موضوع: هواشناسی آلودگی هوا

3-3- گردش باد
خورشید، زمین و اتمسفر یک سیستم دینامیکی خیلی بزرگ را تشکیل می*دهند. گرمایش جزئی هوا، گرادیان*های فشار افقی را افزایش می*دهد که به نوبه خود منجر به حرکت افقی در اتمسفر می*شود. بنابراین اختلاف دما بین اتمسفر در قطب*ها و استوا، و نیز بین اتمسفر بالای قاره*ها و اقیانوس*ها باعث حرکت*های هوا در مقیاس بزرگ می*شود. (بادهای محلی مثل نسيم دریاچه، بوسیله اختلاف دمای منطقه**ای به وجود می*آیند). اگر زمین نمی*چرخید، هوا به طور طبیعی تمایل به حرکت مستقیم از نواحی پر فشار به سمت نواحی کم فشار داشت. در شکل 3-3(الف)، جریان هوا عمود بر خطوط هم*فشار نشان داده شده است. چرخش زمین این موقعیت را تغییر می*دهد. علاوه بر گرادیان فشار F_P، می*بایست نیروی کوریولیس[1] F_cor ناشی از چرخش زمین نیز منظور شود(گاهي نیروی کوریولیس، نیروی خمیدگی افقی نیز نامیده می*شود). این نیرو، انحراف حركت توده هوا به سمت راست ، نسبت به سطح زمين را در نیمکره شمالی، هنگامی که ديد ناظري در مقابل حرکت بسته[2] هوا قرار دارد، توجیه می*کند. نیروی کوریولیس در این سیستم جهانی تابعی از سرعت توده هوا، عرض جغرافیایی و سرعت زاویه**اي چرخش زمین است. این نیرو در قطب*های زمین دارای بیشترین مقدار و در استوا صفر است. اگر این بردار نیرو به نیروی گرادیان فشار اضافه شود وضعیت نهایی بطور کلی مشابه شکل 3-3(ب)، خواهد بود.(بردار برآیند سرعت* با خطوط هم*فشار دارای زاویه است). این بردارها بیان*گر تعادل استاتیکی نیستند زیرا همانطور که نشان داده شده است، نیروها در تعادل قرار ندارند. در اتمسفر فوقاني، توده*های هوا بطور متناوب تحت شتاب جزئی قرار می*گیرند. بنابراین، نیروهایی که بر این توده*ها اعمال می*شوند، ضرورتاً می*بایست در تعادل باشند. اگر تنها نیروی گرادیان فشار را در نظر بگیریم و نیروی کوریولیس در حالت ایده*آل باشد، وضعیت بردارها در حالتی که خطوط هم*فشار موازی هستند همانند شکل 3-3(ج) خواهد بود. از آنجا که نیروی گرادیان فشار F_P می*بایست عمود بر خطوط هم*فشار باشد، نیروی کوریولیس می*بایست موازی با F_P اما در جهت مخالف، به سمت ناحیه پرفشار باشد. علاوه بر این، سرعت باد و نیروی کوریولیس با زاویه قائم نسبت به یکدیگر عمل می*کنند در نتیجه، باد می*بایست موازی با خطوط هم*فشار حرکت کند. به خاطر بیاورید که نیروی کوریولیس در سمت راست سرعت باد در نیمکره شمالی عمل می*کند. بنابراین باد می*بایست طوری بوزد که هنگامی که ناظر رو به پایین به سطح زمین نگاه می*کند، ناحیه کم فشار در سمت چپ جهت حرکت باشد.
[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image002.jpg[/IMG]
شكل 3-3: تغییر در نیروهای مختلف در جهت باد، نسبت به خطوط هم*فشار در اتمسفر. الف)نیروی گرادیان فشار تنها، خطوط هم*فشار موازی؛ ب) نیروهای گرادیان فشار و کوریولیس، خطوط هم*فشار موازی؛ ج)نیروهای کوریولیس و فشار در تعادل، خطوط هم*فشار موازی؛ د) تعادل نیروهای فشار و کوریولیس توسط شتاب مرکزگرا، منحنی*هاي هم*فشار

