Скорость и качество. Как их использовать?

А. Тарасов

...Глядя на парящий в небе параплан, редко задумываешься о том, насколько он ограничен в своих возможностях. Сегодня, во времена углепластиков и кевлара, планеры имеют качество не ниже сорока и по скорости иногда превосходят гоночные машины «Формулы l». Дельтапланы - и те способны летать в ураганный ветер.

Куда уж нам с нашими несчастными тряпочками, имеющими качество ниже десятки и скорость не больше пятидесяти пяти километров в час... Тем не менее во многих случаях параплан может летать намного лучше других безмоторных парителей. В чем здесь секрет?

Что такое поляра...

Как известно, эта незамысловатая кривая выражает зависимость между горизонтальной и вертикальной составляющими воздушной скорости. Пилоту-парапланеристу важно знать несколько важнейших точек поляры. Мысленно пройдем по ним в порядке возрастания горизонтальной скорости:

• Скорость срыва. Это левая граница поляры, медленнее этой скорости параплан летать не может. В среднем 20...22 км/ч.

• Минимальная скорость снижения. Как правило, ей соответствует малая горизонтальная скорость, в среднем 25...29 км/ч.

• Скорость максимального качества. При этой скорости отношение Vx/Vy максимально. В среднем 28...35 км/ч.

• Максимальная скорость. Как правило, достигается при брошенных клевантах. В среднем 34...38 км/ч.

• Максимальная скорость с акселератором. Это правая граница поляры... если у Вас есть акселератор. В среднем от 42 до 55 км/ч.

С помощью поляры (если она у Вас есть) можно легко определить качество Вашего параплана на любом полетном режиме. Достаточно взять по графику Vx и Vy на интересующем Вас режиме и найти их отношение - это и будет искомая величина. Еще проще находится угол планирования в спокойном воздухе. Проведите из начала координат прямую до пересечения с полярой - угол ее наклона будет равен углу наклона траектории Вашего крыла на этом режиме. А максимальному качеству соответствует касательная к поляре. Этот важный факт пригодится нам ниже, равно как и то, что поляра параплана обычно выпукла вверх.

Качество параплана сильно зависит от скорости. Небольшое на левой границе поляры, оно постепенно возрастает при увеличении скорости и в каком-то диапазоне скоростей остается почти постоянным. При дальнейшем увеличении скорости оно снова начинает падает, сначала неохотно, а потом все быстрее и быстрее. На акселераторном режиме качество может упасть очень сильно, и лишь немногие спортивные машины способны планировать на акселераторе более или менее полого. У современного параплана среднего класса качество на предсрыве около четырех, на обычных режимах колеблется от 6 до 8 и на акселераторе снова падает примерно до «пятерки».

Из всего вышеизложенного следует вполне очевидный вывод: хотите спланировать подальше - держите скорость чуть ниже максимальной, равную скорости максимального качества. Качество будет наилучшим, а угол планирования - наименьшим. Но этот вывод справедлив только в штиль, когда скорость параплана относительно воздуха (воздушная скорость) совпадает со скоростью относительно земли, то есть путевой скоростью.

А как быть, если есть ветер или потоки?

... И как ей пользоваться

Давайте задумаемся, как поведет себя путевая скорость параплана при наличии ветра. Путевая скорость - это векторная сумма скорости ветра и воздушной скорости Вашего крыла. Значит, при полете против ветра путевая скорость = воздушная скорость минус скорость ветра, и наоборот, при полете по ветру путевая скорость = воздушная скорость плюс скорость ветра.. У планеристов есть хороший метод анализа скоростей на этот случай: берем поляру и сдвигаем ее вправо на величину скорости ветра для анализа полета по ветру или влево - для анализа полета против ветра. В результате мы получим зависимость между горизонтальной и вертикальной составляющими путевой скорости. Очевидно, угол планирования можно определять с помощью такого графика так же, как и с помощью поляры, просто проводя из начала координат прямую до пересечения с графиком. Чем сильнее встречный ветер, тем более влево сдвигается наша кривая, тем круче становится угол планирования... И тут самое время вспомнить о том, что поляра параплана выпукла вверх. При сдвиге поляры влево касательная к ней, проведенная из начала координат, сдвинется вправо, в область более скоростных полетных режимов. Значит, чтобы планировать против встречного ветра наиболее полого, надо отпустить клеванты полностью, и, может быть, даже придавить акселератор. Вывод достаточно прозрачный...

