Земля окружена толстым слоем воздуха - атмосферой. С высотой воздух становится все более разреженным, менее плотным. У поверхности Земли, на уровне моря, один кубический метр воздуха весит при 0 градусов около 1,3 килограмма; а на высоте 25 километров над земной поверхностью кубический метр воздуха весит уже в тридцать с лишним раз меньше.
Простые модели были разработаны Бенешем и Мессиной и др. для моделирования концентраций загрязняющих веществ в городских перекрестках. Эти модели включают модифицированные уравнения гауссова плюма, чтобы попытаться воспроизвести поля концентрации в сложных условиях. Ошибки в симулированных кратковременных концентрациях могут быть большими. Это неудивительно, поскольку метеорологические условия на перекрестке, и особенно в уличном каньоне, не являются однородными; следовательно, трудно получить репрезентативные значения направления ветра, скорости ветра и стабильности.
Хотя толщина земной атмосферы достигает многих сотен километров, но по сравнению с объемом земного шара она совсем не велика.
Нижний слой атмосферы, в пределах от 9 до 18 километров над поверхностью Земли, называется тропосферой. В этом слое находится более 3/4 по весу воздуха. Верхние слои называют стратосферой и ионосферой.
Более того, большие градиенты концентрации, которые могут возникать в уличном каньоне из-за сложности воздушного потока, затрудняют экстраполяцию результатов для оценки «типичного» воздействия на человека. Очень мало моделей компьютерного моделирования были разработаны для уличных каньонов из-за сложности геометрии здания и потока ветра. Вихрь воздушного потока ожидается, когда поток выше высоты здания перпендикулярен к оси каньона, как показано схематически на рисунке 4. Воздух перемещается вниз по наветренной стороне каньона, возвращаясь, когда он приближается к улице в направлении, противоположном направление воздушного потока над крышей и поднимается на подветренную сторону.
Воздух, как и все предметы, имеет вес; он давит на Землю и на всех, живущих на ней, с большой силой; эта сила у поверхности Земли равна примерно одному килограмму на каждый квадратный сантиметр площади тела.
С высотой давление воздуха постепенно уменьшается. Но и у поверхности Земли, как мы увидим далее, атмосферное давление никогда не бывает постоянным, оно всегда меняется.
В ситуациях, когда проблема потока ветра может быть аппроксимирована двумерно, были предприняты некоторые численные подходы. Модель предсказала уменьшение концентрации от источника линии на подветренной стороне каньона, но линейное уменьшение концентрации с высотой на наветренной стороне. Соботта и Лейзен модифицировали подход Джонсона и др. чтобы концентрация могла увеличиваться от источника линии на наветренной стороне.
Чок предположил усовершенствования модели Джонсона, позволив ограничить концентрацию левардрида не только функцией длины пути от точки, ближайшей к источнику линии вдоль траектории потока к рецептору, но также функцией близости траектории к источнику, Ямартино и Виганд описал поля потока и турбулентности в уличном каньоне, используя простую гауссову модель линейного источника после поля потока с зависящими от времени коэффициентами. Они обнаружили, что концентрации были выше на подветренной стороне каньона, чем наветренная сторона из-за наличия вихря.
Давление воздуха, равное давлению, которое оказывает при 0 градусов столб ртути высотой в 760 миллиметров, называется нормальным атмосферным давлением. Это давление равно 1,0336 килограмма на квадратный сантиметр.
В метеорологии давление воздуха принято измерять в миллибарах. Один миллибар равен примерно давлению, которое оказывает один грамм на поверхность одного квадратного сантиметра. Нормальное атмосферное давление равно примерно 1000 миллибар.
Лейзен и Соботта также заметили, что дисперсия из-за турбулентных потоков, возникающих вокруг зданий и движущихся транспортных потоков, была больше, чем дисперсия, создаваемая в атмосфере природными средствами. Николсон разработал микрометеорологический подход к воздушному потоку в двумерном уличном каньоне. Она сравнила свои результаты с данными из Франкфурта, Западной Германии и Мэдисона, штат Висконсин. Кроме того, Хочкисс и Харлоу попытались провести численное моделирование потока уличных каньонов.
Хотя эти исследования были способны воспроизвести качественные особенности воздушного потока в уличном каньоне, не было сделано попыток экстраполировать эти методы на другие ситуации. Качество воздуха, связанное со сложными источниками, слабо представлено с помощью простых методов моделирования. Лучшим, хотя и ограниченным, методом оценки воздействия таких диффузных источников может быть физическое моделирование. Их модель уличного каньона включала масштабированные, движущиеся «автомобили», которые могли излучать различные трассировки для визуального или эмбиентного исследования.
Метеорология - наука об атмосфере и происходящих в ней явлениях, преимущественно физических. В более узком понятии - зто наука о погоде и ее изменениях.
Атмосфера никогда не находится в покое. Всюду - у полюсов и под тропиками, внизу, у поверхности Земли, и вверху, там, где плывут облака,- воздух находится в движении.
Движение воздуха, окружающего Землю, и называют ветром.
