У цій статті ми пильно розглянемо вітер, і що змушує його дути. Мотивом вивчення теоретичного розділу є те, що чим більше ми знаємо про сили, що викликають вітер, тим краще ми підготовлені до розуміння того, що відбувається, і до можливості зробити засноване на знаннях судження про те, що станеться в майбутньому.
Залишаючись в стороні від декількох важливих моментів впливу берега, швидкість і напрямок вітру можуть бути передбачені в залежності від того, де саме ми перебуваємо всередині певної погодної системи (синоптичної ситуації). Дуже часто найкращим індикатором нашого місця розташування в погодної системі є напрямок існуючого вітру та зміна його напрямку з плином часу. Щоб з'ясувати це, потрібно розуміння того, як вітер рухається навколо систем з високим і низьким атмосферним тиском, які ми будемо називати "антициклон" (атмосферна система з високим тиском у центрі - "High" або "Н") і циклон (система низького тиску - "Low" або "L"), до яких ми підійдемо після короткого огляду атмосферного тиску як такого.
Вітер - це просто горизонтальний рух повітря. 10-вузловий вітер означає просування маси повітря на 10 морських миль в годину. Повітря - це текуча середовище зі своєю масою, подібно воді, тільки в 800 разів легше води, тобто менш щільний, і значно більш здатний до стиску. Розуміння текучою натури повітря, його взаємодії з водою, як рідиною, і з водяною парою, є ключовим в поясненні більшості морських погодних умов.
Взаємодія між текучими середовищами повітря і поверхні моря викликає хвилі; подібна взаємодія між високо дмуть вітром і водяною парою в хмарах утворює хвилі з хмар. Видимі хвилі хмар показують нам напрямок вітру на висоті так само, як хвилі на воді показують напрямок вітру над поверхнею моря. Дуже цінно знати напрямок вітру на висоті, так як це інформує нас про напрямок руху шторму. А шторми і фронтальні системи в атмосфері ведуть себе подібно до водоверті і хвилям у водному середовищі.
Повітря утримується у Землі гравітацією (силою тяжіння); якби Земля не була достатньо важкою, щоб забезпечити таке тяжіння, повітря було б викинуто в космічний простір відцентровою силою обертання нашої планети. Оскільки повітря стискаємо і утримувана його сила тяжіння зменшується з висотою, більшість повітряної маси спресований у відносно тонкому шарі біля поверхні землі і цей шар має більшу щільність, чим ближче до поверхні Землі. Грубо кажучи, 80 відсотків повітря атмосфери зосереджено нижче 40,00 футів і близько 50 відсотків нижче 18,00 футів над поверхнею. Саме ця висота, яка знаходиться на середині висоти атмосфери Землі, є важливою демаркаційною лінією в метеорології, тому що більшість атмосферних явищ, які ми сприймаємо як погоду на землі, відбуваються в цій частині атмосфери. Вітри, що дмуть вище цієї лінії, значно сильнішим і стабільнішим, ніж над поверхнею; так само зміна стану води в хмарах - від пари до крижаним кристалам - відбувається на цій висоті.
Поряд із зменшенням щільності атмосфери з висотою, повітря стає холодніше, так як все менше і менше «атмосферного ковдри», зберігає тепло, залишається над ним. У середньому, температура повітря знижується на 4 F° на кожні 100 футів висоти, якщо підніматися через атмосферу. Чіткі нижні або верхні межі хмар розташовані на висотах, де температура повітря падає до точки роси.