При планировании по ветру все происходит наоборот. Поляра сдвигается вправо, и прямая, выпущенная из начала координат, коснется нашей кривой левее, чем это было бы при штиле. Значит, при полете по ветру минимальный угол планирования достигается на слегка приторможенном крыле! Этот факт, только что строго доказанный нами, иногда приводит в смущение даже опытных пилотов - обычно считается, что при полете по ветру надо «становиться на качество», то-есть держать крыло на скоростном режиме, соответствующем максимальному аэродинамическому качеству.

Теперь, вооружившись тем же методом анализа, подумаем о планировании в восходящих или нисходящих потоках. В этом случае для получения зависимости между вертикальной и горизонтальной составляющими путевой скорости надо будет сдвигать поляру... конечно же, вверх или вниз! Вверх - для анализа полета в восходящем потоке, вниз - для полета в «нисходняке». Кривизна поляры в этом случае сработает, подтверждая известное правило: замедляемся в термике и ускоряемся в нисходящем потоке. Правда, это правило не всесильно - не стоит забывать о том, что большой ход акселератора сильно ухудшает качество. Передавить акселератор в «нисходняке» достаточно легко, не забывайте об этом и постоянно следите за углом планирования. Если же Вы влетели в широкий мощный термик, то, притормозив крыло в разумных пределах, Вы сможете лететь как на самолете - угол наклона траектории может стать нулевым или даже положительным.

Наконец, с помощью такого метода можно искать оптимальные режимы планирования при наличии как ветра, так и вертикальных потоков; Чтобы не путаться с направлением сдвига графика - поляры, представьте, что параплан летит из начала координат - и все встанет на свои места. Подобный алгоритм, как правило, «зашит» в большинство современных профессиональных парапланерных приборов, способных анализировать условия полета «на ходу» и предупреждать пилота о необходимости ускориться или, наоборот, замедлиться для получения минимального угла планирования. Мы же получим тот же результат с помощью ручки, линейки и листа бумаги!

Парадокс «ушей»

Недавно автору этой статьи пришлось стать свидетелем спора между несколькими очень серьезными пилотами. Предмет спора сводился к вопросу, возрастает ли на сложенных «ушах» горизонтальная скорость. Только не надо утверждать, что ответ очевиден! Сейчас Вы сами в этом убедитесь.

Итак, вспомним, от чего зависит воздушная скорость параплана. Прежде всего она определяется нагрузкой на крыло, точнее, корнем из нее. При сложенных «ушах» площадь крыла падает - значит, воздушная скорость должна увеличиться. Но горизонтальная проекция воздушной скорости зависит еще и от качества крыла - чем ниже качество, тем круче угол планирования, тем меньше проекция воздушной скорости на горизонталь. Не стоит объяснять, что болтающиеся в потоке сложенные «уши» превращаются в обузу, уменьшая качество параплана и увеличивая угол планирования. Значит, сложенные «уши» одновременно увеличивают горизонтальную проекцию воздушной скорости за счет увеличения самой этой скорости и уменьшают ее, поворачивая вектор воздушной скорости вниз. Какая тенденция победит?.. Увы, это зависит от модели параплана и площади сложенных законцовок. В целом можно утверждать, что учебные парапланы на сложенных «ушах» чаще всего уменьшают свою горизонтальную воздушную скорость, а спортивные с большой вероятностью ее увеличивают. В некоторых случаях можно получить заметный прирост горизонтальной воздушной скорости, сложив «уши» и задавив акселератор. Но этот трюк проходит далеко не с каждым крылом. Владельцам «Навигаторов», например, такой режим строго противопоказан, а счастливые хозяева «Грандов», наоборот, могут летать на акселераторе, сложив чуть ли не полкрыла. Если же Ваш параплан предназначен для начинающих, то знайте: если Вас сдувает, то, сложив «уши», Вы только ухудшите свое положение - вероятнее всего, крыло начнет очень резво «сыпаться» вниз, но и назад Вас понесет быстрее. Во всяком случае, проконсультируйтесь по скоростным режимам на «ушах» на фирме-производителе Вашего параплана, а не у того пилота, который продал Вам его за сто баксов, утверждая, что это лучшее крыло в мире... И помните, что если Вам не хватает скорости, то лучше использовать акселератор.

