Atmosferă barocă

Liniile de densitate și izobarele se intersectează într-un fluid baroclinic (deasupra). Deoarece densitatea este legată de temperatură, pe o hartă de suprafață, izobarele și izotermele se intersectează între ele

În dinamica fluidelor , baroclinicitatea este o măsură a stratificării într-un fluid . În meteorologie, o atmosferă baroclinică este una pentru care densitatea depinde atât de temperatură, cât și de presiune ; acest lucru este opus atmosferei barotrope pentru care în schimb densitatea depinde doar de presiune. În termeni atmosferici, zonele barotropice ale Pământului se găsesc în general în latitudinile centrale, adică între tropice , în timp ce zonele baroclinice se găsesc în general în regiunile latitudinii medii și polare.

Baroclinicitatea este proporțională cu:

\nabla p\times \nabla \rho

{\ displaystyle \ nabla p \ times \ nabla \ rho}

{\ displaystyle \ nabla p \ times \ nabla \ rho}

care din nou este proporțional cu unghiul dintre suprafața presiunii constante și suprafața densității constante. Astfel, într-un fluid barotrop (care este definit de baroclinicitate nulă) aceste suprafețe sunt paralele.

Zonele cu baroclinicitate atmosferică ridicată se caracterizează prin formarea frecventă de cicloni .

Descriere

Vector baroclinic

Pornind de la ecuația mișcării pentru un fluid ( ecuația Euler sau ecuațiile Navier-Stokes ) și luând rotorul său, ajungem la ecuația mișcării rotorului vitezei fluidului care este exact vorticitate . Într-un fluid care nu are densitate constantă, apare un termen sursă în ecuația vorticității, ori de câte ori suprafețele de densitate constantă (suprafețe izopice) și suprafețe de presiune constantă (suprafețe izobarice) nu sunt aliniate. Derivatul material al vorticității locale este dat de:

{\begin{aligned}{\frac {D{\vec {\omega }}}{Dt}}\equiv {\frac {\partial {\vec {\omega }}}{\partial t}}+({\vec {V}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {\omega }}=({\vec {\omega }}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {V}}-{\vec {\omega }}({\vec {\nabla }}\cdot {\vec {V}})+\underbrace {{\frac {1}{\rho ^{2}}}{\vec {\nabla }}\rho \times {\vec {\nabla }}p} _{\mathrm {baroclinic\,contribution} }\end{aligned}}

{\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {D {\ vec {\ omega}}} {Dt}} \ equiv {\ frac {\ partial {\ vec {\ omega}}} {\ partial t}} + ({\ vec {V}} \ cdot {\ vec {\ nabla}}) {\ vec {\ omega}} = ({\ vec {\ omega}} \ cdot {\ vec {\ nabla}}) { \ vec {V}} - {\ vec {\ omega}} ({\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {V}}) + \ underbrace {{\ frac {1} {\ rho ^ {2 }}} {\ vec {\ nabla}} \ rho \ times {\ vec {\ nabla}} p} _ {\ mathrm {baroclinic \, contribution}} \ end {align}}}

{\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {D {\ vec {\ omega}}} {Dt}} \ equiv {\ frac {\ partial {\ vec {\ omega}}} {\ partial t}} + ({\ vec {V}} \ cdot {\ vec {\ nabla}}) {\ vec {\ omega}} = ({\ vec {\ omega}} \ cdot {\ vec {\ nabla}}) { \ vec {V}} - {\ vec {\ omega}} ({\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {V}}) + \ underbrace {{\ frac {1} {\ rho ^ {2 }}} {\ vec {\ nabla}} \ rho \ times {\ vec {\ nabla}} p} _ {\ mathrm {baroclinic \, contribution}} \ end {align}}}

unde este ${\vec {V}}$ ${\ displaystyle {\ vec {V}}}$ ${\ vec V}$ este viteza și ${\vec {\omega }}$ ${\ displaystyle {\ vec {\ omega}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {\ omega}}}$ este vorticitatea , $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ presiune, e $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ densitate). contribuția baroclinică este vectorul:

${\frac {1}{\rho ^{2}}}\nabla \rho \times \nabla p$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ rho ^ {2}}} \ nabla \ rho \ times \ nabla p}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ rho ^ {2}}} \ nabla \ rho \ times \ nabla p}$

Acest vector prezintă interes atât pentru fluidele comprimabile, cât și pentru cele necompresibile (dar nu omogene). Undele gravitaționale interne, precum și modurile Taylor-Rayleight pot fi analizate din perspectiva vectorului baroclinic. De asemenea, este de interes crearea vorticității prin trecerea șocului prin mijloace neomogene, cum ar fi instabilitatea Richtmeyer-Meshkov.

