Globālie atmosfēras procesi

Saturs:
Pamatspēki kas darbojas uz gaisa daļiņu
Vēji
Globālā cirkulācija
Jet Stream
Atmosfēras frontes
Vidējo platumu cikloni




Pamat Spēki, kas darbojas uz gaisa daļiņu
* Spiediena gradienta spēks
* Centrbēdzes spēks
* Koriolisa spēks
* Turbulentās berzes spēks

Spiediena-gradienta Spēks.

Spiediena gradienta spēks vienmēr vērsts virzienā, kur spiediens samazinās viss straujāk.

Centrbēdzes spēks

Ja auklā iesietu massu griež (pie, ap galvu), tad tā cenšas atrauties. Tas pēc būtības ir centrbēdzes spēks.
Ņūtona kustības likums saka, ka, ja uz objektu(piem. gaisa masa) nedarbojs spēki, tas kutas pa taisnvirziena trajektoriju. Lai gaisa daļiņa kustētos pa liektu trajektoriju (piem. ap ciklona vai anticiklona centru) uz to jādarbojas spēkam. Centrbēdzes spēķs kas pēc moduļa ir vienāds ar spēku kāds jāpieliek, lai daļiņa kustētos pa liektu trajektoriju, bet preteji vērsts. Centrbēdzes spēks ir proporcionāls ātruma kvadrātam un apgriezti proporcionals liekuma rādiusam (attālumam no rotacijas centra).

Koriolisa spēks

Dēļ zemes rotācijas neatkarīgi no virziena, kurā kustas objekts uz to darbojas spēks kurš ir perpendikulāri objekta kustībai. Ziemeļu puslodē pa labi, bet dienvidu pa kreisi. Koriolisa spēks ir proporcionāls ātrumam. Šī spēka iemesls ir centrbēdzes spēki, gaisa daļiņai rotējot ap zemes assi. Zemes gravitācija neļauj gaisa daļiņai aizlidot prom.

Piemēram: a) Objekts kustas uz austrumiem:

Tā kā zeme rotē pretēji pulkstenim, tad objektam kustoties uz austrumeim tā kustības rotācijas ātrums palielinās. Tādējādi palielinās arī centrbēdzes spēks (prom no rotācijas ass). Un tākā zemes virsma ar zemes rotācijas asi veido leņķi, tad centrbēdzes spēka izmaiņas projekcija uz zemes virsmas ir vērsta dienvidu virzienā.

b) Objekts kustas uz rietumeim.
Šai gadījumā objekta rotācijas atrums samazinās. Tādējādi samazinās arī centrbēdzes spēks. Šai gadījumā centrbēdzes spēka izmaiņas projekcija uz zemes virsmas ir ziemeļu virzienā.
c) Objekts kustas uz ziemeļiem

Šai gadījumā rotācijas rādiuss samazinās, tādējādi palielinās centrbēdzes spēks. Pie tam rotācijas centrs nobīdas tā ka centrbēdzes spēka izmaiņas projekcija uz zemes virsmu versta austrumu virzienā.

d) Objekts kustas uz dienvidiem.

Līdzīgi kā abjektam kustoties ziemeļu virzienā, tikai šai gadījumā rotacijas rādiuss palielinās un centrbēdzes spāka izmaiņas projekcija uz zemes virsmas versta rietumu virzienā.

Koriolisa spēku raksturoja Koriolisa parametrs K=0.0002916*sin(P), kur P - ģeogrāfiskais platums.
Tātad koriolisa spēks konkrētam ģeogrāfiskam platumam ir konstants. Latvijā K ir aptuven 0.00012 (1/s).

Turbulentās berzes spēks

Turbulences radīts berzes spēks. Šis spēks darbojas tika zemes virsmas tuvumā un nesasniedz tropopauzi.

Vēji

Tālāk tiks apskatīti vēji, kādi rodas ievērojot konkrētus spēkus.
Zemāk tiks apskatīti stacionāri gadījumi - proti tādi gadījumi kad visi spēki ir līdzsvarā un vējā ātrums konkrēta novērojumu punktā nemainās, vai mainās lēni.

Ģeostrofiskais vējš.

