Воздушные потоки над морем
ГЛАВА 12
Влияние препятствий на ветер
Точно так же, как на течение оказывают влияние очертания береговой линии или рельеф дна, на воздушные потоки воздействуют формы рельефа суши — холмы, бугры и прочие естественные или искусственные преграды.
Изменение скорости ветра поверхностным трением
На ветер влияют не только контуры суши и препятствия. Даже над относительно ровной поверхностью моря трение между воздушным потоком и водой достаточно для значительного уменьшения скорости ветра на малых высотах. Это важно для всех, кто плавает под парусами, так как теперь парусное вооружение, за редким исключением, существенно ниже 20 метров. Гоночные швертботы используют ветер, дующий на чрезвычайно малой высоте, обычно не более 8 метров над водой, а наибольшая площадь парусности находится на уровне примерно 4 метра над поверхностью воды.
Существенное замедление движения нижнего слоя воздуха даже в открытом море — можно сопоставить с тормозящим действием трения между берегом реки и потоком воды. В большинстве районов над поверхностью суши воздушный поток не только замедляется, но также существенно расчленяется по направлению.
Уменьшение скорости ветра на высоте около 1 метра над морем всего в два раза по сравнению с высотой 18—20 метров представляет, возможно, чисто теоретический интерес. Тут можно посоветовать одно учитывать все достоинства и недостатки, вытекающие из пребывания высокого парусного вооружения в более сильном потоке.
Возможно, больший практический интерес представляет тот факт, что скорость ветра над морем — или любым большим открытым водным пространством — обычно примерно в два раза больше, чем над сушей. Для учета этого явления нельзя сформулировать какие-либо строго определенные -правила, да и нет надобности в их точности, но очень важно то, что на ветер существенно влияет поверхность, над которой он проходит. Об этих существенных изменениях скорости ветра необходимо помнить, когда, собираясь выйти в открытое море (на берегу или в вершине устья), выбираешь паруса, под которыми будешь плавать, одежду, в которой будешь ходить, и снаряжение судна
Сопоставление воздушных потоков м морских течений
Анализ и понимание особенностей движения течений, изложенных в главе 2, существенно облегчают понимание поведения воздушных потоков у препятствий типа холмов, деревьев и строений. Как и следовало ожидать, при сгибании препятствий поток воздуха ведет себя так же, как поток воды.
В главе 2 говорилось о влиянии острова на течение реки: с обеих сторон острова образуется собственный поток, в каждом потоке скорость увеличивается и имеются участки медленного и быстрого течения. На рис. 4 показано такое разделение. Говорилось также о том, что для течений подводные рифы, иловые или песчаные банки сравнимы с островами, но их влияние на течение не столь заметно. Движение воды, проходящей над рифами и банками, замедляется, а при их обтекании усиливается.
Воздушный поток над возвышениями типа холмов ведет себя почти так же, но, в отличие от воды, воздух не ограничен каким-либо определенным уровнем, легко поднимается над препятствиями и обтекает их.
Ветер над холмами
На рис. 66 изображено некое озеро, расположенное в некоторой холмистой местности, и показано, каких ветров можно здесь ожидать. С восточной стороны озеро ограничено грядой холмов, с запада имеются два холма, разделенных долиной А, на юге и да севере имеются две долины, В и С. Общее направление истинного ветра юго-западное.
Наиболее важно, что воздух устремляется вдоль долин, поэтому можно ожидать сильных порывов со стороны входов в долины» в то же время в северо-восточной части озера ветер будет направлен в долину С.
Сильный ветер, дующий над вершиной юго-западного холма, уменьшается в сторону долин по обеим сторонам холма. Однако если на подветренной стороне холма воздушный поток слабый, то при опускании к воде он турбулизируется. С любой стороны of этого холма выходящие из долин сильные воздушные потоки стремятся, обогнув северную и южную подветренные стороны холма, заполнить пространство, занятое порывистыми вихрями, опускающимися с этой стороны. Следует по возможности избегать участка непосредственно под юго-западным холмом, так как там не только горизонтальные, но и вертикальные и спиралеобразные вихри.
