8.2: Вітри та ефект Коріоліса

Диференціальний нагрів земної поверхні призводить до того, що екваторіальні області отримують більше тепла, ніж полюси (розділ 8.1). У міру прогріву повітря на екваторі він стає менш щільним і піднімається вгору, в той час як на полюсах холодне повітря щільніше і опускається. Якби Земля не оберталася, тепле повітря, що піднімається на екваторі, досягне верхньої атмосфери і почне рухатися горизонтально до полюсів. Коли повітря досягало полюсів, він охолоджувався і опускався, і рухався по поверхні Землі назад до екватора. Це призведе до однієї великої атмосферної конвекційної клітини в кожній півкулі (рис.\(\PageIndex{1}\)), при цьому повітря піднімається на екваторі і опускається біля полюсів, а рух повітря над поверхнею Землі створює вітри. На цій необертовій Землі переважаючі вітри, таким чином, дули б від полюсів до екватора в обох півкуль (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\) Гіпотетичні атмосферні конвекційні осередки на необертовій Землі. Повітря піднімається на екваторі і опускається біля полюсів, створюючи єдину конвекційну комірку в кожній півкулі. Переважаючі вітри, що рухаються над земною поверхнею, дують від полюсів до екватора в обох півкуль (модифікований PW з зображення глобуса Location_of_Cape_Verde_in_the_globe.svg: похідна робота Еддо: Луан фала! [CC BY-SA 3.0], через Вікісховище).

Ситуація, що не\(\PageIndex{1}\) обертається на малюнку, звичайно, є лише гіпотетичною, і насправді обертання Землі робить цю циркуляцію атмосфери трохи складнішою. Шляхи вітрів на обертовій Землі відхиляються ефектом Коріоліса. Ефект Коріоліса є результатом того, що різні широти на Землі обертаються з різною швидкістю. Це тому, що кожна точка на Землі повинна зробити повне обертання за 24 години, але деякі точки повинні подорожувати далі, а отже, швидше, щоб завершити обертання за ту ж кількість часу. За 24 години точка на екваторі повинна завершити відстань обертання, рівну окружності Землі, що становить близько 40 000 км. Точка прямо на полюсах не охоплює жодної відстані в той час; вона просто обертається по колу. Так швидкість обертання на екваторі становить близько 1600 км/год, в той час як на полюсах швидкість дорівнює 0 км/год. Широти між ними обертаються з проміжними швидкостями; приблизно 1400 км/год при 30 ^о і 800 км/год при 60 ^о. Коли об'єкти рухаються по поверхні Землі, вони стикаються з регіонами різної швидкості, що призводить до відхилення їх шляху ефектом Коріоліса.

Щоб пояснити ефект Коріоліса, уявіть гармату, розташовану на екваторі та звернену на північ. Незважаючи на те, що гармата здається нерухомою для когось на Землі, вона фактично рухається на схід приблизно 1600 км/год завдяки обертанню Землі. Коли гармата стріляє, снаряд рухається на північ до своєї мети; але він також продовжує рухатися на схід зі швидкістю 1600 км/год, швидкість, яку він мав, поки він ще знаходився в гарматі. Коли снаряд рухається над більш високими широтами, його імпульс переносить його на схід швидше, ніж швидкість, з якою земля під нею обертається. Наприклад, на 30% широти ^снаряд рухається на схід зі швидкістю 1600 км/год, тоді як земля рухається на схід лише 1400 км/год. Тому снаряд «випереджає» свою мету, і приземлиться на схід від передбачуваного призначення. З точки зору гармати траєкторія снаряда, здається, відхилена вправо (червона стрілка, рис.\(\PageIndex{2}\)). Аналогічно, гармата, розташована на 60 ^о і звернена до екватора, буде рухатися на схід зі швидкістю 800 км/год. Коли його снаряд буде випущений у напрямку до екватора, снаряд буде рухатися на схід зі швидкістю 800 км/год, але коли він наближається до екватора, він буде рухатися над землею, яка рухається на схід швидше, ніж снаряд. Так снаряд потрапить «за» свою ціль, і приземлиться на захід від місця призначення. Але з точки зору гармати, зверненої до екватора, шлях снаряда все ж, здається, відхилений вправо (зелена стрілка, рис.\(\PageIndex{2}\)). Тому в Північній півкулі видимий прогин Коріоліса завжди буде праворуч.

