לחץ וכוחות הפועלים על האוויר

1 ברד ירד על דרום ספרד?... על מטאורולוגיה דרך האינטרנט שקעים רמות ושאר ירקות... Dept. of Environmental Sciences Tel Hai College Prof. Giora Rytwo Environmental Physical Chemistry MIGAL, Galilee Research Institute LTD. 1 שקפים רבים במצגת זה מושאלים מאתרי אינטרנט מגוונים. ברוב המקרים מצויין המקור 1 945 מפות לחץ 1016 1058 מפות לחץ הן כלי חיוני מדידת הלחץ נעשית בעזרת ברומטר. ברומטר יכול להיות עמודה של כספית בצינורית החסומה מצידה האחד, או כלי המכוייל לתת לחץ על סמך קריטריון אחר. הבעיה עם מדידה של לחץ, היא שכפי שראינו הלחץ תלוי בגובה. יש צורך לנרמל מפה כזו. 2 2

2 1026 מפות לחץ 2 1016 1022 הנירמול נעשה על ידי כך שהלחץ בכל נקודה מתורגם ללחץ בגובה פני הים. השיקול הינו מה יהיה הלחץ של אותה חבילת אוויר אם היא תובא לפני הים בצורה אדיאבטית לצורך כך משתמשים בקשר: Mg RT z P( z) = P( 0) e P( 0) e הנוסחה המקורבת גובה שלH=7000m במקרה שלנו יש את לוקחת P z z H בחשבון ומחשבים את P 0 סקלת 3 3 איזוברים לאחר הנירמול, ניתן להעביר קווים שווי לחץ- איזוברים ההעברה זהה כעיקרון למתרחש במפה טופוגרפית מחברים נקודות בעלות אותו ללחץ כמובן שמכיוון שבנקודה אחת לא יכולים להיות איזוברים לא יכולים לחתוך זה את זה לחצים- שני 4 4

3 5 5 5 מערכות לחץ דיברנו על לחץ, ואמרנו שהמדידה מתרחשת תוך השוואת לחצים לגובה פני הים. בקרקע שקע הוא אזור לחץ נמוך המוקף איזוברים הולכים ועולים כלפי חוץ. רמה היא אזור לחץ גבוה, המוקף באיזוברים יורדים כלפי חוץ. ברום, שקע ברום הוא אזור בו מפלס הלחץ בגובה נמוך מהסביבה, ומסביבו איזוהיפסים הולכים ועולים רמה ברום היא אזור בו מפלס הלחץ בגובה גבוה מהסביבה, ומסביבו איזוהיפסים הולכים ויורדים 6 6

4 שקעים ורמות בקרקע http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(gh)/guides/mtr/fw/prs/def.rxml 7 7 רמה בקרקע נסביר בהמשך את הסיבה לתופעות הבאות, שבינתיים רק יוזכרו באופן עקרוני: ברמה בחצי הצפוני של כדור הארץ, יש זרימה עם כיוון השעון, עם נטיה מסויימת ממרכז הרמה החוצה. זאת אומרת שברמה יש אפקט של התבדרות : בריחה של אוויר מהרמה החוצה רמה מכיוון שלא יכול להווצר ווקום, אזי ההתבדרות בקרקע מלווה עם ירידה אנכית של אוויר במרכז הרמה -התמוככות התמוככות מלווה בהתחממות ובהתייבשות יחסית של האוויר לכן רמה בקרקע מלווה בדרך כלל מזג אוויר נאה 8 8