В северо-западной части ветер на холме гораздо спокойнее и упорядоченнее. Выходя из долины А, ветер поворачивает вокруг подножия холма и уходит вверх по долине С.
Холмы в восточной части на ветер над озером существенно не влияют, возможно только, что на восточном берегу воздушный поток немного отклоняется к холму, но эта тенденция, вероятно, будет затушевана более сильным влиянием долин В и С, действующих как сопло. Поднимаясь вверх по холму на все большую высоту, ветер стремится вернуться к своему обычному истинному юго-западному направлению. Для плавающего под парусом это не имеет практического значения, если только он не ищет признаков изменений генерального направления ветра, типа дыма или флага на берегу.
В нашем примере заблаговременное изучение карты позволяет довольно легко проанализировать схему ветров на озере. Неспециалисту она может показаться слишком специфической, но опытный рулевой легко поймет особенности местных- ветров и опрогно-зярует их для нескольких различных генеральных направлений ветра еще до того, как прибудет на место.
Однако обычно характерных особенностей гораздо больше, чем описано в нашем примере, поэтому, как и в случае с течениями, необходимо учитывать множество других факторов.
Круговые вихри в долинах
На рис. 67 показано явление, которое может иметь место над рассмотренным озером. Вращение ветрового потока или круговой вихрь (аналогичный изображенному на рис. 7), может вызывать над водой ветер, направленный практически противоположно истинному ветру.
Для озера, показанного на рис. 66, маловероятно образование вихря, так как он возникает только при движении воздуха вниз и заполнении пространства с покоящимся воздухом. В нашем случае воздух над озером перемещается под влиянием ветровых потоков, движущихся вдоль трех долин.
Вихри за подветренной стороной препятствий
Выше отмечалось, что за подветренной стороной холмов возможно наличие небольших изменчивых вихрей. Такие вихри в потоке воздуха или воды возникают за любым препятствием. На рис. 68 показана ситуация за подветренной стороной здания. Холмы или полосы деревьев не столь резко выраженные или непроницаемые Препятствия и не вызывают сильные возмущения ветра, но часто их размеры настолько велики, что компенсируют ослабляющее влияний специфики формы. Для того чтобы зрительно представить себе эти вихри, достаточно посмотреть, как крутятся пыль или листья за углом здания.
Возможно, новичку легче представить, что с подветренной стороны препятствия ветра не будет, чем понять, что ветер за препятствием может ударяться в паруса со всех сторон и, несмотря на меньшую силу, способен даже опрокинуть лодку, только потому, что крутится и меняет направление.
К сожалению, такие ветры часто случаются, когда яхта только начинает плавание или возвращается под защиту морских строений или зданий яхтклуба. Поэтому следите за обратными вихрями и, если ветер сильно задул от обычного направления, не откидывайтесь с беззаботной непринужденностью над планширем и не воображайте, что так будет продолжаться все время, ибо следующий толчок такой же силой может обрушиться на паруса с другой стороны и заставит, вас искупаться. Пока препятствие не пройдено, вытравите шкоты. Так, чтобы воспринять любой сильный толчок; если в таких условиях проводятся соревнования, то, возможно, этого сделать нельзя, тогда будьте особенно бдительны.
Вихри с наветренной стороны препятствий
На рис. 69 показано, что примерно аналогичная картина наблюдается с наветренной стороны препятствия, но при одинаковой скорости ветра район вихрей не столь обширный, как с подветренной стороны такого же препятствия. Если препятствие расположено к ветру не слишком круто, то вихрей может быть мало или не быть совсем, хотя перед препятствием почти всегда наблюдается некоторый подъем воздушного потока и уменьшение его скорости. Неопытному яхтсмену довольно трудно проследить эти возмущения с наветренной стороны, но знать о них непременно нужно.
Вихри на вершинах набережных
На рис. 70 показано действие наклонных конструкций на ветер.
