Анемометр, в отличие от других метеорологических приборов - термометра и барометра, пока не получил широкого распространения. Хотя многие знают, что приставка «метр» означает какое-то измерительное устройство. Но какую физическую величину оно измеряет, не каждый может объяснить. Сегодня мы постараемся разобраться для чего применяют этот экзотический прибор.
Назначение инструмента
Анемометр - это прибор для измерения скорости ветра, в переводе с древнегреческого, - «ветромер» . Но греки здесь ни при чём, поскольку прибор был изобретён ирландским астрономом Джоном Робинсоном в середине XIX столетия. Цель изобретения состояла в определении силы, или выражаясь по-научному - скорости ветра. Сегодня он применяется в различных отраслях хозяйства:
- На метеорологических станциях, ведущих наблюдение за погодой, результаты которых выливаются иногда в штормовые предупреждения.
- В аэродромных службах обеспечения безопасности полётов.
- При эксплуатации вентиляционных систем и станций кондиционирования промышленных объектов, тоннелей метро.
- Для контроля вентиляции проходческих штреков, используемых в горных и угледобывающих отраслях.
- В строительной сфере. Вертушка, установленная на башенном кране, в случае превышения допустимой ветровой нагрузки предупреждает машиниста об опасности с помощью светозвукового сигнала.
- Работники аграрной отрасли применяют анемометр во время проведения опыления посевов удобрениями и средствами химической защиты растений.
- Используется в некоторых видах спорта, связанных с использованием силы ветра: парапланеризм, парусные регаты, гонки на буерах и так далее.
Принцип работы
Чтобы измерить скорость воздушного потока и представить её в удобном для пользователя виде, измерительный инструмент содержит три структурных блока:
- Первичный (измеряющий) блок. С помощью воздушного потока создаётся возмущающее воздействие на тот или иной физический параметр (вращение, охлаждение нагретого тела, отражение ультразвука, лазерного излучения и некоторые другие).
- Преобразователь. Изменяющийся физический параметр модулирует один из видов энергии: механическую, пневматическую, электрическую, электромагнитную и так далее.
- Регистрирующее устройство. Результат отображается с помощью механического счётчика оборотов, шкалы со стрелкой, цифрового индикатора, дисплея.
Принцип действия измерительных датчиков определяет следующую классификацию анемометров:
- вращающиеся (чашечные, лопастные, спиральные);
- нагревательные (термические);
- ультразвуковые (акустические);
- оптические (лазерные, допплеровские);
- динамические или напорные (на основе трубки Пито-Прандтля);
- вихревые;
- поплавковые.
Чашечные анемометры
В качестве чувствительного органа служат 3 или 4 полусферических чашки, посаженных на ось с помощью соединительных спиц. Поток воздуха действует на чашки с разной силой (выпуклая часть обтекается, а вогнутая оказывает сопротивление), в результате система получает вращательный импульс.
Ручной механический анемометр оснащён несколькими чашками. Циферблат представляет собой счётчик оборотов с тремя шкалами: единицы, сотни и тысячи. Линейная скорость чашек не совпадает со скоростью воздушного потока. Коэффициент анемометра (величина, обратная отношению скоростей потока и чашек) находится в интервале от двух до трёх единиц. Кроме того, характеристика устройства - нелинейная. В связи с этим для использования прибора требуется градуировочный график и секундомер. Порядок измерения: фиксируют количество оборотов за некоторый временной интервал, по графику находят пройденное воздушным потоком расстояние и делят его на время измерения. Получается искомая скорость ветра, причём она является средней скоростью за этот промежуток времени. Диапазон измерения: 1–20 м/с.
Ручной индукционный анемометр имеет 3 чашки, что увеличивает крутящий элемент устройства и повышает быстроту отклика на изменение скорости ветра. Дополнительных графиков у этого прибора нет, и засекать время тоже не требуется, поскольку измерение производится в реальном масштабе времени. С увеличением скорости потока индукционная катушка закручивает подпружиненную шкалу, которая показывает мгновенную скорость потока. Область измерения находится в диапазоне от 0,2 до 30 м/с.
Лопастные
В этом приборе воздействие ветра воспринимается лопастной крыльчаткой. Принцип действия его аналогичен чашечному устройству. В связи с тем, что ось вращения крыльчатки параллельна воздушному потоку, механический счётчик ручного инструмента расположен в непосредственной близости от лопастей (сзади). Поэтому он является некоторой преградой на пути ветра, что ограничивает рабочий диапазон. Ручным лопастным анемометром можно измерять среднюю скорость ветра, не превышающую 5 м/с.
Цифровой лопастной анемометр не имеет механического счётчика оборотов, препятствующего движению воздуха, поэтому скорость потока, измеряемого девайсом, достигает 45 м/с. При этом лопастной датчик может быть встроенного или выносного исполнения. Допускается измерять среднюю, максимальную и минимальную скорость.
