Головна / Метеорологія / Термічні висхідні потоки (ТВП)
Як говорилося раніше, під дією Сонця поверхню Землі нагрівається і нагріває що знаходиться над нею повітря. Нагрівся повітря піднімається вгору, утворюючи термічні потоки або терміки. Найбільш потужні термічні потоки спостерігаються влітку після полудня при хорошому прогріванні землі. У міру віддалення потоку від землі він охолоджується. Потік припиняє своє існування, коли температура повітря в ньому порівнюється з температурою навколишнього середовища. Саме завдяки освоєнню ТВП для пілотів безмоторних СЛА (надлегких літальних апаратів) стали можливі тривалі маршрутні польоти протяжністю в сотні кілометрів.
Мал. 118. Обертаючись немов в каруселі, параплани набирають висоту в терміки.
Умовою виникнення термічних потоків є нестабільність нижніх шарів атмосфери. З'ясуємо, в якому випадку атмосфера вважається стабільною, а в якому немає.
Повітря є дуже поганим провідником тепла. Тому досить великий обсяг повітря, що володіє однією температурою і переміщається в атмосфері з іншою температурою, практично не віддає тепло і не отримує його від навколишнього середовища. Якщо частка повітря піднімається, тиск в ній зменшується. Це призводить до зменшення її температури. І навпаки, якщо частка повітря опускається, тиск і її температура збільшуються. У приземних шарах атмосфери підняття частки повітря на 100 м приводить до зменшення її температури приблизно на 1 о C (дивись рис. 119).
Мал. 119. Зміна температури повітря з висотою.
Уявімо собі шар атмосфери, в якому вертикальне спадання температури менше, ніж 1 про C на 100 м. Нехай на висоті 100 м температура повітря дорівнює 15 о C, а на висоті 300 м - 14 о C.
Якщо якимось чином «штовхнути» частку повітря з висоти 100 м, так, щоб вона піднялася до висоти 300 м, то її температура зменшиться на 2 про C стане дорівнює 13 о C. Частка буде холодніше навколишнього середовища і, отже, більш щільною . Тому вона знову опуститься на свій вихідний рівень. Такий шар повітря називається стабільним (дивись рис. 120).
Мал. 120. Приклад стабільного шару атмосфери.
Очевидно, що якщо частка повітря раптом зі свого рівня опуститься вниз, то в результаті зростання тиску її температура підвищиться і виявиться більше температури сусідніх шарів повітря. Це призведе до підйому частки і її повернення на вихідну висоту.
У нижніх шарах атмосфери зі збільшенням висоти температура повітря зазвичай зменшується, але часом зустрічаються шари, в яких з висотою температура не змінюється або навіть збільшується. Такі шари називаються ізотермічними і інверсійними. Вони виключно стабільні. Механізм утворення інверсій буде розібраний пізніше.
Тепер розберемо ситуацію, коли вертикальне спадання температури відбувається швидше, ніж 1 про C на 100 м висоти. Нехай температура повітря на висоті 100 м дорівнює 15 о C, а на висоті 200 м - 13 о C. стартувала з висоти 100 м частка повітря буде мати температуру 14 о C на висоті 200 м. Ця температура буде більше температури навколишнього стоячи атмосфери. В результаті частка повітря продовжить рух вгору. Такий атмосферне шар називається нестабільним (дивись рис. 121).
Мал. 121. Приклад нестабільного шару атмосфери.
У нестабільному шарі випадково перемістилися вгору частки виявляються тепліше навколишнього повітря, і їх висхідний рух триває. Очевидно, що якщо частка повітря раптом зі свого рівня опуститься вниз, то її температура хоча і збільшиться, але все одно буде менше температури сусідніх шарів повітря. Це призведе до продовження її низхідного руху.
Атмосфера складається з послідовності стабільних і нестабільних шарів. Термічні потоки утворюються в нестабільних шарах і блокуються стабільними (зокрема інверсійними). На рис. 122 можна побачити, як інверсійний шар блокує підйом диму.
Мал. 122. Блокування підйому диму інверсійним шаром.
Взагалі кажучи, в атмосфері рідко зустрічаються нестабільні шари. Зменшення температури зазвичай відповідає адіабатичному: близько одного градуса на 100 метрів висоти. Але якщо визначити деяку середню температуру для нульової висоти (наприклад 20 про C), то на окремих ділянках, більш сприятливих для прогріву, температура може виявитися вищою за середню (наприклад 22 про C). Саме в таких місцях і зароджуються термічні потоки. Повітря, що стартував від землі з температурою 22 о C, буде підніматися, зберігаючи різницю в 2 про C з оточуючими шарами, до тих пір, поки не зустріне блокуючий стабільний шар. Стабільність і нестабільність атмосфери можна легко визначити по ряду ознак.
