Влажный градиент температуры

В предыдущей главе было показано, что поднимающийся воздух, вмещающий 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". Выделение его приводит к нагреву воздуха, он медленнее остывает, чем по сухоадиабатическому градиенту и продолжает подъем.

Процесс выделения "скрытого тепла" называется влажноадиабатическим градиентом (ВАГ). Это градиент между 1,1° и 2,8°С на 300 м высоты (2° - 5°F на 1000 футов), зависит от температуры поднимающегося воздуха и в среднем составляет 0,5°С/100 м (3°F/1000 футов).

Средние значения градиентов температуры показаны на рисунке 16. Когда температурный профиль воздуха находится между САГ и ВАГ, говорят атмосфера "условно нестабильна". Смысл этого в том, что она будет нестабильна, если воздух насыщается и в дальнейшем начнется конденсация. Это приведет к образованию облаков, что является формой нестабильности.

На рисунке имеется также зона правее ВАГ, которая является указателем абсолютной стабильности для поднимающейся порции воздуха. Воздушная масса с градиентом в этой зоне будет всегда стремиться вернуться в исходную точку, даже если проходит конденсация. Поле слева от САГ-это область абсолютно нестабильных условий со спонтанным образованием термичности. Это зона суперадиабатического градиента ( супер АГ). Свойства водяных паров подниматься и расширяться, обмениваясь теплом с атмосферой очень важны для погодных процессов. Каждая тонна воды в процессе конденсации выделяет почти 6*100000 ккал. Эта энергия является главной движущей силой грозовых фронтов, ураганов, штормов и других процессов, связанных с сильными ветрами.

СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА

На всей территории земного шара уже долгое время ученые занимаются изучением атмосферы. Собрано огромное количество данных, позволяющих ввести понятие стандартной атмосферы. Высотомеры могут быть приведены к стандарту, а это огромная помощь пилотам. Например, дан аэропорт с известной высотой над уровнем моря, есть стандартная температура и давление. Зная фактические температуру и давление, введя их в высотомер, пилот однозначно определяет высоту над аэродромом.

Таблица стандартной атмосферы дана в приложении I. Изменение температуры по высоте в точности соответствует стандартному градиенту. Можно также отметить, что трехпроцентное уменьшение плотности за подъем на 300 м приводит к полуторапроцентному за 300 м увеличению всех полетных скоростей. Однако, известно, что стандартный градиент составлен для средних условий и в парящую погоду изменение температуры по высоте более склоняется к сухоадиабатическому градиенту. Сделаем вывод:

Плотность, высота и скорость.

Уменьшение плотности на 4% за 300 м приводит к увеличению полетных скоростей на 2% за 300 м высоты.

ПЛОТНОСТЬ, ВЫСОТА

Конечно, стандартная атмосфера - только иллюзия. На самом деле, все далеко не так идеально. Если воздух нагревается или остывает отлично от стандартной атмосферы, тогда высотомер будет завышать или занижать высоту. Если воздух станет большей или меньшей влажности или местное давление, где вы передвигаетесь, будет выше или ниже, то с высотомером случится та же история. Показания высотомера могут быть уточнены перед посадкой, но это очень затруднительно в полетах на дальние расстояния и длительных по времени. Далее сформулируем правило:

Изменения плотности:

Изменение высоты на 100 м эквивалентно изменению плотности на -1%, которая изменяет давление на 10 гПа, температура изменяется на 2,8°С, или добавление водяных паров до 27 гПа давления.

Поэтому, если, находясь на маршруте, вы движетесь в сторону понижения давления, то высотомер будет показывать большую высоту, если полет идет в направлении повышения давления, то наоборот. Высотомер - это барометр со шкалой высоты. Высотомеры производятся с температурными компенсаторами. Изменение давления тоже не проблема, если видно поверхность.

Проблемой является то, что плотность существенно влияет на посадочные и взлетные характеристики. Когда воздух горячий и влажный, а давление низкое, увеличиваются взлетная и посадочная скорости. Большая высота существенно влияет на критические скорости. В приложении I о плотности рассказано более подробно.

ВЕТЕР

Один из аспектов погоды, который ежедневно влияет на нашу жизнь и, особенно, на полеты - это ветер. Полный штиль- явление достаточно редкое, в основном, воздух в движении. Ветер переносит на значительные расстояния тепло и влажность, и этим играет очень важную роль в формировании погоды. Ветер является составной частью парящих условий, и поэтому две главы этой книги посвящены его изучению. А сейчас просто определим его причины и составляющие.

Ветер возникает от дисбаланса давлений, обычно, в горизонтальной плоскости. Этот дисбаланс появляется из-за различия температур на соседних территориях или циркуляции воздуха вверх на отдельных участках. В любом случае, причина этого - неравномерный прогрев поверхности солнцем, что приводит к разнице температур, циркуляции, и к разнице давлений. Снова приходим к выводу, что причиной всех явлений в атмосфере является солнце.

Ветер обычно называется по направлению, откуда он дует. Например, северный ветер дует с севера, юго-восточный с юго-востока и т.д. (рис. 17). Аналогично, горный ветер дует с гор, морской бриз с моря на сушу, а береговой наоборот.

