Чому на землі дме вітер. Звідки береться вітер? Освіта і переміщення повітряних мас. Летить без крил і співає
Більше трьохсот років тому Галлей, відомий головним чином завдяки відкритій їм комети, запропонував пояснювати виникнення вітру дією сили Архімеда при перепаді температури: теплий і легкий повітря піднімається, важкий і холодний - опускається.
Міжнародна група дослідників, до якої увійшли співробітники Петербурзького інституту ядерної фізики, Запропонувала принципово новий фізичний механізм утворення вітру в земній атмосфері.
Потоки газів виникають при перепадах (градієнтах) тиску. Тиск повітря зменшується з висотою, утворюючи вертикальний градієнт тиску, однак він не створює вітру. Роботу, вироблену при русі повітря цим градієнтом тиску, в точності компенсує протилежна за знаком робота сили тяжіння, і повітря знаходиться в рівноважному стані.
Вологе повітря, піднімаючись, охолоджується, і водяна пара конденсується. Тому тиск водяної пари з висотою падає швидше, ніж цього вимагає умова рівноваги. При цьому робота, що здійснюються градієнтом тиску над вологим повітрям при його підйомі, в кілька разів перевищує роботу сили тяжіння, що діє на водяну пару. Саме ця різниця і створює вітер в земній атмосфері. Неравновесное вертикальний розподіл водяної пари можна порівняти із стислою пружиною, яка розпрямляється при підйомі вологого повітря, Приводячи його в рух. Тому конденсационная потужність, пов'язана з вертикальним підйомом повітря, відповідно до закону збереження енергії переводиться в потужність горизонтальних вітрів.
Потужність атмосферної циркуляції визначається локальною швидкістю конденсації і, отже, опадами. Кількісна оцінка потужності глобальної циркуляції повітря, отримана на основі нової теорії, прекрасно збіглася з накопиченими даними спостережень (про потужність вітрової циркуляції можна незалежно судити по піднаглядним горизонтальним градиентам тиску і швидкостей вітру).
В області конденсації виникає зона зниженого тиску, яка затягує повітря з прилеглих областей. На суші такі стійкі зони зниженого тиску створюються великими лісами: волога зберігається в лісовому грунті, випаровується з поверхні грунту і листя і конденсується над пологом лісу. При цьому виникає вітер, що приносить вологу з океану.
Найважливіше наслідок нового механізму формування вітру - переосмислення ролі лісів в перенесенні вологи з океану на сушу. Це перенесення компенсує річковий стік води назад в океан. Знищення лісів призводить до зневоднення і опустелювання суші і являє собою набагато більшу загрозу для клімату, ніж передбачає сучасна кліматологія (про це див. Також «Наука і життя» №).
Нова теорія викликала бурхливу дискусію в науковому співтоваристві. Стаття, відправлена \u200b\u200bв журнал «Atmospheric Chemistry and Physics» ( «Атмосферна хімія і фізика»), перебувала на рецензуванні більше двох з половиною років. В результаті редакційна колегія журналу прийняла до друку статтю, забезпечивши її коментарем редактора. У ньому підкреслюється, що публікацію «абсолютно нового погляду на рушійну силу атмосферної динаміки» слід розглядати як «заклик до подальшого розвитку» представлених авторами положень.
Переміщення повітря над поверхнею Землі в горизонтальному напрямку називається вітром. Вітер завжди дме з області високого тиску в область низького.
вітер характеризується швидкістю, силою і напрямком.
Швидкість і сила вітру
Швидкість вітру вимірюється в метрах в секунду або в балах (один бал приблизно дорівнює 2 м / с). Швидкість залежить від баричного градієнта: чим більше баричний градієнт, тим вище швидкість вітру.
Від швидкості залежить сила вітру (табл. 1). Чим більше різниця між сусідніми ділянками земної поверхні, Тим сильніше вітер.
