Aтмосферні комірки
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
| Рівень складності | Високий |  |
| Рівень небезпеки | Безпечно |  |
| Доступність використовуваних матеріалів | На рівні наукового обладнання |  |
| Орієнтовний час на виконання роботи | До 1 години |  |
Блок 1. Резюме
Метою роботи є відтворення процесу формування та дослідження структури атмосферних комірок.
Блок 2. Попередня інформація
Глобальними елементами атмосферної циркуляції у тропосфері є три (у кожній півкулі) циркуляційні комірки: комірка Гадлі, комірка Феррела, полярна комірка.
Неоднорідне нагрівання атмосфери є джерелом висхідних потоків у тропіках і спадних потоків на високих широтах. Англійський метеоролог-аматор Джордж Гадлі вперше запропонував таку циркуляцію для опису механізму виникнення пасатів. Зараз ця атмосферна комірка відома як комірка Гадлі. Ця комірка обмежується тропіками, характеризується висхідними потоками біля екватора, спрямованими до полюсів потоками на висоті 10-15 км, що сходять рухом у субтропіках і потоками в напрямку до екватора біля поверхні. Ця циркуляція безпосередньо пов’язана з такими вітрами, як пасати, які разом із західними вітрами були основним фактором для побудови маршрутів руху суден у сполученні між Європою та Новим Світом.
Комірка Феррела – елемент циркуляції земної атмосфери в помірному поясі; розташована приблизно між 30 і 65 градусами північної широти та 30 і 65 градусами південної широти та обмежена субтропічним хребтом з екваторіального боку і полярним фронтом – з полярного. Комірку Феррела вважають другорядним циркуляційним елементом: вона повністю залежить від комірки Гадлі та полярної комірки. Переважні приповерхневі вітри, що відповідають цій комірці, називаються західними вітрами.
Теорію динаміки цієї комірки розробив американський метеоролог Вільям Феррел у 1856 році.
Рис. 1.1. Циркуляційні комірки
Полярна комірка, або полярний вихор – елемент циркуляції земної атмосфери у приполярних районах Землі; має вигляд приповерхневого вихору, що закручується на захід на Північному полюсі. Він є досить простим вихорем, рушійною силою якого є різниця в нагріванні земної поверхні біля полюсів і на помірних широтах.
Кінські широти — райони Світового океану у Північній та Південній півкулях між 30-35° північної та південної широти відповідно. У цих широтах повітря, підняте на екваторі, стікає донизу, утворюючи зони дивергенції (розбіжності) вітрів у нижньому шарі повітря. Повітря, що стікає донизу, є відносно сухим, тому в цих широтах невеликі хмарність і кількість опадів. У XVI—XIX століттях, за часів вітрильного мореплавства, штилі викликали тривалі затримки суден у плаванні, й через нестачу питної води доводилося викидати за борт коней, яких везли з Європи до Нового Світу. Звідси й пішла назва “кінські широти”.
Блок 3. Обладнання
Обертова платформа, квадратний резервуар із круглою вставкою, відерце з льодом, барвники, відеокамера, ПК.
Блок 4. Експериментальна процедура
- Установіть на мачті платформи відеокамеру.
- Установіть резервуар із квадратною основою на обертову платформу.
- Закріпіть круглу вставку в резервуарі.
- Установіть по центру резервуара відерце з льодом.
- Увімкніть обертання з кутовою швидкістю Ω = 1 рад/с , зачекайте 10 хв. Увімкніть запис.
- Додайте на поверхню маленькі шматочки паперу, кілька крапель синього барвника біля відерця з льодом та кілька червоних крапель біля круглої вкладки.
- Спостерігайте та здійснюйте відеозапис.
- Повторіть попередні кроки, збільшивши швидкість обертання платформи.
- Якщо немає можливості провести експеримент, завантажте відео з ресурсу.
Блок 5. Аналіз отриманих даних
Під час досліду бачимо, що смуги барвника не залишаються вертикальними, а відхиляються в азимутальному напрямку.
Для Ω = 1 рад/с масштаб довжини вихору становить близько 10 см, що дає число Россбі 0,01. Рух близький до геострофічної рівноваги (за винятком дна та боків, де тертя стає важливим).
Отже, ми побачили, що різниця температур спричиняє в лабораторному басейні рух, характер якого залежить від швидкості обертання апарата. За повільного обертання для Ω = 1 рад/с структура течій показана на рисунку, наведеному вище. У цьому експерименті холодна вода, що охолоджується завдяки льодовому відру, опускається і радіально витікає назовні по дну. Як компенсаційний потік вода піднімається і просувається всередину, а потім – у верхні шари.
Різниця між повільним (комірка Гадлі) та швидким (полярна комірка) обертанням вражає: у процесі збільшення швидкості обертання осесиметрична циркуляція руйнується, потік стає турбулентним та більш хаотичним. Язики холодної й теплої рідини переплітаються, ковзаючи один над іншим. Язики теплого повітря рухаються на північ до полюса, тоді як холодне повітря, навпаки, рухається на південь до екватора, врівноважуючи градієнт температури полюс – екватор.
У середніх широтах вихори переносять тепле повітря від помірних широт до полюса, а холодне – від полюса до помірних широт. Отже, вихори мають тенденцію «перемішувати» атмосферу , зменшуючи температурний контраст між екватором і полюсом.
Блок 6. Напрями розвитку
Спробуйте самостійно розрахувати числа Россбі для всіх зафіксованих випадків.