background image

WYBRANE PROBLEMY DYNAMIKI ATMOSFERY 

 

Na cząstkę powietrza w atmosferze działają siły: ciężkości, gradientu 

ciśnienia, Coriolisa, siła odśrodkowa i siła tarcia.  

 

Skale ruchów powietrza są bardzo rozległe zarówno pod względem czasu 

jak i przestrzeni. Zakres ten obejmuje zarówno bezładne mikro ruchy 

poszczególnych cząsteczek jak i globalną cyrkulację całej atmosfery.  

 

 

Skale ruchów atmosferycznych (wg Iribarne’a, 1988) 

 

Skala 

przestrzenna 

Typowe 

wymiary 

[km] 

Przykłady 

 
Planetarna 

 

10 000 

komórka Hadleya – 
cyrkulacja 
atmosferyczna, 
równik-bieguny 

Synoptyczna 

1 000 

cyklony strefy 
umiarkowanej 

Mezoskalowa 100 

burze 

Skala drobna 

<10 

małe chmury Cumulus 

 

 

Ruchy poszczególnych cząstek, z wyjątkiem górnych krańców atmosfery, 

nie mają znaczenia w dynamice atmosfery. Atmosferę traktuje się jako ośrodek 

ciągły, płyn. 

 

 

 

background image

Opis ruchu powietrza 

 

 Metody opisu ruchu powietrza 

 

 

Do opisu ruchu powietrza stosuje się dwa sposoby: metodę Eulera i 

metodę Lagrange’a. 

 

Metoda Eulera – określa się właściwości powietrza jako funkcję położenia w 

przestrzeni 

)

(rr

 i czasu (t). Ruch powietrza charakteryzuje prędkość, która jest 

zależna od czasu i przestrzeni: 

 

 

( )

t

r

v

v

,

r

=

 

 

 

Opis ten jest obrazem przestrzennego rozkładu prędkości powietrza w każdej 

chwili. 

 

 

Metoda Lagrange’a – powietrze traktowane jest jako zbiór małych 

cząstek, których prędkość jest funkcją czasu. Metoda ta opisuje historię ruchu 

każdej cząstki w powietrzu, zmiany w wędrującej cząsteczce. Opis ten 

nazywany jest analizą wędrowną. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Rodzaje rozkładów prędkości 

 

 

Dowolne pole prędkości małej cząstki powietrza można traktować jako 

wynik nałożenia się na siebie kilku prostych rodzajów pola ruchu. Główne 

rodzaje podstawowych rozkładów prędkości, to: 

 

1) ruch postępowy zwany także translacją liniową, w którym prędkość 

cząsteczki powietrza jest stała. Cząstka porusza się po prostej ze stałą 

prędkością oraz bez zmiany kształtu; 

 

2) obrót cząsteczki – na podobieństwo obrotu ciała sztywnego; 

 

3) ekspansja izotropowa – rozszerzanie się lub kurczenie się cząsteczki bez 

zmiany kształtu; 

 

4) deformacja – zmiana kształtu bez zmiany objętości cząstki; 

 

Dowolne pole prędkości można rozłożyć na te cztery rodzaje ruchu. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Przyspieszenie cząstki powietrza 

 

 Zgodnie 

drugą zasadą dynamiki Newtona, przyspieszenie cząstki równe 

jest sile wypadkowej działającej na cząstkę, podzielonej przez jej masę. 

Przyspieszenie to można także określić z opisu metodą Eulera pola prędkości w 

atmosferze. 

Pole prędkości 

)

,

t

r

v

r

 określa się jako funkcję położenia 

r

r

 i czasu t. 

 

 

z

k

y

j

x

i

r

v

r

r

r

+

+

=

 

 

 

z

y

x

v

k

v

j

v

i

v

r

v

v

r

+

+

=

 

 

 
gdzie:

k

j

i

r

r

r

,

,

 są trzema wersorami w kartezjańskim układzie współrzędnych. 

