Практичне заняття 6. Рух повітря. Вітер

Зміст: Енергія вітрового потоку. Роза вітрів. Рухома сила баричного градієнту. Відхиляюча сила обертання Землі. Вплив сили тертя на вітер. Геострофічний вітер. Сталий рух при колових ізобарах.

За результатами практичного заняття студент повинен знати:

- причину виникнення вітрів;

- роль циклонів та антициклонів в загальній циркуляції атмосфери;

- сили, що впливають на атмосферний рух;

Повинен вміти:

- будувати розу вітрів та визначити пануючі напрями вітру;

- визначати швидкість геострофічного, градієнтного вітру;

- будувати графіки річного ходу швидкості вітру.

Теоретичні відомості

Енергія вітрового потоку. Вітер представляє собою горизонтальний рух повітря по відношенню до земної поверхні. Причиною виникнення вітрів є неоднорідний розподіл тиску в горизонтальній площині. Різниця тисків, а вірніше горизонтальний градієнт тиску і є тією рухомою силою, яка зумовлює переміщення повітря. Характеристиками вітру є напрям, швидкість, енергія вітрового потоку.

Напрям вітру визначається за стороною світу, звідки дме вітер, і виражається в цілих градусах окружності, рахуючи від півночі на схід.

В метеорологічних наземних спостереженнях напрям дається також за сторонами світу з розподілом горизонту на 8 або 16 румбів: Пн, ПнПнСх, ПнСх, СхПнСх, Сх, СхПдСх, ПдСх, ПдПдСх, Пд, ПдПдЗх, ПдЗх, ЗхПдЗх, Зх, ЗхПнЗх, ПнЗх, ПнПнЗх. Метеорологічні дані про напрям вітру подаються у вигляді рози вітрів, що показує повторюваність вітру даного напрямку.

Швидкість вітру - довжина шляху, що проходить повітряний потік в одиницю часу. Швидкість вітрів збільшується з висотою, а їх горизонтальна складова значно більша за вертикальну. Енергія вітрового потоку залежить від швидкості вітру і густини повітря, що визначається фізичним станом і складом повітря: температурою, тиском, вмістом в ньому вологи. Сумарна кінетична енергія вітрів оцінюється величиною близько 7 ∙ 10²⁰Дж.

Здавна людство використовувало енергію вітру. Потужність сучасних вітроелектростанцій коливається від десятків до декількох тисяч кіловат. Інтенсивність їх роботи залежить від швидкості вітру. Середньорічна швидкість вітру в різних районах Землі різна. Для багатьох районів вона становить 5 м/с, що досить для функціонування вітрових електрогенераторів. Інформація про напрям дуже важлива при виборі місця розташування вітрових електроустановок, а саме в тих випадках, коли можливе їх перекриття при деяких напрямах вітру. Склавши карту розподілу ефективних швидкостей вітру, можна визначити, в яких районах найбільш вигідно встановлювати вітродвигуни того чи іншого виду.

У січні в Україні максимум масу можливого використання енергії вітру спостерігається в приморській зоні, південному степу і в Донбасі (600 годин на місяць), а також в Карпатах і Криму. Мінімум вітрової ефективності припадає на середню течію Дніпра і північно-західну частину України (500 годин), у квітні - липні в Причорномор'ї можливо не менше 550 годин за місяць, стільки ж на Полтавщині. В жовтні інтенсивність циркуляції атмосфери збільшується і енергетична ефективність вітру приблизно дорівнює січневій.

Роза вітрів. Для наочного уявлення про режим вітру будується роза вітрів. З цією метою за багаторічними даними розраховують повторюваність вітру для різних румбів (звичайно для восьми), тобто підраховується, скільки разів повторювався той чи інший напрям вітру за визначений період часу. Отримані дані виражають у відсотках від загальної кількості випадків спостережень. Середня швидкість для кожного румба визначається шляхом ділення суми швидкостей для даного румба на загальну кількість випадків спостережень.

Рухома сила баричного градієнту. При наявності горизонтального баричного градієнта утворюється горизонтальне переміщення повітря. Неоднорідність розподілу тиску, в свою чергу, створюється неоднорідними термічними умовами, тобто неоднорідним просторовим розподілом температури по земній поверхні. Сила G, що при цьому утворюється і яка діє на одиницю маси повітря, називається рухомою силою баричного градієнта:

(6.1)

де G - рухома сила баричного градієнта, м/с²;

ΔP - різниця тисків, Па;

Δn - відстань, м;

р - густина повітря, кг/м³.

За одиницю відстані приймається довжина одного градуса меридіана, яка дорівнює 111 км.

В 1838 році Коріоліс довів, що будь-яке тіло, що рухається вздовж земної поверхні, відхиляється у північній півкулі вправо, а в південній - вліво від початкового напрямку руху. Вправо від градієнта тиску відхиляється в північній півкулі і вектор вітру. Величина сили Коріоліса, що діє на одиницю маси виражається формулою:

(6.2)

де А - прискорення сили Коріоліса, м/с²;

ω - кутова швидкість обертання Землі, с^-1;

v - швидкість потоку, м/с;

φ - широта місця.

