4. Градиентный и геострофический ветер.

Из ранее рассмотренных материалов следует, что направление силы горизонтального барического градиента совпадает с направлением самого градиента. Следовательно, направление градиентного ветра всегда совпадало бы с направлением барического градиента, если бы на частицу воздуха действовала только одна сила.

Самым простейшим видом движения воздуха является прямолинейное равномерное движение без трения. Такое движение называют геострофическим ветром.

Такая геострофическая модель позволяет значительно упростить расчеты скорости ветра. Вместе с тем, геострофический ветер не является чистой абстракцией. Он действительно наблюдается в свободной атмосфере, на высотах более 1 км (выше пограничного слоя), где трение о подстилающую поверхность становится почти ничтожно малым. В штурманской практике геострофический ветер используется для определения ветра в приводном слое.

Зная вышеуказанное, можно без труда определить направление геострофического ветра в любой точке факсимильной карты.

Скорость геострофического ветра легко найти, приравняв силу барического градиента G и силу Кариолиса K.

2ω С sinφ = - (17)

Из этого равенства можно найти скорость геострофического ветра:

C = - /2ω sinφ = 1/2pω sinφ (18)

Угловая скорость вращения Земли ω является постоянной величиной, плотность воздуха ρ также рассматривается как константа. Таким образом, выражение 1/(2pω) есть константа. При решении задачи с помощью факсимильной карты дифференциалы заменяются конечными разностями dp~∆p и dn ~∆n. Исходя из этого видно, что скорость геострофического ветра зависит только от расстояния между изобарами ∆ n и от широты места φ.

C = C (∆ n, φ) (19)

Чем меньше расстояние между изобарами ~∆n, тем больше горизонтальный барический градиент , сила барического градиентаG и скорость ветра C. В местах сгущения изобар, следовательно, большие скорости ветра. Геострофический ветер при прочих равных условиях увеличивается от полюса к низким широтам. Расчет скорости геострофического ветра по формуле не представляет никакой сложности.

Для практических целей и для стандартной плотности воздуха скорость геострофического ветра (м/с) на уровне моря определяется, выражая барический градиент в гПа на градус меридиана:

Сg = 4,8 ∆p

sinφ ∆n (20)

Решения уравнения (13) для различных широт и барических градиентов приводятся в виде градиентных линеек на приземных синоптических (факсимильных) картах (рис. 1).

Рисунок 1.- Градиентная линейка.

На оси ординат даются широты ω (обозначено буквой N), на оси абсцисс – расстояния между изобарами ∆n, а в поле графика – кривые разных скоростей геострофического ветра C_g . Над линейкой написано, что ветер дан в узлах для изобар, проведенных через 4 мб (в системе СИ это соответствует 4 гПа).

Ветер над поверхностью воды несколько отличается от геострофического. Скорость его С из-за силы трения меньше. Считается, что над морем

С = 0,7 С_g (21)

Трение (сила трения F_g ) не только уменьшает скорость ветра, но и поворачивает ветер в сторону низкого давления.

Угол между направлением ветра в приводном слое и геострофическим ветром или, что то же самое, между направлением ветра и изобарой в среднем составляет 15°. Можно говорить, что ветер над водной поверхностью отклоняется от изобар на 15° в сторону низкого давления.

Движение в криволинейных избарах.

В случае криволинейных движений (в циклонах и антициклонах), но без действия силы трения на воздушный поток, кроме силы барического градиента и отклоняющей силы вращений Земли, начинает действовать центробежная сила Z, равная

Z= , (22)

где r – радиус траектории движущегося воздушного потока.

Она направлена по радиусу кривизны от центра (рис. 3). В циклоне сила барического градиента G уравновешивается силами Кариолиса К и центробежной силой Z. В результате в северном полушарии воздух в циклоне движется против часовой стрелки по касательным к изобарам.

Под действием силы трения ветер отклоняется в сторону низкого давления. Над океанами этот угол, как известно, принимается равным 15°. Следовательно, в циклоне ветер у поверхности земли (в слое трения) дует в северном полушарии против часовой стрелки и к центру циклона. В южном полушарии воздух в циклоне движется по часовой стрелки и к центру циклона.Отсюда следует еще один важный вывод. Циклоны являются областями сходимости воздушных течений – областями конвергенции.

В антициклоне сила барического градиента G и центробежная сила Z направлены от центра. Антициклон может существовать только в том случае, если сила Кариолиса К будет равна сумме первых двух сил. Поскольку сила Кариолиса невелика, то и сумма сил барического градиента и центробежной также должна быть небольшой (рис.3, в). Это будет при больших расстояниях между изобарами (рис. 1).

В северном полушарии движение воздуха в антициклоне происходит по часовой стрелке. Под действием силы трения ветер отклоняется в сторону низкого давления. Следовательно, в антициклоне ветер дует по часовой стрелке и от центра. В южном полушарии воздух в антициклоне движется также от центра, но против часовой стрелки.

Антициклоны, таким образом, являются областями расходимости воздушных течений – областями дивергенции. Здесь также выполняется барический закон ветра.

При одном и том же барическом градиенте скорость ветра больше в антициклоне, чем в циклоне. Однако горизонтальный барический градиент всегда больше в циклоне за счет меньших размеров самого вихря и скорость реального ветра больше в циклоне, чем в антициклоне.

В циклонах сила барического градиента G и центробежная Z направлены в разные стороны. Циклоны могут быть только в том случае, если центробежная сила будет настолько велика, что сможет уравновесить силу барического градиента. Центробежная сила, в том случае большая, когда скорость движения С велика, а радиус кривизны r небольшой. И действительно, вблизи экватора, где появляется закручивающий момент, связанный с силой Кариолиса, иногда образуются маленькие с огромными скоростями движения циклоны, называемые тропическими. Это самое опасное атмосферное явление, которое может встретиться мореплавателям в океане.

Таким образом, в связи с отсутствием силы Кариолиса на экваторе, там невозможно существование областей высокого давления. Циклоны теоретически возможны, если они будут иметь очень маленькие размеры и большие скорости ветра. На практике, не на самом экваторе, а вблизи него иногда образуются небольшие барические образования с низким давлением и ужасающим ветром – тропические циклоны.