Ультразвуковые
Принцип действия основан на изменении скорости прохождения звуковых колебаний в движущейся воздушной среде. Если движущийся поток воздуха направлен навстречу источнику ультразвука, скорость последнего уменьшается. И наоборот, движущийся в одном направлении со звуком, поток увеличивает его скорость. Таким образом, контролируя время получения отражённого от воздушной среды ультразвукового импульса, удаётся определить скорость потока. Ультразвуковые устройства подключаются к блоку обработки метеоданных, результаты выводятся на персональный компьютер. Датчики различаются по количеству выполняемых измерений:
- Двухмерные. Измеряют направление потока и его скорость.
- Трёхмерные. Определяют 3 скоростных вектора.
- Термоанемометры (4-мерные). Такой анемометр - это прибор для измерения не только 3 скоростных компонента, но и температуры окружающего воздуха.
Отсутствие движущихся элементов позволяет акустическому устройству измерять скорость ветра до 60 м/с.
Тепловые или термические
Известно, что в жаркую погоду свежий ветерок приятно холодит кожу. И это не субъективные ощущения, а реальный факт. На этом принципе основано действие тепловых анемометров. Чувствительным элементом этого устройства служит нить из тугоплавкого материала, через которую пропускается электрический ток. Проводник нагревается до более высокой температуры, чем окружающая среда. Обдувающий воздух охлаждает проводник, в результате чего изменяется его сопротивление. Различают 3 схемы подключения датчика:
- с фиксированной величиной тока;
- с постоянным напряжением;
- термоконстантное подключение.
Такая конструкция используется в датчике массового расхода воздуха (ДМРВ), которым оснащаются все современные автомобильные двигатели.
Выбор недорогого анемометра
Людям, увлекающимся экстремальным отдыхом, иногда требуется мобильный метеопомошник. Не каждый захочет производить сложные манипуляции с письменными расчётами, чтобы определить скорость ветра. Современные цифровые устройства сделают это при нажатии всего лишь одной кнопки, таким и является спортивный анемометр SKYWATCH Xplorer 1. Девайс карманного формата с лопастным сенсором весит 50 г. Диапазон измерения: 0,5–42 м/с. Определяет текущую скорость ветра с фиксацией её максимального значения. Имеет подсветку экрана, работает от литиевой батарейки. Выдерживает кратковременное погружение в воду. Бренд производителя - швейцарская фирма JDC Electronic, цена около четырёх тысяч рублей.
Ветром называют движение воздуха относительно земной поверхности, причем имеется в виду горизонтальная составляющая этого движения. Ветер характеризуется вектором скорости, но на практике под скоростью подразумевается только числовая величина скорости, направление вектора скорости называют направлением ветра. Скорость ветра выражается в метрах в секунду, в км в час и в узлах (морская миля в час). Чтобы перевести скорость из метров в секунду в узлы, достаточно умножить число метров в секунду на 2.
Существует еще одна оценка скорости или, как принято говорить в этом случае, силы ветра в баллах, шкала Бофорта, по которой весь интервал возможных скоростей ветра делится на 12 градаций. Эта шкала связывает силу ветра с различными эффектами, производимыми ветром разной скорости, такими, как степень волнения на море, качание ветвей деревьев, распространение дыма из труб. Каждая градация скорости ветра имеет определенное название (смотри таблицу с характеристиками ветра по шкале Бофорта).
Таблица 1. Характеристика скорости ветра по шкале Бофорта
| Скорость ветра | Внешние признаки | Характеристика ветра |
|
| Баллы | м/с |
||
| 0 | 0 - 0,5 | штиль | Полное отсутствие ветра. Дым поднимается отвесно. |
| 1 | 0,6 - 1,7 | тихий | Дым отклоняется от вертикального направления, позволяя определить направление ветра. Зажженная спичка не гаснет, но пламя заметно отклоняется |
| 2 | 1,8 - 3,3 | легкий | Движение воздуха можно определить лицом. Шелестят листья. Пламя зажженной спички быстро гаснет. |
| 3 | 3,4 - 5,2 | слабый | Заметно колебание листьев деревьев. Развеваются легкие флаги. |
| 4 | 5,3 - 7,4 | умеренный | Колеблются тонкие ветки. Поднимается пыль, клочки бумаги. |
| 5 | 7,5 - 9,8 | свежий | Колеблются большие ветки. На воде поднимаются волны. |
| 6 | 9,9 - 12,4 | сильный | Раскачиваются большие ветки. Гудят провода. |
| 7 | 12,5 - 19,2 | крепкий | Качаются стволы небольших деревьев. На водоемах пенятся волны. |
| 8 | 19,3 - 23,2 | буря | Ломаются ветви. Движение человека против ветра затруднено. Опасен для судов, буровых вышек и сходных сооружений. |
| 9 | 23,3 - 26,5 | сильная буря | Срываются домовые трубы и черепица с крыши, повреждаются легкие постройки. |
| 10 | 26,6 - 30,1 | полная буря | Деревья вырываются с корнем, происходят значительные разрушения легких построек. |
| 11 | 30,2 - 35,0 | шторм | Ветер производит большие разрушения легких построек. |
| 12 | больше 35 | ураган | Ветер производит огромные разрушения |
Для более полной оценки производимых сильными ветрами разрушений американской Национальной службой погоды шкала Бофорта была дополнена:
12.1 баллов, скорость ветра 35 - 42м/с. Сильный ветровал. Значительные разрушения легких деревянных построек. Валятся некоторые телеграфные столбы.
