Понять небо - [7]
• Справедливость этого можно понять из рисунка 15. Здесь мы видим поднимающийся слой воздуха.
Поднимаясь, он расширяется, причем верхние слои расширяются быстрее нижних, более холодных. На примере показано, что слой стартовал с высоты 5000 футов с градиентом (77–70)/2 = 3,5°F/1000 футов. Он поднялся на высоту 15000 футов с сухоадиабатическим градиентом 5,5°F/1000 футов.
Через некоторое время низ слоя оказывается на высоте 15000 футов, а верх поднялся до 18000 футов. Они охладились соответственно до 22°F (77°F — 5,5°*10), и до 9,5°F (70°F — 5,5°*11). Разница в температуре между верхом и низом слоя на новой высоте теперь составляет — 12,5°F. На 3000 футов толщины слоя градиент температуры в нем — 4,2°F/1000 футов. Это уменьшает стабильность слоя, т. к. первоначально градиент составлял 3,5°F/1000 футов.
Подобным образом можно объяснить почему нисходящий поток будет более устойчивым. Если снижение воздушной массы проходило достаточно долго, результатом этого часто является образование слоя инверсии. Верхний слой инверсии, показанный на рисунке 11 как раз образуется таким образом. Он как шапкой накрывает вершину восходящего потока, что, в основном, случается при погоде с высоким давлением (смотри главу 4).
Результатом поднятия слоя воздуха в разное время может быть обширный восходящий поток, широкий спокойный термик, очень хорошие парящие условия, высокие кучевые облака и небо с облаками, похожими на чешую рыбы. Слои поднимаются движением фронтов, прогретыми поверхностями и низким давлением. Понижение слоев в основном связывают с высоким давлением и холодной земной поверхностью.
ВЛАЖНЫЙ ГРАДИЕНТ ТЕМПЕРАТУРЫ
В предыдущей главе было показано, что поднимающийся воздух, вмещающий пары воды, расширяется и охлаждается, а его относительная влажность увеличивается. Если этот процесс продолжается, то относительная влажность достигает 100 %, в таком случае говорят о насыщении воздуха. При определенной температуре возникают условия точки росы. Если этот воздух продолжает подниматься, начинается конденсация, которая всегда проходит с выделением "скрытого тепла". Выделение его приводит к нагреву воздуха, он медленнее остывает, чем по сухоадиабатическому градиенту и продолжает подъем.
Процесс выделения "скрытого тепла" называется влажноадиабатическим градиентом (ВАГ). Это градиент между 1,1° и 2,8 °C на 300 м высоты (2° — 5°F на 1000 футов), зависит от температуры поднимающегося воздуха и в среднем составляет 0,5 °C/100 м (3°F/1000 футов).
Средние значения градиентов температуры показаны на рисунке 16. Когда температурный профиль воздуха находится между САГ и ВАГ, говорят атмосфера "условно нестабильна". Смысл этого в том, что она будет нестабильна, если воздух насыщается и в дальнейшем начнется конденсация. Это приведет к образованию облаков, что является формой нестабильности.
На рисунке имеется также зона правее ВАГ, которая является указателем абсолютной стабильности для поднимающейся порции воздуха. Воздушная масса с градиентом в этой зоне будет всегда стремиться вернуться в исходную точку, даже если проходит конденсация. Поле слева от САГ-это область абсолютно нестабильных условий со спонтанным образованием термичности. Это зона суперадиабатического градиента (супер АГ). Свойства водяных паров подниматься и расширяться, обмениваясь теплом с атмосферой очень важны для погодных процессов. Каждая тонна воды в процессе конденсации выделяет почти 6*100000 ккал. Эта энергия является главной движущей силой грозовых фронтов, ураганов, штормов и других процессов, связанных с сильными ветрами.
Рис. 16.Основные градиенты температуры
СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА
На всей территории земного шара уже долгое время ученые занимаются изучением атмосферы.
Собрано огромное количество данных, позволяющих ввести понятие стандартной атмосферы. Высотомеры могут быть приведены к стандарту, а это огромная помощь пилотам. Например, дан аэропорт с известной высотой над уровнем моря, есть стандартная температура и давление. Зная фактические температуру и давление, введя их в высотомер, пилот однозначно определяет высоту над аэродромом.
Таблица стандартной атмосферы дана в приложении I. Изменение температуры по высоте в точности соответствует стандартному градиенту. Можно также отметить, что трехпроцентное уменьшение плотности за подъем на 300 м приводит к полуторапроцентному за 300 м увеличению всех полетных скоростей. Однако, известно, что стандартный градиент составлен для средних условий и в парящую погоду изменение температуры по высоте более склоняется к сухоадиабатическому градиенту. Сделаем вывод:
Плотность, высота и скорость.
Уменьшение плотности на 4 % за 300 м приводит к увеличению полетных скоростей на 2 % за 300 м высоты.
ПЛОТНОСТЬ, ВЫСОТА
Конечно, стандартная атмосфера — только иллюзия. На самом деле, все далеко не так идеально. Если воздух нагревается или остывает отлично от стандартной атмосферы, тогда высотомер будет завышать или занижать высоту. Если воздух станет большей или меньшей влажности или местное давление, где вы передвигаетесь, будет выше или ниже, то с высотомером случится та же история. Показания высотомера могут быть уточнены перед посадкой, но это очень затруднительно в полетах на дальние расстояния и длительных по времени. Далее сформулируем правило:
