Питання про те, чому ми відчуваємо вітер, і чому він взагалі має місце в атмосфері нашої планети відноситься до розряду дитячих, але дати вичерпну відповідь може не кожен дорослий. Для багатьох це природне явища пов’язане з загадкою, хоча з точки зору фізики все пояснюється досить просто.
Як пояснити дитині, чому дме вітер?
Отже, тиск земної атмосфери неоднорідний, десь більше, а в інших місцях – менше. Так ось, вітер являє собою пересування повітряних мас з області високого тиску в область низького, так і саме тиск стає більш однаковим. Відповідно, сила вітру залежить від різниці тиску. Якщо на певному, досить об’ємному ділянці території тиск однакове, погода стоїть безвітряна.
Якщо розглядати вітер більш глобально, то над сушею повітря прогрівається набагато сильніше, ніж над морем. Таким чином, він піднімається вгору, в той час, як більш прохолодний над поверхнею моря повітря пересувається і займає його місце. У такій спосіб відбувається охолодження землі за ніч. Це відбувається в масштабах регіону, континенту і землі в цілому.
Найтеплішим місцем нашої планети є екватор. Відповідно, повітря в даному районі більше прогрітий. До того ж, при обертанні землі повітряні маси переміщаються разом з джерелами тепла і холоду.
Якби земля не оберталася, то Північні вітру і Південні вітру існували б не залежно один від одного. Іншими словами, не перетиналися б. Але так все Північні вітру зсуваються вправо, а Південні, відповідно, вліво, вони частково змішуються. Якщо можна так висловитися, то вітри нікуди не діваються і нізвідки не беруться вони є завжди, як регулятора температури і атмосферного тиску .
Пояснюючи подібне дитині, можна запропонувати приклад на його диханні. Так, коли ми вдихаємо, всередині легких створюється високий тиск, вони роздуваються від повітря, плюс він нагрівається від тепла нашого тіла. Потім видихаємо, створюючи той же вітер – маленьке рух маленького обсягу повітря. Коли взимку ми видихаємо перероблений повітря, він у вигляді пари піднімається вгору, адже він теплий. Це легко побачити.
Також сила вітру залежить від рельєфу місцевості. Всі помічали, що в полях на відкритому просторі, вітер швидше. Йому ніщо не заважає і нічого не затримує. У місті, де маса висотних будівель, або в лісах, де дерева, повітряні маси рухаються повільніше, по шляху підлаштовуючись під температуру навколишнього середовища.
Земля, як і багато інших небесні тіла , оточена атмосферою – оболонкою з газів, яка утримується навколо планети завдяки гравітації, або силі тяжіння.
Окремі молекули газів, складових атмосферу, переміщаються в різних напрямках з різною швидкістю. Земна атмосфера важить п’ять квадрильйонів тонн, і тиск повітря в різних її ділянках по-різному. Саме через різницю в атмосферному тиску і виникає таке природне явище, як вітер.
Температура повітря і атмосферний тиск
Окремі ділянки повітря в атмосфері мають різну температуру. У теплих потоках молекули рухаються з високою швидкістю і швидше розлітаються в різні боки. саме з цієї причини більш розріджене, його вага знижується, а створюване їм атмосферний тиск зменшується.
У ділянках атмосфери з більш холодним повітрям відбувається зворотне явище: молекули утворюють скупчення з високою щільністю, вага таких ділянок збільшується, відповідно, підвищується і атмосферний тиск.
Повітря завжди переміщається з області підвищеного тиску в область зниженого. Щоб зрозуміти цей механізм, досить уявити собі, як працює гребля: якщо відкрити шлюзи між ділянками з висотою в 7 і 5 метрів, то вода потече туди, де її рівень спочатку був нижче, тобто на ділянку з меншою висотою. І цей рух продовжиться, поки рівень на обох дільницях не зрівняється.
Аналогічним чином відбувається і рух атмосферних мас, що, в свою чергу, і утворює таке явище, як вітер.
Брізи, мусони, пасати
Уявіть собі ясний погожий день у морського узбережжя. Сонце впливає і на воду, і на берег, але швидкому нагріву води заважає її рухливість: верхні шари, тепліші, постійно змішуються з більш прохолодними нижніми шарами. Це заважає воді нагріватися так само швидко, як нагрівається берег.
Повітря над берегом виявляється більш теплим, ніж над морем. І цей тепле повітря досить швидко розширюється, відстань між молекулами всередині цієї області збільшується, а тиск знижується. В результаті повітря з більш високим тиском (тобто повітря з моря) рухається туди, де тиск нижче, тобто в сторону суші, і приносить на узбережжі прохолоду.