5 שקע בקרקע בשקע הדברים הפוכים יש זרימה נגד כיוון השעון )בחצי כדו א הצפוני( יש התכנסות של אוויר כלפי מרכז השקע. מכיוון שאוויר לא יכול להצטבר, הרי שבמרכז השקע יש עליה של אוויר כלפי מעלה. עליה זו מעודדת יצירת עננים, לכן שקע בקרקע מלווה בהרבה מקרים במשקעים שקע 9 9 רוח רוח זה למעשה תנועה של אוויר ממקום למקום באופן עקרוני מדובר על העקרון ההידרודינמי של זרימה מהלחץ הגבוה ללחץ הנמוך. לרוח משמעויות רבות בהקשר המטאורולוגי הסעת תכונות ממקום למקום )לדוגמא- לחות מפני ים( אנרגיה קינטית שיכולה לגרום להרס ונזקים )טורנדו, הוריקן( הגברת אידוי מים על ידי הסעת האדים מהגוף המאדה )צמחים, בע ח( בתעופה- המטוס נע ביחס לאוויר שסביבו )רוחות סילון( הרוח האנכית מרימה או מורידה גושי אוויר )יצירת עננים( פרמטרים המאפיינים את הרוח הם מהירות וכיוון. 1knot=1.85 נמדדת בקשרים או מ ש km/h=0.51 המהירות m/s הכיוון מוגדר כהכיוון ממנו הרוח באה 10 10

6 שקף 4: הגדרת כיוון הרוח 11 11 שקף 5: מדידת כיוון הרוח ועוצמתה http://en.wikipedia.org/wiki/wind#measurement סולם בופור 12 12

7 רוחות- כיוון ועצמה נראה אותו ראשית במפות :COLA http://wxmaps.org/pix/forecasts.html מפות רוח מפורטות יותר ניתן למצוא למשל ב http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsavneur.html 13 13 14 14

8 כוחות המניעים את הרוח ניתן למעשה למנות ארבעה כוחות הפועלים על האוויר: כח גרדיאנט הלחץ כח קוריוליס PGF כח חיכוך ב- w2010 כח צנטריפוגלי ההסבר יהיה איכותני במסגרת זו. ניתן למצוא יותר פרטים בקישורית ל ww2010 15 15 חוקי התנועה של ניוטון החוק הראשון של ניוטון: חפץ במנוחה או בתנועה בקו ישר ובמהירות קבועה יישאר כך אם לא הופעל עליו כוח החוק השני של ניוטון: אם כוח חיצוני יפעל על הגוף, הוא יישנה את מהירותו ו/או כיוונו. ma) F) = סך הכוחות הפועלים על גוף: ΣF = ma הגוף יתמיד בתאוצה בכיוון בו פועל שקול הכוחות. הכוחות הפועלים באטמוספירה: כוח גרדיאנט הלחץ כוח קוריוליס כוח צנטריפוגלי כוח החיכוך 16 16

9 כח גרדיאנט הלחץ אוויר מונע מהלחץ הגבוה אל הלחץ הנמוך ככל שהפרש הלחץ ליחידת מרחק גדול יותר, הכח השואף להניע את האוויר גדול יותר. ליחס בין הפרש הלחצים למרחק, קוראים- כח גרדייאנט הלחץ, PGF כח זה פועל בניצב לאיזוברים הכח הזה הינו למעשה המנוע העיקרי לתנועתו של האוויר 17 17 שקף 7: כח גרדיאנט הלחץ הפרש הלחץ בין H ל- L כח גרדיאנט הלחץ = המרחק הניצב לאיזוברים בין H L ל- 18 18

10 שקף 8: כח גרדיאנט הלחץ 19 19 קוריוליס כח http://www.youtube.com/watch?v=mcps_odqoyu http://www.youtube.com/watch?v=u5hlstjnocu http://www.atmosedu.com/meteor/animations/chapt er23/ כח זה למעשה הוא גודל מדומה הכוונה היא שמכיוון שכדור הארץ הוא מערכת מואצת )לא אינרציאלית(, ועל מערכת כזו לא חלים חוקי ניוטון, אנו ממציאים כל מיני כוחות שבאים להתאים את המתרחש לחוקי ניוטון. הדוגמה הפשוטה ביותר לזה, היא הכח שפועל עלינו בקרוסלה 20 20

