2.7. Сила трения

Трение проявляется в жидкостях и газах в тех случаях, когда различные части их имеют разную скорость движения. В атмосфере наибольшее значение имеют силы трения, порождаемые изменением скорости ветра с высотой, т.к. вертикальный градиент V ветра в десятки и сотни тысяч раз больше горизонтального. Нижнюю часть атмосферы, где наряду с градиентом давления силой Кориолиса существенную роль играют силы турбулентного трения, называется пограничным слоем атмосферы.

Влияние шероховатости земной поверхности через молекулярный и турбулентный обмен сказывается в атмосфере до нескольких сотен метров (1–1,5 км.).

Внутри пограничного слоя (слоя трения) выделяют приземный слой. Основное свойство приземного слоя – постоянство с высотой турбулентных потоков количество движения, тепла, водяного пара при возрастании с высотой коэффициента турбулентности. Поэтому в этом слое наблюдается вертикальные градиенты скорости ветра, температуры, относительной влажности воздуха в десятки и сотни раз больше, чем в вышележащих слоях, но убывают кверху. Верхняя граница приземного слоя располагается на высоте 50–100 м. (иногда 200–250 м) в зависимости от скорости ветра, шероховатости земной поверхности и устойчивости стратификации.

Сила трения направлена всегда в сторону, противоположную движению, и пропорциональна скорости. Сила трения уменьшает скорость движения воздушного потока и отклоняет его (воздушный поток) влево от изобар. Движение воздуха происходит не вдоль изобар, а под некоторым углом к ним от высокого давления к низкому.

Равномерное прямолинейное движение воздуха при равновесии силы барического градиента, отклоняющей силы вращения Земли и силы трения называется геотриптическим ветром. Влияние трения на направление и скорость ветра можно изобразить на следующей схеме. Под действием силы Кориолиса движение воздуха происходит не вдоль градиента давления G, а под прямым углом к нему, т.е. изобар. Действительный ветер изобразим вектором V_т. Сила трения лежит на одной прямой с вектором скорости, а сила Кориолиса – под прямым углом к действительному ветру. Таким образом, угол между действительным ветром и градиентом давления <90°. Поскольку G перпендикулярен изобарам, то действительный ветер оказывается отклоненным влево от изобар. Величина угла отклонения зависит от степени шероховатости земной поверхности. Обычно она равна 20–30°.

Сила трения оказывает влияние и на ветер, дующий вдоль замкнутых изобар (градиентный). Скорость ветра также будет отклонятся влево от изобар (по барическому градиенту). Поэтому в Северном полушарии циклоне ветер в нижней части будет дуть против часовой стрелки, оттекая от периферии к центру. В антициклоне в нижних слоях ветер будет направлен по часовой стрелке и выносить воздух от центра к периферии (рисунок 59).

Рисунок 59 – Изобары (1) и линии тока (2) в нижних частях циклона (а) и антициклона (б)

В Южном полушарии в циклоне ветер дует по часовой стрелке, но составляющая скорости ветра и там будет направлена к центру циклона. В антициклоне ветер дует против часовой стрелки, а дополнительная составляющая скорости направлена от центра к периферии.

Угол, на который отклоняется вектор скорости ветра от изобар, зависит от характера земной поверхности, скорости ветра, стратификации атмосферы (над морем – 10–20°; над сушей – 40–50°).

Рисунок 60 – Годограф скорости ветра в слое трения (спираль Экмана)

Для того чтобы охарактеризовать изменение направления и скорости ветра в зависимости от высоты, можно построить годограф (спираль Экмана). Годограф предсьтавляет собой кривую, соединяющую концы векторов, изображающих ветер на разных высоатх и проведенных их одного начала (рисунок 60). Из одной точки откладываем векторы, изобарический ветер на разных высотах, их концы соединяем. Годограф – векторная диаграмма. С его помощью можно представить суточный ход ветра, изменение ветра с высотой и др.

Суточный ход ветра хорошо выражен в слое трения. Скорость ветра у земной поверхности над сушей обнаруживает максимум около 14 ч., минимум – ночью или утром. Над морем суточный ход практически не выражен или слабый максимум ночью. На высоте 500 м над сушей максимум наблюдается ночью, минимум – днем.

Причина такого суточного хода: суточный ход турбулентного обмена. Днем, когда сильно развита турбулентность и конвекция, скорость ветра на разных высотах выравниваются (внизу растет, вверху – уменьшается). Ночью вертикальное перемешивание меньше, поэтому скорость ветра вверху будет больше, а внизу меньше, чем днем.

Изменяется в течение суток и направление ветра. В северном полушарии утром и днем в приземном слое наблюдается правое вращение ветра, а вечером и ночью – левое. При дневном усилении ветра он приближается к направлению ветра в верхней части слоя трения (градиентному и геострофическому), т.е. к направлению изобарам, т.е. правое вращение. Вечером и ночью, когда ветер ослабевает, он удаляется от изобар (геотриптический ветер) → левое вращение. На высоте направление ветра имеет противоположный суточный ход: правое вращение ночью и левое днем.

В южном полушарии вращение идет в обратном направлении.