Soru:
Soğuk cepheler ve diğer dik eğimli hava etkileri neden dağılmıyor?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Soğuk cepheler ve diğer dik eğimli hava etkileri neden dağılmıyor? Neden bu kadar uzun sürüyorlar? Isı neden daha soğuk bölgeye doğru yayılmıyor?

Kısa cevap, işte birden fazla kuvvetin olmasıdır (basınç gradyan kuvveti, coriolis kuvveti, merkezkaç kuvveti ve (küçük) sürtünme). Rüzgar (ve onun içinden geçen sıcaklık / nem / girdap / vb.), Bu kuvvetlerin birbirine karşı çalışma şekli nedeniyle hayal ettiğiniz gibi yüksek basınçtan düşük basınca akmaz. http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg Özünde, gözlemlediğimiz hava, "sadece dağılmak" isteyen ama başka bir şey yapmaya zorlanan havanın sonucudur.
@DrewP84: Hrm, evet, (oldukça eski) soruyu area51 sitesinden kopyalarken bunu fark ettim. Olduğu gibi yanıtlanamaz (çok geniş mi?) Veya belki geliştirilebilir. Düşünceler? Belki de yorumunuzun biraz daha genişletilmiş bir versiyonu bir cevap olabilir.
Bence soru iyi bir soru. Eminim bunu benden daha iyi açıklayabilecek biri vardır. Bu arada kısa cevabımı vermeyi seçtim. Akışkanlar dinamiği denklemleri hiçbir zaman güçlü yanım olmadı.
Iki yanıtlar:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Güzel soru. Çok fazla düşünülmeden, yüksek basınç bölgesindeki havanın düşük basınç bölgesinde havaya doğru hareket etmesi ve bunun da basınç gradyanının kaybolmasına neden olması gerektiği düşünülmektedir. Bunun meydana gelmemesinin nedeni, basınç gradyanından kaynaklanan kuvvete ek olarak hareket eden başka kuvvetlerin (veya sözde kuvvetlerin) olmasıdır. Bu tür güçleri aşağıda özetleyeceğim:

1. Basınç Gradyanı:
Bu, yüksek ve alçak basınç bölgesi arasındaki basınç farkından kaynaklanan kuvvettir. Bunu bir basınç gradyanı olarak adlandırıyoruz, çünkü basınç değişikliği, yüksek ve düşük basınç bölgesi arasındaki farklı bir değişiklikten ziyade süreklidir. Aşağıdaki denklemi kullanarak bir basınç gradyanından kaynaklanan ivmeyi belirli bir yönde modelleyebiliriz:

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

$ \ alpha $ belirli bir noktadaki ivme olduğunda, $ \ rho $ o noktadaki havanın yoğunluğudur ve $ dP / dz $, küçük bir değişiklik üzerindeki basınçtaki küçük bir değişikliği temsil eder. yatay mesafe. Daha genel olarak, aşağıdaki denklemi kullanarak ivme vektörünü 3 boyutlu modelleyebiliriz:

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

Şimdi, eğer basınç gradyanı işteki tek kuvvet olsaydı, yukarıdan, ivmenin yüksek basınçlı alanlardan düşük basınçlı alanlara yönlendirileceği ve sonuçta bu tür gradyanların dağılmasına neden olacağı açıktır.

Göz önünde bulundurulması gereken bir sonraki sözde kuvvet Coriolis etkisidir.

2. Coriolis Etkisi:
Coriolis etkisi, ekvatordan yatay olarak hareket eden rüzgarları etkiler. Kuzey yarımküredeki bu tür rüzgarlar sağa doğru yön değiştirirken güney yarımküredeki rüzgarlar sola yönlendirilir. Bu, Dünya'nın dönüşünün bir sonucudur. (Bu etkiyle ilgili daha fazla bilgi buradaki soru ve yanıtta bulunabilir). Coriolis psuedo-kuvvetinden kaynaklanan ivme aşağıdaki denklemde verilmiştir:

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

burada $ \ Omega $ Dünya'nın açısal hızını ve $ \ boldsymbol {v } $ rüzgarın hızını temsil eder. Buradaki çapraz çarpım önemlidir ve Coriolis etkisinin sapmasının rüzgar hızının yönüne dik açılarda olacağını gösterir. Farklı enlem açılarında Dünya için spesifik sonucu türetmeye ilişkin daha fazla ayrıntı burada bulunabilir.