12.2. 42-49 м/с. Разрушаются до 50% легких деревянных построек, в прочих постройках - повреждения дверей, крыш, окон. Штормовой нагон воды на 1,6-2,4 м выше нормального уровня моря.
12.3. 49-58 м/с. Полное разрушение легких домов. В прочных постройках - большие повреждения. Штормовой нагон - на 1,5-3.5 м выше нормального уровня моря. Серьезное нагонное наводнение, повреждение зданий водой.
12.4. 58-70 м/с. Полный ветровал деревьев. Полное разрушение легких и сильное повреждение прочных построек. Штормовой нагон - на 3,5-5,5 м выше нормального уровня моря. Сильная абразия берегов. Сильные повреждения нижних этажей зданий водой.
12.5. более 70 м/с. Многие прочные постройки разрушаются ветром, при скорости 80-100 м/с - также каменные, при скорости 110 м/с - практически все. Штормовой нагон выше 5,5 м. Интенсивные разрушения наводнением.
Скорость ветра на метеостанциях измеряют анемометрами; если прибор самопишущий, то он называется анемографом. Анеморумбограф определяет не только скорость, но и направление ветра в режиме постоянной регистрации. Приборы для измерения скорости ветра устанавливают на высоте 10-15 м над поверхностью, и измеренный ими ветер называется ветром у земной поверхности.
Направление ветра определяют, назвав точку горизонта, откуда дует ветер или угол, образуемый направлением ветра с меридианом места, откуда дует ветер, т.е. его азимут. В первом случае различают 8 основных румбов горизонта: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад и 8 промежуточных.
8 основных румбов направления имеют следующие сокращения (русские и международные): С-N, Ю-S, З-W, В-E, СЗ-NW, СВ-NE, ЮЗ-SW, ЮВ-SE.
Если направление ветра характеризуется углом, то отсчет ведется от севера по часовой стрелке. В этом случае, север будет соответствовать 0 0 (360), северо-восток - 45 0 , восток - 90 0 , юг - 180 0 , запад - 270 0 .
При климатологической обработке наблюдений над ветром строят для каждого пункта диаграмму, представляющую собой распределение повторяемости направлений ветра по основным румбам - «розу ветров».
От начала полярных координат откладывают направление по румбам горизонта отрезками, длины которых пропорциональны повторяемости ветров данного направления. Концы отрезков соединяются ломаной линией. Повторяемость штилей указывают числом в центре диаграммы. При построении розы ветров можно учесть и среднюю скорость ветра по каждому направлению, умножив на нее повторяемость данного направления, тогда график покажет в условных единицах количество воздуха, переносимого ветрами каждого направления.
Геострофический ветер. Градиентный ветер. Геотриптический ветер.
Ветер возникает в связи с неравномерным распределением атмосферного давления, т.е. с наличием горизонтальных разностей давления. Мерой неравномерности распределения давления является горизонтальный барический градиент. Воздух стремится двигаться по направлению этого градиента, получая при этом ускорение тем большее, чем больше барический градиент. Следовательно, горизонтальный барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т.е. вызывающая ветер и меняющая его скорость. Все остальные силы, проявляющиеся при движении воздуха, могут лишь тормозить движение воздуха или отклонять его от направления градиента. Установлено, что градиент в 1 гПа на 100 км создает ускорение в 0.1 см/с2. Если бы на воздух действовала только сила барического градиента, то движение воздуха под действием этой силы было бы равномерно ускоренным, и при длительном воздействии воздух получил бы большие, не ограниченные скорости. Но в действительности на воздух действуют и другие силы, более или менее уравновешивающие силу градиента. Это, прежде всего, сила Кориолиса или отклоняющая сила вращения Земли. Поворотное ускорение или ускорение Кориолиса на Земле имеет величину
А=2wVsin y, (25)
где:
w - угловая скорость вращения Земли,
V - скорость ветра,
y - географическая широта.
При этом мы имеем в виду только горизонтальную составляющую поворотного ускорения. Из формулы ясно, что ускорение имеет наибольшее значение на полюсе и превращается в нуль на экваторе. Значение силы Кориолиса для ветра является величиной того же порядка, что и ускорение, создаваемое барическим градиентом. Поэтому, отклоняющая сила вращения Земли при движении воздуха может уравновесить силу барического градиента.
Ветер, на который действует только сила барического градиента и сила Кориолиса, называется геострофическим. При условии, что силы уравновешивают друг друга, движение ветра прямолинейное равномерное. Сила Кориолиса в Северном полушарии направлена под прямым углом к скорости движения вправо, а сила градиента, равная ей, должна быть направлена под прямым углом к скорости влево. Поэтому в северном полушарии геострофический ветер будет дуть вдоль изобар, оставляя низкое давление слева. В Южном полушарии геострофический ветер дует, оставляя низкое давление справа, так как сила Кориолиса направлена влево.