11 רוח גאוסטרופית בחלק מהמקרים מתקבל איזון בין שני הכוחות האלו. כאשר מצב כזה מתקיים,אין כח נטו על גוש האוויר, ולכן ומהירותו) גם גודל וגם כיוון (לא משתנה יותר( תאוצה, אין נוצר מצב )המוזר לכאורה( במקביל לאיזוברים. שכאשר הכוחות מאוזנים, זורמת הרוח http://www.atmosedu.com/meteor/animations /chapter23/ 21 21 שקף 2: התפתחות הרוח הגיאוסטרופית איזון בין כח גרדיאנט הלחץ לכח קוריוליס כוח צנטריפטלי זניח: רדיוס השקע/ רמה גדול ולכן: F 0 F = mv 2 /R כוח חיכוך זניח: הרוח נושבת מעל שכבת החיכוך )1000~ מ'( הרוח נעה בתאוצה ולכן CF גדל עד אשר מאזן את PGF 22 22

12 חוק בויס- בלוט מצפון לקו המשווה, כשהרוח בגבך, הלחץ הנמוך משמאלך משמעות חוק זה פשוטה: בחצי הצפוני של כדור הארץ בשקע הזרימה תיהה נגד כיוון השעון ברמה הזרימה תהה עם כיוון השעון בחצי הדרומי של כדור הארץ בשקע הזרימה תיהה עם כיוון השעון ברמה הזרימה תהה נגד כיוון השעון 23 23 כח צנטריפוגלי בדומה לכח קוריוליס, גם זה כח מדומה. ההנחה בפיתוח הרוח הגאוסטרופית היא שהאיזוברים מקבילים, וישרים. במציאות רוב המערכות הן עגולות לכן האיזוברים לא ישרים. במצב כזה, יש תנועה מעגלית שכידוע- מלווה בתאוצה צנטריפטלית. הכח הצנטריפוגלי פועל החוצה מציר הסיבוב. גודלו של כח זה תלוי במהירות, וברדיוס הסיבוב מכאן שהכח הצנטריפוגלי ליחידת נפח, F N =ma N /V=rv 2 /R 24 24

13 רוח גרדיאנטית אם לוקחים בחשבון גם את ההכח מקבלים את הרוח הגרדיאנטית. הצנטריפוגלי הוא, אף המשפיע Gradient יוצא שבשקע F N מתנגד לגרדיאנט הלחץ, ולכן מהירות הרוח נמוכה מעט ביחס לגאוסטרופית ברמה F N עוזר לגרדיאנט הלחץ, ולכן מהירות הרוח גבוהה מעט ביחס לגאוסטרופית 25 25 http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(gh)/guides/mtr/fw/prs/def.rxml 26 26

14 27 27 כח החיכוך במקרים רבים קרוב לפני הקרקע, יש השפעה גדולה למשטח עליו זורם האוויר מדובר פשוט בכוחות חיכוך, אשר מתנגדים לכיוון התנועה. מכיוון שחיכוך גורם למהירות לקטון, בפועל מתקבל שבמצב של חיכוך גדול,כח קוריוליס, שהוא פרופורציוני למהירות, קטן. בעקבות זה,גרדיאנט הלחץ מנצח, ומסובב במעט את כיוון הרוח כלפי הלחץ הנמוך. Friction 28 28

15 שקף 9: כוח החיכוך חיכוך נוצר במגע בין שני גופים בעלי מהירות שונה צורת פני הגופים אזור המגע בין הגופים מהירות יחסית בין שני הגופים כוח החיכוך מנוגד לכיוון התנועה אותה ומאט 29 29 4: שקף השפעת אופי פני השטח על הרוח עבור פני שטח שונים, כוח החיכוך הוא שונה ולכן כיוון ועוצמתה משתנים בהתאם 30 30

