Основы физики атмосферы (стр. 3 из 6)
Тогда разность температур частицы и окружающей среды будет равна:
Пусть малая частица воздуха поднимается адиабатически на высоту ∆z, при этом ее температура будет меняться в соответствии с адиабатическим градиентом уа :
Учитывая, что давление в частице равно давлению окружающего воздуха, изменение плотности в соответствии с уравнением состояния (13.2) определяется разностью температур:
Отсюда знак вариации плотности определяется разностью адиабатического градиента и существующего в слое градиента температуры:
Поэтому при yа < β частица становится менее плотной, чем окружающий воздух (∆р < 0), и возникает выталкивающая сила плавучести (архимедова сила), направленная вверх. В этом случае атмосфера находится в неустойчивом состоянии,
поскольку любая сместившаяся вверх частица будет продолжать это движение. При yа > β частица становится более плотной, чем окружающий воздух (∆р > 0), и направленная вниз архимедова сила возвращает частицу обратно в исходное положение. Это случай устойчивого равновесия атмосферы. Особо устойчивые состояния атмосферы наблюдаются в так называемых слоях инверсии, когда β < 0 и температура возрастает с высотой. Температурные инверсии гасят вертикальные движения и конвекционные потоки, подавляют перемешивание воздуха. Такие инверсионные слои могут существовать достаточно длительное время и оказывать негативное влияние на состояние и экологию атмосферы, особенно в городах, поскольку приводят к накоплению загрязнений.
Динамика и глобальная циркуляция
Первоначально проведем качественное рассмотрение движения воздушных масс. Из курса механики известно, что физические тела, находящиеся на вращающейся планете в неинерциальной системе координат, приобретают дополнительное поворотное, или кориолисово ускорение. Кориолисово ускорение акесть удвоенное векторное произведение угловой скорости вращения Земли И на скорость тела vв неинерциальной системе координат:
Уравнение относительного движения материальной точки в неинерциальной системе координат может быть записано формально подобно уравнению движения в инерциальной системе координат, но с введением соответствующих дополнительных сил инерции. Иными словами, в неинерциальной системе координат появляется некоторая эффективная сила инерции, действующая со знаком «минус» и равная произведению массы тела на дополнительное ускорение. В частности, для описания кориолисова ускорения вводится плотность кориолисовой силы
Следует отметить принципиальное отличие сил инерции от обычных сил взаимодействия тел, состоящее в том, что для них нельзя указать, действие каких конкретно тел на данное тело ими описывается. Однако, не вдаваясь в детали, отметим, что в Северном полушарии под действием кориолисовой силы всякий движущийся объект, независимо от направления движения, будет отклоняться при движении вправо. Соответственно в Южном полушарии объект будет отклоняться влево от направления движения. Кориолисово ускорение имеет и вертикальную составляющую, но при обычных в атмосфере скоростях движения, не
превышающих сотни метров в секунду, эта составляющая мала (< 10-3) по сравнению с ускорением свободного падения д. При движении по экватору остается только вертикальная составляющая, и тело не отклоняется в горизонтальной плоскости. В остальных случаях при движении в горизонтальных направлениях кориолисова сила имеет существенное значение, во многих случаях она является определяющей.
Типичное поле давления воздуха на Земле неоднородно, оно имеет максимумы, минимумы, седловые точки. Неоднородность поля давления в атмосфере — следствие неоднородности поверхности планеты, содержащей континенты, океаны, моря, которые прогреваются по-разному. Рассмотрим некоторое поле давления с минимумом и максимумом (рис. 14.1). Поле давления размечено системой изолиний. Давление нарастает по изолиниям слева
направо. Здесь приведена качественная картина, без указания числовых значений давления, только с обозначением областей низкого (Н) и высокого (В) давлений. Под действием градиентов давления воздушный поток втекает в область низкого давления, с поворотом направо (в Северном полушарии) каждой втекающей частицы. Из области высокого давления воздушный поток вытекает также с поворотом направо. Вследствие такого движения образуются вращающиеся вокруг областей экстремумов давления потоки. Области пониженного давления с вращением против часовой стрелки (в Северном полушарии) называются циклонами, области повышенного давления с вращением по часовой стрелке — антициклонами. Нетрудно понять, что между
минимумом и максимумом давления будет наблюдаться перпендикулярный градиенту давления поток. Такое движение воздушных масс называется геострофическим ветром. Иными словами, геострофический ветер — это квазиравномерное движение воздушных масс под действием кориолисовых сил по изобарам перпендикулярно градиенту давления. Геострофическое приближение подразумевает равновесие между кориолисовой силой и градиентом давления, что часто хорошо выполняется на практике. В ряде случаев нужно учитывать движение воздуха и вдоль градиента давления, но при этом остается и геострофическая составляющая воздушного потока. Крупномасштабные течения общей циркуляции в атмосфере являются в основном квазигеострофическими. Основные закономерности квазигеострофических движений в атмосфере были поняты давно, еще в середине XIX столетия было сформулировано (Бейс-Баллот) правило: если стоять спиной к ветру, то слева будет область низкого давления, а справа — высокого (в Северном полушарии, а в Южном — наоборот). На рис. 14.2 приведен пример космического снимка Земли в ИК диапазоне, на котором хорошо просматриваются
несколько циклонических спиралей с разными направлениями вращения в Северном и Южном полушариях.
