Циркуляція атмосфери. Повітряні потоки у атмосфері. Циркуляція повітряних мас

Вітер, тобто рух повітря щодо земної поверхні, виникає внаслідок неоднакового атмосферного тискув різних точкахатмосфери. Так як тиск змінюється по вертикалі і по горизонталі, повітря зазвичай рухається під деяким кутом до земної поверхні. Але цей кут дуже маленький. Тому, вітром,в основному , вважають горизонтальний рухповітря, тобто розглядають лише горизонтальну складову цього руху. Це пояснюється тим, що вертикальна складова вітру зазвичай значно менша за горизонтальну і стає помітною тільки при сильній конвекції або за наявності орографічних перешкод, якщо повітря змушене підніматися або стікати по схилах височин.

Повітряні маси – це великі обсяги тропосферного повітря, площа яких можна порівняти з площею материків та океанів, які мають певні Фізичні властивостіі яких характерні незначні горизонтальні зміни метеорологічних величин і досить однорідні умови погоди.

Структура вітру

Загальний рух повітряного потоку характеризують швидкість та напрямок вітру. У повітрі, що рухається, внаслідок тертя об земну поверхню, а також нерівномірного його нагрівання завжди має місце турбулентність. Тому в кожній точці простору відбуваються швидкі змінияк швидкості, так і напрямки вітру. Такий характер руху повітря називають рвучкістю повітря. Зазвичай під швидкістю вітру мають на увазі згладжену швидкість, тобто середню швидкість за той чи інший невеликий проміжок часу, протягом якого проводиться його вимір. Справжня ж швидкість окремих обсягів повітря, що швидко змінюється у часі, називається миттєвою.

Поривчастість збільшується над ділянками з великою шорсткістю: над перетнутою місцевістю, над окремими пагорбами, лісом, що пояснюється посиленням турбулентності над такими ділянками. Відносно рівні потоки повітря, без поривів, відзначаються в інверсіях. У той самий час під шаром інверсії часто спостерігається посилення рвучкості вітру.

Вплив перешкод на вітер

1. Будь-яка перешкода, яка стоїть на шляху вітру, змінює поле вітру. Перешкоди можуть бути великомасштабними, як гірські хребти, і дрібномасштабними, як будинки, дерева, лісові смуги. Повітряні маси або обгинають перешкоду з боків, або перевалює через неї зверху. Найчастіше відбувається горизонтальне обтікання. Перетікання відбувається тим легше, чим нестійкіша стратифікація повітря, тобто чим більший вертикальний градієнт температури в атмосфері. Перетікання повітря через перешкоди призводить до дуже важливих наслідків, як збільшення хмар і опадів на навітряному схилі гори при висхідному русі повітря і, навпаки, розсіювання хмарності на підвітряному схилі при низхідному русі.

Обтікаючи перешкоду, вітер перед ним слабшає, але з боків посилюється, особливо у виступів перешкод (кути будинків, миси берегової лінії). За перешкодою швидкість вітру зменшується, там створюється вітрова тінь. Дуже суттєво посилюється вітер під час руху між двома гірськими хребтами. Під час просування повітряного потоку його поперечний розріз зменшується. Так як крізь менший розріз має пройти стільки ж повітря, швидкість вітру зростає. Цим пояснюються сильні вітри деяких районах. Наприклад, посилення вітру між високими островами та навіть на міських вулицях.

2. Вплив полізахисних лісових смуг на мікрокліматичні умови полів пов'язані насамперед із ослабленням вітру у приземних шарах повітря, що створюються лісовою смугою. Повітря перетікає поверх лісової смуги і, крім того, його швидкість слабшає при проходженні його крізь просвіти в смузі. Тому безпосередньо за смугою швидкість вітру зростає. З віддаленням від смуги швидкість вітру зростає. Однак початкова швидкістьвітру відновлюється лише на відстані, що дорівнює 40–50-кратній висоті дерев смуги, якщо смуга не суцільна. Вплив суцільної смуги поширюється на відстань, що дорівнює 20-30-кратній висоті дерев.

