Турбулентность. Болтанка

Как уже упоминалось, атмосферные движения часто носят неупорядоченный хаотический, вихревой, так называемый турбулентный характер. При этом зоны с выраженной турбулентностью обычно являются не сплошными возмущенными слоями, а прерывистыми — возмущенные участки чередуются спокойными. Толщина возмущенных слоев чаще всего не превышает 300—600 м, а их протяженность — 60—80 км. Но иногда турбулентность охватывает более мощные слои — толщиной до 2—3 км и протяженностью до 1000 км и более. Чем интенсивнее турбулентность, тем меньше тол­щина и протяженность турбулентного слоя атмосферы.

Продолжительность существования турбулентных зон составляет несколько часов и лишь в отдельных случаях — до суток. Турбулентности чаще наблюдается в нижних слоях атмосферы (до высоты 2—3 км). Выше (до высоты 6 км) она встречается редко, а затем по мере приближения к тропопаузе снова чаще. В стратосфере до высоты 15— 16 км, повторяемость турбулентности вновь уменьшается.

При полете в турбулентной зоне возникают добавочные хаотические ускорения, вызывающие вредные перегрузки. Движение самолета становится возмущенным, он совершает непрерывные колебания по вертикали, появляется болтанка.

Интенсивность болтанки характеризуется величинами максимальной перегрузки.

Интенсивность болтанки	Характеристика поведения самолета при болтанке	Величина макс. Перегрузки.
Слабая	Редкие колебания и вздрагивание самолета. Легкие броски вверх и вниз. Колебание Vy 2—3 м/с.	Менее ±0,2
Умеренная	Значительное дрожание самолета, резкие и частые броски вниз и вверх до 10— 15 м, колебания V до 10—15 км/ч. Режим полета сохраняется.	От ±0,2 до ±0,5
Сильная	Интенсивные частые и резкие броски самолета вверх и вниз до 20—40 м и более, сильное дрожание самолета, ощутимые динамические удары. Изменение V более, чем на 40 км/ч. Режим полета нарушается.	От ±0,5 до ±0,8

Действие перегрузок вызывает увеличение нагрузок на летчика, дополнительные напряжения на отдельных частях самолета, что ускоряет изнашиваемость материальной части, а в тех случаях, когда перегрузки превышают допустимые, самолет может попасть на срывные режимы или разрушиться в воздухе. С увеличением скорости полета эти перегрузки увеличиваются.

Турбулентность, вызывающая болтанку самолетов, связана с описанными выше горизонтальными течениями и, особенно, с вертикальными движениями воздуха (в частности, со слоем трения, особенно при интенсивном солнечном нагреве земли, со струйными течениями на высоте 8— 14 км, с тропопаузой, с горными районами как при восходящих, так и при нисходящих потоках)

 

 

Глобальная циркуляция атмосферы.

Распределение температуры, давления, влажности, ветра и т.п. в атмосфере Земли зависят как от местных и кратковременных условий, так и, прежде всего, от постоянно существующих общепланетных движений крупных воздушных масс, из которых слагается общая атмосферная циркуляция.

Общая циркуляция атмосферы обусловлена главным образом неравномерным притоком солнечной энергии на различные широты, отклоняющим действием вращения Земли и неоднородностью земной поверхности (ее расчлененностью на материки и океаны). Под воздействием указанных факторов в каждом полушарии в тропосфере возникает целый ряд отдельных циркуляций (колец), взаимно связанных друг с другом.

В Северном полушарии одно из наиболее очевидных вертикальных колец циркуляции имеет место между экватором и субтропическими широтами (широта 25–40°).

