Poziome i pionowe ruchy powietrza

Nierównomierny rozkład ciśnienia na kuli ziemskiej powoduje ruch powietrza. Najbardziej odczuwalną jego formą jest wiatr. Wiatr to poziome przemieszczanie się powietrza. Ciśnienie atmosferyczne zależy głównie  od szerokości geograficznej, wysokości nad poziomem morza, oraz od pory roku. Powietrze będąc gazem dąży do wyrównania ciśnienia, dlatego powstaje ruch powietrza skierowany zawsze od ciśnienia o większej wartości do ciśnienia o wartości mniejszej.

W obiegu powietrza w skali Ziemi zwanym globalną cyrkulacją powietrza, duże znaczenie odgrywa także pionowy ruch powietrza, który nazywamy konwekcją. Spowodowany jest on zróżnicowaną temperaturą powietrza, zróżnicowanym ciężarem właściwym dwu stykających się ze sobą mas powietrza, lub też wymuszeniem wznoszenia powietrza przez charakterystycznie ukształtowaną powierzchnię terenu. Prądy konwekcyjne można podzielić na prądy wstępujące, oraz na prądy zstępujące. Prądy wstępujące tworzą się w warunkach obniżonego ciśnienia. Odbywa się wtedy unoszenie się ciepłego, lżejszego powietrza. Kiedy ciśnienie jest wyższe obserwujemy opadanie chłodnego, cięższego powietrza taki ruch to prądy zstępujące.

W atmosferze zachodzi jeszcze ruch turbulencyjny, który jest wynikiem różnic prędkości wiatru w sąsiadujących ze sobą warstwach powietrza. Ruch ten polega na dynamicznych nieuporządkowanych drganiach poszczególnych mas powietrza, powodujących jego mieszanie. Szorstkość podłoża wywołana ukształtowaniem terenu, lub jego nierównomiernym nagrzaniem jest przyczyną występowania turbulencji dynamicznej. Turbulencja termiczna jest natomiast efektem różnic w nagrzewaniu się odmiennych powierzchni. Turbulencja termiczna osiąga najwyższe wartości w godzinach południowych w letnie, słoneczne dni.  Wiatr określany jest przez dwa parametry: kierunek i prędkość. Kierunek oznacza zawsze z której strony wieje wiatr nie natomiast w którą stronę. Pomiarów kierunku, oraz prędkości wiatru dokonuje się na stacjach meteorologicznych za pomocą tzw. wiatromierza. Do oznaczenia kierunków wiatru stosuje się nazewnictwo angielskie, gdzie N- oznacza kierunek północny, S- południowy, W- zachodni, natomiast E- wschodni. Są to główne kierunki róży wiatrów. Symbole kierunków pośrednich są dwuliterowe, lub trzyliterowe. Prędkość wiatru określa się najczęściej w metrach na sekundę (m/s), czasem w lotnictwie używa się km/h, w żegludze używa się jednostki węzła, czyli mil morskich na godzinę. Na morzu prędkość wiatru określa się także za pomocą umownej skali Beauforta. Główną cechą tej skali jest możliwość oceny siły wiatru na podstawie obserwacji powierzchni morza lub obiektów na lądzie, nie są więc potrzebne do tego przyrządy pomiarowe. Skala ta dzieli się na 13 stopni. 0 oznacza brak wiatru, oraz lustrzaną taflę wody. Stopień 12 określa huragan. Wiatr wieje wtedy z prędkością nawet powyżej 118 km/h, na morzu powietrze napełnione jest mgłą i kropelkami piany, morze jest całkowicie białe a widoczność ograniczona w dużym stopniu. Na lądzie wiatr wyrywa drzewa, niszczy i zrywa dachy domów.

Przy powierzchni Ziemi zazwyczaj mamy do czynienia z prędkością wiatru rzędu kilku m/s, rzadko powyżej 15 m/s. Podczas sztormów i huraganów natomiast prędkość wiatru przekracza 30 m/s, w szerokościach umiarkowanych osiąga 60 m/s, natomiast w zwrotnikowych nawet 100 m/s. Ruch powietrza przy niewielkich prędkościach jest prawie prostolinijny równoległy do powierzchni terenu. Przy prędkościach wyższych ulega zmianie zarówno kierunek, jak i prędkość wiatru. Obserwuje się wtedy tzw. porywy wiatru.

Głównym czynnikiem, który wywołuje wiatr, oraz wpływa na jego prędkość jest poziomy gradient baryczny (różnice ciśnienia na danej odległości). Gdyby nie istniały inne siły oddziałujące, powietrze podążałoby najkrótszą możliwą drogą od miejsc o ciśnieniu wyższym, do tych, w których odnotowuje się niższe wartości ciśnienia. Jednakże z chwilą wystąpienia wiatru pojawiają się dodatkowe bodźce, zmieniające jego aktualną prędkość i kierunek. Są to siłą Coriolisa i siła tarcia. Wszystkie poruszające się swobodnie ciała ulegają odchyleniu od swego pierwotnego kierunku. Skręty te wynikają z ruchu obrotowego Ziemi dookoła własnej osi, oraz z prawa bezwładności. Odchyleniom podlegają także cząsteczki powietrza, które wraz z masą atmosfery uczestniczą w ruchu obrotowym Ziemi. Wiatr zmienia swój kierunek na skutek działania siły Coriolisa. Na półkuli północnej poziome ruchy powietrza odchylają się w prawo, podczas gdy na półkuli południowej wszystkie kierunki wiatru wykazują odchylenie tylko na lewo w stosunku do kierunku początkowego. Na ruch powietrza odbywający się w dolnych warstwach atmosfery oprócz siły gradientu barycznego i siły Coriolisa działa także siła tarcia T, wywołana siłą szorstkości podłoża. Siła tarcia ogranicza prędkość wiatru. Jej działanie najbardziej zaznacza się przy powierzchni Ziemi i maleje w miarę wzniesienia n.p.m.

Ogólne powiązania kierunków wiatrów z układami ciśnienia określa baryczne prawo wiatru. W myśl tego prawa jeżeli na półkuli północnej staniemy tyłem do kierunku wiatru wtedy ciśnienie najniższe będzie znajdowało się po lewej stronie nieco z przodu, natomiast ciśnienie najwyższe  po prawej nieco z tyłu. Wiatr wiejący równolegle do izobar pozostawia niskie ciśnienie po lewej stronie, natomiast wysokie po stronie prawej.

Podstawowymi czynnikami wywołującymi poziomy ruch powietrza atmosferycznego są więc:

• Nierównomierne dostarczanie ciepła w różne obszary kuli ziemskiej
• Spadek grubości troposfery wraz ze wzrostem szerokości geograficznej
• Różna prędkość obrotu Ziemi na różnych szerokościach geograficznych
• Siła Coriolisa powodująca odchylenie się ciał od kierunku ruchu na półkuli północnej w prawo, a na półkuli południowej w lewo
• Siła tarcia hamująca prędkość wiatru