Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 69

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 69)

6, а при слабом — к очень медленному отрыву и закручиванию периферийного слоя, вследствие чего возникает либо квадратная, либо не ориентированная структура. Это опровергает старую ццею, полученную из лабораторных экспериментов над дымом, находящимся в относительном движении между стеклами, которая заключается в том, что ячейки вытянуты в продольном направлении, когда сдвиг потока большой, и в перпендикулярном, когда он мал. Не очевидно, что в тонких слоях альтокумулюсов вообще встречаются валки, 379 СВОБОД> сан КОНВЕКЦИЯ В СУХОЙ АТМОС'ЬЕРЕ ориентированные в продольном направлении; чтобы они образовались, необходима, по-видимому, жесткая граница, Часто предполагается, что тени от облачных улиц над сушей вызывают неравномерный нагрев земли, что вызывает новые восходящие потоки с освещенных солнцем площадей.

Это может вызывать поперечную миграцию улиц, что часто и наблюдается. Такое явление менее вероятно над морем, где солнечное освещение несущественно влияет на процессы, имеющие малый временнбй масштаб. Когда ветер, а следовательно, и сдвиг ветра отсутствуют, малые конвекционные облака изолированы и распределены равномерно, если подстилающая поверхность однородна. 9.8.2. Шлейфы и гряды Отдельные шлейфы облаков часто формируются с подветренной стороны от какого-либо крупного препятствия или ис- Рнс. 99ЬЗ.

Раавнтне термнка, оторвавшегося от неусто>>чнвого слоя нв-ая не- ровности ка нолстнаающеа новеркностн, точника тепла. На рис. 9.8.3 изображено конвективное движение, которое, как и термини, начинается из слоя с неустойчивой стратификацией, расположенного у земли. Горизонтальное течение, проходя над возвышенностью, выталкивает вверх часть этого слоя. Таким же образом может создавать гряду коивективных облаков со своей подветренной стороны крупный источник тепла, такой, как металлургический завод с большими выбросами шлака, или неостывшее озеро осенью под порывами холодного ветра. Острова В океане могут вызывать сходное явление, но обычно они порождают шлейф циррусов: воздух в нижнем слое движется медленно, так что остров, освещенный солнцем, оказывается непрерывным источником тепла, и находящиеся на высоте примерно 1О км и более облака с наковальнями уносятся сильным ветром.

Зти шлейфы хорошо видны ГЛАВА В на спутниковых снимках; по ним можно делать оценки скорости ветра. Небольшое кучевое облако, появляющееся на вершине восходящей части термика и зависящее от процессов, происходящих ниже, иногда состоит, по-видимому, из серии терников, исходящих из источника, движущегося в том же направлении, что и облако, но медленнее его. На рис.

9.8.4 показано, как в потоке со сдвигом ветра, когда теплый воздух поднимается из сверхадиабатического слоя, с наветренной стороны термика господствующим оказывается нисходящий поток. Сдвиг ветра л1пилгллил Прарилм шптлкшпельло земли Рис. Р.вм.

Нисходящий поток вблизи восходящего потока, атарвавщегосн от подстилающей поверхности, прв усилении ветра с высотой. фропт нисходящща потока имеет большую горизонтальную скорость. чем мслленао двн. жущнбся теплыя возлух вблилз земпоб па. нсрхности, В результате писходящнв поток захватывает этот тситыа воздух, полпнтыная кучевые облака свсжнмн тсрмихами. бзузокт жтсиоулизсло пазпопа вынуждает холодный воздух опускаться к земле, который, перемещаясь под углом к горизонту, захватывает находящийся у поверхности земли теплый воздух, движущийся более медленно. Таким образом, термики появляются в точках, скорость перемещения которых больше, чем в слое у поверхности земли, и меньше, чем в облачном слое.

Облака такого рода, показывающие движение термиков, поднимающихся а потоке со сдвигом, изображены па рис. 9.5.1 и 11.5.4. 9.8.3. Источники тепла Источники термиков хорошо известны; некоторые из них описаны выше в равд. 9.8.2. Другие возникают вследствие различий в свойствах подстилающей поверхности. Спелые колосья могут аккумулировать теплый воздух, который потом уносится порывами холодного ветра, пригибающими колосья к земле.

Зеленая растительность, наоборот, остается холодной за счет испарения воды, так что является источником скорее скрытого, чем явного тепла. Поэтому вблизи от нее открытая сухая земля, скалы, бетон или песок могут порождать термики. Излюбленными для планеристов являются источники, защищенные от ветра; предполагается, что на подветренной стороне леса или скал генерируется теплый объем медленно движущегося воздуха, который становится горячее окружения, поскольку меньше рассеивает тепло вверх за счет турбулентности, СВОЕОДНЛЯ КОНВЕКЦИЯ В СУХОИ ЛТМОСФЕРЕ 38! чем быстро движущееся окружение.

