שְׁאֵלָה:
מדוע חזיתות קר ואפקטים אחרים של מזג אוויר תלול-שיפוע פשוט לא מתפוגגים?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

מדוע חזיתות קר ואפקטים אחרים של מזג אוויר תלול שיפוע פשוט אינם מתפוגגים? מדוע הם נמשכים כל כך הרבה זמן? מדוע החום לא מתפזר לעבר האזור הקריר יותר?

התשובה הקצרה היא מכיוון שיש כוחות מרובים הפועלים (כוח שיפוע לחץ, כוח קוריוליס, כוח צנטריפוגלי וחיכוך (במעט)). רוח (ודרכה טמפרטורה / לחות / מערבטיות וכו ') לא פשוט זורמת מלחץ גבוה ללחץ נמוך כמו שהייתם מדמיינים בגלל האופן שבו כוחות אלה פועלים זה נגד זה. http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg למעשה, מזג האוויר שאנו צופים בו הוא תוצאה של אוויר שרוצה "פשוט להתפוגג" אך נאלץ לעשות משהו אחר.
@DrewP84: Hrm, כן, די הבנתי שכשעתקתי את השאלה (הישנה למדי) מאתר area51. יתכן שזה לא ניתן לענות כמו שהוא (רחב מדי?), או אולי אפשר לשפר אותו. מחשבות? אולי גרסה מורחבת מעט של התגובה שלך תשמש כתשובה.
אני חושב שהשאלה טובה. אני בטוח שיש מישהו שם שיכול להסביר את זה טוב יותר ממני. בחרתי לתת את תשובתי הקצרה בינתיים. משוואות דינמיקה של נוזלים מעולם לא היו הצד החזק שלי.
שתיים תשובות:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

שאלה טובה. נראה כי בלי מחשבה יתרה, כי אוויר באזור לחץ גבוה צריך לנוע לעבר האזור באזור לחץ נמוך, וכתוצאה מכך נעלם שיפוע הלחץ. הסיבה לכך שאיננה מתרחשת היא מכיוון שיש כוחות אחרים (או כוחות פסאודו) הפועלים, הפועלים בנוסף לכוח הנובע מ שיפוע הלחץ. אפרט כוחות כאלה להלן:

1. שיפוע לחץ:
זהו הכוח הנובע מהפרש הלחץ בין אזור לחץ גבוה ונמוך. אנו מכנים זאת שיפוע לחץ, מכיוון ששינוי הלחץ הוא רציף ולא שינוי נפרד בין אזור לחץ גבוה ונמוך. אנו יכולים לדגם את התאוצה בכיוון מסוים הנובע משיפוע לחץ באמצעות המשוואה:

$$ \ alpha = \ frac {-1} {\ rho} \ frac {dP} {dz} $$

כאשר $ \ alpha $ הוא התאוצה בנקודה מסוימת, $ \ rho $ הוא צפיפות האוויר באותה נקודה, ו- $ dP / dz $ מייצג שינוי קטן בלחץ על פני שינוי קטן ב- מרחק אופקי. באופן כללי יותר אנו יכולים לדגם את וקטור ההאצה בתלת מימד באמצעות המשוואה:

$$ \ vec {\ alpha} = \ frac {-1} {\ rho} \ vec {\ nabla} P $$

כעת אם שיפוע הלחץ היה הכוח היחיד בעבודה, ניכר מלמעלה כי התאוצה תופנה מאזורי לחץ גבוה לאזורי לחץ נמוך, ובסופו של דבר תביא לפיזור של שיפועים כאלה.

כוח הפסאודו הבא שיש לקחת בחשבון הוא אפקט הקוריוליס.

2. אפקט קוריוליס:
אפקט הקוריאוליס משפיע על רוחות הרחק מהקו המשווה לנוע אופקית. רוחות כאלה בחצי הכדור הצפוני מוסטות ימינה ואילו רוחות בחצי הכדור הדרומי מופנות שמאלה. זו תוצאה של סיבוב כדור הארץ. (מידע נוסף על השפעה זו יכול להיות בשאלה ובתשובה כאן). התאוצה הנובעת מכוח psuedo Coriolis ניתנת על ידי המשוואה הבאה:

$$\boldsymbol{a}_C=-2\Omega\times\boldsymbol{v}$$

כאשר $ \ Omega $ מייצג את המהירות הזוויתית של כדור הארץ ו- $ \ boldsymbol {v } $ מייצג את מהירות הרוח. לתוצר הצלב כאן יש חשיבות ומצביע על כך שהסטה של ​​אפקט הקורוליס תהיה בזווית ישרה לכיוון מהירות הרוח. פרטים נוספים על הפקת התוצאה הספציפית לכדור הארץ בזוויות רוחב שונות ניתן למצוא כאן.