Вночі ж все відбувається навпаки: вода остигає повільніше, ніж суша, і вітер починає дути з землі на море, повітря над яким тепліше, ніж над берегом. Цей вітер називають бризом – денним і нічним. До речі, напрямок вітру в горах теж змінюється разом з часом доби: вдень вітер дме з долини в бік гір, а вночі – з гір в долину.
Бриз змінює напрямок двічі на добу. Є вітри, які змінюють напрямок двічі на рік – влітку і взимку; ці вітри називають мусонами. Принцип зміни напряму аналогічний принципу, згідно з яким утворюється бриз: над прогрітій влітку сушею тиск повітря низька, і прохолодне повітря переміщається з боку океану. Взимку мусон дме з швидко остигає берега в бік ще зберігає тепло води. Зміна мусонів тягне за собою і зміну погоди: замість сухої і малохмарною вона стає дощової. Мусони характерні для східної частини материкової суші – там, де берег стикається з широкою смугою океану.
Крім змінних, Земля має і постійні вітри – пасати і західні вітри. Протягом всього року біля поверхні Землі дмуть вітри, спрямовані від 30-х широт з високим тиском в бік екватора, де тиск нижче. Але, оскільки планета обертається навколо своєї осі, ці вітри немов закручуються по спіралі: в Північній півкулі – на південний захід з північного сходу, в Південному – з південного сходу на північний захід.
Західні вітри утворюються через переміщення повітряних мас від 30-х широт до полюсів. Саме пасати приносять сухе повітря в Сахару, а західні вітри – вологе і дощову погоду з боку Атлантики до Європи.
Швидкість, сила і напрямок вітру
Вчені характеризують вітри по їх швидкості і силі. Швидкість вимірюють у балах або метрах в секунду (один бал – близько двох метрів в секунду). Сила вітру залежить від різниці в атмосферному тиску між різними областями: чому ця різниця більше, тим потужніше вітер.
Для оцінки сили вітру ще в XIX столітті була розроблена шкала Бофорта, з 1874 року прийнята для використання в Міжнародній синоптичної практиці. Протягом десятиліть в шкалу вносили зміни і доповнення, і сьогодні вітри оцінюють за 12-бальною системою.
Наприклад, відсутність вітру, або штиль, відповідає 0 балів. Слабкий вітер оцінюють в 3 бали, свіжий – в 5, сильний – в 6 балів. Вітер силою в 9 балів – це вже шторм, а в 12 – ураган. Шкалою Бофорта сьогодні активно користуються, перш за все, в морській навігації.
Будь вітер також характеризують з точки зору його напрямки. Визначається напрямок, в залежності від сторони горизонту, з якої дме вітер: якщо з півночі – то вітер північний, якщо з півдня – то південний. Напрямок вітру залежить не тільки від різниці в атмосферному тиску, а й від обертання Землі навколо своєї осі. Вітер – це великі повітряні потоки, разом з якими переміщаються величезні маси молекул газів атмосфери. Ці потоки можуть охоплювати тисячі кілометрів і облітати всю землю, а можуть мати місцеві, «локальні» масштаби, як описані вище вітри біля моря і біля підніжжя гір.
Повітря тільки здається нам невагомим; щоб зрозуміти, що атмосфера дійсно має щільність, досить виставити руку за вікно автомобіля, що рухається – ви відразу відчуєте, як вашу руку обтікає потік повітря.
Рухомий в певному напрямку. На інших планетах він представляє собою масу властивих їх поверхні газів. На Землі вітер рухається переважно горизонтально. Класифікація, як правило, здійснюється відповідно до швидкості, масштабом, типами сил, їх викликають, місць розповсюдження. Під впливом потоків знаходяться різні природні явища і погода. Вітер сприяє переносу пилу, насіння рослин, сприяє переміщенню літаючих тварин. Але як з’являється спрямований повітряний потік? Звідки дме вітер? Від чого залежить його тривалість і сила? І взагалі, чому вітри дмуть? Про це та багато іншого – далі в статті.
Класифікація
В першу чергу вітри характеризують по силі, напрямку і тривалості. Поривами вважаються сильні і короткочасні переміщення (до декількох секунд) повітряних потоків. Якщо дме сильний вітер середньої тривалості (приблизно хвилину), то його називають шквалом. Більш тривалі повітряні потоки називають відповідно до їх силою. Так, наприклад, легкий вітер, що дме на узбережжі, – це бриз. Є ще тайфун, Тривалість вітрів може бути також різною. Деякі тривають кілька хвилин, наприклад. Бриз, що залежить від перепаду температур на поверхні рельєфу протягом доби, може тривати до декількох годин. Місцева і загальна циркуляція атмосфери складаються з пасатів і мусонів. Обидва цих типу відносяться до категорії “глобальних” вітрів. Мусони викликані сезонними змінами в температурі і мають тривалість до кількох місяців. Пассат – це постійно переміщаються. Вони обумовлені різницями температур на різних широтах.