В реальных условиях геострофический ветер возникает в свободной атмосфере, на высотах больше 1 км, когда сила трения становится так мала, что ею можно пренебречь.
Если движение воздуха происходит без действия силы трения, но криволинейно, то это значит, что кроме силы градиента и силы Кориолиса, появляется еще центробежная сила:
С = V 2 /r, (26)
где:
V - скорость,
r - радиус кривизны траектории движущегося воздуха.
Направлена центробежная сила по радиусу кривизны траектории наружу, в сторону выпуклости траектории. Если движение воздуха равномерное, то все три силы уравновешены. Такой теоретический случай равномерного движения воздуха по круговым траекториям без влияния силы трения называют градиентным ветром. Для градиентного ветра возможны два случая: в циклоне и в антициклоне. В циклоне, т.е. в барической системе с самым низким давлением в центре, центробежная сила направлена всегда наружу, против силы градиента. Как правило, центробежная сила в действительных атмосферных условиях меньше силы градиента, поэтому для равновесия действующих сил нужно, чтобы сила Кориолиса была направлена так же, как центробежная сила, и они вместе уравновешивали бы силу градиента. Скорость же ветра должна отклоняться на прямой угол от силы Кориолиса, в северном полушарии влево. Ветер должен дуть по круговым изобарам циклона против часовой стрелки, отклоняясь от барического градиента вправо.
В антициклоне центробежная сила направлена наружу, в сторону выпуклости изобар, т.е. одинаково с силой градиента. Сила же Кориолиса должна быть направлена внутрь антициклона, чтобы уравновешивать две одинаково направленные силы - градиента и центробежную. Скорость же ветра должна быть направлена так, чтобы ветер дул по круговым изобарам антициклона по часовой стрелке. Но приведенные рассуждения касаются только северного полушария. В южном полушарии, где сила Кориолиса направлена влево от скорости, градиентный ветер будет отклоняться от градиента влево. Поэтому для южного полушария движение воздуха по изобарам в циклоне получается по часовой стрелке, а в антициклоне - против часовой стрелки. Действительный ветер близок к градиентному в циклонах и антициклонах только в свободной атмосфере, где нет влияния силы трения.
Трение в атмосфере является силой, которая сообщает уже существующему движению воздуха отрицательное ускорение, она замедляет движение и меняет его направление. Сила трения наиболее велика у земной поверхности, с высотой она убывает и на уровне 1000 м становится незначительной по сравнению с другими силами. Высота, на которой сила трения практически исчезает (в среднем 1000 м) называется уровнем трения, нижний слой тропосферы до уровня трения называется слоем трения, или планетарным пограничным слоем.
Скорость ветра вследствие трения уменьшается настолько, что у земной поверхности (на высоте флюгера) над сушей она вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра, рассчитанного для того же барического градиента.
Равномерное прямолинейное движение воздуха при наличии трения называют геотриптическим ветром. Воздействие силы трения приводит к тому, что скорость геотриптического ветра направлена не по изобарам, а пересекает их, отклоняясь при этом от градиента вправо (в северном полушарии) и влево (в южном), но составляя с ним некоторый угол меньше прямого. Скорость ветра при этом можно разложить на две составляющие - по изобаре и по градиенту. В результате в слое трения в циклоне ветер будет дуть против часовой стрелки, втекая от периферии к центру (в северном полушарии) и по часовой стрелке также от периферии к центру (в южном полушарии). В антициклоне северного полушария ветер будет дуть по часовой стрелке, вынося воздух изнутри антициклона к периферии, а в антициклоне южного полушария - против часовой стрелки из центра антициклона к периферии.
Наблюдения подтверждают, что ветер у земной поверхности (за исключением широт, близких к экватору) отклоняется от барического градиента на некоторый угол меньше прямого (в северном полушарии вправо, в южном влево). Отсюда следует такое положение: если встать спиной к ветру, а лицом туда, куда дует ветер, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление - справа и несколько сзади. Это положение было найдено эмпирически и носит название барического закона ветра или закона Бейс-Балло.
Зональность в распределении давления и ветра
Наиболее устойчивая особенность в распределении как ветра, так и давления над Землей - зональность. Причина этого - зональность в распределении температуры. Зональность перемещения воздушных масс (т.е. зональность циркуляции) проявляется в преобладании широтных составляющих ветра (западной и восточной) над меридиональными составляющими. Степень преобладания может быть различной. Над тропическими океанами преобладание восточных составляющих в переносе воздуха в нижней части тропосферы выражено очень резко. Хорошо выражено и преобладание западных ветров в умеренной зоне южного полушария. В северном полушарии это преобладание можно заметить лишь при статистической обработке длинного ряда наблюдений. А на востоке Азии в нижней тропосфере преобладают меридиональные составляющие.
