Fråga:
Varför försvinner inte kalla fronter och andra branta vädereffekter?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Varför försvinner inte kalla fronter och andra vädereffekter med brant gradient? Varför håller de så länge? Varför försvinner inte värmen mot det kallare området?

Det korta svaret beror på att det finns flera krafter i arbete (tryckgradientkraft, corioliskraft, centrifugalkraft och (mindre) friktion). Vind (och därigenom temperatur / fukt / virvling / etc) flyter inte bara från högt tryck till lågt tryck som du kan tänka dig på grund av hur dessa krafter fungerar mot varandra. http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg I grund och botten är vädret vi observerar ett resultat av att luft vill "bara försvinna" men tvingas göra något annat.
@DrewP84: Hrm, ja, jag insåg att när jag kopierade den (ganska gamla) frågan från området 51. Det är möjligt att det inte kan svara som det är (för brett?), Eller kanske det kan förbättras. Tankar? Kanske skulle en något utökad version av din kommentar fungera som svar.
Jag tycker att frågan är bra. Jag är säker på att det finns någon där ute som kan förklara det bättre än jag gjorde. Jag valde att ge mitt korta svar under tiden. Vätskedynamiska ekvationer var aldrig min starka punkt.
Två svar:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Bra fråga. Det verkar utan mycket eftertanke att luft i en högtryckszon bör röra sig mot luften i lågtryckszon, vilket resulterar i att tryckgradienten försvinner. Anledningen till att detta inte inträffar beror på att det finns andra krafter (eller pseudokrafter) som verkar utöver den kraft som kommer från tryckgradienten. Jag kommer att beskriva sådana krafter nedan:

1. Tryckgradient:
Detta är den kraft som beror på tryckdifferensen mellan en hög- och lågtryckszon. Vi kallar detta en tryckgradient, eftersom tryckförändringen är kontinuerlig snarare än en diskret förändring mellan en hög- och lågtryckszon. Vi kan modellera accelerationen i en viss riktning till följd av en tryckgradient med hjälp av ekvationen:

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

där $ \ alpha $ är accelerationen vid en viss punkt, $ \ rho $ är luftens densitet vid den punkten, och $ dP / dz $ representerar en liten tryckförändring över en liten förändring i horisontellt avstånd. Mer allmänt kan vi modellera accelerationsvektorn i tre dimensioner med ekvationen:

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

Nu om tryckgradienten var den enda kraften i arbetet är det uppenbart uppifrån att accelerationen skulle riktas från högtrycksområden till lågtrycksområden, vilket slutligen skulle leda till en spridning av sådana gradienter.

Nästa pseudokraft att tänka på är dock Coriolis-effekten.

2. Coriolis-effekt:
Coriolis-effekten påverkar vindar från ekvatorn som rör sig horisontellt. Sådana vindar på norra halvklotet avböjs åt höger, medan vindar på södra halvklotet riktas åt vänster. Detta är ett resultat av jordens rotation. (Mer information om denna effekt kan finnas i frågan och svaret här). Accelereringen till följd av Coriolis psuedo-kraft ges av följande ekvation:

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

där $ \ Omega $ representerar jordens vinkelhastighet och $ \ boldsymbol {v } $ representerar vindens hastighet. Tvärprodukten här är av betydelse och indikerar att avböjningen av Coriolis-effekten kommer att vara i rät vinkel mot vindens hastighet. Mer information om hur man får fram det specifika resultatet för jorden i olika latitudvinklar finns här.

Så hur hindrar denna Coriolis-effekt vinden från att flytta från högt tryck till lågt tryck ? Tänk dig att vinden börjar röra sig norrut (på norra halvklotet) från ett högtrycksregion till ett lågtrycksregion. På grund av Coriolis-effekten kommer denna vind att avböjas till höger och kommer att fortsätta att böjas på ett sådant sätt tills pseduokraften som härrör från Coriolis-effekten exakt balanserar kraften på grund av tryckgradienten (ignorerar friktionen för tiden varelse). Vid den här tiden säger vi att vinden sägs vara i geostrofisk balans. Vinden rör sig därför inte längre direkt från högtrycksregionen till lågtrycksregionen, och det är av denna anledning som tryckgradienterna inte försvinner direkt. (Se friktionskraft nedan) Detta kan representeras av bilden nedan, och jag kommer att inkludera formeln när vi har tillgång till mathjax (notera att Coriolis-termen representeras lite annorlunda i detta diagram, men oroa dig inte Jag ska förklara hur det är detsamma när mathjax läggs till - i grund och botten är det bara en viss riktningskomponent i min mer generaliserade vektor ovan):