Транспортировка и дисперсия тепла от проводов сопротивления были измерены как суррогат для автомобильных выбросов. Они обнаружили, что добавление двух крупных зданий в их домен может значительно снизить концентрацию на уровне земли. Хойдыш и Чиу исследовали поток в уличных каньонах с использованием трассирующего газа, выпущенного на линейном источнике уличного уровня. Они пришли к выводу, что поток протекает или конвекция доминирует, в зависимости от компонента бокового ветра на улице. Они обнаружили, что разбавление загрязняющих веществ в уличном каньоне контролируется средним воздушным потоком через каньон, а не диффузией турбулентности.
Что же вызывает движение воздуха в атмосфере? Почему дуют ветры?
Чтобы хорошо уяснить себе причину ветра, вспомните всем известное явление. Когда зимой вы открываете дверь из натопленной комнаты на улицу или в более холодную комнату, понизу устремляется в теплую комнату холодный воздух. Одновременно с этим поверху будет выходить наружу теплый комнатный воздух. Убедиться в этом легко. Зажгите свечу или спичку и поместите ее у открытой двери - сначала внизу, у порога, а затем - вверху (рис. 1). Внизу пламя свечи будет заметно отклоняться потоком холодного воздуха в комнату, а вверху, наоборот, поток теплого воздуха, идущего из комнаты, отклонит пламя свечи наружу, из комнаты.
Обзор потенциала воздействия для косвенных источников требует методов оценки транспорта и дисперсии, связанных, например, с остановками грузовиков, автостоянками торговых центров и перекрестками. Как правило, для этого анализа требуются оценки количества стоящих в очереди автомобилей, коэффициенты выбросов на холостом ходу и описание геометрии плотности выбросов. Транспорт и дисперсия затем оцениваются с использованием приближений гауссовского линейного источника. Хотя в таких ситуациях существует потенциал для краткосрочного облучения, имеется мало полных данных, позволяющих оценить перенос этих загрязнителей.
Почему это так происходит?
А вот почему. Если взять два одинаковых объема воздуха, но различно нагретые, то более холодный объем воздуха будет всегда более плотным, а значит, и более тяжелым. Нагреваясь, воздух, как и все тела, расширяется, становится менее плотным и более легким. Когда мы открываем дверь на улицу, более холодный и более плотный наружный воздух устремляется в теплую комнату, вытесняя менее плотный и более легкий комнатный воздух кверху.
Градиентный ветер при круговых изобарах
Например, учитывая возможность того, что водители грузовиков, находясь во время сна в своих кабинах, могут подвергаться долгосрочным воздействиям загрязняющих веществ из дизельных выхлопов, также следует изучить изучение транспорта и дисперсии с автомобилей на холостом ходу.
Таким образом, исследования транспорта и рассеяния загрязняющих веществ из сложных городских ситуаций страдают от отсутствия достоверных данных и уникальности каждой ситуации. Уличные каньоны, в частности, создают особые проблемы из-за сложной природы потоков ветра относительно конкретных геометрий зданий. Компьютерное моделирование воздушного потока в городских уличных каньонах потребует подробных описаний уравнений движения и будет очень дорогостоящим. Физическое моделирование может быть адаптировано к интересующей области исследования и модифицировано для представления конкретных атмосферных тепловых структур.
Как более тяжелый, наружный воздух входит в комнату понизу, располагается в комнате в нижних слоях, у пола. Вытесняемый холодным тяжелым воздухом теплый воздух поднимается вверх и уходит из комнаты наружу через верхнюю часть открытых дверей.
Этот пример позволит нам понять причины движения воздуха в атмосфере.
Солнечное тепло, падающее на Землю, нагревает прежде всего ее поверхность. Атмосфера поглощает только незначительную часть солнечной тепловой энергии. От нагретой поверхности земного шара нагреваются нижние, соприкасающиеся с ней слои воздуха. Теплые слои воздуха перемешиваются с холодными, отдают им свое тепло; так происходит нагревание воздуха.
Хотя этот подход также является довольно дорогостоящим, это разумный способ оценить потенциальные или существующие очаги загрязнения на городских перекрестках. Транспортировка и рассеивание загрязняющих веществ в уличных каньонах и парковочных сооружениях настолько изменчива, что маловероятно, что обобщения будут полезными. Тем не менее, лучшее определение транспорта и дисперсии загрязняющих веществ в таких сложных ситуациях имеет высокий приоритет. Рекомендуется изучить эту проблему с использованием трассировщиков и разработать экологически безопасные и легко измеряемые индикаторы.
Таким образом, чем сильнее нагревается Солнцем земная поверхность, тем сильнее нагревается и воздух, лежащий над ней.
Но как нагревается поверхность Земли Солнцем? Далеко не одинаково. Это связано прежде всего с тем, что в разное время года и в разных климатических поясах.
В идеальном случае система отбора проб индикаторов будет переносной и использовать дистанционное зондирование. Выпуск трассировщика, который можно отслеживать через каньон в различных условиях, создаст новую полезную информацию, с помощью которой можно оценить обоснованность обобщений потока. Портативная система может использоваться на нескольких сайтах для оценки отклонений между сайтами от обобщений потоков.
Сайты для этой программы должны включать в себя городские ущелья, парковочные сооружения и другие сложные среды, например, где звукоизолирующие барьеры на дорогах и покрытые дорожные разрезы влияют на движение воздуха. Совместно с разработкой технологии трассировки особое внимание следует уделять совершенствованию средств аэродинамической трубы для удовлетворения потребностей недорогого моделирования многих различных сложных установок с различными атмосферными условиями. Учитывая уникальность каждой городской установки, физическое моделирование может удерживать наилучшую надежду на выявление потенциальных горячих точек загрязняющих веществ из-за сложных поверхностных потоков.
