O RUCHACH BEZWŁADNOŚCIOWYCH W ATMOSFERZE ZIEMSKIEJ

Mam nadzieję, że sezon ogórkowy ma się ku końcowi, że jachty już wracają do przystani, że newsy niebawem zaczną płynąć do SSI wartkim strumieniem. Ale za ten czas ciszy jakaś kara się należy. Niech nią będzie dzisiejsza pogadanka Witolda Kurskiego, kapitana żeglugi przeogromnej, doktora nauk prawdziwych. Dlaczego ma to być kara? Otóż kierunków studiów uniwersyteckich to teraz narobiło się multum, ale gwarantuję, że taka wiedza nie pozwoli nowej generacji pojąć sensu poniżej zamieszczonego artykuliku.

Żyjcie wiecznie !

Don Jorge

==========================

Drogi  Don Jorge !

W tej krótkiej pogadance meteorologicznej, przytoczyłem za profesorem Teodorem Kopcewiczem - autorem podręcznika akademickiego   FIZYKA  ATMOSFERY,  pojęcie kół bezwładności, ułatwiające zrozumienie stanów przejściowych w ruchach atmosfery.

 

Ruch rozpędzonych mas powietrza  a także wody,  po powierzchni naszego globu, po zaniku wymuszenia trwa dalej,  a masy powietrza (także wody) poruszają się wtedy dalej, ale już   po kołach bezwładności i z upływem czasu zanikają.

 

A potem pojawiają się nowe wymuszenia  i nowe  ruchy atmosfery  i tak jest od milionów lat.

 

ŻYJ   WIECZNIE

WITOLD

 

P.S.     Nie potrafię poprawnie w Wordzie napisać nazwiska Hrabiny *)

-----------------------------------------------                                                                                                                    

O RUCHACH BEZWŁADNOŚCIOWYCH  W ATMOSFERZE ZIEMSKIEJ

.

Tytułem wstępu przypomnę kilka podstawowych wiadomości o ruchach powietrza na półkuli północnej w układzie niżowym i wyżowym - ograniczając się w podanym przykładzie do szerokości geograficznej  55 stopni N.

Dla układów barycznych stacjonarnych, których izobary są zakrzywione  jak to ma miejsce w wyżach i w niżach, znaczący wpływ na prędkość wiatru ma siła odśrodkowa. Powstający wiatr nazywamy gradientowym; wieje on powyżej warstwy tarcia H  > 300 m  stycznie do izobar. (patrz rys.1).

                        

                                                    Rys.1   Warunki równowagi w przypadku zakrzywionych izobar.

.

Przy zakrzywieniu izobar cyklonalnym siła odśrodkowa  ,,O” wspomaga siłę Coriolisa  „K” w przeciwdziałaniu sile gradientu „G”, co oznacza że równowaga sił zostanie osiągnięta przy mniejszej prędkości wiatru gradientowego niż przy izobarach prostoliniowych. Warunek równowagi  dla tych trzech sił przyjmuje postać:


.                                                                     

Wniosek:  Przy zakrzywieniu  cyklonalnym izobar  prędkość wiatru gradientowego dla danego gradientu jest mniejsza niż przy izobarach prostoliniowych. Blisko  centrum niżu zakrzywienie izobar jest bardzo duże, to znaczy że promień  R staje się bardzo mały, i dlatego wiatr będzie tam znacząco osłabiony. Współczynniki 5.8 m/s oraz 8400 s występujące w powyższym równaniu wynikają z przyjętej gęstości powietrza na poziomie morza oraz ze składowej prędkości kątowej obrotu ziemi dla szerokości geograficznej 55 stopni.

 

Przy antycyklonalnym zakrzywieniu izobar siła odśrodkowa „O”wspomaga siłę gradientu „G”. Tej wypadkowej sile przeciwstawia  się siła Coriolisa  „K”, co oznacza że równowaga sił zostanie osiągnięta przy większej prędkości wiatru gradientowego niż przy izobarach prostoliniowych. Warunek równowagi przyjmie postać:                              

 

Wniosek: Przy zakrzywieniu izobar antycyklonalnym prędkość wiatru gradientowego

dla danego gradientu jest większa niż przy izobarach prostoliniowych. Wprawdzie w  wyżach nie obserwujemy silnego zakrzywienia izobar, ale wiatry są silniejsze niż przy izobarach prostoliniowych.

Wypisane warunki równowagi pozwalają na ocenę zjawiska jak zachowają się rozpędzone masy powietrza, gdy znikną gradienty ciśnienia. Na wyhamowanie ich prędkości potrzeba znacznego czasu niekiedy  wielu godzin, a w tym czasie wskutek bezwładności będą się one poruszały po powierzchni obracającej się ziemi. Wybieramy warunek równowagi   (2) dla antycyklonalnego zakrzywienia izobar, bowiem tylko w tym przypadku siła  Coriolisa jest skierowana  ku centrum wyżu, a warunek równowagi  (1) dla niżu jako bezsensowny w przypadku badanego problemu, odrzucamy. Jeżeli w wymienionym  powyżej warunku równowagi dynamicznej dla antycyklonalnego zakrzywienia izobar  podstawimy G = 0, a za   podstawimy V  to dla szerokości geograficznej  55 stopni  warunek równowagi przyjmie postać:

                                                                  

Stąd wniosek, że rozpędzone powietrze będzie się poruszać dalej po okręgu  o promieniu R zgodnie z ruchem wskazówek zegara

                                                        

 Promień R nazywany jest promieniem bezwładnościowym, a cząsteczki powietrza zataczają okrąg w czasie niezależnym od jego promienia. Okrąg o wyliczonym promieniu R nazywamy w meteorologii kołem bezwładności

 

Przykład 1 : (Dotyczy powietrza). Niech prędkość  przepływu V = 10 m/s  a szerokość  geograficzna wynosi 55 stopni.

