اثر کوریولیس
مفهوم
کوریولیس به این معناست که چگونه در نبود اصطکاک به جای اینکه هوا خطوط هم فشار را در مسیر شیب فشار قطع کند مانند بادهای زمین گرد موازی با خطوط هم فشار می‌وزد. در گردش ساده‌ای که اثر کوریولیس هوایی را که به سمت قطب حرکت می‌کند، به سمت شرق منحرف می‌نماید. بنابراین بادهای غربی بوجود می‌آیند. هوایی که به استوا می‌وزد به سمت غرب منحرف شده و بادهای شرقی را بوجود می‌آورد. بنابراین بدون اثر اصطکاک سطح نیروی کوریولیس همراه با بودجه حرارتی جهانی ، نهایتا بادهای غربی در سطوح فوقانی جو برای تمام عرضها و بادهای شرقی را در سطوح تحتانی جو بوجود می‌آورد. هر چند اصطکاک سطحی اجازه نمی‌دهد چنین تعادل کاملی به انتها برسد.
به علت اصطکاک ، جریان نزدیک به سطح زمین با زاویه‌ای نسبت به استوا شیبهای فشار را قطع خواهد کرد. هوایی که گرم شده و صعود کرده در بالای زمین نیروی شیب فشاری کمی بزرگتر از نیروی کوریولیس شده و سپس به سمت قطب رانده میشود. در عرضهای بالاتر این جریان هوا سرد خواهد شد و منجر به این میشود که نشست کرده و به این وسیله جریان نصف النهاری کامل می‌گردد. بنابراین با وجود تمایل نیروی کوریولیس برای تشکیل یک جریان کامل مداری ، یک گردش نصف النهاری یا تبادل هوا در مسیر شمال - جنوب هنوز برقرار خواهد بود.
گردش نصف النهاری از این نوع در حقیقیت در فاصله حدود l5 درجه تا 20 درجه از دو سمت استوا وجود دارد و اجزای آن در هر نیمکره به افتخار
جرج هادلی (
Gerge Hadley) ، سلول هالدی نامیده میشود. وی در سال l735 بادهای تجارتی شرق در عرضهای پایین را ، ناشی از گرم شدن نابرابر سطح زمین و ترکیب آن با چرخش زمین ، تشریح نمود. او در مطالعاتش حدس زد که لازم است یک حرکت جهت برقراری تعادل از غرب به شرق وجود داشته باشد. این بدان معنا است که وجود بادهای غربی یا مخالف تجارتی برای حصول اطمینان از این است که توزیع جرم زمین (سطح + جو) بطور متوسط در اطراف محور زمین ثابت مانده و حفظ شود. در غیر این صورت
چرخش زمین به دور محورش غیر یکنواخت و شبیه لنگ زدن فرفره‌ای که بد می‌چرخد خواهد بود.
اثر نیروی پایستاری (Conservation)
تداوم گردش زمین به دور محورش بدان معناست که با وجود کلیه حرکتهای جوی نظیر - بادهای قوی و ضعیف ، روزهای آرام ، بادهای شمالی ، شرقی و جنوبی و نظایر آن بطور متوسط باید یک تعادل وجود داشته باشد. یعنی در سیستم جوی فرآیندهای بقایی در کار است. دو فرآیندی که برای درک مفهوم بقا مهم است عبارتند از پایستاری تکانه زاویه‌ای مطلق و دوم پایستاری تاوایی مطلق ، تا آنجائی که به خصوصیات گردش جهانی مرتبط است هر دو این قوانین مورد توجه قرار می‌دهیم.
پایستاری تکانه (Momentum) زاویه‌ای مطلق
یک حجمی از هوای چرخان با زمین زیرش دارای یک "تکانه زاویه‌ای" است که به سرعت زاویه‌ای چرخش کره زمین ضرب در مربع فاصله
توده هوا با محور چرخش کره زمین ، تعریف می‌گردد. بنابراین اگر همه با سطح کره زمین می‌چرخند تکانه زاویه‌ای در حجم از هوای معین در استوا از حجم هوای مشابه در عرض 30 درجه ، بزرگتر بوده و این حجم هوا در عرض 30 درجه ، از هوای مشابه در عرض 50 درجه بزرگتر است، زیرا هر چه هوا از استوا بیشتر دور شود به محور گردش کره زمین نزدیک تر میشود. هوایی که از استوا به سمت قطبین حرکت می‌کند به علت عامل تابع کسینوس هر عرض جغرافیایی ، به محور چرخش کره زمین نزدیک شده ، بنابراین اگر تکانه زاویه‌ای اولیه هوا ثابت باقی بماند، مقدار حرکت هوا (سرعت زاویه‌ای) نسبت به زمین زیرش ، باید افزایش یابد.
