Frage:
Warum lösen sich Kaltfronten und andere Wettereffekte mit steilem Gefälle nicht einfach auf?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
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Warum lösen sich Kaltfronten und andere Wettereffekte mit steilem Gefälle nicht einfach auf? Warum halten sie so lange? Warum leitet sich die Wärme nicht in Richtung des kühleren Bereichs ab?

Die kurze Antwort lautet, dass mehrere Kräfte am Werk sind (Druckgradientenkraft, Corioliskraft, Zentrifugalkraft und (geringfügige) Reibung). Wind (und durch ihn Temperatur / Feuchtigkeit / Wirbel / usw.) fließt nicht einfach so von hohem Druck zu niedrigem Druck, wie Sie es sich vorstellen würden, weil diese Kräfte gegeneinander wirken. http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg Im Wesentlichen ist das Wetter, das wir beobachten, das Ergebnis von Luft, die "nur zerstreuen" will, aber gezwungen ist, etwas anderes zu tun.
@DrewP84: Hrm, ja, mir ist irgendwie klar geworden, dass ich die (ziemlich alte) Frage von der area51-Site kopiert habe. Es ist möglich, dass es unverändert ist (zu weit gefasst?), Oder es könnte verbessert werden. Gedanken? Vielleicht würde eine leicht erweiterte Version Ihres Kommentars als Antwort dienen.
Ich denke, die Frage ist gut. Ich bin sicher, es gibt jemanden da draußen, der es besser erklären kann als ich. Ich habe mich entschlossen, in der Zwischenzeit meine kurze Antwort zu geben. Fluiddynamikgleichungen waren nie meine Stärke.
Zwei antworten:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
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Gute Frage. Es scheint ohne viel Nachdenken, dass sich Luft in einer Hochdruckzone in Richtung Luft in einer Niederdruckzone bewegen sollte, was zu einem Verschwinden des Druckgradienten führt. Der Grund, warum dies nicht auftritt, ist, dass zusätzlich zu der aus dem Druckgradienten resultierenden Kraft andere Kräfte (oder Pseudokräfte) wirken. Ich werde solche Kräfte im Folgenden skizzieren:

1. Druckgradient:
Dies ist die Kraft, die sich aus der Druckdifferenz zwischen einer Hoch- und einer Niederdruckzone ergibt. Wir bezeichnen dies als Druckgradienten, da die Druckänderung eher kontinuierlich als eine diskrete Änderung zwischen einer Hoch- und einer Niederdruckzone ist. Wir können die Beschleunigung in einer bestimmten Richtung, die sich aus einem Druckgradienten ergibt, unter Verwendung der folgenden Gleichung modellieren:

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

wobei $ \ alpha $ die Beschleunigung an einem bestimmten Punkt ist, $ \ rho $ die Luftdichte an diesem Punkt ist und $ dP / dz $ eine kleine Druckänderung gegenüber einer kleinen Änderung von darstellt horizontaler Abstand. Allgemeiner können wir den Beschleunigungsvektor in drei Dimensionen unter Verwendung der folgenden Gleichung modellieren:

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

Wenn nun der Druckgradient die einzige Kraft bei der Arbeit war, ist es von oben offensichtlich, dass die Beschleunigung von Hochdruckbereichen zu Niederdruckbereichen geleitet würde, was letztendlich zu einer Ableitung solcher Gradienten führen würde.

Die nächste zu berücksichtigende Pseudokraft ist jedoch der Coriolis-Effekt.

2. Coriolis-Effekt:
Der Coriolis-Effekt beeinflusst Winde vom Äquator weg, die sich horizontal bewegen. Solche Winde auf der Nordhalbkugel werden nach rechts abgelenkt, während Winde auf der Südhalbkugel nach links gerichtet sind. Dies ist ein Ergebnis der Erdrotation. (Weitere Informationen zu diesem Effekt finden Sie in der Frage und Antwort hier). Die Beschleunigung, die sich aus der Coriolis-Pseudokraft ergibt, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

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

wobei $ \ Omega $ die Winkelgeschwindigkeit der Erde und $ \ boldsymbol {v } $ repräsentiert die Geschwindigkeit des Windes. Das Kreuzprodukt ist hier von Bedeutung und zeigt an, dass die Ablenkung des Coriolis-Effekts im rechten Winkel zur Richtung der Windgeschwindigkeit erfolgt. Weitere Einzelheiten zur Ableitung des spezifischen Ergebnisses für die Erde in verschiedenen Breitengraden finden Sie hier.

