Ветер, условия образования у Земли и на высотах
Понятие и характеристики ветра
Ветер — поток воздуха в горизонтальном направлении.
Российский ГОСТ под ветром понимает поток воздуха, движущийся относительно земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с
Ветер возникает в результате неравномерного распределения атмосферного давления и направлен от зоны высокого давления к зоне низкого давления. Вследствие непрерывного изменения давления во времени и пространстве скорость и направление ветра постоянно меняются. С высотой скорость ветра меняется из-за убывания силы трения.
Определяют несколько видов ветров:
Муссон — периодический ветер, несущий большое количество влаги, дующий зимой с суши на океан, летом — с океана на сушу. Муссоны наблюдаются главным образом в тропическом поясе.
Пассаты — постоянные ветры, дующие с довольно постоянной силой трёх-четырёх баллов; направление их практически не меняется, лишь слегка отклоняясь.
А также местные ветры:
Бриз — тёплый ветер, дующий с берега на море ночью и с моря на берег днём; в первом случае называется береговым бризом, а во втором — морским.
Бора — холодный резкий ветер, дующий с гор на побережье или долину.
Фён — сильный тёплый и сухой ветер, дующий с гор на побережье или долину.
Сирокко — итальянское название сильного южного или юго-западного ветра, зарождающегося в Сахаре.
Ветер характеризуется следующими показателями:
• скорость среднемесячная и среднегодовая в соответствии с градациями по величине и внешним признакам по шкале Бофорта;
• скорость максимальная в порыве – очень важный показатель устойчивости работы ветроэлектростанции;
• направление ветра/ветров – «роза ветров», периодичность смены направлений и силы ветра;
• турбулентность – внутренняя структура воздушного потока, которая создает градиенты скорости не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости;
• порывистость — изменение скорости ветра в единицу времени;
• плотность ветрового потока, зависящая от атмосферного давления, температуры и влажности.
• ветер может быть однофазной, а также двухфазной и многофазной средой, содержащей капли жидкости и твердые частицы разной крупности, движущиеся внутри потока с разными скоростями.
Ветер возле поверхности
Самый лучший путь представить или увидеть ветер и воздушные потоки — это понаблюдать за движением воды. Когда дно ручья гладкое, поток равномерный с постоянной скоростью, причем, вода сверху движется быстрее, чем внизу, возле дна. Когда поток встречается с препятствием или углублением, он становится непостоянным, даже если скорость его невелика. Вода предпочитает течь вокруг камня, чем над ним. Когда вода протекает между двумя камнями, она бьет ключом и течет быстрее. Когда она протекает над камнем, то возникает рябь или волна вниз по течению. Если камней много, то за ними спокойствие потока нарушается водоворотами или волнением.
Воздушные течения реагируют на земную поверхность аналогично. Они предпочитают двигаться вокруг отдельно стоящих гор, чем над ними и параллельно горным хребтам. Поток воздуха движется быстрее в ущелье. Образует смерчи и волны. Изменяя движение ветра, все эти препятствия замедляют движение ветра у поверхности. Изменение скорости ветра по высоте называется градиентом ветра. В дополнение к механическим эффектам, существенно изменяют поведение воздушных течений еще и тепловые процессы. Из этого следует вывод, что у поверхности воздух чаще всего очень непостоянен и турбулентность более высокая, чем на высоте.
Природа воздушного потока при высоте 500 — 1000 м:
Атмосфера свободна. Здесь не проявляется вязкость воздуха, потому что он не контактирует с твердыми телами. Движение воздуха определяется только градиентом давления и эффектом Кориолиса
Воздушный поток при высоте 50 — 100 м
Переходная область. Здесь эффект трения о поверхность влияет на структуру ветра. До этого уровня простирается действие морских бризов. Эффект Кориолиса и изменение плотности из-за прогрева земной поверхности существенные силы на этом уровне.