چنین تغییری توسط یک ناظر در زمین به صورت بادهای غربی مشاهده میشود. یعنی همچنان که هوا به سمت شرق حرکت می‌کند نسبت به زمین زیرش سریعتر حرکت می‌کند. به علاوه سرعت این باد غربی بوسیله اختلاف بین سرعت سمت شرقی آن و زمین تعیین می‌گردد. برعکس ، هوایی که به سمت استوا حرکت می‌کند خیلی دورتر از محور چرخش زمین حرکت می‌کند و پایستاری حرکت زاویه‌ای اولیه هوا به این معنی خواهد بود که تکانه زاویه‌ای هوا نسبت به زمین زیرش یابد باید کمتر باشد. نتیجتا اگر چه این حرکت به سمت شرق همراه با چرخش زمین ادامه خواهد داشت، لیکن سرعتش به سمت شرق از سمت زمین کمتر خواهد بود.
برای یک ناظر در روی زمین به نظر خواهد رسید که هوا از سمت شرق می‌آید. سرعت ثبت شده برای چنین بادی توسط اختلاف بین بردار شرقی سرعت زمین و هوا تعیین می‌گردد. با نگاه به گردش جهانی از نقطه نظر تکانه زاویه‌ای ، یک شکل جهانی نظیر آنچه در مورد نیروی کوریولیس شرح داده شد، به تصویر کشیده میشود: تضاد وسیعی بین
جریان شرقی حاره و جریان غربی نواحی برون حاره وجود دارد، لیکن در این جریان متضاد ، شناخت تکانه دید متفاوت دیگری به شرق بوده و با چرخش زمین حرکت می‌کند. تضاد ظاهری بین جریان غربی و شرقی که توسط یک ناظر در سطح زمین دیده میشود به علت تفاوت بین مقادیر تکانه به سمت شرق دو مسیر ، نسبت به سطح زمین می‌باشد. علاوه بر آن در جایی که به نظر یک ناظر در سطح زمین جو ساکن به نظر می‌رسد، اتفاقی که عملا می‌افتد این است که
جو با همان سرعت زمین به سمت شرق در حال حرکت بوده و این سرعت به نوبه خود بستگی به عرض جغرافیایی بستگی دارد.
در این نقطه ما باید اثر اصطکاک سطح زمین در جریانی که بوسیله پایستاری تکانه زاویه‌ای تولید شده ، مد نظر قرار دهید. در مفهوم کلی باید توجه کنیم که اصطکاک سطح ، جریان هوا را بوسیله کاهش سرعت آن نسبت به زمین ، تحت تأثیر قرار می‌دهد. برای مثال این مورد برای یک جریان شرقی چه معنایی می‌دهد، یعنی سطح زمین به افزایش تکانه زاویه‌ای هوا کمک خواهد کرد که به کاهش اختلاف سرعتش با زمین زیرین منجر خواهد شد. برعکس آن ، اثر اصطکاکی در یک جریان غربی ، دریافت تکانه زاویه ای از هوا است که باز بر روی کاهش سرعت هوا نسبت به زمین اثر خواهد گذاشت. به طور منطقی نتیجه نهایی این نیروی اصطکاک توقف گردش جوی خواهد بود، که البته این اتفاق نخواهد افتاد، زیرا به همراه انتقال حرارت (انرژی) از مناطق حاره‌ای به مناطق برون حاره‌ای ، تکانه زاویه‌ای که برای انتقال حرارت ضروری است، نیز منتقل خواهد شد.