Земли Солнце поднимается над горизонтом по-разному. Чем выше Солнце стоит над горизонтом, тем более приходится солнечного тепла на одну и ту же площадь поверхности Земли (рис. 2).
Благодаря шарообразной форме Земли на экваторе и близ него лучи Солнца падают круто, в полдень почти отвесно. В странах умеренного климата солнечные лучи падают на земную поверхность уже значительно более полого. А в полярных странах и на полюсах солнечные лучи лишь как бы скользят по земной поверхности - Солнце поднимается над горизонтом сравнительно невысоко. Более того, зимой Солнце здесь совсем не появляется над горизонтом: стоит длинная полярная ночь.
Городской транспорт и дисперсия
Преимущество физического моделирования заключается в том, что может быть возможно определить физические изменения в настройках, которые уменьшат воздействие человека на загрязняющие вещества. Моделирование городского транспорта и дисперсия загрязняющих веществ, связанных с транспортными средствами, ограничено отсутствием наблюдений за ветром, кроме ежечасных измерений на поверхности и двухчасовых измерений в верхней атмосфере. Как правило, воздушный поток над городской зоной плохо описывается измерениями приземного ветра, а наблюдение за верхним воздухом производится на станциях, расположенных примерно на расстоянии 400 км друг от друга.
По этой же причине изменяется температура поверхности Земли в течение суток. Днем, когда Солнце находится высоко в небе, поверхность Земли нагрета сильнее всего, вечером же, когда Солнце уходит за горизонт, Земля начинает остывать, а ночью и утром температура ее падает еще ниже.
Транспортировка загрязняющих веществ по городской местности зависит, в частности, от ветра в региональном масштабе. Даже когда региональные ветры сильны, поток на поверхности изменяется при контакте с поверхностью. Когда региональный поток является легким, поток на поверхности обычно изменяется неоднородными поверхностными характеристиками, как физическими, так и тепловыми. Неоднородности потока ветра, которые представляют интерес для городского транспорта, представляют собой те, которые имеют место выше высоты здания.
Гудин и др. использовали плотную сеть метеорологических измерений для объективного описания трехмерного потока ветра в бассейне Лос-Анджелеса. Их оценки включали местную методику рельефа местности и последовательные решения уравнения дивергенции для уменьшения аномальной дивергенции в полном поле.
Рис. 3. Ход Солнца на небесном своде: вверху - за полярным кругом, в середине - в странах умеренного климата и внизу - на экваторе
Кроме того, неравномерный нагрев земной поверхности объясняется тем, что различные участки поверхности нагреваются Солнцем и охлаждаются различно. Особенное значение имеет способность воды и суши различно нагреваться и охлаждаться.
Транспортировка загрязняющих веществ в городских районах также описана с помощью анализа траектории. Лурманн использовал наземные наблюдения за направлением и скоростью ветра, чтобы рассчитать транспортный путь через бассейн Лос-Анджелеса. Отсутствие наблюдаемых ветров над поверхностью может привести к значительным ошибкам в расчетном пути воздуха. Лю и Сейнфельд оценили неопределенность, наложенную на расчеты траектории в масштабе города, воздействием сдвига ветра и горизонтальной дисперсии. Чанг и Норбек обнаружили, что включение поправок сдвига ветра в траектории оценки входа источника значительно улучшило прогнозы фотохимических моделей, поскольку источники выбросов загрязняющих веществ были неоднородными.
Суша быстро нагревается до более высокой температуры, но быстро и остывает. Вода же (особенно в морях и океанах) благодаря постоянному перемешиванию нагревается очень медленно, но зато сохраняет свое тепло значительно дольше, чем суша. Объясняется это тем, что теплоемкость воды и суши различна (теплоемкостью называется количество тепла, необходимое для нагревания тела на один градус).
Многочисленные эксперименты с трассером и тетронами показали, что при некоторых условиях траектории воздушных посылок могут значительно варьироваться в зависимости от высоты. Борнштейн использовал гидродинамическую модель для описания ожидаемого ветрового поля над столичной областью Нью-Йорка. Хотя их результаты не были применены к проблеме качества воздуха в городах, они представляют собой разумную альтернативу для разреженных данными регионов, где методы объективного анализа не являются адекватными.
Кин и др. диагностировал трехмерные поля течения, связанные с циркуляцией озерного бриза в районе Чикаго. Они смогли продемонстрировать потенциал возвращения, через циркуляцию озерного бриза, загрязняющих веществ, перемещаемых над озером. Вертикальные циркуляции, такие как те, которые связаны с озером или морским бризом, обычно не будут диагностированы методами статической пространственной интерполяции. Развитие гидродинамических моделей помогло понять сложные трехмерные ветровые поля над городскими районами.
По-разному нагреваются под лучами Солнца и различные участки суши. Например, черная голая земля нагревается значительно сильнее, чем, скажем, зеленое поле. Сильно нагревается Солнцем песок и камень, много слабее - лес и трава.
Способность различных участков земли по-разному нагреваться под лучами Солнца зависит также от того, какая доля падающих на поверхность лучей поглощается поверхностью и какая отражается. Различные тела имеют различную отражательную способность. Так, снег усваивает лишь 15 процентов солнечной энергии, песок - 70 процентов, а вода отражает только 5 процентов и поглощает 95 (рис. 4).