Поэтому такой источник время от времени порождает дискретные порции воздуха, обладающего плавучестью, которые поднимаются вверх в виде термиков. 9.8.4. Конвекция за счет вращения В пустыне подстнла|ощая поверхность иагрета сильно, по сохраняет тепло очень плохо. Большая часть этого тепла расходуется на длинноволновое излучение поверхности, которое поглощается и рассеивается в нижнем слое атмосферы толщиной в несколько метров, преимущественно за счет водяного пара.

Вследствие этого образуется неустойчивый слой, часто глубиной в десятки и даже сотни метров, без ярко выраженного источника термиков на поверхности земли. Как только термик поднимается, холодный воздух опускается к подстилающей поверхности, и она существенно охлаждается, так как сильно нагрет только ее верхний слой толщиной в несколько миллиметров. Воздух в пустотах между песчинками делает песок очень эффективным теплоизолятором.

Поэтому уже на глубине нескольких сантиметров от поверхности суточные вариации температуры незначительны в противоположность изменениям температуры непосредственно на поверхности, которые имеют порядок 50'С. В таких условиях за одним тсрмиком не следует другой, подпитывающий его, и развитие больших термиков сильно тормозится. Отсюда ясно, что любая система, способная получать тепло с поверхности по мере движения иад ней, может существовать и даже расти. Такой системой является, например, песчаный смерч. Вращение начинается из-за появления горизонтального сдвига ветра, обусловленного различием в шероховатости для отдельных участков подстилающей поверхности.

Конвергенция вызывает растяжение вихревых линий в вертикальном направлении и интенсификацию вращения, В результате, как это описано в равд. 3.8, образуется вторичное течение, так что по мере движения системы в нее непрерывно поступает тепло с подстилающей поверхности, преимущественно с той стороны, где таигепциальная скорость совпадает с направлением ветра. Поэтому вращающийся циклопально песчаный смерч движется вправо по отношению к ветру (рис. 9.8.5). Песчаный смерч в подходящей ситуации может остаться стационарным.

Имеется описание песчаного смерча, образовавшегося из куч песка, привезенного самосвалами для строительства плотины. Суинн (Виллис, 1953, стр. 78) дает красочное описание песчаного смерча в Египте, включая появление зоны низкого давления в центральной его части. Эта зона создается либо центробеж- ГЛАВА 9 иым движением частиц, либо тем, что воздух вблизи оси, втягиваемый в вихрь сверху, обычно холоднее и свободен от пыли.

С другой стороны, иногда полагают, что пыль поглощает достаточное количество солнечного тепла для того, чтобы нагреть окружающий воздух. Это может быть верно для пыльного смерча высотой в несколько сот футов, так как пыль такого смерча находится в воздухе в течение нескольких минут, и не содержащий пыли воздух В ядре вихря должен быть холоднее. Механизм возникновения песчаного смерча в общих чертах понят, но многие детали остаются неясными и не поддающимися описанию даже в рамках более тонкой теории. Сущест- Ветер Л--~-(- Г--~- ~- В Вид еаерту а Рис.

9.8.5. Движение в песчаном смерче. Основание смерча перемещается вместе с ветром, а также в папрвалевнн стороны, двнжуптейся вперед. Иногда в центре песчаного омер га пасется ннскодящнй поток, особенно есян система то.тько что обрааоввнась н не очень высока. вует большое разнообразие в относительном влиянии вкладов поверхпостного трения, теплопроводности и конвективного переноса тепла к воздуху как от горячей пыли, так и от топкого слоя горячего воздуха толщиной в несколько миллиметров, который до прихода Ветра от вихря был почти неподвижным. Смерчи могут быть высотой от нескольких десятков сантиметров до нескольких сот метров. Иногда они могут достигать слоя конденсации и иметь облако на вершине (Айвз, 1947).

Такие смерчи теперь легко поддаются объяснению, но для отсталых народов они до сих пор ассоциируются с чудом. 9.8.5. Анабвтический ветер Название анабатического (восходящего) дано ветру, который рождается в ложбинах, прогреваемых солнцем. Наиболее благоприятными для его развития являются условия, когда воздушная масса над ложбиной устойчиво стратифицироваиа.

Это препятствует нагретому воздуху подниматься высоко пад подстилающей поверхностью, так что он, растекаясь по ложбине, продолжает нагреваться. Часто восходящее течение оста- 383 СВОБОДНАЯ КОНВЕКЦИЯ В СУХОИ АТМОСФЕРЕ павливается у границы снежного покрова, выше которой поверхность отражает солнечные лучи и остается холоднее окружающего воздуха. Над этой поверхностью может существовать Рис.

Характеристики

Список файлов книги