Термик, термик, ты могуч...

Ну вот, мы вроде бы разобрались со скоростными режимами параплана на планировании. Но полет почти никогда не состоит из одних только планирующих режимов, надо иногда набирать высоту. И вот тут-то у параплана и появляются преимущества над всеми другими парителями, кроме, конечно, птиц...

Давайте вспомним, как устроен типичный термик. Самый быстрый подъем мы встречаем, в центре потока; по мере удаления от этого «ядра» скорость подъема воздуха постепенно падает, достигая нуля на границе потока и переходя затем в «минуса». Если мы хотим набирать высоту как можно быстрее (а кто же этого не хочет?), то надо держаться как можно ближе к центру потока, то есть становиться в спираль с, по возможности, меньшим радиусом. Но тут мы наталкиваемся на серьезную проблему: чем уже спираль, тем больше получается скорость снижения. Попробуйте поспиралить в спокойном воздухе с прибором на колене - и Вы сами в этом убедитесь. Важно и то, что радиус спирали сильно зависит от воздушной скорости - чем сильнее мы затормозимся, тем меньше окажется радиус виража. Вот оно, главное преимущество параплана! Если задаться скоростью снижения, скажем, в полтора метра в секунду (вполне достаточно для обработки термиков), то параплан впишется в радиус спирали около тридцати - сорока метров, дельтаплану потребуется уже примерно шестьдесят метров, а планер не уложится и в сотню!.. Значит, параплан может стоять в спирали вблизи самого центра потока, там, где секундный подъем максимален, и не «сыпаться» при этом вниз. За счет своей замечательной способности крутить узкие спирали с малым снижением параплан может десятками минут «выживать» в таких узких и слабых потоках, где дельтаплан или планер не продержался бы и нескольких секунд! Конечно, на переходах от потока к потоку параплан не может сравниться со скоростными парителями, которые легко «пробивают» ветер, зато в потоках легкое маневренное крыло почти всегда оказывается в выигрыше...

Заключение

Итак, наши основные выводы:

При полете по ветру или в потоке слегка притормаживайтесь, а при полете против ветра или в «нисходняке» - ускоряйтесь. Это приблизит угол Вашего планирования к минимальному.

Не старайтесь на переходах выжимать акселератор «до упора» - это заметно ухудшает качество и угол планирования.

Не пытайтесь использовать «уши» для повышения горизонтальной скорости, если у Вас медленный или неспортивный параплан. Осторожно относитесь к использованию акселератора при сложенных «ушах».

При работе в восходящих потоках старайтесь держать небольшой радиус спирали, но не уменьшайте его до предела - иначе скорость снижения станет слишком большой для обработки потока.

Высокого Вам неба и надежных потоков!

ГЛАВА 5

ОСНОВЫ АЭРОЛОГИИ.

Для успешных и безопасных полетов, нам нужно научиться представлять, анализировать и использовать процессы, происходящие в приземных слоях воздуха. Атмосфера невидима, и основную информацию о ее приземном поведении мы получаем через движение воздуха - ветер. Основная причина возникновения ветра - разница давления в атмосфере. Воздух огромной рекой течет туда, где давление меньше. Отчего и почему появляется разница давления, вы узнаете из курса метеорологии. Пока же гораздо важнее разобраться в процессах, происходящих при обтекании потоком воздуха всевозможных препятствий.