Область постоянно меняющихся процессов. Структура ветра определяется в основном природой поверхности и изменением температуры с высотой. Равнинные и горные ветры встречаются на этом уровне.
Образование ветра обусловливается перемещением воздушных масс из областей с высоким атмосферным давлением в область низкого с отклонением до 60° в северном полушарии вправо, а в южном — влево. Отклонение перемещающихся масс воздуха вызывается вращением Земли. Поскольку у экватора всегда существует более низкое атмосферное давление, над океанами дуют постоянные ветры: северо-восточные пассаты — в северном полушарии и юго-восточные — в южном, распространяющиеся до 26—35-й параллели. Вследствие непрерывного изменения давления во времени и пространстве скорость и направление ветра постоянно меняются. С высотой скорость ветра меняется из-за убывания силы трения. Характеризуется двумя основными элементами: направлением, в котором перемещается воздух, и скоростью, с которой происходит это перемещение.
Периодическое (годовое) изменение атмосферного давления в различных областях земного шара вызывает сезонные ветры — муссоны. Ветры, вызываемые неодинаковым атмосферным давлением в смежных областях земной и водной поверхности, называют барическими; ветры, возникающие по местным причинам и захватывающие ограниченные районы, называются местными.
Из-за трения движущегося воздуха о землю, скорость ветра у поверхности меньше, чем на высоте. По той же причине изменяется и направление. Ветер на высоте совпадает с направлением изобар, а у земли пересекает их. Графическое представление скорости ветра от высоты можно назвать градиентным профилем ветра. В спокойных условиях (без термичности) над землей поток не турбулентен и наибольшее изменение скорости ветра происходит вблизи поверхности. Если местность пересеченная, нижний слой турбулизируется, увеличивается толщина пограничного слоя, то есть слоя, в котором изменяется скорость ветра.
На высоте более 500 — 1000 м над высшей точкой поверхности уже не подвержен влиянию трения о землю. На этих уровнях можно говорить о ветрах, дующих в свободной атмосфере и имеющих скорость свободного потока. Следовательно, на высоте более 500м над наивысшей точкой поверхности, мы находимся в зоне действия воздушных потоков, движущихся по изобарам и со скоростью, соответствующей градиенту давления на данной высоте. Ветер, направление которого, совпадает с изобарой вне пограничного слоя принято называть градиентным ветром.
Характеристики высотного ветра зависят от места и расположения относительно него господствующих ветров на высоте и, особенно, струйных течений. Все это отображается на высотных картах погоды. Всегда есть правило: ветер усиливается с высотой в теплом секторе антициклона и ослабляется в холодном секторе антициклона.
Барические системы с высотой могут значительно отличаться от того что происходит у поверхности, а также, что в нижних слоях атмосферы возможно движение слоев воздуха над или под друг другом. Слои часто отличаются по температуре, влажности и характеристикам движения. Это может привести к изменению скорости и направления ветра через некоторое время. Чаще всего, ветер на высоте указывает, каким вскоре станет ветер у поверхности.
Струйное течение — потоки воздуха расположенные на высоте более 14 км, на широте 30°. Струйные течения возникают из-за сильных температурных контрастов между полярными и тропическими воздушными массами. Эти потоки образуются при движении по направлению к полюсам, но поворачивают вправо в северном полушарии и влево в южном, двигаясь с запада на восток. Зоны сильных горизонтальных температурных градиентов, фронты на поверхности и струйные течения чаще всего сопутствуют друг другу.
Приборы для измерения ветра
На поверхности скорость ветра определяется с помощью анемометра (анемо по-гречески значит ветер). Официально принята высота замера скорости ветра над землей — 10 метров. Целью этого является исключить влияние приземной турбулентности и трения воздуха о поверхность. Существуют различные типы анемометров: чашечный анемометр, анемометр-вентилятор, анемометр с шариком, анемометр с трубкой Пито. Чашечный анимометр и анемометр-вентилятор измеряют истинную скорость ветра, потому что двигаются вместе с ветром. Трубка Пито и плавающий шарик – анемометры другого типа, показания которых изменяются в соответствии с плотностью воздуха (зависящей от температуры и высоты), они определяют скорость ветра по его динамическому давлению. Они мало зависят от высоты, жары и влажности. Имеется ряд конструкций самопишущих приборов — анемографов и (если измеряется также и направление ветра) анеморумбографов. Направление ветра также можно измерить по флюгерам.
