آنالیز چرخش اتمسفر (2)

بگذارید حرکت مارپیچی گردباد ها، طوفان ها، تند باد ها و.. را به کل اتمسفر تعمیم دهیم. تصور این است که زمین درحال چرخش، در سطح خود درست در امتداد هوا کشیده میشود.

مطالعه » آنالیز چرخش اتمسفر قسمت اول.

مدل متعارف:

گردش جهانی جریان هوا را می توان در یک مدل دو مرحله ای توضیح داد. ابتدا با سه فرض ساده شروع می کنیم:

1. زمین تحرکی در فضا ندارد
2. سطح زمین از مواد مشابهی تشکیل شده است

گرمایش خورشیدی و از دست دادن تابش مادون قرمز باعث گرادیان درجه حرارت هوای گرم در استوا و هوای سرد در قطب ها می شود و هوای گرم را از استوا به سمت قطب ها می کشد.

هوا در استوا با همگرایی و انتقال گرما، بصورت عمودی به سمت بالا میرود و سپس توسط گرادیان دمایی به قطب ها کشیده می شود. در قطب ها، هوا سردتر شده و برای تکمیل چرخه جریان به سمت سطح می آید. اکنون بیایید فرض کنیم زمین در فضا میچرخد و فرض اول (در بالا) را تغییر می دهیم. اگر چنین باشد، چرخش زمین باعث ایجاد سه سلول گردشی (نه یک سلول) در هر نیمکره می شود. نیروی کوریولیس باعث می شود که هوای قسمت بالایی که از سمت استوا حرکت می کند، در عرض جغرافیایی 30 درجه از غرب به شرق دچار تغییر مسیر و انحراف شود که جت استریم مناطق نیمه گرمسیری است. اثر کوریولیس همچنین باد های تجاری شمال شرقی (انحراف سمت راست) و باد های تجاری جنوب شرقی (انحرافات سمت چپ) را ایجاد می کند. هوای سطحی درحال حرکت از مناطق نیمه گرمسیری به سوی قطبها توسط شتاب کوریولیس جهت تولید باد های غالب غرب (غرب وزان) هدایت می شود. به ترتیب بین عرضهای 30 و 60 درجه شمالی و جنوبی، بادهای بالایی هوا که به سمت قطبها می وزند، تحت تأثیر نیروی کوریولیس قرار می گیرند تا جریان جت قطبی را از غرب به شرق به جریان بیاندازند. علت اصلی باد های غرب به شرق به وضوح نیروی کوریولیس است.

لختی هواپویشی (آیرودینامیک اینرسی) باید بادهای بالایی را در خلاف جهت چرخش، از شرق به غرب، با بیشترین سرعت در استوا، بطوری که بیشترین سرعت مماسی 1054 مایل بر ساعت و 0 در قطبین باشد، حرکت دهد. هواي سطحي در استوا باید در طول لایه مرزی کوچک، با سرعت چرخشی مشابه با استوا کشیده شود. اما باید با افزایش ارتفاع در سرعت نسبت به سطح ،افزایشی را شاهد باشیم که در نهایت نزدیک به 1054 مایل در ساعت است (نسبت به سطح، نه یک چارچوب لختی).

برای یک ناظر در یک چارچوب لخت به دور از اثرات چرخشی زمین، هوای قسمت بالایی ثابت می شود و استوا با سرعت 1054 مایل در ساعت حرکت می کند. برای یک ناظر زمینی، هوای اطراف بایستی ثابت و هوای قسمت بالایی در 1054 مایل در ساعت حرکت کند. بگذارید ببینیم چه میشود اگر چنین چیزی حقیقت داشته باشد: یک نسخه مینیاتوری از گردش هوا در سطح مقطع را می توان هنگام تکان دادن یک فنجان قهوه و سپس اضافه کردن مقداری خامه در آن دید. یا تصویر ماهواره ای از یک طوفان که نشان دهنده همان الگوی گردابی پایه است. در نتیجه باد های جوی باید در اصل شرق به غرب باشند. زمین حرکت مشخصی از غرب به شرق در زیر لایه هوا دارد. برای درک اثر چرخش، توپ درحال چرخش جامدی را در یک محیط مایع به عنوان یک مدل تعامل جو با زمین قرار دهید، سپس یک لایه مرزی همرا با خطوط گردابی که درحالت مارپیچی درحال خارج شدن است را مشاهده میکنید. این خطوط مارپیچی تا جایی ادامه می یابد که هوا با توجه به سیستم لختی- ستارگان ثابت (یا مرکز زمین) ثابت شود. نمایه شتاب ارتفاع با زاویه عرض جغرافیایی lat باید بصورت زیر نوشته شو:

v(lat) = 1054 mph cosine (lat)

شتاب باید بصورت نمایی با ارتفاع در استوا از 0 به 1054 افزایش یابد. بر اساس چرخه هادلی و مدل نیروی کوریولیس:

• اگر جریان جت در هر کجا وجود داشته باشد باید در استوا از شرق به غرب باشد اما اینطور نیست.
• یک جت استریم غرب به شرق در اواسط عرض جغرافیایی نیمه شمالی قرار دارد اما مکان
  و جهت آن اشتباه است.
• یک جت استریم ارتفاع بالا جنوبی از شرق به غرب وجود دارد که مکانش اشتباه است.
• به نظر میرسد که باد های پایدار در هر نقطه ای، در ارتفاعات، باید در حدود 50 نات (گره)
  باشند.

