W tym artykule zawarto:

W tym artykule zgłębiamy pochodzenie wiatru i siły, które go napędzają. Następnie stosujemy tę wiedzę na mapach pogody, pomagając żeglarzom interpretować wzorce wiatru przy powierzchni ziemi, co pozwala im lepiej zorientować się w nawigacji.

Badamy również wiatr pionowy. Choć nie jest on bezpośrednio odczuwalny przez żeglarzy, może wpływać na warunki na morzu. Na koniec analizujemy globalną cyrkulację wiatru i jej wpływ na systemy pogodowe.

Wiatr to ruch powietrza wywołany różnicą ciśnień. Powietrze jest wypychane z wyższego do niższego ciśnienia. Jeśli przebijesz dziurę w oponie rowerowej, powietrze z jej wnętrza będzie się ulatniać, aż ciśnienie między powietrzem wewnątrz a na zewnątrz wyrówna się. To Matka Natura próbuje utrzymać równowagę.

Fizyka wiatru jest podobna. Na powierzchni Ziemi, gdzie występuje obszar wysokiego ciśnienia i obszar niskiego ciśnienia, powietrze jest wypychane z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia. Siła ta nazywana jest siłą gradientu ciśnienia . Jest ona proporcjonalna do różnicy ciśnień na danym dystansie. Zatem im bardziej ciśnienie maleje na krótkim dystansie, tym większa jest siła.

Można by pomyśleć, że wiatr wiałby z góry na dół w linii prostej. Jednak nie jest to tak proste, jak się wydaje. Obrót Ziemi wytwarza inną siłę, zwaną siłą Coriolisa .

Ta siła nie jest specyficzna dla wiatru, działa ona na każdy obiekt poruszający się w układzie obrotowym. Aby to zrozumieć, zapomnijmy na chwilę o wietrze i weźmy przykład karuzeli obracającej się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, na której czterech ludzi siedzi naprzeciwko siebie. Jeśli jedna osoba rzuci piłkę osobie siedzącej przed nią, piłka nie trafi do osoby, do której celuje, ponieważ ta osoba usunęłaby się z drogi w wyniku obrotu karuzeli. Zamiast tego, osoba siedząca po jej prawej stronie otrzyma piłkę, ponieważ została ona odchylona w prawo przez siłę zwaną siłą Coriolisa.

Zobacz siłę Coriolisa przedstawioną w tym 25-sekundowym filmie:

Ziemia również obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, podobnie jak karuzela, ale znacznie wolniej, raz na 24 godziny. W rezultacie efekt Coriolisa nie jest odczuwalny, gdy rzucamy piłką. Na Ziemi efekt Coriolisa można zaobserwować w obiektach poruszających się z dużą prędkością i/lub na duże odległości (np. w pociskach snajperskich i artyleryjskich) lub w cyrkulacji powietrza na dużych odległościach.

Zastosujmy powyższy przykład do meteorologii i wyobraźmy sobie układ niskiego ciśnienia znajdujący się na biegunie północnym:

Ziemia nie jest płaska jak karuzela, przez co siła Coriolisa zmienia się w zależności od szerokości geograficznej. Siła Coriolisa jest największa na biegunie północnym i odchyla się w prawo. Na równiku jest zerowa. Jest również największa na biegunie południowym, ale w przeciwnym kierunku, odchylając się w lewo. Aby to zrozumieć, należy wyobrazić sobie karuzelę przecinającą Ziemię na każdej szerokości geograficznej i rzutować prędkość powietrza na płaszczyznę karuzeli:

Ciekawostka: gdyby Ziemia się nie obracała, powietrze płynęłoby po najprostszej możliwej linii, szybko eliminując gradienty ciśnienia, a meteorologia byłaby o wiele prostsza.

