Физика зональной циркуляции атмосферы, страница 2

Из геоцентрической системы мы видим, что в результате выравнивания распределения импульса возникает зональное вращение атмосферы: более медленное в низких широтах и более быстрое в высоких. Более медленное - приводит к возникновению восточных ветров по отношению к поверхности Земли, более быстрое – западных. Зональное движение воздуха относительно поверхности Земли можно характеризовать либо относительной угловой скоростью  a, либо скоростью ветра u. Очевидно

                                                    u = a R sinq.

Известно, что скорости зональных ветров имеют порядок 10 м/с. Следовательно, a - величина порядка 10^-6 с^-1 или почти в 100 раз меньше W.  С учетом зональных относительных движений мы можем для распределения момента импульса в атмосфере записать

                                                 l= (W+a) R² sin²q.

Представим на минуту, что вся атмосфера мгновенно перемешана так, что удельный момент импульса стал везде одинаковым, то есть, l = l_cp (при этом полный момент всей атмосферы остался неизменным), тогда можно найти a из условия

                                              (W + a)R²sin²q=0.674W R²,

                        a = W(0.674-sin²q) / sin²q.

В зоне ±35°  будут дуть восточные ветры, на экваторе a_max = - 0.326W. В зонах |j|>35°  a>0 будут дуть западные ветры со все возрастающей скоростью по мере смещения к полюсам.

Таким образом, постоянно существующие у поверхности Земли зоны западных и восточных ветров обусловлены выравниванием распределения момента импульса в направлении меридиана в результате макротурбулентного горизонтального перемешивания атмосферы в меридиональном направлении. Первопричиной и инициатором такого перемешивания является  неравномерный нагрев тропосферы на экваторе и полюсах.

Полного выравнивания распределения момента импульса никогда не происходит, поскольку постоянно существует обмен моментом импульса между Землей  и атмосферой из-за наличия трения.

Из обсуждения природы зональной циркуляции атмосферы однозначно следует, что единственной ее причиной является обмен воздухом в меридиональном направлении между экватором и полюсами. В отличие от зональной циркуляции, характерные особенности которой легко прослеживаются в реальных условиях, о некоторой регулярности циркуляции земной атмосферы в меридиональном направлении можно говорить только в среднем. Например, усредняя движения воздуха в течение продолжительного периода времени, можно прийти к тем идеализированным представлениям о циркуляции атмосферы, о которых говорилось в разд. 2. Как отмечалось выше, для меридионального обмена характерна высокая степень турбулентности, которая в больших масштабах проявляется в виде циклонов и антициклонов, имеющих меридиональную составляющую скорости перемещения.

Вариации скорости вращения Земли, включая также и вариации положения полюсов, являются результатом взаимодействия твердой Земли[2]  с атмосферой и океаном.  Эти вариации обнаруживаются на разных временных масштабах и являются следствием закона сохранения углового момента сложной динамической системы земля-океан-атмосфера[3] (см. рис. 18.2-18.4). Развитие современных геодезических систем измерений обеспечило прекрасные возможности наблюдения названных вариаций и использования результатов наблюдений для исследования процессов взаимодействия атмосферы и океана с твердым земным остовом.