Что вызывает ветер?

Ветер, горизонтальное движение воздуха из одного места в другое, является одним из основных элементов погоды. Хотя его изменчивый и порой спокойный характер может сделать его второстепенным (согласно опросу о предпочтениях мобильных погодных приложений, только 38% людей заявили, что это важная часть прогнозов погоды) (1), нельзя забывать о его силе. Это то, что делает энергию ветра идеальным возобновляемым источником энергии, а также одним из наиболее разрушительных компонентов торнадо, микропорывов, ураганов и других сильных штормов.

Что вызывает дуновение ветра?

Ветер существует из-за разницы в давлении воздуха. Когда солнечный свет попадает на Землю, он не нагревает ее одинаково. Он попадает в разные места под разными углами; а некоторые места, например, суша, нагреваются быстрее, чем другие, например, океаны. В местах, которые нагреваются быстрее, тепловая энергия передается молекулам воздуха, заставляя их возбуждаться, расширяться и подниматься; это наблюдается как снижение давления или создание центра низкого давления. Между тем, молекулы в более холодных воздушных карманах более плотно сконцентрированы и опускаются вниз, оказывая большое количество силы на воздух под ними; это центры высокого давления (2, 3).

Поскольку Мать-Природа не любит дисбаланс, молекулы воздуха из этих областей высокого давления всегда перемещаются в области низкого давления, пытаясь «заполнить» пространство, которое оставляет позади теплый поднимающийся воздух. (Метеорологи называют силу, которая толкает воздух по горизонтали между областями высокого и низкого давления, «силой градиента давления».) Результирующий поток воздуха между этими двумя точками – это ветер, который мы испытываем. Это также то, как рождаются ветры наверху, в том числе преимущественные ветры, которые дуют в верхних уровнях атмосферы.

Преимущественные ветры

Преимущественные ветры – это глобальные ветровые пояса, которые дуют с одного и того же направления над одними и теми же участками земли в течение всего года. Примерами являются западные ветры умеренного пояса, восточные ветры, пассаты, а также среднеширотные и субтропические реактивные потоки. Преимущественные ветры дуют постоянно, потому что создающий их тепловой дисбаланс (например, между экватором и Северным полюсом) существует всегда.

Скорость ветра определяется величиной разницы давлений. Чем больше разница между давлениями, тем быстрее воздух устремляется к низкому давлению.

Направление ветра определяется расположением высокого и низкого давления, а также силой Кориолиса – кажущейся силой, которая слегка изгибает путь ветра вправо. Направление ветра всегда выражено тем направлением, откуда дует ветер. Например, если ветры дуют с севера на юг, это «северные ветры» или ветры с севера.

Сила Кориолиса

Сила Кориолиса – это склонность воздуха (и всех других свободно движущихся объектов) слегка отклоняться вправо от траектории своего движения в северном полушарии. Это часто называют «кажущейся» силой, потому что здесь нет никакого реального толчка, это просто воспринимаемое движение из-за вращения Земли на восток. В Южном полушарии сила Кориолиса изгибает воздух в противоположном направлении или влево.

Порывы ветра

Когда дует ветер, некоторые вещи могут прерывать движение воздуха и изменять его скорость, например деревья, горы и здания. Всякий раз, когда поток воздуха затрудняется таким образом, трение (сила, противодействующая движению) увеличивается, а скорость ветра замедляется. Как только ветер проходит над объектом, он снова течет свободно, и его скорость резко увеличивается в виде внезапного короткого порыва ветра.

Сдвиг ветра

Ветер не просто дует по поверхности Земли; он также дует на всех уровнях атмосферы. Фактически, ветер может дуть с разной скоростью и в разных направлениях, когда вы путешествуете вертикально вверх в атмосферу. Эти изменения скорости, направления ветра или того и другого при увеличении высоты вызывают сдвиг ветра. Представьте клеверный лист или транспортную развязку, где автомобили едут с разной скоростью, в разных направлениях и на разных уровнях; сдвиг ветра ведет себя аналогичным образом.

Эти резкие изменения скорости или направления ветра вызывают взбалтывание, турбулентность и вращение, что является неизбежным ингредиентом многих видов суровой погоды, включая грозовые мезоциклоны, порождающие торнадо. С другой стороны, сдвиг ветра может создать неблагоприятную среду для ураганов и тропических циклонов, поскольку такие ветры могут срезать вершины этих штормов, позволяя втягивать сухой воздух в их животы.