Меридиональные составляющие переноса воздуха в общей циркуляции атмосферы, при меньшей величине по сравнению с зональными, имеют очень большое значение. Именно они обусловливают обмен воздуха между различными широтами Земли.
Зональное распределение давления и ветра наиболее отчетливо проявляется в свободной атмосфере, вне слоя трения. Как известно, распределение давления повторяет распределение температуры. Поскольку температура в тропосфере в среднем падает от низких широт к высоким, то и меридиональный барический градиент направлен, начиная с высоты 4-5 км, от низких широт к высоким. В связи с этим изобарическая поверхность в 300 гПа проходит зимой над экватором на высоте около 9700 м, над северным полюсом на высоте около 8400 м, над южным - на высоте 8100 м. При таком распределении горизонтального барического градиента градиентный ветер будет направлен в обоих полушариях с запада на восток. Таким образом, в верхней тропосфере и нижней стратосфере вокруг полюсов будет наблюдаться так называемый планетарный циклонический вихрь: против часовой стрелки над северным полушарием, и по часовой стрелке над южным. В низких широтах ситуация несколько иная. Дело в том, что самое высокое давление в верхней тропосфере наблюдается не над экватором, а в сравнительно узкой области вблизи экватора, и барический градиент в верхней тропосфере направлен к экватору. Это значит, что в верхней тропосфере над экваториальной зоной господствует восточный перенос.
В нижней стратосфере среднее распределение температуры по меридиану в летнее время противоположно тропосферному. Полярная стратосфера летом очень тепла в сравнении с тропической, и самые низкие температуры приходятся на экваториальную зону, а самые высокие - на полярную. Поэтому в стратосфере на высоте 18-20 км меридиональный градиент меняется на противоположный, направленный от полюса к экватору. Возникает околополярный антициклон и восточный перенос воздуха в летнем полушарии. Это явление получило название стратосферного обращения воздуха. В зимнем полушарии сохраняется западный перенос.
У земной поверхности и в нижней тропосфере (в слое трения) зональное распределение давления сложнее, что связано с распределением суши и моря.
Таблица 2. Средние широтные величины приземного давления в гПа.
| Широта в градусах | Северное полушарие | Южное полушарие |
||
| Январь | Июнь | Январь | Июнь | |
| 90 | 1012 | 1009 | - | - |
| 85 | 1012 | 1010 | - | - |
| 80 | 1013 | 1012 | - | - |
| 75 | 1013 | 1012 | - | - |
| 70 | 1014 | 1011 | 990 | 993 |
| 65 | 1015 | 1010 | 988 | 991 |
| 60 | 1014 | 1010 | 991 | 992 |
| 55 | 1014 | 1011 | 998 | 997 |
| 50 | 1017 | 1012 | 1005 | 1004 |
| 45 | 1018 | 1013 | 1011 | 1010 |
| 40 | 1020 | 1014 | 1015 | 1015 |
| 35 | 1021 | 1014 | 1019 | 1016 |
| 30 | 1020 | 1014 | 1021 | 1015 |
| 25 | 1019 | 1012 | 1020 | 1013 |
| 20 | 1016 | 1011 | 1018 | 1012 |
| 15 | 1014 | 1010 | 1016 | 1011 |
| 10 | 1012 | 1010 | 1013 | 1010 |
| 5 | 1010 | 1011 | 1012 | 1010 |
| 0 | 1010 | 1011 | - | - |
По обе стороны экватора имеется зона с пониженным давлением. В этой зоне в январе между 15 0 с.ш. и 25 0 ю.ш., а в июле между 35 0 с. ш. и 5 0 ю.ш. давление ниже 1013 гПа. При этом параллель с самым низким давлением приходится в январе на 5-10 0 ю.ш., а в июле - на 15 0 с.ш. Эта зона экваториальной депрессии, распространяющаяся больше на летнее полушарие.
В направлении высоких широт от этой зоны давление в каждом полушарии растет, и максимальное значение давления наблюдается в январе под 30-32 0 северной и южной широты, а в июле - под 33-37 0 с. ш. и 26-30 0 ю.ш. Это две субтропические зоны повышенного давления, которые от января к июлю несколько смещаются к северу, а от июля к январю - к югу. Средние значения давления в этой зоне 1018-1019 гПа.
От субтропиков к еще более высоким широтам давление падает. Под 70-75 0 с.ш. и под 60-65 0 ю.ш. наблюдается минимальное давление в двух субполярных зонах низкого давления, а еще дальше по направлению к полюсам давление снова растет. Средние годовые значения давления на уровне моря в высоких широтах составляют 1012 гПа в северном полушарии и 989 гПа - в южном. У полюсов давление снова растет и составляет 1014 гПа близ северного полюса и 991 гПа близ южного. Приведенные данные о положении широтных зон низкого и высокого давления свидетельствуют о различиях в их положении между полушариями. Так, зимой и летом ось субтропической зоны повышенного давления в южном полушарии расположена на 5 0 ближе к экватору, чем в северном полушарии. В связи с этим ось экваториальной ложбины большую часть года находится в северном полушарии, в среднем на год на широте около 5 0 . От субтропической зоны повышенного давления спад давления в полярной ложбине происходит быстрее в южном полушарии, чем в северном, и по средним широтным значениям приземного давления южная полярная ложбина выражена резче, чем северная. В связи с сезонным изменением притока солнечной радиации происходит смещение планетарных зон давления к полюсу летом соответствующего полушария и к экватору зимой. Летом северного полушария экваториальная ложбина сдвигается к северу, а зимой возвращается к югу. Годовое смещение горизонтальной ее оси равно 20 0 , сезонное смещение субтропических зон повышенного давления сравнительно мало. Принято считать, что от зимы к лету их горизонтальные оси смещаются на 5 0 широты.
