена так же, как центробежная сила, и они вместе уравновешивали бы силу градиента. Скорость же ветра должна отклоняться на прямой угол от силы Кориолиса, в северном полушарии влево. Ветер должен дуть по круговым изобарам циклона против часовой стрелки, отклоняясь от барического градиента вправо.

В антициклоне центробежная сила направлена наружу, в сторону выпуклости изобар, т.е. одинаково с силой градиента. Сила же Кориолиса должна быть направлена внутрь антициклона, чтобы уравновешивать две одинаково направленные силы - градиента и центробежную. Скорость же ветра должна быть направлена так, чтобы ветер дул по круговым изобарам антициклона по часовой стрелке. Но приведенные рассуждения касаются только северного полушария. В южном полушарии, где сила Кориолиса направлена влево от скорости, градиентный ветер будет отклоняться от градиента влево. Поэтому для южного полушария движение воздуха по изобарам в циклоне получается по часовой стрелке, а в антициклоне - против часовой стрелки.Действительный ветер близок к градиентному в циклонах и антициклонах только в свободной атмосфере, где нет влияния силы трения.

Трение в атмосфере является силой, которая сообщает уже существующему движению воздуха отрицательное ускорение, она замедляет движение и меняет его направление. Сила трения наиболее велика у земной поверхности, с высотой она убывает и на уровне 1000 м становится незначительной по сравнению с другими силами. Высота, на которой сила трения практически исчезает (в среднем 1000 м) называется уровнем трения, нижний слой тропосферы до уровня трения называется слоем трения, или планетарным пограничным слоем.

Скорость ветра вследствие трения уменьшается настолько, что у земной поверхности (на высоте флюгера) над сушей она вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра, рассчитанного для того же барического градиента.

Равномерное прямолинейное движение воздуха при наличии трения называют геотриптическим ветром. Воздействие силы трения приводит к тому, что скорость геотриптического ветра направлена не по изобарам, а пересекает их, отклоняясь при этом от градиента вправо (в северном полушарии) и влево (в южном), но составляя с ним некоторый угол меньше прямого. Скорость ветра при этом можно разложить на две составляющие - по изобаре и по градиенту. В результате в слое трения в циклоне ветер будет дуть против часовой стрелки, втекая от периферии к центру (в северном полушарии) и по часовой стрелке также от периферии к центру (в южном полушарии). В антициклоне северного полушария ветер будет дуть по часовой стрелке, вынося воздух изнутри антициклона к периферии, а в антициклоне южного полушария - против часовой стрелки из центра антициклона к периферии.

Наблюдения подтверждают, что ветер у земной поверхности (за исключением широт, близких к экватору) отклоняется от барического градиента на некоторый угол меньше прямого (в северном полушарии вправо, в южном влево). Отсюда следует такое положение: если встать спиной к ветру, а лицом туда, куда дует ветер, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление - справа и несколько сзади. Это положение было найдено эмпирически и носит название барического закона ветраили закона Бейс-Балло.

Дата добавления: 2015-04-30