Скорость и направление ветра. Ветер. Измерение скорости и направления ветра. И их анализ. Метеокоды и карты погоды»
Ветер как явление природы известен каждому еще с раннего детства. Он радует свежим дуновением в знойный день, гоняет корабли по морю, а может и гнуть деревья, и ломать крыши на домах. Основным характеристиками, которые определяют ветер, являются его скорость и направление.
С научной точки зрения, ветром называется передвижение воздушных масс в горизонтальной плоскости. Такое движение возникает потому, что имеет место разность атмосферного давления и тепла между двумя точками. Воздух передвигается из областей высокого давления в те области, где уровень давления ниже. В результате и возникает ветер.
Характеристики ветра
Для того чтобы охарактеризовать ветер, используют два основных параметра: направление и скорость (силу). Направление определяется стороной горизонта, с которой он дует. Оно может указываться в румбах, в соответствии с 16-румбовой шкалой. Согласно ей, ветер может быть северным, юго-восточным, северо-северо-западным и так далее. может также измеряться в градусах, относительно линии меридиана. По этой шкале север определяется как 0 или 360 градусов, восток - 90 градусов, запад - 270 градусов, а юг - 180 градусов. В свою очередь, измеряют в метрах в секунду или в узлах. Узел равен приблизительно 0,5 километра в час. Сила ветра измеряется также в баллах, в соответствии со шкалой Бофорта.
В соответствии с которой определяется сила ветра
Эта шкала была введена в обращение в 1805 году. А в 1963 году Всемирная метеорологическая ассоциация приняла градацию, которая действует по сей день. В ее рамках 0 баллов соответствует штилю, при котором дым будет подниматься вертикально вверх, а листья на деревьях остаются неподвижными. Сила ветра в 4 балла соответствует умеренному ветру, при котором на поверхности воды образуются небольшие волны, могут колыхаться тонкие ветви и листья на деревьях. 9 баллов соответствуют штормовому ветру, при котором могут гнуться даже большие деревья, срываться черепица с крыш, подниматься высокие волны на море. И максимальная сила ветра в соответствии с этой шкалой, а именно - 12 баллов, приходится на ураган. Это - явление природы, при котором ветер причиняет серьезные разрешения, могут быть обрушены даже капитальные здания.
Использование силы ветра
Сила ветра достаточно широко используется в энергетике как один из восполнимых природных источников. С незапамятных времен человечество использовало этот ресурс. Достаточно вспомнить или парусные суда. Ветряки, с помощью которых ветра преобразуется для дальнейшего использования, широко применяются в тех местах, для которых характерны постоянные сильные ветры. Из различных областей применения такого явления как сила ветра, стоит упомянуть также аэродинамическую трубу.
Ветер - природное явление, которое может приносить удовольствие или разрушения, а также быть полезным для человечества. А конкретное действие его зависит от того, насколько большой окажется сила (или скорость) ветра.
Скорость ветра измеряется в метрах в секунду (м/с), километрах в час (км/ч), баллах (по шкале Бофорта от 0 до 12, в настоящее время до 13 баллов). Скорость ветра зависит от разницы давления и прямо пропорциональна ей: чем больше разность давления (горизонтальный барический градиент), тем больше скорость ветра. Средняя многолетняя скорость ветра у земной поверхности 4-9 м/с, редко более 15 м/с. В штормах и ураганах (умеренных широт) - до 30 м/с, в порывах до 60 м/с. В тропических ураганах скорости ветра доходят до 65 м/с, а в порывах могут достигать 120 м/с.
Направление ветра определяется той стороной горизонта, с которой дует ветер. Для его обозначения применяется восемь основных направлений (румбов): С, СЗ, З, ЮЗ, Ю, ЮВ, В, СВ. Направление зависит от распределения давления и от отклоняющего действия вращения Земли.
Сила ветра зависит от его скорости и показывает, какое динамическое давление оказывает воздушный поток на какую-либо поверхность. Сила ветра измеряется в килограммах на квадратный метр (кг/м2).
Ветры чрезвычайно разнообразны по происхождению, характеру и значению. Так, в умеренных широтах, где господствует западный перенос, преобладают ветры западных направлений (СЗ, З, ЮЗ). Эти области занимают обширные пространства - примерно от 30 до 60° в каждом полушарии. В полярных областях ветры дуют от полюсов к зонам пониженного давления умеренных широт. В этих областях преобладают северо-восточные ветры в Арктике и юго-восточные в Антарктике. При этом юго-восточные ветры Антарктики, в отличие от Арктических, более устойчивые и имеют большие скорости.