Таблиця 1. Сила вітру в земної поверхні за шкалою Бофорта (на стандартній висоті 10 м над відкритою рівною поверхнею)|
бали Бофорта |
Словесний визначення сили вітру |
Швидкість вітру, м / с |
дія вітру |
|
|
Штиль. Дим піднімається вертикально |
Дзеркально гладке море |
|||
|
Напрямок вітру помітно але відносяться диму, але не по флюгеру |
Брижі, чітко виражені хвилі |
|||
|
Рух вітру відчувається на обличчі, шелестить листя, приводиться в рух флюгер |
Короткі хвилі, гребені не здаються склоподібним |
|||
|
Листя і тонкі гілки дерев весь час колишуться, вітер розвіває верхні прапори |
Добре розвинені в хвилі. Гребені, склоподібним піну, зрідка утворюються маленькі білі баранці |
|||
|
помірний |
Вітер піднімає пил і папірці, приводить в рух тонкі гілки дерев |
Хвилі подовжені, білі баранці видно в багатьох місцях |
||
|
Гойдаються тонкі стовбури дерев, на воді з'являються хвилі з гребенями |
Добре розвинені в довжину, але не дуже великі хвилі, всюди видно білі баранці (в окремих випадках утворюються бризки) |
|||
|
Гойдаються товсті гілки дерев, гудуть телеграфні дроти |
Хвилі подовжені,. Білі пінисті гребені займають значні плошали (вірогідні бризки) |
|||
|
Гойдаються стовбури дерев, йти проти вітру важко |
Хвилі громадяться, гребені зриваються, піна лягає смугами за вітром |
|||
|
дуже міцний |
Вітер ламає гілля дерев, йти проти вітру дуже важко |
Помірно високі довгі хвилі. По краях гребенів починають злітати бризки. Смуги піни лягають рядами по напряму вітру |
||
|
Невеликі пошкодження; вітер зриває димові ковпаки і черепицю |
Високі хвилі. Піна широкими щільними смугами лягає за вітром. Гребені хвиль починають перекидатися і розсипатися в бризки, які погіршують видимість |
|
Сильний шторм |
Значних руйнувань будівель, дерева вириваються з коренем. На суші буває рідко |
Дуже високі хвилі з дліннимізагібающіміся вниз гребенями. Утвориться піна видувається вітром великими пластівцями у вигляді густих білих смуг. Поверхня моря біла від піни. Сильний гуркіт хвиль подібний ударам. видимість погана |
||
|
жорстокий шторм |
Більшість руйнувань на значному просторі. На суші спостерігається дуже рідко |
Винятково високі хвилі. Суду невеликого і середнього розміру часом залишаються прихованими. Море все вкрите довгими білими пластівцями піни, що розташовуються за вітром. Краї хвиль скрізь здуваються в піну. видимість погана |
||
|
32,7 і більше |
Повітря наповнене піною і бризками. Море все вкрите смугами піни. Дуже погана видимість |
шкала Бофорта - умовна шкала для візуальної оцінки сили (швидкості) вітру в балах по його дії на наземні предмети або за хвилювання на морі. Була розроблена англійським адміралом Ф. Бофортом в 1806 р і спочатку застосовувалася лише їм самим. У 1874 р Постійний комітет Першого метеорологічного конгресу прийняв шкалу Бофорта для використання в Міжнародній синоптичної практиці. У наступні роки шкала змінювалася і уточнювалася. Шкалою Бофорта широко користуються в морській навігації.
Напрямок вітру
Напрямок вітру визначається по тому боці горизонту, з якої він дме, наприклад, вітер, що дме з півдня, - південний. Напрямок вітру залежить від розподілу тиску і від відхиляє дії обертання Землі.
на кліматичної карті панівні вітри показані стрілками (рис. 1). Вітри, які спостерігаються у земної поверхні, дуже різноманітні.
Ви вже знаєте, що поверхня суші і води нагрівається по-різному. У літній день поверхню суші нагрівається сильніше. Від нагрівання повітря над сушею розширюється і стає легше. Над водоймою в цей час повітря холодніше і, отже, важче. Якщо водойма порівняно великий, в тихий спекотний літній день на березі можна відчути легкий вітерець, що дме з води, над якою вище, ніж над сушею. Такий легкий вітерець називають денним бризом (Від франц. Brise - легкий вітер) (рис. 2, а). Нічний бриз (рис. 2, б), навпаки, дме з суші, так як вода охолоджується набагато повільніше і повітря над нею тепліше. Брізи можуть виникати і на узліссі. Схема бризів представлена \u200b\u200bна рис. 3.
Мал. 1. Схема розподілу панівних вітрів на земній кулі
Місцеві вітри можуть виникати не тільки на узбережжі, а й в горах.
Фён - теплий і сухий вітер, що дме з гір в долину.
Бора - поривчастий, холодний і сильний вітер, що з'являється, коли холодне повітря перевалює через невисокі хребти до теплого моря.
Муссон
Якщо бриз змінює напрямок два рази на добу - вдень і вночі, то сезонні вітри - мусони - змінюють свій напрямок два рази на рік (рис. 4). Влітку суша швидко прогрівається, і тиск повітря над її поверхнею падає. У цей час більш прохолодне повітря починає переміщатися на сушу. Взимку - все навпаки, тому мусон дме з суші на море. Зі зміною зимового мусону на літній відбувається зміна сухої малохмарною погоди на дощову.
