Вітер виробляє величезні руйнування
Для більш повної оцінки вироблених сильними вітрами руйнувань американської Національної службою погоди шкала Бофорта була доповнена:
- 12.1 балів, швидкість вітру 35 - 42 м / с. Сильний ветровал. Значних руйнувань легких дерев'яних будівель. Валяться деякі телеграфні стовпи.
- 12.2. 42-49 м / с. Руйнуються до 50% легких дерев'яних будівель, в інших будівлях - пошкодження дверей, дахів, вікон. Штормовий наганяння води на 1,6-2,4 м вище нормального рівня моря.
- 12.3. 49-58 м / с. Повне руйнування легких будинків. У міцних будівлях - великі пошкодження. Штормовий наганяння - на 1,5-3.5 м вище нормального рівня моря. Серйозне наганяння повінь, пошкодження будівель водою.
- 12.4. 58-70 м / с. Повний ветровал дерев. Повне руйнування легких і сильне пошкодження міцних споруд. Штормовий наганяння - на 3,5-5,5 м вище нормального рівня моря. Сильна абразія берегів. Сильні пошкодження нижніх поверхів будівель водою.
- 12.5. більше 70 м / с. Багато міцні споруди руйнуються вітром, при швидкості 80-100 м / с - також кам'яні, при швидкості 110 м / с - практично всі. Штормовий наганяння вище 5,5 м. Інтенсивні руйнування повінню.
Швидкість вітру на метеостанціях вимірюють анемометрами; якщо прилад самописний, то він називається анемографом. Анеморумбограф визначає не тільки швидкість, але і напрямок вітру в режимі постійної реєстрації. Прилади для вимірювання швидкості вітру встановлюють на висоті 10-15 м над поверхнею, і виміряний ними вітер називається вітром у земної поверхні.
Напрямок вітру визначають, назвавши точку горизонту, звідки дме вітер або кут, утворений напрямом вітру з меридіаном місця, звідки дме вітер, тобто його азимут. У першому випадку розрізняють 8 основних румбів горизонту: північ, північний схід, схід, південний схід, південь, південний захід, захід, північний захід і 8 проміжних.
8 основних румбів напрямки мають такі скорочення (російські і міжнародні): С-N, Ю-S, З-W, В-E, СЗ-NW, СВ-NE, Пд-SW, ЮВ-SE.
Якщо напрямок вітру характеризується кутом, то відлік ведеться від півночі за годинниковою стрілкою. В цьому випадку, північ буде відповідати 0 0 (360), північний схід - 45 0. схід - 90 0. південь - 180 0. захід - 270 0.
При кліматологічної обробці спостережень над вітром будують для кожного пункту діаграму, що представляє собою розподіл повторюваності напрямків вітру по основних румбам - «розу вітрів».
Від початку полярних координат відкладають напрямок по румбам горизонту відрізками, довжини яких пропорційні повторюваності вітрів даного напрямку. Кінці відрізків з'єднуються ламаною лінією. Повторюваність штилів вказують числом в центрі діаграми. При побудові рози вітрів можна врахувати і середню швидкість вітру за кожним напрямом, помноживши на неї повторюваність даного напрямку, тоді графік покаже в умовних одиницях кількість повітря, що переноситься вітрами кожного напряму.
Геострофічний вітер. Метод найшвидшого вітер. Геотріптіческій вітер.
Вітер виникає в зв'язку з нерівномірним розподілом атмосферного тиску, тобто з наявністю горизонтальних різниць тиску. Мірою нерівномірності розподілу тиску є горизонтальний баричний градієнт. Повітря прагне рухатися у напрямку цього градієнта, отримуючи при цьому прискорення тим більше, чим більше баричний градієнт. Отже, горизонтальний баричний градієнт є сила, що повідомляє повітрю прискорення, тобто що викликає вітер і змінює його швидкість. Всі інші сили, які проявляються під час руху повітря, можуть лише гальмувати рух повітря або відхиляти його від напрямку градієнта. Встановлено, що градієнт в 1 гПа на 100 км створює прискорення в 0.1 см / с2. Якби на повітря діяла тільки сила баричного градієнта, то рух повітря під дією цієї сили було б рівномірно прискореним, і при тривалому впливі повітря отримав би великі, не обмежені швидкості. Але в дійсності на повітря діють і інші сили, більш-менш врівноважують силу градієнта. Це, перш за все, сила Коріоліса або сила обертання Землі. Поворотний прискорення або прискорення Коріоліса на Землі має величину
А = 2wVsin y, (25)
де:
w - кутова швидкість обертання Землі,
V - швидкість вітру,
y - географічна широта.
