22. Силы, действующие в атмосфере. Геострофический ветер.

К наиболее важным силам, действующим в атмосфере относятся:

1. Сила тяжести, под действием которой происходит расслаивание воздуха, благодаря ей существует вертикальный барический градиент

2. Горизонтальный барический градиент - основной причиной ветра, обычно выражается как изменение давления на единицу массы: .

3. Отклоняющая сила вращения Земли А = 2vsin.

4. Сила трения – действует в приземном слое.

Рассмотрим частицу, имеющую единицу массы. Пусть частица находится в простейшем барическом поле, которое описывается системой параллельных и равноотстоящих изобар. Трение отсутствует, частица находится в Северном полушарии. Под действием силы барического градиента частица начинает двигаться от высокого давления к низкому по нормали к изобаре. Но как только она начинает двигаться, на нее начинает действовать сила Кориолиса, отклоняющая частицу вправо от направления движения под прямым углом. Равнодействующая двух сил будет ускорять частицу.

По мере возрастания скорости частицы сила Кориолиса будет также возрастать, а значит, будет возрастать ее отклоняющее действие. В конце концов градиент давления будет полностью уравновешен силой Кориолиса. Это произойдет, когда сила Кориолиса будет направлена вдоль силы барического градиента в противоположную сторону и равна ему по величине. В этом случает единица массы воздуха будет совершать прямолинейное равномерное движение, называемое геострофическим. Ветер, являющийся результатом геострофического движения, называется геострофическим ветром. Скорость геострофического ветра направлена вдоль изобары вправо от силы барического градиента (низкое значение давление остается слева).

Поскольку модули двух сил равны, можно записать:

.

Отсюда можно получить выражение для скорости геострофического ветра:

.

Это выражение показывает, что скорость геострофического ветра прямо пропорциональна барическому градиенту и обратно пропорциональна плотности и синусу широты.

В реальности ветер близок к геострофическому в верхних слоях атмосферы, где трение не велико. Особенно точно приближение ветра к геострофическому в высоких широтах.

23. Градиентный ветер в циклоне и антициклоне. Термический ветер.

Градиентный ветер – ветер дующий вдоль круговых изобар, по равнодействующей сил барического градиента, отклоняющей силы вращения Земли и центробежной силы С = v²/r, направленной всегда по радиусу в сторону выпуклости траектории (трение отсутствует). Для градиентного ветра возможны два случая.

Первый случай. В барической системе с замкнутыми круговыми изобарами градиенты направлены по радиусам от периферии к центрам (циклон). Центробежная сила направлена в противоположную сторону, но она обычно слабее градиента. Чтобы уравновесить градиент (движение равномерное, т.е. без ускорения), отклоняющая сила направлена так же, как и центробежная. Скорость ветра будет направлена перпендикулярна отклоняющей силе, так чтобы отклоняющая сила была направлена от нее под прямым углом вправо (Северное полушарие). Таким образом, градиентный ветер дует в циклоне против часовой стрелки, отклоняясь вправо от барического градиента. Если записать квадратное уравнение для скорости градиентного ветра в циклоне и решить его, получиться формула:

.

Второй случай. В антициклоне барический градиент направлен по радиусу от центра. Центробежная сила направлена также. Поэтому отклоняющая сила вращения Земли направлена по радиусу к центру. Скорость ветра направлена по касательной к изобаре, но по часовой стрелке (в Северном полушарии). Аналогично его скорость вычисляется по формуле:

.

Скорость градиентного ветра в циклоне меньше, а в антициклоне больше, чем скорость геострофического ветра, т.е. ветра при прямолинейных изобарах. Это доказывается путем сравнения несколько преобразованных квадратных уравнений для градиентного ветра в циклоне и антициклоне с формулой для скорости геострофического ветра.

С высотой направление и густота изобар, а следовательно, направление и скорость ветра, градиентного или геострофического, будет меняться. Барический градиент на верхнем уровне какого-либо слоя приобретает дополнительную составляющую, пропорциональную толщине слоя и температурному градиенту средней температуры слоя. Поэтому градиентный и геострофический ветры приобретают дополнительную составляющую, направленную по изотерме рассматриваемого слоя. Эту дополнительную составляющую называют термическим ветром. Чтобы получить градиентный (геострофический – частный случай) ветер на верхнем уровне, нужно векторно сложить термический ветер с градиентным ветром на нижнем уровне:

.

Если барический градиент и температурный градиент образуют между собой угол меньше 180, то термический ветер будет направлен под углом относительно ветра на нижнем уровне, с высотой ветер, приближаясь к изотерме будет вращаться. В восточной (передней) части циклона барический градиент направлен к западу, температурный к северу; ветер, приближаясь к изотерме , с высотой вращается вправо, в западной (тыловой части) – влево. Если угол между градиентами 0, то ветер с высотой только усиливается, не меняя своего направления, если угол 180 - он с высотой исчезает.