Не так уж часто яхтсмена интересует ветровой поток на вершине склона, но в некоторых местах это важно, особенно сейчас, когда разрешено плавание на водоемах, где имеются набережные. Из рис. 70 видно, что ветру требуется некоторое пространство, чтобы вновь установиться над водой за подветренной стороной склона.
В нескольких только что приведенных примерах рассмотрено влияние препятствий на вертикальную структуру потока, но ветер завихряется вокруг концов и склонов препятствий так же, как и при огибании их вершины.
При огибании склонов ветер усиливается и часто возникают весьма ощутимые? толчки и вихри, резкие порывы ветра, подхватывающие яхту, как только она высовывает нос из-за укрытия, Могут быть гораздо мощнее, чем ветер в открытом море.
Источник
Атмосфера и климат
Сайт об атмосфере, климате и метеорологии
Воздушные течения
Окружающий нас воздух находится в постоянном движении. В атмосфере ежедневно, ежечасно возникают и замирают разнообразные воздушные потоки; над землей постоянно движутся в различных направлениях воздушные массы; одни из них несут с собой сухость воздуха, другие — влагу, одни — прохладу, другие — высокую температуру. Когда одна воздушная масса сменяет другую, погода меняется.
Как же возникает в атмосфере движение воздуха? Исследования показали, что основной причиной возникновения воздушных течений является неравномерное распределение давления воздуха. Если на какой-то площади создается высокое давление, то избыток масс воздуха над ней начинает оттекать к областям с более низким давлением. Такое движение воздуха и представляет собой ветер.
Почему давление воздуха различно в разных местах? Причиной этого является неравномерное распределение температуры воздуха. Оно приводит к тому, что в атмосфере по соседству оказываются потоки (столбы) воздуха, нагретые по-разному. В более теплом потоке (столбе) давление воздуха с высотой уменьшается медленнее, чем в более холодном. В результате на некоторой высоте давление воздуха в более теплом потоке окажется выше, чем в холодном, что вызовет перемещение воздуха из теплого потока в холодный. Давление в столбе холодного воздуха повышается; увеличивается давление и у его основания. В результате у поверхности земли начинается движение холодного воздуха в сторону теплого.
Мы говорим — дует ветер.
Таким образом, в атмосфере воздушные массы перемещаются от мест с высоким давлением туда, где атмосферное давление ниже. И чем больше разность давлений воздуха в каких-либо двух соседних областях, тем стремительнее происходит движение воздушных потоков, тем сильнее дует ветер.
По существу таков же характер циркуляции атмосферы своего земного шара, так как на Земле всегда имеются постоянный очаг тепла (экваториальная зона) и два постоянных очага холода (районы полюсов).
Ветер характеризуется направлением и скоростью (силой). Направление ветра определяется той частью горизонта, откуда он дует (например, северный ветер, юго-западный и т. д.). Скорость ветра измеряют в метрах в секунду. В практике силу ветра определяют также баллами по специальной шкале:
| Баллы | Скорость ветра в м/с | Название ветра | Действие ветра |
| 0 | 0-0,5 | Штиль | Дым поднимается отвесно |
| 1 | 1-1,5 | Тихий | Отклоняется дым из труб |
| 2 | 2-3 | Легкий | Шелестят листья деревьев |
| 3 | 4-5 | Слабый | Колышутся тонкие ветки деревьев |
| 4 | 6-8 | Умеренный | Качаются сучья деревьев; ветер поднимает пыль |
| 5 | 9-10 | Свежий | Качаются тонкие стволы деревьев; шумят верхушки деревьев; на воде появляются волны с барашками |
| 6 | 11-12 | Сильный | Качаются толстые сучья деревьев |
| 7 | 13-15 | Крепкий | Заметно гудят телеграфные провода; качаются верхушки деревьев |
| 8 | 16-18 | Очень крепкий | Ветер ломает тонкие ветки и сухие сучья деревьев |
| 9 | 19-21 | Шторм | Ветер срывает черепицу с крыш и кирпичи с домовых труб |
| 10 | 22-25 | Сильный шторм | Значительные разрушения; деревья вырываются с корнем |
| 11 | 26-29 | Жестокий шторм | Большие разрушения (наблюдается очень редко) |
| 12 | 30 и более | Ураган | Очень большие разрушения (наблюдается очень редко) |
Для измерения скорости ветра и его направления служат различные приборы. Самый простой из них — всем известный флюгер.
На высотах скорость и направление ветров определяют путем наблюдения за полетом шаров-пилотов — легких резиновых шаров, наполненных водородом. Поднимаясь вверх, такой шар одновременно уносится ветром. Наблюдая за полетом шара в специальные угломерные приборы — теодолиты, определяют скорость и направление перемещения шара-пилота на разных высотах относительно земли. Это и позволяет определять скорость и направление ветра в разных слоях воздуха.
В движении находится вся атмосфера Земли — от экватора до полюсов.
На рисунке мы приводим общую весьма упрощенную схему движения воздушных потоков над землей. У экватора атмосферное давление понижено. К тропикам и субтропикам оно сильно повышается. Затем в умеренных широтах давление воздуха снова понижается, а дальше, к полюсам, опять растет. Благодаря этому над землей существует несколько главных воздушных потоков. При этом на их движение влияет суточное вращение Земли. В результате этого вращения все движущиеся тела в нашем, северном, полушарии отклоняются вправо от своего первоначального направления. В южном полушарии это отклонение происходит влево. Поэтому в экваториальной области северного полушария дуют северо-восточные ветры, а в южном полушарии — юго-восточные. Такие постоянные ветры называются пассатами. В умеренных широтах в северном полушарии преобладают юго-западные и западные ветры, а в южном — северо-западные и западные. За полярным кругом в северном полушарии дуют северо-восточные ветры, а в южном — юго-восточные.
Приведенная схема показывает лишь общий характер движения главных воздушных потоков над землей. В действительности распределение ветров по земной поверхности значительно сложнее. В атмосфере наблюдаются самые разнообразные ветры — постоянные, дующие неделями в одном направлении с одной скоростью, и непостоянные, меняющиеся чуть не каждый час, легкие, едва заметные, и ураганные ветры, проносящиеся тысячи километров, и ветры местные.
Приведенная выше схема движения воздушных потоков над землей нарушается в первую очередь различным нагреванием суши и воды. В теплое время года суша нагревается сильнее, чем вода, поэтому летом возникают устойчивые воздушные потоки с океанов на материки, В холодное время года, когда суша сильно остывает, массы воздуха направляются с материков на океаны.
Такие постоянные ветры носят название муссонов. Муссоны влияют на пассаты. В Индии и в Африке сильные летние муссоны полностью разрушают северо-восточный пассат. Зимой муссоны здесь совпадают с пассатами и усиливают их.
В меньшем масштабе подобное явление мы наблюдаем на берегах морей. Из-за разных температур суши и воды здесь возникают периодические ветры — бризы. Днем суша нагревается сильнее воды, воздух над ней начинает подниматься вверх, а на его место притекает более холодный воздух со стороны моря. Это — морской бриз. Ночью суша охлаждается быстрее, чем вода, и холодный воздух над ней течет в сторону более теплой в это время водной поверхности. Это — береговой бриз.
Постоянство общей циркуляции атмосферы нарушается также возникновением над разными участками земной поверхности областей пониженного и повышенного давления воздуха — циклонов и антициклонов. Поэтому практически, в особенности на суше, в любом месте могут наблюдаться самые различные ветры с некоторым преобладанием в умеренных широтах северного полушария западных ветров, а в умеренных широтах южного полушария — восточных ветров.
Скорость ветра у земли может значительно меняться: бывает и полное безветрие и ветры ураганной скорости до 50—60 метров в секунду.
А теперь — о ветрах и высоких слоях атмосферы. Наблюдениями установлено, что с высотой средняя скорость ветра постепенно увеличивается и в средних широтах достигает максимума на высоте 10—11 километров.
