Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли, страница 7

Некоторое отклонение от горизонтального направления может быть связано с рельефом местности. Уместно заметить, что одна из важнейших характеристик ветра— его направление — указывается в предположении, что ветер дует в горизонтальном направлении. Например, говорят, что данный ветер юго-восточный. Это значит, что речь идет о горизонтальном воздушном потоке, движущемся с юго-востока. Этот ветер дует в направлении с юго-востока на северо-запад. Обратим внимание: ветер дует не на юго-восток, а с юго-востока. В названии ветра указывают не куда он дует, а откуда. Северный ветер дует с севера (ясно, что он направлен на юг). Западный ветер дует с запада (он направлен на восток).

Вторая важная характеристика ветра — скорость его движения относительно земной поверхности. Скорость ветра — это скорость потока воздуха и ее не следует путать с понятием «скорость молекул воздуха». Здесь необходимо сделать небольшую паузу и обратить внимание на то, что в метереологии атмосферный воздух рассматривают обычно так, как принято рассматривать газ или жидкость в гидродинамике (точнее сказать, в гидроаэромеханике), т. е. как сплошную среду. 36 Глава !.

циркуляция воздушных масс в атмосфере На первый взгляд представление газа в виде сплошной среды может показатъся неправомерным. Ведь в газе молекулы свободно движутся в различных направлениях, лишь изредка сталкиваясь друг с другом. Однако следует принять во внимание, что в обычных условиях в 1 мз атмосферного воздуха находятся в каждый момент времени порядка 10м молекул, что и оправдывает использование гидродинамического подхода. Понятно, что такой подход будет неправомерным в случае весьма сильного разрежения воздуха, например, в достаточно высоких слоях атмосферы, удаленных от земной поверхности на расстояние, превышающее несколько сотен километров. Следуя гидродинамическому подходу, будем пользоваться понятием частица воздуха, полагая, что каким бы малым не был объем этой частицы, внутри него будет находиться во всякий момент времени много молекул.

Отметим четыре основные физические характеристики частицы воздуха: скорость о, давление р, плотность р, температуру Т. Учитывая малость частицы, будем рассматривать указанные физические величины как величины, локализованные в пространстве, т. е. относящиеся к той или иной точке пространства, заполненного воздушной средой. Подчеркнем, что скорость о — это отнюдь не скорость той или иной молек лы, а скорость потока воздуха, в котором частицы воздуха (именго частицы воздуха, а не отдельные молекулы!) переносятся в некотором направлении. Можно сказать, что скорость ив это скорость частиц воздуха. Если потока воздуха нет (частицы воздуха не перемещаются), то о = О, хотя, конечно, сами молекулы ! родолжают хаотически двигаться. Обычно вместо понятия «скорость ветра» употребляют понятие «сила ветра».

Это понятие надо признать неудачным, поскольку оно относится к скорости частиц воздуха и не имеет никакого отношения к физической величине, называемой силой и измеряемой в ньютонах. Локальные физические характеристики атмосферного воздуха могут быть измерены с помощью соответствующих приборов, помещаемых в ту или иную точку пространства. Температуру измеряют с помощью термометров.

Для измерения давления можно воспользоваться мембранным манометром или ртутным барометром. Для измерения скорости воздушного потока или, иначе говоря, силы ветра применяют трубку Пито — Прандтля. 62 Хоиеекции и ветер Шкала Бофорта Ветрам разной силы присваивают специальные названия (например, легкий, свежий, крепкий, шторм, ураган). Измеряют силу ветра в баллах по условной ! 2-балльной шкале Бофорта. Ее предложил в 1806 г. английский гидрограф и картограф Френсис Бофорш (1774 — 1857). В приводимой здесь таблице представлена шкала Бофорта; в ней же приведены соответствующие значения скорости ветра.

Вблизи земной поверхности ветры имеют скорости, как правило, в интервале 4 — 8 м/с и довольно редко превышает 15 м/с. В штормах и ураганах скорости ветров могут превышать 30 м/с, а в отдельных порывах достигать 60 м/с. В тропических циклонах (тайфунах) скорости ветра доходят до 70 м/с, а отдельные порывы — до 100 м/с. Среднее значение скорости ветров вблизи земной поверхности составляет примерно 1О м/с. В верхней тропосфере скорости ветров существенно выше, чем вблизи земной поверхности. Линии тока Мы рассмотрели две характеристики ветра — направление и силу, правильнее сказать, скорость.

Под ветром, напомним, понимают движение воздушных масс, иначе говоря, воздушный поток. Скорость ветра есть скорость воздушного потока (точнее, скорость движения частиц воздуха в потоке). Обозначим через и(г) вектор скорости данной частицы воздуха в момент времени л Возникает естественный вопрос: нельзя ли сопоставить направление ветра в данный момент в данной точке воздушного потока с направлением вектора и, а скорость ветра с модулем этого вектора? Если движение воздушных масс турбулентное (частицы воздуха движутся неупорядоченно, хаотично), то в этом случае такое сопоставление, по сути дела, не годится. При турбулентном движении воздуха трудно или вообше невозможно говорить о каких-либо определенных направлении и скорости воздушного потока.

