Как выглядят термики

Вступление

Моделисты, занимающиеся планерами классов F1 и F3, как правило, заинтересованы в структуре термиков, предоставляющих энергию для полёта их моделей. Эта статья - попытка описать термики. И хотя она и не является сугубо научной, соображения, изложенные в ней, базируются на обширном изучении теории и практики данного вопроса.

Пограничный слой

Наиболее короткое определение термиков - это колонны поднимающегося воздуха. Более развёрнутое же потребует отступления в физику пограничного слоя атмосферы. Пограничный слой - это слой воздуха, близкого к поверхности земли, который подвергается её влиянию в масштабах часа или около того. Разновидность пограничного слоя, в которой мы заинтересованы - это конвективный пограничный слой, который появляется над землёй в дневные часы при слабом и умеренном ветре.

Существуют и другие разновидности, неинтересные нам, поскольку они не создают термиков. При дальнейшем анализе будем предполагать достаточно плоскую и однородную поверхность земли и некую среднюю погоду с кучевыми облаками.

Физика пограничного слоя - область атмосферной физики и метеорологии, но масштабы интересующей нас области несколько иные. Очень легко ошибиться, применив метеорологические концепции, разработанные для относительно больших областей атмосферы, к пограничному слою.

Конвективный пограничный слой имеет толщину от нескольких сотен метров до 3 км, в зависимости от поступающей на землю энергии солнца, влажности земли, атмосферных условий в данной местности (высокое или низкое давление), скорости ветра и других факторов. Обозначим его высоту как zi. Дном его является приземный слой толщиной около 0.1*zi, то есть 100-200 м. Приземный слой нагревается благодаря контакту с земной поверхностью. Верхушкой пограничного слоя является температурная инверсия (т.е. zi можно назвать высотой инверсии).

Поэтому прежде всего термики - колонны тёплого и потому "плавучего" воздуха, который поднимается из приземного слоя. Расстояние между термиками составляет 1.5*zi, или 1-2 км. Термики же имеют диаметр раза в два меньший, чем расстояние между ними, то есть 500 - 1000 м. Большинство термиков пересекают пограничный слой вертикально. Конечно же, здесь имеет место быть распределение размеров термиков. Между ними присутствуют широкие области опускающегося вниз воздуха. Эти потоки не столь сильны, поскольку распределены по большей площади. На верхушке пограничного слоя всё наоборот, но мы крайне редко летаем на таких высотах.

Это, конечно же, усложнения. Мы летаем, как правило, в приземном слое, и только иногда - в нижней части пограничного слоя. Поднимающийся воздух в приземном слое (первые 100 - 200 м) имеют форму маленьких вихрей диаметром в несколько десятков метров. Эти вихри собираются в кучки около верхушки приземного слоя и образуют собственно термики.

Граница приземного слоя с пограничным слоем НЕ чёткая, поэтому частенько мы видим, что летим то в хорошо организованном термике, то в неорганизованных вихрях попеременно.

Динамика термиков

Термики эволюционируют во времени, подвергаясь влиянию земли, размываемые и движимые ветром. Термики пограничного слоя формируются и рассасываются в пределах 10-30 минут, вихри приземного слоя еще быстрее. Это приводит к появлению "пузырей", т.е. "отсоединённых" термиков или вихрей. Они, в свою очередь, возникают чаще в одних местах, чем в других, сообразуясь с нерегулярностями земной поверхности (растительность, строения и т.д.). Тёмная (но СУХАЯ!!!) земля и металлические крыши - это общеизвестные концентраторы термиков. Если ветер слаб, термики могут оставаться привязанными к месту их возникновения, если нет, они периодически возникают в этом месте и уносятся ветром. Термики дрейфуют со средней скоростью ветра на их высоте, поэтому они могут двигаться с иными скоростью и направлением, чем приземный ветер. Термики также наклоняются, если на большей высоте ветер сильнее, что обычно и происходит.

Термики не имеют ни чёткой формы, ни явно выраженных границ. Их края взаимодействуют с окружающим воздухом, поэтому термики обычно представляют собой тёплое, достаточно размытое ядро, окруженное завихрёнными границами. Воздух вокруг этих границ может двигаться как вверх, так и вниз. Это приводит к общепринятой идее, что термики имеют форму бублика. Возможно, более точным будет представление термиков в виде вертикальных цилиндров. Воздух, оторванный от границы термика, охлаждается и не может быть всосан обратно в термик, разве что около земли, ведь кольцевые вихри-то размером с термик пока не были обнаружены...

Силой термиков заведуют количество солнечной энергии и состояние земной поверхности. Если поверхность влажная или же влага выделяется живыми растениями, большая часть поступающей солнечной энергии используется для испарения влаги, и меньшая - для нагрева воздуха. Испарение влаги - это дань, которую приходится платить за "плавучий" воздух, но дань эта гораздо меньше, чем работа по нагреву воздуха.

Вариации на тему

Выше описана ситуация, типичная для середины дня при высоком давлении и лёгком ветре. Как хочется, чтобы все полётные дни проходили при подобной погоде!... Но, увы...

...Если ветер достаточно сильный, завихрения, создаваемые контактом ветров разных направлений на разных высотах, делают работу термиков слабой и нерегулярной. Если барометрическое давление низко, инверсии, определяющей пограничный слой, скорее всего не будет. Это приводит к возникновению большущих термиков, далеко расположенных друг от друга, и эта ситуация сохраняется по крайней мере до тех пор, как пойдёт дождь.

Вращаются ли термики?

Да, но непредсказуемо. Даже смерчи не имеют наиболее вероятного направления вращения.

Термики слишком малы и коротки во времени, чтобы быть раскрученными кориолисовой силой или экваториально-полярным температурным градиентом. Их вращение определяется поверхностью земли в данной местности. Скорость вращения ядра мала по сравнению с вертикальной скоростью потока.

Библиография

Для особо заинтересованных в рассмотренной теме: " An Introduction to Boundary Layer Meteorology" by Roland Stull (Kluwer) должна быть в любой уважающей себя университетской библиотеке. Глава о конвективных пограничных слоях вполне читаема.

Более позднее издание - " Calculations of Area-Averaged Vertical Profiles of the Horizontal Wind Velocity from Volume-Imaging Lidar Data", in the Journal of Geophysical Research, vol. 97, pp.18, 395-18,407, 1992. Schols and Eloranta.

Copyright 1995 by Wayne M. Angevine

От переводчика

Оригинал статьи можно найти здесь: http://www.rc-soar.com/tech/thermals.htm. Перевод выполнен максимально близко к тексту, с небольшими купюрами, поэтому приношу извинения за возможные стилистические ошибки и несоответствия. Использованные определения "пограничного" и "приземного" слоёв - это достаточно вольный перевод названий слоёв "boundary" и "surface", наиболее полно, на мой взгляд, отражающий их структуру.

По всем вопросам, связанным с содержанием этой статьи, обращайтесь непосредственно к её автору.