За последнее время в результате длительных наблюдений над ветром в высоких слоях атмосферы установлено, что примерно на высотах 9—12 километров существует так называемое «струйное течение» воздуха. Это течение имеет поперечные размеры 300—400 километров, толщину 2—4 километра и вытягивается в длину на десятки тысяч километров, иногда опоясывая весь земной шар. В основном оно направлено с запада на восток, но может сильно изгибаться вплоть до поворота на 90 градусов. Скорость ветра в «сердцевине» струйного течения составляет, как правило, 60—80 метров в секунду, а максимальные скорости могут приближаться к 200 метрам в секунду (т. е. 720 километров в час).
О скорости и направлении ветра на больших высотах можно судить по наблюдениям за движением серебристых (светящихся) облаков, а также по движению метеоров. Эти наблюдения показывают, что в умеренных широтах в слое 30—80 километров наблюдаются восточные ветры, а выше 80—90 километров преобладают западные ветры. Над экваториальными и тропическими широтами ветры распределяются несколько иначе. В экваториальной зоне от поверхности земли до высоты 125 километров дуют восточные ветры. В тропической зоне — пассаты, находящиеся у земной поверхности, распространяются вверх до высоты 2—4 километров; выше их сменяют ветры противоположного направления — антипассаты. Затем по мере увеличения высоты антипассаты переходят в общий западный поток, который с высоты 20 километров меняется на восточный.
Скорость ветра на высотах 82—85 километров очень велика, она достигает 100—150 метров в секунду, а выше 100 километров иногда увеличивается до 200—250 метров в секунду, т. е. до 720—900 километров в час. Насколько велика такая скорость, можно судить по тому, что у земли скорость ветра при самых сильных ураганах составляет, как уже говорилось, только 50—60 метров в секунду.
Воздушные течения играют большую роль в процессах, совершающихся в атмосфере, и в практической деятельности человека. Массы воздуха, притекающие с океана на сушу, несут запасы влаги и тепла, смягчают климат. Перемещаясь из теплых мест в холодные, воздушные потоки повышают температуру воздуха. Холодные северные ветры вызывают сильное понижение температуры. Ветры, несущие слишком много влаги, несут сильные и продолжительные дожди. А кому неизвестны бури, возникающие на морях и океанах, смерчи и ураганы, производящие подчас большие разрушения на суше.
Во многих научно-популярных книгах можно встретить описание тропического урагана 1780 года, который получил название «великого урагана». Он разразился у берегов Америки в Атлантическом океане. Ураган пронесся над Антильскими островами. Особенно сильно пострадал один из этих островов — Барбадос. Тысячи людей на нем погибли под развалинами зданий. Много городов было разрушено ветром до основания, а развалины домов унесены огромными волнами, поднятыми ветром в море.
В том году шла война между Англией и Америкой и в гаванях Антильских островов стояло несколько сотен военных кораблей. Почти все они затонули.
В результате урагана погибло около сорока тысяч человек.
В последние годы сильнейшим ураганом был шторм, пронесшийся в начале 1953 года над Северным морем.
В 1959 году сильные Штормы наблюдались в США, Так, в феврале на Сент-Луис — столицу штата Миссури — обрушилась сильная гроза, а после нее над городом пронесся ураган. Страшной силы ветер сносил верхние этажи жилых домов и зданий, вырывал деревья, валил телеграфные столбы, сломал высотную башню телевидения. В ряде районов города возникли пожары. Особенно сильно пострадал центр города. Общие убытки определяются в 12 миллиардов долларов.
Жестокие ураганы очень часты у берегов Японии. Здесь их называют тайфунами. В январе 1954 года пронесшийся над Японией тайфун разрушил сотни домов, принес материальный ущерб в несколько миллионов иен. Десятки тысяч людей остались без крова.
