Влияние рельефа на направление ветра

Влияние рельефа на направление ветра довольно велико. Различные естественные и искусственные препятствия на пути движущегося воздуха в зависимости от своих размеров и форм по-разному изменяют скорость и направление движения воздушного потока. Горный хребет, как и обрывистый берег, образует стену перед потоком воздуха, которому ничего не остается, как подняться и перевалить через эту стену. Но теплый и холодный воздух проявляет себя неодинаково перед этим препятствием. Холодный воздух значительно менее подвижен, чем теплый.

Подойдя к препятствию, он сначала скапливается у подножия возвышенности, а затем уже начинает медленно переваливать через него. Масса теплого воздуха начинает подниматься сразу же, подойдя к препятствию, и тем быстрее, чем выше была ее первоначальная скорость.

Когда воздушная масса достигнет вершины, она располагается над крутым склоном, по которому должна спускаться. Если воздух холодный, он начинает спускаться, не создавая беспорядочных перемещений вдоль склона, образуя то, что называют «воздушной ямой». Если же воздух теплый, с подветренной стороны склона образуются завихрения.

Они тем сильнее, чем круче склон и чем выше скорость ветра. Стационарные волны — это вид превращения горизонтального движения воздуха в волнообразное. Они могут возникать при встрече движущихся с большой скоростью воздушных масс с горными кряжами и хребтами. При перетекании хребта скорость потока возрастает, а давление в нем падает. Поэтому верхние слои потока несколько снижаются и нагреваются. Миновав вершину, поток снижает свою скорость, давление в нем увеличивается и часть воздуха устремляется вверх. Такой колебательный импульс и вызывает волнообразное движение потока за хребтом или кряжем, которое постепенно затухает.

Поднимающаяся часть волны может быть использована дельтапланеристами для набора высоты. Эти волны распространяются на большие высоты, выходя даже за границу стратосферы. При этом вертикальная скорость волны может достигать десятков метров в секунду. Признаком стационарных волн является появление чечевицеобразных облаков, образующихся в вершинах волн. Нижняя кромка таких облаков располагается на высоте не менее 3 км, а вертикальное развитие их достигает 2—5 км.
Стационарные волны могут появляться и над равнинной местностью. В этих случах причиной их образования служит холодный фронт или кольцеобразные завихрения (роторы), возникающие при различных скоростях движения двух соседствующих слоев воздуха.

На пути ветра может встретиться отдельно стоящее возвышение — пригорок, холм или пик горы. Температура воздуха здесь играет еще большую роль. Холодный воздух, кинетическая энергия которого мала, стремится остаться у земли. Он разделяется на два потока и обтекает холм с двух сторон. Теплый воздух делится на три части: две огибают, а третья проходит над холмом. С наветренной стороны холма существует зона повышенного давления.

Взаимодействуя с ней, верхние слои потока получают приращение вертикальной составляющей скорости — это зона восходящих потоков. Над вершиной поток разгоняется, а проходя подветренную сторону, уменьшает скорость. Роторы могут образовываться как перед холмом, так и за ним. Сила их будет определяться скоростью ветра.
В случае обтекания скалистого горного пика при любой скорости ветра за ним будет образовываться зона завихрений.

В случае обтекания склона косым потоком воздуха (если он набегает на склон под углом менее 60°) ширина восходящего потока резко сужается. При парении в таком потоке пилотирование дельтаплана усложняется, так как происходит несимметричное обтекание крыла с образованием локальных завихрений за ним.

На порядок движения воздушных масс влияют и малые препятствия. Ламинарность потока нарушается над пересеченной местностью. В этом случае образуется слой завихрений у поверхности земли. Но верхние слои воздуха продолжают равномерно перемещаться над этой «подушкой» завихрений.
Мощная зона завихрений возникает за сплошным рядом деревьев. А на опушке леса может возникнуть восходящий поток.
Различные постройки и здания также служат причиной завихрений, очень сложных и беспорядочных, особенно если скорость ветра значительна.

В общем случае для препятствий различных масштабов можно отметить, что воздушный поток возмущается до высот, в три-четыре раза превосходящих высоту самого препятствия.
Турбулентность представляет особую опасность для полетов на дельтапланах. К сожалению, нельзя с высокой точностью предсказать наличие и интенсивность турбулентности, но знание основных закономерностей в соединении с практическим опытом будут необходимым залогом безопасности полетов.