هواشناسان به این باد ایده*آل باد زمین گرد يا ژئوستروفيك[3] گویند. این باد در شکل با V_g نشان داده می*شود و تقریبا تا بیش از چند صد متر بالای سطح زمین را تحت تاثیر قرار می*دهد. به جز در مورد بادهای خیلی آرام، جهت و سرعت باد واقعی در این ارتفاع احتمالاً نباید با مقادیر باد زمین*گرد بیش از 10 درجه و 20 درصد تفاوت داشته باشد. برای جریان باد زمین*گرد، خطوط هم*فشار بر خطوط اصلی جریان هوا منطبق می باشند.
نوع دیگری از باد که در مسائل هواشناسی مطرح می*شود باد گرادیان[4] نام دارد که با منحنی*هاي هم*فشار ارتباط دارد. حتی اگر سرعت یک توده هوا ثابت باشد، در یک مسیر منحني می*بایست شتاب رو به مرکز ac در نظر گرفته شود. این مسیرهای منحني بوضوح در اطراف نواحی کم و پرفشار وجود دارند. در نیمکره شمالی حرکت هوا در خلاف جهت ساعت در اطراف یک مرکز کم فشار را سیکلون[5] گویند و حرکت در حهت عقربه*هاي ساعت در اطراف مرکز پرفشار را آنتي*سيكلون[6] گویند. شکل 3-3(د) دیاگرام بردار سرعت برای باد گرادیان در نزدیکی یک مرکز کم فشار را نشان می*دهد. بردار ac، نشان*دهنده شتاب مرکزگرا به سمت داخل درجهت شعاع r مي*باشد. همانطور که انتظار می*رود، سرعت گرادیان V_g تابع شعاع انحناء، گرادیان فشار، سرعت زاویه*ای زمین و عرض جغرافیایی است. در لبه*های پرفشار و مراکز کم فشار(جایی که انحناء مشخصی در مسیر توده هوا روی می*دهد)، سرعت باد گرادیان، در مقایسه با سرعت باد زمین*گرد، تقریب دقیق*تری از شرایط واقعی باد است.
بادهای گرادیان و زمین*گرد عملا به مفهوم عدم حضور نیروی*های اصطکاک است، هرچند حرکت توده هوا در نزدیکی سطح زمین توسط اثر اصطکاکی ناهمواري سطح، کند می*شود. ناحیه عمودی بین سطح زمین و لایه*های بالاتر جو، به عبارتی در نواحی که باد گرادیان وجود دارد، لایه مرزی سیاره**ای[7] نامیده می*شود. میزان كاهش سرعت باد با ارتفاع و ضخامت لایه مرزی، تابعی از ناهمواري سطح یا پستی و بلندی*های زمین، و نیز گرادیان دما در لایه*های تحتاني جو است. تاثیر نیروی اصطکاک هنگامی که به نیروهای کوریولیس و گرادیان فشار اضافه شود، تا حدی باعث چرخش حرکت هوا به سمت چپ باد گرادیان می*شود (هنگامی که ناظر از بالا به پایین به سطح زمین نگاه می*کند). در این حالت باد تحت زاویه* کوچکی به سمت ناحیه کم فشار می*چرخد. جابه*جایی زاویه* تابع همان متغیرهایی است که برای نیروی اصطکاک در بالا ذکر شد. دیاگرام بردارها در شکل 3-4، جهت باد برآیند را برای خطوط مستقیم هم*فشار نشان می*دهد. نیروی اصطکاک F_f مخالف جهت باد است و جهت باد می*بایست عمود بر بردار نیروی کوریولیس باشد. همان*طور که می*دانیم نیروی کوریولیس متناسب با سرعت باد است. نیروی اصطکاک مستقیماً سرعت باد را در لایه مرزی کاهش می*دهد و بنابراین نیروی کوریولیس F_cor کاهش می*یابد. نیروی فشار F_P به*همان شکل باقی می*ماند، اگر چه برخلاف آنچه در حالت باد زمین*گرد دیدیم، این نیرو با نیروی کوریولیس در تعادل نخواهد ماند. این عدم تعادل باعث می*شود جهت باد بجای اینکه موازی خطوط هم*فشار باشد، خطوط هم*فشار را به*سمت ناحیه کم فشار قطع کند. توجه کنید که در این حالت سرعت باد کمتر از سرعت باد زمین*گرد است ولی ساير شرايط یکسان باقی می*ماند.
هنگامی که نیروی اصطکاک در تحليل*ها درنظر گرفته*شود نيز می*توان انتظار باد پايدار را داشت. مولفه** بردار F_P که در جهت باد عمل کند باعث خنثی شدن نیروی اصطکاک F_f می*شود. هم*زمان، نیروی کاهش یافته کوریولیس توسط دیگر مولفه F_P خنثی می*شود. نتیجه جالب این تعادل را می*توان با توجه به جریان هوا در اطراف نواحی کم فشار و پر فشار مشاهده کرد. شکل3-5 (الف) دیاگرام سرعت جریان چرخشی توده هوا در اطراف یک مرکز پرفشار را نشان می*دهد. نیروهای اصطکاک، کوریولیس و گرادیان فشار و بردار شتاب مرکزگرا نشان داده شده*اند. در واقع این دیاگرام همان دیاگرام شکل3-4 است که بر روی یک مسیر منحنی قرار دارد. نکته مهم آن است که سرعت باد به سمت خارج از دایره است. بنابراین باید در نزدیکی مرکز پرفشار، جریان هوا در جهت عقربه*هاي ساعت رو به بیرون حرکت کند. اگر تحلیل سه بعدی دقیق*تری روی جریان هوای نزدیک به یک مرکز پرفشار صورت بگیرد مشخص می*شود که جریان علاوه بر حرکت به سمت پایین به سمت خارج نیز حرکت می*کند. در نتیجه برای اینکه جریان برون*سو ادامه یابد توده

[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image004.jpg[/IMG]
شكل 3-4: تاثیر نیروی اصطکاک در لایه مرزی سیاره*اي روی جهت باد

---

[1]-coriolis force

[2] -parcel

[3]-geostrophic

[4]-gradian wind

[5]-cyclon

[6]-anticyclone

[7]-planetary boundary condition