У экватора вследствие силь­ного нагревания воздух подни­мается в верхние слои тропосферы и оттуда в виде южных пото­ков, называемых антипассатами, движется к северу. Под воздейст­вием отклоняющей силы враще­ния Земли южное направление антипассатов сменяется юго-за­падным и на широте около 30° оно принимает западное направ­ление. Здесь воздух накаплива­ется и, опускаясь вниз, обра­зует пояс высокого давления, расчлененный на отдельные ан­тициклоны, что обусловлено наличием материков и океанов. В нижних слоях от широты 30—33° наблюдаются потоки воздуха к экватору, называемые пассатами. Пассаты вначале имеют северное направление, а по мере удаления к югу становятся северо-восточными. Они наблюдаются круглый год. Их скорость составляет 5—6 м/сек, а вертикальная мощность в среднем 4000 м.

Опускающийся в субтропиках воздух оттекает не только к эк­ватору, но и направляется к северу в виде юго-западных потоков. На широте около 40—50° он встречается с воздушными течениями умеренных широт и образует замкнутое кольцо циркуляции.

Воздух умеренного пояса имеет два слабо выраженных кольца циркуляции. На широте около 70—75° он встречается с сильно выхоложенными воздушными потоками, направленными от Север­ного полюса к югу. Северный холодный воздух в свою очередь образует отдельное замкнутое кольцо циркуляции.

По новейшим исследованиям циркуляция атмосферы не огра­ничивается только тропосферой. Установлено, что различные слои атмосферы физически взаимосвязаны и между ними имеет место вертикальный воздухообмен. Предполагается наличие целой си­стемы колец стратосферной, мезосферной и термосферной циркуляции, смыкающихся с кольцами тропосферной циркуляции.

В нижней тропосфере в ме­стах смыкания колец циркуляции встречаются разнородные воздушные течения, отделяющиеся друг от друга узкими переходны­ми зонами. В них формируются циклоны и антициклоны, которые вместе с локальным нагревом, рельефом и другими факторами существенно изменяют схему общей циркуляции атмосферы, при­давая ей сложный, переменный хаотический характер. В связи с этим приве­денная схема общей циркуляции атмосферы обнаруживается лишь на многолетних кли­матических картах среднего распределения давления и преобла­дающих направлений ветров. Более точная модель атмосферы до сих пор отсутствует.

Струйные течения.

Одним из проявлений глобальной циркуляции являются струйные течения. Они простираются на тысячи километров в длину, сотни километров в ширину и несколько километров в высоту. Ось струйного течения с максимальной скоростью ветра чаще всего располагается на 1–2 км ниже тропопаузы, скорость ветра в них превышает 100 км/ч.

Тропосферные струйные течения подразделяются на внетропические и субтропические.

Наиболее интенсивными и устойчивыми по времени являются субтропические струйные течения, которые в холодное время года в полосе 25—40° с. ш. могут опоясывать весь земной шар. Здесь максимальные скорости ветра могут достигать более 300 км/ч (достигают 750 км/ч).

Внетропические струйные течения (арктические и умеренных широт) отличаются большой подвижностью, а интенсивность их подвер­гается непрерывным изменениям. Преобладающим направлением струйных течений является с запада на восток, однако в умеренных широтах они часто изгибаются. Их скорости вблизи оси не превышают 300 км/ч. В холодное время года интенсивность струйных течений усиливается.

Воздушные массы

Упоминающиеся большие объемы воздуха в тропосфере, обладающие одинаковыми свойствами основных метеорологических элементов и перемещающиеся в одномиз течений общей циркуляции атмосферы называются воздушными массами. Воздушные массы могут иметь площадь в сотни тысяч и миллионы ква­дратных километров, а высота их лежит в пределах от 1—2 км (т.е., в свободной атмосфере) до уровня тропопаузы.

Воздушные массы подразделяются на теплые и холодные, устойчивые и неустойчивые. Теплой называется воздушная масса, имеющая более высокую температуру, чем подстилающая поверхность, на которую она распространяется. Такая масса вызывает потепление. Холодной называется воздушная масса, температура которой ниже температуры подстилающей поверхности. Такая масса вызывает похолодание.

