Открыть меню

Источники энергии – Воздушные течения (Ветер) в атмосфере

 

Источники энергии – Ветер Воздушный океан находится в непрерывном движении. Оно порождает на земном шаре все явления погоды. Главная причина движения воздуха — неодинаковое распределение атмосферного давления. Атмосферное давление не остается всегда одним и тем же — оно непрерывно изменяется: то повышается, то понижается, редко, правда, отклоняясь более чем на 50 мб от своей средней величины 1013 мб (на уровне моря).

Постараемся выяснить, почему меняется давление и почему оно неодинаково над разными частями земного шара. Солнечные лучи неодинаково обогревают земной шар, так как они под разными углами падают на земную поверхность. Больше всего тепла получает экватор, меньше всего — полюсы. Поэтому тропический пояс играет роль постоянного нагревателя атмосферы — здесь больше тепла получается от Солнца, чем отдается в мировое пространство. Полюсы — постоянные холодильники, непрерывно отдающие тепло, а получают они его сравнительно мало.

Между нагревателем и холодильником должно обязательно возникнуть движение воздуха. Проведем такой опыт. В два сосуда (А и Б), соединенных внизу и наверху трубками, нальем воду до уровня середины верхней трубки и затем один из сосудов (А) начнем нагревать, а другой (Б) обложим льдом. Вода в сосуде А расширится, и уровень ее станет выше, чем в сосуде Б; она потечет по верхней трубке из А в Б. Но тогда окажется, что общий вес и давление на дно всего столба воды в сосуде Б больше, чем в сосуде А, и по нижней трубке вода начнет течь из сосуда Б в А. Так между нагревателем и холодильником установится круговая циркуляция воды.

Этот опыт показывает, что течение направлено от места с более сильным давлением столба воды к месту с менее сильным давлением. Наверху более сильное давление совпадает с теплом, а внизу — наоборот, с холодом. Посмотрим, что же наблюдается в атмосфере. Если подсчитать за много лет среднее атмосферное давление на уровне, например, 10 км в северном полушарии, то самое высокое (для этого уровня) давление окажется на экваторе, самое низкое — на полюсе, а вдоль параллелей давление почти не меняется.

Карты воздушных течений

Обычно на географическую карту наносят величины давления для данного уровня и по этим величинам проводят линии одинакового давления — изобары (от греческих слов «изо» — равный, «барос» — тяжесть, вес). Средние изобары на уровне 10 км проходят почти точно вдоль параллелей: вдоль экватора располагается полоса самого высокого давления, и отсюда давление равномерно убывает к полюсам. Полюс находится в центре самого низкого давления. Таким образом, давление в атмосфере наверху распределяется так же, как и в верхних частях наших сосудов,— оно убывает от тепла к холоду.

Если посмотрим на карту среднего давления атмосферы для земной поверхности, полного совпадения с результатами нашего опыта мы уже не найдем. Действительно, на полюсе давление повышенное, а на экваторе — пониженное, но в промежутке между ними давление в среднем от экватора повышается к тропикам, затем понижается к умеренным широтам и вновь возрастает к полюсам. Изобары здесь уже вовсе не проходят по широтам, а замыкаются вокруг отдельных центров повышенного и пониженного! давления. Если же мы просмотрим ежедневные карты давления, то на всех уровнях (а особенно у земли) увидим крайне изменчивую день ото дня картину — движущиеся, образующиеся и вновь исчезающие центры высокого и низкого давления, которые не подчиняются никаким видимым порядкам и законам.

Обратимся теперь к воздушным течениям: подтверждают ли они наш опыт? Оказывается, что почти во всей толще атмосферы направление ветров идет вовсе не от высокого давления к низкому (перпендикулярно к изобарам), а вдоль изобар: в северном полушарии они оставляют высокое давление справа, а низкое — слева (по ходу движения потока), в южном полушарии — наоборот. Только в самом нижнем, приземном слое атмосферы поток отклоняется в сторону более низкого давления, и именно те ветры, которые мы непосредственно ощущаем, дуют под углом к изобарам. Причина этого — отклоняющее действие вращения Земли.