Обтекание препятствий.

При встрече с препятствием, поток воздуха действует аналогично потоку воды в реке. Представьте камень в реке (холм на равнине). Вода (воздух) обтекает камень с разных сторон. Не сложно заметить, что по бокам поток разгоняется, а перед камнем вода немного приподнимается. Аналогично и с холмом.

Встречаясь с ним, воздух течет вокруг и через верх холма. Движение воздуха вверх, параллельно склону, создает динамический восходящий поток. Его-то и используют для парения птицы и парапланеристы. Сила потока сильно зависит от крутизны, ширины и других параметров склона. Узкий острый холм практически не создает восходящего потока, а широкий вогнутый хребет работает как плотина и, перебрасывая через себя массу воздуха, создает отличный восходящий поток.

Мы выяснили, что самое приятное место для парапланериста - наветренный склон холма или хребта. Хорошее обычно граничит с плохим, и на противоположной, подветренной части холма, живет страшный подветренный ротор, способный сложить даже самый надежный параплан. Не летайте туда. Присмотритесь к завихрениям, происходящим в воде за камнем. Из-за своей инерции вода не может безотрывно обтекать камень, а отрываясь, бурлит, кипит, скручивается в вихри. Примерно тоже самое происходит за склоном. Вихревое, хаотическое движение воздуха называется турбулентностью, а устойчивые вихри за препятствиями величают роторами.

При наличии ветра, любое препятствие становится источником турбулентности. Чем острее, грубее кромки и края препятствия, тем сильнее турбулентность. Увеличение силы ветра в два раза увеличивает турбулентность квадратично - в четыре раза. Представьте разницу между спокойной и медленной речкой и буйным горным потоком, и вы поймете, почему опасны полеты в сильный ветер.

Места усиления ветра.

При полетах очень полезно знать места, где ветер способен усиливаться. Прежде всего это вершины склонов и края холмов. Там поток воздуха разгоняется до максимальной скорости. Если в хребте есть сквозной проход (овраг), то воздух устремляется по нему, существенно ускоряясь, В узких ущельях срабатывает эффект Вентури, и низовой ветер может быть значительно сильнее верхового.

Правдивая история: На Кубке профессионалов-98 мы летали славный 60-км маршрут Домбай- Нижняя Теберда - Домбай. Был штиль. Потрясающие потоки позволяли набирать до 4800 метров над уровнем моря, и сквозь 80-километровую полоску Грузии просматривалось Черное море.

Я довольно удачно прошел маршрут, но подлетал к финишу с огромным избытком высоты, проигрывая по времени Олегу Кушлевичу и Рамилю Якупову (они летели на километр ниже). Показалась горловина ущелья, мы опустились ниже вершин и уперлись в сильный встречный ветер. Чем ниже опускались парапланы, тем сильнее дул ветер. С огромным трудом удалось пробиться к Домбаю и финишировать со 100-метровым остатком высоты. Соперники не долетели, а обидней всего было Диме Гусеву, который обогнал всех на 20 минут и не долетел каких то 100 метров. Вот тебе и эффект Вентури...

Градиент.

Это явление поджидает пилотов на посадке. Из-за торможения воздуха о землю, возникает разница в силе ветра у земли и на высоте. При фиксированном управлении параплан стремится поддерживать постоянную скорость относительно воздуха, а градиент эту скорость уменьшает (посадка против ветра!) Поэтому при попадании в градиент параплан разгоняется, а так как разгон происходит за счет потенциальной энергии высоты, то увеличивается и скорость снижения.

Особенно ярко эффект градиента проявляется в сильный ветер. На высоте 10 метров параплан едва движется, а потом вдруг начинает разгоняться и интенсивно терять высоту. Новичков подобное поведение шокирует, и они совершают классическую ошибку - затягивают стропы управления. Понятно, что они пытаются сохранить постоянными скорость относительно земли и снижение. На какое-то время это удается, а потом скорость и снижение вновь возрастают. Пилот опять тянет стропы управления. В итоге, перед посадкой, производить торможение и выравнивание уже нечем - ход клевант выбран до предела. Посадка получается жесткой и не эстетичной...