Przyspieszenie cząstki 

a

r

, pochodna zupełna po czasie, zwana także 

substancjalną, składa się z dwóch członów: 

 

 

( )

v

v

t

v

dt

v

d

a

r

r

v

r

r

r

+

=

=

 

 

 

Pierwszy składnik 

t

v

∂r

, pochodna lokalna określa zmianę prędkości w punkcie  

r

r

 Drugi  człon wynika z ruchu samej cząstki. Jest to tzw. pochodna 

konwekcyjna (zwana czasem adwekcyjną). Symbol 

)

(

r

r

v

 oznacza operator: 

 

 

( )

z

v

y

v

x

v

v

z

y

x

+

+

=

r

r

 

 

 

gdzie: 

r

∇ − operator Hamiltona (nabla), wektor symboliczny 

 

background image

 

k

z

j

y

i

x

r

r

r

+

+

=

 

 

 

Przykładowo, składowa przyspieszenia wzdłuż osi x przyjmuje postać: 

 

 

z

v

v

y

v

v

x

v

v

t

v

a

x

z

x

y

x

x

x

x

+

+

+

=

 

 

 

 

 

Równanie ruchu 

 

 

Równanie ruchu wyraża równość iloczynu gęstości i przyspieszenia z 

wektorową sumą sił działających na cząstkę powietrza o jednostkowej objętości. 

 

 

R

v

p

g

dt

v

d

r

r

r

r

r

r

+

×

+

=

ω

ρ

ρ

ρ

2

 lub 

 

R

v

p

g

dt

v

d

r

r

r

r

r

r

+

+

=

ϕ

ω

ρ

ρ

ρ

sin

2

 

 

 

gdzie: 

ρ 

−  gęstość powietrza, 

 g 

− przyspieszenie ziemskie, 

 p 

− ciśnienie, 

 

ω

r

 

− prędkość kątowa Ziemi, 

 

R

r

 

− siła tarcia, 

 

ϕ  − szerokość geograficzna 

 v 

− prędkość cząstki powietrza. 

 

 

background image

Równanie ciągłości 

 

 Równanie 

ciągłości zamyka równanie ruchu, opisując rozkład ciśnienia i 

gęstości. Wyprowadzić je można z zasady zachowania masy. W postaci 

różniczkowej przyjmuje formę stanowiącą lokalną postać zasady zachowania 

masy. 

 

 

0

=

+

v

t

r

r

ρ

ρ

 

 

Dla warunków małych zmian gęstości 

ρ równanie ciągłości przyjmuje postać: 

 

(

)

0

div

0

=

=

v

v

r

r

r

 

 

 

Główne siły działające na cząstkę powietrza w atmosferze 

 

1. Siła ciężkości 

 

 Duża masa Ziemi wywołuje siłę ciężkości, działającą na cząstkę 

powietrza. Jest ona jedną z największych sił działających i jest skierowana do 

środka Ziemi. Na cząstkę o objętości ΔV działa siła: 

 

 

g

V

F

g

ρ

Δ

=

 

 

gdzie:  ΔV – objętość cząstki, 

 

ρ 

−  gęstość powietrza, 

 g 

− przyspieszenie ziemskie. 

 

 Cząstka powietrza jest nieruchoma względem powierzchni Ziemi. Obrót 

Ziemi dookoła swojej osi powoduje wystąpienie siły odśrodkowej, która działa 

również na cząstkę powietrza. Siła odśrodkowa jest jednak bardzo mała w 

background image

porównaniu z siłą ciężkości. Zwykle się ją pomija lub dodaje do siły ciężkości, 

otrzymując tzw. skuteczną siłę ciężkości. 

 

2. Siła gradientu ciśnienia 

 

 Gdy 

ciśnienie na przeciwległych powierzchniach cząstki jest różne, na 

cząstkę działa siła wypadkowa, skierowana do wnętrza cząstki. Nazywamy ją 

siłą gradientu ciśnienia. Siła działająca na jednostkę masy wyraża się wzorem: 

 

 

dn

dp

G

ρ

1

=

 

 

 

gdzie dp/dn oznacza zmianę ciśnienia dp na drodze dn. 

Postać tę można uogólnić dla pola ciśnienia p w atmosferze: 

 

 

p

G

=

ρ

1

 

 

 

 

W atmosferze wektor gradientu ciśnienia można rozłożyć na składową 

pionową i poziomą. Składowa pionowa jest prawie całkowicie równoważona 

przez skierowaną przeciwnie siłę ciężkości.  