Ja tiek ņemts vērā spiediena gradienta spēks un koriolisa spēks, tad stacionārā gadījumā vējš ir vērsts paralēli horizontalajām izobārām (konstanta spiediena līnijas). Šis tuvinājums ir labs, apskatot zema/augsta spiediena ieplakas, kas nav aktīvu ciklonu vai anticiklonu darbības zonā. Atrisinot kustības vienādojumu iegūst:

G - Ģeostrofiskā vēja stiprums (m/s)
B - Gaisa blīvums (kg/m^3)
dP - Spiediena izmaiņa starp diviem punktiem (Pa)
dL - Attālums start punktiem (m)
K - Koriolisa parametrs (1/s)

Tātad zinot spiedienu kādā apgabalā iespējams diezgan precīzi izrēķināt vēja stiprumu.

Piemēram Latvijā, ja T ap +5 C , tad vēja ātrums G=640*dP/dl (m/s) . Jja dP=10hPa(1000 Pa) un dl=400km(400 000 m), tad G= 16 m/s.

Zemāk dots piemērs.

Šī sakarība nav pielietojama mesoscale procesu gadījumā (piem: tornado, triecienvētra, u.t.t).


Gradienta vējš.

Tuvinājums, kad papildus gradienta un koriolisa spēkiem tiek ņemts verā arī centrbēdzes spēks (cikloniskās/anticikloniskās rotācijas). Šai gadījumā vējš ir mazāks kā ģeostrofiskā gadījumā. Atrisinot kustības vienādojumu iegūst divus atrisinājumus:

Ciklonam:
Anticiklonam:kur

M - Gradienta vēja stiprums (m/s)
K - Koriolisa parametrs (1/s)
R - Attālums no rotācijas centra (m)
G - Spiediena profilam atbilstošais ģeostrofiskā vēja stiprums (m/s)

Gradienta vējš tāpat kā ģeostrofiskais ir vērsts paralēli isobarām, bet tas ir vājāks jo gradienta spēkam ir jālīdzsvaro gan koriolisa gan centrbēdzes spēks. Zemāk gradienta vēja piemērs.

Pie tam aticikloniem stabils rezulāts eksistē, ja G/KR<= 1/4 . Tas nozīmē, ka spiediens nevar pēc patikas strauji samazināties attālinoties no anticiklona centra, tādējādi arī maksimālā vēja stiprums noteiktā attālumā no anticiklona centra ir ierobežots.

Piemērs(robežgadījums): Reāliem anticikloniem spiediens attālinoties no ciklona centrā parasti samazinās daudz lēnāk.

Savukārt cikloniem nav ierobežojuma uz spiediena maiņas straujumu attālinoties no ciklona centra.

Robežslāņa vējš
Turbulence robežslānī (boundary-Layer) rada pretestību un tādējādi palēnina ģeostrofisko vēju. Šai gadījumā tiek ņemti vērā spiediena gradienta, koriolisa un turbulences berzes spēki. Atrisinot kustības vienādojumu, iegūst ka Robežslāņa vējš ir vērsts nedaudz pa kreisi no ģeostrofiskā vēja.


Robežslāņa gradienta vējš

Šei gadījumā tiek ņemti vērā spiediena gradienta, koriolisa, turbulences berzes un centrbēdzes spēki. Proti visi augstāk minētie spēki ir ņemti vērā.
Atrisonot kustības vienādojumu iegūst, ka Robežslāņa vējš ir lēnāks par gradienta vēju un vērsts nedauz pa kreisi no tā.


Robežslāņa gradienta vējš var būt pat 2 reizes mazāks kā ģeostrofiskais un veidot ar izobārām pat 10 grādu leņķi.


==============================================================
Termālais vējšs

Stacionāra gadījumā tur kur temperatūra lielāka spiediens ir liekāks. Savukārt spēks uz gaisa daļiņu vērsts virzienā kur spiediens mazāks. Un tā kā temperatūta samazinās virzienā no dienvidiem uz ziemeļiem, tad arī uz gaisa masām darbojās spēks virzienā uz ziemeļiem.

Termālā vēja sakarība

Ja ir horizontāls temperatūras gradients rada vertikālu ģeostrofiskā vēja gradientu (vējš palielinās līdz ar augstumu)
Piemēram, ja temperatūra 100 km distancē mainās no 8C līdz 12C tad ģeostrofikais vējš mainās apmēram 14 m/s uz augstuma kilometru.