Устойчивой называется воздушная масса, в ко­торой нет условий для развития восходящих движений воздуха (конвекции). Вертикальные движения могут воз­никать лишь в виде динамической турбулентности при го­ризонтальном движении воздуха. К такой воздушной мас­се обычно относятся теплые массы.

Неустойчивой называется воздушная масса, в ко­торой есть условия для развития восходящих движений воздуха (конвекции). К неустойчивым обычно относятся холод­ные массы.

По общей географической классификации воздушные массы различаются в зависимости от положения очага их формирования с учетом характера подстилающей поверхности (океан или материк). При этом выделяют следующие основные типы воздушных масс:

— арктический воздух (АВ): морской (мАВ) и континентальный (кАВ);

— умеренный воздух (УВ): морской (мУВ) и континентальный (кУВ);

— тропический воздух (ТВ): морской (мТВ) и континентальный (кТВ);

— экваториальный воздух (ЭВ).

Метеорологические условия в воздушных массах раз­личного географического типа зависят от времени года, от их влагосодержания и, главным образом, от того, над ка­кой подстилающей поверхностью (теплой или холодной) они перемещаются, выйдя из очага своего формирова­ния (т. е. приобретают они устойчивость или неустойчивость).

Атмосферные фронты.

Атмосферными фронтами называются сравнительно узкие переходные зоны, расположенные на границе между двумя разнородными воздушными массами. При пересечении атмо­сферных фронтов обычно наблюдаются значительные из­менения направления и скорости ветра, температуры, облачности и других метеорологических элементов.

В зависимости от направления движения фронты подразделяются на теплые и холодные.

Теплый фронт — атмосферный фронт, перемещающийся в сторону холодного воздуха. При движении фронта теплый воздух догоняет отступающий холодный и по его клину скользит вверх. В результате теплый воздух адиабатически охлаждается, и над фронтальной поверх­ностью впереди линии фронта образуется система слоистообразных облаков с зоной обложных осадков (рис. 1.13),  захватывающая полосу до 300—400 км. В связи с этим при прохождении теплого фронта наблюдаются низкая облачность и ограниченная видимость. Летом, если теплым воздухом является влажный мТВ, на фронте могут развиваться кучево-дождевые облака и грозовая деятельность.

Холодные фронты — атмосферные фронты, перемещающиеся в сторону теплого воздуха. Скорость движения холодного воздуха у земли больше скорости отступающего теплого воздуха, вследствие чего клин холодного воздуха вторгается под теплый, вытесняя его вверх.

В зависимости от скорости движения, характера восходящих движений теп­лого воздуха, а также от расположения зон облачности и осадков относительно фронтальной поверхности холодные фронты подразделяются на холодный фронт 1-го рода (медленно движущийся фронт) и холодный фронт 2-го рода (быстро движущийся фронт).

Холодный фронт 1-го рода располагается в легко выраженных ложбинах и пересекается с изобарами под острыми углами. Клин холодного воздуха медленно подтекает под теплую воздушную массу, обусловливая ее постепенное упорядоченное восходящее скольжение вдоль фронтальной поверхности.

В результате за линией фронта (рис. 1.14) образуется обширная система слоистообразных облаков, летом дополняемая мощными кучево-дождевыми облаками, за фронтом переходящими в слоисто-дождевые, а затем в высоко-слоистые. Из кучево-дождевых облаков выпадают ливневые осадки, затем сменяющиеся обложными. Осадки, как и облака, покрывают большую зону.

Холодный фронт 2-го рода располагается в слабо выраженных ложбинах и пересекается с изобарами примерно под углом 90°. С холодным фронтом 2-го рода (рис. 1.15) связана узкая зона мощной кучево-дождевой облачности и интенсивных ливневых осадков, которая располагается в основном впереди фронта и обычно имеет ширину в не­сколько десятков километров.

Летом прохождение фронта сопровождается сильными шквалами, грозами, иногда градом. После прохождения фронта наступают быстрые прояснения, ветер ослабевает, и видимость улучшается до 10 км и более.