Самая обширная зона ветров земного шара находится в тропических широтах, где дуют пассаты.
На Земле ветер является потоком воздуха, который движется преимущественно в горизонтальном направлении; на других планетах он является потоком свойственным этим планетам атмосферных газов. Сильнейшие ветры Солнечной системы наблюдаются на Нептуне и Сатурне. Солнечный ветер является потоком разряженных газов от звезды, а планетарный ветер является потоком газов, отвечающих за дегазацию планетарной атмосферы в космическое пространство. Ветры, как правило, классифицируют по масштабам, скорости, видам сил, которые их вызывают, местам распространения и воздействию на окружающую среду.
Ветры классифицируют, в первую очередь, по их силе, продолжительности и направлению. Таким образом, порывами принято считать кратковременные (несколько секунд) и сильные перемещения воздуха. Сильные ветры средней продолжительности (примерно 1 минута) называются шквалами. Названия более продолжительных ветров зависят от силы, например, такими названиями являются бриз, буря, шторм, ураган, тайфун и др.
Ветры всегда влияли на человеческую цивилизацию, они вдохновляли на мифологические рассказы, влияли на исторические действия, расширяли диапазон торговли, культурного развития и войн, поставляли энергию для разнообразных механизмов производства энергии и отдыха. Благодаря парусным суднам, которые плыли за счет ветра, впервые появилась возможность преодолевать большие расстояния по морям и океанам. Воздушные шары, которые тоже двигались с помощью ветра, впервые позволили отправляться в воздушные путешествия, а современные летательные аппараты используют ветер для увеличения подъемной силы и экономии топлива. Однако, ветры могут быть и небезопасными, так градиентные колебания ветра могут вызвать потерю контроля над самолетом, быстрые ветры, а также вызванные ими большие волны, на больших водоемах часто приводят к разрушению штучных построек, а в некоторых случаях ветры способны увеличивать масштабы пожара.
Ветры могут влиять и на формирование рельефа, вызывая эоловые отложения, которые формируют различные виды грунтов (например, лёсс) или эрозию. Они могут переносить пески и пыль из пустынь на большие расстояния. Ветры разносят семена растений и помогают передвижению летающих животных, которые приводят к расширению видов на новой территории. Связанные с ветром явления разнообразными способами влияют на живую природу.
Ветер возникает в результате неравномерного распределения атмосферного давления и направлен от зоны высокого давления к зоне низкого давления. Вследствие непрерывного изменения давления во времени и пространстве скорость и направление ветра постоянно меняются. С высотой скорость ветра меняется из-за убывания силы трения.
Для визуальной оценки скорости ветра служит шкала Бофорта. Метеорологическое направление ветра указывается азимутом точки, откуда дует ветер; тогда как аэронавигационное направление ветра - куда дует, таким образом, значения различаются на 180°. Многолетние наблюдения за направлением и силой ветра изображают в виде графика - розы ветров.
Скорость ветра измеряют в метрах в секунду. При штиле скорость ветра не превышает 0 м/с. Ветер, скорость которого более 29 м/с, называется ураганом.
Самые сильные ураганы отмечены в Антарктиде, где скорость ветра достигала 100 м/с.
Силу ветра измеряют в баллах, она зависит от его скорости и плотности воздуха. По шкале Бофорта штилю соответствует 0 баллов, а урагану максимальное количество баллов – 12.
На береговых станциях направление и силу ветра определяют по флюгеру и анемометру.
Зная общие закономерности распределения атмосферного давления, можно установить направление основных потоков воздуха в нижних слоях атмосферы Земли.
Роза ветров (в большинстве языков она называется «Роза компаса» ), - векторная диаграмма, характеризующая в метеорологии и климатологии режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям и выглядит как многоугольник, у которого длины лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях (румбах горизонта), пропорциональны повторяемости ветров этих направлений («откуда» дует ветер). Розу ветров учитывают при строительстве взлётно-посадочных полос аэродромов, автомобильных дорог, планировке населенных мест (целесообразной ориентации зданий и улиц), оценке взаимного расположения жилмассива и промзоны (с точки зрения направления переноса примесей от промзоны) и множества других хозяйственных задач (агрономия, лесное и парковое хозяйство, экология и др.).
Роза ветров, построенная по реальным данным наблюдений, позволяет по длине лучей построенного многоугольника выявить направление господствующего, или преобладающего ветра, со стороны которого чаще всего приходит воздушный поток в данную местность. Поэтому настоящая роза ветров, построенная на основании ряда наблюдений, может иметь существенные различия длин разных лучей. То, что в геральдике традиционно называют «розой ветров» - с равномерным и регулярным распределением лучей по азимутам сторон света в данной точке является распространённой метеорологической ошибкой; на самом деле это всего лишь географическое обозначение основных географических азимутов сторон горизонта в виде лучей.