Globālā cirkulācija.

Zemeslode dažādos platuma grādos no saules saņem dažādu siltuma daudzumu - tuvāk ekvatoram vairāk bet tuvāk poliem mazāk. Tādēļ tuvāk ekvatoram vidēji ir siltāks un tuvāk poliem aukstāks.
Vienādā spiedienā aukstāks gais ir blīvāks par silto gaisu. Tadēļ virs ekvatora sasilušais gais ceļas augšup, bet virs poliem gaisa masas grimst. Ja nebūtu zemes rotācijas un visu zemeslodi klātu ūdens, vai arī tā būtu vienmērīgs līdzenums, kā arī zemes ass būtu perpendikulāra saules orbītai. tad veidotos "Vienas šūnas cirkilācija", kad piezemes vēš pūstu no ziemeļiem uz dienvidiem, bet atmosfēra augšējos slāņos no dienvidiem uz ziemeļiem. Dēļ zemeslodes rotācijas vienas šūnas vietā ir 3. Tādēļ ir divas joslas kur gais ceļas augšup: ekvators un vidējie paltuma grādi (ap 60 paralēli). Savukārt gais grimst ap 30 paralēli un poliem. Vietās kur gais ceļas augšp ir pazemināts spiediens, bet kur grimst palielināts.

Jet Stream

Apraksts

"Jet stream" ir 8-11 km augstumā austrumu virzienā ātri plūstošas "šauras" gaisa masas joslas, kuru ātrums var pārsniegt 100 m/s.
Dēļ zemes virsmas nehomogenitātes(okeāni, kontinenti, kalnu u.t.t) šī plūsma nav vienmērīga un veido tādus kā viļņus ziemeļu/dienvidu virzienā. Šos viļņus sauc par planetārajiem viļņiem. Atsevišķos gadījumos šīs plūsmas var pat veidot noslēgtas cilpas, kuras palēnām izzūd, jo tiek izsmelti plūsmas ēnerģījas avoti.

Rašanās iemesli

Temperatūra pazeminās virzienā uz poliem.
Stacionāra gadījumā tur kur temperatūra lielāka spiediens ir liekāks. Savukārt spēks uz gaisa daļiņu vērsts virzienā kur spiediens mazāks. Un tā kā temperatūta samazinās virzienā no dienvidiem uz ziemeļiem, tad arī uz gaisa masām darbojas spēks virzienā uz ziemeļiem un gaisa masas "gribētu" kustēties ziemeļu virzienā.
Savukārt koriolisa spēka ietekmē šīs gaisa masas tiek novirzītas uz austrumiem.
Tātad "Jet Stream" galvenie iemesli ir:

a) Horizontāls temperatūras gradients.
b) Koriolisa spēks.

Jet stream virziens parasti ir perpendikulārs temperatūras gradientam (virziens kur temperatūra mainas visstraujāk). Un ja šis gradients nav ziemeļu virziena, tad ari Jet Stream neplūst austrumu virzienā

Atmosfēras frontes

Atmosfēras fronte - pērejas zona starp divām dažādām gaisa masām, kurām parasti(bet ne obligati viss) ir:

• stiprs horizontālais temperatūras gradients
• stiprs horizontālais mitruma gradients
• stiprs horizontālais vēja gradients
• stiprs horizontālā vēja izmaiņa ar augstumu.
• mākoņi un nokrišņi
• ...

Atmosfēras frontes gadījumā aukstais gais kurš iz blīvāks ir zem siltā mazāk blīva gaisa.

Pēc temperatūras struktūras un virzīšanās atmosfēras frontres iedala:

• Aukstās fronte - fronte, kura virzās siltā gaisa virzienā. Citiem vārdiem saus, aukstāks un blīvāks gais izspiež silto gaisu.
• Siltā fronte - fronte kura virzās aukstā gaisa virzienā. Citiem vārdiem siltais gais izspiež auksto gaisu.
• Stacionārā fronte - nekustīga vai mazkustīga fronte, kuras abās pusēs parasti (bet ne vienmēr) ir saus gais un tur nav nokrišņu. Atsevišķos gadījumos stacionāra fronte var dot ilgstošus nokrišņu.
• Oklūzijas fronte - Aukstā fronte virzas ātrāk par silto fronti. Kad aukstā fronte panāk silto fronti, tad tā sāk "kāp" virsū siltajai.