Иное дело, если воздушная масса движется ламинарно. В этом случае можно, в принципе, мысленно разбить всю массу воздуха на частицы и попытаться проследить, как ведет себя с течением времени та или иная частица. Такой способ описания движушихся жидкостей и газов разрабатывал в конце ХЧ)П в.

французский матема- 38 Глава 1. Циркуляция ваздушннк масс в атмосфере ~~ $ О Ю О. о й о 4 ь ь" ! и Ф О ч~ ч~ ! Ю Ю Ю и1 ь ь Ю ь" ! ь х о. о ш р о шо о й х ош с Л хЕ й~ Рх х Ы о о х лЕ И~О Б ~ Х о о ,3 т а Ф т о И хс о Б.ь Ихй Ерл 1оО Е5х О О О. 2 Я "о 4$ Яхх шйх Я М ~ и„: ш о р И ~Ц охо х И хух шо" о х ,в о о х й о Ф а д охл х х ~~ ~ "о ч ш ыхх Рш я х Д ш я о х х х о й Я о Д х К2.

о х Д Ф Ф о а о о т е1 х й иИ л ао 1ф л Й о о ч~ ! и~ ее О о 1О ю ее ! ее ее х х Х О .е я о л х 4 о )х Ри О а М х "а Рр Д' )х о 6 Л Д- $2 х ~О О. $ М О О м т о л От х О ~ о И х~ Й~ Д о о й л х о х х х й ! х о 9Й о о и во т" л оох Х о л оха х л е1 ли» 1 о т х ао ох й е. о ~ ~х О О 35 а'О х т о х Л х т Д о ц" мох Д х Я ххй т л о х отх мхта ~х о х ОХ Фй т Я о а ох а Конвекцил и оло о и .е" х х т т 6$1О х х Е й х о т о т о х о а Е ветер 39 40 Глава Л 1(иркуляция воздушных масс в атмосфере тик Жозеф Лаграязес (1736 — 1813). Можно, однако, поступить проще: сосредоточить внимание не на отдельных частицах, проходящих со временем через разные точки пространства, а на точках пространства, через которые с течением времени проходят разные частицы жидкости или газа.

Такой способ описания динамики жидкостей и газов предложил современник Лагранжа швейцарский математик и физик Пеонард Эйлер (1707 — 1783). Рассмотрение ламинарного движения жидкостей и газов по Эйлеру является сегодня общепринятым. Предположим, что в некоторый момент времени известны векторы скорости у частиц воздуха, оказавшихся в разных точках пространства. Представим себе, что пространство, занимаемое движу- шейся массой воздуха, заполнено такими векторами. Проведем мысленно в пространстве плавные линии таким образом, чтобы в каждой их точке касательная к линии имела направление вектора и в этой точке (рис. 1.12, а).

Эти линии называют линиями тока. Через каждую точку пространства можно провести линию тока; все пространство заполнено линиями тока. Разумеется, на рисунках, изображающих картины линий тока, видны лишь некоторые из этих линий. Рис. 1.12 Направления линий тока позволяют судить о направлении движения воздуха в том или ином месте пространства (о направлении ветра), а густота линий, измеряемая числом линий, пересекающих единичную поперечную площадку, говорит о том, насколько велика скорость движения воздуха (сила ветра) в соответствующем месте пространства.

Чем больше скорость, тем гуще располагаются линии КЗ Коивекцив и ветер 41 тока. Для примера на рис. 1.12, б показаны линии тока в воздушном потоке, распространяющемся по ущелью. Вблизи самого узкого места ущелья линии тока располагаются наиболее густо — там скорость ветра наибольшая. В общем случае распределение скоростей и частиц воздуха в пространстве может со временем изменяться. Соответственно будет изменяться со временем и картина линий тока. Ограничимся случаями, когда движение воздушных масс практически стациолариое (по крайней мере в течение нескольких часов, суток или дольше). Бризы и горно-долинные ветры Познакомимся с наиболее простой ячейкой атмосферной циркуляции на примере бризов.

Так называются ветры вблизи береговой линии моря или большого озера, имеющие резкую суточную смену направления. Днем бриз (его называют дневным или морским бризом) дует в направлении с моря на берег, а ночной (береговой) бриз дует в обратном направлении — с берега на море.

Рис. 1.13 На рис. 1.13, а показана замкнутая линия тока (ячейка аиьиосферной циркуляции), характеризующая направление движения во~ душных масс вблизи береговой линии в дневное время. Днем суша (берег) прогревается сильнее, чем поверхность воды; поэтому над 42 Глава П Циркуляция воздушних масс в атмосфере сушей плотность воздуха понижается, и воздух начинает подниматься вверх. Происходит конвекция воздуха; менее плотная воздушная масса всплывает над более плотной, В результате давление воздуха вверху над сушей возрастает, а у самой поверхности уменьшается.

Давление вблизи поверхности моря оказывается больше давления у поверхности суши — и с моря к берегу устремляется горизонтальный поток воздуха (дневной бриз). Соответственно на высоте поток воздуха движется в направлении от берега к морю, и таким образом возникает показанная на рис. 1.13, а ячейка атмосферной циркуляции. Дневной бриз является одним из элементов этой ячейки. Ночью реализуется обратная ситуация: суша быстрее охлаждается и становится холоднее поверхности моря. Внизу возникает перенос воздуха с берега на море (ночной бриз), а над ним появляется обратный воздушный поток.