ПРИМІТКА
Адіабатичними називають процеси, що відбуваються без теплообміну з навколишнім середовищем.
Ознаки стабільності атмосфери (дивись рис. 123):
- рівний вітер;
- закрите шаруватими хмарами небо;
- погана видимість (серпанок, туман);
- стелеться вздовж землі дим від багаття.
- Ознаки нестабільності атмосфери:
- поривчастий вітер;
- купчасті хмари (чим вони вищі, тим потоки могутніше);
- прозоре повітря, гарна видимість;
- піднімається високо над землею дим;
- пилові смерчі.
Мал. 123. Ознаки стабільності і нестабільності атмосфери.
Термічна активність має яскраво виражений добовий цикл. Вночі не підігрівається сонцем земля втрачає тепло шляхом випромінювання. Охолодження землі передається самим нижнім верствам атмосфери, в той час як більш високі шари охолоджуються слабо. Максимальне охолодження досягається до світанку. У цей час при видаленні від землі на відстань близько декількох сотень метрів температура буде збільшуватися. Далі вона починає знижуватися як зазвичай. Таким чином, за ніч у землі створюється стійкий інверсійний шар, в якому термічні потоки неможливі.
Така інверсія проявляється тим сильніше, чим більш ясною була ніч. Це пояснюється тим, що при наявності хмар втрати тепла землею зменшуються, так як частина излученного землею тепла, відбиваючись від хмар, повертається назад.
Після сходу сонце починає підігрівати землю. Відбувається це дуже нерівномірно. Над найбільш нагрітими ділянками починають формуватися термічні потоки. Спочатку ці потоки занадто слабкі для їх використання пілотами СЛА, але вони поступово руйнують утворилася за ніч приземную інверсію.
Після руйнування нічний інверсії термічна активність швидко наростає. Максимум її інтенсивності досягається до середини другої половини дня (близько 15 годин).
Ближче до вечора температура повітря у землі починає повільно зменшуватися. Потоки стають слабшими і широкими ( «м'якими»). Відстані між ними збільшуються. Поступово, у міру наближення заходу сонця, все потоки зникають. Ці передвечірні годинник є найбільш сприятливими для організації перших навчальних випарювання в термічних потоках.
Можна дуже легко змоделювати освіту ТВП в домашніх умовах. Для цього слід взяти ємність можливо великих розмірів і заповнити її водою. Після того як вода заспокоїться, на дно ємності через тонку трубку влийте ще трохи води, підфарбованою будь-якої фарбою, але так, щоб вона не перемішалася з основною масою. Потім почніть її повільно підігрівати. Нагріваючись, нижній підфарбований шар буде підніматися вгору, утворюючи терміки. Холодна (неокрашенная) вода стане опускатися на дно, імітуючи низхідні потоки.
У центрі Термика знаходиться висхідний потік. По периферії - спадні. Якщо повітря досить вологий, то вершину ТВП може вінчати купчасті хмари. Втім, ТВП не завжди завершується утворенням хмари. Тоді його слід шукати за іншими ознаками. Способи виявлення ТВП будуть розібрані пізніше
(Дивись рис. 124).
Мал. 124. Структура ТВП.
1 - хмара на вершині ТВП. 2 - область висхідних потоків.
3 - область низхідних потоків. 4 - область формування ТВП.
Піднімається в ТВП повітря зноситься вітром. Тому в польоті його потрібно шукати не над місцем можливого утворення, а трохи осторонь за вітром. Слід зазначити, що потужні терміки часто закручують піднімається повітря. У північній півкулі повітря закручується проти годинникової стрілки, в південному - за годинниковою стрілкою (як в циклоні). Можна розраховувати на кращий підйом апарату, якщо він обертається проти потоку (в північній півкулі права спіраль). Це пояснюється тим, що в такому випадку апарат рухається відносно землі повільніше і для його утримання в потоці потрібен менший кут крену (дивись рис. 125).
Мал. 125. Закручування повітря в ТВП
в північній півкулі (вид зверху).
У середніх широтах на рівнині ТВП дають висхідну швидкість в середньому близько 2 м / с, але максимальні спостережувані значення можуть становити близько 7-8 м / с.
Значно частіше регулярних (безперервних) терміки в природі зустрічаються теплові бульбашки (ТП). Вони виникають при недостатній «підживлення» ТВП нагрівається у землі повітрям, або якщо ТВП розривається мінливих по висоті вітром. Бульбашки великих розмірів, можна використовувати для набору висоти. Але вони стають практично не приносять користі, якщо починають дробитися і виникає безладне кипіння. У цьому випадку ТП можуть почати становити небезпеку як джерела турбулентності (дивись рис. 126).
Мал. 126. Освіта теплових бульбашок.
