Геострофический ветер

Геострофический баланс в Северном полушарии. Окружностями показаны изобары. Н — область низкого давления, В — область высокого давления.

Геострофи́ческий ве́тер (от др.-греч. γῆ «земля» + στροφή «поворот») — вызванный вращением Земли теоретический ветер, который является результатом полного баланса между силой Кориоли́са и горизонтальным компонентом силы барического градиента — такие условия называются геострофическим балансом. Геострофический ветер направлен параллельно изобарам (линиям постоянного атмосферного давления на определённой высоте). В природе такой баланс встречается редко. Реальный ветер почти всегда отклоняется от геострофического за счёт действия других сил (трение о поверхность Земли, центробежная сила). Таким образом, реальный ветер будет равен геострофическому, если отсутствует трение и изобары являются идеальными прямыми. Несмотря на практическую недостижимость таких условий, трактовка ветра как геострофического явления — достаточно хорошее первое приближение для определения потоков в атмосфере вне тропической зоны.

Происхождение

Воздух движется из областей с высоким давлением в область с низким давлением благодаря существованию силы барического градиента. Однако как только воздух приходит в движение, на него начинает действовать и сила Кориолиса, которая отклоняет поток на восток в Северном полушарии и на запад в Южном полушарии. С увеличением скорости ветра увеличивается и отклонение под влиянием силы Кориолиса. Отклонение увеличивается до тех пор, пока сила Кориолиса и сила барического градиента не сбалансируют друг друга, в результате чего воздух будет перемещаться уже не от области высокого давления в область низкого, а вдоль изобары (линии равного давления). Геострофическим балансом объясняется, почему системы низкого давления (в частности, циклоны) вращаются против часовой стрелки, а системы высокого давления (в частности, антициклоны) по часовой стрелке в Северном полушарии (и наоборот в Южном полушарии). Им же объясняется и барический закон ветра.

Геострофические течения

Многие течения в океане тоже геострофические. Как многочисленные измерения метеозондов, собирающих информацию об атмосферном давлении на разных высотах в атмосфере, используются для того чтобы определить поле атмосферного давления и вывести геострофический ветер, также и измерения плотности по глубине в океане используются для вывода геострофических течений. Спутниковые альтиметры также используются для измерения аномалий высоты морской поверхности, которая позволяет вести расчёт геострофических течений. Геострофическое течение в воде или в воздухе — это внутренняя волна нулевой частоты.

Ограничения геострофического приближения

Эффект трения между воздухом и земной поверхностью нарушает геострофический баланс. Трение замедляет поток, уменьшая эффект от силы Кориолиса. В результате сила барического градиента имеет больший эффект, и воздух всё-таки движется от высокого атмосферного давления к низкому атмосферному давлению, хоть и с большим отклонением. Это объясняет, почему ветры в системах высокого давления (антициклонах) расходятся от центра системы, тогда как ветры в системах низкого давления (циклонах) спирально закручиваются к центру системы.

При расчёте геострофического ветра пренебрегают силой трения, что обычно является хорошим допущением для мгновенного потока в средней тропосфере умеренных широт. Но, несмотря на то, что агеострофические члены в уравнении геострофического баланса относительно малы, они вносят значительный вклад в картину потоков и, в частности, играют большую роль в усилении и ослаблении ураганов.

Математическое выражение

В приближении геострофического баланса компоненты вектора скорости [math]\displaystyle{ \overrightarrow{V_g} }[/math] геострофического ветра [math]\displaystyle{ (u_g,v_g) }[/math] на изобарической поверхности могут быть записаны как:

[math]\displaystyle{ u_g = - {g \over f} {\partial Z \over \partial y}~, }[/math]

[math]\displaystyle{ v_g = {g \over f} {\partial Z \over \partial x}~, }[/math]

где:

[math]\displaystyle{ g }[/math] — ускорение свободного падения (9.81 м с⁻²);

[math]\displaystyle{ f=2\Omega \sin{\phi} }[/math] — параметр Кориолиса;

[math]\displaystyle{ \Omega }[/math] — угловая скорость вращения Земли;

[math]\displaystyle{ \phi }[/math] — широта (параметр Кориолиса равен примерно 10⁻⁴ с⁻¹);

[math]\displaystyle{ Z }[/math] — высота геопотенциала изобарической поверхности.

Справедливость этого приближения зависит от локального числа Россби. На экваторе приближение не работает, поскольку там [math]\displaystyle{ f }[/math] равняется нулю, и в тропиках обычно не используется.

Вектор скорости геострофического ветра также можно выразить через градиент высоты геопотенциала [math]\displaystyle{ \Phi }[/math] на изобарической поверхности:

[math]\displaystyle{ \overrightarrow{V_g} = {\hat{k} \over f} \times \nabla_p \Phi~. }[/math]

Параметры: [math]\displaystyle{ {\hat{k}} }[/math], подстрочный индекс [math]\displaystyle{ {_p} }[/math]^{[прояснить]}

См. также

Ссылки

Геострофический ветер // Метеорологический словарь.
Геострофический ветер // Газлифт — Гоголево. — М. : Советская энциклопедия, 1971. — С. 323. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 6).
Роберт Стюарт. Введение в физическую океанографию. Глава 10, Геострофические течения. — 2005. Архивная копия от 3 января 2011 на Wayback Machine