Wiatr nigdy nie wieje po linii prostej, lecz zakręca. Krzywizna wiatru tworzy siłę odśrodkową na cząsteczki powietrza, która wypycha je na zewnątrz zakrętu. To ta sama siła odśrodkowa, której doświadczasz, gdy szybko skręcasz samochodem, a twoje ciało jest wypychane na zewnątrz zakrętu.
​

Sumując te trzy siły – ciśnienie, siłę Coriolisa i siłę odśrodkową – i zakładając, że się równoważą, nazywamy ten teoretyczny wiatr wiatrem gradientowym. Zakładając, że wiatr gradientowy, podobnie jak wiatr geostroficzny, wieje równolegle do izobar, prędkość wiatru jest albo zmniejszana, albo zwiększana w zależności od krzywizny.

Gdy wiatr okrąża obszar niskiego ciśnienia, siła odśrodkowa przeciwdziała sile ciśnienia. W związku z tym wiatr gradientowy dla krzywizny cyklonicznej jest mniejszy niż wiatr geostroficzny (wiatr jest zazwyczaj przeceniany, biorąc pod uwagę jedynie siłę gradientu ciśnienia wokół układu niskiego ciśnienia).

Cząsteczki powietrza doświadczają tarcia na powierzchni (zarówno nad lądem, jak i nad wodą, ale bardziej nad lądem). To spowalnia cząsteczki powietrza. Zatem tarcie spowalnia wiatr w pobliżu powierzchni, co skutkuje osłabieniem siły Coriolisa i siły odśrodkowej, ale siła ciśnienia pozostaje taka sama. Przepływ jest zatem nierównowagowy, a siła ciśnienia „wygrywa” i ostatecznie przyciąga więcej cząsteczek powietrza. W rezultacie wiatr jest „odchylany” w kierunku niskiego ciśnienia i odwrócony od wysokiego ciśnienia. Dla żeglarzy ważne jest, aby wiedzieć:

Ponieważ tarcie odchyla powietrze w kierunku niżu, oznacza to, że będzie ono zmierzać w kierunku środka niżu ze wszystkich kierunków. Powietrze nie będzie miało innej drogi niż w górę, a zatem będzie się unosić (ruch pionowy w górę) w środku niżu.
​

Ponieważ tarcie odchyla powietrze na zewnątrz wysokiego ciśnienia, efekt będzie odwrotny, a powietrze opadnie (ruch pionowy w dół) w środku wysokiego ciśnienia.

Podsumowanie tego widać na poniższym rysunku:

W tej sekcji zastosujemy teorię z poprzedniej sekcji do map pogody dla półkuli północnej, aby opisać poziomy wiatr przy powierzchni, co jest kluczowe dla żeglarza.

Poniższa mapa przedstawia mapę izobar na powierzchni. Brązowe linie to linie o jednakowym ciśnieniu. Oto kilka kluczowych pojęć widocznych na poniższym obrazku:

Poniższy obraz przedstawia kolejny przykład mapy ciśnienia z Bracknell. Zwróć uwagę na skalę w lewym górnym rogu, która pozwala oszacować siłę wiatru geostroficznego na powierzchni.

Poniższa mapa przedstawia układ niskiego ciśnienia nad lądem. Wiatr przy powierzchni, oznaczony na zielono na poniższym obrazku, nie płynie równolegle do izobary, lecz jest odchylany w kierunku środka układu niskiego ciśnienia z powodu efektu tarcia.

Poniższa mapa przedstawia obszar niżu barycznego nad lądem. Wiatr przy powierzchni, jak wskazują kierunki wiatrów na poniższym obrazku, nie płynie równolegle do izobary, lecz jest odchylany w kierunku środka układu niżowego ze względu na efekt tarcia.

Chmury są dobrym wskaźnikiem pionowych wiatrów, dlatego zalecamy przeczytanie artykułu na temat chmur - Meteorologia morska: Chmury .

Wiatr pionowy i poziomy są ze sobą powiązane. Wiatr pionowy wpływa na stabilność wiatru poziomego. Ta stabilność ma ogromne znaczenie dla żeglarzy, ponieważ żeglują w zmiennych i/lub porywistych warunkach, jeśli wiatr poziomy jest niestabilny.

