Unknown - Ким Померанец

Причины и особенности движения воздуха

Мы представляем себе атмосферу Земли как беспокойную среду, находящуюся в непрерывном движении. Строго говоря, ничто в этом мире не остается в покое. Но движения воздуха и воды представляются особенно естественными, какими-то сами собой разумеющимися. Также интуитивно мы предполагаем, что существуют какие-то силы, под влиянием которых эти движения совершаются. Но для изучения этих сил интуиции недостаточно. Требуется обратиться к основным физическим законам и выяснить, что это за силы, каковы их особенности, каким образом они действуют на метеорологические элементы, какими величинами они выражаются.

Сила тяжести - действует по закону всемирного тяготения Ньютона. Она вездесуща: любая пушинка, каждая материальная частичка, яблоко, упавшее на голову Ньютона

(легенда или быль?) - все без исключения притягивается к центру Земли пропорционально массам частиц и обратно пропорционально квадрату расстояний между ними. Физики относят силу тяжести к массовой (объемной) силе, действующей на единицу массы любого вещества, независимо от того, находятся ли рядом другие частицы. Метеорологи уточняют - в том числе и на единицу массы воздуха. А сила на единицу массы есть ускорение этой силы. По известным значениям массы Земли и ее радиуса вычислили ускорение силы тяжести (ускорение силы земного притяжения, ускорение свободного падения), оказавшееся равным 9,8 м/сек2. Оно несущественно зависит от географической широты и высоты места.

Движение воздуха совершается на вращающейся Земле, то есть в системе координат, движущейся с ускорением. Планета вращается вокруг собственной оси, совершая полный оборот за сутки, благодаря чему у нас происходит смена дня и ночи. Вращается Земля и вокруг Солнца, совершая полный оборот за год, благодаря чему у нас меняются времена года. Два вида вращения известны нам со школьных лет. Правда, не столь известен и менее привычен тот факт, что годовое вращение совершается со скоростью 30 км/сек. Так и летим мы все в мировом пространстве стремительно и легко, совершенно того не замечая...

Важнейшее, с точки зрения динамической метеорологии, вращение Земли вокруг своей оси означает неизбежное появление дополнительных массовых - инерционных - сил, действующих на частицы воздуха. По направлению радиуса вращения появляется центробежная сила, ускорение которой на полюсах равно нулю, поскольку полюса лежат на оси вращения. На экваторе центробежная сила заметна, но и там ее ускорение в сотни раз меньше ускорения силы тяжести, составляя примерно 0,03 м/сек2. Поэтому в атмосферных движениях центробежной силой позволительно пренебречь. Она лишь очень незначительно увеличивает силу тяжести на полюсах по сравнению с экватором.

Для метеорологических движений вращение Земли не проходит даром. И не только для метеорологических. Оно - вращение - обусловливает появление новой массовой силы, действующей на любое движение любых объектов - пешеходов, поездов, ракет, снарядов, течений рек и, конечно, воздушных потоков. Сила в какой-то мере таинственная, можно даже сказать, коварная. Пока объект неподвижен, она не дает о себе знать. Это видно из математического выражения этой силы, куда сомножителем входит скорость движения объекта. Объект в покое, его скорость - нулевая, и силы - нет, она затаилась. Формула силы не потребовала бы стольких слов, но, следуя принципу «без математики», не станем ее приводить. Она - формула - известна каждому школьнику, кажется, с 6-7 классов. Но и словесное определение этой силы также просто - она равна произведению четырех величин: коэффициента 2, угловой скорости вращения Земли (один полный оборот в радианах равен 6,28, в сутках содержится 86 400 секунд), синуса географической широты и скорости движения объекта. Формул писать не будем, но некоторые цифры и простейшие вычисления все же приведем. Удвоенная угловая скорость равна 0,000146 1/сек, синус широты Петербурга равен 0,866 (события происходят здесь), скорость движения равна 1,5 м/сек или почти 5,5 км/ч, что вполне под силу обычному здоровому петербуржцу. Получаем ускорение таинственной силы для скорости пешехода на нашей широте приблизительно: 0,00019 м/сек2. Величина, прямо скажем, мизерная. Пешеход такого ускорения не ощущает. Но для частиц воздуха она существенна и, главное, сравнима с другими силами.

Пора назвать изучаемую силу. Это - отклоняющая сила вращения Земли, или

кориолисова сила. Кориолис, Гюстав Гаспар (1792—1843), французский физик и инженер. В 1829 г. показал, что на относительное движение объекта влияет вращение системы отсчета. Разработал теорию относительного движения. В 1920- 1930-х гг. многие ученые - историки науки - доказывали, что влияние отклоняющей силы открыл еще в 1743 г. соотечественник Кориолиса, физик Клеро (1713—1865). Были предложения называть отклоняющую силу именем Клеро или, по крайней мере, силой Клеро- Кориолиса. Предложения не привились. Кроме того, отклоняющую силу вращения Земли иногда называют эффектом Кориолиса, поскольку в строгом физическом смысле этот феномен собственно силой не является.