Domanda:
Perché i fronti freddi e altri effetti meteorologici a forte pendenza non si dissipano?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
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Perché i fronti freddi e gli altri effetti meteorologici su forti pendenze non si dissipano? Perché durano così a lungo? Perché il calore non si dissipa verso la regione più fredda?

La risposta breve è perché ci sono più forze in azione (forza del gradiente di pressione, forza di Coriolis, forza centrifuga e attrito (minore)). Il vento (e attraverso di esso temperatura / umidità / vorticità / ecc.) Non scorre semplicemente da alta pressione a bassa pressione nel modo in cui immagineresti a causa del modo in cui queste forze lavorano l'una contro l'altra. http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg In sostanza, il tempo che osserviamo è il risultato dell'aria che vuole "solo dissiparsi" ma è costretta a fare qualcos'altro.
@DrewP84: Hrm, sì, mi sono reso conto che stavo copiando la domanda (piuttosto vecchia) dal sito area51. È possibile che non sia possibile rispondere così com'è (troppo ampio?), O forse potrebbe essere migliorato. Pensieri? Forse una versione leggermente ampliata del tuo commento potrebbe servire come risposta.
Penso che la domanda sia buona. Sono sicuro che c'è qualcuno là fuori che può spiegarlo meglio di me. Ho scelto di dare la mia breve risposta nel frattempo. Le equazioni di dinamica dei fluidi non sono mai state il mio punto di forza.
Due risposte:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
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Bella domanda. Sembrerebbe senza pensarci troppo che l'aria in una zona di alta pressione dovrebbe spostarsi verso l'aria nella zona di bassa pressione, con conseguente scomparsa del gradiente di pressione. Il motivo per cui ciò non si verifica è perché sono all'opera altre forze (o pseudo-forze), che agiscono oltre alla forza risultante dal gradiente di pressione. Descriverò tali forze di seguito:

1. Gradiente di pressione:
Questa è la forza risultante dalla differenza di pressione tra una zona di alta e bassa pressione. Definiamo questo un gradiente di pressione, perché il cambiamento di pressione è continuo piuttosto che un cambiamento discreto tra una zona di alta e bassa pressione. Possiamo modellare l'accelerazione in una particolare direzione risultante da un gradiente di pressione utilizzando l'equazione:

$$ \ alpha = \ frac {-1} {\ rho} \ frac {dP} {dz} $$

dove $ \ alpha $ è l'accelerazione in un dato punto, $ \ rho $ è la densità dell'aria in quel punto e $ dP / dz $ rappresenta una piccola variazione di pressione su una piccola variazione di distanza orizzontale. Più in generale, possiamo modellare il vettore di accelerazione in 3 dimensioni utilizzando l'equazione:

$$ \ vec {\ alpha} = \ frac {-1} {\ rho} \ vec {\ nabla} P $$

Ora, se il gradiente di pressione fosse l'unica forza in azione, è ovvio dall'alto che l'accelerazione sarebbe diretta dalle aree di alta pressione verso le aree di bassa pressione, risultando infine in una dissipazione di tali gradienti.

La prossima pseudo-forza da considerare, tuttavia, è l'effetto Coriolis.

2. Effetto Coriolis:
L'effetto Coriolis influenza i venti lontani dall'equatore che si muovono orizzontalmente. Tali venti nell'emisfero settentrionale sono deviati a destra, mentre i venti nell'emisfero meridionale sono diretti a sinistra. Questo è il risultato della rotazione della Terra. (Ulteriori informazioni su questo effetto possono essere nella domanda e nella risposta qui). L'accelerazione risultante dalla forza psuedo di Coriolis è data dalla seguente equazione:

$$\boldsymbol{a}_C=-2\Omega\times\boldsymbol{v}$$

dove $ \ Omega $ rappresenta la velocità angolare della Terra e $ \ boldsymbol {v } $ rappresenta la velocità del vento. Il prodotto incrociato qui è significativo e indica che la deflessione dell'effetto di Coriolis sarà ad angolo retto rispetto alla direzione della velocità del vento. Ulteriori dettagli sulla derivazione del risultato specifico per la Terra a diversi angoli di latitudine possono essere trovati qui.

