I slutet på 1940-talet var den amerikanske meteorologiprofessorn Victor Starr intresserad av att få en övergripande bild över det fundamentala energiutbytet, övergången mellan lägesenergi och rörelseenergi, i den fria atmosfären. Men istället för att ge sig ut och mäta, vilket är svårt, skrev han ner de grundläggande atmosfäriska rörelseekvationerna på en bit papper.
Den del av energin som atmosfären mottar (se Kall snö strålar värme) och inte förlorar genom utstrålning tillbaka mot rymden, ökar atmosfärens lägesenergi genom att varmluften expanderar. Lägesenergin omvandlas sedan till rörelseenergi, dvs. vinden tilltar. Till slut avstannar vinden på grund av friktionen, främst mot marken.
Utan solens energitillförsel skulle all rörelse i atmosfären avstanna inom drygt en vecka. Men friktion är inte enda skälet till att ett luftpakets rörelse stannar av. Inte heller är tillförsel av solenergi enda skälet till att lägesenergin ökar i ett område. Lägesenergin och rörelseenergin kan öka och minska också genom att den ena övergår i den andra.
Som en skateboardåkare
Tänk på en pendel eller gunga, eller varför inte en skateboardåkare. När skateboardåkaren är i sin högsta punkt står han still, rörelseenergin är noll, men lägesenergin har sitt högsta värde. När han når sin lägsta punkt är lägesenergin som minst och rörelseenergin når sitt högsta värde.
Utan tillskott av energi utifrån kommer rörelsen så småningom att avstanna på grund av friktionsverkan. Men pendeln, gungan eller skateboardåkaren kan vara i total vila också därför att de av bara farten, svängt eller rullat vidare i ett uppförslut där hastigheten bromsats in.
Såväl för pendeln, gungan och skateboarden som för atmosfären kan detta schematiskt representeras av följande bild:
Tre ekvationer
Starr fick fram tre ekvationer som såg olika ut, men som var inbördes logiskt konsistenta (utbytbara). Den första berättade att när varm luft stiger och kall luft sjunker, ökar rörelseenergin på lägesenergins bekostnad, dvs. vinden tilltar.
Den andra visade att detta sker vid luftrörelser från områden med högre lufttryck och utströmmande (divergerande) luft till områden med lägre lufttryck och inströmmande (konvergerande) luft.
Vi betraktar stigande varm luft och sjunkande kall luft som "naturliga" rörelser, men i den fria atmosfären, där friktionen oftast är försumbar, är det omvända nästan lika vanligt. Detta skenbart "onaturliga" skeende står i samband med helt "naturliga" luftrörelser som av bara farten sker från områden med lägre lufttryck till områden med högre lufttryck.
Att luft kan röra sig både från och till högtryck och lågtryck, är viktigt att hålla i minnet när vi studerar hur oväder bildas då temperaturkontraster i den fria atmosfären skärps när kall luft stiger och varm luft sjunker.
Denna artikel är en del i serien Atmosfärens allmänna cirkulation