Роза ветров помимо направления ветра может демонстрировать частоту ветров (дискретизированную по определённому признаку - в день, в месяц, в год), а также силу ветра, продолжительность ветра (минут в день, минут в час). Причём могут существовать розы ветров как для обозначения средних значений, так и для обозначения максимальных значений. Также возможно создание комплексной розы ветров, на которой будут присутствовать диаграммы двух и более параметров.
Вертикальное движение воздуха называется восходящим или нисходящим потоком.
Ветер – это движение воздуха относительно земной поверхности. Как известно, атмосфера не является статичной, воздух в ней непрерывно циркулирует, движется: поднимается и опускается.
Различия в степени нагревания воздуха способствуют возникновению перепадов давления в воздушных массах и приводят их в движение - воздух перемещается из областей высокого давления в область низкого давления. Чем больше разница температур между воздушными массами, тем сильнее ветер.
Скорость ветра измеряется в метрах в секунду, километрах в час или баллах (1 балл равен 2 м/с). Средняя многолетняя скорость ветра у земной поверхности – 4-9 м/с, а максимальная средняя годовая скорость ветра на побережье Антарктиды достигает 22 м/с. Ветер скоростью 5-8 м/с считается умеренным, выше 14 м/с – сильным, выше 20-25 м/с – штормом, выше 30-35 м/с – ураганом.
Направление движения воздуха определяется взаимодействием нескольких сил. Это сила Кориолиса (учитывает влияние вращения Земли на двигающийся воздух), тяжести, сила градиента давления и центробежная сила.
Так как причиной возникновения ветра служат различия давления в разных точках земной поверхности, то если в северном полушарии встать спиной к ветру, область высокого давления будет находиться справа, а область низкого давления – слева, то есть низкое давление расположено слева от направления воздушного потока, а высокое давление – справа. В южном полушарии существует обратное соотношение.
Направление ветра в метеорологии определяется той стороной горизонта, откуда он дует .
ЭНЕРГИЯ УРАГАНОВ
Совокупное название ураганов, штормов, тайфунов - тропические циклоны.
Это гигантские атмосферные вихри с убывающим к центру давлением воздуха и циркуляцией воздуха вокруг центра против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке - в Южном.
Скорости ветра в глубоких циклонах с большими барическими градиентами могут доходить до штормовых и ураганных.
Они возникают в океанах в тропических широтах.
Основным источником энергии циклона является освобождение тепла при конденсации водяных паров.
Сравнение количества выделенной энергии во время разгула стихии и атомных взрывов показало, что во время обычной летней грозы выделяется в тринадцать раз больше энергии, чем при взрыве атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки.
Во время урагана средней силы её выделяется в 500 000 раз больше.
Атомный взрыв на атолле Бикини поднял в воздух 10 млн. т воды, а во время урагана на Пуэрто-Рико за несколько часов обрушилось 2 500 млн. т дождя, т.е. в 250 раз больше.
БРИЗЫ
Почему на берегу моря летом тихо только рано утром или вечером?
Такая ситуация складывается довольно часто, но не всегда. Причиной этому является тот факт, что вода обладает большей теплоёмкостью , медленнее нагревается и медленнее остывает
A - Морской бриз(дневной), B - Береговой бриз (ночной)
В ранние утренние часы, когда солнце слегка прогревает землю, температуры поверхности моря и земли выравниваются; днём суша оказывается теплее воды, а к вечеру, остывая, о на снова становится на некоторое время нагретой так же, как и вода. Когда нет различия в температуре воды и суши – не возникает и движения воздуха , стихает ветер, море успокаивается.
Днём же быстро прогревающийся над сушей воздух поднимается вверх, а с моря ему на смену приходит более холодный воздух – дует морской бриз ; ночью ситуация меняется: дует ветер с суши на море – береговой бриз .
Утром и вечером наблюдаются паузы – непродолжительные затишья в периоды смены направления бризовых ветров. Такое чередование дневного и ночного ветра, или так называемая бризовая циркуляция, в тёплое время года имеет место при устойчивой солнечной погоде, при высоком атмосферном давлении. Когда же приходит циклон, он приносит с собой штормовую погоду и бризовые ветры прекращаются.