Отклоняющая сила вращения Земли

В повседневной жизни мы замечаем вращение Земли только по смене дня и ночи. Между тем вращение земного шара вокруг своей оси оказывает отклоняющее действие на все движущиеся тела. Это отклоняющее действие становится заметным только при очень длительных движениях по инерции, без действия слишком мощной движущей силы. К этому роду движений можно отнести перемещение воздуха в атмосфере, так как силы разности давления очень невелики и частице воздуха приходится проделывать большой путь из одних областей земного шара в другие.

Все направления на Земле мы привыкли определять по сторонам горизонта (на юг, на север и т. д.) и забываем о вращении меридианов и параллелей вместе с Землей. Наиболее наглядно это видно на полюсе, вокруг которого меридианы вращаются, как спицы вокруг оси колеса.

Именно на полюсе наиболее велика отклоняющая сила. Меридианы здесь за сутки совершают полный оборот на 360°. Чем ближе к экватору, тем меньше отклоняющая сила. В южном полушарии отклоняющая сила действует влево, а не вправо.

Под влиянием отклоняющей силы воздушный поток движется вдоль изобар. Почему именно так? Непрерывно действующая отклоняющая сила могла бы отклонять ветер все дальше и дальше вправо (в северном полушарии). Но когда ветер отклоняется от изобар вправо, он начинает дуть от низкого давления к высокому против действующей силы давления и эта сила вновь возвращает его к прежнему направлению вдоль изобар.

Основные течения воздушного океана

Воздух не может двигаться прямо от высокого давления к низкому из-за отклоняющей силы. Поэтому обмен теплом и холодом между различными частями земного шара сложен.

Меньше всего отклоняющая сила вблизи экватора: поэтому здесь меньше и разности давления, которые быстро выравниваются потоками, направленными почти прямо от высокого давления к низкому. Приблизительно с широты 25 — 30° отклоняющая сила настолько велика, что такие прямые потоки становятся невозможными. Вблизи тропиков наверху получается скопление масс воздуха, поступающего сравнительно свободно от экватора, но не имеющего возможности передвигаться дальше к полюсам.

Это скопление масс воздуха создает полосы повышенного давления вдоль тропиков в слое пять и более километров толщиной. Излишек поступающего наверх воздуха уравновешивается непрерывным оттоком воздуха в нижних слоях, от полосы повышенного давления к экватору, где ветер дует под углом к изобарам. Этот нижний ветер называется пассатом. Так между экватором и тропиками устанавливается своя система циркуляции, сходная со схемой нашего опыта: наверху поток от тепла к холоду, внизу — от холода к теплу.

Между тропиками и полюсом давление почти во всех слоях падает к полюсу и ветер дует с запада на восток, образуя огромный круговой вихрь вокруг Северного полюса. Именно из-за такого направления потока у нас погода почти всегда приходит с запада. Недаром народная примета говорит: «Теменца (облачность) на закате — будет дождь». Этот западный поток напоминает течение бурной горной речки с вихрями и водоворотами. Только при складывании всех ветров сказывается преобладание западного ветра; в действительности ветры непрерывно меняются.

 

В общем западном потоке образуются, движутся вместе с потоком и вновь исчезают круговые вихри, связанные с подвижными областями пониженного и повышенного давления. В северном полушарии воздух движется вокруг центра пониженного давления против направления вращения часовой стрелки (в южном полушарии направление вращения обратное); такой вихрь называется циклоном. Вихрь, вращающийся в противоположном направлении вокруг центра повышенного давления, называется антициклоном.

Эти движущиеся вихри возникают из-за неустойчивости верхнего западного потока. Когда поток наверху отклоняется от изобар, воздух начинает переходить через изобары или от высокого давления к низкому, или от низкого к высокому. Но в этом случае на той стороне, куда приходит воздух, увеличивается общая масса атмосферы и давление внизу растет, а на той стороне, откуда воздух оттекает, давление внизу уменьшается. Вот эти изменения давления и приводят к образованию циклонов и антициклонов.

