2.2. Сила Кориолиса

Изменение направления и скорости ветра вызывается в первую очередь отклоняющей силой вращения земли, или силой Кориолиса³.

Возникновение этой мнимой силы вызывается вращением земли вокруг своей оси. Движущееся тело во вращающейся системе координат получает относительно этой системы поворотное ускорение (ускорение Кориолиса), которое направлено под прямым углом к вектору скорости. Т.о. оно меняет направление движения, но не модуль скорости. Именно поэтому ветер дует не вдоль градиента давления (от высокого к низкому), а отклоняется от него в северном полушарии вправо, а в южном – влево.

Поворотное ускорение описывается формулой:

,

где ω – угловая скорость вращения Земли; φ – широта; v – скорость движения.

Оно равно 0 на экваторе, наибольшей величины достигает на полюсе. Зависит от скорости движения тела. Величина силы Кориолиса такого же порядка, как и сила барического градиента.

2.3. Геострофический ветер

Простейшим видом движения воздуха является прямолинейное и равномерное движение без трения. В метеорологии оно называется геострофическим ветром (рисунок 57).

При этом предполагается, что на воздух действует лишь две силы: сила горизонтального барического градиента и сила Кориолиса, при этом они уравновешивают друг друга.

и

Отсюда для скорости геострофического ветра получим:

.

Рисунок 57 – Геострофический ветер

Выделим на какой-либо уровенной поверхности в атмосфере единичный объем воздуха. Если изобарические поверхности вблизи этого уровня наклонены к горизонту под некоторым углом, то на выделенный объем действует горизонтальная составляющая градиента давления G. Под влиянием G объем воздуха начнет двигаться с ускорением перпендикулярно изобарам в сторону низкого давления. Но как только возникнет скорость V, сейчас же появится сила Кориолиса А, направленная по нормали к вектору скорости вправо (в северном полушарии). Изменение скорости ветра V будет продолжаться до тех пор, пока А не уравновесит G (вектор скорости V будет поворачиваться вправо). Произойдет это в том случае, когда воздух начнет двигаться вдоль изобар. На картах абсолютной барической топографии геострофический ветер направлен вдоль изогипс.

На практике расчет Vg выполняется при помощи т.н. градиентных линеек, построенных Белинским, Погосяном и др. на основе приведенного соотношения и его производных.

В реальных условиях атмосферы, как правило, движение воздуха неустановившееся и не строго горизонтальное, а изобары (изогипсы) не прямолинейные и не равноотстоящие. Поэтому ветер и в свободной атмосфере не равен геострофическому. Соотношение дает лишь приближенные значения для проекций ветра вне пограничного слоя. Модели движения атмосферы, в которых проекции ветра принимаются равными Vg, называются квазигеострофическими. Они применяются для численных методов решения.

2.4. Центробежная сила

Если изобары криволинейные, то на движение воздуха оказывает влияние центробежная сила. Эта сила направлена от центра окружности (эллипса) к периферии по радиусу кривизны движения воздуха.

Центробежная сила определяется выражением: С =v²/r, где v – скорость, r – радиус кривизны.

Если принять, что движение воздуха происходит по окружности, то скорость его в любой точке будет направлена по касательной к окружности. Сила Кориолиса А направлена под углом 90°к вектору скорости по радиусу вправо (в северном полушарии). Центробежная сила С всегда направлена от центра к периферии.