Scafandrii se pot familiariza cu undele foarte lente care pot fi excitate într-o termoclină sau haloclină ; acestea sunt unde interne. Valuri similare pot fi generate între un strat de apă și un strat de petrol. Când interfața dintre aceste două suprafețe nu este orizontală și sistemul este aproape de echilibrul hidrostatic, gradientul de presiune este vertical, dar gradientul de densitate nu. Prin urmare, vectorul baroclinic este diferit de zero și sensul vectorului baroclinic este de a crea vorticitate pentru a scoate stratul de interfață. În acest proces, interfața trece și rezultatul este o oscilație care este o undă gravitațională internă. Spre deosebire de undele gravitaționale de suprafață, undele gravitaționale interne nu necesită o interfață ascuțită. De exemplu, în corpurile de apă, un gradient gradual de temperatură sau salinitate este suficient pentru a susține undele de gravitație interne conduse de vectorul baroclinic.

Instabilitate baroclinică

Instabilitatea baroclinică este o instabilitate dinamică fluidă de o importanță fundamentală în atmosfera și oceanele terestre . În atmosferă reprezintă mecanismul dominant care dă naștere ciclonilor și anticiclonilor care domină clima în latitudinile medii. În oceane generează un câmp vortex mezoscal care joacă diverse roluri în dinamica oceanelor și în transportul trasorilor.

Instabilitatea baroclinică este un concept relevant pentru fluidele cu rotire rapidă și foarte stratificate. Dacă fluidul se rotește rapid sau nu este determinat în acest context de numărul Rossby . Mai precis, un flux într-o rotație a unui corp solid are vorticitate proporțională cu viteza sa unghiulară. Numărul Rossby este o măsură a detașării vorticității de cea a rotației corpului solid. Acest număr trebuie să fie mic pentru ca conceptul de instabilitate baroclinică să fie relevant. Când numărul Rossby este ridicat, alte forme de instabilitate, adesea raportate ca inerțiale, devin foarte relevante.

Cel mai simplu exemplu de debit stratificat stabil este cel al unui debit incompresibil cu densitatea scăzând odată cu altitudinea. Într-un gaz comprimabil precum atmosfera, măsura relevantă se află în gradientul vertical al entropiei, care trebuie să crească odată cu altitudinea pentru debituri stabil stratificate. O măsură a rezistenței stratificării este obținută prin măsurarea cât de mare trebuie să fie forfecarea verticală a vânturilor orizontale pentru a destabiliza fluxul și a produce instabilitatea clasică Kelvin-Helmholtz . Această măsură este dată de numărul lui Richard : atunci când numărul lui Richard este ridicat, stratificarea este suficient de puternică pentru a preveni această instabilitate de forfecare.

Înainte de lucrarea clasică a lui Jule Charney și Eric Eeady despre instabilitatea baroclinică la sfârșitul anilor 1940 , majoritatea teoriilor care au încercat să explice structura vortexurilor la latitudini medii au luat ca punct de plecare instabilitatea numărului mare al lui Rossby. Sau dintr-un număr mic de Richards , familiarizat cu dinamica fluidelor de atunci. Cea mai importantă caracteristică a instabilității baroclinice este aceea că există chiar și în situația de rotație rapidă (număr mic Rossby) și stratificare puternică stabilă (valoare ridicată a numărului Richardson) observată de obicei în atmosferă.

Sursa de energie pentru instabilitatea baroclinică este energia potențială din fluxurile de mediu. Pe măsură ce instabilitatea crește, centrul de masă al fluidului scade. În valurile în creștere din atmosferă, aerul rece care se mișcă în jos și către ecuator înlocuiește aerul mai cald care se deplasează spre pol și în sus.

Instabilitatea baroclinică poate fi studiată în laborator folosind un recipient inelar rotativ. Recipientul este încălzit pe peretele exterior și răcit în peretele interior și fluxurile de fluid rezultate contribuie la transformarea undelor în instanțe baroclinice.

Termenul de baroclinic se referă la mecanismul prin care se generează vorticitatea . Vorticitatea este rotorul câmpului de viteză. În general, evoluția vorticității poate fi descompusă în contribuții din advecție (de îndată ce tuburile vortex se deplasează odată cu fluxul), alungire și rotație (imediat ce tuburile vortex sunt trase sau rotite de flux) și generarea de vorticități baroclinice care apar ori de câte ori există un gradient de densitate de-a lungul suprafeței de presiune constantă. Fluxurile baroclinice pot fi contrastate cu fluxurile barotropice în care densitatea și suprafețele de presiune coincid și nu există o generație baroclinică de vortex. Studiul evoluției acestor instabilități baroclinice pe măsură ce cresc și scad este sinonim în dinamica meteorologică cu problema dezvoltării teoriilor pentru a descrie caracteristicile fundamentale ale vremii atmosferice la latitudini medii.

Elemente conexe

Portal de meteorologie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de meteorologie