 

W ruchu poziomym powietrza atmosferycznego rozważa się zatem tylko 

składową poziomą gradientu, która jest główną przyczyną ruchu poziomego 

(wiatru) w atmosferze. 

 

 

 

background image

3. Siła Coriolisa 

 

 Siła Coriolisa uwzględnia obrót Ziemi wokół swojej osi, co powoduje, że 

układy odniesienia związane sztywno z powierzchnią Ziemi nie są układami 

inercjalnymi. 

 

 

F

c

 = 2 m · v · ω · sin 

ϕ 

 

oraz przyspieszenie 

 

C = 2 v · ω · sin 

ϕ 

 

 

gdzie: F

– siła Coriolisa, 

 C 

– 

przyspieszenie 

Coriolisa, 

 v 

– 

prędkość cząsteczki (ciała), 

 

ω –  prędkość ruchu obrotowego Ziemi (ω = 7,29 

× 10

−5

 1/s), 

 

ϕ  − szerokość geograficzna. 

 

 

 

Wyjaśnienie działania siły Coriolisa 

 

background image

 Siła Coriolisa jest siłą pozorną, powodującą odchylenie wszelkich ciał 

będących w ruchu względem powierzchni Ziemi. Odchylenie to jest związane z 

obrotem płaszczyzny horyzontu wokół pionowej składowej wektora prędkości 

kątowej obrotu Ziemi.  

Wektor siły Coriolisa jest skierowany prostopadle do wektora 

prędkości ciała i w prawo względem kierunku prędkości – na półkuli 

północnej, a w lewo – na półkuli południowej.  

Przyspieszenia spowodowane działaniem siły Coriolisa są tego samego 

rzędu, co przyspieszenia wywołane siłą gradientu ciśnienia. Przyspieszenia te 

mogą się zatem nawzajem równoważyć.  

 

4. Siła odśrodkowa 

 

 Siła odśrodkowa występuje przy krzywoliniowym ruchu cząsteczki 

powietrza. Dla jednostkowej masy wyraża się wzorem: 

 

 

r

v

F

o

2

=

 

 

 

gdzie: F

– siła odśrodkowa, 

 v 

– 

prędkość liniowa ruchu cząsteczki, 

 r 

– 

promień krzywizny toru cząsteczki. 

 

 

 

Siła odśrodkowa skierowana jest wzdłuż promienia krzywizny w stronę 

wypukłości toru (na zewnątrz). 

 Wpływ siły odśrodkowej jest odczuwalny dopiero dla większych prędkości 

ruchu (wiatru), praktycznie uwzględnia się go dla v > 15 m/s (54 km/godz). 

 

background image

5. Siła tarcia 

 

 

Siła tarcia ma wpływ przede wszystkim na ruch powietrza w dolnej, 

przyziemnej warstwie troposfery. Powoduje zmniejszenie prędkości wiatru 

(ruchu) w tej warstwie i zmienia także kierunek poruszającego się 

powietrza.  

 

Wyróżnia się: 

 

⎯ tarcie wewnętrzne (lepkość) powstaje wtedy, gdy dwie warstwy gazu 

przemieszczają się równolegle względem siebie; 

⎯  

⎯ tarcie zewnętrzne polega na oddziaływaniu ciał w miejscu ich styku, 

przeciwstawiające wzajemnemu przesuwaniu się tych ciał (poślizgowe). 

 

Bezpośrednio przy powierzchni Ziemi, w warstwie o milimetrowej grubości, 

prędkość ruchu powietrza jest równa zeru. W wyniku ruchów cieplnych, 

turbulencji dynamicznej i termicznej, chwiejnej równowagi atmosfery następuje 

jednak pionowa wymiana cząsteczek między warstwami nieruchomej i 

przemieszczającej się. W rezultacie elementy masy powietrza o małej prędkości 

(małym pędzie) zostają przenoszone na większą wysokość, a elementy o 

większej prędkości (większym pędzie) z góry na dół. W wyniku tego w pewnej 

warstwie, licząc od podłoża, prędkość wiatru wzrasta. Jest to warstwa tarcia, 

której wysokość górnej granicy wynosi ok. 500 do 1000 m i zależy zarówno od 

rodzaju podłoża, jak i stateczności atmosfery (większa jest nad lądem, mniejsza 

nad morzami i oceanami). 