Если определить турбулентность как хаотическое вращение воздуха, то для того, кто наблюдает Землю с Луны, вся земная атмосфера будет казаться охваченной вихревым движением. На фотографиях, сделанных со спутников, отчетливо виден вихревой характер циклонов. Для обитателей Земли эти движения воздуха будут просто ветром, продолжающимся часами и сутками, возможно, слегка меняющимся по направлению и силе. Вихревого характера этого ветра мы не замечаем и потому не относим его к турбулентности.

Нас интересуют только те вихри, которые соизмеримы с дельтапланом. Такие вихри воспринимаются аппаратом как удары, повторяющиеся с определенной частотой. Попадание дельтаплана в вихри размером от нескольких десятков до сотен метров будет обнаруживаться по неожиданным подъемам и провалам аппарата.

Интенсивность вихрей, характеризуемая скоростью их вращения, изменяется вместе с их размерами: с уменьшением диаметра вихря его интенсивность увеличивается. Это объясняется тем, что перенос энергии по цепочке от больших вихрей к малым совершается с сохранением момента количества движения, то есть большая вращающаяся масса распадается на несколько меньших, вращающихся с большей скоростью, так что суммарный момент количества движения остается неизменным.
В образовании турбулентности, воздействующей на дельтаплан, можно выделить три причины.
Первая причина — это так называемые механические препятствия, мешающие плавному течению воздуха,— горы, возвышенности, искусственные сооружения и т. п.

Размеры и интенсивность образующихся при этом вихрей зависят от скорости потока, плотности воздуха и формы препятствий. Последний фактор является самым главным, определяющим характер обтекания. Турбулентность, возникающая при столкновении воздушного потока с препятствиями, ограничена некоторым слоем, который принято называть слоем трения или земным пограничным слоем.

При слабом ветре эта турбулентность либо незначительна, либо ее нет вовсе. При ветре свыше 10 м/с турбулентные вихри становятся интенсивными и сносятся по потоку, прежде чем разрушиться. Вдали от земной поверхности турбулентность можно считать изотропной, то есть скорость вихрей не зависит от направления. С приближением к поверхности вертикальная составляющая скорости уменьшается по сравнению с горизонтальной. А это означает, что у земли порывы ветра будут создавать скорее возмущения по курсу, чем по тангажу и крену.

Возмущения по курсу — это возникновение возмущающего момента, действующего на аппарат в полете вокруг вертикальной оси (оси у) и приводящего к изменению направления полета в горизонтальной плоскости.

Возмущения по тангажу — это возникновение возмущающего момента, действующего на аппарат в полете вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к направлению движения (оси г), и приводящего к изменению угла атаки.
Возмущение по крену — это возникновение возмущающего момента, действующего на аппарат в полете вокруг горизонтальной оси, совпадающей с направлением движения (оси х), и приводящего к образованию или изменению угла крена, что вызывает скольжение на крыло.

Причиной турбулентности служит также статическая неустойчивость воздуха, проявляющаяся в вертикальном движении воздушных масс, получивших первоначальный импульс, как, например, в случае термических потоков. Взаимодействие подвижных и неподвижных масс воздуха нарушает плавное течение потока. Турбулентность, связанная с термическими потоками, обычно существует в нижнем слое атмосферы до высот 600—1300 м, но может достигать и высот в несколько километров, особенно в мощных кучево-дождевых облаках.

Третьим источником турбулентности является «сдвиг» ветра. Когда два слоя воздуха движутся с разными по величине и направлению скоростями, то промежуточный слой оказывается под действием противоположно направленных сил трения. Происходит турбулиза-ция воздуха в этом слое. Наиболее очевидным местом для существования сдвиговой турбулентности является теплый или холодный фронт. Тип и интенсивность турбулентности зависят от времени дня. Термическая турбулентность имеет суточный ход и наиболее сильна в полдень, когда нагрев максимален. Хорошо известно, что ветер достигает наибольшей силы после полудня. А это означает, что и механическая турбулентность также имеет суточный ход.