При цьому ми маємо на увазі тільки горизонтальну складову поворотного прискорення. З формули ясно, що прискорення має найбільше значення на полюсі і перетворюється в нуль на екваторі. Значення сили Коріоліса для вітру є величиною того ж порядку, що і прискорення, створюване баричним градієнтом. Тому, сила обертання Землі під час руху повітря може врівноважити силу баричного градієнта.
Вітер, на який діє тільки сила баричного градієнта і сила Коріоліса, називається геострофічних. За умови, що сили врівноважують один одного, рух вітру прямолінійний рівномірний. Сила Коріоліса в Північній півкулі спрямована під прямим кутом до швидкості руху вправо, а сила градієнта, рівна їй, повинна бути спрямована під прямим кутом до швидкості вліво. Тому в північній півкулі геострофічний вітер буде дути уздовж ізобар, залишаючи низький тиск ліворуч. У Південній півкулі геострофічний вітер дме, залишаючи низький тиск справа, так як сила Коріоліса направлена вліво.
В реальних умовах геострофічний вітер виникає у вільній атмосфері, на висотах більше 1 км, коли сила тертя стає так мала, що нею можна знехтувати.
Якщо рух повітря відбувається без дії сили тертя, але криволинейно, то це означає, що крім сили градієнта і сили Коріоліса, з'являється ще відцентрова сила:
З = V 2 / r, (26)
де:
V - швидкість,
r - радіус кривизни траєкторії рухомого повітря.
Направлена відцентрова сила по радіусу кривизни траєкторії назовні, в сторону випуклості траєкторії. Якщо рух повітря рівномірний, то всі три сили врівноважені. Такий теоретичний випадок рівномірного руху повітря по кругових траєкторіях без впливу сили тертя називають градієнтним вітром. Для градієнтного вітру можливі два випадки: в циклоні і в антициклоні. В циклоні, тобто в барической системі з найнижчим тиском в центрі, відцентрова сила спрямована завжди назовні, проти сили градієнта. Як правило, відцентрова сила в дійсних атмосферних умовах менше сили градієнта, тому для рівноваги діючих сил потрібно, щоб сила Коріоліса була спрямована так само, як відцентрова сила, і вони разом врівноважували б силу градієнта. Швидкість же вітру повинна відхилятися на прямий кут від сили Коріоліса, в північній півкулі вліво. Вітер повинен дути по кругових ізобарах циклону проти годинникової стрілки, відхиляючись від баричного градієнта вправо.
В антициклоні відцентрова сила спрямована назовні, в сторону випуклості изобар, тобто однаково з силою градієнта. Сила ж Коріоліса повинна бути спрямована всередину антициклону, щоб врівноважувати дві однаково спрямовані сили - градієнта і відцентрову. Швидкість же вітру повинна бути спрямована так, щоб вітер дув з круговим ізобарах антициклону за годинниковою стрілкою. Але наведені міркування стосуються тільки північної півкулі. У південній півкулі, де сила Коріоліса направлена вліво від швидкості, градієнтний вітер буде відхилятися від градієнта вліво. Тому для південної півкулі рух повітря по ізобарах в циклоні виходить за годинниковою стрілкою, а в антициклоні - проти годинникової стрілки. Дійсний вітер близький до градиентному в циклонах і антициклонах тільки у вільній атмосфері, де немає впливу сили тертя.
Тертя в атмосфері є силою, яка повідомляє уже існуючого руху повітря негативне прискорення, вона уповільнює рух і змінює його напрямок. Сила тертя найбільш велика у земної поверхні, з висотою вона убуває і на рівні 1000 м стає незначною у порівнянні з іншими силами. Висота, на якій сила тертя практично зникає (в середньому 1000 м) називається рівнем тертя, нижній шар тропосфери до рівня тертя називається шаром тертя, або планетарним прикордонним шаром.
Швидкість вітру внаслідок тертя зменшується настільки, що у земної поверхні (на висоті флюгера) над сушею вона вдвічі менша, ніж швидкість геострофічного вітру, розрахованого для того ж баричного градієнта.
Рівномірний прямолінійний рух повітря при наявності тертя називають геотріптіческім вітром. Вплив сили тертя призводить до того, що швидкість геотріптіческого вітру спрямована не по ізобарах, а перетинає їх, відхиляючись при цьому від градієнта вправо (в північній півкулі) і вліво (у південному), але складаючи з ним деякий кут менше прямого. Швидкість вітру при цьому можна розкласти на дві складові - по ізобарі і по градієнту. В результаті в шарі тертя в циклоні вітер буде дути проти годинникової стрілки, ВТЕК від периферії до центру (в північній півкулі) і за годинниковою стрілкою також від периферії до центру (в південній півкулі). В антициклоні північної півкулі вітер буде дути за годинниковою стрілкою, виносячи повітря зсередини антициклону до периферії, а в антициклоні південної півкулі - проти годинникової стрілки з центру антициклону до периферії.
