4.5. Вітер і турбулентність

Атмосфера знаходиться в безперервному русі. Рух повітря відносно земної поверхні називають вітром, маючи на увазі горизонтальну складову цього руху. Вертикальну складову цього руху називають або вертикальним потоком, або вертикальною швидкістю, або висхідним та низхідним рухами повітря.

Вітер - найважливіша характеристика погоди й клімату. Він зумовлює переміщення й перемішування повітря. Вітер сприяє обміну теплом, вологою та енергією між підстильною поверхнею та атмосферою, а також переносить величезні повітряні маси в системі загальної циркуляції атмосфери. З дією вітру пов'язано багато природних процесів і явищ. Сильні вітри породжують ерозію ґрунту, пилові бурі, хвилювання на водоймах; а урагани та бурі руйнують і затоплюють береги. Вітер має суттєвий вплив на роботу багатьох галузей народного господарства і взагалі на життя та діяльність людини.

Вітер характеризується швидкістю, що виражається в метрах за секунду, кілометрах за годину, вузлах або умовних одиницях (балах) і напрямком (звідки віє вітер), який визначається або в румбах (за 16-румбовою шкалою: північ; північ - північний схід; північний схід; схід - північний схід; схід; схід - південний схід; південний схід; південь -- південний схід; південь; південь південний захід; південний захід; захід - південний захід; захід; захід - північний захід; північний захід; північ - північний захід), або в градусах кута, що утворюється меридіаном та горизонтальною складовою вектора швидкості вітру. Відлік здійснюється за годинниковою стрілкою (0° або 360° - з півночі, 90° - зі сходу, 180° - з півдня, 270° - з заходу).

Рух повітря породжується дією кількох сил. Головною, під впливом якої виникає горизонтальний рух повітря, є горизонтальна складова градієнта тиску, зумовлена нерівномірним розподілом тиску в горизонтальній площині. Рух повітря за напрямом баричного градієнта (з області високого тиску в бік низького) існує лише в початковий момент. Оскільки атмосфера бере участь у добовому обертанні Землі з визначеною кутовою швидкістю, то на кожну частинку повітря, що має деяку швидкість по відношенню до земної поверхні, діє відхиляюча сила обертання Землі. Вона називається силою Коріоліса й горизонтальна складова цієї сили діє під прямим кутом до напрямку руху обертання: у північній півкулі - вправо, у південній півкулі - вліво. Завдяки дії цієї сили рух повітря відхиляється вправо в північній півкулі і стає направленим уздовж ізобар. Ці умови виконуються у вищій за шар тертя атмосфері на висоті більшій 1000 -1500 м. Нижче цієї висоти, у приповерхневім шарі, де впливає шорсткість земної поверхні, молекулярний та турбулентний обмін породжує появу значної сили тертя, такої, що порівнюється з іншими силами. Вона теж впливає на напрямок і швидкість руху повітря. Ця сила направлена в протилежний до напрямку руху бік і зменшує як величину, так і кут між напрямками баричного градієнта та вітру. При цьому напрям вітру відхиляється від ізобар в бік низького тиску під суходолом, де шорсткість земної поверхні більша, на кут 25 - 30°, а над морем, де шорсткість поверхні мала - на 15°.

Відмінність атмосферних рухів полягає в тому, що рух окремих частинок повітря неупорядкований, хаотичний і називається турбулентним. Отже, у повітрі виникають численні неупорядковані вихори різних розмірів, які рухаються, та потоки, які залучають до руху окремі порції повітря, виникають елементи турбулентності. Ці елементи турбулентності - не молекули, а досить великі об'єми повітря, лінійні розміри яких вимірюються сантиметрами, метрами, десятками метрів.

Турбулентність виникає внаслідок різниці швидкості вітру в суміжних шарах повітря. Вона особливо велика в низьких шарах атмосфери, де швидкість вітру різко збільшується з висотою. Але в розвитку турбулентності бере участь і сила плавучості (архімедова або гідростатична сила). Річ у тім, що коли на одному рівні порції повітря нагріті неоднаково, то густина більш нагрітої порції буде меншою, і вона почне спливати, а порції повітря більш холодні й густі, ніж навколишнє повітря, почнуть опускатись вниз.

Таке перемішування повітря за рахунок відмінностей густини відбувається тим інтенсивніше, чим швидше падає температура з висотою. Тоді умовно можна розрізняти так звану динамічну турбулентність (що виникає при відмінностях швидкості вітру) та термічну турбулентність або конвекцію (за рахунок температурних умов). Однак у дійсності турбулентність завжди має комплексну природу, і правильним буде говорити про більшу або меншу роль термічного фактора в її виникненні та розвитку.