От различно нагретых участков земного шара по-раз- ному нагревается и воздух. Насколько различно количество тепла, получаемое воздухом в разных местах, видно из такого примера. В пустыне воздух получает от нагретого песка в 130 раз больше тепла, чем получает воздух от воды в море, находящемся на одной широте с пустыней.
Но различно нагретый воздух имеет, как уже говорилось, и различную плотность. Это создает в разных местах различное атмосферное давление: там, где воздух менее нагрет и, значит, более плотный, атмосферное давление выше; наоборот, где воздух нагрет сильнее и, следовательно, более разрежен, давление воздуха ниже.
А воздух с более высоким давлением всегда стремится двигаться туда, где имеется более низкое атмосферное давление, подобно тому, как вода всегда течет от более высокого уровня к более низкому. Так и возникает в природе ветер.
Постоянное движение воздуха создает разность температур и давлений в атмосфере, что связано с неравномерным нагреванием земного шара Солнцем.
Таким образом, ветер в природе возникает за счет энергии солнечных лучей.
На рисунке 5 мы приводим упрощенную схему главных воздушных течений. Как видно из схемы, даже в простейшем виде движение воздушных масс над Землей представляет собой довольно сложную картину.
У экватора благодаря сильному нагреванию поверхности наблюдается постоянное пониженное давление воздуха. Сюда текут воздушные потоки с севера и с юга и создают постоянные ветры - пассаты. Эти ветры отклоняются под влиянием вращения Земли. В северном полушарии, если смотреть по тому направлению, куда дует пассат, ветер отклоняется вправо, в южном - влево. На высоте 3-7 километров в этих областях дуют антипассаты - ветры обратных направлений. У самого экватора находится зона затишья.
По мере удаления от экватора антипассаты все сильнее отклоняются от своего направления к полюсам.
Примерно на широте 30 градусов)по обе стороны от экватора наблюдаются полосы затишья; в этих районах притекающие от экватора воздушные массы (антипассаты) опускаются и создают областц повышенного давления. Именно здесь и зарождаются пассаты.
Отсюда же внизу дуют ветры по направлению к полюсам. Ветры эти - преобладающие западные; по сравнению с пассатами они значительно более изменчивы.
Старые моряки называют области между 30 и 60 градусами областями "западных штормов".
Полосы затишья около 30 градусов широты называют иногда конскими широтами. Здесь преобладает ясная погода при высоком атмосферном давлении. Это странное название сохранилось еще с тех времен, когда мореплаватели ходили на парусных кораблях, и относилось только к району около Бермудских островов. Многие корабли перевозили лошадей из Европы на острова Вест-Индии. Попадая в полосу затишья, парусники теряли возможность двигаться. Нередко при этом моряки оказывались в тяжелых условиях. Истощались запасы воды, от жажды в первую очередь погибали лошади. Выброшенные за борт трупы лошадей долго носились волнами.
Ветры, дующие от полюсов, часто называют полярными восточными ветрами (см. рис. 5).
Рис. 5. Упрощенная схема главных воздушных течений
Описанная нами картина главных воздушных течений над Землей еще более усложняется постоянными ветрами, возникающими благодаря неравномерному нагреванию воды и суши.
Мы уже говорили о том, что суша нагревается и охлаждается быстрее, чем вода. Благодаря этому за день суша успевает нагреться значительно сильнее, чем вода: ночью же, наоборот, вода охлаждается медленнее, чем суша.
Поэтому днем над сушей воздух нагревается сильнее; нагретый воздух подымается вверх и увеличивает там атмосферное давление. Потоки воздуха (примерно на высоте 1 км) устремляются к воде, и над водной поверхностью устанавливается повышенное атмосферное давление. В результате этого внизу с воды начинает дуть свежий ветер - бриз (рис. 6).
Рис. 6. Схема дневного бриза
Но вот наступает ночь. Суша быстро охлаждается; охлаждается и прилегающий к ней воздух. Холодный воздух, уплотняясь, опускается. Его давление в верхних слоях уменьшается. В то же время вода остается долгое время теплой и нагревает находящийся над ней воздух. Подсчитано, что охлаждение 1 кубического метра морской воды на один градус дает такое количество тепла, которого достаточно для нагревания на один градус более 3 тысяч кубических метров воздуха! Нагреваясь, воздух поднимается кверху и создает там повышенное атмосферное давление. В результате вверху начинает дуть ветер на берег, а внизу дует материковый бриз - с суши к воде (рис. 7).
Рис. 7. Схема ночного бриза
Такие береговые ветры известны всем, кто живет на берегу больших озер или морей. Хорошо известны, например, бризы на Черном, Азовском и Каспийском морях; так, в Сухуми бризы бывают круглый год. Бризы дуют и на больших озерах, на таких, как Севан, Иссык-Куль, Онежское и другие. Наблюдают бризы и на берегах больших рек, например, на Волге у Саратова, на ее высоком правом берегу.
Бризы не распространяются далеко. Это - чисто местные ветры. Неравномерное нагревание воды и суши в береговых районах морей и океанов создает ветры, аналогичные бризам. Это - так называемые муссоны.