Кутова швидкість обертання Землі ω = 2π/86400 = 0,000073 с^-1.

Значний вплив на атмосферний рух робить сила тертя, яка зменшує як швидкість вітру, гак і його напрямок Вектор вітру під впливом тертя відхиляється від ізобари в бік градієнта тиску, так що кут між градієнтом і вітром при наявності сили тертя менше 90⁰. Біля поверхні землі в результаті тертя повітря до підстильної поверхні його швидкість є найнижчою і з висотою зростає. Силу зовнішнього тертя в першому наближенні можна вважати пропорційною швидкості вітру:

(6.3)

де R - сила тертя, м/с²;

К коефіцієнт тертя, значення якого може коливатися в межах від 0.00002 до 0,00012 с^-1;

- швидкість вітру, м/с.

Кут відхилення вітру від напрямку градієнта можна визначити за формулою:

(6.4)

Для визначення швидкості вітру у випадку прямолінійних ізобар при наявності тертя використовують формулу:

(6.5)

Геострофічний вітер. Вважається, що на висоті близько 1000 м тертя практично відсутнє. Рівномірний (без прискорення) горизонтальний рух повітря при відсутності тертя називають градієнтним вітром.

У випадку руху повітря в прямолінійних ізобарах градієнтний вітер називається геострофічним. Швидкість геострофічного вітру можна визначити за формулою:

(6.6)

Сталий рух при колових ізобарах. При русі повітряних частинок по криволінійному шляху, крім розглянутих сил. виникає ще відцентрова сила, величина якої виражається формулою:

(6.7)

де С - відцентрова сила, м/с²;

υ - лінійна швидкість частинок повітря, м/с;

r - радіус кривіший траєкторії руху частинок, м.

При сталому русі в циклоні і антициклоні рівнодіюча всіх сил дорівнює нулю. Тому співвідношення прискорень цих сил можна записати так:

± (6.8)

В останньому члені знак „плюс" відноситься до випадку антициклону, а знак „мінус" - до випадку циклону.

Градієнтний вітер, що дме по криволінійних ізобарах, називається геоциклострофічним.

При (прямолінійні ізобари) рівняння (6.8) перетворюється в рівняння географічного вітру.

Для визначення кута відхилення вітру від градієнта в циклоні і антициклоні при наявності тертя використовують формулу:

(6.9)

(знак „плюс" відноситься до циклону, знак „мінус" - до антициклону).

Приклади виконання типових задач

6.1 Визначити величину сили баричною градієнта, якщо горизонтальний баричний градієнт дорівнює 2 гПа/град.

Розв'язання. Виразивши атмосферний тиск в Па, 1⁰ екватора в м (1⁰ = 111 ∙ 10³ м), маємо:

Густина повітря за нормальних умов дорівнює 1,293 кг/м³, тоді сила баричного градієнта:

G = 0,0018 / 1,293 0,0014 м/с .

6.2. Визначити швидкість геострофічного вітру на широті 50⁰. якщо баричний градієнт дорівнює 5 гПа/град при нормальній густині повітря.

Розв'язання.

м/c

6.3 Насичене водяною парою повітря біля підніжжя гірського хребта над рівнем моря має температуру 0 ⁰С при атмосферному тиску 1000 гПа. Якою буде температура цього повітря на тому ж рівні, якщо воно перевалить через хребет висотою 1 км?

Розв'язання. 1 За таблицею В.3 додатку В при температурі 0 ⁰С і атмосферному тиску 1000 гПа величина вологоадіабатичного градієнта γ_в = 0,657100 м

2. Знаходимо наближено температуру на висоті 1000 м:

t_h = 0-(1000/100) ∙ 0,65 = - 6,5 ⁰C.

3 Знаходимо наближено тиск на висоті 1000 м:

h = 18400 lg (p_s / p)

lgp = lg 1000 - (1000/18400)

р = 882 гПа.

4 Визначаємо на висоті 1000 м при t = - 6,5 ⁰С і р = 882 гПа вологоадіабатичний градієнт γ_в = 0,55⁰/100 м.

5 Середня величина волого адіабатичного градієнта

γ_в = (0,65 + 0,55)/2 = 0,6⁰/100 м.

6 Обчислимо температуру на вершині хребта:

t_h = 0 - (1000/100) ∙ 0,6 = -0,6 ⁰С

7 В повітрі, яке опускається, температура на кожні 100 м підвищується на 1,0 ⁰С, відповідно, температура біля підніжжя хребта

t = -6 + (1000/100) = 4,0 ⁰C

Задачі для самостійного розв’язання

6.1 Виразити у градусах окружності напрям вітру: ПдЗх, СхПнСх, ПдПдСх, ЗхПнЗх, Пн, ПдПдЗх. Виразити у румбах напрям вітру: 26⁰, 194⁰. 72⁰, 300⁰, 114⁰.

6.2 В таблиці 6.1 наведені багаторічні дані повторюваності напряму вітру (у відсотках) для січня і липня м. Черкаси. За вказаними даними побудувати рози вітрів. Порівняти графіки між собою. Визначити пануючі напрями вітру.