Дія мусонів сильно проявляється в східних частинах материків, де з ними сусідять величезні простори океанів, тому такі вітри часто приносять на материки рясні опади.
Неоднаковий характер циркуляції атмосфери в різних районах земної кулі визначає різницю в причинах і характері мусонів. В результаті розрізняють внетропические і тропічні мусони.
Мал. 2. Бриз: а - денний; б - нічний
Мал. 3. Схема бризів: а - днем; б - вночі
Мал. 4. Мусони: а - влітку; б - взимку
позатропічні мусони - мусони помірних і полярних широт. Вони утворюються в результаті сезонних коливань тиску над морем і сушею. Найбільш типова зона їх поширення - далекий Схід, Північно-Східний Китай, Корея, в меншій мірі - Японія і північно-східне узбережжя Євразії.
Тропічні мусони - мусони тропічних широт. Вони обумовлені сезонними відмінностями в нагріванні і охолодженні Північної і Південної півкуль. В результаті зони тиску зміщуються по сезонах щодо екватора в ту півкулю, в якому в наразі літо. Тропічні мусони найбільш типові і стійкі в північній частині басейну Індійського океану. Цьому значною мірою сприяє сезонна зміна режиму атмосферного тиску над Азіатським материком. З південноазіатського мусонами пов'язані корінні особливості клімату цього регіону.
Освіта тропічних мусонів в інших районах земної кулі відбувається менш характерно, коли чіткіше виражається один з них - зимовий або літній мусон. Такі мусони відзначаються в Тропічній Африці, в північній Австралії і в приекваторіальних районах Південної Америки.
Постійні вітри Землі - пасати і західні вітри - залежать від положення поясів атмосферного тиску. Так як в екваторіальному поясі переважає низький тиск, а біля 30 ° с. ш. і ю. ш. - висока, у поверхні Землі протягом усього року вітри дмуть від тридцятих широт до екватора. Це пасати. Під впливом обертання Землі навколо осі пасати відхиляються в Північній півкулі на захід і дмуть з північного сходу на південний захід, а в Південному вони спрямовані з південного сходу на північний захід.
Від поясів високого тиску (25-30 ° с. Ш. І ю. Ш.) Вітри дмуть не тільки до екватора, але і в сторону полюсів, так як у 65 ° с. ш. і ю. ш. переважає низький тиск. Однак внаслідок обертання Землі вони поступово відхиляються на схід і створюють повітряні потоки, що переміщаються із заходу на схід. Тому в помірних широтах переважають західні вітри.
вітер. Таке звичне і буденне явище. Кожна людина відчуває цю стихію до сотні разів за день. Та чи кожен розуміє і може пояснити суть цього явища?
Відповідно до загальноприйнятих визначень, вітер - це рух повітряних мас в горизонтальному напрямку. Тут все просто і зрозуміло. більш цікаве питання: Чому ці самі повітряні маси рухаються і що змушує їх це робити, простіше кажучи,
У глобальному масштабі на освіту вітру впливають 3 тісно пов'язаних фактора:
- Різниця в температурі між різними частинами атмосфери і суші.
- Різниця в тиску між різними точками атмосфери.
- сила Коріоліоса - сила породжувана обертанням Землі навколо своєї осі.
Другий фактор (різниця в тиску) є прямим наслідком першого фактора - тиск в різних точках атмосфери неоднаково, тому що ці точки мають різну температуру.
У теплих ділянках атмосфери повітря має меншу вагу, оскільки його молекули з ростом температури далі і далі відштовхуються одна від одної - відповідно тиск тут низька. У холодних місцях відбуваються зворотні процеси - молекули повітря прагнуть максимально зблизитися один з одним через що повітря стає важче і тиск чиниться їм на атмосферу зростає.
Так і виникає вітер - повітряні маси із зони високого тиску рухаються в зону низького тиску, як би заповнюючи порожнечі в атмосфері. Щоб зрозуміти як і чому це відбувається уявіть собі таку картину: деякий водойму порівну розділений греблею, причому рівень води з одного боку становить 40 метрів, а з іншого - 60 м. Якщо відкрити шлюзи греблі, вода моментально вийде з тієї частини, де рівень води вище (тобто звідти де вище тиск) в іншу, і буде надходити поки рівень води в обох частинах не зрівняли.
