Varför lutar fronter?

När kall och varm luft strömmar mot varandra blandas de inte nödvändigtvis. Istället bildas ofta skarpa frontzoner som kan bestå i flera dagar. Förklaringen ligger, återigen, i jordens rotation, i corioliseffekten.

I artikeln Vädret på våra breddgrader påminde vi om vad som händer i ett rum med en het spis vid innerväggen och ett kallt fönster vid ytterväggen: luften i rummet kommer att cirkulera runt.

Anta nu att vi plötsligt bygger en flyttbar vägg halvvägs mellan fönstret och spisen, samt därefter stänger av spisen och spikar igen fönstret. På ena sidan av den nya väggen har vi kall luft, på den andra varm.

Tar vi bort väggen kommer den kalla, tunga luften att rinna in under den varma och lätta, som i sin tur lägger sig över den kalla. Vi får en situation med kall, tung luft närmast golvet och varm, lätt närmast taket, med en horisontell skiljeyta dem emellan.

Temperaturskillnader och luftströmningar

Detsamma skulle ske i jordens atmosfär om inte jorden roterade, om det inte fanns någon corioliseffekt. Men nu roterar jorden och då blir skiljeytan lutande (1:50 till 1:200) och det är intressant att förstå varför.

Den förste som redde ut detta var österrikaren Max Margules (1856-1920) för hundra år sedan. Han visade att lutningen bestämdes av till synes så skilda fenomen som horisontella temperaturkontraster och skillnaden i luftens strömning i de båda luftmassorna.

När dessa sätts i rörelse söker corioliseffekten att driva luften tillbaka och därmed minska utjämningen. Ju kraftigare rotation desto starkare tillbakahållande kraft och kraftigare vertikal lutning. Om temperaturkont-rasterna är stora verkar detta i motsatt riktning och leder till minskande lutning.


Varm och kall luft i en oändligt lång låda (eller en låda som är en del av en ring runt jorden på ett visst avstånd från ekvatorn) är separerade av en vertikal vägg.



 



När väggen tas bort börjar den kalla och tunga luften sjunka in under den varma och lätta som i sin tur strömmar in över kalluften. Den accelererande kraften, tryckgradientkraften, härrör ur densitetsskillnaden mellan gaserna (som är proportionell mot temperaturskillnaden).


 


Om lådan befinner sig i ett roterande system söker corioliskraften tvinga tillbaka både kall- och varmluften i en cirkelrörelse. Men corioliskraften har att kämpa mot tryckgradientkraften...

 

Kampen slutar i en slags ”kompromiss” där den rörelse som luften accelererats upp till styrs åt sidan åt höger på norra halvklotet, parallellt med lådans längdriktning.

 

Illustration som förklarar varför fronter lutar



Lådan, på norra halvklotet vid latitud φ och med rotationshastigheten Ω och med bredden S och höjden h, sedd från kortändan.

Den varma luften med temperaturen T2 strömmar ut ur bilden (röda cirkeln) med hastigheten v2 och accelererar åt vänster av corioliskraften = fv2 (per massenhet) där f=2Ωsinφ, medan den kalla luften T1 strömmar in i bilden (blå cirkeln) med hastigheten v1 och accelererar åt höger (fv1).

Med Tm för hela systemets medeltemperatur blir corioliskraften proportionell mot C=fTm(v1-v2) och luftens reducerade tyngd proportionell mot G=g(T2-T1). (Reducerad tyngd beror på densitetsskillnaderna och motsvarar vad vi upplever när vi kommer ner i en simbassäng.)

När resultanten R av C och G bildar rät vinkel med skiljeytan råder jämvikt. Med enkel geometri kan vi då beräkna hur skiljeytans lutning (h/S) beror på strömningarna (v1 och v2) och den absoluta temperaturen i de båda luftmassorna (T1 och T2). Observera att strömningarna kan vara riktade åt samma håll bara hastigheterna är olika.


Denna artikel är en del i serien Atmosfärens allmänna cirkulation