In che modo questo effetto di Coriolis impedisce al vento di spostarsi da alta a bassa pressione ? Bene, immagina che il vento inizi a spostarsi a nord (nell'emisfero settentrionale) da una regione di alta pressione a una regione di bassa pressione. A causa dell'effetto Coriolis, questo vento sarà deviato a destra e continuerà a essere deviato in questo modo fino a quando la forza pseduo risultante dall'effetto Coriolis bilancia esattamente la forza dovuta al gradiente di pressione (ignorando l'attrito per il tempo essere). In questo momento, diciamo che il vento è in equilibrio geostrofico. Il vento quindi non si sposta più direttamente dalla regione di alta pressione a quella di bassa pressione, ed è per questo motivo che i gradienti di pressione non si dissipano immediatamente. (Vedi forza di attrito sotto) Questo può essere rappresentato dall'immagine sotto, e includerò la formula quando avremo accesso a mathjax (nota che il termine di Coriolis è rappresentato in modo leggermente diverso in questo diagramma, ma non preoccuparti Spiegherò come è lo stesso quando viene aggiunto mathjax - fondamentalmente è solo una certa componente di direzione del mio vettore più generalizzato sopra):

enter image description here

3 . Attrito

Come ho accennato in precedenza, l'equilibrio geostrofico presume l'assenza di attrito. In realtà, l'attrito agisce rallentando il flusso del vento, riducendo a sua volta l'influenza dell'effetto Coriolis. Quindi alla fine il vento tende a spirare leggermente verso l'interno verso la zona di bassa pressione. L'effetto dell'attrito è più evidente nella bassa atmosfera e nella troposfera superiore l'approssimazione del movimento geostrofico è più accurata, e quindi i gradienti di pressione impiegheranno più tempo a dissiparsi nell'atmosfera superiore rispetto a quella inferiore.

La forza di attrito è data da:

$$ F = cV $$

dove $ c $ è una costante e $ V $ è la velocità del vento.

4. Gravità

I gradienti di pressione possono essere sostenuti anche verticalmente, a causa dell'influenza della gravità. Quando la forza di gravità bilancia il gradiente di pressione, questa situazione è nota come bilanciamento del vento idrostatico ed è rappresentata dall'equazione:

$$ dP / dz = - {\ rho} g $$

dove $ \ rho $ è la densità dell'aria e $ g $ è l'accelerazione dovuta alla gravità, che è di circa $ 9,8 ms ^ {- 2} $.

Net Effetto:

Anche se ho già risposto alla domanda, ho deciso di includere l'equazione che combina tutte e 4 le forze per completezza. Combinando tutte queste forze che agiscono sul vento, l'accelerazione netta del vento può essere determinata dall'equazione:

$$ \ frac {D \ boldsymbol {U}} {Dt} = - 2 \ Omega \ times \ boldsymbol {U} - \ frac {1} {\ rho} {\ nabla} p + \ boldsymbol {g} + \ boldsymbol {F} _r $$

dove $ \ boldsymbol {U} $ rappresenta la velocità del vento e $ t $ rappresenta il tempo. Le quantità in grassetto sono vettori e agiscono in una direzione specificata. (ad es. $ \ boldsymbol {g} $ agisce verticalmente, dove $ \ boldsymbol {F} $ agisce nella direzione opposta a $ \ boldsymbol {U} $). Di seguito è riportato l'immagine di questo:

enter image description here

Questa immagine mostra come agiscono le forze (esclusa la gravità) intorno alle zone di alta e bassa pressione. PGF è la forza del gradiente di pressione, CF è la forza psuedo-Coriolis e F è la forza di attrito che si oppone alla velocità del vento. Si noti che il vento si muove leggermente in direzione verso la regione di bassa pressione, piuttosto che perpendicolare al gradiente previsto dal movimento geostrofico. Ciò è dovuto alla forza di attrito.

Questo spiega solo il vento, non il motivo per cui i gradienti persistono. Dovresti davvero includere un'analisi della funzione frontogenetica e il ruolo della circolazione ageostrofica su un fronte (in 3 dimensioni) e il ruolo della deformazione nella direzione trasversale anteriore. Sebbene la risposta fornita non sia errata, non risponde realmente alla domanda.
@casey, sì, hai ragione, il mio post non è completo avendo tralasciato questi concetti aggiuntivi. Ho intenzione di modificare il post per includerli in seguito, quando avrò più tempo. Grazie per segnalarlo.
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
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Il motivo per cui i gradienti persistono è che i processi atmosferici fanno parte di un motore, guidato dall'energia del sole. Se il sole dovesse spegnersi, i gradienti si dissiperebbero di fatto. Ma fino ad allora, il sole riscalderà l'aria in superficie vicino all'equatore, mentre l'aria fredda affonda ai poli, creando una circolazione intorno alla terra (vedi celle di Hadley). I fronti sono i confini dei vortici formati nella circolazione.

Breve, semplice e dolce. Dovrebbe essere la risposta corretta.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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