формування урагану
Як вже говорилося, всі 3 фактора впливають на освіту вітру тільки в масштабі всієї планети. Так сила Коріоліоса причетна до формування глобальних планетарних вітрів - мусонів і пасатів, які дмуть на протязі до 6 місяців. А ось для локальних (місцевих) вітрів достатньо присутності лише одного утворить фактора - різниці температур (надалі - різниці тисків).
Вітри грають виняткову роль як для всієї планети, так і для людської цивілізації. Саме вітер колись розніс насіння перших рослин по всьому світу. Вітри формували рельєфи, з одних земель вони робили пустелі, а з інших - родючі "оазиси". Саме завдяки вітру людина змогла швидко долати великі відстані по морю, що сприяло розвитку торгівлі і наук, а також зародженню міжнародних відносин. А вже завтра величезна і безмежна сила вітру може стати для людини основним джерелом енергії.
Рухомий в певному напрямку. На інших планетах він представляє собою масу властивих їх поверхні газів. На Землі вітер рухається переважно горизонтально. Класифікація, як правило, здійснюється відповідно до швидкості, масштабом, типами сил, їх викликають, місць розповсюдження. Під впливом потоків знаходяться різні природні явища і погода. Вітер сприяє переносу пилу, насіння рослин, сприяє переміщенню літаючих тварин. Але як з'являється спрямований повітряний потік? Звідки дме вітер? Від чого залежить його тривалість і сила? І взагалі, чому вітри дмуть? Про це та багато іншого - далі в статті.
Класифікація
В першу чергу вітри характеризують по силі, напрямку і тривалості. Поривами вважаються сильні і короткочасні переміщення (до декількох секунд) повітряних потоків. Якщо дме сильний вітер середньої тривалості (приблизно хвилину), то його називають шквалом. Більш тривалі повітряні потоки називають відповідно до їх силою. Так, наприклад, легкий вітер, що дме на узбережжі, - це бриз. Є ще тайфун, Тривалість вітрів може бути також різною. Деякі тривають кілька хвилин, наприклад. Бриз, що залежить від перепаду температур на поверхні рельєфу протягом доби, може тривати до декількох годин. Місцева і загальна циркуляція атмосфери складаються з пасатів і мусонів. Обидва цих типу відносяться до категорії "глобальних" вітрів. Мусони викликані сезонними змінами в температурі і мають тривалість до кількох місяців. Пассат - це постійно переміщаються. Вони обумовлені різницями температур на різних широтах.
Як пояснити дитині, чому дме вітер?
Для дітей в ранньому віці це явище представляє окремий інтерес. Дитина не розуміє, де утворюється потік повітря, через що в одному місці він є, а в іншому - ні. Досить просто пояснити малюку, що взимку, наприклад, дме холодний вітер з-за низької температури. Як же відбувається цей процес? Відомо, що повітряний потік являє собою масу молекул газів атмосфери, спільно переміщаються в одному напрямку. Невеликий за обсягом повітряний потік, обдуваючи може свистіти, зривати шапки з перехожих. Але якщо маса газових молекул має великий обсяг і шириною в кілька кілометрів, то вона може покрити досить велику відстань. У закритих приміщеннях повітря практично не переміщається. І про його існування можна навіть і забути. Але якщо виставити, наприклад, руку з вікна автомобіля, що рухається, то можна шкірою відчути повітряний потік, його силу і тиск. Звідки дме вітер? Рух потоку здійснюється внаслідок різниці тиску в різних ділянках атмосфери. Розглянемо цей процес більш докладно.
Різниця атмосферного тиску
Так чому дме вітер? Для дітей краще привести в приклад греблю. З одного боку висота стовпа води, наприклад, три, а з іншого - шість метрів. При відкритті шлюзів вода перетече в ту ділянку, де її менше. Приблизно те ж саме відбувається і з повітряними потоками. В різних частинах атмосфери тиск різному. Це обумовлено різницею в температурі. У теплому повітрі рух молекул здійснюється швидше. Частинки прагнуть розлетітися один від одного в різні боки. У зв'язку з цим тепле повітря більше розряджений і важить менше. В результаті тиск, який в ньому створюється, знижується. Якщо ж температура знижена, то молекули утворюють більш тісні скупчення. Повітря, відповідно, важить більше. Тиск при цьому підвищується. Аналогічно воді, повітря має властивість перетікати з однієї зони в іншу. Так, потік переходить з ділянки з підвищеним тиском в область зі зниженим. Ось чому вітри дмуть.