Градієнтна сила

Будь-який рух виникає під дією якоїсь сили. Сила, яка надає руху повітря, виникає за наявності різниці тиску в двох точках простору. Різниця тиску по горизонталі характеризується горизонтальним градієнтом тиску. Тому ця сила називається рушійною силоюгоризонтального градієнта тиску, інакше градієнтною силою.

Виділимо у просторі між двома ізобаричними поверхнями з тиском Р та Р+1 одиничний об'єм повітря (1 см 3). Умовою рівноваги цього обсягу є рівність протилежно спрямованих сил.

G г тепле повітря

холодний 1000 мб

Ізобаричні поверхні нахилені під невеликим кутом до земної поверхні. Це відбувається через те, що в холодному повітрі тиск зменшується з висотою швидше, ніж у теплому. Положення ізобаричних поверхонь залежить як від тиску, а й від температури.

На виділений об'єм діють сила тяжіння та сили тиску. Рівночинною силою тиску є сила повного градієнта тиску G, яка спрямована перпендикулярно ізобаричним поверхням від високого тиску до низького і прикладена до центру тяжкості об'єму.

Розкладемо силу повного градієнта на горизонтальну та вертикальну складову. Вертикальна складова за відсутності вертикальних рухів врівноважується силою тяжіння, а горизонтальна складова в момент початку руху нічим не врівноважується і тому виявляється рушійною силою. Під дією цієї сили повітря починає переміщатися убік низького тиску.

Розділивши рушійну силуна масу виділеного обсягу (1 см 3), тобто на його густину, знайдемо силу, яка діє на одиницю маси:

де F G – сила баричного градієнта, см / з 2;

ΔP – зміна тиску між двома точками (Дін/см 2); 1мб = 10 3 Дін/см 2;

Δz – відстань між цими точками, див.

Сила баричного градієнта наводить повітря на рух і збільшує його швидкість. Всі інші сили, які виявляються під час руху повітря, можуть лише гальмувати рух і відхиляти його від напрямку градієнта.

Сили, що виникають під час руху повітря.

- сила, що відхиляє обертання Землі.

Вітер – це рух повітря над Землею, а Земля обертається навколо своєї осі з кутовою швидкістю ω = 7,29 . 10 -5 с-1. Ще 1838 року Коріоліс довів, що з кожному русі щодо рухомої системи координат, тіло отримує додаткове, так зване, поворотне прискорення. Отримає його і повітря, яке рухається над поверхнею Землі, тобто вітер.

Якщо повітряна маса рухається щодо рухомої системи координат, яка теж рухається, то повітряна маса не потрапить у точку, яка знаходиться на продовженні початкового напрямку, а відхилиться від неї. Якщо ж спостерігати з певної точки рухомої системи координат за рухом повітряної маси, то здається, що вона під дією якоїсь сили відхиляється убік. Цю силу називають силою Коріоліса або силою, що відхиляє обертання Землі.

На горизонтальний рух повітря діє горизонтальна складова сили обертання Землі, що відхиляє (сили Коріоліса), рівна:

А = 2·v·ω·sinφ,

де v - Швидкість вітру;

ω– кутова швидкістьзвернення Землі, що дорівнює 7,29 · 10 -5 з -1.

φ – широта місця.

на вертикальний рухповітря діє вертикальна складова сили, що дорівнює:

А = 2 · v 1 · ω · cosφ,

де v 1 - Вертикальна складова швидкості вітру.

Горизонтальна складова сили Коріоліса спрямована під прямим кутом до руху повітря, у північній півкулі вправо, а в південній – вліво. Тому вона не прискорює і не сповільнює рух, а тільки змінює його напрямок.

- Сила тертя

Сила тертя гальмує рух повітря. Вона складається з сили зовнішнього тертя, яка пов'язана з дією земної поверхні, що гальмує, і з сили внутрішнього тертя, пов'язаної з молекулярною і турбулентною в'язкістю повітря.

Сила зовнішнього тертя лише гальмує рух, але з змінює напрям. Вона спрямована у бік, протилежний руху, і пропорційна його швидкості.

