Fizyka dla każdego

Skąd się biorą tajfuny?

Słowem kluczowym jest ogromne ciepło parowania wody, a właściwie (równe jemu) ciepło skraplania się pary wodnej. Otóż, dla odparowania jednego grama wody, już o temperaturze 100ºC, potrzeba dostarczyć takiej ilości ciepła, jak do podgrzania tej wody o kolejne 540ºC: ciepło parowania wody w temperaturze 100ºC i pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi 540 cal/g. W tych samych jednostkach ciepło właściwe wody wynosi 1kcal/(cm³•ºC): jedna kaloria to ilość ciepła niezbędna do ogrzania jednego grama wody o jeden stopień Celsjusza/(=Kelwina).

To oznacza, że ze skraplającej się pary wodnej wydziela się ogromna ilość ciepła. Powoduje to ogrzanie powietrza, i jego konwekcyjne wznoszenie się. W miejsce powietrza, które wędruje w górę, napływa, wzdłuż powierzchni morza, kolejne – ze wszystkich stron. Przepływ powietrza powoduje wzmożone parowanie wody. Skąd ciepło na to parowanie? Z ciepłego morza. Woda ma bardzo dużą „pojemność cieplną”. Kolejne parowanie, to kolejne skraplanie się (na dużej wysokości) i kolejna konwekcja. Rozpoczął się samo-napędzający się tajfun: silnik termodynamiczny, w którym czynnikiem roboczym jest para wodna, kotłem - ciepła powierzchnia oceanu, a chłodnicą atmosfera na wysokości kilku kilometrów (gdzie temperatura spada do 0ºC).

Pozostaje do wyjaśnienia: skąd ten katastrofalny wir? Odpowiada za to kręcąca się kula ziemska. Na równiku kręci się ona (mówimy o prędkości liniowej punktów na jej powierzchni) szybciej niż na zwrotnikach. Wiatry wiejące z południa na północ mają więc tendencję „wyprzedzania” punktów na Ziemi (czyli zbaczają na wschód). Zbaczanie na wschód oznacza kręcenie się wiru przeciwnie do wskazówek zegara na półkuli północnej (i zgodnie ze wskazówkami na półkuli południowej).

Pominęliśmy jedną ważną kwestię: dlaczego w tajfunie wiatr wieje do środka tajfunu?To proste. Środek tajfunu to miejsce o niskim ciśnieniu. Ale właściwie dlaczego, skoro właśnie w środku kotłuje się mokre powietrze? Otóż mokre powietrze (z dużą zawartością pary wodnej, ale jeszcze bez kropel deszczu) jest lżejsze niż suche. Jest to bardzo proste: drobina pary wodnej H₂O ma masę 18 a drobina azotu N₂ (w tych samych jednostkach) – 28. Im więcej pary wodnej w powietrzu (czyli przy tym samym sumarycznym ciśnieniu mniej azotu), tym powietrze lżejsze. A w konsekwencji, azot (i tlen) z parą wodną to lżejszy słup powietrza, czyli ośrodek niżowy.

Meteorolodzy mówią więc, że powietrze wokół ośrodków niżowych krąży jak cyklon (czyli odwrotnie do wskazówek zegara, gdy niż atmosferyczny ma miejsce na półkuli północnej), a wokół ośrodków wyżowych – jak nad wyspami Azorskimi[i] - powstają antycyklony, kręcące się zgodnie ze wskazówkami zegara, zob. rys. 1.

Rys. 1. Ruch powietrza w ośrodku wokół ośrodków wyżowych.

Jak długo trwa sezon tajfunów? Tak długo jak działa termodynamiczny silnik: ciepłe morze i zimne powietrze. Czyli od końca lata do połowy jesieni.

Jak odeszła "Ofelia" (zdjęcia z Sopotu)

W niedzielę 15/10/2017 nad Sopotem rozciągał się już tylko "ogon" Ofelii.

O 10:20 niebo było jeszcze przykryte w połowie deszczowymi nimbusami. 

O 12:03 wiatr przegonił nimbusy, a na niebie pojawiły się wróżące dobrą pogodę wysoko położone altocumulusy.

O 17:56 słońce, już po zachodzie, oświetlało tylko najwyższe cirrusy a altocumulusy przybrały barwę nocnego błękitu. Było ciepło i przyjemnie. Jak zazwyczaj po tajfunie. 

(foto Maria Karwasz, perspektywa w kierunku południowo-wschodnim) 

Fizyka tajfunów

Fizycy efekt kręcenia się powietrza wokół ośrodków niżowych (wpływ powietrza do centrum) i wyżowych (wypływ z centrum) tłumaczą tzw. siłą Coriolisa. Można rzec, że jest  to siła rządząca pogodą. 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. 

Rys. 2. Siła Coriolisa.

Siła Coriolisa, to ta sama siła, co „ścina z nóg” gdy spacerujemy po wirującej tarczy karuzeli. Oblicza się ją jako F_c = -2(ω x v), gdzie w jest wektorem prędkości kątowej (np. dla wirującej Ziemi skierowany jest w górę, ponad biegun północny), v jest prędkością liniową (np. wiatru) a znak „x” oznacza iloczyn wektorowy.

Jak byśmy tego nie tłumaczyli, tajfun (na półkuli północnej) kręci się w lewo. 

Czytaj też:

K. Służewski, G. Karwasz, O żyroskopach, Systemie Słonecznym i momencie pędu