Як пояснити дитині, чому дме вітер?
Для дітей в ранньому віці це явище представляє окремий інтерес. Дитина не розуміє, де утворюється потік повітря, через що в одному місці він є, а в іншому – ні. Досить просто пояснити малюку, що взимку, наприклад, дме холодний вітер з-за низької температури. Як же відбувається цей процес? Відомо, що повітряний потік являє собою масу молекул газів атмосфери, спільно переміщаються в одному напрямку. Невеликий за обсягом повітряний потік, обдуваючи може свистіти, зривати шапки з перехожих. Але якщо маса газових молекул має великий обсяг і шириною в кілька кілометрів, то вона може покрити досить велику відстань. У закритих приміщеннях повітря практично не переміщається. І про його існування можна навіть і забути. Але якщо виставити, наприклад, руку з вікна автомобіля, що рухається, то можна шкірою відчути повітряний потік, його силу і тиск. Звідки дме вітер? Рух потоку здійснюється внаслідок різниці тиску в різних ділянках атмосфери. Розглянемо цей процес більш докладно.
Різниця атмосферного тиску
Так чому дме вітер? Для дітей краще привести в приклад греблю. З одного боку висота стовпа води, наприклад, три, а з іншого – шість метрів. При відкритті шлюзів вода перетече в ту ділянку, де її менше. Приблизно те ж саме відбувається і з повітряними потоками. У різних частинах атмосфери тиск різному. Це обумовлено різницею в температурі. У теплому повітрі рух молекул здійснюється швидше. Частинки прагнуть розлетітися один від одного в різні боки. У зв’язку з цим тепле повітря більше розряджений і важить менше. В результаті тиск, який в ньому створюється, знижується. Якщо ж температура знижена, то молекули утворюють більш тісні скупчення. Повітря, відповідно, важить більше. Тиск при цьому підвищується. Аналогічно воді, повітря має властивість перетікати з однієї зони в іншу. Так, потік переходить з ділянки з підвищеним тиском в область зі зниженим. Ось чому вітри дмуть.
Рух потоків біля водойм
Чому вітер дме з моря? Розглянемо приклад. У сонячний день промені прогрівають і берег, і водойма. Але вода нагрівається набагато повільніше. Це пов’язано з тим, що поверхневі теплі шари негайно починають змішуватися з більш глибокими, і тому холодними шарами. А ось берег нагрівається набагато швидше. І повітря над ним більш розряджений, а тиск, відповідно, нижче. Атмосферні потоки спрямовуються від водойми до берега – в більш вільну область. Там вони, нагріваючись, піднімаються вгору, знову звільняючи місце. Замість них з’являється знову прохолодний потік. Ось так відбувається циркуляція повітря. На пляжі відпочивальники можуть періодично відчувати легкий прохолодний вітерець.
значення вітрів
З’ясувавши, чому вітри дмуть, слід сказати про те, який вплив вони надають на життя на Землі. Вітер має велике значення для людської цивілізації. Вихрові потоки надихали людей на створення міфологічних творів, розширювали торговий і культурний діапазон, впливали на історичні явища . Вітри також виступали в якості постачальників енергії для різних механізмів і агрегатів. За рахунок руху потоків повітря отримали можливість долати значні відстані по океанах і морях, а повітряні кулі – по небу. Для сучасних літальних апаратів вітри мають велике практичне значення – вони дозволяють економити паливо і збільшувати Але слід сказати, що повітряні потоки можуть приносити і шкоду людині. Так, наприклад, з-за градієнтних коливань вітру може бути втрачений контроль над керуванням літака. У невеликих водоймах швидкі повітряні потоки і викликані ними хвилі можуть зруйнувати будівлі. У багатьох випадках вітри сприяють збільшенню масштабу пожежі. В цілому, явища, пов’язані з утворенням повітряних потоків, різними способами впливають на живу природу.
Глобальні ефекти
У багатьох районах планети переважають повітряні маси, що володіють певним напрямком руху. В районі полюсів, як правило, переважають східні, а в помірних широтах – західні вітри. При цьому в тропіках повітряні потоки приймають знову східний напрямок. На кордонах між даними зонами – субтропічному хребті і полярному фронті – розташовані так звані області затишшя. Переважаючі вітри в цих зонах практично відсутні. Тут рух повітря здійснюється головним чином вертикально. Це пояснює появу зон високої вологості (біля полярного фронту) і пустель (близько субтропічного хребта).
