Oddziaływania elektromagnetyczne w atmosferze
Cyrkulacja atmosfery
Podobnie jak w przypadku pr
ą
dów oceanicznych, cyrkulacj
ę
atmosfery prze
ś
ledzimy, tak jak gdyby
opisany proces przebiegał w podanej kolejno
ś
ci.
Ziemia posiada wypadkowy ładunek elektrostatyczny ujemny. Pod wpływem elektrostatycznego
przyci
ą
gania ujemnie naładowanej powierzchni Ziemi, z otaczaj
ą
cej przestrzeni kosmicznej, do
atmosfery sprowadzane s
ą
ładunki dodatnie - w efekcie, atmosfera posiada wypadkowy ładunek
dodatni.
Załó
Ŝ
my,
Ŝ
e na pocz
ą
tku atmosfera naładowana jest w całej obj
ę
to
ś
ci ładunkiem o jednorodnej
g
ę
sto
ś
ci i nie wykonuje
Ŝ
adnych ruchów wzgl
ę
dem powierzchni Ziemi - wiruje razem z Ziemi
ą
.
Podczas ruchu obrotowego wykonywanego razem z Ziemi
ą
, na ka
Ŝ
d
ą
cz
ą
stk
ę
powietrza - równie
Ŝ
na
cz
ą
stki posiadaj
ą
ce ładunki elektryczne - działa przyspieszenie do
ś
rodkowe.
Oddziaływanie
przyspieszanych
do
ś
rodkowo ładunków z polem magnetycznym
Ziemi
(oddziaływanie styczne) wywołuje pierwotn
ą
równole
Ŝ
nikow
ą
cyrkulacj
ę
atmosfery, a poniewa
Ŝ
wypadkowy ładunek atmosfery jest dodatni, to na pocz
ą
tku o cyrkulacji atmosfery decyduje
oddziaływanie styczne ładunków dodatnich.
R
ϕ
- odległo
ść
ładunku od osi obrotu Ziemi
B
||
- składowa poosiowa pola magnetycznego
Pod wpływem oddziaływania stycznego w atmosferze
powstaj
ą
trzy
pierwotne
pr
ą
dy
cyrkulacyjne
-
dwa
podbiegunowe wschodnie i jeden równikowy zachodni.
Równocze
ś
nie pojawia si
ę
oddziaływanie poprzeczne
poniewa
Ŝ
ruch naładowanych elektrycznie cz
ą
stek wzgl
ę
dem
pola magnetycznego planety wywołuje efekt poprzecznego
oddziaływania magnetycznego.
V
- wzgl
ę
dna pr
ę
dko
ść
obwodowa.
Poprzeczne oddziaływanie magnetyczne wynosi dodatnio naładowane cz
ą
stki w górne warstwy
atmosfery i w stron
ę
biegunów tworz
ą
c na wysoko
ś
ci 11 do 14 km n.p.m., w pobli
Ŝ
u szeroko
ś
ci
geograficznych
ϕ
+
i
ϕ
-
dwa główne o
ś
rodki wiatrów zachodnich - centra "W". Centra te nazywane s
ą
pr
ą
dami strumieniowymi, a ich poło
Ŝ
enie w tym miejscu stabilizowane jest malej
ą
c
ą
funkcj
ą
wielko
ś
ci
oddziaływania stycznego przy zbli
Ŝ
aniu si
ę
od strony równika do szeroko
ś
ci geograficznych
ϕ
+
i
ϕ
-
.
Zmiana warto
ś
ci oddziaływania stycznego wzdłu
Ŝ
południka Ziemi
W atmosferze, oprócz cz
ą
stek powietrza naładowanych dodatnio, znajduj
ą
si
ę
cz
ą
stki posiadaj
ą
ce
ujemny ładunek elektryczny. Pod wpływem oddziaływania poprzecznego, cz
ą
stki ujemne w pr
ą
dach
wiatrów wschodnich wypychane s
ą
w kierunku biegunów w górne warstwy atmosfery, a poruszaj
ą
ce
si
ę
z pr
ą
dami wiatrów zachodnich przemieszczane s
ą
do powierzchni Ziemi. W ten sposób, wokół
Page 1 of 4
Cyrkulacja atmosfery
2008-05-27
http://www.obserwacje.republika.pl/uwagi/magnet/cyrkulacja.htm
biegunów nad stref
ą
wiatrów wschodnich, oraz przy powierzchni Ziemi pod stref
ą
wiatrów
zachodnich, utrzymuj
ą
si
ę
przestrzenie w których przewa
Ŝ
a ładunek ujemny, najwi
ę
cej w pobli
Ŝ
u
równika. Oddziaływanie styczne działaj
ą
ce w tych strefach na ujemnie naładowane cz
ą
stki powietrza,
tworzy w strefie mi
ę
dzyzwrotnikowej wiatry wiej
ą
ce ze wschodu na zachód - pasaty, a wokół
biegunów w górnych warstwach atmosfery podbiegunowe wiatry zachodnie. Podbiegunowe wiatry
zachodnie wspólnie z zachodnimi wiatrami zwrotnikowymi tworz
ą
jednolit
ą
zachodni
ą
cyrkulacj
ę
górnych warstw atmosfery. W strefie
ś
rednich szeroko
ś
ci geograficznych, wiatry zachodnie si
ę
gaj
ą
do
powierzchni Ziemi.
