Ziemia - nieco większe laboratorium fizyki

Atmosfera i oceany

Głównym powodem występowania zjawisk atmosferycznych (mechanika i termodynamika atmosfery) jest zróżnicowana budowa w jej pionowych warstwach w zależności od szerokości geograficznych, oraz promieniowanie podczerwone gruntu, patrz np. (Karwasz i Służewski, 2013). Ciepłe, wilgotne (a więc lekkie) powietrze unosi się nad równikiem, osusza się na skraju troposfery (dając tropikalne deszcze) i przesuwa się na północ i na południe. Potem, suche, zimne (i ciężkie) opada na ziemię w regionach Sahary, Gobi i Kalahari.

Jest to tak zwana komórka Hadley’a. Komórka ta jest połączona ze słabszymi istniejącymi w wyższych szerokościach geograficznych. W trakcie poruszania się powietrza równolegle do powierzchni Ziemi bardzo ważną siłą, rządzącą pogodą jest to jest tak zwana siła Coriolisa.

  

Siła Coriolisa jest wynikiem obrotu Ziemi: obiekty poruszające się od równika w kierunku biegunów nie poruszają się wzdłuż południków. Matematyczna formuła tego zjawiska jest dość trudna, ale sama zasada jest prosta: na półkuli północnej powietrze które porusza się na północ jest odchylone w prawo.

Siła Coriolisa powoduje, że powietrze wypływające z obszaru o wysokim ciśnieniu (jak na powyższym zdjęciu, 13 stycznia 2014) krąży zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

 Dzięki tej sile powietrze wpływające do obszarów o niskim ciśnieniu porusza się (na półkuli północnej) w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Siła Coriolisa powstaje w wyniku obrotu Ziemi; w obracającym się układzie powstają (nie przewidziane przez II prawo Newtona) siła Coriolisa i siła odśrodkowa.

Ta pierwsza powstaje wówczas, gdy ciało porusza się w układzie obracającym się - jest jak tajemnicza siła która podcina nam nogi nogi, kiedy idziemy na obracającej się tarczy.

W połączeniu z komórką Hadley’a, siła Coriolisa jest przyczyną pasatów, które pchały statki Kolumba, kiedy płynął odkrywać Amerykę, patrz rysunek. 11a. Trasa Kolumba jest ładnym przykładem zamknięcia pętli tak jak ma to miejsce w cyrkulacji atmosfery i hydrosfery: prądy oceaniczne płyną w jednym kierunku na powierzchni i zamykają pętlę w głębi.

Znanym przykładem takiego prądu jest Prąd Zatokowy (Golfsztrom) - woda ogrzewa się w Morzu Sargassowym płynie w kierunku europy Europy,  a następnie ochładza się w rejonie Islandii i wraca w głębi, jak to przedstawiamy w eksperymencie na filmie poniżej.

Doświadczenie pokazujące pętlę, w jakiej płynie woda w prądach oceanicznych; ciepła woda unosi się do góry, przesuwa się po powierzchni w prawo, a następnie ochładza się w prawym górnym rogu akwarium, tonie i wraca przy dnie akwarium.

Jednymi z ciekawszych zjawisk atmosferycznych są tornada. Powstają przy bardzo silnych burzach, kiedy gorące powietrze ma kontakt z zimnym (zazwyczaj w pobliżu frontu atmosferycznego).

 Największe tornada, w których wiatry osiągają prędkość 500 km/h tworzą się w burzowych superkomórkach w Stanach Zjednoczonych. W Polsce corocznie  również obserwuje się kilka, kilkanaście, ale już nie tak potężnych jak w USA tornad.

W laboratorim fizycznym w dość prosty sposób mozna to zasymulować.

Tekst: GK
WWW: KS