 

 

 

background image

Wiatry geostroficzny i gradientowy 

 

1. Wiatr geostroficzny 

 

Wiatr geostroficzny jest to model jednostajnego ruchu powietrza w 

układzie izobar prostoliniowych i równoległych do siebie, przy założeniu braku 

tarcia.  

Na cząstkę powietrza będą więc działać tylko dwie siły: siła poziomego 

gradientu ciśnienia i siła Coriolisa. 

 Wiatr geostroficzny wieje prostopadle do siły Coriolisa, równolegle do 

izobar. 

 

 

 

Powstawanie wiatru geostroficznego na półkuli północnej 

 

Prędkość wiatru geostroficznego można obliczyć z warunku równowagi sił 

gradientu i Coriolisa: 

 

ϕ

ω

ρ

sin

2

1

v

dn

dp =

 

 

stąd: 

 

dn

dp

v

v

g

=

=

ρ

ϕ

ω

1

sin

2

1

 

 

gdzie: v

g

 – prędkość wiatru geostroficznego. 

 

Kierunek wiatru geostroficznego pokrywa się z kierunkiem izobar.  

background image

Na półkuli północnej jego zwrot jest taki, że po lewej stronie znajduje się 

obszar niskiego ciśnienia, a po prawej wysokiego. Prawo to nosi nazwę reguły 

Buysa-Ballota.  

W pobliżu równika, gdzie sin 

ϕ → 0, pojęcie wiatru geostroficznego traci 

sens. 

 

2. Wiatr gradientowy 

 

 

Wiatr gradientowy jest to rozszerzenie modelu wiatru geostroficznego na 

izobary kołowe. Cząsteczki powietrza poruszają się poziomo ruchem 

jednostajnym po koncentrycznych torach kołowych.  

Krzywizna toru powoduje, że oprócz sił gradientu ciśnienia i Coriolisa 

wystąpi jeszcze siła odśrodkowa, skierowana na zewnątrz krzywizny. 

Ponieważ ruch jest jednostajny, wypadkowa tych sił musi być równa zeru. 

 

 Rozważa się dwa przypadki wiatru gradientowego na półkuli północnej – 

na obszarze niżu i na obszarze wyżu dla izobar kołowych.  

 

 

 

W niżu N siła poziomego gradientu ciśnienia jest skierowana wzdłuż 

promienia do środka niżu, natomiast siła odśrodkowa na zewnątrz. Jest 

jednak zbyt mała, by zrównoważyć siłę gradientu ciśnienia G. Siła Coriolisa 

C musi więc być skierowana również na zewnątrz jak siła odśrodkowa, by 

równoważyć siłę gradientu ciśnienia. 

 

background image

 

 

Powstawanie wiatru gradientowego na półkuli północnej: a) niż, b) wyż  

 

Ponieważ siła Coriolisa jest skierowana prostopadle do wektora prędkości 

i odchylona w prawo, wiatr gradientowy w niżu krąży w kierunku 

przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. 

 

 

W wyżu W, układ sił jest inny.  

Gradient ciśnienia skierowany jest na zewnątrz, tak jak siła odśrodkowa. 

Siła Coriolisa równoważy zatem obie te siły. Z warunku prostopadłości wektora 

prędkości do siły Coriolisa i odchylenia siły w prawo, wiatr gradientowy w 

wyżu krąży zgodnie z ruchem wskazówek zegara. 

 

 Prędkość wiatru gradientowego można obliczyć z warunku równowagi sił. 

Dla niżu: 

 

r

v

v

dr

dp

gr

gr

2

sin

2

1

+

=

ϕ

ω

ρ

 

 

i dla wyżu 

 

ϕ

ω

ρ

sin

2

1

2

gr

gr

v

r

v

dr

dp

=

+

 

 

lub 

background image

 

r

v

v

dr

dp

gr

gr

2

sin

2

1

=

ϕ

ω

ρ

 

 

 

gdzie: v

gr

 – prędkość wiatru gradientowego. 