Wie verhindert dieser Coriolis-Effekt, dass sich der Wind von Hochdruck zu Niederdruck bewegt? ? Stellen Sie sich vor, der Wind beginnt sich nach Norden (auf der Nordhalbkugel) von einer Hochdruckregion in eine Niederdruckregion zu bewegen. Aufgrund des Coriolis-Effekts wird dieser Wind nach rechts abgelenkt und wird weiterhin so abgelenkt, bis die aus dem Coriolis-Effekt resultierende Pseduokraft die Kraft aufgrund des Druckgradienten genau ausgleicht (Reibung wird für die Zeit ignoriert) Sein). Zu diesem Zeitpunkt soll sich der Wind im geostrophischen Gleichgewicht befinden. Der Wind bewegt sich daher nicht mehr direkt vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich, und aus diesem Grund lösen sich die Druckgradienten nicht sofort auf. (Siehe Reibungskraft unten) Dies kann durch das folgende Bild dargestellt werden, und ich werde die Formel einschließen, wenn wir Zugriff auf Mathjax haben (beachten Sie, dass der Coriolis-Begriff in diesem Diagramm etwas anders dargestellt wird, aber keine Sorge Ich werde erklären, wie es dasselbe ist, wenn Mathjax hinzugefügt wird - im Grunde ist es nur eine bestimmte Richtungskomponente meines allgemeineren Vektors oben):

enter image description here

3 . Reibung

Wie ich bereits erwähnt habe, setzt das geostrophische Gleichgewicht die Abwesenheit von Reibung voraus. In Wirklichkeit verlangsamt Reibung den Windfluss, wodurch der Einfluss des Coriolis-Effekts verringert wird. Somit neigt der Wind letztendlich dazu, sich leicht nach innen in Richtung der Niederdruckzone zu bewegen. Der Reibungseffekt ist in der unteren Atmosphäre stärker spürbar, und in der oberen Troposphäre ist die geostrophische Bewegungsnäherung genauer, und daher dauert es länger, bis sich die Druckgradienten in der oberen Atmosphäre auflösen als in der unteren Atmosphäre.

Die Reibungskraft ist gegeben durch:

$$ F = cV $$

wobei $ c $ eine Konstante ist und $ V $ die Geschwindigkeit des Windes ist.

4. Schwerkraft

Druckgradienten können aufgrund des Einflusses der Schwerkraft auch vertikal aufrechterhalten werden. Wenn die Schwerkraft den Druckgradienten ausgleicht, wird diese Situation als hydrostatischer Windausgleich bezeichnet und durch die folgende Gleichung dargestellt:

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

wobei $ \ rho $ die Luftdichte ist und $ g $ die Erdbeschleunigung ist, die ungefähr 9,8 ms ^ {- 2} $ beträgt.

Netto Wirkung:

Während ich die Frage bereits beantwortet habe, habe ich beschlossen, die Gleichung der Vollständigkeit halber alle 4 Kräfte zu kombinieren. Durch Kombination all dieser auf den Wind einwirkenden Kräfte kann die Nettobeschleunigung des Windes durch die folgende Gleichung bestimmt werden:

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

wobei $ \ boldsymbol {U} $ steht die Geschwindigkeit des Windes und $ t $ repräsentiert die Zeit. Die fettgedruckten Größen sind Vektoren und wirken in eine bestimmte Richtung. (z. B. wirkt $ \ boldsymbol {g} $ vertikal, wobei $ \ boldsymbol {F} $ entgegengesetzt zu $ ​​\ boldsymbol {U} $ wirkt). Unten ist ein Bild davon:

enter image description here

Dieses Bild zeigt, wie die Kräfte (ohne Schwerkraft) um Hoch- und Niederdruckzonen wirken. PGF ist die Druckgradientenkraft, CF ist die Pseudo-Coriolis-Kraft und F ist die Reibungskraft, die der Windgeschwindigkeit entgegengesetzt ist. Beachten Sie, dass sich der Wind leicht in Richtung des Niederdruckbereichs bewegt und nicht senkrecht zu dem durch geostrophische Bewegung vorhergesagten Gradienten. Dies ist auf die Reibungskraft zurückzuführen.

Dies erklärt nur den Wind, nicht warum die Steigungen bestehen bleiben. Sie sollten wirklich eine Analyse der frontogenetischen Funktion und der Rolle des alterostrophischen Kreislaufs um eine Front (in 3 Dimensionen) und der Rolle der Verformung in Querfrontrichtung einschließen. Die angegebene Antwort ist zwar nicht falsch, beantwortet die Frage jedoch nicht wirklich.
@casey, Ja, Sie haben Recht, mein Beitrag ist nicht vollständig, da ich diese zusätzlichen Konzepte weggelassen habe. Ich plane, den Beitrag zu bearbeiten, um diese später aufzunehmen, wenn ich mehr Zeit habe. Vielen Dank für den Hinweis.
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
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Der Grund dafür, dass die Gradienten bestehen bleiben, ist, dass atmosphärische Prozesse Teil eines Motors sind, der von der Energie der Sonne angetrieben wird. Wenn die Sonne ausbrennen würde, würden sich die Gradienten tatsächlich auflösen. Bis dahin erwärmt die Sonne die Luft an der Oberfläche in der Nähe des Äquators, während die kalte Luft an den Polen sinkt und eine Zirkulation um die Erde erzeugt (siehe Hadley-Zellen). Die Fronten sind die Grenzen der im Kreislauf gebildeten Wirbel.

Kurz, einfach und süß. Sollte die richtige Antwort sein.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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