Хоча вага повітря на одиницю об'єму (густина) дуже невеликий, загальна вага його дуже вразять. Наприклад, у звичайній кімнаті міститься близько 100 фунтів повітря, в той час як над кожної квадратної милею поверхні землі ми маємо 30 мільйонів тонн повітря, і ця величезна маса не завжди розподілена рівномірно над поверхнею. Саме нерівномірний розподіл повітря над землею і є те, що заподіює вітер. Якщо вітер дме через цілий штат, наприклад з півночі з силою 20 вузлів протягом цілого дня, значить, там, на півночі, було набагато більше повітря, ніж на півдні. Кількість повітря над будь-яким місцем визначається величиною атмосферного тиску в цьому місці. Щоб охарактеризувати атмосферний тиск, необхідно просто встановити, скільки важить стовп повітря над певною площею поверхні. Типове значення буде 14,7 фунтів на квадратний дюйм, розуміючи це так: стовп повітря поперечного перерізу в один дюйм, що тягнеться від поверхні до верхньої межі атмосфери, важить 14,7 фунтів. Атмосферний тиск зазвичай варіюється від 14,4 до 14,8 фунтів на квадратний дюйм.
Проте зазвичай атмосферний тиск виражають у міліметрах ртутного стовпа або вмиллибарах (14.7 фунтів на квадратний дюйм = 1013.25 mb). Міліметри ртутного стовпа, як одиниця вимірювання тиску, прийняті від ртутного манометра - приладу для вимірювання тиску. Висота ртутного стовпа зростає або падає відповідно з тиском атмосфери на відкриту поверхню ртуті. Ці одиниці виміру застосовуються в авіації і радіо і теле прогнозах погоди.
З іншого боку, у прогнозах погоди на море і на всіх картах погоди прийнято відображати атмосферний тиск вмиллибарах (mb), і це найкраща одиниця виміру для вивчення морської погоди. Мілібар - метрична одиниця, рівна тиску одного кілограма ваги на площу в один квадратний метр. Можна перетворити дюйми в миллибары: mb = 33.864 х дюйми або стартувати з 30.00 дюймів = 1016mb і змінювати відповідно на 1mb для кожних 0.03 дюйми.
Області високого і низького тиску (звані «антициклон» і «циклон») показано на G255 і G251, де схематично представлено розподіл повітря над одній тисячі миль океану. Антициклон - величезний пагорб повітря, циклон - западина (депресія).
На рис. G251 показано, що де небудь в антициклоні (1024 mb) тиск вищий, ніж де небудь в циклоні (996 mb), так як над ним більше повітря.
Оскільки повітря - текуча середа, він слід натуральної тенденції стікати з висоти в западину, захоплюємося силою тяжіння. Отже, повітря в антициклоні завжди прагне назовні від центру високого тиску і опускається, прагнучи всередину циклону - до центру низького тиску, і піднімається. Маємо вітер! В точці «В» не може бути вітру, оскільки повітря розподілений рівномірно і тиск однаково по всіх сторонах регіону. Кола над циклоном і антициклоном показують, як ці ділянки представлені на картах погоди. Кола - це контури з однаковим тиском, звані ізобари, зазвичай відзначені двома останніми цифрами значення тиску, який вони представляють (24 означає 1024mb) і намальовані з 4-mb інтервалом. Ізобари можна розглянути за аналогією з контурами висоти на топографічних картах, і на цій схематичної картинці розподілу повітря, вони як би відбивають дійсну висоту «пагорба» або «западини», хоча фактичний тиск також залежить від щільності (температури повітря, так і від висоти.
А зараз ми підходимо до іншої проблеми - чому вітер дме по колу. Рушійна сила гравітації однакова у всіх горизонтальних напрямках, але дійсне рух повітря має бути описано з урахуванням сферичної форми землі, що обертається під ним. Результат називають «ефект Коріоліса»: все, що рухається по прямій лінії над обертається поверхнею описує куроиду на цій поверхні. Не заглиблюючись у цю тему зазначимо: унаслідок ефекту Коріоліса все на землі (вітру, течії, балістичні ракети) при їх русі в північній півкулі відхиляються вправо і в південній півкулі - вліво. Це відхилення залежить від швидкості руху та географічної широти місцевості. Вплив ефекту Коріоліса є ключовим у метеорології та океанографії. Оскільки цей ефект впливає на рух повітряних мас, його частина називають Коріолісової силою. Так як повітря в північній півкулі змушений рухатися з області антициклону всередину циклону під впливом сили тяжкості, Кориолисова сила змушує його відхилятися вправо (див. рис. G255). У високих широтах в атмосфері, де немає інших сил, що впливають на повітря, вітер продовжує відхилятися вправо до тих пір, поки Кориолисова сила не зрівняється з силою гравітації, яка виштовхує повітря назовні. В результаті взимодействия цих сил повітря циркулює за годинниковою стрілкою навколо антициклону і проти годинникової в циклоні.
