Сила трения и ветер

Сила трения сообщает движению воздуха отрицательное ускорение, т.е. замедляет его, меняя при этом направление.

Сила трения максимальна у поверхности Земли и уменьшается с высотой, становясь пренебрежимой начиная с высоты около 1000 м. Нижний слой тропосферы от поверхности до этой высоты называют слоем трения или планетарным пограничным слоем. В этом слое сказывается шероховатость земной или водной поверхности. Механизм влияния шероховатости поверхности связан с турбулентным обменом по вертикали, при котором воздух перемешивается по вертикали, частицы воздуха передаются в разные слои, несущие с собой определенные динамические свойства – это динамическая турбулентность. К ней может добавляться и термическая турбулентность (вертикальная конвекция), перемешивающая воздух по вертикали.

Скорость ветра уменьшается вследствие трения настолько, что у земной поверхности (на высоте флюгера) над сушей она примерно вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра, рассчитанная для наблюдающегося барического градиента. Учитывать это влияние довольно сложно. Для этого используются, например, коэффициенты шероховатости, известные для различных типов подстилающей поверхности.

Действие силы трения R изменяет и направление ветра (рис.6.33).

Рис.6.33. Ветер в слое трения

Представим себе равномерное прямолинейное движение воз­духа при наличии силы трения. Это значит, что должны урав­новешиваться три силы: градиента, отклоняющая и трения (рис.6.33). Так как сила трения противоположна вектору ско­рости, она не лежит на одной прямой с отклоняющей силой вращения Земли. Поэтому и сила градиента, уравновешиваю­щая сумму двух остальных сил, не может лежать на одной прямой с отклоняющей силой. Как видно из рис.6.33, она будет составлять со скоростью ветра не прямой, а острый угол. Ины­ми словами, скорость ветра будет направлена не по изобарам, а будет пересекать их, отклоняясь при этом от градиента вправо (в северном полушарии) на угол меньше прямого. Ско­рость ветра в этом случае можно разложить на две составляю­щие - по изобаре и по градиенту.

Если представить себе равномерное движение воздуха при круговых изобарах и при наличии силы трения, мы придем к аналогичному выводу. И в этом случае сила трения не совпа­дает по направлению с отклоняющей силой, поэтому сила ба­рического градиента не ле­жит на одной прямой с отклоняющей силой. Скорость ветра также будет откло­няться от изобар, имея со­ставляющую, направленную по барическому градиенту.

При этом в циклоне, где градиенты направлены от периферии к центру, ветер будет иметь составляющую, направленную к центру. Она присоединяется к сос­тавляющей, направленной по изобарам против часовой стрелки. Поэтому в ниж­них слоях циклона ветер будет дуть против часовой стрелки, оттекая от периферии к центру. В антициклоне же составляющая по изобарам будет направлена по часовой стрелке, к ней присоединяется состав­ляющая, направленная по градиенту наружу, от центра анти­циклона к периферии. Ветер в нижних слоях антициклона бу­дет дуть по часовой стрелке, одновременно вынося воздух из­нутри антициклона к периферии (см. рис.6.27 и 6.30).

Проведя линии тока в нижних слоях циклона, мы увидим, что они представляют собой спирали, закручивающиеся против часовой стрелки и сходящиеся к центру циклона. Центр цик­лона является для линий тока точкой сходимости. В нижних слоях антициклона линии тока представляют собой спирали, расходящиеся по часовой стрелке от центра антициклона.