Воздушные потоки, двигаясь вокруг центров циклонов и антициклонов, переносят тепло от низких широт к высоким и холод — от высоких к низким. Именно так и обмениваются тропики и полюсы теплом и холодом. Эти потоки сменяют друг друга, создавая всем нам хорошо известные резкие изменения температуры.

Циклоны, антициклоны и фронты

Циклоны — области по преимуществу пасмурной погоды с осадками, антициклоны — ясной сухой погоды. Как мы уже знаем, в самом нижнем слое атмосферы ветры дуют под углом к изобарам и воздух оттекает от высокого давления к низкому. Он стекается к центру циклона и здесь поднимается. В антициклоне наоборот: внизу воздух растекается от центра наибольшего давления, а на его место сверху опускается воздух, стекающийся наверху.

Когда воздух в циклоне поднимается и оказывается под меньшим давлением атмосферы, он расширяется, и температура его понижается. С понижением температуры водяной пар, содержащийся в воздухе, начинает конденсироваться, т. е. переходить в воду. В воздухе появляются мелкие водяные капли, образующие облака. В антициклоне при опускании воздух сжимается и нагревается, а все облачные капли испаряются. Такова основная причина различной погоды в циклонах и антициклонах.

Но неправильно было бы думать, что во всей области циклона небо сплошь затянуто облаками и идут непрерывные дожди. Если посмотреть на циклон сверху, из космического пространства, то окажется, что облачность в его зоне распределяется преимущественно в виде вытянутых полос, которые сходятся в центральной части циклона.

Длина этих полос достигает тысяч, а ширина — сотен километров. Распределение обла-ков показывает, что воздух поднимается не во всей области циклона, а в сравнительно узких его зонах. Эти зоны имеют особое значение для формирования погоды. Они не случайно называются атмосферными фронтами, так как, подобно военным фронтам, изображаются на карте погоды линией. Вдоль такой линии наблюдается резкий контраст температуры — здесь у земли непосредственно рядом находятся области как теплого, так и холодного воздуха. Выше от земли граница между теплым и холодным воздухом представляет почти горизонтальную поверхность, наклоненную под очень малым углом к земной поверхности: холодный воздух в виде клина расположен под этой поверхностью, а теплый воздух — над ней. Там, где фронтальная поверхность опускается до земли, находится линия фронта.

Фронт может оставаться неподвижным только при одном условии: если массы теплого и холодного воздуха текут, как бы скользя вдоль его поверхности, либо в одном и том же, либо в противоположных направлениях. Если воздушный поток направлен от теплого воздуха к холодному, то фронт перемещается в этом направлении, теплый воздух вытесняет и заменяет холодный. Такой фронт называется теплым, так как он приносит с собой всегда потепление. Теплый воздух движется быстрее холодного и вынужден восходить вверх по наклонной фронтальной поверхности; он как бы взбирается на спину отступающего холодного воздуха. Восходящий воздух охлаждается, в нем образуется целая система облаков, из которых в зоне шириной до 300—400 км выпадает дождь или снег. Характерная особенность этих облаков — они очень однородны, напоминают пелену и только в зоне осадков под ними образуются низкие разорванные облака плохой погоды. Теплый фронт дает наиболее устойчивую и продолжительную ненастную погоду, так как ширина зоны его осадков наиболее велика.

Наблюдали ли вы когда-нибудь, как приходит ненастье? Стоит ясный день, и вот у са-мого горизонта появляются малозаметные тонкие перистые облака. Они постепенно распространяются по всему небу. Солнце светит почти по-прежнему ярко, а небо остается голубым, хотя и утратило немного чистоту своей окраски. Вслед за перистыми облаками надвигается прозрачная вуаль перисто-слоистых облаков, солнце продолжает светить, но небо стало белесоватым. Вуаль уплотняется, солнце светит как сквозь масляную бумагу, небо белое и у горизонта даже сероватое: это — высокослоистая облачность, поверхность фронта над нами опустилась еще ниже. Теперь уже самый ненаблюдательный человек заметит, что погода ухудшается. Но вот падают первые редкие капли дождя. Дует холодный влажный ветер. Солнце скрывается за ровной серой пеленой облаков. Дождь усиливается; под пеленой слоисто-дождевых облаков несутся обрывки и клубы низких разорванно-дождевых облаков. Дождь идет несколько часов, а затем прекращается, воздух теплеет: теплый фронт прошел.