 

Równania te można przekształcić dalej do postaci dla niżu: 

 

dr

dp

r

r

r

v

gr

+

+

=

ρ

ϕ

ω

ϕ

ω

2

2

2

sin

sin

 

 

i dla wyżu 

 

dr

dp

r

r

r

v

gr

=

ρ

ϕ

ω

ϕ

ω

2

2

2

sin

sin

 

 

 

W ostatnim równaniu, wartość pod pierwiastkiem musi być dodatnia (lub zero), 

stąd ograniczenie: 

 

ϕ

ρω

2

2

sin

r

dr

dp 

 

 

 

Wynika stąd graniczna maksymalna prędkości wiatru w wyżu: 

 

 

ϕ

ω

sin

max

r

v

gr

=

 

 

 

Dla niżu nie ma takiego ograniczenia, stąd prędkości wiatru w niżach 

(cyklonach) osiągają ogromne wartości. 

 

W niskich szerokościach geograficznych wyraz 2 vω sin 

ϕ jest bardzo 

mały i może być pominięty. Jest to model tzw. wiatru cyklostroficznego

wiejącego równolegle do izobar kołowych z niskim ciśnieniem w centrum, w 

którym prędkość może osiągać duże wartości: 

 

dr

dp

r

v

v

gr

c

±

=

=

ρ

 

 

background image

Wpływ tarcia w przyziemnej warstwie powietrza 

 

 

Wiatry gradientowy i geostroficzny są przybliżeniami wiatru 

rzeczywistego. W swobodnej atmosferze, powyżej warstwy tarcia (powyżej 500 

do 1500 m) różnice są niewielkie, tak więc zależności teoretyczne mogą być 

wykorzystane do obliczeń praktycznych. 

 

 

W warstwie tarcia w pobliżu powierzchni Ziemi siła tarcia jest znaczna i 

powoduje odchylenie wiatru od kierunku równoległego do izobar oraz 

zmniejszenie jego prędkości względem prędkości teoretycznej.  

Siła poziomego gradientu ciśnienia jest równoważona przez 

wypadkową sił Coriolisa i tarcia. Wynika stąd,  że w tym przypadku siła 

gradientu nie leży na jednej prostej z siłą Coriolisa, a siła tarcia nie tworzy 

kąta 180

° z wektorem prędkości. Wektor prędkości „

v

r

” będzie odchylony 

od izobar w stronę niższego ciśnienia  

 

 

 

Wpływ siły tarcia na kierunek wiatru – izobary prostoliniowe 

 

background image

 

 

 Wpływ siły tarcia na kierunek wiatru – izobary kołowe 

 

Wiatr odchyla się od izobar nad morzem średnio o kąt ok. 20

°, a nad 

lądem o ok. 30

° – 45° w stronę niższego ciśnienia, natomiast wektor siły 

tarcia 

R

r

 tworzy z prędkością kąt ok. 130

°  150°

 

 

Zmiany wiatru w warstwie tarcia można przedstawić graficznie 

wykreślając ze wspólnego punktu wektory prędkości wiatru na różnych 

wysokościach. Krzywa łącząca końce wektorów nazywa się spiralą Ekmana

 

 

 

 

 Spirala Ekmana. Prędkości i kierunki wiatru na różnych wysokościach od 

powierzchni Ziemi do granicy warstwy tarcia 

background image

 

Wpływ tarcia zanika z wysokością. Dla wysokości 600 

− 900 m wiatr 

wieje już niemal równolegle do izobar. 

 

 Pionowy 

rozkład prędkości wiatru (tachoida wiatru) w warstwie w 

pobliżu powierzchni Ziemi opisywany jest za pomocą formuł empirycznych 

opracowanych przez różnych autorów. Najbardziej rozpowszechnione są 

formuły przyjmujące logarytmiczny profil wiatru, np. formuła Rohwera: 

 

 

516

,

1

log

516

,

1

log

+

+

=

a

a

z

z

v

v

 

 

 

gdzie: v,  v

– odpowiednio prędkości wiatru na wysokościach z i z

a

 [m/s], 

 z, 

z

a

 – wysokości, na których określamy prędkość wiatru [m]. 