В авиационной терминологии принято называть ветер по направлению в градусах, а силу ветра измерять в узлах, км/ч и м/с. Так северный ветер - 360° ( или 0° ), восточный - 90°, южный - 180°, западный - 270°, а юго-западный - 225° как изображено на рисунке. Узел базируется на морской миле и равен 1,15 миль в час или 1,85 км/ч, 3,6 км/ч = 1м/с. Отметим, что компас показывает направление не точно на северный полюс земного шара. Это связано с земными магнитными полями и наклоном оси вращения Земли. Разница магнитного и географического полюсов называется магнитным склонением. Приземные ветры называют в соответствии с направлением по магнитному компасу, а верховые - в соответствии с географическим направлением.

ЭФФЕКТ КОРИОЛИСА

Еще один фактор, который мы должны рассмотреть - это эффект Кориолиса. Этот эффект очень важен для понимания процессов в атмосфере глобального и среднего масштабов. Результат этого эффекта выражается в том, что все объекты, движущиеся в северном полушарии, имеют тенденцию поворачивать вправо, а у всех движущихся объектов в южном полушарии - влево. Эффект Кориолиса наиболее сильно выражен на полюсах и сводится к нулю на экваторе. Причина эффекта Кориолиса - вращение Земли под движущимися объектами. Это не какая-то реальная сила, это движение Земли, взаимодействуя с силами гравитации, создает иллюзию правого вращения для всех свободнодвижущихся тел. Воздушные потоки и океан в крупных масштабах испытывают на себе эффект Кориолиса.

На рисунке 18 эффект Кориолиса объясняется на примерах. В случае, когда объект движется из центра вращающегося диска, наблюдатель, находящийся за пределами диска, видит прямолинейное движение объекта (рис. 18а). Если наблюдатель находится на диске, то для него объект поворачивает вправо (рис. 18в).

В случае, когда объект движется к центру диска (рис. 18с), он имеет начальный импульс по направлению вращения и в течение некоторого времени сохраняет ориентацию в пространстве. Результатом этой комбинации движений является траектория, показанная на рисунке 18d. Это снова отклонение вправо с точки зрения наблюдателя на диске.

Нетрудно заметить, что диск может быть сферой, как наша планета, а смотрим мы из космоса над северным полюсом. Трехразмерность реального мира приводит к уменьшению эффекта Кориолиса от полюса к экватору, но принцип тот же.

Эффект Кориолиса влияет на формирование воздушных потоков (глава 4). Сделаем вывод из вышесказанного:

Эффект Кориолиса:

является причиной поворота ветров вправо в северном полушарии и влево в южном.

ИТОГИ

Теперь мы имеем представление об основных движущих силах в атмосфере, как в глобальном масштабе, так и в местном. Мы должны понимать, что на погоду влияет полная комбинация физических процессов. Мы, как пилоты, должны это знать, чтобы когда надо использовать или избегать определенных процессов в атмосфере. Пока мы летаем, мы будем постоянно сталкиваться с разностями температур и давлений, со стабильностью воздуха и с эффектом Кориолиса

Теперь мы имеем представление об основных движущих силах в атмосфере, как в глобальном масштабе, так и в местном. Мы должны понимать, что на погоду влияет полная комбинация физических процессов. Мы, как пилоты, должны это знать, чтобы когда надо использовать или избегать определенных процессов в атмосфере. Пока мы летаем, мы будем постоянно сталкиваться с разностями температур и давлений, со стабильностью воздуха и с эффектом Кориолиса

ГЛАВА 3
Облака.

Сколько помнит себя человек, облака всегда присутствовали в рассказах и сказках. Благодаря постоянно изменяющимся формам и возможности плавать высоко в небе, они отождествлялись с полетом и свободой. Фактически, птицы и облака - это модели того, что мы видим в мечтах о полетах.

Но на самом деле, облака сами по себе не являются эталоном свободы. Они подчиняются законам гравитации, инерции, теплового обмена и др. Если мы будем знать законы формирования и жизни облаков, мы научимся их читать. У нас всегда при себе будет облачная шпаргалка. Это очень важно для пилотов, потому что облака могут рассказать об опасностях и будущих погодных условиях, о мощных восходящих потоках и погоде слабого парения.

ОБРАЗОВАНИЕ ОБЛАКОВ

Облака состоят из бесчисленного множества микроскопических частичек воды различных размеров: от 0,001 см в насыщенном воздухе и увеличиваются до максимума около 0,025 см при продолжающейся конденсации. Как вы помните, насыщенный воздух - это воздух, имеющий относительную влажность 100%. Относительная влажность изменяется с изменением температуры. Даже не изменяя количество водяных паров, воздух может стать насыщенным, если он остывает. Главный путь образования облаков в атмосфере охлаждение влажного воздуха. Это происходит при охлаждении воздуха, когда он поднимается вверх. Теперь мы можем сделать важный вывод:

Формирование облаков:

Кроме тумана, образующегося в охлаждающемся воздухе от контакта с землей, все облака формируются в воздухе, который поднимается вверх.