enter image description here

3 . Friktion

Som jag nämnde tidigare förutsätter den geostrofiska balansen frånvaron av friktion. I verkligheten verkar friktion för att sakta ner vindflödet, vilket i sin tur minskar Coriolis-effekten. I slutändan tenderar sålunda vinden att spiralisera något inåt mot lågtryckszonen. Effekten av friktion är mer märkbar i den nedre atmosfären, och i den övre troposfären är den geostrofiska rörelsens approximation mer exakt, och därför tar tryckgradienterna längre tid att spridas i den övre atmosfären än den nedre atmosfären. > Friktionskraften ges av:

$$ F = cV $$

där $ c $ är en konstant och $ V $ är vindens hastighet.

4. Gravitation

Tryckgradienter kan också upprätthållas vertikalt på grund av gravitationens påverkan. När tyngdkraften balanserar tryckgradienten, är denna situation känd som hydrostatisk vindbalans och representeras av ekvationen:

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

där $ \ rho $ är densitet av luft och $ g $ är tyngdacceleration, vilket är ungefär $ 9,8 ms ^ {- 2} $.

Nät Effekt:

Även om jag redan har svarat på frågan har jag beslutat att inkludera ekvationen som kombinerar alla fyra krafterna för fullständighet. Genom att kombinera alla dessa krafter som verkar på vinden kan vindacceleration bestämmas av ekvationen:

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

där $ \ boldsymbol {U} $ representerar vindens hastighet och $ t $ representerar tid. Kvantiteterna i fetstil är vektorer och agerar i en specificerad riktning. (t.ex. $ \ boldsymbol {g} $ agerar vertikalt, där som $ \ boldsymbol {F} $ verkar i motsatt riktning till $ \ boldsymbol {U} $). Nedan ser du bilden av detta:

enter image description here

Den här bilden visar hur krafterna verkar (exklusive tyngdkraften) kring hög- och lågtryckszoner. PGF är tryckgradientkraften, CF är psuedo-Coriolis-kraften och F är den friktionskraft som motverkar vindens hastighet. Observera att vinden rör sig något i avdelningarna mot lågtrycksregionen snarare än vinkelrätt mot den lutning som geostrofisk rörelse förutsäger. Detta beror på friktionskraften.

Detta förklarar bara vind, inte varför lutningar kvarstår. Du bör verkligen inkludera en analys av den frontogenetiska funktionen och den åldersstora cirkulationens roll kring en front (i 3 dimensioner) och rollen för deformation i korsfrontens riktning. Även om det givna svaret inte är felaktigt svarar det inte på frågan.
@casey, ja du har rätt mitt inlägg är inte komplett efter att ha utelämnat dessa ytterligare koncept. Jag planerar att redigera inlägget för att inkludera dessa senare när jag har mer tid. Tack för att ni påpekade det.
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Anledningen till att gradienterna kvarstår är att atmosfäriska processer är en del av en motor som drivs av solenergin. Om solen skulle brinna ut, skulle övertoningarna faktiskt försvinna. Men tills dess kommer solen att värma upp luften vid ytan nära ekvatorn, medan den kalla luften sjunker vid polerna och skapa en cirkulation runt jorden (se Hadley-celler). Fronterna är gränserna för virvlarna som bildas i cirkulationen.

Kort, enkel och söt. Bör vara rätt svar.


Denna fråga och svar översattes automatiskt från det engelska språket.Det ursprungliga innehållet finns tillgängligt på stackexchange, vilket vi tackar för cc by-sa 3.0-licensen som det distribueras under.
Loading...