Wstęp do Geofizyki. Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Transkrypt

1 Wstęp do Geofizyki Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

2 Wykład 4 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 2 /45

3 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 3 /45

4 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 (zwykle łączy się z siła grawitacji) Siła Coriolisa (działa tylko na ciała będące w ruchu) Siły tarcia, lepkości Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 4 /45

5 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 5 /45

6 ciśnienie (p) wysokość (z) Siła gradientu ciśnienia Siła grawitacji Ciśnienie atmosferyczne na danym poziomie jest to ciężar na jednostkę powierzchni całej masy powietrza znajdującego się powyżej danego poziomu. Ciśnienie zawsze maleje z wysokością. Siła gradientu ciśnienia skierowana jest do góry i jest równoważona przez siłę grawitacji 0 0 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 6 /45

7 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 7 /45

8 Horyzontalny gradient ciśnienia wysokie ciśnienie x p 1 p 2 niskie ciśnienie Horyzontalny gradient ciśnienia jest tym większy im większa różnica ciśnienia na małej odległości. Siła gradientu ciśnienia skierowana od większego do mniejszego ciśnienia. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 8 /45

9 H zimne powietrze Siła gradientu ciśnienia p/ x skierowana jest od wyższego do niższego ciśnienia ciepłe powietrze H Większe ciśnienie, ponieważ powietrze ma większą gęstość Mniejsze ciśnienie, ponieważ powietrze ma mniejszą gęstość Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 9 /45

10 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 p 0 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 10 /45

11 Ciśnienie mniejsze niż 500 mb Ciśnienie większe niż 500 mb Siła gradientu ciśnienia zimne powietrze ciepłe powietrze Takie samo ciśnienie na powierzchni Ziemi Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 11 /45

12 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 12 /45

13 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 13 /45

14 Efekt Coriolisa w ruchu północpołudnie Miasta X i Y są położone na tej samej długości geograficznej. Z miasta X wysyłana jest rakieta na północ wzdłuż południka. Rakieta ma prędkość wzdłuż równoleżnika taką jak prędkość X. W czasie potrzebnym na dotarcie na równoleżnik Y miasto Y przesuwa się na wschód na mniejszą odległość niż miasto X. Rakieta ląduje na prawo (na wschód) od miasta Y. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 14 /45

15 Siła Coriolisa w ruchu wschód - zachód Na półkuli północnej poruszające się ciało jest odchylane na prawo od kierunku ruchu. Na półkuli południowej ciała są odchylane w lewo od kierunku ruchu.. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 15 /45

16 Siła Coriolisa działa: Na półkuli północnej prostopadle na prawo od kierunku ruchu Na półkuli południowej prostopadle na lewo od kierunku ruchu Siła Coriolisa działa: Tylko na ciała znajdujące się w ruchu Jest tym większa im z większą prędkością porusza się ciało Jest zerowa na równiku i jej wartość zwiększa się w kierunku biegunów Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 16 /45

17 Jest siłą bezwładności wynikającą z ruchu obrotowego Ziemi Działa wyłącznie na ciała będące w ruchu; jest proporcjonalna do prędkości Siła Coriolisa jest największa na biegunach i najmniejsza (równa zero) na równiku Jest istotna dla ruchu odbywającego się w większej skali przestrzennej (> 100 km) Siła Coriolisa jest istotna do opisu ruchu horyzontalnego w atmosferze (skala przestrzenna ruchu może być większa niż 100 km) Siła Coriolisa nie jest istotna do opisu ruchu pionowego w atmosferze (skala przestrzenna jest ograniczona do grubości atmosfery troposfery: ok. 10 km); poza szczególnymi przypadkami (np. tornado) Jest skierowana: Na prawo od kierunku ruchu na półkuli północnej Na lewo od kierunku ruchu na półkuli południowej Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 17 /45

18 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 18 /45

19 510 mb Siła gradientu ciśnienia 515 mb 520 mb 525 mb Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 19 /45

20 510 mb 515 mb 520 mb Siła gradientu ciśnienia Siła Coriolisa Trajektoria cząstki 525 mb Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 20 /45

21 510 mb 515 mb 520 mb Siła gradientu ciśnienia Siła Coriolisa Trajektoria cząstki 525 mb Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 21 /45

22 510 mb 515 mb 520 mb Siła gradientu ciśnienia Siła Coriolisa Trajektoria cząstki 525 mb Wiatr geostroficzny określa kierunek i prędkość ruchu cząstki powietrza odbywającego się w warunkach w których pozioma siła gradientu ciśnienia jest równoważona przez siłę Coriolisa (równowaga gesostroficzna). Jest zazwyczaj dobrym przybliżeniem wiatru powyżej warstwy granicznej atmosfery. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 22 /45

23 1 p u f y 1 p v f x f=10-4 s -1 czynnik Coriolisa =1 kg/m 3 p=1 hpa = 10 2 Pa y=10 km = 10 4 m p=1 hpa = 10 2 Pa y=100 km = 10 4 m u=100 m/s=360 km/h u=10 m/s=36 km/h Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 23 /45

24 980 mb Siła tarcia Siła gradientu ciśnienia Prędkość cząstki 990 mb 1000 mb 1010 mb Siła Coriolisa Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 24 /45

25 980 mb Siła tarcia Siła gradientu ciśnienia Prędkość cząstki 990 mb 1000 mb 1010 mb Siła Coriolisa Siła tarcia zmniejszyła prędkość cząstki. Maleje siła Coriolisa (zależna od prędkości). Siła gradientu ciśnienia przeważa nad siłą Coriolisa i odchyla cząstkę w kierunku niższego ciśnienia Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 25 /45

26 980 mb Siła tarcia Siła gradientu ciśnienia Prędkość cząstki 990 mb 1000 mb 1010 mb Siła Coriolisa Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 26 /45

27 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 27 /45

28 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 28 /45

29 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 29 /45

30 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 30 /45

31 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 31 /45

32 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 32 /45

33 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 33 /45

34 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 34 /45

35 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 35 /45

36 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.) Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 36 /45

37 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. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 37 /45

38 Kiedy ITCZ leży na północ od geograficznego równika, wówczas południowo-wschodnie wiatry pasatowe po przejściu równika zmieniają kierunek na południowo-zachodni i w miejscu ITCZ tworzy się strefa konwergencji sprzyjająca tworzeniu się niżu tropikalnego. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 38 /45

39 Kiedy ITCZ leży na południe od równika geograficznego (Zachodni Pacyfik oraz 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. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 39 /45

40 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 40 /45

41 Sir Gilbert Thomas Walker ( ) At the turn of this century, scientists still believed this strange phenomenon occurred independently of any other weather patterns. During the 1920s, while scientists in South America were busy documenting the local effects of El Niño, Sir Gilbert Walker was on assignment in India, studying monsoons. A British scientist, Walker, who was the head of the Indian Meteorological Service, had been asked in 1904 to try to figure out how to predict the vagaries of India's monsoons after an 1899 famine that was caused by monsoon failure. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 41 /45

42 Normalne warunki Warunki El Niño Information courtesy of David Adamec, NASA Goddard Space Flight Center, and METEO France. Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 42 /45

43 El Niño La Niña Courtesy of David Adamec, NASA Goddard Space Flight Center Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 43 /45

44 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 44 /45

45 Wstęp do Geofizyki - Fizyka atmosfery 45 /45