Муссоны - сезонные ветры, они дуют полгода в одном направлении, полгода в другом. Они дуют благодаря различному нагреванию и охлаждению морей и материков в зимнее и летнее время. Летом воздух над материком нагревается намного сильнее, чем над морем. Наоборот, зимой воздух над морем (океаном) оказывается более теплым, чем воздух над материком. Объясняется это тем, что летом материки нагреваются сильнее, а зимой охлаждаются сильнее, чем вода, в то время как море, более холодное летом, зимой становится теплее суши.
Большая теплоемкость воды позволяет океану хранить в себе с лета огромные запасы тепла.
Таким образом, летом материки как бы нагревают атмосферу, а моря и океаны - охлаждают ее. Зимой положение меняется: "атмосферными печками" становятся моря, а "холодильниками" - материки.
По этой причине и дуют муссоны; зимой - с суши на море, а летом с моря на материк.
Муссоны наблюдаются во всех климатических поясах, даже на берегах Северного Ледовитого океана. На направление муссонов также влияет вращение Земли. Наиболее ярко выражены муссоны в Индии.
Наконец, для общей характеристики воздушных течений необходимо сказать и об атмосферных вихрях - циклонах.
Воздушные течения, о которых мы говорили выше, связаны с перемещением в атмосфере громадных объемов воздуха - воздушных масс. Воздушной массой принято называть такие объемы воздуха, которые сохраняют некоторое время свои определенные свойства. Так, например, воздушная масса, идущая из Арктики, несет с собой низкую температуру и сухой прозрачный воздух.
Поверхность раздела двух различных воздушных масс называют фронтом. По обе стороны фронта часто резко различны температура воздуха, скорость ветра и т. д. Поэтому, когда над каким-либо местом проходит фронт, то в этом районе обычно резко меняется погода.
Когда две соседние воздушные массы, имеющие разную температуру (а значит, и разную плотность воздуха), движутся с различной скоростью, или когда они перемещаются друг относительно друга вдоль фронта (рис. 8 вверху) на пограничной поверхности воздушных масс, благодаря взаимодействию теплых и холодных масс воздуха, возникает волновое возмущение - на фронте образуется как бы воздушная волна. При этом холодный воздух подтекает под теплый, а теплый воздух в свою очередь начинает оттеснять холодный воздух. Начинается завихрение воздушных потоков. Волновое возмущение на фронте растет, поверхность раздела двух воздушных масс изгибается все более круто: так постепенно возникает все более сильное вихревое движение воздуха - циклон (см. рис. 8).
Рис.8. Схема образования и развития циклона
Имеется три главных фронта, где возникают циклоны: арктический, полярный и тропический. Арктический фронт является линией раздела арктического и полярного воздуха (северные широты). Полярный фронт разделяет полярный и тропический воздух (умеренные широты). Тропический фронт является линией раздела тропического и экваториального воздуха (южные широты).
Атмосферное давление в циклоне понижается к его центру. В центре циклона давление воздуха самое низкое. Если на карте местности, где развивается циклон, все точки с одинаковыми давлениями соединить линиями - например, одна линия соединит все точки с давлением 990 миллибар, другая - с давлением 995 миллибар и т. д.,- то окажется, что все такие линии в области циклона будут замкнутыми кривыми линиями (рис. 9). Такие линии называются изобарами. Изобара, находящаяся в центре этой области, будет соединять точки с самым низким давлением.
Благодаря такому распределению давлений в циклоне ветры дуют в нем от краев к центру, так, что образуется круг ветров, дующих против часовой стрелки.
Рис. 9. Изобары на карте погоды
Циклон перемещается в атмосфере; он приносит с собой резкое изменение ветра по направлению и по скорости. Средняя скорость движения циклонов 25-40 километров в час.
Помимо циклонов, т. е., иными словами, областей с пониженным давлением, в атмосфере возникают также области с повышенным давлением - антициклоны. Здесь давление воздуха повышается к центру.
Циклоны и антициклоны нередко захватывают очень большие пространства, простирающиеся на тысячи километров. Поэтому эти атмосферные возмущения оказывают заметное влияние на общую циркуляцию воздуха в атмосфере, в еще большей степени осложняют ее. Возникновение и смена различных ветров в умеренных широтах связаны главным образом с перемещением циклонов и антициклонов.
Очень сильные, ураганные ветры возникают в циклонических возмущениях, зарождающихся на тропическом фронте, над южными морями. Эти циклоны носят название тропических.
Ветер, то есть движение воздуха относительно земной поверхности, возникает вследствие неодинакового атмосферного давления в разных точках атмосферы. Так как давление меняется по вертикали и по горизонтали, то воздух обычно двигается под некоторым углом к земной поверхности. Но этот угол очень маленький. Поэтому, ветром, в основном, считают горизонтальное движение воздуха, то есть рассматривают лишь горизонтальную составляющую этого движения. Это объясняется тем, что вертикальная составляющая ветра обычно значительно меньше горизонтальной и становится заметной только при сильной конвекции или при наличии орографических препятствий, если воздух вынужден подниматься или стекать по склонам возвышенностей.
Воздушные массы – это большие объемы тропосферного воздуха, площадь которых соизмерима с площадью материков и океанов, которые имеют определенные физические свойства и для которых характерны незначительные горизонтальные изменения метеорологических величин и достаточно однородные условия погоды.
