Questão:
Por que as frentes frias e outros efeitos climáticos de gradiente íngreme simplesmente não se dissipam?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
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Por que as frentes frias e outros efeitos climáticos de gradiente íngreme simplesmente não se dissipam? Por que eles duram tanto? Por que o calor não se dissipa em direção à região mais fria?

A resposta curta é porque há várias forças em ação (força do gradiente de pressão, força de Coriolis, força centrífuga e (minimamente) fricção). O vento (e através dele temperatura / umidade / vorticidade / etc) não flui simplesmente de alta pressão para baixa pressão da maneira que você imagina, devido à maneira como essas forças atuam umas contra as outras. http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg Em essência, o clima que observamos é o resultado do ar que quer "apenas se dissipar", mas é forçado a fazer outra coisa.
@DrewP84: Hrm, sim, eu meio que percebi isso enquanto copiava a pergunta (bastante antiga) do site area51. É possível que não seja respondido no estado em que se encontra (muito amplo?) Ou talvez pudesse ser melhorado. Pensamentos? Talvez uma versão ligeiramente expandida de seu comentário sirva como uma resposta.
Acho que a pergunta é boa. Tenho certeza de que há alguém que pode explicar melhor do que eu. Decidi dar minha resposta curta nesse meio tempo. Equações de dinâmica de fluidos nunca foram meu ponto forte.
Dois respostas:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
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Boa pergunta. Pareceria sem muita reflexão, que o ar em uma zona de alta pressão deveria se mover em direção ao ar em uma zona de baixa pressão, resultando no desaparecimento do gradiente de pressão. O motivo pelo qual isso não ocorre é porque existem outras forças (ou pseudo-forças) em ação, atuando além da força resultante do gradiente de pressão. Vou delinear essas forças abaixo:

1. Gradiente de pressão:
é a força resultante da diferença de pressão entre uma zona de alta e baixa pressão. Chamamos isso de gradiente de pressão, porque a mudança de pressão é contínua, em vez de uma mudança discreta entre uma zona de alta e baixa pressão. Podemos modelar a aceleração em uma direção particular resultante de um gradiente de pressão usando a equação:

$$ \ alpha = \ frac {-1} {\ rho} \ frac {dP} {dz} $$

onde $ \ alpha $ é a aceleração em um determinado ponto, $ \ rho $ é a densidade do ar naquele ponto, e $ dP / dz $ representa uma pequena mudança na pressão sobre uma pequena mudança em distância horizontal. De forma mais geral, podemos modelar o vetor de aceleração em 3 dimensões usando a equação:

$$ \ vec {\ alpha} = \ frac {-1} {\ rho} \ vec {\ nabla} P $$

Agora, se o gradiente de pressão era a única força em ação, é óbvio de cima que a aceleração seria direcionada de áreas de alta pressão para áreas de baixa pressão, resultando em uma dissipação de tais gradientes.

A próxima pseudo-força a considerar, entretanto, é o efeito Coriolis.

2. Efeito Coriolis:
O efeito Coriolis influencia os ventos afastados do equador que se movem horizontalmente. Esses ventos no hemisfério norte são desviados para a direita, enquanto os ventos no hemisfério sul são direcionados para a esquerda. Isso é resultado da rotação da Terra. (Mais informações sobre este efeito podem estar na pergunta e resposta aqui). A aceleração resultante da psuedo-força de Coriolis é dada pela seguinte equação:

$$\boldsymbol{a}_C=-2\Omega\times\boldsymbol{v}$$

onde $ \ Omega $ representa a velocidade angular da Terra e $ \ boldsymbol {v } $ representa a velocidade do vento. O produto vetorial aqui é significativo e indica que a deflexão do efeito Coriolis será em ângulos retos com a direção da velocidade do vento. Mais detalhes sobre como derivar o resultado específico para a Terra em diferentes ângulos de latitude podem ser encontrados aqui.