Promień   R = 8400 s ·10 m/s  =  84 km

A czas  T = 2p× 84000/10 = 2p× 8400 s = 14~godzin ~40~minut

Wyliczony czas to połowa okresu tak zwanej doby wahadłowej (wahadło Foucaut).

 

Tego rodzaju ruchy po okręgach bezwładnościowych często obserwujemy nie tylko w atmosferze, ale  i w morzu oraz w jeziorach i zalewach  a to wskutek szybko zachodzących zaburzeń i choć są one dobrze znane specjalistom, to wprowadzają bardzo duże utrudnienia do prognozowania zachowania się nie tylko powietrza, ale  i wody  podczas ruchów o czasie będącym ułamkiem doby wahadłowej. Tak jest np. w przypadku bryzy, której czas trwania nie przekracza 10 godzin, a wiatr w tym czasie może zmienić kierunek i o dziewięćdziesiąt stopni. Gdy bryza cofa się  to wskutek zwrotu prędkości wiatru na przeciwny  powietrze zaczyna się poruszać po zupełnie innym okręgu bezwładnościowym niż przed zmianą kierunku wiatru  a więc powietrze nie wraca do miejsca z którego wyruszyło. W rzeczywistości zjawisko jest bardziej skomplikowane, bowiem wskutek tarcia zmieniają się prędkości, a więc śledząc tory cząstek powietrza stwierdzimy że poruszają się one w dłuższym okresie czasu po spiralach.

 

Przy prognozowaniu ruchów wody na powierzchni ziemi, trzeba pamiętać że:

1)  Na jeziorach mazurskich w części północnej  (od Rydzewa) woda płynie w kierunku północnym i stara się poruszać po kołach bezwładności tam gdzie jest to możliwe.

2) Na jeziorach mazurskich w części południowej  (od Tałt) woda płynie w kierunku południowym i stara się poruszać po kołach bezwładności.

3) Rzeka Narew wpływa do Zalewu Zegrzyńskiego, i stara się dalej płynąć po kołach bezwładności. Na początku wiosny  w  płytszych miejscach zalewu, woda przyspiesza i  tam warstwa lodu od spodu jest intensywniej wypłukiwana.  Taką przygodę, że   lód na Zalewie Zegrzyńskim, załamał się pod ślizgiem DN,  w najmniej oczekiwanym miejscu zalewu,  przeżył jeden z moich przyjaciół (lotnik i bojerowiec).

4) Na jeziorze Mamry w miejscach spłyceń   lód jest najszybciej wypłukiwany. Powstają liczne szczeliny i pęknięcia,  a to zjawisko jest  opisywane we wspomnieniach, nawet sprzed 100 lat, przez mieszkańców  Mazur.  Wymienię tylko Hrabinę Marion Donhoff*), i jej książkę

„ Namen die keiner mehr nent”   (Nazwy, których nikt już nie wymienia).

                      

Przykład 2 : (Dotyczy płynącej wody). Niech prędkość V =  0.1 m/s a szerokość geograficzna wynosi 55 stopni.

A czas  T oczywiście   wynosi 14~godzin ~40~minut bowiem jest to połowa okresu tak zwanej doby wahadłowej.

                                      

Czytelnikom  SSI polecam samodzielne  narysowanie na mapie, kół bezwładności np. dla  rzeki Narew, wpadającej do Zalewu Zegrzyńskiego, także  dla większych prędkości przepływu.

Entuzjastom bojerów polecam wyrysowanie takich kół bezwładności dla części jeziora  Tałty w rejonie ujścia Kanału Tałckiego (głębokości do 44 metrów !!! ). Na przeciwległym brzegu tego jeziora, są płycizny. Proszę o wyciągniecie  własnych wniosków odnośnie warunków lodowych w tym rejonie w okresie wiosennym.

Ratownikom wodnym poszukujących ciał utopionych osób mogę zalecić aby poszukiwania zaczynali w pobliżu miejscu wypadku i po określeniu promienia bezwładności dalsze poszukiwania prowadzili po obwodzie hipotetycznego  koła bezwładności zgodnie z ruchem wskazówek zegara.   Woda stara się krążyć po kołach bezwładności, ale lokalne warunki ukształtowania brzegów i dna  oraz zjawiska tłumienia, zniekształcają  te koła bezwładności. Tylko wnikliwa własna obserwacja zjawisk lodowych oraz przepływów wody na danym akwenie  i to wieloletnia  jest podstawą do nabycia  niezbędnego dla wodniaka doświadczenia.  To doświadczenie  trzeba zdobywać samemu i to w okresie wielu lat.

 

Przy pisaniu powyższego tekstu korzystałem z podręcznika Teodora Kopcewicza  p.t. FIZYKA ATMOSFERY  W-wa  1956 P.W.N.

2024-08-12   

Witold

 

Drukuj    Powrót
Komentarze
A wiatr izallobaryczny? Tomasz Piasecki z dnia: 2024-08-18 16:20:00
Odpowiedź Tomaszowi Piaseckiemu Witold Kurski z dnia: 2024-08-24 08:00:00