 

Градиент нужно проходить на максимально безопасной скорости полета (см. аэродинамику). Увеличение скорости снижения компенсируется более ранним и энергичным выравниванием. Земля приближается быстро - стропы тянутся резко, и наоборот.

Об относительности движения...

Эта глава с натяжкой подходит под тему аэрологии, но зато содержит ответ на любимый вопрос новичка - ветер и полеты.

Правдивая история (страшная сказка): Вечер. Костер. Темно и страшно. Народ треплет всевозможные байки про белых спелеологов и черный дельтаплан... Новички жадно, открыв рты слушают инструкторов: «...и вот развернулся он смело по ветру. Злой тот ветер был. Турбулой Роторовичем звался. Ударил он в хвост дельтапланушки, перевернул его и завертел. Но не долго падал наш пилот-оптимистушко. Раскрыл он парашютик спасительный и приземлился в поле-полюшко на траву-муравушку...»

Новички боятся, пилоты смеются. Какой хвост, какой ветер? Вы что утоните в реке, если поплывете по течению? Запомните раз и навсегда: Для аэродинамики параплана нет никакой разницы летите вы по ветру или против него. Меняется лишь скорость движения относительно земли, а все остальные параметры полета неизменны.

Скорость движения относительно земли получается как векторная сумма скорости ветра и скорости параплана относительно воздуха. Боковой ветер вызывает снос параплана и пилоту приходится его компенсировать. Встречный ветер обеспечивает минимальную скорость относительно земли и используется для взлета и посадки. Попутный ветер наоборот увеличивает скорость относительно земли. Именно по этому полеты по ветру на малой высоте опасны.

Если вы не разобрались в относительности движения, обязательно попросите разъяснить этот вопрос инструктора или друзей. Поплавайте в речке с течением - эксперимент путь к пониманию, а понимание относительности движения поможет избежать опасных скоростей у земли.

Анализ условий на площадке.

Перед полетами внимательно осмотрите место полетов и его окрестности. Уточните направление ветра и постарайтесь представить себе картину обтекания местности. Особое внимание следует обратить на места, где возможно появление турбулентности и прочих неприятностей.

 

Завершая анализ, выделите опасные места и проведите мысленные границы зоны полетов. Не стоит думать, что эти границы строго фиксированы. Любое изменение ветра может существенно поменять условия обтекания местности. Советую проводить комплексный анализ на все возможные направления ветра, а во время полетов - внимательно следить за направлением и силой ветра. Ваша безопасность в ваших руках.

ГЛАВА 6

МЕТЕОРОЛОГИЯ.

Данная лекция представляет собой краткий экскурс в науку об атмосфере и происходящих в ней процессах - метеорологию. Даже более того, в основном это будет экскурс в часть метеорологии, называемую микрометеорологией, позволяющей говорить о погоде в очень мелких масштабах (до 80 км) и сроках (не более суток). Также мы затронем часть макрометеорологии, изучающей более глобальные явления, такие как воздушные фронты и барические системы.

«Для чего парапланеристу нужно все это знать?», - спросите вы. Конечно же, можно спокойно летать, и не зная того, о чем пойдет речь в дальнейшем, но если вы хотите уметь предсказывать изменения в погоде, находить восходящие потоки ориентируясь не только на свою интуицию, но и на науку, что, кстати говоря, довольно сильно повышает ваши шансы на успех, и если вы хотите знать о тех опасностях, которые таятся подчас в воздухе, то ответ на этот вопрос, пожалуй, очевиден.

