Question:
Pourquoi les fronts froids et autres effets météorologiques à forte pente ne se dissipent-ils pas?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
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Pourquoi les fronts froids et autres effets météorologiques à forte pente ne se dissipent-ils pas? Pourquoi durent-ils si longtemps? Pourquoi la chaleur ne se dissipe-t-elle pas vers la région la plus froide?

La réponse courte est parce qu'il y a plusieurs forces à l'œuvre (force de gradient de pression, force de coriolis, force centrifuge et (légèrement) frottement). Le vent (et à travers lui température / humidité / vorticité / etc.) ne passe pas simplement de la haute pression à la basse pression comme vous l'imaginez en raison de la façon dont ces forces agissent les unes contre les autres. http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg Essentiellement, le temps que nous observons est le résultat de l'air voulant "simplement se dissiper" mais forcé de faire autre chose.
@DrewP84: Hrm, ouais, j'ai en quelque sorte réalisé que je copiais la question (assez ancienne) du site area51. Il est possible qu'il ne puisse pas répondre tel quel (trop large?), Ou peut-être qu'il pourrait être amélioré. Pensées? Peut-être qu'une version légèrement développée de votre commentaire servirait de réponse.
Je pense que la question est bonne. Je suis sûr qu'il y a quelqu'un là-bas qui peut l'expliquer mieux que moi. J'ai choisi de donner ma réponse courte en attendant. Les équations de dynamique des fluides n'ont jamais été mon point fort.
Deux réponses:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
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Bonne question. Il semblerait sans grande réflexion que l'air dans une zone de haute pression se déplace vers l'air dans la zone de basse pression, entraînant une disparition du gradient de pression. La raison pour laquelle cela ne se produit pas est qu'il existe d'autres forces (ou pseudo-forces) à l'œuvre, agissant en plus de la force résultant du gradient de pression. Je décrirai ces forces ci-dessous:

1. Gradient de pression:
Il s'agit de la force résultant de la différence de pression entre une zone haute et basse pression. Nous appelons cela un gradient de pression, car le changement de pression est continu plutôt qu'un changement discret entre une zone haute et basse pression. Nous pouvons modéliser l'accélération dans une direction particulière résultant d'un gradient de pression en utilisant l'équation:

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

où $ \ alpha $ est l'accélération en un point donné, $ \ rho $ est la densité de l'air en ce point, et $ dP / dz $ représente un petit changement de pression sur un petit changement de distance horizontale. Plus généralement, nous pouvons modéliser le vecteur d'accélération en 3 dimensions à l'aide de l'équation:

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

Maintenant, si le gradient de pression était la seule force à l'œuvre, il est évident d'en haut que l'accélération serait dirigée des zones de haute pression vers les zones de basse pression, aboutissant finalement à une dissipation de ces gradients.

La prochaine pseudo-force à considérer est cependant l'effet Coriolis.

2. Effet Coriolis:
L'effet Coriolis influence les vents éloignés de l'équateur qui se déplacent horizontalement. De tels vents dans l'hémisphère nord sont déviés vers la droite, tandis que les vents dans l'hémisphère sud sont dirigés vers la gauche. Ceci est le résultat de la rotation de la Terre. (Vous trouverez plus d'informations sur cet effet dans la question et réponse ici). L'accélération résultant de la force psuedo de Coriolis est donnée par l'équation suivante:

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

où $ \ Omega $ représente la vitesse angulaire de la Terre et $ \ boldsymbol {v } $ représente la vitesse du vent. Le produit croisé est ici important et indique que la déviation de l'effet Coriolis sera perpendiculaire à la direction de la vitesse du vent. Vous trouverez plus de détails sur la dérivation du résultat spécifique pour la Terre à différents angles de latitude ici.

