Обычно жидкость не может находиться в равновесии при наличии горизонтального градиента температуры, поскольку существование последнего автоматически предполагает существование горизонтального градиента давления, инициирующего движение жидкости. Однако в случае вращающейся жидкости такое равновесие становится возможным, когда возникающие силы давления уравновешиваются силой Кориолиса (геострофический ветер, разд. 16.2). Условие равновесия объясняет поворот горизонтального ветра при изменении высоты наличием горизонтального градиента температуры (термический ветер, разд. 16.3). Появление направленной к экватору составляющей силы Кориолиса в случае направленного на восток зонального течения должно быть скомпенсировано силой барического градиента в направлении полюса. В то же время, тормозящее зональное течение, направленное на запад, приводит к изменению знака силы Кориолиса, и она становится направленной к полюсу. Здесь для баланса и сохранения вида движения требуется сила барического градиента уже в направлении экватора. Сила Кориолиса обращается в ноль на экваторе и позволяет тем самым меридиональным градиентам температуры в тропиках иметь весьма малые значения.
Из барометрической формулы следует, что вертикальный
градиент давления обратно пропорционален температуре. Поэтому давление в теплом
воздухе падает с высотой медленнее, чем в холодном. Следовательно,
меридиональный градиент температуры порождает меридиональный градиент давления.
В частности, градиент температуры, направленный к экватору, вызывает направленный
на восток зональный ветер.
Таким образом, меридиональные температурные градиенты, определяемые в первом приближении условием радиационно-конвективного баланса, порождают зональные течения. Градиент температуры, направленный к экватору вдоль меридиана в тропосфере, порождает западные ветры в обоих полушариях (рис. 21.5). Вследствие трения скорость зональных течений у поверхности Земли близка к нулю, поэтому максимальной скорости эти ветры достигают в субтропиках на высоте тропопаузы, где наблюдаются наибольшие градиенты температуры. Это объясняет наблюдаемые струйные течения на высоте около 10 км. Выше их обратное направление градиента температуры приводит к замедлению развившегося зонального течения.
На высотах, выше тропической тропопаузы, в стратосфере температурный минимум над зимними полюсами опять приводит к усилению западного потока с высотой в зимнем полушарии с тем отличием, что теперь температурный градиент имеет наибольшие значения в субполярных областях, и струйное течение соответственно сдвигается к полюсу. Это так называемое «полярное струйное течение» или циркумполярный полярный вихрь. Наоборот, в летнем полушарии температурный максимум над полюсом согласно уравнению термического ветра тормозит и меняет направление зонального ветра. И ветры становятся восточными во всем летнем полушарии.
Наконец, в мезосфере обратный по отношению к стратосфере градиент температуры приводит к ослаблению как восточных, так и западных течений выше 65 км, а выше 90 км, в термосфере их направление уже меняется на противоположное.
Зональные течения доминируют в атмосфере. Они являются следствием уравнения термического ветра и всегда существующего меридионального градиента температуры. Можно сказать, что зональные течения представляют собой «свободные» решения уравнений движения в том смысле, что не требуют внешних сил для своего существования. Напротив, устойчивые вертикальные или меридиональные движения для своего существования требуют некоторой силы (термического или механического происхождения), и, поскольку такие силы обычно незначительны, порождаемые ими движения являются относительно слабыми.
Зональные течения обычно не играют существенной роли в химических процессах в атмосфере из-за высокой скорости движения. В результате долгоживущие химические компоненты распределяются такими течениями равномерно по долготе, и перенос перестает влиять на химию. Исключения имеют место для компонент со временем жизни порядка недели (например, СО). В этом случае зональные течения могут приводить к трансконтинентальному переносу. Помимо этого зональные течения выступают в роли барьеров, препятствующих обмену воздухом в меридиональном направлении. В качестве примера можно упомянуть антарктический полярный вихрь, благодаря которому происходит эффективное замыкание полярного воздуха, и это способствует беспрепятственному развитию химии антарктической озонной дыры.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.