Термічні потоки слід шукати над ділянками земної поверхні, що піддаються найбільшому прогріванню сонцем. Перш за все це кам'янисті розсипи, пісок, сухі поля, звернені до сонця схили пагорбів. При пошуку потоків над схилами корисно врахувати, що увігнуті схили нагрівають повітря швидше опуклих (дивись рис. 127).
Мал. 127. Області швидко нагрівається над схилами пагорбів.
За умови нестійкості приземного повітря навіть невеликих розмірів пагорби і лісозахисні смуги можуть стати свого роду генераторами терміки. Пояснюється це тим, що якщо гнаний вітром перегрітий шар приземного повітря натрапляє на бугор або стіну дерев, то, огинаючи їх, він починає підніматися вгору. Отримавши від наземного перешкоди вертикальний імпульс, повітря часто продовжує свій підйом, утворюючи ТВП (дивись рис. 128).
Мал. 128. Формування ТВП у пагорбів.
Над височинами і плоськогорьямі термічна активність зазвичай трохи вище, ніж в долині. Це пояснюється тим, що над височинами шар атмосфери тонше, розсіювання сонячних променів менше і, отже, прогрів поверхні сильніше. Крім того, повітря на висоті холодніше повітря в долині. Спільна дія цих факторів веде до збільшення температурних контрастів і посилення нестійкості атмосфери.
Природа, як відомо, не терпить порожнечі. Якщо в одних місцях повітря піднімається, то в інших він буде опускатися. Найбільш сильні низхідні потоки формуються над холодними ділянками місцевості. Це, в першу чергу, низини, особливо якщо по їх дну протікають струмки. Холодними будуть озера, річки, зелені (вологі) поля, ліси, болота.
Ми визначили умови і місця освіти термічних потоків. Тепер розглянемо ознаки, за якими можна розпізнати активні терміки.
Якщо в штиль на горі на вас раптом набігає слабкий, але швидко міцнішав вітерець, або напрямок вітру починає швидко змінюватися то це означає, що десь поруч почав формуватися термик. А місце минає наверх нагрітого повітря займає холодний. Якщо потік сходить безпосередньо під схилом, то для того щоб встигнути його зловити, пілотам СЛА іноді доводиться стартувати з попутним вітром (дивись рис. 129).
Мал. 129. Сход Термика зі схилу пагорба.
1 - піднімається тепле повітря.
2 - холодне повітря заповнює місце, що звільняється.
Відмінним покажчиком наявності ТВП є високо піднімаються дим або пил (дивись рис. 130).
Мал. 130. Визначення ТВП по піднімається диму.
У момент входу в ТВП пілот може відчути тепле подув набігаючого потоку повітря, а також фізично відчути, як апарат починає підніматися вгору. Однак слід мати на увазі, що всі ці відчуття будуть виникати тільки в момент входу в досить сильний потік. При обробці слабких потоків і польоті на великих висотах пілотові доцільніше розраховувати не на свої почуття а на показання приладів.
Спочатку пілоти СЛА використовували авіаційні барометричні прилади. Трохи пізніше з'явилося безліч більш компактних, легких і незрівнянно більш чуйних електронних приладів, створених спеціально для польотів на дельтапланах та парапланах (дивись рис. 131).
Мал. 131. Приладове обладнання парапланериста.
На ТВП може вказати пролітає поруч дельтаплан або параплан, якщо він раптом починає набирати висоту. Пошук терміки по іншим параплані і дельтапланів використовується багатьма пілотами. Якщо ви злітаєте не першим, то по летять попереду вас апаратів можна без зусиль визначити розподіл і інтенсивність потоків на 10-15 км вперед по трасі маршруту.
Птахи великих розмірів і ваги «відчувають» терміки і активно використовують їх для набору висоти. Однак при визначенні терміки по птахам слід пам'ятати про те, що їх швидкість зниження значно менше швидкості зниження параплана. Тому птиці будуть впевнено набирати висоту в таких потоках, які не зможуть утримати параплан. Для того щоб не опинитися завчасно на землі, перш ніж прилаштовуватися до якого-небудь випарюють орлу оціните швидкість його набору висоти.
Купчасті хмари часто вказують на вершину ТВП. При пошуку ТВП по купчасті хмари слід звернути увагу на їх форму. На активний ТВП вказує зростаюче хмара з широкою основою і витягнутою вгору вершиною (трикутник з вершиною, спрямованої вгору). Якщо підживлення хмари терміки припинилася, то підстава хмари стає розмитим, а основна його маса зосереджується у верхній частині (трикутник з вершиною, спрямованої вниз). Шукати висхідні потоки під таким хмарою не має сенсу (дивись рис. 132).
Мал. 132. Визначення терміки по купчасті хмари.