Начнем же мы, пожалуй, с повторения школьного курса физики

Свойства воздуха

В атмосфере земли в воздухе давление зависит от высоты, от этого зависят его плотность и состав. Плотность воздуха оказывает некоторое влияние на наши полеты. Ее определяют три фактора: температура, давление и влажность. Теперь давайте вспоминать: пусть у нас есть какое-то определенное количество воздуха m, находящегося под давлением p и с температурой t. При этом воздух займет объем V. Если теперь мы сожмем этот воздух до объема V0, то его температура повысится до t0. Если же мы заставим этот воздух занять объем больший, чем V - V1, то температура воздуха упадет до t1.

Итак, при увеличении объема (т.е. при уменьшении давления) постоянное количество воздуха охлаждается и стремится занять больший объем, при уменьшении объема (т.е. при увеличении давления) - нагревается и стремится занять меньший объем. При постоянном давлении, при нагревании постоянное количество воздуха стремится занять больший объем (расширяется), при охлаждении - стремится занять меньший объем (сжимается).

Как уже говорилось, воздушное давление в атмосфере Земли зависит от высоты. Чем высота больше, тем давление меньше и наоборот. На этом принципе работают все (или почти все) высотомеры, используемые пилотами. Если связать это с изложенным выше, то получится следующее:

Когда воздух поднимается, его давление уменьшается, воздух расширяется, остывает, плотность его уменьшается. И наоборот, снижаясь, увеличивается давление, плотность и температура.

Нельзя однозначно сказать, что более холодный воздух имеет меньшую плотность, а более теплый - большую. Однако однозначно, что при расширении или сжатии температура воздуха изменяется. Процесс, когда изменяется температура без отдачи или поглощения тепла называется адиабатическим.

Вода постоянно и сильно влияет на погоду, так как она занимает большие площади и присутствует в воздухе в качестве паров и как облака. Полное количество водяных паров, находящихся в атмосфере, более чем в 6 раз превышает количество воды во всех реках земного шара! Водяные пары образуются из открытых водоемов, и туда же возвращаются.

Водяные пары - это газообразная фаза воды, а облака состоят из мельчайших капелек воды, которые конденсируются из пара. Условие образование облаков из пара называется точкой росы. Точка росы для данной порции воздуха дается как температура, и зависит от его влажности.

Абсолютная влажность измеряется как количество паров воды в данном объеме воздуха (г/м³). Она изменяется от 1/10000 до 1/40 в зависимости от испарений и температуры. Относительная влажность измеряется в процентах как отношение фактического содержания водяных паров в воздухе к максимально возможному при данной температуре. В теплом воздухе может содержаться больше водяных паров, чем в холодном. Поэтому, при одной и той же абсолютной влажности, у теплого будет меньшая относительная. Следовательно, относительную влажность воздуха можно увеличить путем его охлаждения. Если воздух остыл достаточно и его относительная влажность приближается к 100%, то начинают формироваться облака. Температура, до которой остыл этот воздух, называется точкой росы.

Зимой холодный воздух всегда более близок к насыщению, чем летом, потому, что он может растворить меньшее количество паров. Поэтому зимой, в основном, большее количество облаков, более быстрое выпадение осадков и более низкая база облаков.

Свойства водяных паров подниматься и расширяться, обмениваясь теплом с атмосферой очень важны для погодных процессов. Каждая тонна воды в процессе конденсации выделяет почти 600 000 Ккал. Эта энергия является главной движущей силой грозовых фронтов, ураганов, штормов и других процессов, связанных с сильными ветрами.

Влажный воздух легче сухого, как это ни парадоксально звучит. Вес водяных паров составляет около 5/8 от веса сухого воздуха (два атома водорода и один атом кислорода сравнимы по массе с двумя атомами азота или двумя атомами кислорода). В результате влажный воздух поднимается над сухим. Это свойство важно для прогрессирования термической и грозовой активности.