سرعت بادها
سرعت بادها بوسیله
پایستاری تکانه زاویه‌ای به تنهایی بوسیله تغییر در فاصله هوای متحرک از محور چرخش کره زمین تعیین می‌گردد. هوای در حال حرکت به سمت قطب به بادهای غربی قوی و قویتری بدل شده بطوری که حرکت به سمت قطب باعث میشود که هوا به محور چرخش زمین نزدیک و نزدیکتر شود. این کاهش فاصله به صورت عددی بوسیله کسینوس عرض جغرافیایی تعریف می‌گردد. بنابراین وقتی هوا از استوا شروع کرده و به عرض 20 درجه می‌رسد فاصله‌اش از محور چرخش به 940/0 از مقدار اصلی کاهش می‌یابد و در عرض 45 درجه به 707/0 از مقدار اصلی کاهش می‌یابد. همین کاهش است که افزایش باد اندازه گیری شده از سطح زمین را بوجود می‌آورد. از این حقیقت می‌توان محاسبه کرد که پایستاری تکانه زاویه‌ای به تنهایی در هوایی که از استوا نشأت گرفته در طبقات فوقانی جو بادهای غربی با سرعت 58 متر بر ثانیه در عرض 20 درجه و سرعت 328 متر بر ثانیه در عرض 45 درجه بوجود می‌آورد. برعکس هوایی که از عرض 20 نشأت گرفته و به سمت استوا حرکت می‌کند در سمت استوا بصورت یک باد شرقی خواهد وزید که سرعتی معادل 58 متر بر ثانیه دارد.
تجزیه و تحلیلهای نظری نشان داده است که سرعت زیاد باد در عرضهای 45 درجه و شیب فشار مرتبط با آن می‌تواند ناپایداری بزرگی را ایجاد کند. هر اغتشاش کوچک در جریان مداری بزرگ شده و باعث از هم گسیختگی سیستم گردش مداری خواهد شد هر چند در عرضهای پایین‌تر ، مثلا در فاصله 20 درجه از استوا ، جریانهای مداری که بوسیله پایستاری تکانه زاویه‌ای بوجود آمده‌اند قابل تشکیل هستند. نتیجه جریانهای مداری – بادهای شرقی دائمی - که از نواحی حاره‌ای می‌وزند
نسبتا پایدار بوده و می‌توانند بصورت دائمی باقی بمانند. یک محدودیت نظری دیگر وجود دارد که به علت فاصله از استوا بوجود می‌آید که به جریان مداری که بوسیله گردش ساده سلول هادلی مربوط میشود. چنین سلولی باید به عرضهای پایین جغرافیایی محدود گردد و لبه رو به قطب آن جد جریانهای حاره و مرز استوایی آن حد جریانهای عرضهای میانه (بادهای غربی) را نشان می‌دهد.
اگر چه بطور متوسط بادهای غربی عرضهای میانه بصورت دائمی جریان دارند. قدرت بالقوه جهت از هم گسیختگی این جریان مداری ، توسط امواجی در جریان باد و گاهی هم بوسیله بسط و توسعه چرخش کلی در داخل سیستم بیان میشود. یک تمایل در ایجاد جریانهای موجی شکل در عرضهای پایین هم وجود دارد ولی مشابه بادهای قوی غربی نیست. این شرایط گویای وجود قانون دیگری از بقاست که از تداوم چرخش زمین بوجود می‌آید: پایستاری تاوایی مطلق.
پایستاری تاوایی مطلق
مفهوم پایستاری تاوایی مطلق از ترکیب گردش محلی به علت چرخش زمین به دور یک محور قائم (یعنی: محوری که مستقیما به حرکت زمین اشاره می‌کند) به مقدار چرخش کم هوا در مسیر منحنی شکل خود نسبت به سطح زمین ، تعریف می‌گردد. اولین مورد این دو شکل یعنی چرخش محلی یا پیچ خوردن ناشی از گردش کره زمین ، تابعی از عرض جغرافیایی است. هنگامی که زمین به دور خود می‌چرخد در قطب چرخش محلی به دور محور قائم ، حداکثر است و از سوی دیگر در استوا به علت اینکه قائم محل موازی با محور چرخش زمین است، چرخش محلی وجود ندارد. این مسئله می‌تواند به این صورت آزمایش شود که در هنگام چرخش کره جغرافیایی در قطب به مرکز زمین اشاره کنید و همین کار را در استوا نیز انجام دهید. در قطب شما پیچش در انگشتانتان حس خواهید کرد و در استوال انگشت شما به آسانی با زمین حرکت کرد).