Пилоты-парители очень любят облака, потому что они указываю места восходящих потоков, но это не всегда так. Некоторые типы облаков образуются воздухом, который поднимается слишком медленно, чтобы поддерживать парящий полег, в то же время закрывают солнце, не давая развиваться термической деятельности. Необходимо знать хорошие и плохие стропы облаков. Немного позднее мы научимся распознавать среди них друзей и врагов.

ВОСХОДЯЩИЕ ПОТОКИ

Выделим три главные причины возникновения восходящих потоков. Эти потоки, возникающие из-за движения фронтов, динамические и тепловые. Они схематически показаны на рисунке 19.

Фронтальные потоки возникают при движении огромных масс воздуха на большие расстояния, когда они пересекают территории с различными температурами. Проходя более прогретый район, холодный фронт вытесняет более теплый, а значит менее плотный воздух вверх. Этот восходящий поток может привести к образованию облаков, если будут достигнуты условия точки росы. Скорость подъема потока прямо зависит от скорости движения фронта (если пренебречь прогревом) и обычно составляет 0,2 - 2 м/с. Это относительно мало, но они занимают большие пространства и часто становятся причиной образования слоистых облаков. Например, облака часто закрывают небо над Альпами, западным побережьем США, Кавказом и др.

Динамические потоки возникают при обтекании потоком воздуха неровностей земной поверхности.

Термические потоки возникают при подъеме более теплого воздуха, который в солнечные дни нагревается от земной поверхности. Также сюда включаем восходящие потоки над территориями с более низким давлением, а также комбинации прогрева с фронтальными процессами и конвергенцией. Изолированные термические потоки образуют относительно слабую (за исключением грозы) облачность, в то время как в районах с низким давлением образуются обширные слоистые облака.

ТОЧКА РОСЫ И ВЫСОТА ОБЛАКОВ

Мы уже знаем, что, поднимаясь вверх, воздух остывает и увеличивается его относительная влажность вплоть до насыщения, после чего при определенных условиях начинается конденсация паров и образование облаков. Температура насыщения называется точкой росы. С увеличением относительной влажности увеличивается температура точки росы, которая зависит от меры влажности воздуха. Точка росы может использоваться для определения высоты нижней границы облаков, или базы облаков. Пышные, как будто сделанные из хлопка облака образуются термиками из влаги, поднятой с уровня земной поверхности. Допустим, что, поднимаясь, воздух определенным образом охлаждается, например, 1°С/100 м. Однако, температура точки росы понижается только на 0,2°С/100 м. Таким образом, температуры поднимающегося воздуха и точки росы сближаются на 0,8°С/100 м. Когда они уравняются, начинается образование облаков.

Как использовать этот факт видно из рисунка 20. Здесь температура воздуха у поверхности 31°С; точка росы - 15°С Разделив разность на 0,8, получим базу облаков, в данном случае равную 2000 м. На рисунке мы можем видеть, как сближаются температура поднимающегося воздуха и точки росы и выравниваются на высоте 2000 м.

В главе 12 мы научимся практически находить точку росы для различных условий. Метеорологи используют сухой и влажно-электрический термометры для замера температуры у земли и температуры насыщения (влажно-электрический), составляют таблицы по высотам.

Зачем нам знать высоту облаков? Потому что это высота, на которой с максимальной эффективностью можно использовать термические потоки для дальних парящих полетов. Пилоты летательных аппаратов с двигателем хотят знать эту высоту, потому что выше очень ровные, спокойные условия. Человеческий глаз не способен эффективно определять расстояние до объекта. Мы это делаем путем сравнения относительных размеров. Облака, имеющие различные форму и размеры особенно слабо способствуют определению расстояния до них. Практически, опытный пилот, зная район полетов и метеорологию, по форме облаков, их размерам, расстоянию между ними может предположить базу облаков, но проще и точнее делать это методом точки росы.

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛАКОВ

В какой то момент времени поднимающийся воздух достигнет точки росы, имея 100% насыщения, тогда созрели условия для образования облаков. Но, интересная вещь, ему нужно что-то для реализации этих условий. Без "помощника" воздух может стать супернасыщенным, с относительной влажностью более 100%. Этим "помощником" являются мельчайшие частички, находящиеся в воздухе.

Эти мельчайшие частички называются частицами конденсации, потому что они подталкивают пары воды к конденсации вокруг себя, или частицами сублимации, если пар кристаллизуется в лед. Это можно наблюдать на холодном стекле зимой.

Частицами конденсации, вокруг которых образуются капельки, могут быть продукты сгорания, капельки серной кислоты и частички соли. Первые два вида - продукты загрязнения, последние - результат работы волн морских и океанских, бьющихся о берег. В роли частиц сублимации, на которых кристаллизуется лед, выступают также пыль и вулканическая пыль. Частички сублимации сравнительно крупные, и поэтому редко их заносит на высоты, где температура обеспечивает образование льда. Это объясняет, почему после извержения вулкана долго держится верхний уровень облаков.