Stabilność odnosi się do tendencji atmosfery do zmniejszania lub przyspieszania pionowego ruchu powietrza. Jednym z ważnych czynników napędzających pionowy wiatr jest czynnik termiczny .

Sterownik termiczny odpowiada pionowemu profilowi ​​temperatury atmosfery. Główną ideą jest to, że ciepłe powietrze ma tendencję do unoszenia się, ponieważ jest mniej gęste niż otaczające je chłodniejsze powietrze.
​

Weźmy cząsteczkę powietrza na powierzchni i zwiększmy jej temperaturę o kilka stopni w porównaniu z otaczającym powietrzem. Ta cząsteczka powietrza unosi się. Wraz z unoszeniem się ciśnienie powietrza i temperatura cząsteczki powietrza maleją. Gdy cząsteczka powietrza osiągnie na przykład wysokość 10 metrów, jeśli jest nadal cieplejsza niż otoczenie, będzie nadal się unosić, a nawet przyspieszać. Z drugiej strony, jeśli cząsteczka znajdzie otaczające ją powietrze o tej samej temperaturze, przestanie się unosić. Pamiętajmy więc,

Oto najważniejsze informacje dla żeglarzy żeglujących w stabilnych i niestabilnych warunkach termicznych:

W tej ostatniej części wykorzystamy całą zdobytą wiedzę o wiatrach poziomych i pionowych, aby wyjaśnić globalną cyrkulację wiatru nad Ziemią. Skupimy się szczególnie na globalnej cyrkulacji wiatru na powierzchni oceanów, którą żeglarze wykorzystują do pokonywania oceanów z wiatrem.

Źródłem globalnej cyrkulacji powietrza jest nierównomierne nagrzewanie Ziemi przez Słońce. Równik otrzymuje więcej ciepła, a bieguny mniej. Globalna cyrkulacja powietrza działa jak system klimatyzacji, redystrybuując ciepło z równika do biegunów. Na tym etapie ważne jest powiązanie temperatury powietrza z ciśnieniem atmosferycznym. Ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość i unosi się, co powoduje niższe ciśnienie. Z kolei zimne powietrze opada, co powoduje wzrost ciśnienia.

Ciepłe powietrze unosi się ponad równik i przemieszcza się w kierunku biegunów na dużych wysokościach. Oddalając się od równika, ochładza się i opada. Chłodne powietrze powraca do równika na powierzchni, gdzie ponownie się ogrzewa. Ten uproszczony model zakłada jedną taką komórkę cyrkulacyjną dla każdej półkuli, co przedstawiono poniżej, porównując półkulę do domu.

Jednak Ziemia obraca się, co powoduje cyrkulację dzięki sile Coriolisa. Gdy powietrze odsuwa się od równika na dużych wysokościach, siła Coriolisa odchyla wiatr. Po osiągnięciu 30° szerokości geograficznej wiatr jest równoległy do ​​równika i zatrzymuje się dalej na północ lub południe. Powoduje to, że powietrze opada na 30° szerokości geograficznej, a nie na biegunie. W rezultacie dla każdej półkuli powstają trzy komórki, jak pokazano poniżej.

Strefa A: Obszary, na których powietrze się unosi, charakteryzują się niskim ciśnieniem przy powierzchni. Odpowiadają one obszarom z chmurami i opadami deszczu (np. lasy równikowe i północna część Wielkiej Brytanii).

Strefa B: obszary, gdzie powietrze opada, charakteryzują się wysokim ciśnieniem. To tam niebo jest czyste i mało pada (np. wyże azorskie, pustynia Sahara i bieguny).

Te 3 komórki generują wiatry na powierzchni, które są również odchylane przez siłę Coriolisa.

Te wiatry (strefy C i D) przedstawiono na poniższym wykresie dla wyścigu Vendée Globe.

Aby dowiedzieć się więcej, czytaj dalej! W kolejnym artykule, Meteorologia morska 3: Chmury , przyjrzymy się różnorodności chmur, badając ich rozmiar, kształt, wysokość i to, czego można dowiedzieć się o nadchodzącej pogodzie na podstawie ich położenia i ruchu.