Определять скорость ветра можно и по признакам, замеченными в окружающей среде. В воздухе мы можем определить ветер по полосам на траве и лесных массивах, причем, по ним можно догадаться не только о направлении, но и о скорости. Флаги и дымы дают информацию о направлении и скорости ветра. Флаги свисают вниз или легко колышутся — ветер слабый, флаги развиваются и хлопают — ветер сильнее (будьте осторожны, можно попасть на тяжелые флаги в легкий ветер). Дым указывает на сильный ветер тем, что стелется над землей с разрывами.
Ветер – непредсказуемое явление природы. Легкий ласковый ветерок неожиданно сменяется ураганом, срывающим крыши, переворачивающим машины, вырывающим деревья. Ветер меняет погоду: нагоняет дождевые тучи, разгоняет облака. Происхождение мощной стихии, ассоциирующейся с непокорностью и свободолюбием, обусловлено взаимодействием солнечного излучения и воздушных масс.
Что такое ветер?
Ветром называется перемещение воздуха преимущественно в горизонтальном направлении из зоны высокого давления в зону низкого.
Направленность потока определяется исходной точкой. Дующий с запада в восточном направлении ветер называется западным.
Основные характеристики ветра – взаимосвязанные сила и скорость: ускоряющаяся воздушная масса считается сильнее. Сила ветра зависит от разницы давлений в исходной и финишной точке: с увеличением разрыва в показателях становится интенсивнее движение.
Классификация скорости ветра в баллах по шкале Бофорта:
- 0 – штиль (безветрие);
- 1 – 3 – слабый (скорость 2 – 5 м/с);
- 4 – 5 – умеренный (5 – 10 м/с);
- 6 – 8 – сильный (10 – 18 м/с);
- 9 – 11 – шторм (18 – 30 м/с);
- 12 – ураган (более 30 м/с).
Как образуется ветер?
Солнечное излучение, достигнув планетарной поверхности, нагревает сушу и океан. Увеличение температуры неравномерное, что обусловлено разным расстоянием до Солнца: экваториальные пояса, находясь ближе к звезде, получают больше энергии, чем полярные области. Нагрев суши более активный, чем океанических вод, но в водной среде тепло сохраняется дольше.
В итоге воздушные массы, нагреваемые планетарной поверхностью, на разных участках оказываются неодинаково теплыми. Теплые потоки воздуха поднимаются в высокие атмосферные слои, освобожденное пространство заполняется холодными потоками, поступившими с менее нагретых областей.
Столкновение теплых и холодных воздушных масс – причина образования ветра разной степени интенсивности. Процесс глобальный. Земная атмосфера пребывает в постоянном движении: воздушные потоки сталкиваются, изгибаются, закручиваются, формируют облака, вихри, ураганы, торнадо.
Виды ветров
Существуют различные типы ветров. Они различаются по интенсивности, направленности, длительности существования, прочим показателям.
Главные разновидности потоков – постоянные и сезонные. Первые движутся в неизменном направлении. В категорию входят пассаты в тропиках, западный перенос в умеренных поясах, ветра, направленные от полярных зон к умеренным областям. Возникновение ветров постоянного типа обусловлено соприкосновением областей тропического высокого, экваториального и умеренного низкого давления.
Сезонные потоки изменяют направленность в разные сезоны.
Существуют местные потоки, циркулирующие на ограниченной территории, оказывающие влияние на ее климат.
К постоянным ветрам относятся:
- Пассаты – постоянно существующие воздушные потоки, формирующиеся в тропических широтах. Устремлены к экватору.