Структура ветра
Общее движение воздушного потока характеризуют скорость и направление ветра. В воздухе, который двигается, вследствие трения об земную поверхность, а также неравномерного его нагревания всегда имеет место турбулентность. Поэтому, в каждой точке пространства происходят быстрые изменения, как скорости, так и направления ветра. Такой характер движения воздуха называют порывистостью воздуха. Обычно под скоростью ветра имеют в виду сглаженную скорость, то есть среднюю скорость за тот или другой небольшой промежуток времени, на протяжении которого проводится его измерение. Действительная же скорость отдельных объемов воздуха, которая быстро меняется во времени, называется мгновенной.
Порывистость увеличивается над участками с большой шероховатостью: над пересеченной местностью, над отдельными холмами, лесом, что объясняется усилением турбулентности над такими участками. Относительно более равные потоки воздуха, без порывов, отмечаются в инверсиях. В то же время под слоем инверсии часто наблюдается усиление порывистости ветра.
Влияние препятствий на ветер
1. Всякое препятствие, которое стоит на пути ветра, изменяет поле ветра. Препятствия могут быть крупномасштабными, как горные хребты, и мелкомасштабными, как дома, дерева, лесные полосы. Воздушные массы или огибают препятствие по бокам, или переваливает через него сверху. Чаще происходит горизонтальное обтекание. Перетекание происходит тем легче, чем неустойчивее стратификация воздуха, то есть чем больше вертикальный градиент температуры в атмосфере. Перетекание воздуха через препятствия приводит к очень важным следствиям, как увеличение облаков и осадков на наветренном склоне горы при восходящем движении воздуха и, наоборот, рассеяние облачности на подветренном склоне при нисходящем движении.
Обтекая препятствие, ветер перед ним слабеет, но с боковых сторон усиливается, в особенности у выступов препятствий (углы домов, мысы береговой линии). За препятствием скорость ветра уменьшается, там создается ветровая тень. Очень существенно усиливается ветер при движении между двумя горными хребтами. При продвижении воздушного потока его поперечный разрез уменьшается. Так как сквозь меньший разрез должно пройти столько же воздуха, то скорость ветра возрастает. Этим объясняются сильные ветры в некоторых районах. Например, усиление ветра между высокими островами и даже на городских улицах.
2. Влияние полезащитных лесных полос на микроклиматические условия полей связаны в первую очередь с ослаблением ветра в приземных слоях воздуха, которые создаются лесной полосой. Воздух перетекает поверх лесной полосы и, кроме того, скорость его слабеет при прохождении его сквозь просветы в полосе. Поэтому непосредственно за полосой скорость ветра увеличивается. С удалением от полосы скорость ветра увеличивается. Однако начальная скорость ветра восстанавливается только на расстоянии, равном 40–50-кратной высоте деревьев полосы, если полоса не сплошная. Влияние сплошной полосы распространяется на расстояние, которое равняется 20-30-кратной высоте деревьев.
Градиентная сила
Всякое движение возникает под действием какой-нибудь силы. Сила, которая приводит в движение воздух, возникает при наличии разности давления в двух точках пространства. Разность давления по горизонтали характеризуется горизонтальным градиентом давления. Поэтому, эта сила называется движущей силой горизонтального градиента давления, иначе, градиентной силой.
Выделим в пространстве между двумя изобарическими поверхностями с давлением Р и Р+1 единичный объем воздуха (1 см 3). Условием равновесия этого объема есть равенство противоположно направленных сил.
G г теплый воздух
холодный 1000 мб
Изобарические поверхности наклонены под небольшим углом к земной поверхности. Это происходит вследствие того, что в холодном воздухе давление уменьшается с высотой быстрее, чем в теплом. Положение изобарических поверхностей зависит не только от давления, но и от температуры.
На выделенный объем действуют сила тяжести и силы давления. Равнодействующей сил давления есть сила полного градиента давления G, которая направлена перпендикулярно изобарическим поверхностям от высокого давления к низкому и приложена к центру тяжести объема.
Разложим силу полного градиента на горизонтальную и вертикальную составляющую. Вертикальная составляющая при отсутствии вертикальных движений уравновешивается силой тяжести, а горизонтальная составляющая в момент начала движения ничем не уравновешивается и потому оказывается движущей силой. Под действием этой силы воздух начинает перемещаться в сторону низкого давления.
Разделив движущую силу на массу выделенного объема (1 см 3), то есть на его плотность, найдем силу, которая действует на единицу массы:
где F G – сила барического градиента, см/ с 2 ;
ΔP – изменение давления между двумя точками (Дин/см 2); 1мб = 10 3 Дин/см 2 ;
Δz – расстояние между этими точками, см.
Сила барического градиента приводит воздух в движение и увеличивает его скорость. Все другие силы, которые обнаруживаются при движении воздуха, могут лишь тормозить движение и отклонять его от направления градиента.
Силы, которые возникают при движении воздуха.
- Отклоняющая сила вращения Земли.
Ветер – это движение воздуха над Землей, а Земля самая оборачивается вокруг своей оси с угловой скоростью ω = 7,29 . 10 -5 с- 1 . Еще в 1838 году Кориолис доказал, что при всяком движении относительно подвижной системы координат, тело получает дополнительное, так называемое, поворотное ускорение. Получит его и воздух, который двигается над поверхностью Земли, то есть ветер.
