Развитие планирующих систем или как появился параплан (стр. 13 из 41)

Как уже говорилось, воздушное давление в атмосфере Земли зависит от высоты. Чем высота больше, тем давление меньше и наоборот. На этом принципе работают все (или почти все) высотомеры, используемые пилотами. Если связать это с изложенным выше, то получится следующее:

Когда воздух поднимается, его давление уменьшается, воздух расширяется, остывает, плотность его уменьшается. И наоборот, снижаясь, увеличивается давление, плотность и температура.

Нельзя однозначно сказать, что более холодный воздух имеет меньшую плотность, а более теплый - большую. Однако однозначно, что при расширении или сжатии температура воздуха изменяется. Процесс, когда изменяется температура без отдачи или поглощения тепла называется адиабатическим.

Вода постоянно и сильно влияет на погоду, так как она занимает большие площади и присутствует в воздухе в качестве паров и как облака. Полное количество водяных паров, находящихся в атмосфере, более чем в 6 раз превышает количество воды во всех реках земного шара! Водяные пары образуются из открытых водоемов, и туда же возвращаются.

Водяные пары - это газообразная фаза воды, а облака состоят из мельчайших капелек воды, которые конденсируются из пара. Условие образование облаков из пара называется точкой росы. Точка росы для данной порции воздуха дается как температура, и зависит от его влажности.

Абсолютная влажность измеряется как количество паров воды в данном объеме воздуха (г/м³). Она изменяется от 1/10000 до 1/40 в зависимости от испарений и температуры. Относительная влажность измеряется в процентах как отношение фактического содержания водяных паров в воздухе к максимально возможному при данной температуре. В теплом воздухе может содержаться больше водяных паров, чем в холодном. Поэтому, при одной и той же абсолютной влажности, у теплого будет меньшая относительная. Следовательно, относительную влажность воздуха можно увеличить путем его охлаждения. Если воздух остыл достаточно и его относительная влажность приближается к 100%, то начинают формироваться облака. Температура, до которой остыл этот воздух, называется точкой росы.

Зимой холодный воздух всегда более близок к насыщению, чем летом, потому, что он может растворить меньшее количество паров. Поэтому зимой, в основном, большее количество облаков, более быстрое выпадение осадков и более низкая база облаков.

Свойства водяных паров подниматься и расширяться, обмениваясь теплом с атмосферой очень важны для погодных процессов. Каждая тонна воды в процессе конденсации выделяет почти 600 000 Ккал. Эта энергия является главной движущей силой грозовых фронтов, ураганов, штормов и других процессов, связанных с сильными ветрами.

Влажный воздух легче сухого, как это ни парадоксально звучит. Вес водяных паров составляет около 5/8 от веса сухого воздуха (два атома водорода и один атом кислорода сравнимы по массе с двумя атомами азота или двумя атомами кислорода). В результате влажный воздух поднимается над сухим. Это свойство важно для прогрессирования термической и грозовой активности.

Солнечное тепло

Солнечное тепло - одна из двух причин движения воздуха в атмосфере (вторая - гравитация). Солнечная радиация не нагревает воздух сама по себе, она нагревает землю, которая передает тепло нижним слоям атмосферы. Большая ее часть проходит сквозь воздух. То, что останавливается в воздухе, нагревает его только на 0.2 - 0.5 градуса

Цельсия за день в зависимости от количества водяных паров и загрязнения атмосферы. Много лучей поглощается или отражается назад от облаков. Земли достигает около 43%. Их судьба зависит от того, куда они попадут. Склоны, ориентированные на юг поглощают больше тепла, чем горизонтальная поверхность (в северном полушарии), а особенно, чем северные склоны. Вогнутые поверхности поглощают больше тепла, чем плоские или выпуклые. Деревья и трава отражают зеленый свет, в то время как песок - около 20% достигающей его радиации. Снег и лед отражают от 40 до 90%, а темные поверхности, такие, как вспаханные поля или асфальтовые площадки - только 10-15%.

Вся радиация, которая достигает земли, включается в процесс нагрева. Некоторое количество тепла распространяется вглубь земли, остальное работает на нагрев атмосферы, когда тепло распространяется в ней путем конвекции. Часть тепла идет на нагрев воды, которая позже отдает его в атмосферу, как водяные пары, конденсирующиеся в облака.

Поверхность земли влияет на то, как тепло поглощается и отдается в воздух. Например, теплый песок легко отдает тепло, в то время, как вода прогревается глубоко и не отдает тепло, пока температура не поднимется до определенной величины. В основном воздух нагревается от наиболее прогретой поверхности земли.