 

Wiatry dolne. Linie prądu 

 

 

Wiatry dolne są  ściśle związane z ogólnym rozkładem ciśnienia na 

poziomie morza. Ich prędkość wynika przede wszystkim z gradientu ciśnienia, a 

kierunek jest zgodny z regułą Buysa-Ballota.  

Na półkuli północnej, w niżu wiatry wieją przeciwnie do ruchu 

wskazówek zegara, przecinając izobary w kierunku niskiego ciśnienia, w wyżu 

natomiast wieją zgodnie z ruchem wskazówek zegara.  

Obraz ruchu powietrza w danej chwili można przedstawić za pomocą 

linii prądu, krzywych, do których w każdym punkcie wektory prędkości 

wiatru są styczne.  

 Im 

prędkość wiatru jest większa, tym wektory prędkości przedstawione w 

postaci strzałek są dłuższe i tym gęściej przebiegają linie prądów  

 

background image

 

 

 

 

Linie oraz punkty zbieżności i rozbieżności: a) linia zbieżności, 

b) linia jednostronnej zbieżności, c) linia rozbieżności, d) punkt zbieżności 

(konwergencji), e) punkt rozbieżności (dywergencji) 

 

 

 

 

 

 

 Efekt zbieżności i rozbieżności linii prądów poziomych w przekroju pionowym 

 

background image

 

 

 

Linie prądów w niżu i wyżu: A – półkula północna, B – półkula południowa;  

a) niż, b) wyż 

 

 

 Na 

półkuli północnej linie prądów powietrznych w ośrodkach niżowych 

– cyklonalnych, przyjmują kształt spiral, skierowanych ku środkowi i 

zakrzywionych przeciwnie do ruchu wskazówek zegara  

 

 

W ośrodkach wyżowych – antycyklonalnych jest sytuacja przeciwna – 

linie prądów przybierają kształt spiral rozbiegających się z jednego punktu i 

zakrzywionych zgodnie z ruchem wskazówek zegara  

 

background image

 Na 

półkuli południowej, skręt linii prądów jest przeciwny w niżu, 

zgodnie z ruchem wskazówek zegara, natomiast w wyżu przeciwnie do tego 

ruchu. 

 

 

 Ruchy 

wstępujące, charakterystyczne dla niżów, związane są ze 

zmniejszeniem równowagi atmosfery i sprzyjają kondensacji pary wodnej a 

więc powstawaniu zachmurzenia i opadów.  

 

 

W wyżach ruchy zstępujące przyczyniają się do zwiększenia 

równowagi atmosfery, zaniku zachmurzenia i braku opadów. 

Charakterystyczne dla wyżu są również słabe na ogół wiatry. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Typowe przykłady wpływu powierzchni Ziemi na ruch 

powietrza 

 

 Wpływ ukształtowania powierzchni Ziemi (rzeźby terenu) i przeszkód 

znajdujących się na niej na poziomy ruch powietrza w jej pobliżu jest 

oczywisty. Oprócz dynamicznego wpływu wywołanego przeszkodami 

naturalnymi, takimi jak ukształtowanie terenu, kompleksy leśne, czy też 

sztucznymi, zbudowanymi przez człowieka (budowle), występuje też wpływ 

termiczny, wynikający z różnych własności termicznych powierzchni terenu.  

 

 

 

Wpływ podłoża na wiatr – zawirowania powietrza przepływającego: 

a) nad odosobnionymi skupiskami drzew, b) nad większym obszarem leśnym 

o różnym zagęszczeniu i wysokości 

 

 

 

 

 

Wpływ różnego rodzaju przeszkód terenowych na pole wiatru 

 

 

background image

 

 

Wpływ podłoża na wiatr: a) prędkość powietrza < 8 m/s, 

b) prędkość powietrza > 8 m/s 

 

 

 

 

 

Termiczny wpływ powierzchni ziemi na ruch powietrza 

 

 

 

 

 Termiczno-dynamiczny wpływ powierzchni ziemi na poziomy ruch powietrza 

background image

 

 

 

 

 Rodzaje smug dymów przemysłowych (Parczewski, 1977)