Трение и ветер

Трение является силой, которая замедляет скорость движения воздуха и изменяет его направление. Силу трения можно считать направленной навстречу направлению ветра. С высотой сила трения убывает и на уровне 1000 км становится пренебрежимо малой по сравнению с другими действующими силами. Эта высота называется уровнем трения.

Нижний слой тропосферы между подстилающей поверхностью и уровнем трения называется слоем трения или планетарным пограничным слоем. В этом слое частицы воздуха с относительно небольшой скоростью, находящиеся вблизи земной поверхности, под воздействием турбулентного процесса перемещаются в более высокие слои атмосферы. Их место занимают частицы из верхних слоев, обладающие более высокой скоростью. Скорость движения этих частиц, в свою очередь, замедляется в приземном слое.

При неустойчивой стратификации атмосферы возникает и термическая турбулентность, называемая конвекцией, которая в значительной мере перемешивает воздух по вертикали. Конвекция, которая в большей мере наблюдается летом, оказывает влияние до высоты порядка 1500 м, где также сказывается влияние силы трения.

Скорость ветра, измеренная флюгером, расположенным на высоте 10 м, приблизительно в два раза меньше скорости геострофического ветра, вычисленного на основе существующих на этой высоте горизонтальных барических градиентов.

При прямолинейном и равномерном движении воздуха должны уравновешиваться следующие силы: горизонтальный барический градиент, отклоняющая сила вращения Земли и сила трения. Поскольку направление силы трения должно быть направлено против вектора скорости, то ее сложение с отклоняющей силой вращения Земли даст новое направление равнодействующей. В результате, вектор скорости составит с направлением барического градиента некоторый острый угол (рис. 5.9). В этом случае вектор скорости ветра будет направлен не по касательной к изобарам, а будет пересекать их, отклоняясь от направления барического градиента вправо. Скорость ветра в этом случае можно разложить на две составляющих, одна из которых совпадает по направлению с барическим градиентом, а другая направлена по касательной к изобаре.

Рис. 5.9. Ветер в слое трения:

G – сила барического градиента; А – отклоняющая сила вращения Земли;

R – сила трения; u – скорость ветра

В циклоне, где барические градиенты направлены от периферии к центру, вектор ветра имеет дополнительную составляющую, направленную к центру. В результате поток воздуха в циклоне движется против часовой стрелки, отклоняясь от периферии к центру (рис. 5.10 а). В антициклоне, где вектор скорости направлен по касательной к изобарам по направлению часовой стрелки, а градиент давления направлен в сторону периферии, движение воздуха будет направлено к окраине антициклона (рис. 5.10б).

Угол, который составляет вектор скорости с барическим градиентом, в среднем у земной поверхности равен 60º. Над морями и океанами он увеличивается до 70–80º, а над сушей уменьшается до 40–50º. По мере увеличения высоты над уровнем подстилающей поверхности этот угол возрастает и на уровне трения приближается к 90º, т.е. совпадает с направлением геострофического ветра. В общем случае в слое трения происходит поворот вектора скорости в правую сторону.

Рис. 5.10. Изобары и линии тока в циклоне (а) и в антициклоне (б)