Атмосфера

Как уже упоминалось, воздух нагревается от земли. С высотой уменьшается плотность атмосферы. Комбинация этих двух факторов создает нормальную ситуацию с более теплым воздухом у поверхности и постепенно охлаждающимся с увеличением высоты. Эта ситуация называется градиентом температуры. Стандартный градиент (СГ) (или градиент «нормальной» атмосферы) предполагает уменьшение температуры на 2 градуса Цельсия каждые 300 метров увеличения высоты. Теперь посмотрим на более реальные ситуации в ночное и дневное время. Ночью видно, что воздух более холодный у земли из-за контакта с охлажденной поверхностью. Это положение дел называется приземной инверсией и типично для ночи. Приземная инверсия может распространяться вверх до 300 м и даже более при наличии ветра и интенсивного перемешивания слоев. Слово инверсия обозначает тот факт, что температура воздуха увеличивается или, по крайней мере, не уменьшается с увеличением высоты, как при СГ. Воздух в инверсионном слое стабилен. (Об этом понятии немного ниже).

Дневная ситуация выглядит по-другому. Здесь воздух у земли более теплый, чем на СГ. Это связанно с солнечным прогревом воздуха. Градиент, показанный в нижней части на графике С, известен как нестабильный и представляет для нас большой интерес.

Стабильный воздух - это воздух, который не перемещается в вертикальной плоскости. Давайте рассмотрим этот процесс. Представьте себе пузырь воздуха, поднимающийся в атмосфере, как показано на рисунке.

С подъемом он расширяется, и давление в нем уменьшается. Это давление изменяется примерно линейно до высоты 3000 м. И приводит к охлаждению воздушного пузыря примерно на 1 градус Цельсия каждые 100 метров подъема.

Норма охлаждения поднимающегося воздуха 1°С/100 м называется сухоадиабатическим градиентом (САГ). Сухой не потому, что в воздухе отсутствуют водяные пары, а потому, что они не конденсируются. Адиабатический, потому, что тепло не добавляется из окружающего воздуха и не отдается ему. В реальности некоторый теплообмен имеет место, но он обычно ограничен и незначителен.

Как мы знаем, теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный при одном и том же давлении. Более теплый воздух стремится подняться вверх, как более легкий, а более холодный опуститься вниз. По этой же причине дерево в воде всплывает, а камень - тонет.

Итак, если наш пузырек поднимается в атмосфере, которая остывает медленнее, чем 1°C/100 м, тогда пузырек будет остывать быстрее, чем окружающий воздух и, следовательно, подниматься медленнее до тех пор, пока ситуация не будет соответствовать рисунку выше. Фактически пузырек достигает высоты, соответствующей уровню равновесия, после чего подъем прекращается и наоборот. Это условие стабильности.

Нестабильный воздух ведет себя наоборот. При градиенте температуры в атмосфере более 1°C/100 м, пузырек воздуха поднимается быстрее, не остывая так сильно, как окружающий воздух и подъем ускоряется.

Нестабильность воздуха определяется его несбалансированностью. В более низких слоях он слишком теплый и спокоен в вертикальной плоскости (отметим, что горизонтальный ветер присутствует и в стабильной и в нестабильной атмосфере).

Теперь мы можем сформулировать краткое определение:

Условия стабильности наблюдаются, когда атмосферный градиент температуры меньше, чем 1°C /100 м. В противном случае воздух нестабилен.

Важно отметить, что в стабильных условиях всякое движение воздуха вниз также натыкается на препятствие, в то время, как в нестабильном воздухе, опускающийся пузырек будет продолжать опускаться. Стабильность и нестабильность условий существенно влияют на турбулентность. Нестабильные условия приводят к возникновению термической активности, которую мы рассмотрим ниже.

Атмосферный градиент температуры больший 1°C /100м называется суперадиабатическим градиентом (Супер АГ). Условия Супер АГ встречаются в основном только над раскаленными пустынями, или, в менее жарких районах, в солнечные дни над ограниченными, закрытыми участками земли.

Поднимающийся воздух, вмещающий в себя пары воды, расширяется и охлаждается, а его относительная влажность увеличивается. Если этот процесс продолжается, то относительная влажность достигает 100%, в таком случае говорят о насыщении воздуха. При определенной температуре возникают условия точки росы. Если этот воздух продолжает подниматься, начинается конденсация, которая всегда проходит с выделением «скрытого тепла». Его выделение приводит к нагреву воздуха, он медленнее остывает, чем по САГ, и продолжает подъем.

Такое положение вещей называется влажно адиабатическим градиентом (ВАГ). Это градиент между 1.1 °C и 2.8 °C на 300 м высоты, зависит от температуры поднимающегося воздуха и в среднем составляет около 0.5 °C/100 м.