Геострофический баланс
Геострофический баланс — один из основных физических принципов, описывающих движение атмосферных и океанических масс в условиях вращения Земли. Это равновесие между двумя основными силами — силой Кориолиса и градиентом давления.
Силы, участвующие в геострофическом балансе
- Градиент давления — направлен от области высокого давления к низкому, стремится ускорить движение воздуха или воды в этом направлении.
- Сила Кориолиса — результат вращения Земли, отклоняет движение вправо в Северном полушарии и влево в Южном.
Уравнение геострофического баланса
Для горизонтального движения в атмосферном или океаническом потоке баланс сил можно записать как:
$$ f \mathbf{k} \times \mathbf{V} = -\frac{1}{\rho} \nabla p $$
где:
- f = 2Ωsin φ — параметр Кориолиса (зависит от широты φ),
- k — единичный вектор вертикальной оси,
- V — горизонтальная скорость потока,
- ρ — плотность среды,
- ∇p — градиент давления.
Результатом является движение параллельно изобарам (линиям равного давления).
Свойства геострофического потока
- Поток направлен вдоль изобар, при этом низкое давление всегда слева от направления движения в Северном полушарии.
- Геострофический поток не ускоряется — силы уравновешены.
- Скорость зависит от крутизны градиента давления и параметра Кориолиса.
Значение и применение
- Геострофический баланс — хорошее приближение для описания крупных масштабов атмосферных и океанических течений.
- В реальной атмосфере присутствуют и другие силы (трение, центробежная сила), которые вызывают отклонения от геострофического потока.
- Используется для прогнозирования ветров, океанических течений и для понимания динамики циклонов и антициклонов.
Ограничения
- Не применим к потокам с малыми масштабами и вблизи экватора, где параметр Кориолиса близок к нулю.
- При низких скоростях и больших временных интервалах влияние трения становится существенным.
Таковы основные физические принципы кипения, конденсации и геострофического баланса, лежащие в основе динамики жидкостей и газов в природе и технике.