Рух потоків біля водойм
Чому вітер дме з моря? Розглянемо приклад. У сонячний день промені прогрівають і берег, і водойма. Але вода нагрівається набагато повільніше. Це пов'язано з тим, що поверхневі теплі шари негайно починають змішуватися з більш глибокими, і тому холодними шарами. А ось берег нагрівається набагато швидше. І повітря над ним більш розряджений, а тиск, відповідно, нижче. Атмосферні потоки спрямовуються від водойми до берега - в більш вільну область. Там вони, нагріваючись, піднімаються вгору, знову звільняючи місце. Замість них з'являється знову прохолодний потік. Ось так відбувається циркуляція повітря. На пляжі відпочивальники можуть періодично відчувати легкий прохолодний вітерець.
значення вітрів
З'ясувавши, чому вітри дмуть, слід сказати про те, який вплив вони надають на життя на Землі. вітер має велике значення для людської цивілізації. Вихрові потоки надихали людей на створення міфологічних творів, розширювали торговий і культурний діапазон, впливали на історичні явища. Вітри також виступали в якості постачальників енергії для різних механізмів і агрегатів. За рахунок руху потоків повітря отримали можливість долати значні відстані по океанах і морях, а повітряні кулі - по небу. для сучасних літальних апаратів вітри мають велике практичне значення - вони дозволяють економити паливо і збільшувати Але слід сказати, що повітряні потоки можуть приносити і шкоду людині. Так, наприклад, з-за градієнтних коливань вітру може бути втрачений контроль над керуванням літака. У невеликих водоймах швидкі повітряні потоки і викликані ними хвилі можуть зруйнувати будівлі. У багатьох випадках вітри сприяють збільшенню масштабу пожежі. В цілому, явища, пов'язані з утворенням повітряних потоків, різними способами впливають на живу природу.
Глобальні ефекти
У багатьох районах планети переважають повітряні маси, що володіють певним напрямком руху. В районі полюсів, як правило, переважають східні, а в помірних широтах - західні вітри. При цьому в тропіках повітряні потоки приймають знову східний напрямок. На кордонах між даними зонами - субтропічному хребті і полярному фронті - розташовані так звані області затишшя. Переважаючі вітри в цих зонах практично відсутні. Тут рух повітря здійснюється головним чином вертикально. Це пояснює появу зон високої вологості (біля полярного фронту) і пустель (близько субтропічного хребта).
тропіки
У цій частині планети в західному напрямку дмуть пасати, наближаючись до екватора. За рахунок постійного переміщення цих повітряних потоків відбувається перемішування атмосферних мас на Землі. Це може проявлятися в значних масштабах. Так, наприклад, пасати, що переміщаються над Атлантичним океаном, Переносять пил з африканських пустельних територій в Вест-Індію і деякі райони Північної Америки.
Локальні ефекти формування повітряних мас
З'ясовуючи, чому вітри дмуть, слід сказати і про вплив наявності тих чи інших географічних об'єктів. Одним з локальних ефектів формування повітряних мас вважається температурний перепад між не дуже віддаленими ділянками. Він може бути спровокований різними коефіцієнтами поглинання світла або різної теплоємністю поверхні. Найсильніше останній ефект проявляється між і сушею. В результаті виникає бриз. Ще одним локальним фактором, що представляє важливість, є присутність гірських систем.
вплив гір
Ці системи можуть являти собою якийсь бар'єр на шляху руху повітряних потоків. Крім цього, гори в багатьох випадках самі викликають ветрообразованіе. Повітря над взгорьямі прогрівається сильніше, ніж атмосферні маси над низовинами на тій же висоті. Це сприяє формуванню зон зниженого тиску над гірськими хребтами і ветрообразованію. Даний ефект часто провокує появу гірничо-долинних атмосферних рухомих мас. Такі вітри переважають в областях з пересіченою місцевістю.
Підвищення тертя у долинною поверхні призводить до відхилення паралельно спрямованого повітряного потоку на висоту розташованих поруч гір. Це сприяє формуванню струминного висотного течії. Швидкість цього потоку може перевищувати силу навколишнього вітру до 45%. Як було вище сказано, гори можуть виступати в якості перешкоди. При обході ланцюга потік змінює свій напрямок і силу. Перепади в гірських хребтах істотно впливають на рух вітру. Наприклад, якщо в гірського ланцюга, яку долає атмосферна маса, є перевал, то потік проходить його з помітним збільшенням швидкості. В цьому випадку працює ефект Бернуллі. Необхідно відзначити, що навіть незначні перепади висот викликають коливання Через істотне градієнта швидкості повітря потік стає турбулентним і продовжує таким залишатися навіть за горою на рівнині на певній відстані. Такі ефекти представляють в деяких випадках особливого значення. Наприклад, вони важливі для літаків, що здійснюють зліт і посадку на гірських аеродромах.