Дія внутрішнього тертя полягає в тому, що сусідні повітряні шари та об'єми повітря, які мають різну швидкість, впливають на рух один одного, між ними виникає сила в'язкості, яка перешкоджає їх переміщенню. Основна частина внутрішнього тертя зумовлена ​​турбулентним перемішуванням і тому часто називається турбулентним тертям. Воно у десятки тисяч разів перевищує молекулярне тертя. Усі причини, які зумовлюють посилення турбулентності, одночасно спричинять і збільшення внутрішнього тертя. Тим самим вони збільшують загальну силу тертя в атмосфері, а також сприяють поширенню її впливу вгору, на розташовані вище шари атмосфери. Сила внутрішнього тертя не має певного напрямку щодо руху і, зокрема, не збігається із напрямом сили зовнішнього тертя. Тому загальна сила тертя біля земної поверхні, яка представляє векторну суму сил зовнішнього та внутрішнього тертя, спрямована не суворо протилежно руху, а відхилена вліво від напрямку протилежного рухуна кут, приблизно рівний 35 0 . Загальна сила тертя, розрахована на одиницю маси повітря, є негативним прискоренням, яке гальмує рух повітря і дорівнює:

де k - коефіцієнт тертя, який залежить не тільки від шорсткості підстилаючої поверхні, але і від інтенсивності турбулентності в потоці повітря, що рухається, з -1 .

k змінюється від 0,2. 10 -4 до 1,2. 10 -4 з -1.

- Відцентрова сила

Відцентрова сила виникає при криволінійному русіповітря.

де V – швидкість руху;

r – радіус кривизни траєкторії руху.

Відцентрова сила спрямована радіусом кривизни траєкторії руху від центру, тобто у бік опуклості траєкторії. Для атмосферних рухіввідцентрова сила зазвичай мала, тому що радіус кривизни їх траєкторій становить сотні та тисячі метрів. Тому відцентрова сила зазвичай у 10-100 разів менша за силу Коріоліса. Але при великих швидкостяхі маленьких радіусах кривизни відцентрова сила у багато разів перевищує градієнтну силу. Такі умови створюються в невеликих вихорах з вертикальною віссю, які виникають у спекотну погоду, у смерчах і торнадо, де радіус траєкторії невеликий, а швидкості руху дуже великі.

ВСТАНОВЛЕНИЙ РУХ ПРИ ВІДСУТНІ ТРЕННЯ. Градієнтний ВІТЕР

Усталеним (стаціонарним) рухом називається рух, при якому в кожній точці простору величина та напрямок середньої швидкостіне змінюються з часом.

Установлений рух повітря за відсутності сили тертя називається градієнтним вітром.

У однорідному баричному полі градієнтна сила скрізь однакова за напрямом і за величиною. Тому рух повітря в такому полі буде рівномірним і прямолінійним. За відсутності сили тертя на повітря, що рухається, діють градієнтна сила (F G), спрямована перпендикулярно ізобарам і сила Коріоліса (A), спрямована перпендикулярно руху.

На малюнку 3.1 наведено схему сил, які діють на одиничний об'єм повітря при прямолінійному русібез урахування сили тертя.

V

Рисунок 3.1 – Схема сил, що діють на повітря при

прямолінійному русі без урахування сили тертя

При русі ці сили врівноважуються, оскільки вони однакові за величиною, але протилежні за напрямом. Так як сила Коріоліса перпендикулярна до руху, то рух є перпендикулярним градієнту тиску, тобто буде спрямовано вздовж ізобар. Отже, градієнтний вітер, що дме вздовж прямолінійних та паралельних ізобарів, називається геострофічним вітром.
Р

В – рівнодіюча сили Коріоліса та сили тертя.

Рисунок 3.2 – Схема сил, що діють у повітря

при прямолінійному русі з урахуванням сили тертя

Вектор швидкості в точці О відхилено від сили баричного градієнта вправо (у північній півкулі) на кут менше 90 0 . Градієнтна сила перпендикулярна до ізобарів і спрямована в бік низького тиску. Сила Коріоліса А перпендикулярна вектору швидкості та відхилена від нього вправо (у північній півкулі). Сила тертя R спрямована протилежно до вектора швидкості. Умовою стаціонарності руху є рівність нулю цих сил, що рівнодіють.

Кут тертя між напрямом вітру та градієнтом тиску в шарі тертя тим більше, чим більша широта місця і чим менший коефіцієнттертя.