Ветер представляет собой движение воздуха, которое происходит параллельно земной поверхности и имеет горизонтальный характер. Главным свойством такого потока считается вектор его скорости. На практике эта величина представляет числовое значение. Дополнительными характеристиками являются направление и сила ветра. По этим критериям существует сразу несколько классификаций.
Общие понятия
Ветер на планете Земля - это поток воздуха, преимущественно движущийся горизонтально. Подобное явление наблюдается и на других космических телах. Однако в этом случае речь уже идет о потоке атмосферных газов. Так различают солнечный и планетарный ветра.
Потоки воздуха на Земле классифицируются по скорости, масштабам, силе, воздействию на объекты и районам распространения. Тем не менее, главной характеристикой по-прежнему остается направление ветра. Также не следует забывать о его продолжительности. Именно по этим критериям ветра классифицируют в первую очередь. Например, кратковременные и длительные, сильные и слабые и т. д.
Мощными непродолжительными потоками называются шквалы. Их длительность редко превышает 1 минуту. Из наиболее продолжительных можно выделить бриз, шторм, бурю, тайфун и ураган. Все они дополнительно характеризуются силами возникновения и воздействия. В свою очередь, длительность ветра может быть от пары секунд до нескольких месяцев. Зависит это явление от разницы нагрева частиц воздуха, особенностей рельефа, циркуляцией атмосферы.
В редких случаях имеют место вертикальные ветра. Их движение направлено снизу вверх или наоборот. Такие потоки называются нисходящими или восходящими.
Способы измерения характеристик
Чтобы узнать, какое направление ветра, необходимо воспользоваться одним из специальных приборов. Каждый из таких инструментов показывает азимут точки исхода потока. Итоговые значения будут находиться в диапазоне 180 градусов.
Скорость и направление ветра можно измерить анемометром. Этот прибор нашел применение в энергетической промышленности. Поток ударяется о специальную мембрану. Толчок фиксируется датчиком, данные обрабатываются и выдаются на экран.
Для измерения сугубо направления ветра можно использовать обычный флюгер. Этот инструмент работает даже при малейшем дуновении. В итоге стрелка укажет направление ветра. Погрешность зависит от качества флюгера. В среднем она варьируется в пределах 2-3%.
Если под рукой отсутствуют необходимые инструменты, можно воспользоваться указательным пальцем. Просто смочить его и выставить вверх. Палец быстро ощутит прохладу. Таким образом, можно определить, с какой стороны движется поток. С другой стороны, подобная технология не действует при жарких влажных климатических условиях.
Направление ветра
Движение потока воздуха определяется горизонтально по той стороне, с которой оно исходит. Если дует на север, то направление ветра южное. Такое движение напрямую зависит от силы вращения планеты и распределения атмосферного давления. Чем ближе потоки к поверхности Земли, тем они вариативнее.
Как известно, вода и суша нагреваются с разной скоростью. В летнее время температура поверхности земли повышается быстро. Вследствие этого явления воздух нагревается, расширяется и становится куда легче. В свою очередь, над поверхностью воды всегда холоднее. Следовательно, потоки воздуха становятся тяжелее и сжатее. Поэтому именно со стороны воды всегда дует прохладный ветер. В ночное время потоки чаще исходят с берега.
Еще одним местом возникновения ветров может быть горная местность. В таким случае сухой и теплый поток называется "фен", а сильный и холодный - "бора".
Классификация по скорости ветра
Данная характеристика измеряется в баллах или метрах в секунду. Зависит от так называемого барического градиента. Чем его величина меньше, тем ниже скорость потока. Справочно: 1 балл примерно равняется 2 м/с.
Справедливо утверждение, что сила ветра напрямую зависит от его скорости. К тому же чем больше разность давления между задействованными участками поверхности, тем мощнее будет поток. На сегодняшний день существует шкала Бофорта, по которой определяется сила воздействия ветра:
Самые мощные ветра
Несколько лет назад шкала Бофорта была расширена американской национальной метеорологической службой. Дополнения относятся только к категории «ураган»:
12.1 балла - сильный ветровал. Его скорость составляет от 35 до 42 м/с. При этом ветер меняет направление постоянно. Разрушительное воздействие распространяется на телеграфные столбы и деревянные постройки.
12.2 балла. Такой ураган имеет скорость движения до 49 м/с. Отмечаются повреждения крыш, дверей и окон каменных построек.
12.3 балла. Ветер со скоростью до 58 м/с разрушает легкие дома, нагоняет волны с высотой до 3,5 м. Возможно наводнение.
12.4 балла. Такой ветровал характеризуется скоростью движения в 59-70 м/с. Поток вырывает средние деревья с корнями, наносит сильные повреждения прочным постройкам.