Pēc virsējo gaisa masu kustības frontes iedala:

• kata fronte - virsējais siltais gais virzas silā gaisa virzienā ("noteik/noslīd" no aukstās)
  
• ana fronte - virsējas siltais gaiss virzas aukstā gaisa virzienā (uzslīd).

Sitlās frontes ir tikai ana frontes. Savukārt aukstā fronte var būt gan kata, gan ana fronte.

Aukstā anafronte parasti ir paralēla "jet stream". Šīs frontes gadījumā mākoņu un
nokrišņu zona ir ap frontes līniju vai aiz tās.

Siltā anafronte parasti ar "jet stream" veido ievērojamu leņķi. Mākoņu un nokrišņu zona parasti ir pirms frontes.

Polāra fronte -Atmosfēras fronte starp aukstu polāro un siltu subtropisko gaisu. Starp globālās cirkulācijas polāro ferrela šūnu.

Vidējo platumu Cikloni

Vidējo platumu cikloni principiāli atšķiras no tropiskajiem cikloniem un "Polar low".

Ciklona dzimšanu augšanu un intensificēšanos sauc par cikloģenēzi ("Cyclogenesis"). Savukār tā pavajināšanos un izjukšanu sauc pa ciklolīzi ("Cyclolysis")

Ir divi vadošie vidējo platuma grādu ciklonu attīstības modeļi:

• Polārās frontes jeb Norvēģu modelis - modelis, kurš tika izstradāts jau I pasaules kara laikā balstoties uz vurzemes novērojumiem. Idealizēta ciklona atīstības stadijas dotas attēlā zemāk.

• Shapiro-Keyser - Daži virs atklātiem ūdeņiem(okeana) strauji attīstošies cikloni to attīstības sākuma sadijā neatbilst Norvēģu modelim. 1990 gadā Shapiro un Keyser publicēja modeli, kur šādus ciklonus apraksta. Zemāk dots idealizēts ciklona attīstības modelis.

Cikloģenēze
Vidējo platumu cikloni parasti veidojas uz polārās frontes, kad virs tās rodas nestabilitāte. Kā tika minēts, tad polārā fronte parasti ir zem "Jet Stream". Planetāro viļņu (Jet Stream viļņi ziemeļu dienudu virzienā) gadījumā "Jet Stream" var radīt nestabilitāti diezgan plašā apgabalā. Pamatā ir divi sekojoši mehānismi
Mehānisms 1:
Jet stream virzās dienvidu virzienā, tad dēļ attāluma palielināšanās no zemes rotācijas ass un impulsa momenta saglabāšanās likuma, tās ātrums samazinās un rodas konverģence. Savukārt, kad "Jet Stream" virzas ziemeļu virziena, tās ātrums palielinās un rodas diverģence. Šis mehānisms rada apmeram ar kārtu 1-3 cm/s gaisa pacelšanos plašā apgabalā.
Mehānisms 2:
Izteiktu Joslu kur "Jet Stream" ir visstiprākais sauc par "Jet Streak". Tur kur "Jet Streak" beidzas (izeja) parasti rodas augšējo troposfēras slāņu diverģence, kas rada apakšējo troposfēras slāņu konverģeni. Šis mehānisms rada apmeram ar kārtu 4-7 cm/s gaisa pacelšanos.

Kaut arī mehānisms 2 var dot lielāku piezemes slāņa konverģenci respektīvi arī lielāku gaisa pacelšanās ātrumu, tas ir daudz mazākā horizontālā apgabalā nekā mehānismam 1.


Zemāk dots piemērs, kur sektors 1 apzīmē aogabalu, kur piezemes slānī konverģenci rada mehanisms 1, bet sektors 2 norāda apgabalu, kir piezemes slāni konverģenci rada mehānisms 2.


Tur kur abi apgabali pārklājas iespējams(bet ne oblogāti), ka ir vislielākā konverģence. Ja šie konverģences apgabali vēl nav kāda ciklona ietekmē, tad šeit ir liela iespēja rasties jaunam ciklonam, īpaši kur abi apgabali pārklājas. Savukārt ja ciklons jau ir izveidojies, tad no šiem apgabaliem tas var saņemt lielu enerģijas daudzumu no latentā siltuma.