1.Силы, действующие в атмосфере. Массовые и поверхностные силы.

Силы, действующие в атмосфере, подразделяются на поверхностные и массовые.

Массовые силы приложены ко всем точкам сплошной среды, независимо от того, лежат ли эти точки на поверхности или находятся внутри этой поверх­ности. Величина массовой силы, действующей на какую-либо частицу, пропорциональна её массе (объему) и обычно рассчитывается на единицу массы.

Сила тяжести. Одной из массовых сил является сила тяжести действующая на любую как неподвижную, так и на движущуюся относительно Земли частицу воздуха.

Сила тяжести g представляет собой векторную сумму двух сил: силы земного притяжения g, направленной к центру Земли, и центробежной силы с, возникающей от вращения Земли во­круг своей оси и направленной по радиусу широтного круга, проходящего через рассматриваемую точку. Фор­мулу для центробежного ускорения можем написать так:

,где w² = 7,297 • 10^-5 1/с - угловая скорость вращения Земли; r — расстояние частицы от центра земли, ᵩ - географическая широта.

Отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса). Другой массовой силой являет­ся отклоняющее действие вращения Земли или так называемая сила Кориолиса, которая действует на движущиеся относительно Земли частицы воздуха, т.е. на воздушные течения в атмосфере. Сила Кориолиса возникает в результате переносного вращательного движения Земли во­круг своей оси и одновременного движения частиц воздуха относительно земной поверхности. Величина силы Кориолиса зависит от угловой скорости вращения Земли и относительной скорости движения частицы воздуха. Напомним, что частица, вращаю­щаяся вместе с землей (переносное движение) и одновременно имеющая некоторую скорость V относительно земли, испытывает, кроме центростремительного ускорения , и относительного ускорения dV/dt, еще ускорения от следующих причин:

а) различия переносных скоростей в пунктах, которые пересе­кает частица в своем относительном движении,

б) изменения направления относительной скорости (поворота траектории), вызываемого переносным движением.

Каждое из этих ускорений равно векторному произведению угловой скорости вращения на относи­тельную скорость. При этом вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращении в сторону, с которой вращение предполагается происходящим против часовой стрелки (для случая вращения земли — к северному полюсу).

Сумма этих двух ускорений представляет собой ускорение Кориолиса. Переменив знак (переходим от ускорения к силе по прин­ципу Даламбера), получаем для отклоняющей силы вращения зем­ли К, отнесенной к единице массы воз­духа, выражение

Проектируя векторное произведение на оси декартовой системы координат, находим со­ставляющие силы Кориолиса по осям координат:

Если начало системы координат взять на поверхности Земли, ось х направить на восток, ось у - на север, ось z - вертикально вверх, то проекции угловой скорости вращения Земли будут равны:

Поверхностные силы представляют собой результат взаимодействия соседних слоев и час­тиц воздуха друг с другом и приложены к любой поверхности, ограничивающей рассматриваемый объем воздуха в атмосфере или отделяющий один слой от другого.

В идеальной атмосфере, при отсутствии вязкости или внутреннего трения, когда частицы и слои воздуха могут беспрепятственно скользить относительно друг друга, поверхностные силы действуют перпендикулярно к поверхностям, ограничивающим частицы воздуха, проявляясь в форме сил давления. При этом величина давления в данной точке не зависит от ориентировки площадки, на которую это давление действует.

В реальной атмосфере, при наличии вязкости воздуха, поверхностные силы, действующие на любую площадку, уже не совпадают с направлением нормали к этой площадке и разлагаются на нормальные составляющие, направленные перпендикулярно к площадке, и касательные состав­ляющие, препятствующие скольжению отдельных слоев и частиц воздуха относительно друг - друга.

Величина поверхностной силы, действующей на какую-либо поверхность, пропорциональ­на ее площади, поэтому напряжения поверхностных сил рассчитывается на единицу площади.