ВІТЕР

Причини виникнення вітру

Рух повітря відносно земної поверхні називається вітром. Утворенню повітряних потоків сприяють такі чинники [Henry and Heike, 1996]:

• 1. Градієнтна сила, що забезпечує рух повітря від зони високого тиску до зони низького (тобто завдяки градієнтам тиску).
• 2. Гравітаційна сила, що прискорює рух повітря до величини g = 9,8 м/с2. Дія вертикального градієнта тиску врівноважується гравітаційною силою.
• 3. Сила тертя, що визначається як:

(3.1)

е μ – коефіцієнт внутрішнього тертя, який залежить від характеру підстилкової поверхні, Н/м•с; v – швидкість вітру, м/с. Сила тертя пропорційна швидкості вітру і має протилежний останньому напрямок.

4. Сила Коріоліса, що відхиляє напрямок руху повітря – вправо в Північній півкулі, вліво – в Південній (рис. 3.1). Визначається ця сила за виразом:

(3.2)

де р – маса повітря, кг; v – швидкість руху повітря, м/с; ω – кутова швидкість обертання Землі (7,3•10-51/с); φ – широта місцевості, °.

Розглянемо причини виникнення сили Коріоліса. В системі відліку, що обертається, матеріальна точка, яка рухається непаралельно осі цього обертання, відхиляється за напрямком, перпендикулярним до її швидкості.

На Землі цей ефект, зумовлений її добовим обертанням, спричинює те, що вільно падаючі тіла відхиляються на схід, а тіла, що рухаються вздовж земної поверхні, відхиляються в Північній півкулі вправо від напрямку руху, в Південній – вліво.

На екваторі sin φ = 0 і Fk = 0; на полюсах sin φ = 1, отже сила Коріоліса максимальна. Звичайно під терміном "вітер" ми розуміємо горизонтальний рух повітря.

Рис. 3.1. Відхилення тіл, що рухаються вздовж земної поверхні, вправо від напрямку руху в Північній півкулі, вліво – у Південній

5. Відцентрова сила, яка визначається за формулою:

(3.3)

де r – радіус криволінійної траєкторії. За великих швидкостей і малих радіусів кривизни Fe може значно перевищувати градієнтну силу (тропічні циклони, смерчі).

Параметри вітру

Основні параметри вітру – швидкість, напрямок і поривчастість.

Швидкість вітру вимірюється в м/с, хоча можуть застосовуватися такі одиниці як вузол або км/год (табл. 3.1 ).

3.1. Зв'язок між одиницями швидкості вітру

Швидкість вітру оцінюється за допомогою шкали Бофорта (табл. 3.2).

В Антарктиці швидкість вітру сягає 65 м/с, у тропіках – 110 м/с. Швидкість вітру υ залежить від висоти А над рівнем моря: υ = 5 м/с (А = 20 м); υ = 20-25 м/с (А = 300 м); υ = 60-80 м/с (А = 10-17 км).

Напрямок вітру визначають відносно сторін світу і позначають або в румбах (всього 16): північний, північно-східний, східний тощо, або в поділках: одна поділка містить 5° або 10° залежно від необхідної точності вимірювань.

Поривчатість вітру – це скачкоподібні підсилення і послаблення швидкості Δυ вітру; Δυ = ± 3 м/с при υ = 5-10 м/с; Δυ = ± 5-7 м/с при υ = 11-15 м/с.

3.2. Шкала Бофорта

Розглянемо повітряні потоки, що викликатимуть стресові ситуації.

Смерч – сильний вітер у вигляді горловини з вертикальною віссю, що має велику швидкість обертання. В Америці його називають торнадо. Причиною смерчу є великі градієнти тиску, нестійкість нижнього (до 2 км) шару атмосфери, що виникає при зіткненні сухих холодних повітряних мас з теплими й вологими. Діаметр смерчу сягає 100 м над водною поверхнею, від кількох десятків метрів до кількох сот метрів – над земною поверхнею. Висота смерчу становить від одного до кількох сот кілометрів. Характерна особливість – спіралеподібний рух повітря навколо вертикальної осі. Швидкість руху становить 50-100 м/с, а інколи 250 м/с, причому є вертикальна компонента швидкості величиною 70-90 м/с. Тривалість смерчу – від кількох хвилин до кількох годин. Для оцінки смерчів використовують шкалу Фудзі (табл. 3.3)

3.3. Шкала Фудзі оцінки смерчів

Урагани – тропічні циклони, швидкість яких досягає 290 км/год. Термін “ураган” стосується екстремальних вітрів, що виникають у північній Атлантиці; аналогічні явища у Тихому океані називають тайфунами. Тривалість ураганів від 1 до 30 днів. Оцінюють урагани за шкалою Сафіра-Сімсона (табл. 3.4).

3.4. Шкала Сафіра-Сімсона оцінки ураганів

Суховій – вітер, що виникає при високій температурі (більше 25 °С) і вкрай низькій відносній вологості (менше 30 %). Спостерігаються суховії в степових та лісостепових зонах. Швидкість руху повітря сягає 5-20 м/с.

Пилові бурі виникають на оголених земельних ділянках, розпиленому й висушеному грунті, на розораних схилах. Основними чинниками, що сприяють пиловій бурі, є сильний вітер (понад 10 м/с) і відносна вологість, що не перевищує 50 %. В Україні в степовій зоні спостерігають 4-5 днів на рік з пиловими бурями, а в деяких областях – 10-15 днів на рік.

Бора – сильний, холодний і поривчастий вітер, що виникає в області невисоких гірських хребтів і пересувається у бік теплого моря. Утворюється в холодну пору року, коли над холодним континентом виникає область підвищеного тиску, а над теплим морем – зона низького. Над хребтом переріз повітряного потоку зменшується, а швидкість збільшується. Швидкість вітру під час бори досягає 40-60 м/с, температура повітря може зменшуватися до – 200 С. Тривалість бори – 1-3 дні.

Екстремальні значення вітру

Найбільш вітряне місце – це море Співдружності в Антарктиді: швидкість вітру тут сягає 320 км/год.

Найдужчий вітер на земній поверхні – швидкість вітру в 371 км/год зареєстрована на горі Вашингтон (1916 м над рівнем моря), штат Нью-Гемпшир, США, 12 квітня 1934 р.

Рекордна швидкість вітру (333 км/год) на рівнині (44 м над рівнем моря) була зафіксована 8 березня 1972 року на базі BBC США в Тулі, Гренландія.

Найвища швидкість вітру у смерчі (459 км/год) була зареєстрована в Уїчіто-Фолс, штат Техас, США, 2 квітня 1958 року.