В холодное время года холодный фронт 2-го рода проходит часто без образования кучево-дожде­вой облачности и, следовательно, без опасных явлений, связанных с ней. Обычно образуются плотные слоисто-кучевые облака, сопровождающиеся умеренным снегопадом.

В случаях, когда холодный фронт догоняет теплый (что бывает в циклонических ВМ), два фронта смыкаются, и возникает фронт окклюзии. Различают два основных типа фронтов окклюзии: теп­лый и холодный.

Теплый фронт окклюзии (рис. 1.16) образуется в том случае, когда менее холодная воздушная масса догоняет более холодную. На линии фронта образуется многослойная облачность, подобно теплому фронту.

Холодный фронт окклюзии (рис. 1.17) образуется в том случае, когда более холодная воздушная масса догоняет менее холодную. Такой фронт имеет характер обычного холодного фронта.

 

Влажность

Влажность воздуха — содержание в нем водяного пара. Ее характеристиками являются:

абсолютная влажность а — количество водяного пара (в г) в 1 м³ воздуха;

насыщающий (насыщенный) пар А — количество пара (в г), необходимое для полного насыщения единицы объема (его упругость обозначается буквой Е);

относительная влажность R — отношение абсолютной влажности к насыщающему пару, выраженное в процентах (R=100% × а/А);

точка росы — температура, при которой воздух достиг бы состояния насыщения при данном влагосодержании и неизмененном давлении.

В экваториальной зоне и субтропиках абсолютная влажность у земли достигает 15 – 20 г/м³. В умеренных широтах летом — 5 – 7 г/м³, зимой (а также в Арктическом бассейне) она уменьшается до 1 г/м³ и ниже. С высотой содержание водяного пара в воздухе быстро падает. Влажность оказывает влияние на изменение температуры воздуха, а также на процесс образования облаков, туманов, осадков.

Облачность

Наряду с процессом испарения воды в атмосфере проис­ходит и обратный процесс — переход водяного пара при понижении температуры в жидкое или непосредственно в твердое состояние. Первый процесс называется конденсацией, второй — сублимацией.

Понижение температуры происходит адиабатически в поднимающемся влажном воздухе и приводит к конденсации или сублимации водяного пара, что и является главной причиной образования облаков. Причинами подъема воздуха в этом случае могут являться: 1) конвекция, 2) восходящее скольжение по наклонной фронтальной поверхности, 3) волнообразные движения, 4) турбулентность.

Кроме указанного, понижение температуры может произойти и вследствие радиационного выхолаживания (от излучения) верх­них слоев инверсий или верхней границы облаков.

Конденсация происходит только в том случае, если воздух насыщен водяным паром и в атмосфере имеются ядра конденсации. Ядрами конденсации являются мельчайшие твердые, жидкие и газообразные частицы, постоянно имеющиеся в атмосфере. Наиболее распространенными являются ядра, содержащие соединения хлора, серы, азота, углерода, натрия, кальция, причем наиболее часто встречающимися ядрами являются соединения натрия и хлора, обладающие гигроскопическими свойствами.

Ядра конденсации в атмосферу попадают главным образом из морей и океанов (около 80%) путем испарения и разбрызгивания их с водной поверхности. Кроме того, источниками ядер конденса­ции являются продукты горения, выветривания почв, вулканической деятельности и т. д.

В результате конденсации и сублимации в атмосфере образуются мельчайшие капельки воды (с радиусом около 50 мк) и кристаллики льда, имеющие вид шестигранной призмы. Скопление их в приземном слое воздуха дает дымку или туман, в вышележащих слоях облака. Слияние мелких облачных капель или нарастание ледяных кристаллов приводит к образованию различного рода осадков: дождя, снега.

Облака могут состоять только из капель, только из кристаллов и быть смешанными, т. е. состоять из капель и кристаллов. Водяные капли в облаках при отрицательных температурах находятся в переохлажденном состоянии. Капельножидкие облака в боль­шинстве случаев наблюдаются до температуры -12° С, чисто ледяные (кристаллические) — при температуре ниже -40° С, сме­шанные — от -12 до -40° С.