Це базове правило в русі повітря в циклоні та антициклоні є фундаментальним в пророкуванні вітру, але перш, ніж ми продовжимо з цим, необхідно прояснити деякі моменти. З-за різниці щільності повітря, антициклон може містити більшу його кількість, ніж поруч знаходиться циклон, навіть при однаковій висоті стовпа повітря. Холодне повітря важче, ніж теплий, тому в регіоні з холодним повітрям тиск буде вище, ніж у такому ж з теплим повітрям при тій же висоті. Отже, вітер з антициклону в циклон і обертання його буде таким же. Тому краще представляти різниця тисків (градієнт) як основну силу, що змушує повітря рухатися. (див. рис. G255a)
Чим більше градієнт тиску (тобто різниця тисків над сусідніми ділянками), тим більше сила, що впливає на повітря і тим сильніший вітер. Величина градієнта тиску або його крутизна відображається на погодні картах відстанню між изобарами: чим ближче ізобари розташовані один до одного, тим більше градієнт. (рис. G254)
Тепер, коли ми розглянули ці питання, відзначимо ще один важливий фактор. Коли вітер дме над земною поверхнею, виникає ще одна сила - сила тертя повітря об цю поверхню, і вона впливає і на швидкість та напрям вітру. Виходячи з текучого натури повітря, можна провести порівняння з водою, що стікає по похилій поверхні, наприклад скляній і покритою наждачним папером. Зрозуміло, що наждачний папір створює велику силу тертя і потік сповільнюється більше, ніж на склі. Так і з вітром. Як тільки він починає дути з антициклону і Кориолисова сила відхиляє його вправо, тертя повітря об землю пручається цьому відхиленню і зменшує швидкість вітру в порівнянні з вітром на висоті, де немає тертя об землю. В результаті - швидкість вітру біля землі менше, ніж на висоті і його напрямок вже не слід строго уздовж изобар, а прагне злегка назовні від центру антициклону. Те ж відбувається і в циклоні, тільки навпаки, приземний вітер відхиляється всередину циклону, до його центру. Зазвичай кут відхилення від вітру изобар назовні в антициклоні і всередину в циклоні становить 15° - 30° і залежить від стану моря і вигину изобар. Над землею, де тертя більше, цей кут може досягати значень 30° - 45°. (рис. G255)
Хоча це може здатися не важливим, але ця різниця у швидкості і напрямку вітру над землею на висоті вельми важлива при спостереженні за погодою і при її прогноз. Щоб краще пояснити ці моменти, ми повинні домовитися про терміни. Вітер називають по напрямку, звідки він дме. Північний вітер дме з півночі на південь, південно-західний вітер дме з південного заходу і т.д. Також, морський бриз віє з моря на берег, я береговий бриз - з берега в море. Зміни напрямку вітру теж мають свої назви. Поворот вітру вправо називається «veer» (вії), а вліво «backing shift» або «back» (бек), як показано на малюнку G135.
Північний вітер, який змінюється на північно-східний - йде вправо (veered), якщо лн змінюється на північно-західний, йде вліво, проти годинникової стрілки (backed). Ці визначення застосовуються до вітри всіх напрямків і у всіх місцевостях, як у північній півкулі, так і в південному. Напрями щодо вітру також мають свої назви. "Windward" (виндвард) означає - вітер в обличчя. "Leeward" (леевард) - вітер у спину. "Lee shore" - (далі-шое) - підвітряний бік, на який ви дивитеся, дивлячись по вітрі (не проти вітру!)
