docSiła gradientu ciśnienia
download 
Reklamacja Transkrypt
Siła gradientu ciśnienia
Promieniowanie słoneczne A. B. C. D. E. Promieniowanie odbite w przestrzeń kosmiczną przez różne cząstki znajdujące się w górnej atmosferze Promieniowanie odbite przez aerozole i krople chmurowe (chmury) oraz rozproszone w troposferze Promieniowanie zaabsorbowane przez powierzchnię Ziemi Promieniowanie zaabsorbowane przez chmury Promieniowanie zaabsorbowane przez ozon w stratosferze Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 1 Bilans promieniowania słonecznego Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 2 Sposoby przewodzenia ciepła w atmosferze • Przewodnictwo • Konwekcja – przewodzenie ciepła przez poruszający się płyn – W meteorologii konwekcja to pionowa wymiana ciepła, horyzontalna wymiana ciepła to adwekcja • Przemiany fazowe wody • Promieniowanie – Prawo Wiena λmax = const T – Prawo Stefana-Boltzmanna Hanna Pawłowska E = σT 4 Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 3 Efekt cieplarniany http://forces.si.edu/atmosphere/02_04_07.html Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 4 Promieniowanie długofalowe Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 5 Bilans promieniowania na górze atmosfery -107 W/m2 Odbite promieniowanie słoneczne Hanna Pawłowska +342 W/m2 Dochodzące promieniowanie słoneczne Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery -235 W/m2 =0 wychodzące promieniowanie termiczne Wykład 2 6 Bilans promieniowania na powierzchni Ziemi -24 W/m2 -78 W/m2 Energia tracona w wyniku konwekcji +168 W/m2 -390 W/m2 Promieniowanie słoneczne dochodzące do Ziemi Hanna Pawłowska Energia tracona w wyniku parowania +324 W/m2 Promieniowanie termiczne emitowane przez Ziemię Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 =0 Promieniowanie termiczne re-emitowane przez atmosferę 7 Bilans energii w atmosferze + - 350 W/m2 165 W/m2 24 W/m2 30 W/m2 78 W/m2 324 W/m2 67 W/m2 519 W/m2 519 W/m2 Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 8 Podział atmosfery, rozkład temperatury Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 9 Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 10 Siły działające w atmosferze • Siła grawitacji • Siła gradientu ciśnienia – W pionie związana z siłą grawitacji – W poziomie związana z nierównomiernym rozkładem masy • Siły bezwładności wynikające z ruchu obrotowego Ziemi: – Siła odśrodkowa – Siła Coriolisa • Siły tarcia, lepkości Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 11 Ciśnienie Ciśnienie atmosferyczne na danym poziomie jest to ciężar na jednostkę powierzchni całej masy powietrza znajdującego się powyżej h p S objętość V = S ⋅h masa m = ρ ⋅V ciężar Q = m⋅g = ρ ⋅ S ⋅h⋅g ciśnienie p= Q = ρ ⋅h⋅g S ρ - średnia gęstość powietrza w kolumnie h Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 12 Pionowy gradient ciśnienia h p1 = ρ 1 ⋅ g ⋅ h dp = p1 − p2 = − ρ ⋅ g ⋅ dz dp = −ρ ⋅ g dz S dz Ciśnienie maleje z wysokością, dlatego pionowy gradient ciśnienia ma wartość ujemną Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery p1 ρ1 h+dz p2 = ρ 1 ⋅ g ⋅ h + ρ ⋅ g ⋅ dz ρ p2 Wykład 2 13 Zmiana ciśnienia z wysokością w atmosferze Równanie stanu gazu doskonałego dp = − ρgdz p = RTρ ⇒ ρ = p RT gp dz / p RT dp g =− dz p RT dp = − p dp =− p0 p ∫ z g dz z0 RT ∫ g (z − z 0 ) ln p =− p0 RT Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery p = p0e Wykład 2 − g ( z − zo ) RT 14 Ciśnienie p = p0e − g z RT g = 9,81 m / s 2 R = 287 J / kg ⋅ K T = 200 C = 293 K p0 = 1013 hPa p = 1013 ⋅ e −0,116⋅z (km ) [hPa] z = 1km p = 1013 ⋅ e −0,116⋅1 = 1013 ⋅ 0,89 = 902 hPa z = 4km p = 1013 ⋅ e −0,116⋅4 = 1013 ⋅ 0,63 = 637 hPa z = 8km p = 1013 ⋅ e −0,116⋅8 = 1013 ⋅ 0,39 = 400 hPa Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 15 Rozkład ciśnienia, temperatury i gęstości p = R ⋅T ⋅ ρ temperatura Ciśnienie i gęstość, Współrzędna pozioma logarytmiczna Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 16 Pozioma siła gradientu ciśnienia H H zimne powietrze Większe ciśnienie, ponieważ powietrze ma większą gęstość ciepłe powietrze Mniejsze ciśnienie, ponieważ powietrze ma mniejszą gęstość Siła gradientu ciśnienia Δp/Δ x skierowana jest od wyższego do niższego ciśnienia Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 17 Powstawanie poziomego gradientu ciśnienia Podgrzewamy prawą kolumnę i ochładzamy lewą kolumnę powietrza Ciśnienie 500 mb Początkowe położenie izobary np. 500 mb Ciśnienie 500 mb Siła gradientu ciśnienia Ciśnienie na powierzchni Ziemi p0 Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 18 Siła gradientu ciśnienia Ciśnienie mniejsze niż 500 mb Ciśnienie większe niż 500 mb Siła gradientu ciśnienia średnie położenie izobary 500 mb zimne powietrze ciepłe powietrze Takie samo ciśnienie na powierzchni Ziemi Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 19 Siła Coriolisa Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 20 Siła Coriolisa Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 21 Siła Coriolisa Odchylenie na prawo w stosunku do równoleżnika Równolegle do równoleżnika Na równiku siła Coriolisa nie działa Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 22 Opis ruchu W inercjalnym układzie współrzędnych G ⎛ dVi ⎜⎜ ⎝ dt Jedynymi siłami są : G ⎞ ⎟⎟ = ∑ F ⎠i G G 1 G ∑ F = g − ∇p + Fr • siła grawitacji • siła gradientu ciśnienia • siły tarcia ρ W nie-inercjalnym układzie współrzędnych trzeba uwzględnić siły bezwładności G G G G G G G 1 G dV = −2Ω × V − Ω × Ω × x + g − ∇p + Fr ρ dt ( ) Siła grawitacji W fizyce atmosfery siłę odśrodkową łączy się z siłą grawitacji! Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 23 Układ współrzędnych G G G i , j, k W dowolnym miejscu na Ziemi wersory skierowane na wschód, na północ i do góry G V = (u, v, w ) Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 24 Równanie ruchu G G G 1 G G dV = −2Ω × V − ∇p + g + Fr ρ dt Siła Coriolisa Siła gradientu ciśnienia Siła grawitacji Siły tarcia i lepkości Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 25 Siła Coriolisa G G G 1 G G dV = −2Ω × V − ∇p + g + Fr ρ dt G Ω G Ω G Ω ⋅ cosΦ ⋅ j G Ω ⋅ sinΦ ⋅ k G Ω = (0, Ω ⋅ cosΦ , Ω ⋅ sinΦ ) G V = (u, v, w ) Φ G i G j G k G G 2Ω × V = (2Ω ⋅ w ⋅ cos φ − 2Ω ⋅ v ⋅ sin φ , 2Ω ⋅ u ⋅ sin φ , − 2Ω ⋅ u ⋅ cos φ ) Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 26 Siła Coriolisa na półkuli północnej G i G j G k G V = (u,v,0) G 2Ω × V = (− 2Ω ⋅ v ⋅ sin φ , 2Ω ⋅ u ⋅ sin φ , − 2Ω ⋅ u ⋅ cos φ ) G u v siła Coriolisa ⎛ dv ⎞ ⎜ ⎟ = −2Ω ⋅ u ⋅ sin ϕ = − fu ⎝ dt ⎠ Co Siła Coriolisa działa w kierunku prostopadłym do prędkości u, ma znak ujemny, czyli działa w kierunku na południe – na prawo od kierunku prędkości Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery siła Coriolisa ⎛ du ⎞ ⎜ ⎟ = 2Ω ⋅υ ⋅ sin φ = fv ⎝ dt ⎠ Co Siła