Попытки количественно объяснить географическую привязанность широтных зон повышенного и пониженного давления делались давно, но удовлетворительного ответа еще нет. Поэтому в современных эмпирических моделях общей циркуляции атмосферы географическое положение зон разного давления принимается как данное. Образование зон высокого давления в субтропиках и зон низкого давления в субполярных широтах объясняют особенностями циклонической деятельности. Так, антициклоны, возникающие в умеренном поясе при общем западном переносе, при своем перемещении смещаются к более низким широтам и там усиливаются, создавая зону повышенного давления. Циклоны же, наоборот, при своем движении в тех же средних широтах смещаются в более высокие широты, образуя субполярную зону низкого давления. Такая сепарация циклонов и антициклонов зависит от изменения отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса) с широтой.
Зональное распределение давления и переносов воздуха у земной поверхности и в нижней тропосфере (схема). Справа — направление барических градиентов вдоль меридиана в соответствующих зонах.
Направление переноса воздушных масс в нижних слоях тропосферы связано с зональным размещением зон повышенного и пониженного давления По обращенной к полюсу периферии субтропической зоны в средних широтах создается западный перенос, он простирается до оси субполярной зоны, т.е. до 60-650 с. ш. и ю.ш. Наиболее хорошо западный перенос выражен над океанами в южном полушарии. Над материками повторяемость ветров западного направления реже.
По периферии субтропической зоны высокого давления, обращенной к экватору, т.е. в тропиках, барический градиент у земной поверхности направлен к экватору и здесь господствует восточный перенос, охватывающий всю тропическую зону. Это так называемые пассаты - устойчивые восточные тропические ветры.
В полярном районе барический градиент направлен от полюса к субполярным широтам, что создает восточный перенос воздуха. Наиболее отчетливо преобладание восточных ветров выражено в Антарктиде, где есть районы с постоянными восточными ветрами.
Направление и скорость ветра - одно из лучших показателей изменений погоды. Различают 16 направлений ветра (румбов), обозначенных по сторонам света. Названия этих шестнадцати румбов, или направлений, откуда дует ветер, даны в следующей таблице:
| Обозначение | Полное название ветра | ||
| международное | русское | международное | русское |
| N | С | Норд |
Северный |
| NNE | ССВ | Норд-норд-ост | Северо-северо-восточный |
| NE | СВ | Норд-ост | Северо-восточный |
| ENE | ВСВ | Ост-норд-ост | Восточно-северо-восточный |
| E | В | Ост | Восточный |
| ESE | ВЮВ | Ост-зюйд-ост | Восточно-юго-восточный |
| SE | ЮВ | Зюйд-ост | Юго-восточный |
| SSE | ЮЮВ | Зюйд-зюйд-ост | Юго-юго-восточный |
| S | Ю | Зюйд | Южный |
| SSW | ЮЮЗ | Зюйд-зюйд-вест | Юго-юго-западный |
| SW | ЮЗ | Зюйд-вест | Юго-западный |
| WSW | ЗЮЗ | Вест-зюйд-вест | Западно-юго-западный |
| W | З | Вест | Западный |
| WNW | ЗСЗ | Вест-норд-вест | Западно-северо-западный |
| NW | СЗ | Норд-вест | Северо-западный |
| NNW | ССЗ | Норд-норд-вест | Северо-северо-западный |
Ветер называют по той части горизнота, откуда он дует. Моряки говорят, что ветер "дует в компас". Это выражение облегчит запоминание приведённой выше таблицы.
Помимо этих названий, есть ещё и местные. Так, например, на побережье Белого моря и в районе Мурманска местные рыбаки называют северо-восточный ветер "полуночником", южный - "летником", юго-восточный - "обеденником", юго-западный - "шеловником", северо-западный - "побережником". Есть свои названия ветров также на Чёрном, Каспийском морях и на Волге. Большое значение для определения погоды имеют местные ветры, которые необходимо знать и учитывать.
Чтобы определить направление ветра, надо смочить указательный палец и поднять его вертикально вверх. На стороне его, обращённой к ветру, почувствуется холод.
Направление ветра можно определить и по вымпелу, дыму и компасу. Став лицом к ветру и держа перед собой компас, нулевое деление которого подведено под северный конец стрелки, кладут на его центр спичку или тонкую прямую палочку, направив её в ту сторону, в которую стоит лицом наблюдатель, то есть навстречу ветру.