12.5 балла. Ветер со скоростью свыше 71 м/с разрушает мощные здания, в том числе каменные. В грунте остаются глубокие воронки. В небо поднимаются тяжелые предметы. Наводнение неизбежно.
Локальные ветра
Чаще всего такие потоки формируются на равнинах континента или над морем. Одним из наиболее распространенных видов является бриз. В этом случае преобладающее направление ветра характеризуется локальной циркуляцией теплого воздуха. Образуется благодаря перепаду низкого давления при положительной температуре.
Скорость локальных ветров редко превышает 4 м/с. Более интенсивные потоки исходят из горных хребтов. Формирование происходит на высотах, а дуновение - преимущественно в долинах.
Глобальные ветра
Речь идет о муссонах и пассатах. Первый вид глобальных ветров является сезонным. Он меняет свое направление всего 2 раза за год. Тропические муссоны двигаются со средних широт. Они преимущественно теплые. Внетропические дуют с полярных и умеренных широт, значительно снижая температуру воздуха.
Пассаты зависят от атмосферного давления. Чаще дуют с запада. В редких случаях можно наблюдать восточные и южные пассаты. Главной локацией распространения является зона экватора.
По «Авиационной метеорологии»
Тема 1 «Строение атмосферы» (1 час).
Различные классификации слоев атмосферы.
Международная стандартная атмосфера.
Различные классификации слоев атмосферы
1.Деление атмосферы на слои, в основу которой положено деление температуры по вертикали:
а).Тропосфера (0-11км).
Температура понижается с высотой (6,5* на 1000м): от 8*-10* (на полюсах) до 16*-18* (в тропиках).
Нижний слой тропосферы (пограничный, или слой трения) - до 1-1,5 км. В этом слое особенно сильно проявляется влияние земной поверхности.
Ниже нижнего слоя находится приземный слой (до 200 м).
б).Стратосфера (до высоты 50 км).
Температура в стратосфере постоянная (-56*), но потом начинает повышаться (до +20*).
в).Мезосфера (до 50-80 км).
Температура начинает уменьшаться (3,5* на 1 км).
г).Термосфера (до 800 км).
Температура очень быстро повышается и достигает 100*.
д).Экзосфера (более 800 км).
Температура выше 100*С.
2.Деление атмосферы на слои по составу воздуха.
а).Гомосфера - слой, где состав воздуха постоянен.
б).Гетеросфера - слой, где состав воздуха меняется с высотой.
в).Озоносфера - сильно разряженный воздух, озоновый слой (от 15 до 50 км).
3.Деление атмосферы на слои по признаку взаимодействия с земной поверхностью:
а).Пограничный слой (1-1,5 км).
б).Свободная атмосфера.
Международная стандартная атмосфера.
Стандартная атмосфера - это условное распределение по высоте средних значений основных физических параметров атмосферы (давление, температура, плотность, скорость звука для сухого и чистого воздуха постоянного состава, показатель которой используется при расчетах при приведении результатов испытаний к одинаковым условиям).
ГОСТ МСА:
Н = 2км - 50 км;
широта - 45*32 33;
t*C = 15*С (Т=288,15К);
ВТГ (вертикальный температурный градиент) - 6,5* на 1 км;
P(давление) = 760 мм рт. ст.(1013,25 гПа);
p(плотность воздуха) = 1,225 кг на кубический метр;
при этом показания ВТГ, Р, p даны на высоте Н=0.
Все важнейшие для летчика явления погоды развиваются главным образом в тропосфере.
Масса атмосферы составляет 5,27х10 в 15 степени тонн.
Тема 2 «Метеорологические элементы
И их анализ. Метеокоды и карты погоды».
Метеорологические элементы:
а) атмосферное давление и плотность воздуха;
б) температура воздуха;
в) плотность и влажность воздуха;
г) направление и скорость ветра;
д) количество, форма и высота облаков и осадки;
е) видимость;
Явления погоды:
а) туманы и дымки;
б) обледенения;
в) грозы и шквалы;
Карты погоды:
а) приземные карты;
б) высотные карты.
Состояние атмосферы в определенный момент времени характеризуется рядом физических величин, которые называются метеоэлементами или параметрами (атмосферное давление, температура, плотность и влажность воздуха, направление и скорость ветра, количество, форма и высота облаков).
Кроме метеорологических элементов авиационной метеорологией изучаются и атмосферные явления (гроза, метель, туман и т.д.).
Совокупность метеоэлементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в какой-либо момент или промежуток времени, называется погодой.