16 שקף 5: השפעת החיכוך על הרוח הגיאוסטרופית במפלס לחץ של 700 מיליבר: PGF = CF סמוך לקרקע: הרוח מואטת ולכן באופן זמני: PGF > CF תוצאת החיכוך: הרוח נחלשת ופונה לכיוון הלחץ הנמוך 31 31 חיגה של רוח הרוח בגובה רב )1000 מ' מעל פני השטח ומעלה( קרובה לגרדיאנטית, מכיוון שאין חיכוך. קרוב לקרקע מורגש החיכוך, המסובב את הרוח לכיוון הלחץ הנמוך. מכיוון שלפי חוק בויס בלוט, הלחץ הנמוך נמצא משמאל )בחצי הצפוני(, הרי שהרוח בקרקע מסובבת שמאלה ביחס לרוח ברום. לסיבוב זה קוראים חיגה של רוח" חיגה נגד כיוון השעון )שמאלה( מוגדרת חיגה אחורה. מכאן שהרוח בקרקע חגה "אחורה" בהשוואה לרוח הגרדיאנטית חיגה עם כיוון השעון מוגדרת קדימה בשקע יש חיגה אחורה עקב החיכוך. מה החיגה ברמה??? חישבו על זה... 32 32

17 http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(gh)/guides/mtr/fw/prs/def.rxml 33 33 שינויים בין יום ולילה ביום ישנה התחממות של פני השטח שגורמת לגושי האוויר לעלות. תוך החלל שנוצר, נוחת אוויר מהרום. אוויר זה מביא איתו תכונות מהרום - מהירות גאוסטרופית- חזקה יותר, עקב ביטול רגעי של החיכוך חיגה קדימה )ימינה(- מאותה סיבה שינוי פתאומי בעצמה ובכיוון של הרוח נקרא משביות gustiness רוח ביום ובלילה : אל מבוא למטאורולוגיה, או"פ 34 34

18 מערכות נוספות בדיוק כמו בטופוגרפיה, ניתן להגדיר מערכות נוספות פרט לשקע ורמה: אפיק- שלוחה של שקע רכס- שלוחה של רמה אוכף- אזור המוקף שתי רמות ושני שקעים מבוא למטאורולוגיה, או"פ 35 35 סיכום: השפעת שקע ורמה על עלית וירידת אוויר 36 36

19 סיכום : מזג האוויר המלווה רמות ושקעים 37 37 סיכום 38 38 אם בידינו מפת לחץ נוכל להעריך את כיוון ועצמת הרוח לפי העקרונות הבאים )בחצי הצפוני של כדוא'( הכיוון הכללי יהיה במקביל לאיזוברים, כאשר הלחץ הנמוך משמאל, והעצמה גדלה ככל שהאיזוברים צפופים יותר. הרוח הגרדיאנטית לוקחת בחשבון גם את הכוח הצנטריפוגלי. היא תגרום לרוח להתחזק מעט ברמה, ולהחלש מעט בשקע )כל זאת- ביחס לרוח הגאוסטרופית( ליד הקרקע יהיו סטיות ממה שנאמר בסעיפים הקודמים: הכיוון יסטה בין 10 ל- 40 מעלות לכיוון הלחץ הנמוך ביום הרוח משבית, אם חיגה קדימה והתחזקות בדרך ככלל, חיגה אחורה תלווה בהחלשות, וחיגה קדימה בהתחזקות

20 קישוריות - links http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(gl)/guides/mtr/home.rxml http://grads.iges.org/pix/euro.fcst.html :מפות http://ready.arl.noaa.gov/readycmet.php :מטאורוגרמות http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsavneur.html :אתר גרמני http://www.westwind.ch/ :אתר שוויצרי ספרות מבוא למטאורולוגיה, האוניברסיטה הפתוחה, יחידה 1 מבוא למטאורולוגיה, האוניברסיטה הפתוחה, יחידה 2 39 39 סולם בופור Beaufort http://www.auf.asn.au/meteorology/section6.html 40 40