از این رو، به نظر می رسد که زمین چرخشی نداشته باشد اما باید بدانید که علت باد های مختلف گرادیان دمایی و فشار است. اینطور به نظر می رسد تنها به یک بخش از نیروی کوریولیس توجه میکنند، نه ویژگی اصلی اش که انتقال از یک شتاب به یک چارچوب لخت است. به یاد داشته باشید که نیروی کوریولیس ، تنها توسط یک زمین متحرک ایجاد نمیشود . اگر جهان (شامل تمامی اجرام آسمانی) را به دور زمین بچرخانیم، اصل ماخ حکم میکند که نیروهای اینرسی مشابه و یکسان خواهند بود. اما چگونه باد های اینرسی 1054 مایل بر ساعت نمیتوانند نقش قابل توجهی در یک مدل پیش بینی شده از الگوهای هوای زمینی ایفا کنند؟ به نظر می رسد مهم نیست که کدام گزینه برای اتمسفر انتخاب میشود؟ (که با زمین یا جدای از آن میچرخد)، چنین چیزی با منطق و مشاهدات در تناقض است. اگر ما بر روی یک زمین درحال چرخش با هوای ناپیوسته به زمین که تنها در معرض گرانش (اتمسفر توسط هیچ نیرو یا قدرتی نمیتواند همراه و متصل به زمین باشد) قرار دارد هستیم، پس مشکلات بزرگی را در مبحث باد ها تجربه خواهیم کرد از جمله اینکه زمین درحال چرخش با وزن کلی جو برخورد میکند (وزن اتمسفر زمین بطور کلی در حدود 4 میلیارد تن است).

اختلاف حرارتی جزئی بین قطب و استوا، توسط وزش هوای غرب به شرق که برخورد هوای آزاد و زمین درحال چرخش است ازبین میرود. برعکس، اگر ما بر روی زمین در حال چرخش هستیم، به نوعی این اتمسفر با ما میچرخد. سوالی که مطرح میشود این است که چه مکانیسم اتصالی زمین و هوا را قادر به انجام چنین کاری میسازد؟ در اینجا تعدادی اتصال و رابط برای فراهم آوردن نیروی گشتاور به منظور ادامه دادن چرخش هماهنگ با زمین همراه پوشش هوای آن نیاز است. هیچکس مکانیزمی برای چگونگی اتصال و ارتباط زمین و هوای درحال چرخش، که به قدری قوی است که اتمسفر مجبور میشود در امتداد با زمین بچرخد، پیشنهاد نداده است. هرچند در غیر اینصورت آزادانه هرکجا که گرانش امر کند حرکت میکند! اگر دقت کنید، هربار که ما در محیط هوا حرکت میکنیم یا آن را تنفس میکنیم ، درواقع آزادی و پراکندگی ساده آن را نشان میدهیم. با این حال، به ما گفته شده است، هوا مطیعانه به دنبال زمین است که درحال چرخش در فضا است. شما چه فکر میکنید؟

بگذارید حرکت مارپیچی گردباد ها، طوفان ها، تند باد ها و.. را به کل اتمسفر تعمیم دهیم. تصور این است که زمین درحال چرخش، در سطح خود درست در امتداد هوا کشیده میشود. اما فقدان اصطکاک و گرانروی هوا، به علاوه اینرسی اش (لختی اش)، باعث جریان یافتن هوا بعد از حرکت زمین (سطح زمین) میشود، درست به مانند چرخش خامه در فنجان قهوه شکل میگیرد. استوا که با سرعت 1054 مایل بر ساعت میچرخد (در مدل خورشید مرکزی)، باید تغییرات سریعی در حالت باد ها، از 0 در سطح زمین تا 1054 در ارتفاعات، داشته باشد. میتوانید با انمومتر یا بادسنج، حقیقت این موضوع را بسنجید. باد های استوایی حتی در ارتفاعات نیز کاملاً مطیع و آرام هستند. تنها با توجه به گرمای خورشید که از آسمان عبور میکند شاهد باد های ملایمی هستیم. در دنیای مدرن، با چنین درکی که از طبیعت بدست آورده ایم، گاهی ادعا های باورنکردنی و خنده داری مطرح میشود از جمله اینکه اتمسفر دقیقا همراه با زمین درحال چرخش است، چنین چیزی امکان ندارد مگر اینکه اتمسفر کاملا جامد باشد. پس با این حساب نتیجه چه میشود؟ بله! زمین هیچ حرکتی ندارد.

کوریولیس در زمین تخت و آونگ فوکو