Основные параметры атмосферы оказывают влияние на часовой расход топлива, силу тяги двигателей, скороподъемность и потолок ВС, его устойчивость, длину разбега и пробег.
Метеорологические элементы.
Атмосферное давление
Это вес столба воздуха от данной поверхности до верхней границы атмосферы на 1 кв.см. поперечного сечения этого столба; атмосферное давление измеряется ртутным барометром, для нужд авиации - в миллиметрах ртутного столба, а для нужд погоды - в миллибарах (мб). Соотношение между этими единицами следующее: 1мб соответствует 0,75 мм рт. ст. (3/4), 1 мм рт. ст. соответствует 1,33 мб (4/3).
Стандартное атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст. (при температуре 0* на широте 45*), что равно 1013,25 мб.
Для характеристики атмосферного давления используется такое понятие, как барический градиент. Барический градиент - изменение давления на единицу длины (используется для характеристики изменения давления с высотой и по горизонтали).
Положительный барический градиент направлен в сторону падения давления по кратчайшему пути.
Для характеристики изменения давления с высотой применяется барическая ступень. Барическая ступень - это расстояние по вертикали в метрах, на котором давление изменяется на 1 мм рт. ст. или на 1 мб, т.е. высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 единицу. Так вблизи земли следует подняться в среднем на 8м, чтобы давление изменилось на 1 мм, на высоте 5 км - на 15м, а на высоте 18 км - на 70-80м.
Величина барической ступени зависит от давления и температуры: с увеличением давления и понижением температуры она уменьшается, с уменьшением давления и повышением температуры - увеличивается.
Влияние атмосферного давления на полет:
1).необходимо учитывать изменение давления при определении высоты полета;
2).рост атмосферного давления приводит к уменьшению скорости отрыва;
Значения атмосферного давления наносятся на синоптическую карту в виде линий равного атмосферного давления, называемых изобарами.
При оценке атмосферного давления следует учитывать барометрическую тенденцию, т.е. изменение атмосферного давления за последние 3 часа.
Плотность воздуха
Это отношение массы воздуха к объему, который он занимает, выраженное в г/куб.м. Плотность воздуха может быть вычислена, если известны давление воздуха и его температура. Она увеличивается с понижением температуры и увеличением давления, и наоборот.
Плотность воздуха зависит также от количества водяного пара в воздухе. Плотность водяного пара меньше плотности сухого воздуха, и поэтому влажный воздух при том же давлении будет иметь меньшую плотность, чем сухой. Так, при давлении 750 мм рт. ст. и температуре 20*С, плотность сухого воздуха составляет 1189 г/куб.м, а плотность насыщенного водяным паром воздуха при тех же условиях составляет 1178 г/куб.м, т.е. на 11 г/куб.м меньше.
Плотность изменяется в течение года в зависимости от географической широты, а также от изменения температуры и давления воздуха. В тропосфере плотность воздуха в общем меньше летом и больше зимой.
С высотой плотность воздуха уменьшается. Это уменьшение в основном определяется изменением атмосферного давления.
Давление, плотность и температура воздуха являются основными физическими параметрами, характеризующими воздух как среду, в которой происходит полет ЛА.
Температура воздуха
Это параметр, характеризующий степень нагретости воздуха.
Температура воздуха измеряется на Н=2м жидкостными термометрами.
В большинстве стран применяется стоградусная шкала (шкала Цельсия - *С), в которой за 0*С принята температура таяния льда, а за +100*С - температура кипения воды при давлении 760 мм рт.ст. В теоретической метеорологии, аэродинамике и других научных дисциплинах применяется абсолютная шкала температуры (Т), предложенная Кельвином (К*). Температуры по шкале Кельвина и Цельсия связаны соотношением:
Т= 273,15 + t*С,
где величина 273,15 называется абсолютным нулем температуры, а t* - температура по стоградусной шкале Цельсия.
Температура воздуха - это очень изменчивый метеоэлемент, зависящий от множества факторов: от количества тепла, поступающего на данной географической широте от Солнца, от характера подстилающей поверхности, от времени года и суток, от циркуляции атмосферы и т.д.
Под влиянием этих факторов температура испытывает периодические (суточные и годовые) и непериодические колебания.
Амплитуда суточного хода температур - это разность между максимальной и минимальной температурой в течение суток.
Годовая амплитуда температур - это разность между максимальной и минимальной температурой в течение года.
Правильный суточный ход температур - наиболее высокая температура от 13 до 15 часов местного времени, минимальная - перед восходом солнца.