- Западный перенос – постоянно господствует на территориях с умеренным климатом. Движется на восток.
Сезонные – муссоны. В зимние месяцы направлены с суши в океан, в летние – обратно. Формируются у восточного и юго-восточного берега Азии.
Интересные названия ветров местного уровня:
- Бризы – теплые ветры, меняющие направленность дважды в сутки, наблюдаемые на стыках суши и моря. В дневные часы несут свежесть с морского пространства, в ночные – уносят нагретый воздух с побережья. Иногда появляются на крупных озерах и водохранилищах.
- Бора – в летние месяцы теплый, в зимние – холодный поток, формирующийся в областях примыкания гор к морю (Средиземноморье, берега Черного моря). С высокой скоростью движется с горных склонов к воде.
- Фён – порывистый сухой горячий ветер, спускающийся с горных склонов в долины. Наблюдается в горных областях Евразии, Северной Америки. Порывы обусловлены значительным перепадом высот на небольшой дистанции движения.
- Самум – пустынный сухой поток, несущий с высокой скоростью огромное количество песка. Отмечается в песчаных пустынях Африки, на Аравийском полуострове.
- Сирокко – итальянское название ветра южной и юго-западной направленности, наблюдающегося над Средиземноморьем, Северной Африкой.
- Зефир – влажное теплое весенне-летнее течение, образующееся на востоке Средиземноморья.
- Суховей – горячий сухой воздушный поток, формирующийся над пустынными и степными зонами умеренного пояса.
- Зюйд – южное течение. Характеризуется постоянной направленностью на северном полюсе.
- Нордер – северный воздушный поток, возникающий в Мексиканском заливе.
- Хабуб – песчаная буря в Северной Африке, Аравии.
- Солано – сухой, несущий пыль ветер, неблагоприятный для человеческого организма, формирующийся над Испанией и Гибралтарским проливом.
- Хамсин – горячий шторм, дующий в Аравии 50 суток.
- Торнадо – североамериканский вид урагана, представляющий воронку, спускающуюся с облака на поверхность земли. Вращается с огромной скоростью, причиняет значительные разрушения. Также называется смерч. Редко наблюдается на прочих континентах.
- Калима – пыльная буря северо-восточной направленности, движущаяся на Канарские острова.
- Байамос – шквал, обрушивающийся на Малайский архипелаг, острова Карибского бассейна, несущий грозовые ливни.
- Близзард – буран в Канаде (аналогично в Сибири пурга).
- Джут – холодная воздушная масса, направленная из Сибири в Среднюю Азию, несущая морозы и бураны.
- Мистраль – интенсивный холодный сухой поток, дующий зимой и ранней весной из полярной зоны, проходящий по территории Франции.
- Леунг – холодное воздушное течение над побережьем Китая.
- Нагаи – холодная масса, дующая с севера на Японские острова.
Значение ветров нельзя переоценить: они формируют климат, используются для морских путешествий, некоторых спортивных состязаний, являются возобновляемым источником энергии. Ветряные мельницы уходят в прошлое, но сегодня многие цивилизованные страны переходят на добычу электроэнергии посредством ветровых установок.
- Вокруг погоды
- Занимательная метеорология
- Шкала Бофорта для оценки силы ветра
Шкала Бофорта для визуальной оценки силы (скорости) ветра
Шкала Бофорта — условная шкала для визуальной оценки силы (скорости) ветра в баллах по его действию на наземные предметы или по волнению на море. Была разработана английским адмиралом Ф. Бофортом в 1806 году и сначала применялась только им самим. В 1874 году Постоянный комитет Первого метеорологического конгресса принял шкалу Бофорта для использования в международной синоптической практике. В последующие годы шкала менялась и уточнялась. Шкалой Бофорта широко пользуются в морской навигации.
Сила ветра у земной поверхности по шкале Бофорта
(на стандартной высоте 10 м над открытой ровной поверхностью)