21. Ускорение воздуха под действием барического градиента
Ветер возникает из-за неравномерного распределения атмосферного давления, т.е. благодаря существованию горизонтальных разностей давления. Если бы давление воздуха на каждой горизонтальной плоскости (на каждой поверхности уровня) было во всех точках одинаково, ветра бы не было. При неравномерном распределении атмосферного давления воздух стремится перемещаться из мест с более высоким давлением в места с более низким давлением.
Как известно, мерой неравномерности распределения давления является горизонтальный барический градиент. Воздух стремится двигаться от высокого давления к низкому по наиболее короткому пути, т.е. по нормали к изобаре, а это и есть направление барического градиента.
При этом воздух получает ускорение тем больше, чем больше барический градиент. Следовательно, барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т.е. вызывающая ветер и меняющая его скорость.
Однако, если бы на воздух действовала только сила барического градиента, то движение воздуха под действием этой силы было бы равномерно ускоренным. И хотя ускорение, сообщаемое воздуху силой градиента, невелико, при длительном действии этой силы воздух получил бы очень большие и притом неограниченно растущие скорости.
В действительности в атмосфере этого не наблюдается. Воздух движется, как правило, со скоростью несколько метров и иногда – несколько десятков метров в секунду, причем обычно скорость ветра медленно меняется во времени.
Это значит, что кроме силы барического градиента на движущийся воздух действуют другие силы, более или менее уравновешивающие силу градиента.
22. Отклоняющая сила вращения Земли
Ветер – это движение воздуха относительно земной поверхности, т.е. относительно системы координат, вращающейся вместе с Землей. Вращающаяся система координат не является инерциальной системой координат. В механике доказывается, что при движении любого тела во вращающейся системе координат оно отклоняется от первоначального направления движения относительно этой системы координат.
Иными словами, тело, движущееся во вращающейся системе координат, получает относительно этой системы поворотное ускорение, или ускорение Кориолиса, направленное пол прямым углом к скорости. Таким образом, поворотное ускорение не меняет модуль скорости, а только меняет направление скорости, т.е. направление движения (рис. 4).
Рис. 4. Движение объема воздуха по меридиану λ
На север со скоростью ав
Объем воздуха А движется по меридиану λ на север со скоростью АВ. Во время движения он сохраняет линейную экваториальную скорость АС, направленную на восток, которая имелась в начале движения. Поэтому на широту φ объем А прилетит в точку М2. В то же время лежащая на широте φ и меридиане λ в начале движения точка Мо за это время подвинется только в точку M1 Смещение M1M2 и есть результат действия ускорения Кориолиса [2].
Поворотное ускорение объясняется не какой-то внешней силой, отклоняющей воздух от первоначального направления движения. Поворотное ускорение объясняется неинерциальностью системы координат, т.е. вращением Земли.
Горизонтальная составляющая поворотного ускорения на вращающейся Земле имеет вид
А = 2ωvsin φ,
где ω – угловая скорость вращения Земли: φ – географическая широта и v – скорость ветра. Эта составляющая направлена под прямым углом к скорости вправо в Северном полушарии и влево – в Южном.
Если рассматривать действие поворотного ускорения на единицу массы, то его можно условно назвать отклоняющей силой вращения Земли или силой Кориолиса.
Горизонтальная составляющая отклоняющей силы вращения Земли зависит от широты φ. Она имеет максимальную величину 2ωv на полюсе (φ = π/2) и обращается в ноль на экваторе (φ = 0). Она также пропорциональна скорости ветра v и обращается в нуль при скорости ветра, равной нулю, т.е. в покоящемся воздухе силы Кориолиса нет.