Рассмотрим систему глобальной циркуляции атмосферы. Сильнее всего наша планета нагревается в районе экватора, здесь больше падает и поглощается солнечной энергии на единицу площади. Там же идет сильное испарение, образование облаков и туч, большое количество осадков, и теплый воздух поднимается вверх. Таким образом, образуется глобальная ячейка циркуляции (ячейка Хэдли (Гадлея)): теплый воздух поднимается от экватора и опускается где-то в области 30-х широт. Отсюда следует, что в районе 30-х широт находится область высокого давления — область субтропических циклонов. Соответственно ветры от 30-х широт дуют по направлению к экватору, где находится область низкого давления — экваториальная ложбина и внутритропические зоны конвергенции. В районе 60-х широт также образуется область низкого давления, и между 30-ми и 60-ми широтами формируется еще одна ячейка глобальной циркуляции (ячейка Ферреля). Наконец между 60-й широтой и полюсом формируется полярная ячейка глобальной циркуляции с областью высокого давления на полюсе (полярный антициклон).
Система глобальной циркуляции атмосферы хорошо объясняется в рамках геострофического приближения (см. рис. 9.1). Ветры, которые дуют из области 30-х широт к экватору, отклоняются вправо (в Северном полушарии) и приобретают преобладающее северо-восточное направление — это так называемые северо-восточные пассаты. В Южном полушарии пассаты имеют юго-восточное направление. В целом пассаты, дующие из областей высокого давления 30-х широт к экватору, имеют общее восточное направление. Ветры, которые дуют из области высокого давления 30-х широт к области низкого давления 60-х широт, имеют общее западное направление, это так называемый западный перенос. Полярные ветры имеют восточное направление.
Отметим некоторые дополнительные особенности системы глобальной циркуляции атмосферы. Как сказано выше, в Северном полушарии между 30 и 60° преобладают западные ветры, а в Южном полушарии эти ветры заметно сильнее. Это связано с тем, что в 40-х широтах мы имеем фактически единый океан, не прерываемый континентами, только с узкой полосой суши в Южной Америке. Здесь над океаном ветры испытывают заметно меньшее торможение, разгоняются и образуют область
знаменитых «ревущих сороковых» широт, весьма опасных для мореплавателей. Кстати, и циклоны в Южной Атлантике почти не зарождаются. Есть еще любопытные исторические названия. В пору покорения Нового Света (конец XV-XVI в.) район максимума давления Северного полушария — 30-е широты получили название «конских» широт, потому, что очень часто в районе этих широт корабли попадали в штиль. А длительное стояние в штиль сокращало запасы воды и приводило к тому, что лошадей приходилось выбрасывать за борт, и их в ту пору много плавало в этих широтах.
Рассмотренная выше схема глобальной циркуляции атмосферы предполагает усреднение по достаточно большим периодам времени. Конечно, ежечасные и ежедневные реальные карты ветров заметно отличаются от схемы глобальной циркуляции в силу многих других локальных и региональных факторов.
Уравнения движения. Локальные эффекты
Рассмотрим далее основные закономерности динамики атмосферы на основе уравнения движения для частицы воздуха. Как обычно, выбираем достаточно малую частицу по сравнению с внешними масштабами задачи, но достаточно большую по сравнению с размерами молекул, чтобы ее можно было считать частицей сплошной среды. В названных пределах выбор объема при разбиении сплошной среды на частицы не должен играть роли, поэтому уравнение движения целесообразно нормировать на объем элементарной частицы и перейти к распределениям объемной плотности сил и плотности ускорения среды. Тогда уравнение движения будет иметь вид