5.4 Геострофический и градиентный ветер
Ветер возникает как следствие неравномерного распределения атмосферного давления Количественная мера изменения атмосферного давления в горизонтальном направлении определяется величиной и направлением барического градиента . Воздух двигается из области высокого давления в область низкого по направлению барического градиента, который, в свою очередь, направлен по нормали к изобарам.
Горизонтальный барический градиент является равнодействующей сил давления, действующих на единицу объема воздуха. Для получения силы, действующей на единицу массы, необходимо разделить градиент на плотность воздуха, тогда выражение для горизонтального градиента
давления примет вид: 1/P * dP/dn Сила барического градиента приводит воздух в движение и увеличивает его скорость. Сила, приведенная к единице массы, есть ускорение. Несмотря на незначительное ускорение, масса воздуха под воздействием горизонтального барического градиента могла бы достигать больших скоростей, если бы не вступали в действие другие силы.
Одной из основных сил, воздействующих на воздушную массу, является отклоняющая сила вращения Земли, или Кориолисова сила. В северном полушарии эта сила всегда направлена под прямым углов вправо от направления движения массы воздуха. Кориолисово ускорение, т.е. сила, приведенная к единице массы, определяется из выражения A=2*w*sin φ где w – угловая скорость вращения Земли, φ – географическая широта, v – скорость ветра.
Простейший вид движения воздуха теоретически можно представить как равномерное прямолинейное движение без трения. Такое движение воздуха при наличии отклоняющей силы вращения Земли называется геострофическим ветром. В такой модели движения ветра, кроме горизонтального барического градиента
Поскольку движение равномерное, силы должны быть уравновешены, т.е. равны по модулю и противоположны по направлению. Отклоняющая сила вращения Земли в северном полушарии направлена под прямым углом вправо от направления движения. В этом случае градиент давления должен быть направлен под прямым углом к направлению движения влево. Так как под прямым углом н градиенту располагаются изобары, то ветер будет иметь направление вдоль изобар, при этом область высокого давления будет располагаться справа, а область низкого давления слева
Ветер у земной поверхности всегда отличается от геострофического, поскольку в приземном слое велика сила трения. В свободной атмосфере, начиная с высоты порядка 1000 м, реальный ветер имеет параметры весьма близкие к параметрам геострофического по направлению и скорости.
Сила трения на большой высоте пренебрежимо мала, кривизна траектории ветра также весьма незначительна. В этих условиях движение массы воздуха нельзя считать равномерным, однако, ускорения в ее движении очень невелики. Строгого совпадения реального и геострофического ветра в высоких слоях атмосферы не наблюдается, но использование понятие геострофического ветра позволяет с достаточной степенью точности определить скорость и направление ветра на различных высотах. В качестве исходных данных при решении этой задачи используются карты барической топографии.
Если движение воздуха происходит без воздействия сил трения по криволинейной траектории, то на массу воздуха действует центробежная сила, определяемая по формуле С= v2/r
где – скорость ветра, - радиус кривизны траектории движущейся частицы воздуха.
Ветер, в структуру которого включено движение по криволинейной территории, называется градиентным ветром.
Эта сила направлена по радиусу в сторону выпуклости траектории. Если предположить, что траектория частицы воздуха есть окружность (Рис. 5.8а, б), то вектор скорости в любой точке должен быть направлен по касательной.
В этой схеме отклоняющая сила вращения Земли должна быть направлена вправо под прямым углом к направлению движения частицы, а центробежная сила всегда направлена в сторону выпуклости. Сила горизонтального градиента давления должна уравновесить сумму этих сил. Барический градиент всегда направлен по нормали к направлению изобары. Отсюда следует, что направление ветра совпадает с касательной к изобаре.
В понятие градиентного ветра как частный случай входит и геострофический ветер, в том случае, когда радиус кривизны изобар равен бесконечности, т.е. они представляют собой прямые линии.
В циклоне центробежная сила всегда направлена наружу, в сторону выпуклости изобар, т.е. против градиента давления. Центробежная сила всегда меньше градиента давления. По этой причине, для сохранения равновесия сил, отклоняющая сила вращения Земли должна быть направлена в сторону периферии для того, чтобы совместно с действием центробежной силы, уравновесить силу барического градиента. Ветер, при этом будет дуть против часовой стрелки, отклоняясь от барического градиента вправо (Рис. 5.8 а).
В антициклоне, где вектор центробежной силы и барический градиент направлены к его периферии, (Рис.5.8 б), эти векторы уравновешиваются отклоняющей силой вращения Земли. В этом случае ветер дует по направлению часовой стрелки.
В южном полушарии движение воздуха в циклоне происходит по направлению часовой стрелки, а в антициклоне – против нее.