Спостереження підтверджують, що вітер у земної поверхні (за винятком широт, близьких до екватора) відхиляється від баричного градієнта на деякий кут менше прямого (в північній півкулі вправо, у південному вліво). Звідси випливає таке положення: якщо встати спиною до вітру, а особою туди, куди дме вітер, то найбільш низький тиск виявиться зліва і трохи попереду, а найбільш високий тиск - справа і трохи позаду. Це положення було знайдено емпірично і носить назву баричного закону вітру або закону Бейс-Балло.
Зональність в розподілі тиску і вітру
Найбільш стійка особливість у розподілі як вітру, так і тиску над Землею - зональність. Причина цього - зональність в розподілі температури. Зональність переміщення повітряних мас (тобто зональність циркуляції) проявляється в переважанні широтних складових вітру (західної і східної) над меридіональними складовими. Ступінь переважання може бути різною. Над тропічними океанами переважання східних складових в перенесенні повітря в нижній частині тропосфери виражено дуже різко. Добре виражено і переважання західних вітрів в помірній зоні південної півкулі. У північній півкулі це переважання можна помітити лише при статистичній обробці довгого ряду спостережень. А на сході Азії в нижній тропосфері переважають меридіональні складові.
Меридіональні складові перенесення повітря в загальній циркуляції атмосфери, при меншій величині в порівнянні з зональними, мають дуже велике значення. Саме вони зумовлюють обмін повітря між різними широтами Землі.
Зональний розподіл тиску і вітру найбільш чітко проявляється у вільній атмосфері, поза шару тертя. Як відомо, розподіл тиску повторює розподіл температури. Оскільки температура в тропосфері в середньому падає від низьких широт до високих, то і меридіональний баричний градієнт спрямований, починаючи з висоти 4-5 км, від низьких широт до високих. У зв'язку з цим ізобаричної поверхні в 300 гПа проходить взимку над екватором на висоті близько 9700 м, над північним полюсом на висоті близько 8400 м, над південним - на висоті 8100 м. При такому розподілі горизонтального баричного градієнта градієнтний вітер буде направлений в обох півкулях з заходу на схід. Таким чином, у верхній тропосфері і нижній стратосфері навколо полюсів буде спостерігатися так званий планетарний циклонний вихор: проти годинникової стрілки над північною півкулею, і за годинниковою стрілкою над південним. У низьких широтах ситуація дещо інша. Справа в тому, що саме високий тиск у верхній тропосфері спостерігається не над екватором, а в порівняно вузькій області поблизу екватора, і баричний градієнт у верхній тропосфері спрямований до екватора. Це означає, що у верхній тропосфері над екваторіальній зоною панує східний перенос.
У нижній стратосфері середній розподіл температури по меридіану в літню пору протилежно тропосферні. Полярна стратосфера влітку дуже тепла в порівнянні з тропічної, і найнижчі температури припадають на екваторіальну зону, а найвищі - на полярну. Тому в стратосфері на висоті 18-20 км меридіональний градієнт змінюється на протилежний, спрямований від полюса до екватора. Виникає приполярних антициклон і східний перенос повітря в річному півкулі. Це явище отримало назву стратосферного звернення повітря. У зимовому півкулі зберігається західний перенос.
У земної поверхні і в нижній тропосфері (в шарі тертя) зональний розподіл тиску складніше, що пов'язано з розподілом суші і моря.
Таблиця 2. Середні широтні величини приземного тиску в гПа.
Широта в градусах
Зональний розподіл тиску і переносів повітря у земної поверхні і в нижній тропосфері (схема). Праворуч - напрямок барических градієнтів вздовж меридіана в відповідних зонах.
Напрямок перенесення повітряних мас в нижніх шарах тропосфери пов'язано з зональним розміщенням зон підвищеного і зниженого тиску За зверненої до полюса периферії субтропічної зони в середніх широтах створюється західний перенос, він простягається до осі субполярного зони, тобто до 60-650 с. ш. і пд.ш. Найбільш добре західний перенос виражений над океанами в південній півкулі. Над материками повторюваність вітрів західного напрямку рідше.
По периферії субтропічної зони високого тиску, зверненої до екватора, тобто в тропіках, баричний градієнт у земної поверхні спрямований до екватора і тут панує східний перенос, що охоплює всю тропічну зону. Це так звані пасати - стійкі східні тропічні вітри.
У полярному районі баричний градієнт спрямований від полюса до субполярним широт, що створює східний перенос повітря. Найвиразніше переважання східних вітрів виражено в Антарктиді, де є райони з постійними східними вітрами.