Peki bu Coriolis etkisi rüzgarın yüksek basınçtan düşük basınca geçmesini nasıl durdurur? ? Rüzgarın yüksek basınçlı bir bölgeden kuzeye (kuzey yarımkürede) düşük basınç bölgesine doğru hareket ettiğini hayal edin. Coriolis etkisinden dolayı, bu rüzgar sağa doğru yön değiştirecek ve Coriolis etkisinden kaynaklanan pseduo-kuvvet, basınç gradyanı nedeniyle oluşan kuvveti tam olarak dengeleyene kadar (o an için sürtünmeyi göz ardı ederek) olmak). Şu anda, rüzgarın jeostrofik dengede olduğu söyleniyor. Bu nedenle rüzgar artık doğrudan yüksek basınç bölgesinden alçak basınç bölgesine hareket etmez ve bu nedenle basınç gradyanları hemen dağılmaz. (Aşağıdaki sürtünme kuvvetine bakın) Bu, aşağıdaki resimle temsil edilebilir ve mathjax'a erişimimiz olduğunda formülü dahil edeceğim (Coriolis teriminin bu diyagramda biraz farklı temsil edildiğini unutmayın, ancak endişelenmeyin Mathjax eklendiğinde nasıl aynı olduğunu açıklayacağım - temelde bu sadece yukarıdaki daha genelleştirilmiş vektörümün belirli bir yön bileşenidir):

enter image description here

3 . Sürtünme

Daha önce de bahsettiğim gibi, jeostrofik denge sürtünmenin olmadığını varsayar. Gerçekte, sürtünme rüzgarın akışını yavaşlatır ve dolayısıyla Coriolis etkisinin etkisini azaltır. Bu nedenle, nihayetinde rüzgar, alçak basınç bölgesine doğru spiral olarak hafifçe içeri doğru eğilme eğilimindedir. Sürtünmenin etkisi alt atmosferde daha belirgindir ve üst troposferde jeostrofik hareket yaklaşımı daha doğrudur ve bu nedenle basınç gradyanlarının üst atmosferde dağılması, alt atmosferden daha uzun sürecektir.

Sürtünme kuvveti şu şekilde verilir:

$$ F = cV $$

burada $ c $ sabittir ve $ V $ rüzgarın hızıdır.

4. Yerçekimi

Basınç gradyanları, yerçekiminin etkisiyle dikey olarak da sürdürülebilir. Yerçekimi kuvveti basınç gradyanını dengelediğinde, bu durum hidro-statik rüzgar dengesi olarak bilinir ve aşağıdaki denklemle temsil edilir:

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

burada $ \ rho $ hava yoğunluğu ve $ g $ yerçekimine bağlı ivme, yaklaşık 9,8 ms ^ {- 2} $.

Net Etki:

Soruyu zaten yanıtlamış olsam da, bütünlük için 4 kuvvetin tümünü birleştiren denklemi dahil etmeye karar verdim. Rüzgara etki eden tüm bu kuvvetleri birleştirerek, rüzgarın net ivmesi aşağıdaki denklemle belirlenebilir:

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

burada $ \ boldsymbol {U} $ temsil eder rüzgarın hızı ve $ t $ zamanı temsil eder. Kalın yazılan miktarlar vektörlerdir ve belirli bir yönde hareket eder. (ör. $ \ boldsymbol {g} $ dikey olarak hareket eder, burada $ \ boldsymbol {F} $ $ \ boldsymbol {U} $ 'ın tersi yönde hareket eder). Aşağıda bunun görüntüsü var:

enter image description here

Bu resim, kuvvetlerin yüksek ve alçak basınç bölgelerinde nasıl hareket ettiğini (yer çekimi hariç) göstermektedir. PGF, basınç gradyan kuvveti, CF, psuedo-Coriolis kuvveti ve F, rüzgarın hızına karşı çıkan sürtünme kuvvetidir. Rüzgarın, jeostrofik hareket tarafından tahmin edilen eğime dik olmak yerine, koğuşlarda düşük basınç bölgesine doğru hafifçe hareket ettiğini unutmayın. Bunun nedeni sürtünme kuvveti.

Bu sadece rüzgarı açıklar, eğimlerin neden devam ettiğini değil. Gerçekten frontogenetik fonksiyonun ve yaşostrofik dolaşımın bir cephedeki rolünün (3 boyutta) ve çapraz ön yöndeki deformasyonun rolünün bir analizini dahil etmelisiniz. Verilen cevap yanlış olmasa da, soruya gerçekten cevap vermiyor.
@casey, evet haklısınız benim yazım bu ek kavramları dışarıda bırakarak tamamlanmadı. Daha sonra daha fazla zamanım olduğunda bunları dahil etmek için gönderiyi düzenlemeyi planlıyorum. Gösterdiğiniz için teşekkürler.
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Eğimlerin devam etmesinin nedeni, atmosferik süreçlerin güneş enerjisi tarafından yönlendirilen bir motorun parçası olmasıdır. Güneş yanacak olsaydı, o zaman eğimler gerçekte dağılacaktı. Ancak o zamana kadar, güneş ekvatora yakın yüzeydeki havayı ısıtırken, soğuk hava kutuplarda batar ve dünyanın etrafında bir sirkülasyon yaratır (bkz. Hadley hücreleri). Cepheler, dolaşımda oluşan girdapların sınırlarıdır.

Kısa, basit ve tatlı. Doğru cevap olmalı.


Bu Soru-Cevap, otomatik olarak İngilizce dilinden çevrilmiştir.Orijinal içerik, dağıtıldığı cc by-sa 3.0 lisansı için teşekkür ettiğimiz stackexchange'ta mevcuttur.
Loading...