6.3 В таблиці 6.2 наведений добовий хід швидкості вітру (м/с) для ст. "Ельбрус". Побудувати за цими даними графік добового ходу швидкості вітру.

Таблиця 6.1 - Багаторічні дані повторюваності напряму вітру,%

Місяць	Пн	ПнСх	Сх	ПдСх	Пд	ПдЗх	Зх	ПнЗх
Січень	11	8	1З	11	15	16	10	13
Липень	11	13	10	4	7	1 1	15	23

Таблиця 6.2 - Добовий хід швидкості вітру (м/с)

Терміни спостережень, години	X	XI	ХІІ	І	ІІ	ІІІ
1	12,7	7,4	11,5	9,8	11,3	9,9
7	10,7	7,5	10,3	8,8	10,8	9,6
13	10,7	7,1	10,5	7,3	10,5	9,3
19	11,2	6,9	11,1	10,0	11,4	9,7

6.4 В Харкові відмічався атмосферний тиск 995 гПа і температура повітря 22,0 ⁰С. а в Курську в цей час тиск становив 1000 гПа і температура 18,0 ⁰С. Яка була середня сила баричного градієнта між вказаними пунктами, якщо відстань між ними по нормалі до ізобари дорівнює 190 км?

6.5 За даними радіозонда над Москвою на висоті 1 км атмосферний тиск дорівнював 885 гПа, температура -2,0 ⁰С, а над Києвом в цей час на тій же висоті відмічався тиск 871 гПа при температурі 2,0 ⁰С. Визначити середнє значення сили баричної градієнта на вказаному рівні між Москвою і Києвом.

6.5 Відстань по нормалі між двома сусідніми ізобарами (1010 і 1015 гПа) становить 200 км при температурі повітря 0 ⁰С. Як зміниться сила баричного градієнта, якщо при незмінному баричному полі температура піднімається на 30 ^°C?

6.6 20 жовтня 1882 р. в Манілі (φ = 15⁰06' ) під час сильної бурі відмічалася швидкість вітру 54 м/с, а 23 вересня 1942 р. в Москві (φ = 55⁰45') була зареєстрована швидкість вітру 32 м/с. Розрахувати і порівняти прискорення сили Коріоліса.

6.7 Визначити прискорення, яке надасть сила Коріоліса повітряному потоку на широтах 30, 60, 90⁰ при швидкості вітру 15 м/с.

6.8 На широті 70⁰ горизонтальний баричний градієнт становив 4 гПа/град. Який повинен бути горизонтальний баричний градієнт на широті 30^°, щоб швидкості геострофічного вітру на обох широтах були однакові?

6.9 Яка буде швидкість геострофічного впру на широіі 40⁰ при такому ж градієнті тиску, як на полюсі, при швидкості вітру 20 м/с?

6.10 На двох метсостанціях. розмішених на широті 58⁰ в напрямку по нормалі до ізобари на відстані 200 км. зафіксовані такі значення тиску: 1008 гПа на першій станції і 1020 гПа на другій при середній температурі 0,0 ⁰С. Визначити і порівняти швидкості вітру, якщо коефіцієнт тертя дорівнює 5 ∙ 10^-5 і 12 ∙ 10^-5 с^-1 .

6.11 На пересічній місцевості на широті 60⁰ кут відхилення вітру від градієнта становив 35⁰, над Атлантичним океаном на широті 50⁰ становив 80⁰. Визначити і порівняти коефіцієнти тертя

6.12 Над спокійною поверхнею моря коефіцієнт тертя дорівнює 2 ∙ 10^-5с^-1. Який буде кут відхилення вітру від градієнта на широтах 20, 40 і 60⁰?

6.13 Яка буде різниця між відхиленнями вітру від градієнта на полюсі і на широті 30⁰ при коефіцієнті тертя, що дорівнює 5 ∙10^-5с^-1 ?

6.14 Відстань по нормалі між двома сусідніми циклонними ізобарами становить 222 км. Визначити швидкість градієнтного вітру, якщо радіус кривизни ізобар 600 км.

6.15 На периферії антициклону відстань між двома сусідніми ізобарами становить 333 км. Яка швидкість геоциклострофічного вітру при радіусі кривизни ізобар 800 км на широті 55⁰?

6.16 На широті 50^° швидкість геоциклострофічного вітру становила 75 м/с. Визначити значення баричного градієнта у випадку циклонних та антициклонних ізобар з радіусом кривизни траєкторії руху 1000 км при густиш повітря 1,2 кг/м³.

Контрольні запитання

1 Що таке вітер і з чим пов’язане його виникнення?

2 Хактеристики вітру (швидкість, сила, напрямок).

3 Схема загальної циркуляції атмосфери. Які фактори впливають на загальну циркуляцію атмосфери?

4 Поясніти систему циркуляції повітря між екваторіальними і тропічними широтами

5 Місцеві вітри. Охарактеризуйте бризи, фени.

Рекомендована література: [1] с. 65-88; [2] с.80-115; [6], с. 41-52; [11] с. 95-110.