Tuulen käyttövoima on painegradienttivoima. Kun paine vaihtelee paikasta toiseen, paine-ero on olemassa. Kun paine-ero on olemassa, on olemassa painegradientti. Painegradientti ilmoitetaan yleensä isobaarien (vakiopaineen viivojen) läheisyydellä pintasääkartalla. Jos kartalla on tiiviisti useita viivoja, on olemassa suuri painegradientti, jossa viivat ovat hajaantuneet toisistaan, vähemmän gradienttia. Perusluonteisesti yhdessä paikassa on enemmän ilmaa kuin toisessa. Ilmapiiri pyrkii aina tasoittamaan epätasapainoa. Paineen epätasapaino saa tuulet puhaltamaan, kun ilmakehä yrittää tasoittaa paine-eroa. Tämä koetaan yleisimmin silloin, kun voimakas matalapaineen alue kulkee jonkin alueen yli. Matalapaineen ja viereisen korkeapaineen välinen paine-ero tuottaa voimakkaita tuulia.
paine-erot johtuvat yleensä lämmityseroista. Päiväntasaajan ja napojen väliset suuret lämmityserot saavat aikaan ilmakehän yleisen kiertokulun. Tuulten yleistä kiertoa maapallon ympäri käsitellään oppitunnilla 7. Eniten lämpöä on lähellä päiväntasaajaa, jossa suurin osa lämmityksestä tapahtuu. Ilman liikehdintä on yleinen sääntö täällä, kun vastataan ylimääräiseen lämpöön. Napojen kohdalla kylmempi lämpötila aiheuttaa vajoamisliikettä. Tämä lämpöero ajaa yleiskiertoa.
tämä virtauskuvio kuvaa ilman yleistä liikettä. ”Lämpimin” alue on päiväntasaaja, koska se on Aurinkoon nähden normaalein, ei siksi, että se olisi lähempänä aurinkoa, vaan siksi, että se on lähes tasainen auringon säteilyyn nähden. Napat ovat kulmassa, jolloin auringon säteily osuu pohjoisnavalle ja etelänavalle jyrkissä kulmissa. Mitä normaalimpi pinta on auringolle, sitä kirkkaampi ja lämpimämpi alue on. Suurin lämpeneminen on päiväntasaajan tienoilla (Kuva. 4.22). Pilvet voivat aiheuttaa jonkin verran vaihtelua; silloin tällöin lämpenee enemmän jossain muualla kuin päiväntasaajalla. Mutta keskimäärin napojen lähellä lämmitys on vähäistä ja päiväntasaajan lähellä maksimissaan. Tämä selittää tuulten yleisen kierron planeetalla.
Fig. 4.22 maapallolle osuvat yhdensuuntaiset säteet leviävät enemmän napoja kohti kuin päiväntasaajaa kohti. Koska säteet ovat normaalimpia tai pystysuorampia, ne lämmittävät päiväntasaajaa tehokkaammin kuin lähempänä napoja. Tämä aiheuttaa yleisen lämpötilaeron päiväntasaajan ja napojen välille ja ajaa ilmakehän kiertoa.
lämmityserot puolestaan luovat paine-eroja. Napaan uppoava kylmä ilma tuottaisi yleensä korkeampaa painetta kylmän ilman vajoaessa maahan. Matalapaine syntyisi ilman noustessa, kun ilma kiihtyy pois maasta. Paine-erot aiheuttavat tuulia, jotka yrittävät tasoittaa paine-eroja.
näitä paine-eroja havaitaan tarkastelemalla painegradientteja. Paine-ero tuottaa voiman, jota kutsutaan painegradienttivoimaksi (PGF). Se määritellään seuraavasti:
missä P on paine ja Z vaakasuora etäisyys.
painegradienttivoiman voimakkuutta voidaan muuttaa lisäämällä paine-eroa (DP) tai pienentämällä paineen muutoksen etäisyyttä (DZ).Kun painegradienttivoima on olemassa, tuuli pyrkii tasapainottamaan voimaa siirtymällä suoraan korkeapaineesta matalapaineeseen (Kuva. 4.23).
Fig. 4.23 painegradienttivoima (PGF) siirtyy suoraan korkeasta matalaan paineeseen. (Napsauta rewind aloittaaksesi animaation uudelleen)
pintakartta (Kuva. 4.24) näyttää erinomaisen esimerkin edellä mainitusta suhteesta. PGF on melko voimakas matalapaineen alueella Koillis-Yhdysvalloissa, kun taas Etelä-Keski-Yhdysvalloissa on suhteellisen heikko painevietti.
Fig. 4.24 pinnan Sääkartta, johon on kuvattu tuulet, isobaarit sekä matala-ja korkeapaineet. Klikkaa kuvaa nähdäksesi suuremman version.
pintakartta ilmoittaa pintatuulet ja suunnan väkäsillä ja isobaareilla, vakiopaineen viivoilla. Huomaa, miten tiiviisti isobaarit ovat itärannikolla. Voimakas painegradientti on olemassa ja voimakkaat tuulet puhaltavat. Tuulet puhaltavat etelämpänä 25-30 solmun nopeudella (jokainen täysbarbi edustaa 10 solmua ja jokainen puolibarbi viisi solmua). Etelä-Kansasin yllä on vain vähän painegradienttia; täällä tuuli vastaa 5-10 solmun tuulilla.