Então, como esse efeito Coriolis impede o vento de passar de alta pressão para baixa pressão ? Bem, imagine que o vento comece a se mover para o norte (no hemisfério norte) de uma região de alta pressão para uma região de baixa pressão. Devido ao efeito Coriolis, este vento será desviado para a direita, e continuará a ser desviado dessa maneira até que a pseduo-força resultante do efeito Coriolis equilibre exatamente a força devido ao gradiente de pressão (ignorando o atrito por enquanto ser). Neste momento, dizemos que o vento está em equilíbrio geostrófico. O vento, portanto, não está mais se movendo diretamente da região de alta pressão para a região de baixa pressão, e é por esta razão que os gradientes de pressão não se dissipam imediatamente. (Veja a força de atrito abaixo) Isso pode ser representado pela imagem abaixo, e irei incluir a fórmula quando tivermos acesso ao mathjax (observe que o termo Coriolis é representado de forma um pouco diferente neste diagrama, mas não se preocupe Vou explicar como é o mesmo quando mathjax é adicionado - basicamente, é apenas um determinado componente de direção do meu vetor mais generalizado acima):

enter image description here

3 . Fricção

Como mencionei anteriormente, o equilíbrio geostrófico presume a ausência de atrito. Na realidade, a fricção atua para desacelerar o fluxo do vento, por sua vez, diminuindo a influência do efeito Coriolis. Assim, em última análise, o vento tende a girar ligeiramente para dentro em direção à zona de baixa pressão. O efeito do atrito é mais perceptível na baixa atmosfera e na alta troposfera a aproximação do movimento geostrófico é mais precisa e, portanto, os gradientes de pressão levarão mais tempo para se dissipar na alta atmosfera do que na baixa atmosfera.

A força de atrito é dada por:

$$ F = cV $$

onde $ c $ é uma constante e $ V $ é a velocidade do vento.

4. Gravidade

Gradientes de pressão também podem ser sustentados verticalmente, devido à influência da gravidade. Quando a força da gravidade equilibra o gradiente de pressão, esta situação é conhecida como equilíbrio hidrostático do vento e é representada pela equação:

$$ dP / dz = - {\ rho} g $$

onde $ \ rho $ é a densidade do ar e $ g $ é a aceleração da gravidade, que é aproximadamente $ 9,8 ms ^ {- 2} $.

Líquido Efeito:

Embora já tenha respondido à pergunta, decidi incluir a equação combinando todas as 4 forças para ser completado. Combinando todas essas forças que agem sobre o vento, a aceleração líquida do vento pode ser determinada pela equação:

$$ \ frac {D \ boldsymbol {U}} {Dt} = - 2 \ Omega \ vezes \ boldsymbol {U} - \ frac {1} {\ rho} {\ nabla} p + \ boldsymbol {g} + \ boldsymbol {F} _r $$

onde $ \ boldsymbol {U} $ representa a velocidade do vento e $ t $ representa o tempo. As quantidades em negrito são vetores e atuam em uma direção especificada. (por exemplo, $ \ boldsymbol {g} $ atua verticalmente, onde $ \ boldsymbol {F} $ atua na direção oposta a $ \ boldsymbol {U} $). Abaixo está uma imagem disso:

enter image description here

Esta imagem mostra como as forças atuam (excluindo a gravidade) em torno das zonas de alta e baixa pressão. PGF é a força do gradiente de pressão, CF é a força psuedo-Coriolis e F é a força de atrito que se opõe à velocidade do vento. Observe que o vento se move ligeiramente em direção à região de baixa pressão, ao invés de perpendicular ao gradiente previsto pelo movimento geostrófico. Isso se deve à força de atrito.

Isso apenas explica o vento, não porque os gradientes persistem. Você realmente deve incluir uma análise da função frontogenética e o papel da circulação ageostrófica sobre uma frente (em 3 dimensões) e o papel da deformação na direção transversal da frente. Embora a resposta dada não esteja incorreta, ela realmente não responde à pergunta.
@casey, sim, você está certo, meu post não está completo tendo deixado de fora esses conceitos adicionais. Estou planejando editar o post para incluí-los mais tarde, quando tiver mais tempo. Obrigado por apontar isso.
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
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A razão pela qual os gradientes persistem é que os processos atmosféricos são parte de um motor, movidos pela energia do sol. Se o sol se extinguir, os gradientes se dissiparão de fato. Mas até então, o sol vai aquecer o ar na superfície perto do equador, enquanto o ar frio afunda nos pólos, criando uma circulação ao redor da terra (ver células de Hadley). As frentes são os limites dos redemoinhos formados na circulação.

Curto, simples e doce. Deve ser a resposta correta.


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