אז כיצד אפקט קוריוליס זה מונע את מעבר הרוח מלחץ גבוה ללחץ נמוך ? תאר לעצמך שרוח מתחילה לנוע צפונה (בחצי הכדור הצפוני) מאזור לחץ גבוה לאזור לחץ נמוך. בשל אפקט הקוריוליס, רוח זו תוסט לימין, ותמשיך להיות מוטה בצורה כזו עד שכוח הפסדואו הנובע מאפקט הקוריאליס מאזן בדיוק את הכוח עקב שיפוע הלחץ (תוך התעלמות מחיכוך לזמן זה. להיות). ב שעה זו אנו אומרים כי הרוח נאמרת במאזן גיאוסטרופי. לכן הרוח כבר לא עוברת ישירות מאזור הלחץ הגבוה לאזור הלחץ הנמוך, ומסיבה זו שיפועי הלחץ אינם מתפזרים מייד. (ראה כוח חיכוך בהמשך) זה יכול להיות מיוצג על ידי התמונה למטה, ואני אכלול את הנוסחה כשיש לנו גישה למת'אקס (שים לב שהמונח קוריוליס מיוצג קצת אחרת בתרשים זה, אבל אל תדאג אני אסביר איך זה אותו דבר כאשר מתמקס מתווסף - בעצם זה רק רכיב כיוון מסוים של הווקטור הכללי שלי למעלה):

enter image description here

3 . חיכוך

כפי שציינתי קודם, האיזון הגיאוסטרופי מניח את היעדר החיכוך. במציאות, חיכוך פועל להאט את זרימת הרוח, בתורו להפחית את השפעת אפקט הקורוליס. כך שבסופו של דבר הרוח אכן נוטה להסתובב מעט פנימה לכיוון אזור הלחץ הנמוך. השפעת החיכוך ניכרת יותר באטמוספירה התחתונה, ובטרופוספירה העליונה קירוב התנועה הגיאוסטרופית מדויק יותר, ולכן שיפורי הלחץ ייקח יותר זמן להתפזר באטמוספרה העליונה מאשר האטמוספירה התחתונה. > כוח החיכוך ניתן על ידי:

$$ F = cV $$

כאשר $ c $ הוא קבוע, ו- $ V $ הוא מהירות הרוח.

4. כוח המשיכה

שיפועי הלחץ יכולים להישמר גם אנכית, בגלל השפעת כוח המשיכה. כאשר כוח הכבידה מאזן את שיפוע הלחץ, מצב זה ידוע כמאזן רוח הידרו-סטטי, והוא מיוצג על ידי המשוואה:

$$ dP / dz = - {\ rho} g $$

כאשר $ \ rho $ הוא צפיפות האוויר, ו- $ g $ הוא התאוצה הנובעת מכוח המשיכה, שהיא כ- $ 9.8 אלפיות שניים ^ {- 2} $.

נטו אפקט:

אמנם כבר עניתי על השאלה, אך החלטתי לכלול את המשוואה המשלבת את כל 4 כוחות השלמות. בשילוב כל הכוחות הללו הפועלים על הרוח, ניתן לקבוע את התאוצה הרוחית על ידי המשוואה:

$$ \ frac {D \ boldsymbol {U}} {Dt} = - 2 \ Omega \ times \ boldsymbol {U} - \ frac {1} {\ rho} {\ nabla} p + \ boldsymbol {g} + \ boldsymbol {F} _r $$

כאשר $ \ boldsymbol {U} $ מייצג מהירות הרוח ו- $ t $ מייצג זמן. הכמויות המודגשות הן וקטורים, ופועלות בכיוון מוגדר. (למשל $ \ boldsymbol {g} $ פועל אנכית, כאשר $ \ boldsymbol {F} $ פועל בכיוון ההפוך ל- $ \ boldsymbol {U} $). להלן תמונה זו:

enter image description here

תמונה זו מראה כיצד הכוחות פועלים (לא כולל כוח המשיכה) סביב אזורי לחץ גבוה ונמוך. PGF הוא כוח שיפוע הלחץ, CF הוא כוח psuedo-Coriolis ו- F הוא כוח החיכוך המתנגד למהירות הרוח. שים לב שהרוח נעה מעט במחלקות לכיוון אזור הלחץ הנמוך, ולא בניצב לשיפוע החזוי בתנועה גיאוסטרופית. זה נובע מכוח החיכוך.

זה רק מסביר את הרוח, ולא מדוע השיפועים נמשכים. עליכם לכלול ניתוח של הפונקציה הפרונטוגנטית ואת התפקיד של המחזור האגיאוסטרופי סביב חזית (בתלת מימד) ותפקיד העיוות בכיוון החזית. התשובה הנתונה אמנם אינה נכונה, אך היא לא באמת עונה על השאלה.
@casey, כן אתה צודק ההודעה שלי לא שלמה לאחר שהשארתי את המושגים הנוספים האלה. אני מתכנן לערוך את הפוסט כדי לכלול אותם בהמשך כשיהיה לי יותר זמן. תודה שציינת את זה.
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
view on stackexchange narkive permalink

הסיבה שהמדרונות נמשכים היא שתהליכים אטמוספריים הם חלק ממנוע, המונע על ידי אנרגיית השמש. אם השמש הייתה נשרפת, אזי הדרגתיות הייתה מתפוגגת. אך עד אז, השמש תחמם את האוויר על פני השטח ליד קו המשווה, בעוד שהאוויר הקר שוקע בקוטבים ויוצר מחזור סביב כדור הארץ (ראו תאי הדלי). החזיתות הן גבולות הערבולים שנוצרו במחזור.

קצר, פשוט ומתוק. צריכה להיות התשובה הנכונה.


שאלה ותשובה זו תורגמה אוטומטית מהשפה האנגלית.התוכן המקורי זמין ב- stackexchange, ואנו מודים לו על רישיון cc by-sa 3.0 עליו הוא מופץ.
Loading...