тропіки
У цій частині планети в західному напрямку дмуть пасати, наближаючись до екватора. За рахунок постійного переміщення цих повітряних потоків відбувається перемішування атмосферних мас на Землі. Це може проявлятися в значних масштабах. Так, наприклад, пасати, що переміщаються над Атлантичним океаном, переносять пил з африканських пустельних територій в Вест-Індію і деякі райони Північної Америки.
Локальні ефекти формування повітряних мас
З’ясовуючи, чому вітри дмуть, слід сказати і про вплив наявності тих чи інших географічних об’єктів. Одним з локальних ефектів формування повітряних мас вважається температурний перепад між не дуже віддаленими ділянками. Він може бути спровокований різними коефіцієнтами поглинання світла або різної теплоємністю поверхні. Найсильніше останній ефект проявляється між і сушею. В результаті виникає бриз. Ще одним локальним фактором, що представляє важливість, є присутність гірських систем.
вплив гір
Ці системи можуть являти собою якийсь бар’єр на шляху руху повітряних потоків. Крім цього, гори в багатьох випадках самі викликають створювання вітрів. Повітря над нагір’ям прогрівається сильніше, ніж атмосферні маси над низовинами на тій же висоті. Це сприяє формуванню зон зниженого тиску над гірськими хребтами і вітростворюванню. Даний ефект часто провокує появу гірничо-долинних атмосферних рухомих мас. Такі вітри переважають в областях з пересіченою місцевістю.
Підвищення тертя у долинною поверхні призводить до відхилення паралельно спрямованого повітряного потоку на висоту розташованих поруч гір. Це сприяє формуванню струминного висотного течії. Швидкість цього потоку може перевищувати силу навколишнього вітру до 45%. Як було вище сказано, гори можуть виступати в якості перешкоди. При обході ланцюга потік змінює свій напрямок і силу. Перепади в гірських хребтах істотно впливають на рух вітру. Наприклад, якщо в гірського ланцюга, яку долає атмосферна маса, є перевал, то потік проходить його з помітним збільшенням швидкості. В цьому випадку працює ефект Бернуллі. Необхідно відзначити, що навіть незначні перепади висот викликають коливання Через істотне градієнта швидкості повітря потік стає турбулентним і продовжує таким залишатися навіть за горою на рівнині на певній відстані. Такі ефекти представляють в деяких випадках особливого значення. Наприклад, вони важливі для літаків, що здійснюють зліт і посадку на гірських аеродромах.
Більше трьохсот років тому Галлей, відомий головним чином завдяки відкритій їм комети, запропонував пояснювати виникнення вітру дією сили Архімеда при перепаді температури: теплий і легкий повітря піднімається, важкий і холодний – опускається.
Міжнародна група дослідників, до якої увійшли співробітники Петербурзького інституту ядерної фізики, запропонувала принципово новий фізичний механізм утворення вітру в земній атмосфері.
Потоки газів виникають при перепадах (градієнтах) тиску. Тиск повітря зменшується з висотою, утворюючи вертикальний градієнт тиску, однак він не створює вітру. Роботу, вироблену при русі повітря цим градієнтом тиску, в точності компенсує протилежна за знаком робота сили тяжіння, і повітря знаходиться в рівноважному стані.
Вологе повітря, піднімаючись, охолоджується, і водяна пара конденсується. Тому тиск водяної пари з висотою падає швидше, ніж цього вимагає умова рівноваги. При цьому робота, що здійснюються градієнтом тиску над вологим повітрям при його підйомі, в кілька разів перевищує роботу сили тяжіння, що діє на водяну пару. Саме ця різниця і створює вітер в земній атмосфері. Неравновесное вертикальний розподіл водяної пари можна порівняти із стислою пружиною, яка розпрямляється при підйомі вологого повітря, приводячи його в рух. Тому конденсационная потужність, пов’язана з вертикальним підйомом повітря, відповідно до закону збереження енергії переводиться в потужність горизонтальних вітрів.
Потужність атмосферної циркуляції визначається локальною швидкістю конденсації і, отже, опадами. Кількісна оцінка потужності глобальної циркуляції повітря, отримана на основі нової теорії, прекрасно збіглася з накопиченими даними спостережень (про потужність вітрової циркуляції можна незалежно судити по піднаглядним горизонтальним градиентам тиску і швидкостей вітру).