Облака характеризуются водностью. Водность — это количество воды в граммах, содержащееся в одном кубическом метре облака (г/м³). Водность в капельножидких облаках колеблется от 0,01 до 4 г в кубическом метре облачной массы (в отдельных случаях на­блюдается и более 10 г/м³). В ледяных облаках водность менее 0,02 г/м³, а в смешанных об­лаках до 0,2—0,3 г/м³. Не следует смешивать водность с влажностью.

Облака классифицируются:

- по высоте нижней границы на 3 (иногда 4) яруса,

- по происхождению (генетическая классификация) на 3 группы,

- по внешнему виду (морфологическая классификация) делятся на несколько форм:

Выделяются основные формы:

Кучевые облака представляют собой белые, серые, темно-серые отдель­ные образования в виде куч различной формы.

Перистые  — отдельные тонкие легкие облака белого цвета, прозрачные, волокнистой или нитевидной структуры имеют вид крючков, нитей, перьев или полос.

Слоистые облака  — представляют собой однородный серый покров, различной прозрачности.

Перисто-кучевые облака, представляющие собой мелкие белые хлопья или маленькие шарики (барашки), напоминающие комочки снега,

Перисто-слоистые  облака, имеющие вид белой пелены, затягивающей зачастую все небо, и придающие ему молочно-бе­лый оттенок.

Слоисто-кучевые облака серого цвета с темными полоса­ми — облачными валами.

Отмечаются также другие особенности внешнего вида (наличие волнистости, конкретные формы облака) и связь с осадками. Всего насчитывают 10 основных форм облаков и 70 их разновидностей.

Форма облаков определяется при их наблюдении в соответствие с принятой классификацией с помощью специально изданного Атласа облаков.

Облака, возникающие внутри воздушных масс, называются внутримассовыми, образующиеся на атмосферных фронтах – фронтальными, возникающие над горами при перетекании воздушными потоками препятствий (гор) – орографическими.

 

Группы	Процесс образования	Ярус
		Нижний (0 – 2000м). Облака вертикаль-ного развития.	Средний  (2000 – 6000 м).	Верхний (выше 6000м).
Кучевообраз-ные	Конвекция при наличии задерживающего слоя.	Кучевые (плоские облака).	Высококучевые: - хлопьевидные; - башенкообразные.	Перисто-кучевые хлопьевид-ные
	Вертикального развития: вторжение холодного воздуха под теплый.	Кучево-дождевые. Мощные кучевые (верхняя граница – до тропопаузы).
Слоисто-образные	Восходящее скольжение теплого воздуха вдоль пологих фронтальных разделов или по холодной подстилающей поверхности.	Слоисто-дождевые. Разорвано- дождевые (слоистые или слоисто-кучевые)	Высоко-слоистые: - тонкие. - плотные	Перистые.   Перисто-слоистые
Волнистые	Надинверсионные: восхо-дящее скольжение теплого воздуха по слою инверсии со слабым наклоном.	Слоисто-кучевые плотные	Высоко-кучевые плотные	Перисто-кучевые волнисто-образные
	Подинверсионные: турбулентность, излучение, смешение в пограничном слое.	Слоисто-кучевые просвечивающие.   Слоистые	Высоко-кучевые просвечивающие: - волнистые, - грядами, - чечевицеобразные

 

 

 

 

При указании высоты верхней и нижней границ облаков нужно иметь в виду, что они могут быть как достаточно четкие, так и чрезвычайно размытые. Особенно опасен переходный предоблачный слой, достигающий 200 м у под подинверсионными облаками.

В отдельную группу следует выделить искусственные перистые облака, возникающие за летящим самолетом в верхней тропосфере. Их называют конденсационными (иногда инверсионными) следами. Возникают они в результате сублимации водяного пара, содержащегося в выхлопных газах двигателя.