Щоб визначити, де знаходиться центр циклону, треба стати обличчям до вітру, і тоді центр низького тиску виявиться на вашій правій стороні, трохи ззаду (близько 30°).(див. рис G168)
Якщо ми маємо північний вітер, скажімо, 30 вузлів на висоті купчастих хмар, то у поверхні буде тільки 20-вузловий вітер від північно-північно-заходу. Причина - тертя повітря об поверхню землі. Іншими словами - вітер нагорі повертає вправо відносно до вітру у землі, і це справедливо для всіх вітрів в антициклонах і циклонах. Результатом цього є напрямок руху купчастих хмар. Оскільки вони біжать у вітрах нагорі, напрям їх руху співпадає з напрямом вітру біля землі. Якщо ви станете обличчям до вітру, ви побачите хмари біжать не строго на вас. Зазвичай їх курс відхиляється на 30° вправо. Пориви вітру - інший приклад цього ефекту. Причиною поривів служить вертикальна нестабільність в повітрі. Пориви - це просто великі «шматки» вітру з висоти, які кинуті вниз, до землі. І оскільки вони приходять зверху, де немає тертя об землю, вітер в поривах сильніше і заходить вправо відносно вітру, зберігаючи своє «верхнє» напрям. Якщо коротко: коли приходить порив вітру, він відвертає вправо.
Іншим результатом тертя є його внесок у типове зміни напрямку вітру біля низького берега. Оскільки вода створює менше тертя, ніж суша, над морем вітер звичайно сильніше, ніж на березі. Не є рідкістю, що вітер над великим водним простором удвічі сильніше, ніж на найближчому березі в той же час - важлива практична підказка для виходять в море з гаваней або прибережних якірних стоянок. Коли тертя об воду змінюється тертям об землю при перетині берегової риси, напрямок вітру також змінюється і вітер відвертає вліво, починаючи з деякої відстані від берега. (G267).
Загальна тенденція така, що при наближенню до берега, вітер дме більш перпендикулярно берегової подружжю, ніж у відкритому морі.
Поряд з тим фактом, що вітру циркулюють в різних напрямках навколо циклону і антициклону, є інша, більш важлива відмінність між цими погодними системами: Циклон завжди приносить погану погоду, а антициклон - зазвичай хорошу. Більш того, вітру в циклонах завжди сильніше. А антициклони відомі своїми слабкими вітрами. Щоб розібратися, чому це відбувається, давайте пильніше поглянемо на те, які сили тут залучені. Знаючи, що дві сили завдають вітру - градієнт (або різниця) тиску, і Кориолисова сила, шляхом нескладних векторних розкладань сил, можна зробити висновок, що для вітри в антициклоні результуюча сила = Кориолисова сила - сила різниці тисків. В циклоні ж, ця результуюча сила, що викликає вітер буде = Кориолисова сила + сила різниці тисків, що звичайно ж більше, ніж в першому випадку. А значить, і вітер в циклоні сильніше.
Як правило, чим швидше рухається циклон, тим інтенсивніше його вітру. Влітку циклони подорожують зі швидкістю 10 -20 вузлів; взимку швидкість їх руху зростає до 20 -30 вузлів. У будь-який час року циклон може зупинитися (так званий стаціонарний циклон»), а взимку його швидкість може досягати 60 вузлів. Всюди в середніх широтах (30° - 60°), циклони рухаються в східному напрямку через океан. У тропіках же - більше в західному напрямку.
Вся погана погода - це циклони. Шторм - це великий циркулюючий циклон; урагани та інші тропічні депресії - це малі, інтенсивні циклони; фронтальні системи - це довгі і вузькі області низького тиску; і шквали - дуже локалізовані циклони під високими купчастими хмарами. Поряд з сильними вітрами, циклони приносять хмарність і дощ: так як повітря в циклонах завжди піднімається, він охолоджується з висотою до точки роси, і коли він стає насичений вологою або кристалами льоду, починається дощ. В антициклонах ж, повітря опускається, і будь-хмари, що з'явилися в антициклоні, випаруються при опусканні вниз і нагріванні.
У наступній статті ми розглянемо фронти і фронтальні системи.
З "Weather trainer" by David Burch, опубліковано в журналі Фарватер
Переклад С.Свистула.