Швидкість вітру за наявності тертя:

де k - Коефіцієнт тертя.

Кут відхилення вітру від градієнтного при прямолінійному русі:

де - кут відхилення вітру від градієнтного за наявності сили тертя.

Відхилення напряму вітру від горизонтального градієнта тиску в приземному шарі атмосфери в середньому становить 60° праворуч у північній півкулі. Вище приземного шару цей кут росте з висотою і на рівні тертя вітер стає градієнтним, відхилення сягає 90°.

Над океаном, де тертя між повітрям і поверхнею, що підстилає, менше, ніж на суші, вітер ближчий до геострофічного, ніж над материком.

Досвід підтверджує, що вітер біля земної поверхні завжди відхиляється від баричного градієнта на деякий менший кут прямого в північній півкулі вправо, в південний - вліво. Звідси випливає таке правило: якщо стати спиною до вітру, то найнижчий тиск виявиться по лівий бікі трохи попереду, а більш високий тиск - праворуч і трохи позаду. Це становище було знайдено емпірично і зветься законом баричного вітру.

ГРАДІЄНТИЙ ВІТЕР ПРИ КРУГОВИХ ІЗОБАРАХ

У разі криволінійних ізобарів напрям градієнта тиску, а отже, і градієнтної сили змінюється від однієї точки до іншої. Тому рух повітря теж буде криволінійним. За відсутності сили тертя на повітря, яке рухається, у цьому випадку діють градієнтна, відцентрова сили та сила Коріоліса.

Градієнтний вітер, що дме вздовж кругових ізобарів, називається геоциклострофічним вітром.

Антициклон

Антициклон – це барична система з високим тискому центрі та зниженням тиску від центру до периферії.

На малюнку 3.3 наведено схему сил, що діють на одиничний об'єм повітря, що рухається вздовж замкнених кругових ізобарів в антициклоні.

Рисунок 3.3 – Схема сил, які діють повітря в антициклоні

(Північна півкуля)

Градієнтна сила (F G) спрямована перпендикулярно ізобарам до зменшення тиску, тобто від центру даної баричної системи до її периферії. У цьому напрямі діє і відцентрова сила (С). Сила Коріоліса (А) спрямована в протилежний бікі врівноважує перші дві сили. Вектор швидкості (V) відхилений праворуч від градієнта (для північної півкулі) і направлений по дотичній до ізобари. Отже, рух відбувається вздовж ізобар за годинниковою стрілкою (у північній півкулі). Такий рух називається антициклонічним.

У південній півкулівектор спрямований ліворуч від градієнтної сили. Тому рух повітря відбувається проти годинникової стрілки.

При зміцненому русі в антициклоні сила Коріоліса врівноважується градієнтною і відцентровими силами.

Рисунок 3.4 – Схема сил, які діють повітря у циклоні

(Північна півкуля)

Тут градієнтна сила спрямована від периферії до центру баричної системи та врівноважується відцентровою та силою Коріоліса, що збігаються у напрямку. Вектор швидкості спрямований праворуч від градієнта, і рух відбувається по ізобарах проти годинникової стрілки. Такий рух називається циклонічним.

При русі, що встановився в циклоні, градієнтна сила врівноважуються. відцентровою силоюта силою Коріоліса.

Швидкість геоциклострофічного вітру у циклоні:

Кут відхилення вітру від градієнтного при криволінійному русі:

де "+" відноситься до циклону, а "-" - до антициклону.

ПОВІТРЯНІ МАСИ.

ТУРБУЛЕНТНЕ ПЕРЕМІШУВАННЯ в АТМОСФЕРІ

Атмосферне повітря є дуже рухливим середовищем, в якому завжди відбуваються рухи, різні за масштабами і напрямками з різними швидкостями. Турбулентний характер атмосферних рухів повітря визначається наявністю шорсткості земної поверхні, нерівномірністю нагрівання різних ділянок поверхні, а також гідродинамічних властивостей атмосферних течій. Чим більша шорсткість земної поверхні, тим вища турбулентність. Чим інтенсивніше відбувається нагрівання повітря, тим вища турбулентність. Наслідком турбулентного руху є вертикальний та горизонтальний обмін повітря. Це призводить до перенесення в атмосфері тепла, вологи, пилу та інших домішок. Турбулентне перемішування веде до вирівнювання вмісту домішок атмосферному повітрі.

