|
|
|
| In de atmosferische wetenschap is de thermische wind het vectorverschil tussen de geostrofische wind op hogere hoogten minus die op lagere hoogten in de atmosfeer. Het is de hypothetische verticale windschering die zou bestaan als de winden geostrofisch evenwicht in de horizontale volgen, terwijl druk hydrostatisch evenwicht in de verticale volgt. De combinatie van deze twee krachtbalansen wordt thermische windbalans genoemd, een term die ook kan worden gegeneraliseerd naar meer gecompliceerde horizontale stromingsbalansen zoals gradiënt-windbalans. |
| |
Omdat de geostrofische wind op een gegeven drukniveau langs geopotentiële hoogtecontouren
op een kaart stroomt en de geopotentiële dikte van een druklaag evenredig is met de virtuele temperatuur, volgt hieruit dat de thermische wind langs dikte- of temperatuurcontouren stroomt. De thermische wind die verband houdt met temperatuurgradiënten van pool tot evenaar is bijvoorbeeld de primaire fysieke verklaring voor de straalstroom in de bovenste helft van de troposfeer, wat de atmosferische laag is die zich uitstrekt van het oppervlak van de planeet tot hoogten van ongeveer 12-15 km. |
| |
Wiskundig gezien definieert de thermische windrelatie een verticale windschering – een variatie in windsnelheid of -richting met de hoogte. De windschering is in dit geval een functie van een horizontale temperatuurgradiënt, wat een variatie in temperatuur is over een horizontale afstand. Ook wel baroklinische stroming genoemd, de thermische wind varieert met de hoogte in
verhouding tot de horizontale temperatuurgradiënt. De thermische windrelatie is het resultaat van hydrostatisch evenwicht en geostrofisch evenwicht in aanwezigheid van een temperatuurgradiënt langs constante drukoppervlakken, of isobaren. |
| |
| De term thermische wind wordt vaak als een verkeerde benaming beschouwd, omdat het eigenlijk de verandering in wind met hoogte beschrijft, in plaats van de wind zelf |
|
|
 |
Straalstromen (in roze weergegeven) zijn
bekende voorbeelden van thermische wind.
Ze ontstaan door de horizontale
temperatuur-gradiënten tussen de warme
tropen en de koudere poolgebieden. |
|
| |
Men kan de thermische wind echter zien als een geostrofische wind die varieert met de hoogte, zodat de term wind passend lijkt. In de beginjaren van de meteorologie, toen gegevens schaars waren, kon het windveld worden geschat met behulp van de thermische windrelatie en kennis van een oppervlaktewindsnelheid en -richting, evenals thermodynamische peilingen in de hoogte. Op deze manier fungeert de thermische windrelatie om
de wind zelf te definiëren, in plaats van alleen de windschering. Veel auteurs behouden de term thermische wind, ook al beschrijft deze een windgradiënt. Soms geven ze een toelichting op die strekking. |
| |
| |
| Fysische uitleg |
De thermische wind is de verandering in de amplitude of het teken van de geostrofische wind als gevolg van een horizontale temperatuurgradiënt.
De geostrofische wind is een geïdealiseerde wind die het gevolg is van een evenwicht van krachten langs een horizontale dimensie. Wanneer de rotatie van de aarde een dominante rol speelt in de vloeistofdynamica, zoals op de middelste breedtegraden, ontstaat er een evenwicht tussen de Corioliskracht en de drukgradiëntkracht. Intuïtief gezien duwt een horizontaal drukverschil lucht over dat verschil heen op een vergelijkbare manier als het horizontale hoogteverschil van een heuvel ervoor zorgt dat objecten bergafwaarts rollen. De Corioliskracht grijpt echter in en duwt de lucht naar rechts (op het noordelijk halfrond). Dit wordt geïllustreerd in paneel (a) van de onderstaande afbeelding. Het evenwicht dat ontstaat tussen deze twee krachten resulteert in een stroming die parallel loopt aan het horizontale drukverschil, of drukgradiënt. Bovendien, wanneer krachten die in de verticale dimensie werken, worden gedomineerd door de verticale drukgradiëntkracht en de zwaartekracht, treedt er hydrostatisch evenwicht op. |
| |
 |
De geostrofische wind op verschillende isobare niveaus in een barotrope atmosfeer (a) en in een baroklinische atmosfeer (b). Het blauwe gedeelte
van het oppervlak duidt een koud gebied aan, terwijl het oranje gedeelte een warm gebied aangeeft. Deze temperatuurstructuur is beperkt tot het
oppervlak in (a), maar strekt zich uit tot de diepte van de vloeistof in (b). De stippellijnen omsluiten isobare oppervlakken die een constante helling