Если воздушный поток направлен от холодного воздуха к теплому, то, наоборот, холодный воздух вытесняет теплый. Такой фронт приносит похолодание и называется холодным. Отставание нижних слоев воздуха от верхних под влиянием трения о земную поверхность приводит к тому, что фронт «выпячивается» вперед и верхние слои обрушиваются вниз: холодный фронт приобретает форму катящегося вала. Вытесняемый прямо вверх теплый воздух быстро поднимается и образует гряду темных туч — кучево-дождевых облаков, из которых летом выпадают грозовые ливни, иногда с градом, зимой — шквалистый снегопад. Над более высокими частями фронтальной поверхности теплый воздух поднимается более плавно: здесь часто образуются облака и осадки, похожие на облака ненастья и обложные осадки теплого фронта.

Холодный фронт не предупреждает о своем приходе в отличие от теплого. Редко, когда перед ним образуются высококучевые облака в виде хлопьев или зерен чечевицы. Обычно на горизонте появляется сплошная гряда темных туч с белоснежными вершинами. Эта гряда быстро приближается, протягиваясь от одного края небосвода до другого. Становится видной нижняя рваная поверхность этой гряды, за которой виднеется сливающаяся темная стена дождя. Удары грома, молнии, порывы ветра, и ливень с градом забарабанил по крышам. Дождь становится обложным, потом постепенно ослабевает, прекращается, облачность разрывается.

Быстро холодает: холодный фронт прошел

Наиболее резко фронты выражены в циклонах, так как здесь нижние стекающиеся потоки сближают холодные и теплые массы воздуха, увеличивают температурные различия между ними. В антициклонах, наоборот, растекающиеся потоки ослабляют температурные контрасты, и поэтому фронты почти никогда не проходят через центры антициклонов.

Циклоны с фронтами и антициклоны непрерывно возникают в атмосфере, переносятся общим воздушным потоком (преимущественно с запада на восток), исчезают и возникают вновь. Они-то и определяют капризную изменчивость погоды, о которой говорилось в начале этой статьи. Иногда в течение целого месяца или даже сезона через какую-нибудь область непрерывно один за другим движутся циклоны с фронтами, выпадают осадки, стоит ненастная погода. Потом наступает период преобладания антициклонов и устанавливается ясная сухая погода.

Заблаговременное предсказание погоды — пока главное средство преодолевать вредное ее влияние на нашу жизнь и народное хозяйство. Понимание природы ветра, знание направлений и скорости ветра позволяют эффективнее развивать ветроэнергетику, качественнее использовать силу ветра, вырабатывая возобновляемую энергию. Энергия ветра плоха лишь своим непостоянством. Для нивелирования этого фактора важно надежное прогнозирование того, какой ветер ожидается: сильный, или слабый, северный, или южный, западный, или восточный, теплый, или холодный, сухой либо влажный.

Недалеко то время, когда мы сможем частично изменять погоду. Уже сейчас на неболь-ших территориях удается рассеивать облака или вызывать из них осадки. Можно надеяться, что упорная работа ученых подготовит новую эру, когда погода будет под-чинена человеку. Однако прогнозирование едва ли не важнее самой возможности менять погодные обстоятельства, потому что управлять природой без прогноза – крайне рискованно. Только гармоничное развитие прогнозных и технологических дисциплин позволит уверенно двигаться вперед по пути изменения климатических условий.


Просто о сложном – Источники энергии – Ветер

  • Галерея изображений, картинки, фотографии.
  • Ветер как источник энергии – основы, возможности, перспективы, развитие.
  • Интересные факты, полезная информация.
  • Зеленые новости – Ветер как источник энергии.
  • Ссылки на материалы и источники – Источники энергии – Ветер.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

© 2017 Чистая энергия · Копирование материалов сайта без разрешения и установки прямой обратной ссылки запрещено.