Как измеряется ветер

Поскольку воздух и, следовательно, ветер является невидимым газом, его нельзя измерить так же, как, скажем, дождь и снег. Вместо этого он измеряется силой, которую он прикладывает к объектам.

Инструмент, похожий на колесо обозрения, измеряющий ветер, называется анемометром. Он состоит из трех чашек конической или полусферической формы, закрепленных на длинном стержне. Когда дует ветер, воздух заполняет горловины чашек, заставляя колесо вращаться. При вращении чашечное колесо вращает стержень, который подключен к небольшому генератору внутри анемометра. Подсчитывая количество оборотов, генератор вычисляет соответствующую скорость ветра либо в метрах в секунду (м/с), либо в километрах в час (км/ч).

Другой метеорологический прибор – флюгер – используется для измерения направления ветра. Лопатки, состоящие из пропеллера с указателем и хвостом, и указателя направления, расположены параллельно ветру. Положение хвоста указывает направление, откуда дует ветер, а стрелка указывает, куда он дует. Ветроуказатели – еще один тип флюгера; они также сигнализируют об относительной скорости ветра, то есть о том, спокойный, слабый или сильный ветер.

Использование ветра для прогноза погоды

Ветер является не только компонентом прогнозов погоды, но и инструментом прогнозирования. Например, если ветер дует с севера, это может указывать на то, что более холодный и сухой воздух может перемещаться в область. Точно так же южные ветры могут указывать на приход теплого влажного воздуха.

Метеорологи также используют измерения ветра, чтобы определить, с какой скоростью движутся погодные системы, что позволяет им прогнозировать, как скоро они прибудут в определенное место. Фактически, реактивные потоки несут ответственность за управление штормовыми системами по всему миру.

Реактивный поток

Реактивный поток представляет собой ленту высокоскоростных ветров, движущихся от 8 до 14 километров над поверхностью Земли. Он образуется на границе между горячими и холодными воздушными массами и смещается на север и юг, в зависимости от того, где проходит эта граница. Реактивный ветер может достигать скорости более 400 километров в час (4).

Ветры не только приводят в движение погодные системы и сильные штормы, но и переносят загрязнение воздуха из одной части мира в другую. В июне 2020 года пассаты унесли шлейф пыли пустыни Сахары из Северной Африки почти на 8000 километров через Атлантический океан в Мексиканский залив.

Как свидетельствуют расширенные шкалы Фудзиты и Саффира-Симпсона, ветер также используется для измерения интенсивности и потенциального ущерба от торнадо и ураганов.

Ветер и изменение климата

Поскольку ветры вызываются неравномерным нагревом атмосферы, ожидается, что потепление климата повлияет на их возникновение. Однако до сих пор неясно, как изменение климата повлияет на крупномасштабные циркуляции и местные ветры. Теоретически, когда глобальная температура повышается, ветры должны ослабевать, поскольку самые холодные места в мире нагреваются быстрее, чем уже теплые, уменьшаются температура и, как следствие, перепады давления. Но результаты исследований не всегда подтверждают это. Ранее ученые полагали, что с 1980-х годов глобальные ветры немного уменьшились – явление, известное как «глобальное успокоение». Но в 2019 году исследование, опубликованное в журнале Nature Climate Change, показало, что в 2010 году эта стабилизация изменилась, и с тех пор средняя скорость ветра в мире увеличилась с 11 км/ч до 12 км/ч (5).

Основываясь на этих выводах, вполне возможно, что естественные климатические циклы могут действовать в рамках более крупной долгосрочной модели потепления, вызывая переключение с более медленных на более быстрые ветры каждые несколько десятилетий. И если это подтвердится, это может привести к тому, что характер ветров будет меняться в зависимости от региона и сезона.

Определение того, где могут произойти эти изменения, будет иметь решающее значение для возобновляемых ресурсов ветра и долгосрочного планирования ветроэнергетики, особенно когда речь идет о строительстве новых ветряных электростанций. Однако, если нынешняя модель сохранится, средняя мировая выработка электроэнергии с помощью ветра может вырасти на 37% к 2024 году (5).

Источник