У Південній півкулі ситуація зворотна (рис.\(\PageIndex{2}\)). Об'єкти, що рухаються до екватора від південного полюса, рухаються від низької швидкості до високої швидкості, тому залишаються позаду і їх шлях відхиляється вліво. Рух від екватора в сторону південного полюса також призводить до відхилення вліво. У Південній півкулі прогин Коріоліса завжди вліво від точки походження.

Величина відхилення Коріоліса пов'язана з різницею швидкості обертання між початковою і кінцевою точками. Між полюсами і 60 ^о широти різниця в швидкості обертання становить 800 км/год. Між екватором і 30 ^о широти різниця становить всього 200 км/год (рис.\(\PageIndex{2}\)). Тому сила ефекту Коріоліса сильніша біля полюсів, і слабша на екваторі.

\(\PageIndex{2}\)Малюнок Ефект Коріоліса. Об'єкти, що рухаються від екватора до полюсів (червоні стрілки), переміщаються в область повільнішої швидкості обертання і їх шляхи відхиляються «попереду» своєї точки початку. Рух з високих широт в низькі широти (зелені стрілки) йде з області малої швидкості в область з більшою швидкістю обертання, і відбувається відхилення «за» їх точкою походження. У Північній півкулі це відхилення завжди праворуч від точки походження, а в Південній півкулі відхилення завжди вліво (Модифікований PW від зображення глобуса Location_of_Cape_Verde_in_the_globe.svg: Похідна робота Еддо: Луан фала! [CC BY-SA 3.0], через Вікісховище).

Через обертання Землі та ефекту Коріоліса, а не однієї атмосферної конвекційної клітини в кожній півкулі, є три основні клітини на півкулю. Тепле повітря, що піднімається на екваторі, охолоджується, рухаючись через верхню атмосферу, і опускається приблизно на 30 ^o широти. Конвекційні клітини, створені шляхом підняття повітря на екваторі та потопаючого повітря при 30 ^o, називаються клітинами Хедлі, з яких є одна в кожній півкулі. Холодне повітря, яке спускається на полюсах, рухається над земною поверхнею у напрямку до екватора, і приблизно на 60 ^o широти він починає підніматися, створюючи Полярну клітину між 60 ^o і 90 ^o. Між 30 ^o і 60, ^щоб жити Ferrel Cells, що складаються з потопаючого повітря при 30° ^C і повітря, що піднімається при 60 ^° (рис.\(\PageIndex{3}\)). З трьома конвекційними клітинами в кожній півкулі, які обертаються в альтернативних напрямках, поверхневі вітри вже не завжди дують від полюсів до екватора, як на необертовій Землі на малюнку\(\PageIndex{1}\). Натомість поверхневі вітри в обох півкуль дують до екватора між 90 ^{o і 60 o} широтою та між 0 ^o і 30 ^o широтою. Між 30 ^o і 60 ^o широти поверхневі вітри дують до полюсів (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Малюнок\(\PageIndex{3}\) На обертовій Землі є три атмосферні конвекційні клітини в кожній півкулі, що призводить до чергування смуг поверхневих вітрів (червоні стрілки) (модифікований PW з зображення глобуса Location_of_Cape_Verde_in_the_globe.svg: Еддо похідна робота: Luan fala! [CC BY-SA 3.0], через Вікісховище).