Alors, comment cet effet Coriolis empêche-t-il le vent de passer de haute pression à basse pression ? Imaginez bien que le vent commence à se déplacer vers le nord (dans l'hémisphère nord) d'une région de haute pression à une région de basse pression. En raison de l'effet Coriolis, ce vent sera dévié vers la droite, et continuera à être dévié de telle manière jusqu'à ce que la pséduo-force résultant de l'effet Coriolis équilibre exactement la force due au gradient de pression (en ignorant le frottement pour le moment étant). À l'heure actuelle, on dit que le vent est en équilibre géostrophique. Le vent ne se déplace donc plus directement de la zone haute pression vers la zone basse pression, et c'est pour cette raison que les gradients de pression ne se dissipent pas tout de suite. (Voir la force de frottement ci-dessous) Ceci peut être représenté par l'image ci-dessous, et j'inclurai la formule lorsque nous aurons accès à mathjax (notez que le terme de Coriolis est représenté un peu différemment dans ce diagramme, mais ne vous inquiétez pas Je vais vous expliquer comment il en va de même lorsque mathjax est ajouté - en gros, il s'agit simplement d'une certaine composante de direction de mon vecteur plus généralisé ci-dessus):

enter image description here

3 . Friction

Comme je l'ai mentionné précédemment, l'équilibre géostrophique suppose l'absence de frottement. En réalité, le frottement agit pour ralentir le flux du vent, diminuant à son tour l'influence de l'effet Coriolis. Ainsi finalement, le vent a tendance à tourner légèrement vers l'intérieur vers la zone de basse pression. L'effet du frottement est plus perceptible dans la basse atmosphère et dans la haute troposphère, l'approximation du mouvement géostrophique est plus précise, et par conséquent, les gradients de pression mettront plus de temps à se dissiper dans la haute atmosphère que dans la basse atmosphère.

La force de frottement est donnée par:

$$ F = cV $$

où $ c $ est une constante, et $ V $ est la vitesse du vent.

4. Gravité

Les gradients de pression peuvent également être maintenus verticalement, en raison de l'influence de la gravité. Lorsque la force de gravité équilibre le gradient de pression, cette situation est connue sous le nom d'équilibre éolien hydrostatique et est représentée par l'équation:

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

où $ \ rho $ est la densité de l'air et $ g $ est l'accélération due à la gravité, qui est d'environ 9,8 ms ^ {- 2} $.

Net Effet:

Bien que j'aie déjà répondu à la question, j'ai décidé d'inclure l'équation combinant les 4 forces par souci d'exhaustivité. En combinant toutes ces forces agissant sur le vent, l'accélération nette du vent peut être déterminée par l'équation:

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

où $ \ boldsymbol {U} $ représente la vitesse du vent, et $ t $ représente le temps. Les quantités en gras sont des vecteurs et agissent dans une direction spécifiée. (par exemple, $ \ boldsymbol {g} $ agit verticalement, alors que $ \ boldsymbol {F} $ agit dans la direction opposée à $ \ boldsymbol {U} $). Ci-dessous une image de ceci:

enter image description here

Cette image montre comment les forces agissent (hors gravité) autour des zones de haute et basse pression. PGF est la force du gradient de pression, CF est la force psuedo-Coriolis et F est la force de frottement opposée à la vitesse du vent. Notez que le vent se déplace légèrement vers la région de basse pression, plutôt que perpendiculairement au gradient prédit par le mouvement géostrophique. Cela est dû à la force de frottement.

Cela explique seulement le vent, pas pourquoi les gradients persistent. Vous devriez vraiment inclure une analyse de la fonction frontogénétique et du rôle de la circulation agéostrophique autour d'un front (en 3 dimensions) et le rôle de la déformation dans la direction transversale du front. Bien que la réponse donnée ne soit pas incorrecte, elle ne répond pas vraiment à la question.
@casey, oui vous avez raison mon message n'est pas complet après avoir omis ces concepts supplémentaires. Je prévois de modifier le message pour les inclure plus tard lorsque j'aurai plus de temps. Merci de l'avoir signalé.
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
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La raison pour laquelle les gradients persistent est que les processus atmosphériques font partie d'un moteur, entraîné par l'énergie du soleil. Si le soleil venait à s'éteindre, alors les gradients se dissiperaient en fait. Mais jusque-là, le soleil réchauffera l'air à la surface près de l'équateur, tandis que l'air froid descend aux pôles, créant une circulation autour de la terre (voir cellules de Hadley). Les fronts sont les limites des tourbillons formés dans la circulation.

Court, simple et doux. Devrait être la bonne réponse.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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