Иной раз это заставляет пилотов долгие часы проводить на склоне в бездействии, в ожидании, пока ветер не снизится до безопасного уровня. Но закатные часы награждали их прекрасным полетом в идеально ровном потоке, которым внезапно завершался ветреный день.
Полеты в условиях турбулентности требуют особой осторожности. Перед взлетом пилот должен произвести оценку района полетов, определить возможные источники турбулентности и зоны их действия. Если анемометр показывает изменение скорости ветра более 2,5 м/с за 2 с, то это свидетельствует об опасной для полета интенсивности турбулентности. Надо учитывать, что за большими холмами и гребнями турбулентность простирается на значительное расстояние, и следует избегать попадания в нее.

Степень опасности полетов в условиях турбулентности зависит от того, какую перегрузку при этом испытывает аппарат. Она определяется средней скоростью ветра, удельной нагрузкой на крыло и полетной скоростью. Чем меньше нагрузка, тем легче аппарат увлекается порывом. Так как сила пропорциональна ускорению потока относительно аппарата, то крыло на больших скоростях подвергается и большим перегрузкам от порывов. Поэтому ле тать на повышенных скоростях в турбулентности опасно. Однако следует также относиться с осторожностью к полетам на слишком малых скоростях.

Аппарат, летящий на около-срывном режиме, под действием порыва может свалиться на крыло.
Порывы, вызывающие приращение перегрузки на единицу, также опасны. Продолжительное действие турбулентности такой интенсивности чревато потерей контроля над положением в пространстве, так как при бросках вниз с ускорением, равным земному, наступает потеря веса. Резкие броски вверх создают добавочную перегрузку, которая может быть опасной для аппарата. Различают три вида турбулентности, которая приводит к болтанке:

в зонах мощно-кучевых, кучевых, кучево-дождевых и перистых облаков;
турбулентность в ясном небе (ТЯН);
турбулентность над горными районами и хребтами.
В прил. 2 приводится шкала оценки интенсивности болтанки.
Скорость ветра выражают в м/с, км/ч или в условных единицах — баллах. Для глазомерной оценки скорости пользуются шкалой, введенной в 1806 году английским адмиралом Бофортом. Позднее было определено соотношение между баллами Бофорта и скоростью ветра, определяемой с помощью приборов. В настоящее время шкала Бофорта официально принята в нашей стране для оценки скорости ветра.

Направление ветра выражается в румбах или градусах, причем отсчеты начинаются с севера (0°) по часовой стрелке через восток (90°), юг (180°), запад (270°). В метеорологии принято обозначать направление ветра стороной горизонта, откуда он дует. В авиации, наоборот, направление обозначают стороной света, куда сносится летательный аппарат. Такое направление ветра в авиации называется навигационным ветром. Если в метеорологии ветер будет юго-западный, то в авиации он считается северо-восточным.

Как известно, ветер не сохраняет свое направление неизменным. В северном полушарии обычно смена направления ветра идет в такой последовательности: юго-западный, западный, северо-западный, северный и т. д. Это было отмечено еще Аристотелем, который сделал такую запись в своей метеорологии: «Когда один ветер уступает свое место другому, то перемена эта всегда происходит в направлении движения солнца». На европейском континенте господствующим ветром является юго-западный. Если силу и направление ветра за какой-либо месяц изобразить в виде векторов, идущих из одной точки, то окаймляющая их кривая изобразит форму цветка, за что это графическое изображение и получило название «роза ветров». Она может помочь в оценке ожидаемых ветров за какой-либо период, прогнозе погоды и в планировании полетов. 

Смотрите также

Фронтальное сложение
Возникает при полёте в болтанку. Из фронтального сложения MuSCat выходит самостоятельно. Для убыстрения выхода в нормальный полёт желательно немного (на 15-20 см) поджать клеванты. После выхода в норм ...

Межконтинентальная баллистическая ракета РС-24
Мобильная МБР PC-24 с разделяющейся головной частью типа MIRV разработана Московским институтом теплотехники под руководством академика РАН Юрия Соломонова. Ракета создается с использованием научно-т ...

Многоцелевой вертолёт Sikorsky Aircraft HH-60 Night Hawk
Вертолет НН-60А Night Hawk создан на базе серийно выпускаемого многоцелевого вертолета Sikorsky S-70 Black Hawk и пред назначен для выполнения возложенных на него боевых задач на малых высотах и в сло ...