Прижав в таком положении спичку или палочку к стеклу компаса, надо посмотреть, над каким делением шкалы она приходится. Это и будет та часть горизонта, откуда дует ветер.
Указанием направления ветра служит приземление птиц. Они приземляются всегда против ветра.
Скорость ветра измеряется расстоянием (в метрах или километрах), на которое перемещается масса воздуха в 1 сек. (час.), а также в баллах по двенадцатибалльной системе Бофорта. Скорость ветра непрерывно меняется, и поэтому чаще принимают во внимание среднее её значение за 10 мин. Скорость ветра определяется специальными приборами, но её можно достаточно точно определить и на глаз, пользуясь приведённой ниже таблицей.
Определение скорости ветра (по К.В.Покровскому):
|
Сила ветра |
Названия ветров различной силы |
Признаки для оценки | Скорость ветра (в м/сек.) |
Скорость ветра (в км/час) |
| 0 | штиль | Листья на деревьях не колеблются, дым от труб поднимается вертикально, огонь от спички не отклоняется | 0 | 0 |
| 1 | тихий | Дым несколько отклоняется, но ветер не ощущается лицом | 1 | 3,6 |
| 2 | лёгкий | Ветер чувствуется лицом, листья на деревьях колышутся | 2 - 3 | 5 - 12 |
| 3 | слабый | Ветер качает мелкие ветки и колеблет флаг | 4 - 5 | 13 - 19 |
| 4 | умеренный | Качаются ветки средней величины, поднимается пыль | 6 - 8 | 20 - 30 |
| 5 | свежий | Качаются тонкие стволы деревьев и толстые ветки, образуется рябь на воде | 9 - 10 | 31 - 37 |
| 6 | сильный | Качаются толстые стволы деревьев | 11 - 13 | 38 - 48 |
| 7 | крепкий | Качаются большие деревья, против ветра трудно идти | 14 - 17 | 49 - 63 |
| 8 | очень крепкий | Ветер ломает толстые стволы | 18 - 20 | 64 - 73 |
| 9 | шторм | Ветер сносит лёгкие постройки, валит заборы | 21 - 26 | 74 - 94 |
| 10 | сильный шторм | Деревья вырвываются с корнем, сносятся более прочные постройки | 27 - 31 | 95 - 112 |
| 11 | жёсткий шторм | Ветер производит большие разрушения, валит телеграфные столбы, вагоны и т.д. | 32 - 36 | 115 - 130 |
| 12 | ураган | Ураган разрушает дома, опрокидывает каменные стены | Более 36 | Более 120 |
Сила волнения моря (озера) определяется по следующей таблице (по А.Г.Комовскому):
| Баллы | Признаки |
| 0 | Совершенно гладкая поверхность |
| 1 | Появляется рябь, не оставляющая следов пены |
| 2 | Крупная рябь. Образуются короткие волны. гребни которых начинают разбиваться. Оставляемая пена прозрачна. |
| 3 | Волны становятся длиннее. На поверхности моря появляется белая пена (барашки). Волны производят как бы шелест. |
| 4 | Волны заметно удлинняются. Гребни волн разбиваются с шумом. Появляются многочисленные барашки. |
| 5 | Начинается образование водяных гор. Поверхность моря вся покрыта барашками. |
| 6 | Появляется зыбь. Шум разбивающихся гребней слышен на некотором расстоянии. Появляются полосы из пены в направлении ветра. |
| 7 | Высота и длинна волны заметно увеличиваются. Разбивание гребней напоминает перекаты грома. Белая пена образует плотные полосы в направлении ветра. |
| 8 | Волны образуют высокие горы с длинными и сильно опрокидывающимися гребнями. Гребни перекатываются с грохотом и толчками. Море становится совершенно белым. |
| 9 | Горы волн становятся настолько высокими, что видимые суда на некоторое время совершенно теряются из виду. Перекаты гребней производят оглушительный шум. Ветер начинает срывать гребни волн, и в воздухе появляется водян |
Анемометр это метеорологический прибор при помощи котрого измеряют скорость воздушных потоков и ветра. Был изобретён в 1667 году. Современные анемометры, помимо скоростных характеристик воздушных масс, измеряют температуру воздуха.
Классификация анемометров и принцип их работы
Существует множество разновидностей анемометров, однако чаще всего для измерений используют:
- чашечный;
- крыльчатый;
- ультразвуковой.
Чашечный анемометр
Чашечный анемометр имеет самую простую конструкцию: подвижный элемент с четырьмя лопастями. Как только ветер на них воздействует, ось начинает вращаться и передавать данные измерительному прибору. Он фиксирует число вращений лопастей за конкретный период времени. Анемометр этого типа идеально подходит для использования на открытой местности, поэтому ценится метеорологами.
Крыльчатый анемометр
Крыльчатый анемометр наиболее распространен среди приборов, измеряющих скорость воздушных масс. Он состоит из крыльчатки, защищенной кольцом, и соединенной напрямую либо гибким проводом с измерительным прибором. Такая конструкция позволяет использовать его для регистрации скорости воздуха в труднодоступных местах.