Z całej przestrzeni wiatrów zachodnich, pod wpływem oddziaływania poprzecznego, dodatnio
naładowane cz
ą
stki powietrza przemieszczane s
ą
w kierunku biegunów, tworz
ą
c wokół biegunów na
styku z ujemnie naładowanymi podbiegunowymi wiatrami zachodnimi "front polarny". Na równiku w
przestrzeni wiatrów wschodnich, oddziaływanie poprzeczne, działaj
ą
c na naładowane cz
ą
stki
powietrza unoszone przez wiatr wschodni, wynosi ujemnie naładowane cz
ą
stki w górne warstwy
atmosfery tworz
ą
c po obu stronach równika równikowe pr
ą
dy wznosz
ą
ce oraz nad równikiem stref
ę
obni
Ŝ
onego ci
ś
nienia - ni
Ŝ
równikowy. Do strefy tej, z północy i z południa, zasysane jest powietrze z
przypowierzchniowej warstwy ujemnie naładowanych wiatrów wschodnich. W ten sposób po obu
stronach równika wiatry wschodnie uzyskuj
ą
odchylenie w kierunku równika co jest charakterystyczn
ą
cech
ą
pasatów. Intensywny, wspomagany konwekcj
ą
termiczn
ą
, pionowy ruch do góry ujemnie
naładowanych cz
ą
stek w równikowych pr
ą
dach wznosz
ą
cych w oddziaływaniu z ziemskim polem
magnetycznym (oddziaływanie poprzeczne) wyhamowuje na równiku wiatr wschodni i w ten sposób
powstaje "równikowa strefa ciszy" w której wiatry wschodnie posiadaj
ą
bardzo mał
ą
pr
ę
dko
ść
.
Wiatry w atmosferze -
wg Encykl. Fizyki Współczesnej PWN 1983
"Pionowo-południkowy przekrój przez troposfer
ę
półkuli północnej przedstawiaj
ą
cy
ś
redni
ą
cyrkulacj
ę
równole
Ŝ
nikow
ą
w zimie. Pr
ę
dko
ść
cyrkulacji scharakteryzowano
za pomoc
ą
izotach (linie jednakowej pr
ę
dko
ś
ci zachodniej) - w m/s."
Do pełnego opisu cyrkulacji atmosfery potrzebne jest jeszcze wyja
ś
nienie istoty "frontu polarnego" i
zjawiska trwałego wy
Ŝ
u polarnego utrzymuj
ą
cego si
ę
nad biegunami.
Strumienie naładowanych elektrycznie cz
ą
stek tworz
ą
wokół siebie pola magnetyczne, takie jakie
powstaj
ą
wokół przewodników z pr
ą
dem.
Page 2 of 4
Cyrkulacja atmosfery
2008-05-27
http://www.obserwacje.republika.pl/uwagi/magnet/cyrkulacja.htm
Wokół strumieni z przeciwnymi ładunkami ("+" i "-"), poruszaj
ą
cymi si
ę
w tym samym kierunku
(wiatry zachodnie), powstaj
ą
przeciwne pola magnetyczne - o przeciwnych zwrotach, które si
ę
wzajemnie odpychaj
ą
, utrudniaj
ą
c mieszanie si
ę
ładunków - istota "frontu polarnego". Natomiast,
zaciskanie wokół biegunów strumienia ujemnie naładowanych wiatrów przez dodatnio naładowane
wiatry zachodnie wywołuje efekt spr
ęŜ
ania nad biegunem ujemnie naładowanego powietrza -
zjawisko wy
Ŝ
u polarnego.
