Колісівський ефект: Чому циклони обертаються і чому доки не падають

Сила, яка існує лише завдяки обертанню

Підніміться на обертовий майданчик і киньте м’яч прямо вашому другу, що знаходиться з іншого боку; з вашої точки зору, що обертається, м'яч здається викривленим, хоча з погляду зовнішнього спостерігача він рухався по прямій лінії. Це здатення викривлення – сила Коріоліса, хибна сила, яка проявляється при описі руху в обертовому системі відліку. Земля є точно такою системою, що обертається один раз на добу, і відхилення, яке вона створює на будь-який об'єкт, що рухається по її поверхні – повітря, океанські течії, артилерійські кулі – визначається як F = -2m(Ω × v), пропорційне швидкості об’єкта та швидкості обертання планети.

Сила цього ефекту на будь-якій широті φ визначається Коріолісовим параметром f = 2Ω sin φ: максимальна на полюсах, нульова на екваторі. Саме тому урагани практично ніколи не утворюються в межах приблизно 5° від екватора – недостатньо обертового відхилення для організації обертання шторму, хоча температура поверхні океану там часто є досить високою.

Чому циклони обертаються так

Повітря рухається від високого тиску до низького по градієнту тиску. У Північній півкулі сила Коріолі відхиляє кожен рухомий повітряний масив управо; масив, що прямує до центру низького тиску, згинається праворуч, а загальний ефект цього безперервного відхилення створює контр-годинне внутрішнє спіральне обертання навколо низького. У Південній півкулі відхилення відбувається вліво, що дає годинникові циклони. Навколо центру високого тиску (антициклон) логіка змінюється: контр-годинні оберти на півдні та годинникові на півночі.

F_Coriolis = -2 m (Ω × v)         deflecting force on a moving parcel
f = 2Ω sin φ                       Coriolis parameter (Ω = 7.29e-5 rad/s)
Ro = U / (f L)                     Rossby number — rotation vs inertia
Ro ≫ 1  → rotation negligible (bathtub drains, dust devils)
Ro ≪ 1  → rotation dominates (synoptic-scale cyclones, ~1000 km)

Геостатический баланс, а не только отклонение

Распространенный миф заключается в том, что сила Кориолиса одна заставляет ветер вращаться. На самом деле, для крупных и медленно движущихся систем давление-градиентная сила продолжает толкать воздух к низкому давлению, а сила Кориолиса отклоняет его в сторону; эти две силы сходятся в балансе, называемом геостатическим потоком, где ветер заканчивается вращаться примерно параллельно изобарам, а не прямо в низость — это потому, что он отклоняется достаточно быстро, чтобы занять орбиту, а не напрямую сходиться к центру.

Число Россби, Ro = U/(fL), говорит вам, имеет ли значение сила Кориолиса для данного потока. Для слива в ванне или раковины (маленькое L и f на умеренных широтах небольшие), Ro огромно, и вращение подавляется существующими асимметриями раковины — популярное утверждение о том, что раковины сливаются по-разному в зависимости от полушарий, неверно в этом масштабе. Для системы шторма шириной 1000 километров Ro падает близко к 1 и сила Кориолиса становится доминирующей организующей силой.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cyclone & Coriolis Effect і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.