Если воздушная масса движется относительно подвижной системы координат, которая тоже движется, то воздушная масса не попадет в точку, которая находится на продолжении начального направления, а отклонится от нее. Если же наблюдать из некоторой точки подвижной системы координат за движением воздушной массы, то кажется, что она под действием какой-то силы отклоняется в сторону. Эту силу называют силой Кориолиса или отклоняющей силой вращения Земли.
На горизонтальное движение воздуха действует горизонтальная составляющая отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса), равная:
А = 2·v·ω·sinφ,
где v – скорость ветра;
ω– угловая скорость обращения Земли, равная 7,29·10 -5 с -1 .
φ – широта места.
На вертикальное движение воздуха действует вертикальная составляющая силы, равная:
А = 2·v 1 ·ω·cosφ,
где v 1 – вертикальная составная скорости ветра.
Горизонтальная составляющая силы Кориолиса направлена под прямым углом к движению воздуха, в северном полушарии вправо, а в южном – влево. Поэтому, она не ускоряет и не замедляет движение, а только изменяет его направление.
- Сила трения
Сила трения тормозит движение воздуха. Она состоит из силы внешнего трения, которая связана с тормозящим действием земной поверхности, и из силы внутреннего трения, связанной с молекулярной и турбулентной вязкостью воздуха.
Сила внешнего трения только тормозит движение, но не изменяет направление. Она направлена в сторону, противоположную движению, и пропорциональная его скорости.
Действие внутреннего трения состоит в том, что соседние воздушные слои и объемы воздуха, которые имеют разную скоростью, влияют на движение друг друга, между ними возникает сила вязкости, которая препятствует их перемещению. Основная часть внутреннего трения обусловлена турбулентным перемешиванием и потому часто называется турбулентным трением. Оно у десятки тысяч раз превышает молекулярное трение. Все причины, которые обуславливают усиление турбулентности, одновременно вызовут и увеличение внутреннего трения. Тем самым они увеличивают общую силу трения в атмосфере, а также оказывают содействие распространению ее влияния вверх, на выше расположенные слои атмосферы. Сила внутреннего трения не имеет определенного направления относительно движения и, в частности, не совпадает с направлением силы внешнего трения. Поэтому, общая сила трения у земной поверхности, которая представляет векторную сумму сил внешнего и внутреннего трения, направлена не строго противоположно движения, а отклоненная влево от направления противоположного движению на угол, приблизительно равный 35 0 . Общая сила трения, рассчитанная на единицу массы воздуха, представляет собой отрицательное ускорение, которое тормозит движение воздуха и равняется:
где k – коэффициент трения, который зависит не только от шероховатости подстилающей поверхности, но и от интенсивности турбулентности в потоке движущегося воздуха, с -1 .
k меняется от 0,2 . 10 -4 до 1,2 . 10 -4 с -1 .
- Центробежная сила
Центробежная сила возникает при криволинейном движении воздуха.
где V – скорость движения;
r – радиус кривизны траектории движения.
Центробежная сила направлена по радиусу кривизны траектории движения от центра, то есть в сторону выпуклости траектории. Для атмосферных движений центробежная сила обычно мала, так как радиус кривизны их траекторий составляет сотни и тысячи метров. Поэтому центробежная сила обычно в 10-100 раз меньше силы Кориолиса. Но при больших скоростях и маленьких радиусах кривизны центробежная сила во много раз превышает градиентную силу. Такие условия создаются в небольших вихрях с вертикальной осью, которые возникают в жаркую погоду, в смерчах и торнадо, где радиус траектории маленький, а скорости движения очень большие.
УСТАНОВИШЕЕСЯ ДВИЖЕНИЕ ПРИ ОТСУТСТВИИ ТРЕНИЯ. Градієнтний ВЕТЕР
Установившимся (стационарным) движением называется движение, при котором в каждой точке пространства величина и направление средней скорости не изменяются со временем.
Установившееся движение воздуха при отсутствии силы трение называется градиентным ветром.
В однородном барическом поле градиентная сила везде одинаковая по направлению и по величине. Поэтому, движение воздуха в таком поле будет равномерным и прямолинейным. При отсутствии силы трения на движущийся воздух действуют градиентная сила (F G), направленная перпендикулярно изобарам и сила Кориолиса (A), направленная перпендикулярно движению.
На рисунке 3.1 приведена схема сил, которые действуют на единичный объем воздуха при прямолинейном движении без учета силы трения.
V
Рисунок 3.1 – Схема сил, которые действуют на воздух при
прямолинейном движении без учета силы трения
При установившемся движении эти силы уравновешиваются, так как они одинаковые по величине, но противоположные по направлению. Так как сила Кориолиса перпендикулярна движению, то движение является перпендикулярным градиенту давления, то есть будет направлено вдоль изобар. Итак, градиентный ветер, который дует вдоль прямолинейных и параллельных изобар, называется геострофическим ветром.
Р
В – равнодействующая силы Кориолиса и силы трения.
Рисунок 3.2 – Схема сил, которые действуют на воздух
при прямолинейном движении с учетом силы трение
Вектор скорости в точке О отклонен от силы барического градиента вправо (в северном полушарии) на угол меньшее 90 0 . Градиентная сила перпендикулярная изобарам и направлена в сторону низкого давления. Сила Кориолиса А перпендикулярна вектору скорости и отклонена от него вправо (в северном полушарии). Сила трения R направлена противоположно вектору скорости. Условием стационарности движения есть равенство нулю равнодействующих этих сил.