В сентябре 1959 года над китайским островом Тайвань пронесся тайфун ураганной силы, охвативший район протяженностью 600 километров. Скорость ветра в центре тайфуна достигла 70 метров в секунду. Ураган сопровождался сильным ливнем, который вызвал наводнения на острове. Основные телефонно-телеграфные линии на острове Тайвань были разрушены. Полностью или частично было снесено свыше 3300 жилых построек. На восточном побережье Тайваня тайфун уничтожил несколько мостов и привел к большим оползням.
Ураганные ветры возникают на фронте встречи различно нагретых воздушных масс. При этом образуются мощные вихревые воздушные потоки, движущиеся с большой скоростью по спирали, поперечник которой составляет сотни километров.
Тропическим ураганам сопутствуют сильнейшие ливни, так как воздух в этих районах всегда сильно насыщен водяными парами.
Интересны и во многом еще не ясны явления природы — смерчи, или торнадо — мощные вихревые движения воздуха.
Многие из вас, конечно, видали, как летом в жаркие дни на поверхности земли возникают небольшие пыльные вихри. При грозах над сушей и над морем иногда образуются огромные вихри. Скорость вращения воздуха в них доходит до шестидесяти и более метров в секунду. Такие вихри-смерчи обладают большой разрушительной силой. Вот, например, что натворил смерч, который прошел под Москвой в 1945 году.
2 сентября во второй половине дня около станции Валентиновка Северной железной дороги в грозовом облаке на высоте 3—4 километров возник большой смерч. Опустившись к земле, он пересек железную дорогу у станции Соколовская и распался дальше в лесу. По рассказам очевидцев, это был огромный темный столб в десятки метров в диаметре. Он двигался со скоростью примерно 60 километров в час. На своем пути смерч повалил деревья и телеграфные столбы, разрушил много домов поднимал высоко в воздух доски, ветки деревьев, срывал с крыш железо и т. д.
При прохождении смерча были отмечены резкие колебания атмосферного давления.
В 1957 году наблюдался сильный шквал в Северном Приуралье. Скорость ветра при этом достигала 20— 25 метров в секунду, а скорость отдельных порывов — 30—40.
Довольно часто морские смерчи наблюдаются у нас на Черном море.
С ураганами и смерчами связано одно интересное явление природы — цветные дожди, которые в прошлом вызывали у многих людей суеверные страхи.
В начале прошлого века в Италии произошел такой случай (он был описан одним ученым):
«В течение двух суток ветер дул с востока, когда жители увидели приближающуюся со стороны моря густую тучу. В два часа пополудни туча закрыла окрестные горы и начала заслонять Солнце; цвет ее, сначала бледно-розовый стал огненно-красным. Скоро город был окутан таким густым мраком, что в четыре часа в домах пришлось зажечь лампы. Народ, испуганный темнотою и цветом тучи, бросился молиться. Мрак продолжал усиливаться, и все небо казалось состоящим из раскаленного железа. Загремел гром и начали падать крупные капли красноватой жидкости, которую одни принимали за кровь, а другие — за расплавленный металл. К ночи воздух очистился, гром и молнии прекратились, и народ успокоился».
На месте капель остались желто-коричневые пятна. В них с помощью лупы была обнаружена красноватая пыль. Исследование ее и позволило разгадать причину столь необычного дождя. Оказалось, что ураган, пронесшийся над пустыней Сахарой, поднял там в воздух большое количество красноватой пыли — охры и принес ее к берегам Италии. Смешавшись с каплями дождя, эта пыль и придала им вид крови.
Известны случаи выпадения и дождей иного цвета — оранжевых, желтых и других.
Наконец, надо сказать и о том, что ветер обладает огромной энергией.
Сила ветра издавна использовалась людьми в практических целях. Первые суда, пересекавшие моря и океаны, ходили под парусами. И сейчас парусные лодки широко используются рыбаками на всем земном шаре.
Ветер вращает крылья ветряных мельниц, ветряных двигателей. Современные ветродвигатели качают воду, приводят в движение различные машины, вырабатывают электрическую энергию. Ветер — это неисчерпаемый источник энергии. Он, несомненно, будет играть большую роль в практической деятельности людей. Недаром уже теперь ветер получил название «голубого угля».
Источник