Ультразвуковой анемометр
Ультразвуковой анемометр реже других используют для измерения скорости ветра. Как уже понятно из названия, он измеряет скорость звука в помещении, которая меняется в зависимости от направления перемещения воздушных масс.
Двухкомпонентные устройства помимо скорости ветра могут определять, куда он движется в зависимости от частей света. Скорость звука в такой аппаратуре зависит от времени преодоления ультразвуковыми импульсами расстояния от излучателя до ультразвукового микрофона. Практически все анемометры работают от заряжаемых аккумуляторов или батареек.
Сфера применения анемометров
Современная цифровая аппаратура укомплектовывается жидкокристаллическим дисплеем. На него и выводится результат измерений. Можно выбрать в каких единицах отображать скорость ветра, а иногда подключить девайс к компьютеру, собирать данные, синхронизировав анемометр с временем ПК, или выгрузить собранную информацию в отдельный файл.
Крыльчатый анемометр применяют в строительстве для определения скорости перемещения воздушных масс в вентиляции, трубах и шахтах. Также этот прибор используют в сельском хозяйстве для проверки систем кондиционирования помещений. Своевременная диагностика скорости перемещения воздушных масс поможет предотвратить различные заболевания у животных и остановить либо предупредить распространение инфекции. Большинство современных моделей анемометров вычисляют скорость ветра, объём воздушных масс и даже влажность воздуха.
Основной величиной, характеризующей силу ветра, является его скорость. Величина скорости ветра определяется расстоянием в метрах, проходимым им в течение 1 сек. Например, если за 20 сек. ветер прошел расстояние 160 м, то его скорость v за данный промежуток времени была равна:
Скорость ветра отличается большим непостоянством: она изменяется не только за продолжительное время, но и за короткие промежутки времени (в течение часа, минуты и даже секунды) на большую величину. На фиг. 1 дана кривая, показывающая изменение скорости ветра в течение 6 мин. Из этой кривой можно заключить, что ветер движется с пульсирующей скоростью.
Фиг. 1. Характеристика скорости ветра.
Скорости ветра, наблюдаемые за короткие промежутки времени от нескольких секунд до 5 мин, называют мгновенными или действительными. Скорости же ветра, полученные как средние арифметические из мгновенных скоростей, называют средними скоростями ветра. Если сложить замеренные скорости ветра в течение суток и разделить на число замеров, то получится среднесуточная скорость ветра. Если же сложить среднесуточные скорости ветра за весь месяц и разделить эту сумму на число дней месяца, то получим среднемесячную скорость ветра. Сложив среднемесячные скорости и разделив сумму на двенадцать месяцев, получим среднегодовую скорость ветра. Интересный студенческий проект. Известные люди России. Очень большая база фамилий и все бесплатно.
Скорости ветра замеряют с помощью приборов, называемых анемометрами. Простейший анемометр, позволяющий определять мгновенные скорости ветра и называемый простейшим флюгером-анемометром, показан на фиг. 2.
Фиг. 2. Простейший флюгер-анемометр.
Он состоит из металлической доски, качающейся около горизонтальной оси а, закрепленной на вертикальной стойке б. Сбоку доски на той же оси а закреплен сектор в, с восемью штифтами. На стойке б ниже сектора закреплен флюгер г, который все время устанавливает доску плоскостью к ветру. При действии последнего доска отклоняется и проходит мимо штифтов, каждый из которых указывает при этом на определенную скорость ветра. Стойка б с флюгером г поворачивается ео втулке д, в которой закреплены в горизонтальной плоскости 4 длинных стержня, указывающих главные страны света: север, юг, восток и запад, и между ними 4 коротких, указывающих на северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад. Таким образом, с помощью флюгера-анемометра можно определять одновременно и скорость и направление ветра.
Значения скоростей ветра, соответствующих каждому штифту сектора в, приведены в табл. 1.
Средние скорости ветра за короткие и продолжительные промежутки времени удобно определять анемометром завода «Метрприбор» (фиг. 3). Он состоит из крестовины с полушариями, надетой на ось, которая находится в зацеплении с зубчатой передачей, помещенной в коробке с циферблатом.
Фиг. 3. Анемометр завода „Метрприбор".
Оси шестерен выведены на циферблат и на своих концах имеют стрелки, показывающие на шкале путь, пройденный ветром за данный промежуток времени. Разделив число, показываемое стрелками на циферблате, на число секунд, в течение которых вращался анемометр, получим скорость ветра в секунду за наблюдаемый период. Например, перед началом наблюдения стрелки на циферблате показывали 7170 м, a no истечении 2 мин., равных 120 сек., стрелки показали 7650 м. Следовательно, средняя скорость ветра за промежуток вре мени в 2 мин. была равна:
Если нет указанных выше приборов, то скорость ветра можно определить приблизительно по внешним признакам, наблюдаемым в природе (см. табл. 2).
Loading...