В області конденсації виникає зона зниженого тиску, яка затягує повітря з прилеглих областей. На суші такі стійкі зони зниженого тиску створюються великими лісами: волога зберігається в лісовому грунті, випаровується з поверхні грунту і листя і конденсується над пологом лісу. При цьому виникає вітер, що приносить вологу з океану.
Найважливіше наслідок нового механізму формування вітру – переосмислення ролі лісів в перенесенні вологи з океану на сушу. Це перенесення компенсує річковий стік води назад в океан. Знищення лісів призводить до зневоднення і опустелювання суші і являє собою набагато більшу загрозу для клімату, ніж передбачає сучасна кліматологія (про це див. Також «Наука і життя» №).
Нова теорія викликала бурхливу дискусію в науковому співтоваристві. Стаття, відправлена в журнал «Atmospheric Chemistry and Physics» ( «Атмосферна хімія і фізика»), перебувала на рецензуванні більше двох з половиною років. В результаті редакційна колегія журналу прийняла до друку статтю, забезпечивши її коментарем редактора. У ньому підкреслюється, що публікацію «абсолютно нового погляду на рушійну силу атмосферної динаміки» слід розглядати як «заклик до подальшого розвитку » представлених авторами положень.
Вітер – це повітря, що знаходиться в русі щодо земної поверхні ; а рухається він внаслідок коливань атмосферного тиску. В іншому випадку вітру не було б. Різниця в тиску існує над регіонами, де сонце нерівномірно нагріває земну поверхню.
Над теплою поверхнею повітря також нагрівається і збільшується в об’ємі, відповідно тиск його зростає в порівнянні з більш прохолодними областями.
Повітря можна представити у вигляді шарів між поверхнями з постійним тиском (праворуч), причому самий щільний шар знаходиться внизу. Коли повітря залишається незмінною, його шари – рівні і плоскі, як на етапі 1. Але якщо одна з областей (етап 2, жовтий колір ) поглинає певну кількість тепла, то повітря розширюється, тиск його збільшується, і шари повітряного тиску також розширюються і набувають вигин .
Потім повітря починає переміщатися з області високого тиску в область низького тиску, через що високо над землею виникає вітер (етап 3). Чим більше амплітуда коливань температур – і, відповідно, тиску – між двома областями, тим сильніше дме між ними вітер.
Нерівномірне нагрівання. Сонце нагріває точку В, чому температура повітря над нею підвищується (праворуч). Повітря збільшується в об’ємі і піднімається, а тиск його зростає.
Конвекція викликає вітри
Тиск повітря збільшується зі зростанням температури. Тому, якщо маса теплого повітря межує з масою більш холодного, то тиск в цих двох масивах буде різним. Ця різниця зумовлює конвекційні потоки (етапи 1-4), які породжують вітер між двома зонами.
Рівновага. Температура в точках А і В (зліва) однакова, як і тиск над ними. Отже, між цими точками немає вітру.
Творча сила. Різниця в тиску повітря над точками А і В породжує градиентную силу, яка переміщує повітря з областей високого тиску в області низького тиску. Вона ж несе частину повітря, що знаходиться над точкою В, до точки А, викликаючи верхнеатмосферний вітер (червона стрілка) в цьому ж напрямку.
Поверхневі вітри. Повітря, що опинився в точці А, змушує тиск рости, в той час як в точці В воно падає. Це породжує поверхневий вітер, який прагне в напрямку, протилежному верхнеатмосферному вітрі. Спадний потік в А і висхідний потік в В завершують цикл.
Складаючи метеорологічні карти, вчені спираються на уявні атмосферні поверхні, які називаються поверхнями постійного тиску (вигнуті площини, зверху). У кожній точці цієї поверхні тиск незмінно. Коли уявна площина, паралельна Землі (червоний контур), перетинається з поверхнею постійного тиску, метеорологи проводять лінію – ізобари – відокремлює області з різним тиском повітря. Повітряна маса між изобарами (темно-синій сегмент) направляється градиентной силою (зелена стрілка) в область більш низького тиску.
кругові ізобари
В областях з різним тиском напрямок вітру визначається також і відцентровою силою. У верхньому шарі атмосфери градієнтна сила тиску, сила обертання і відцентрова сила знаходяться в рівновазі, якщо вітри дмуть за годинниковою стрілкою навколо зони високого тиску (крайнє зліва, вгорі) і проти годинникової стрілки навколо зони низького тиску (зліва, вгорі). Над поверхнею сила тертя повертає вітер назовні-вгору (крайнє зліва, внизу) і всередину-вниз (зліва, внизу).
Останні коментарі