Coriolisa działa w kierunku prostopadłym do prędkości v, ma znak dodatni, czyli działa w kierunku na wschód - na prawo od kierunku prędkości Wykład 2 27 Siła Coriolisa na półkuli północnej ⎛ du ⎞ ⎜ ⎟ = 2Ω ⋅υ ⋅ sin φ = fv ⎝ dt ⎠ Co Na ciało poruszające się w kierunku północnym działa siła skierowana na wschód (na prawo od kierunku ruchu) ⎛ dv ⎞ ⎜ ⎟ = −2Ω ⋅ u ⋅ sin φ = − fu ⎝ dt ⎠ Co Na ciało poruszające się w kierunku wschodnim działa siła skierowana na południe (na prawo od kierunku ruchu) fo = 2Ω sin φo ≅ 10 − 4 s −1 , φo = 45o f = o , φ = 0o na równiku f = 1,4 ⋅ 10 − 4 s −1 , φ = 90o na biegunie Parametr Coriolisa Kąt odchylenia (α) od pierwotnego kierunku ruchu zależy od wartości parametru Coriolisai od czasu trwania ruchu α = 1 0 ⇒ t = 5 min 50 s tan α = f ⋅t 2 α = 450 ⇒ t = 5 godz 33 s Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 28 Cyrkulacja na nie obracającej się Ziemi Jedno-komórkowy model ogólnej cyrkulacji atmosfery: Założenia: •Ziemia jest jednorodnie pokryta wodą •Słońce jest nad równikiem •Ziemia się nie obraca •Wówczas tworzy się jedna komórka zwana -->> •komórką Hadley ‘a •Ciepłe powietrze unosi się w górę nad równikiem a zimne powietrze opada nad biegunami Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 29 Cyrkulacja na obracającej się Ziemi http://www.ees.rochester.edu/fehnlab/ees215/lect15.html Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 30 Komórki: Hadley’a, Ferrela i polarna Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 31 Elementy ogólnej cyrkulacji atmosfery • Prądy strumieniowe (jet stream) – Podzwrotnikowy – Polarny • ITCZ (Intertropical Convergence Zone) – Położenie – Miejsca powstawania cyklonów tropikalnych • • • • Cyrkulacja Walkera El Niño NOA – North Atlantic Oscilation Monsun Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 32 Strumieniowy prąd zwrotnikowy (subtropical jet) Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 33 Podzwrotnikowy prąd strumieniowy Tworzenie podzwrotnikowego prądu strumieniowego: • Tworzy się na północnym i południowym skraju komórki • Główna przyczyną jego powstania jest zasada zachowania momentu pędu Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 34 Powstawanie prądów strumieniowych Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 35 Polarny prąd strumieniowy (polar jet stream) Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 36 Jet stream Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 37 Cykliczne zmiany jet-stream Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 38 ITCZ – InterTropical Convergence Zone Na równiku i w jego pobliżu intensywność promieniowania słonecznego jest największa . Powietrze nagrzewa się od podłoża i unosi do góry. Tworzy się pas niskiego ciśnienia. Jest o jeden z elementów komórki Hadleya. Wznoszące się powietrze jest zastępowane przez powietrze napływające z północy i południa (wiatry pasatowe). Kiedy wiatry pasatowe spotykają się w rejonie równika tworzy się powierzchniowa konwergencja, w wyniku której powietrze unosi się do góry. Strefa ta nosi nazwę Zwrotnikowej Strefy Zbieżności - Intertropical Convergence Zone (ITCZ.) http://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Stages_of_Hurricane_Dev/ITCZ/ITCZ.html Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 39 http://www.geography.hunter.cuny.edu/~tbw/wc.notes/15.climates.veg/climate/A/seasonal.migration.ITCZ.jpg Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 40 ITCZ na równiku Kiedy ITCZ jest w pobliżu równika przepływ wiatru jest w przybliżeniu równoleżnikowy i ma kierunek wschodni. Strefa ITCZ staje się wąska i występuje bardzo mała aktywność w tworzeniu opadu. Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 41 ITCZ na półkuli południowej Kiedy ITCZ leży na południe od równika geograficznego (Zachodni Pacyfikorza Ocean Indyjski) wówczas północno-wschodni wiatr pasatowy po przejściu równika zmienia kierunek na północno-zachodni (siła Coriolisa zmienia kierunek po drugiej stronie równika) i powstaje strefa konwergencji sprzyjająca powstaniu niżu tropikalnego. Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 42 ITCZ na półkuli północnej Kiedy ITCZ leży na północ od geograficznego równika, wówczas południowowschodnie wiatry pasatowe po przejściu równika zmieniają kierunek na południowo-zachodni i w miejscu ITCZ tworzy się strefa konwergencji sprzyjająca tworzeniu się niżu tropikalnego. Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 43 Gdzie tworzą się cyklony tropikalne? 0º 5º Istnieje związek pomiędzy położeniem ITCZ oraz miejscem tworzenia cyklonów tropikalnych. Żaden cyklon nie tworzy się • na południowym Atlantyku (gdzie ITCZ nigdy nie jest położone na południe od 5 równoleżnika) • ani na południowo-wschodnim Pacyfiku (ITCZ pozostaje zawsze na północ od równika). Zdjęcia satelitarne pokazują niezwykle dużą ilość wirów cyklonicznych na północno-wschodnim Pacyfiku w miesiącach letnich. Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 44 Cyklony tropikalne 0º 0º 5º Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery 5º Wykład 2 45 Cyrkulacja Walkera http://earthobservatory.nasa.gov/Features/DelicateBalance/balance3.php Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 46 Cyrkulacja Walkera na równikowym Pacyfiku A. B. C. D. Parowanie wody z ciepłego oceanu dostarcza pary wodnej do dolnej atmosfery Wiatry pasatowe przenoszą wilgoć na zachód Wilgotne powietrze unosi się i powstaje deszcz Suche powietrze ochładza się i opada Anomalna sytuacja A. Wzrasta ilość wilgoci dostarczanej do powietrza C. Opad rośnie wolniej niż ilość dostarczanej wilgoci Dla zachowania równowagi wiatry pasatowe słabną http://www.ucar.edu/news/releases/2006/walker.shtml Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 47 Cyrkulacja Walkera http://geoinfo.amu.edu.pl/wpk/elnino/primer1.htm Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 48 El Niño Normalne warunki Warunki El Niño Information courtesy of David Adamec, NASA Goddard Space Flight Center, and METEO France. http://forces.si.edu/elnino Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 49 Temperatura powierzchni oceanu El Niño La Niña Courtesy of David Adamec, NASA Goddard Space Flight Center http://forces.si.edu/elnino/exhibition_3d1.html Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 50 El Niño Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 51 NAO – North Atlantic Oscilation Dodatni indeks NAO Ujemny indeks NAO Indeks NAO jest zdefiniowany jako różnica pomiędzy ciśnieniem niżu polarnego i wyżu zwrotnikowego w okresie zimowym (od grudnia do marca) http://www.ldeo.columbia.edu/res/pi/NAO/ Hanna Pawłowska Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 52 Monsuny zimowy Hanna Pawłowska letni Wstęp do Geofizyki – Fizyka Atmosfery Wykład 2 53
