5.3. Ветры Земли
Движение
атмосферных масс (ветры) обусловлены
действием тепловой атмосферной машины.
Нагреватель – тропики, холодильник –
полюса Земли. Коэффициент полезного
действия атмосферной тепловой машины
мал, всего около 0,01, но этого вполне
достаточно, чтобы обеспечить заметную
циркуляцию атмосферных масс. Оценим
характерную скорость
и характерное время
этой циркуляции. Между собой две эти
величины связаны соотношением
.
Кинетическую энергию атмосферы, деленную
на характерное время ее изменения
,
приравняем мощности тепловой машины.
.
Отсюда
.
Оценки эти, разумеется, по порядку величины. Однако в открытом океане ветры дуют со скоростями порядка 10 м/с, характерное время изменений погодных условий порядка недели.
В
верхней тропосфере на высотах до 10 км
плотность воздуха на порядок меньше.
Тогда из закона сохранения потока (
)
следует, что скорость ветров там будет
на порядок больше. Именно такие ветры
и наблюдаются на тропопаузе и выше.
Две силы определяют движения атмосферных масс: градиент давления и сила Кориолиса. Силой трения в объеме (но не вблизи земной поверхности!) можно пренебречь. Уравнение движения атмосферных масс имеют вид:
.
Распишем покомпонентно кориолисову силу, действующую на движущиеся воздушные массы. Делать это следует в сферических координатах, в которых
.
Тогда
.
Отсюда видно, что в северном полушарии
кориолисова сила действует всегда
вправо относительно направления
движения, а в южном полушарии всегда
влево.
На рисунке представлена планетарная система ветров, представления о которой сложились еще в XVIII–XIX вв. (Хэдли – 1735 г., Феррел – 1856 г.)
Высота ячейки Хэдли порядка 17 км (тропопауза над тропиками). Влажный и теплый воздух поднимается вверх, охлаждается, отдает воду и на широтах 25–300 опускается к поверхности Земли сухим и теплым потоком. В верхней части ячейки Хэдли текущие от экватора воздушные потоки кориолисовой силой заворачиваются с запада на восток. На высотах примерно 9 км Землю опоясывают два струйных течения – циркумполярные вихри. Скорость ветра в центре струйных течений 30–35 м/с, т.е. больше 100 км/час. В течение года струйные потоки мигрируют по широте.