Вращение атмосферы

[alexgol176]

Сегодня внук задал вопрос: на какой высоте начинается "атмосферный ветер", связанный с вращением Земли.

Земля вращается вместе с атмосферой, но чем выше мы поднимаемся, тем более разреженная становится атмосфера и тем меньшее влияние на частицы атмосферы оказывает земное притяжение, а молекулы движутся, вращаясь с Землёй, со всё большей линейной скоростью.

Из-за этого, по его мнению (точнее по мнению учительницы географии), на определённой высоте атмосфера перестаёт вращаться как "твёрдое тело" и возникает "атмосферный ветер" – движение одних слоёв относительно других.

Не знаю, так ли это. Я, признаться, думал, что атмосфера синхронно вращается до самих высот, когда скорости молекул не начинают превосходить вторую космическую и улетают, преодолевая земное притяжение.

Что по этому поводу думаете? И в чём причина такого явления?
Или это очередное "альтернативное мнение"?..

[sergey zhukov]

alexgol176
Если атмосфера неподвижна, то вращение Земли никакого "атмосферного ветра" не создает, все будет спокойно. Т.е. само по себе вращение Земли ветра не вызывает.

Но на самом деле атмосфера движется из-за тепловой конвекции. А когда воздух движется, на него начинает действовать сила Кориолиса, через которую и проявляется влияние вращения Земли на атмосферу. При этом получается сложное вихревое движение. Посмотрите схемы на картинках "Глобальная конвекция атмосферы".

Нельзя так просто рассуждать, что, мол "где-то высоко атмосфера "отрывается" от вращения Земли". Хотя некоторая простая аналогия тут есть. Скажем, если на вращающейся планете выстрелить из пушки вертикально вверх (даже при отсутствии воздуха), снаряд точно обратно не упадет, он отклонится на запад. Когда атмосферный воздух движется вертикально вверх, он тоже так отклоняется. Это можно трактовать, как то, что он "отстает от вращения Земли" потому, что "линейная скорость молекул воздуха остается той же, а на большой высоте это значит, что их угловая скорость становится меньше".

Притяжение Земли в этой задаче можно вообще считать постоянным по высоте, этот фактор малосущественный.

[alexgol176]

sergey zhukov в сообщении #1685334 писал(а):

alexgol176
Если атмосфера неподвижна, то вращение Земли никакого "атмосферного ветра" не создает, все будет спокойно. Т.е. само по себе вращение Земли ветра не вызывает.

Благодарю за ответ. Скорее всего он неправильно понял учительницу...

[realeugene]

alexgol176 в сообщении #1685329 писал(а):

Я, признаться, думал, что атмосфера синхронно вращается до самих высот, когда скорости молекул не начинают превосходить вторую космическую и улетают, преодолевая земное притяжение.

Это тоже неверно. На таких расстояниях от Земли атмосферы уже давно нет: её плотность с высотой снижается экспоненциально быстро, как и увеличивается длина свободного пробега молекул. Высота плотных слоёв атмосферы порядка 100 км - это тонкий слой на глобусе.

Учительницы видимо подразумевала связанные с силой Кориолиса пассаты, но их энергия черпается всё равно от нагрева Земли Солнцем. Сила Кориолиса играет очень важную роль в атмосферных воздушных течениях: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0 ... 0%B5%D1%80

[drzewo]

alexgol176 в сообщении #1685329 писал(а):

Земля вращается вместе с атмосферой, но чем выше мы поднимаемся, тем более разреженная становится атмосфера и тем меньшее влияние на частицы атмосферы оказывает земное притяжение, а молекулы движутся, вращаясь с Землёй, со всё большей линейной скоростью.

К рассуждениям "на пальцах", особенно многоходовым надо относиться с большой осторожностью, особенно когда речь идет о физике. Физические процессы описываются формулами.

[Anton_Peplov]

sergey zhukov в сообщении #1685334 писал(а):

Если атмосфера неподвижна

А может ли она быть неподвижна? Между поверхностью Земли и воздухом существует трение. Поверхность-то неровная - бугры, впадины. Земля должна закручивать приземный слой воздуха. А тот будет действовать на соседний слой за счет вязкости, и так далее. Какое-то вращение будет, но не думаю, что твердотельное. Газовые тела не вращаются твердотельно.

Мне это напоминает вопрос "вращается ли воздух в шине".

[realeugene]

Anton_Peplov в сообщении #1685355 писал(а):

Земля должна закручивать приземный слой воздуха.

Не должна. Все движения воздуха только за счёт локального нагрева Солнцем. И иногда извергающимися вулканами.

-- 08.05.2025, 11:43 --

sergey zhukov в сообщении #1685334 писал(а):

Если атмосфера неподвижна

Относительно поверхности Земли. Не все поняли правильно.

[Anton_Peplov]

Да, мог бы и сам догадаться, какую систему отсчета имеет в виду sergey zhukov. Атмосфера не может быть неподвижна в системе отсчета, в которой Земля вращается, иначе у поверхности Земли как раз дул бы непрерывный ветер.

[realeugene]

Anton_Peplov в сообщении #1685367 писал(а):

иначе у поверхности Земли как раз дул бы непрерывный ветер.

Ещё и сверхзвуковой.

[A-u-uuu]

(Оффтоп)

В одном фантастическом фильме показали такую конструкцию: гигантский вращающийся тор-поселение на орбите. Любопытно, что внутренняя часть, с атмосферой, была открыта в космос. Насколько реалистично, что она не улетела ?
Допустим, малый радиус тора более 100 км., ускорение на большом радиусе равно $g$.

[realeugene]

A-u-uuu в сообщении #1685448 писал(а):

Насколько реалистично, что она не улетела ?

И где свои попытки решения?

[sergey zhukov]

A-u-uuu
Что это за фильм такой?

В общем, если мы сумели создать достаточно прочное открытое кольцо-корыто и раскрутили бы его до нужной скорости, то "налить" в него воздух вполне себе реально. Одна из проблем в том, что для газовых атмосфер нет четкого верхнего предела, поэтому налитый воздух все время понемногу "переливался бы через край", пока весь не вытек.

Ни на каком уровне давление воздуха не может быть равно нулю. Скажем, для жидкости это не так, у нее четкая поверхность, давление на которой равно нулю (это если пренебречь давлением пара, конечно).

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1685450 писал(а):

поэтому налитый воздух все время понемногу "переливался бы через край", пока весь не вытек

Ну да, вопрос сводится в оценке скорости этого вытекания. С Марса вот атмосфера утекла, с Земли пока что нет, а на Венере она сейчас вообще очень горячая и плотная. Но 100 км выглядит нереально мало..

[sergey zhukov]

realeugene
Планетам проще, чем такой конструкции, у них верхнего четкого "края корыта" нет.

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1685453 писал(а):

Планетам проще, чем такой конструкции, у них верхнего четкого "края корыта" нет.

У планет не корыто, а яма, просто 100 км для земной атмосферы ещё мало. На такой высоте давление $10^{-6}$ атмосферного с длиной свободного пробега молекул порядка 10 см, так что воздух всё ещё будет вытекать через края корыта как макроскопический поток газа в вакуум.