W rzeczywisto
ś
ci, fronty wokół biegunów nie tworz
ą
ci
ą
głej (szczelnej) struktury - s
ą
poprzerywane,
co umo
Ŝ
liwia wymian
ę
powietrza o przeciwnych ładunkach elektrycznych znajduj
ą
cych si
ę
po obu
stronach frontu.
Główne stacjonarne fronty atmosferyczne -
wg Encyklopedia Fizyki PWN 1972
W - wy
Ŝ
atmosferyczny, N - ni
Ŝ
atmosferyczny, I - pacyficzny front polarny, II - pacyficzny front arktyczny, III -
atlantycki front polarny, IV - atlantycki front arktyczny, V - front
ś
ródziemnomorski, VI - kontynentalne fronty polarne -
zachodni i wschodni.
Wzdłu
Ŝ
linii frontów atmosferycznych powstaj
ą
, na przemian, pogodowe wy
Ŝ
e i ni
Ŝ
e atmosferyczne,
decydyj
ą
ce o pogodzie na obszarze wyst
ę
powania. Te układy wy
Ŝ
owe i ni
Ŝ
owe przemieszczaj
ą
si
ę
z
zachodu na wschód zgodnie z ogóln
ą
cyrkulacj
ą
atmosfery, jednak w obszarze wy
Ŝ
u lub ni
Ŝ
u
powietrze wykonuje dodatkowy ruch wirowy, wokół centrum wy
Ŝ
u w prawo - zgodnie z kierunkiem
ruchu wskazówek zegara, a wokół centrum ni
Ŝ
u w lewo - przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek
zegara. Oczywi
ś
cie, na półkuli południowej kierunki wirowania wy
Ŝ
ów i ni
Ŝ
ów s
ą
dokładnie odwrotne!
Nie wnikaj
ą
c w mechanizm powstawania naprzemiennie o
ś
rodków wy
Ŝ
owych i ni
Ŝ
owych, zjawisko ich
wirowania mo
Ŝ
na bardzo prosto wyja
ś
ni
ć
oddziaływaniem ujemnych ładunków elektrycznych
znajduj
ą
cych si
ę
w atmosferze z polem magnetycznym planety.
Page 3 of 4
Cyrkulacja atmosfery
2008-05-27
http://www.obserwacje.republika.pl/uwagi/magnet/cyrkulacja.htm
W ni
Ŝ
u wyst
ę
puje zjawisko zasysania powietrza do centrum ni
Ŝ
u. Zasysane powietrze pochodzi z
przypowierzchniowej warstwy (z nad powierzchni Ziemi) i posiada ujemny ładunek elektryczny, - je
Ŝ
eli
ni
Ŝ
utworzył si
ę
w strefie wiatrów zachodnich. Oddziaływanie ujemnych ładunków elektrycznych,
dopływaj
ą
cych do centrum ni
Ŝ
u, z polem magnetycznym planety (oddziaływanie poprzeczne),
wywołuje ruch wirowy powietrza wokół centrum ni
Ŝ
u - w lewo na półkuli północnej i w prawo na półkuli
południowej. O kierunku wirowania decyduje zwrot linii sił pola magnetycznego. W wy
Ŝ
u, je
Ŝ
eli
powstał w strefie podbiegunowych wiatrów zachodnich, powietrze dopływaj
ą
ce do powierzchni Ziemi
posiada ujemny ładunek elektryczny który rozprzestrzeniaj
ą
c si
ę
od centrum wy
Ŝ
u, oddziaływuje z
polem magnetycznym planety wywołuj
ą
c ruch wirowy powietrza wokół centrum wy
Ŝ
u - w prawo na
półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej.
Nakre
ś
lony obraz cyrkulacji atmosfery i wyja
ś
nienia zjawisk atmosferycznych nie uwzgl
ę
dniaj
ą
wpływu konwekcji termicznej. Zało
Ŝ
ono
Ŝ
e zasadnicz
ą
rol
ę
w cyrkulacji atmosfery odgrywaj
ą
oddziaływania elektromagnetyczne, a Sło
ń
ce jedynie przesuwa cały układ, zale
Ŝ
nie od pory roku,
troch
ę
na północ lub na południe. Mimo to obraz jest bardzo zbli
Ŝ
ony, a cz
ę
sto zgodny z
obserwacjami, pomimo
Ŝ
e
Ŝ
adne dotychczas obserwacje atmosfery nie były prowadzone z
uwzgl
ę
dnieniem oddziaływa
ń
elektromagnetycznych.
Page 4 of 4
Cyrkulacja atmosfery
2008-05-27
http://www.obserwacje.republika.pl/uwagi/magnet/cyrkulacja.htm