چرخش به دور یک محرو محلی – تاوایی ناشی از چرخش زمین به دور خود – در استوا و قطب تفاوت دارد. به صورت ریاضی می‌توان نشان داد که مقدار تاوایی در عرضهای مختلف مانند پارامتر کوریولیس (f) است. مقدار f برابر است
2ΩsinФ که سرعت زاویه زمین و Ф عرض جغرافیایی است. مقدار کم چرخش هوایی که در مسیری منحنی شکل بر روی سطح زمین در حرکت است از طریق
V/r محاسبه می‌گردد که V برابر است با سرعت باد و r شعاع انحنا (Curvature) مسیری است که باد آن را طی می‌کند چرخشی را که بدین طریق حاصل می‌آید "
تاوایی نسبی" می‌نامیم. اگر
V/r را l بگیریم ، تاوایی مطلق (Vab) ، گردش محلی ناشی از چرخش زمین را با تاوایی نسبی هوا ترکیب می کند و بنابراین Vab = f + l خواهد بود. هنگامیکه V = 0 باشد: یعنی هنگامی که که جو ساکن و با سرعت مشابه زمین زیر خود حرکت می‌کنند، مقدار l صفر خواهد بود. بنابراین مقدار فقط هنگامی دخالت دارد که وزش هوا روی زمین وجود داشته باشد.
چگونگی تأثیر تاوایی مطلق
به منظور کمک به درک اینکه چگونه پایستاری تاوایی مطلق در جریانهای وسیع و دائمی گردش جوی دخالت دارند، لازم است شرایطی از وزش را بدون همگرایی و واگرایی و بدون هچ تغییری در سرعت (چپش SHEAR) در طی مسیر وزش در نظر گرفت. تحت این شرایط هوای در حال حرکت تاوایی مطلق f ثابنی را حفظ می‌کند ، یعنی ثابت l+ f ، با دور شدن از استوا مقدار f با عرض جغرافیایی افزایش می‌یابد. این مسئله برای هوای متحرک نیز صادق بوده و برای حفظ تاوایی مطلق هوای متحرک باید مقدار را مطابق با آن تغییر کند. بنابراین اگر از استوا دور شود، همچنانکه f افزایش می‌یابد l کاهش خواهد یافت. از سوی دیگر اگر هوا به سمت استوا حرکت کند مقدار آن افزایش می‌یابد. بسته هوایی که به سمت قطب حرکت می‌کند که میل دارد که انحنا پیدا کرده و به سمت استوا برگردد. چنانکه
تجزیه و تحلیلهای سینوپتیکی نشان می‌دهد این خمیدگی (Curvature) خصوصیت واچرخندی (Anticyclonic) دارد. برعکس ، در بسته هوایی که به سمت استوا حرکت می‌کند خمیدگی مخالف وجود دارد، به بیان دیگر جریان وزش این هوا مسیری چرخندی (Cyclonic) پیدا می‌کند.
بنابراین پایستاری تاوایی مطلق گرایش را برای توسعه امواج در
جریان گردش جهانی برقرار می‌نماید. همچنان که این هوا حرکت می‌کند که مقدار f بزرگتر خواهد شد و نتیجتا بخاطر ثابت نگه داشتن تاوایی مطلق مقدار l کاهش می‌یابد. نتیجتا جریان هوا ، حرکت واچرخندی کسب کرده و به سمت جنوب - شرق رانده می شود (در نقطه B در نمودار). حالا بسته به سمت عرضی که مقدار f کاهش خواهد یافت ، در حال حرکت است. در نتیجه ، l افزایش یافته و مسیر حرکت به صورت جریان انحنایی شکل با خصوصیات چرخندی در خواهد آمد.
باید خاطرنشان شود که پایستاری تاوایی مطلق نظیر پایستاری تکانه زاویه‌ای مطلق ، اثری دارد که با دور شدن از استوا ، افزایش می‌یابد. بنابراین در نواحی حاره‌ای وزش مداری (بادهای شرقی) همراه با سلول همرفتی (هادلی) بوسیله تاوایی و موجهای همراه آن زیاد بر هم نمی‌خورد. توسعه موجی شکل به وسیله عامل تاوایی در نواحی برون حاره به خوبی گسترش می‌یابد.