Вертикальний турбулентний обмін описується наступним рівнянням:

S = - A (dс/dz),

де S - кількість субстанції, що переноситься в одиницю часу через одиницю площі;

Dс/dz – вертикальний градієнт субстанції, тобто її зміна одиницю відстані по вертикалі;

А – коефіцієнт турбулентного обміну, який залежить від атмосферних умовта характеру земної поверхні.

При визначенні турбулентних потоків у приземному шарі атмосфери використовують коефіцієнт турбулентності k, що визначається за такою формулою:

де ρ – густина повітря, кг/м 3 .

Ступінь турбулентності може бути різним. Про це можна судити з спостережень за розподілом диму, що виходить із труб підприємств. Вид струменів диму, які виходять з труб при різного ступенятурбулентності атмосфери, наведено малюнку 3.5.

Коефіцієнти А і k в умовах атмосфери змінюються значною мірою як у часі, так і просторі. Вони залежать від вертикального градієнта швидкості вітру, термічної стійкостіатмосфери, властивостей земної поверхні (її шорсткості, термічної неоднорідності) та ін.

Загальна циркуляція атмосфери - круговоротні рухи повітряних мас, що тягнуться по всій планеті. Вони є переносниками різних елементівта енергії по всій атмосфері.

Уривчасте та сезонне розміщення теплової енергії викликає повітряні течії. Це призводить до різного прогрівання ґрунту та повітря на всіляких територіях.

Саме тому сонячний впливє основоположником руху повітряних мас та циркуляції атмосфери. Повітряні рухина нашій планеті бувають абсолютно різні - досягають кількох метрів або десятків кілометрів.

Найпростіша та зрозуміліша схема циркуляції атмосфери балу створена ще багато років тому і використовується в наші дні. Рух повітряних мас незмінний і безупинний, вони рухаються нашою планетою, створюючи замкнуте коло. Швидкість пересування цих мас безпосередньо пов'язана із сонячною радіацією, взаємодії з океаном та взаємодії атмосфери з ґрунтом.

Атмосферні рухи спричиняються нестабільністю розподілу сонячного тепла по всій планеті. Чергування протилежних повітряних мас - теплих і холодних - їх постійне стрибкоподібне переміщення вгору і вниз, утворює різні циркуляційні системи.

Отримання тепла атмосферою відбувається трьома шляхами використанням сонячної радіації, за допомогою конденсації пари та теплообміну із земним покривом.

Вологе повітря також важливе для насичення атмосфери теплом. Величезну роль цьому процесі грає тропічна зона моря.

Повітряні потоки в атмосфері

(Потоки повітря в атмосфері Землі)

Повітряні маси різняться за складом, залежить від місця зародження. Повітряні потокиподіляються на 2 основні критерії - континентальні та морські. Континентальні формуються над ґрунтовим покривомтому вони мало зволожені. Морські, навпаки, дуже вологі.

Основними повітряними потоками Землі є пасати, циклони та антициклони.

Пасати утворюються у тропіках. Їхній рух спрямований у бік екваторіальних територій. Це з перепадами тиску - на екваторі він низький, а тропіках - високий.

(Червоним на схемі відображено пасати (trade winds))

Освіта циклонів відбувається над поверхнею теплих вод. Повітряні маси пересуваються від центру до країв. Їх вплив характеризується рясними опадами та сильними вітрами.

Тропічні циклони діють над океанами на приекваторіальних територіях. Вони формуються будь-якої пори року, викликаючи урагани та шторми.

Антициклони утворюються над материками, де знижено вологість, але є достатня кількість сонячної енергії. Повітряні маси в цих потоках рухаються від країв до центральної частини, де вони нагріваються і поступово знижуються. Саме тому циклони приносять ясну та безвітряну погоду.

Мусони є змінними вітрами, напрямок яких змінюється посезонно.

Також виділяються вторинні повітряні маси, такі як тайфун та торнадо, цунамі.