На поверхневі вітри, створені клітинами атмосферної конвекції, також впливає ефект Коріоліса, коли вони змінюють широти. Ефект Коріоліса відхиляє шлях вітрів вправо в Північній півкулі і вліво в Південній півкулі. Додавання цього відхилення призводить до закономірності переважаючих вітрів, проілюстрованої на малюнку\(\PageIndex{4}\). Між екватором і широтою 30 ^о знаходяться пасати; північно-східні пасати в Північній півкулі та південно-східні пасати в Південній півкулі (зверніть увагу, що вітри називаються виходячи з напрямку, з якого вони походять, а не туди, куди вони йдуть). Заходи є домінуючими вітрами між 30 ^{o і 60 o} в обох півкуль, а полярні східні знаходяться між 60 ^o і полюсами.

\(\PageIndex{4}\)Малюнок Переважаючі візерунки вітру Землі (Модифікований PW з зображення глобуса Location_of_Cape_Verde_in_the_globe.svg: Еддо похідні роботи: Луан Фала! [CC BY-SA 3.0], через Вікісховище).

У проміжках між цими вітровими смугами лежать області високого і низького тиску. Зони високого тиску виникають там, де повітря опускається, тоді як зони низького тиску вказують на підвищення повітря. Уздовж екватора повітря, що піднімається, створює область низького тиску, яка називається депресією, або зона міжтропічної конвергенції (ITCZ) (зона конвергенції, оскільки саме тут сходяться пасати). На 30 ^o широти є зони високого тиску спадного повітря, відомі як кінські широти, або субтропічні максимуми. Нарешті, на 60 ^о лежить ще одна область низького тиску, яка називається полярним фронтом. Слід зазначити, що ці зони високого та низького тиску не закріплені на місці; їх широта коливається залежно від сезону, і ці коливання мають важливі наслідки для регіонального клімату.

Засмучений стан? Кінські широти? Пасати?

Це може здатися деякими дивними назвами цих атмосферних явищ, але багато з них можна простежити до морських традицій та знань.

Пригніченість відноситься до областей низького тиску навколо екватора. У цих районах повітря піднімається, а не рухається горизонтально, тому ці регіони зазвичай стикаються з дуже легкими вітрами. Відсутність вітру могло залишити вітрильні кораблі булизаспокоєними днями або тижнями за один раз, що не було добре для морального духу екіпажу корабля.

Як і депресії, кінські широти - це також райони з легкими вітрами, цього разу через спадне повітря, яке може залишити кораблі заспокоєними. Одне з пояснень терміна «кінські широти» полягає в тому, що коли ці кораблі опинилися на мілині, вони ризикували закінчитися їжею або водою. Щоб зберегти ці ресурси, моряки викидали за борт своїх мертвих або вмираючих коней, звідси і «кінські широти». Інше пояснення полягає в тому, що багато моряків отримували частину своєї зарплати перед рейсом, і часто витрачали її перед від'їздом. Це означало, що першу частину рейсу вони проведуть, працюючи без оплати та в борг, період, який називається часом «мертвого коня», який може тривати кілька місяців. Коли вони знову почали заробляти свою зарплату, вони провели церемонію «мертвого коня» і кинули прикинутого коня за борт. Терміни проведення цієї церемонії часто збігалися з досягненням кінських широт, що призвело до асоціації церемонії з локацією. Третє пояснення полягає в тому, що корабель називався «кінним», коли вітри були слабкими, і корабель замість цього повинен був покладатися на океанські течії, щоб перемістити їх. Це може бути звичайним явищем у зонах високого тиску навколо 30 ^o широти, тому їх називали кінськими широтами.

Термін пасати, можливо, спочатку походить від термінів «трек» або «шлях», але цей термін, можливо, став більш поширеним під час європейської розвідки та комерціалізації Нового Світу. Моряки, що пливуть з Європи до Нового Світу, могли плисти на південь, поки не досягли пасатів, які потім просувають свої кораблі через Атлантику до Карибського басейну. Щоб повернутися до Європи, кораблі могли плисти на північний схід, поки вони не увійшли до вестерліїв, які потім направили їх назад до Європи.