Ekmanova spirala

Na većim visinama i na makro skali, smjer vjetra određen je uravnoteženom gradijentnom Fg i Coriolisovom silom Fc (Sl.1). Gradijentna sila je posljedica različitih pritisaka, a smisao joj je izjednačavanje atmosferskog pritiska na cijelom području. Coriolisova sila je posljedica rotacije Zemlje i ona zapravo spada u tzv "pseudo sile", pojave koje zapravo nisu sile, ali izgledaju kao sile i mogu se vektorski zbrajati sa stvarnim silama (u pseudo sile spadaju i inercijalna i centrifugalna sila). Vjetar uravnotežen tim dvijema silama naziva se geostrofički vjetar Vg i načelno puše paralelno s izobarama, s time da na sjevernoj hemisferi niži pritisak ostavlja s lijeve strane.

U donjem sloju atmosfere gdje je značajan utjecaj tla, a koji se naziva granični sloj, vjetar je uravnotežen s tri sile: gradijantnom silom Fg, Coriolisovom silom Fc i silom unutrašnjeg ili viskoznog trenja Fv (Sl.2). Pod utjecajem sile trenja, stvarni vjetar V na sjevernoj hemisferi skreće ulijevo od geostrofičkog vjetra. Uz promjenu smjera, dolazi i do promjene brzine stvarnog vjetra s visinom, odnosno dubinom ako gledamo od vrha graničnog sloja. Granični sloj ima debljinu od oko 1000 m.

Promatrajući hodogram vektora brzina, počevši s geostrofičkim vjetrom na samom vrhu graničnog sloja, vidimo da njihovi vrhovi opisuju neku vrstu spirale. Ta spirala naziva se Ekmanova spirla (crvena krivulja) prema švedskom okeanografu V.W. Ekmanu koji je ovo prvi matematički izveo za problem morskih struja u okeanima. Na Sl. 3 je vidljivo kako stvarni vjetar neposredno ispod geostrofičkog nešto ubrza a zatim uslijed sile trenja opada. Teoretski, na samom tlu, vjetar bi trebao biti 0. Sl. 3 prikazuje idealnu, matematičku Ekmanovu spiralu, no ona se kao takva nikada ne ostvaruje u prirodi. Mjerenja su pokazala kako se vjetar ponaša vrlo slično matematičkom obliku, no matematički oblik je izveden uz mnoge aproksimacije i zanemarivanja pojava kao npr. turbolencija i sl.