Геострофический ветер

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

Геострофи́ческий ве́тер — это теоретический ветер, который является результатом полного баланса между силой Кориоли́са и барическим градиентом. 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, рассмотрение ветра как геострофического является хорошим первым приближением для атмосферы вне тропической зоны.

Происхождение

Воздух движется из областей с высоким давлением в область с низким давлением благодаря существованию барического градиента. Однако как только воздух приходит в движение, начинает действовать и сила Кориолиса, которая отклоняет поток вправо в Северном полушарии и влево 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 ветер движется уже не от области высокого давления в область низкого давления, 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).

Геострофические течения

Многие течения в океане тоже геострофические. Как и 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, измерения плотности по глубине в океане используются для вывода геострофических течений. Спутниковые альтиметры также используются для измерения аномали высоты морской поверхности, которая позволяет вести расчёт геострофических течений на поверхности. 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 относительно малы, они вносят значительный вклад в развитие потоков и, в частности, играют большую роль в усилении и ослаблении ураганов.

Математическое выражение

В приближении геострофического баланса, компоненты геострофического ветра $(u_g,v_g)$ на изобарической поверхности могут быть записаны как:

$u_g = - {g \over f} {\partial Z \over \partial y}$

$v_g = {g \over f} {\partial Z \over \partial x}$

где g — ускорение свободного падения (9.81 м с⁻²), $f=2\Omega \sin{\phi}$ — параметр Кориолиса, где $\Omega$ — угловая скорость вращения Земли и $\phi$ — широта (параметр Кориолиса равен примерно 10⁻⁴ с⁻¹) и Z высота геопотенциала изобарической поверхности. Справедливость этого приближения зависит от локального числа Россби. На экваторе приближение не работает, поскольку там f равняется нулю, и в тропиках обычно не используется.

Вектор геострофического ветра также можно выразить через градиент высоты геопотенциала Φ на изобарической поверхности:

$\overrightarrow{V_g} = {\hat{k} \over f} \times \nabla_p \Phi$

См. также

• Высота морской поверхности

Ссылки

• Геострофический ветер в БСЭ
• Роберт Стюарт Введение в физическую океанографию. Глава 10, Геострофические течения. — 2005.