behouden met toenemende hoogte in (a) en in helling toenemen met de hoogte in (b). Roze pijlen illustreren de richting en amplitude van de
horizontale wind. Alleen in de baroklinische atmosfeer (b) variëren deze met de hoogte. Een dergelijke variatie illustreert de thermische wind. |
| |
| In een barotrope atmosfeer, waar de dichtheid alleen een functie is van de druk, zal een horizontale drukgradiënt een geostrofische wind aandrijven die constant is met de hoogte. Als er echter een horizontale temperatuurgradiënt langs isobaren bestaat, zullen de isobaren ook variëren met de temperatuur. Op de gematigde breedtegraden is er vaak een positieve koppeling tussen druk en temperatuur. Een dergelijke koppeling zorgt ervoor dat de helling van de isobaren toeneemt met de hoogte, zoals geïllustreerd in paneel (b) van de afbeelding links. Omdat isobaren steiler zijn op grotere hoogten, is de bijbehorende drukgradiëntkracht daar sterker. De Corioliskracht is echter hetzelfde, dus de resulterende geostrofische wind op grotere hoogten moet groter zijn in de richting van de drukkracht. |
| |
In een baroklinische atmosfeer, waar de dichtheid een functie is van zowel druk als temperatuur, kunnen dergelijke horizontale temperatuur-gradiënten bestaan. Het verschil in horizontale windsnelheid met de hoogte dat ontstaat, is een verticale windschering, traditioneel de thermische
wind genoemd. |
| |
| |
| Advectie draaiing |
| Als een component van de geostrofische wind evenwijdig is aan de temperatuurgradiënt, zorgt de thermische wind ervoor dat de geostrofische wind met de hoogte draait. Als de geostrofische wind van koude lucht naar warme lucht waait (koude advectie), zal de geostrofische wind met de hoogte tegen de klok in draaien (voor het noordelijk halfrond), een fenomeen dat bekend staat als windbacking. Anders, als geostrofische wind van warme lucht naar koude lucht waait (warme advectie), draait de wind met de klok mee met de hoogte, ook bekend als winddraaiing. Windbacking en -draaiing maken een schatting van de horizontale temperatuurgradiënt mogelijk met gegevens van een atmosferische peiling. |
| |
 |
In (a) vindt koude advectie plaats, dus de thermische wind zorgt ervoor dat de geostrofische wind tegen de klok in draait (voor het noordelijk
halfrond) met de hoogte. In (b) vindt warme advectie plaats, zodat de geostrofische wind met de klok mee draait met de hoogte. |
| |
| Frontogenesis |
| Net als in het geval van advectiedraaien, ontstaat er bij een kruis-isotherme component van de geostrofische wind een verscherping van de temperatuurgradiënt. De thermische wind veroorzaakt een vervormingsveld en er kan frontogenese optreden. |
| |
| Straalstroom |
| Er is een horizontale temperatuurgradiënt als je van noord naar zuid langs een meridiaan beweegt, omdat de kromming van de aarde meer zonnewarmte toelaat bij de evenaar dan bij de polen. Dit creëert een westelijk geostrofisch windpatroon dat zich vormt op de middelste breedtegraden. Omdat thermische wind een toename van de windsnelheid met de hoogte veroorzaakt, neemt het westelijke patroon in intensiteit toe tot aan de tropopauze, waardoor een sterke windstroom ontstaat die bekendstaat als de straalstroom. Het noordelijk en zuidelijk halfrond vertonen vergelijkbare straalstroompatronen op de middelste breedtegraden. |
| |
| Het sterkste deel van de straalstromen zou zich in de buurt moeten bevinden waar de temperatuurgradiënten het grootst zijn. Vanwege de landmassa's op het noordelijk halfrond worden de grootste temperatuurcontrasten waargenomen aan de oostkust van Noord-Amerika (grens tussen Canadese koude luchtmassa en de Golfstroom/warmere Atlantische Oceaan) en Eurazië (grens tussen de boreale wintermoesson/Siberische koude luchtmassa en de warme Stille Oceaan). Daarom worden de sterkste boreale winterstraalstromen waargenomen boven de oostkust van Noord-Amerika en Eurazië. Omdat sterkere verticale schuifkrachten baroklinische instabiliteit bevorderen, wordt de snelste ontwikkeling van extratropische cyclonen (zogenaamde bommen) ook waargenomen langs de oostkust van Noord-Amerika en Eurazië. |
| |
| Het gebrek aan landmassa's op het zuidelijk halfrond leidt tot een constantere straalstroom met lengtegraad (d.w.z. een meer zonaal symmetrische straalstroom). |
| |
|
|
|
|
|
|