Нагревание и охлаждение воздуха происходит от поверхности Земли. Воздух прогревается снизу вверх, поднимается, одновременно более холодный воздух опускается вниз сжимаясь. В результате происходит перемешивание воздуха по вертикали.
Повышение температуры с высотой в некотором слое называется инверсией. Слой, где температура воздуха не изменяется с высотой, называется изометрией. Инверсию и
изометрию называют задерживающими слоями, т.к. они затрудняют вертикальное движение воздуха. Эти слои регулярно наблюдаются на разных слоях в тропосфере, особенно в холодную половину года и в ночное время. Эти слои оказывают существенное влияние на формирование погоды. Под ними всегда может быть облачность, ухудшенная видимость, обледенение, болтанка, сдвиг ветра.
Изменение температуры с высотой на каждые 100м называется вертикальным температурным градиентом. По МСА в тропосфере вертикальный градиент температуры равен 0,65* при подъеме на 100м.
Температура воздуха наносится на карту погоды в виде сплошных линий равных температур - изотерм.
Влияние температуры воздуха на работу авиации значительное. Температура воздуха влияет на потребную и максимальную скорость полета, скороподъемность и потолок, мощность и тягу двигателей, длину разбега и пробега, показания приборов.
Высокие и низкие температуры у земли затрудняют работу техсостава по подготовке техники, при сильных морозах затрудняется запуск авиационных двигателей.
Отрицательное влияние на эксплуатацию авиатехники оказывают также резкие перепады температуры воздуха, особенно когда после сильных морозов наступает оттепель.
При положительных отклонениях температуры воздуха от данных МСА летные характеристики самолетов ухудшаются, а при отрицательных отклонениях - улучшаются.
При температуре воздуха у земли 0*С - (-3*С) на РД, ВПП, наземных сооружениях возможен гололед; при полете в облаках, осадках, где температура 0*С- (-10*С), возникает обледенение. При полете в воздушной массе, где вертикальный градиент температуры больше, чем 0,65* на 100м, отмечается болтанка, возникают грозы и явления с ней связанные.
Влажность воздуха
Это степень насыщения воздуха водяным паром. Она является важной величиной в оценке погоды, т.к. способствует образованию облаков, осадков, туманов, гроз и т.д.
Для оценки содержания водяного пара в воздухе применяются различные характеристики.
Абсолютная влажность (а) - количество водяного пара, содержащегося в 1 куб. метре, выраженное в граммах.
Упругость водяного пара (е) - парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе, выражающееся в мм рт. ст. или мб. Численно обе эти величины близки между собой.
Абсолютную влажность в основном учитывают в весенне-летний период при прогнозировании гроз. Если а=15мб, следует ожидать грозу; а=20мб - гроза будет с ливневыми осадками, а больше 23мб - гроза будет со шквалом.
Относительная влажность (r) - процентное отношение фактического количества водяного пара в данном объеме воздуха к количеству водяного пара, насыщающего этот объем воздуха при той же температуре, выраженное в процентах:
r =------- х 100%, где
а - фактическое количество водяного пара;
А - максимально возможное количество водяного пара при данной температуре воздуха.
Максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе (относительная влажность 100%), зависит только от температуры: чем выше температура, тем больше водяного пара необходимо для насыщения, и наоборот.
На приземных картах погоды вместо рассмотренных выше величин влажности воздуха наносится точка росы (t*d) - температура, при которой воздух достигает состояния насыщения при данном содержании водяного пара и неизменном давлении. Точка росы равна температуре воздуха при относительной влажности 100%. При этих условиях происходит конденсация водяного пара (переход водяного пара в жидкое состояние) и образование облаков и туманов. Чем суше воздух, тем больше разность между температурой воздуха и точкой росы (дефицит точки росы - дельта td).Охлаждение воздуха, содержащего водяной пар, может вызвать сублимацию (переход водяного пара в твердое состояние, минуя жидкую фазу).
Дефицит точки росы наносится на картах абсолютной топографии и служит для определения возможности образования облаков. На высотах до 5 км можно предполагать наличие 10 баллов облаков при дефицитах 0*, 1*, 2*. По дефициту можно определить уровень конденсации водяного пара, т.е. уровень, где воздух достигает 100% насыщения:
hк= 123 (t*C-t*d),
где hк - уровень конденсации.
Водяной пар играет исключительно важную роль в определении метеорологических условий полета в тропосфере. Наличие водяного пара в атмосфере является необходимым условием образования облаков, осадков, туманов. Атмосферные явления - грозы, метели, обледенение и такие оптические явления, как радуга, гало, венцы, - также неразрывно связаны с наличием воды в атмосфере. Такой важный метеорологический элемент, как видимость, в большинстве случаев обуславливается наличием в атмосфере мельчайших капель воды, кристаллов льда или тех и других вместе.