Угол трения между направлением ветра и градиентом давления в слое трения тем более, чем больше широта места и чем меньше коэффициент трения.
Скорость ветра при наличии трения:
где k – коэффициент трения.
Угол отклонения ветра от градиентного при прямолинейном движении:
где φ – угол отклонения ветра от градиентного при наличии силы трения.
Отклонение направления ветра от горизонтального градиента давления в приземном слое атмосферы в среднем составляет 60° вправо в северном полушарии. Выше приземного слоя этот угол растет с высотой и на уровне трения ветер становится градиентным, отклонение достигает 90° .
Над океаном, где трение между воздухом и подстилающей поверхностью меньше, чем на суше, ветер более близок к геострофическому, чем над материком.
Опыт подтверждает, что ветер у земной поверхности всегда отклоняется от барического градиента на некоторый угол меньший прямого в северном полушарии вправо, в южный – влево. Отсюда вытекает такое правило: если встать спиной к ветру, то наиболее низкое давление окажется по левую сторону и немного впереди, а более высокое давление – по правую сторону и немного позади. Это положение было найдено эмпирически и носит название законом барического ветра.
ГрадИЕнтнЫй ВЕТЕР ПРИ КРУГОВЫХ ИЗОБАРАХ
В случае криволинейных изобар направление градиента давления, а итак, и градиентной силы меняется от одной точки к другой. Поэтому, движение воздуха тоже будет криволинейным. При отсутствии силы трение на воздух, который движется, в этом случае действуют градиентная, центробежная силы и сила Кориолиса.
Градиентный ветер, который дует вдоль круговых изобар, называется геоциклострофическим ветром.
Антициклон
Антициклон – это барическая система с высоким давлением в центре и понижением давления от центра к периферии.
На рисунке 3.3 приведена схема сил, которые действуют на единичный объем воздуха, который двигается вдоль запертых круговых изобар в антициклоне.
Рисунок 3.3 – Схема сил, которые действуют на воздух в антициклоне
(северное полушарие)
Градиентная сила (F G) направлена перпендикулярно изобарам в сторону уменьшения давления, то есть от центра данной барической системы к ее периферии. В том же направлении действует и центробежная сила (С). Сила Кориолиса (А) направлена в противоположную сторону и уравновешивает первые две силы. Вектор скорости (V) отклонен вправо от градиента (для северного полушария) и направлен по касательной к изобаре. Итак, движение происходит вдоль изобар по часовой стрелке (в северном полушарии). Такое движение называется антициклоническим.
В южном полушарии вектор скорости направленный влево от градиентной силы. Поэтому движение воздуха происходит против часовой стрелки.
При упроченном движении в антициклоне сила Кориолиса уравновешиваются градиентной и центробежной силами.
АРисунок 3.4 – Схема сил, которые действуют на воздух в циклоне
(северное полушарие)
Здесь градиентная сила направлена от периферии к центру барической системы и уравновешивается центробежной и силой Кориолиса, совпадающими по направлению. Вектор скорости направлен также вправо от градиента, и движение происходит по изобарам против часовой стрелки. Такое движение называется циклоническим.
При установившемся движении в циклоне градиентная сила уравновешиваются центробежной силой и силой Кориолиса.
Скорость геоциклострофического ветра в циклоне:
Угол отклонения ветра от градиентного при криволинейном движении:
где «+» относится к циклону, а «-» – к антициклону.
ВОЗДУШНЫЕ МАССЫ.
ТУРБУЛЕНТНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ в АТМОСФЕРЕ
Атмосферный воздух представляет собой очень подвижную среду, в которой всегда происходят движения, разные по масштабам и направлениям с разными скоростями. Турбулентный характер атмосферных движений воздуха определяется наличием шероховатости земной поверхности, неравномерностью нагревания разных участков поверхности, а также гидродинамическими свойствами атмосферных течений. Чем больше шероховатость земной поверхности, тем выше турбулентность. Чем интенсивнее происходит нагревание воздуха, тем выше турбулентность. Следствием турбулентного движения есть вертикальный и горизонтальный обмен воздуха. Это приводит к переносу в атмосфере тепла, влаги, пыли и других примесей. Турбулентное перемешивание ведет к выравниванию содержания примесей в атмосферном воздухе.
Вертикальный турбулентный обмен описывается следующим уравнением:
S = – A (dс/dz),
где S – количество субстанции, переносимой в единицу времени через единицу площади;
Dс/dz – вертикальный градиент субстанции, то есть ее изменение на единицу расстояния по вертикали;
А – коэффициент турбулентного обмена, который зависит от атмосферных условий и характера земной поверхности.
При определении турбулентных потоков в приземном слое атмосферы используют коэффициент турбулентности k, который определяется по формуле:
где ρ – плотность воздуха, кг/м 3 .
 |
Степень турбулентности может быть разной. Об этом можно судить по наблюдениям за распределением дыма, который выходит из труб предприятий. Вид струй дыма, которые выходят из труб при разной степени турбулентности атмосферы, приведен на рисунке 3.5.
,Коэффициенты А и k в условиях атмосферы изменяются в значительной мере как в времени, так и в пространстве. Они зависят от вертикального градиенту скорости ветра, термической устойчивости атмосферы, свойств земной поверхности (ее шероховатости, термической неоднородности) и др.