Направление и скорость ветра.
Ветром называется горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Но воздушные потоки не строго горизонтальны, т.к. почти всегда в этих движениях есть вертикальные составляющие.
Ветер - величина векторная и определяется двумя составляющими: направлением и скоростью.
Направление ветра - азимут точки горизонта, откуда дует ветер, измеряется в градусах.
Скорость ветра - скорость перемещения воздуха за выбранный интервал времени. Обычно измеряется в метрах в секунду. Для авиационных расчетов скорость ветра выражают в километрах в час. (1 м/сек = 3,6 км/час). Со скоростью ветра неразрывно связано понятие силы ветра:
2-3 м/сек - слабый (чуть ощущается);
4-7 м/сек - умеренный (качаются тонкие ветви деревьев);
10-12 м/сек - сильный (качаются толстые ветви деревьев);
Больше 15 м/сек - буря;
Больше 20 м/сек - шторм;
30 м/сек - ураган.
Ветер не является устойчивым течением и в короткие промежутки времени изменяется как по скорости, так и по направлению. Эта изменчивость ветра особенно резко выражается вблизи поверхности земли и непосредственно связана с турбулентным состоянием воздушного потока.
Движение воздуха происходит под действием силы вращения земли (кориолисова сила), силы барического градиента, возникающей вследствие неравномерного распределения давления воздуха в горизонтальном направлении, силы трения и силы тяжести.
Под воздействием этих сил в слое до 1000-1500м вектор времени направлен к изобаре под острым углом, величина которого больше над сушей и меньше над морем, больше в низких широтах и уменьшается к полюсам.
В циклоне в Северном полушарии ветры у земли дуют по спирали от периферии к центру против часовой стрелки, в антициклоне - по спирали от центра к периферии по часовой стрелке.
Скорость и направление ветра зависят от высоты над поверхностью земли, географического района, времени года и суток, от распределения давления.
Суточный ход скорости ветра у земли наиболее четко выражен над сушей и почти незаметен над морем. Более резко он выражен в теплую половину года и при ясной погоде, слабее - в холодную и при облачной погоде.
С увеличением высоты скорость ветра в среднем возрастает, и на высоте 500 м она выше почти вдвое, чем у земли; в слое трения ветер поворачивает вправо, а в свободной атмосфере дует почти строго вдоль изобар (если встать спиной к ветру, то меньшее давление будет слева).
Ветер имеет большое значение для авиации:
Ветер существенно влияет на взлет и посадку, при встречном ветре сокращается длина разбега и пробега;
При боковом ветре возникают силы, затрудняющие управление ЛА. Так, например, если ветер дует справа от направления взлета, то на правой плоскости возникает дополнительная подъемная сила, а на левой она уменьшается, в результате возникает кренящий момент; кроме того, боковой ветер создает силу, стремящуюся развернуть ЛА относительно его продольной оси, а следовательно - и в сторону от оси ВПП;
Еще большие трудности боковой ветер создает при посадке ЛА, т.к. затрудняет точное выдерживание ЛА на глиссаде снижения и во время пробега на ВПП;
Ветер значительно влияет на самолетовождение (необходима поправка на ветер при выдерживании направления);
Ветер вызывает болтанку, пыльные бури, низовые метели, ухудшающие видимость и затрудняющие взлет, полет, посадку ВС.
При оценке конкретных метеоусловий необходимо учитывать местные ветры, которые возникают под влиянием местных физико-географических и термических условий.
Серьезные трудности для пилотирования ЛА на глиссаде снижения, при взлете, посадке вызывает
сдвиг ветра.
Под сдвигом ветра понимается изменение направления или скорости ветра, или того и другого вместе в горизонтальном направлении, либо одного слоя атмосферы по отношению к другому по вертикали.
Различают горизонтальный и вертикальный сдвиги ветра:
Вертикальный сдвиг ветра (вертикальная составляющая градиента ветра) - это изменение направления и скорости ветра по высоте (например, на Н=200м направление ветра 280* и его скорость 18 м/сек, а на Н=100м направление ветра 80* и скорость 8 м/сек).
Горизонтальный сдвиг ветра (горизонтальная составляющая градиента ветра) - изменение направления и скорости ветра в различных точках по горизонтали на одной и той же высоте.
Для оценки интенсивности сдвига ветра следует пользоваться терминами и их численными категориями, которые рекомендованы ИКАО (смотреть Таблицу 1).