Солнечное тепло

Солнечное тепло - одна из двух причин движения воздуха в атмосфере (вторая - гравитация). Солнечная радиация не нагревает воздух сама по себе, она нагревает землю, которая передает тепло нижним слоям атмосферы. Большая ее часть проходит сквозь воздух. То, что останавливается в воздухе, нагревает его только на 0.2 - 0.5 градуса

Цельсия за день в зависимости от количества водяных паров и загрязнения атмосферы. Много лучей поглощается или отражается назад от облаков. Земли достигает около 43%. Их судьба зависит от того, куда они попадут. Склоны, ориентированные на юг поглощают больше тепла, чем горизонтальная поверхность (в северном полушарии), а особенно, чем северные склоны. Вогнутые поверхности поглощают больше тепла, чем плоские или выпуклые. Деревья и трава отражают зеленый свет, в то время как песок - около 20% достигающей его радиации. Снег и лед отражают от 40 до 90%, а темные поверхности, такие, как вспаханные поля или асфальтовые площадки - только 10-15%.

Вся радиация, которая достигает земли, включается в процесс нагрева. Некоторое количество тепла распространяется вглубь земли, остальное работает на нагрев атмосферы, когда тепло распространяется в ней путем конвекции. Часть тепла идет на нагрев воды, которая позже отдает его в атмосферу, как водяные пары, конденсирующиеся в облака.

Поверхность земли влияет на то, как тепло поглощается и отдается в воздух. Например, теплый песок легко отдает тепло, в то время, как вода прогревается глубоко и не отдает тепло, пока температура не поднимется до определенной величины. В основном воздух нагревается от наиболее прогретой поверхности земли.

Атмосфера

Как уже упоминалось, воздух нагревается от земли. С высотой уменьшается плотность атмосферы. Комбинация этих двух факторов создает нормальную ситуацию с более теплым воздухом у поверхности и постепенно охлаждающимся с увеличением высоты. Эта ситуация называется градиентом температуры. Стандартный градиент (СГ) (или градиент «нормальной» атмосферы) предполагает уменьшение температуры на 2 градуса Цельсия каждые 300 метров увеличения высоты. Теперь посмотрим на более реальные ситуации в ночное и дневное время. Ночью видно, что воздух более холодный у земли из-за контакта с охлажденной поверхностью. Это положение дел называется приземной инверсией и типично для ночи. Приземная инверсия может распространяться вверх до 300 м и даже более при наличии ветра и интенсивного перемешивания слоев. Слово инверсия обозначает тот факт, что температура воздуха увеличивается или, по крайней мере, не уменьшается с увеличением высоты, как при СГ. Воздух в инверсионном слое стабилен. (Об этом понятии немного ниже).

Дневная ситуация выглядит по-другому. Здесь воздух у земли более теплый, чем на СГ. Это связанно с солнечным прогревом воздуха. Градиент, показанный в нижней части на графике С, известен как нестабильный и представляет для нас большой интерес.

Стабильный воздух - это воздух, который не перемещается в вертикальной плоскости. Давайте рассмотрим этот процесс. Представьте себе пузырь воздуха, поднимающийся в атмосфере, как показано на рисунке.

С подъемом он расширяется, и давление в нем уменьшается. Это давление изменяется примерно линейно до высоты 3000 м. И приводит к охлаждению воздушного пузыря примерно на 1 градус Цельсия каждые 100 метров подъема.

Норма охлаждения поднимающегося воздуха 1°С/100 м называется сухоадиабатическим градиентом (САГ). Сухой не потому, что в воздухе отсутствуют водяные пары, а потому, что они не конденсируются. Адиабатический, потому, что тепло не добавляется из окружающего воздуха и не отдается ему. В реальности некоторый теплообмен имеет место, но он обычно ограничен и незначителен.

Как мы знаем, теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный при одном и том же давлении. Более теплый воздух стремится подняться вверх, как более легкий, а более холодный опуститься вниз. По этой же причине дерево в воде всплывает, а камень - тонет.

Итак, если наш пузырек поднимается в атмосфере, которая остывает медленнее, чем 1°C/100 м, тогда пузырек будет остывать быстрее, чем окружающий воздух и, следовательно, подниматься медленнее до тех пор, пока ситуация не будет соответствовать рисунку выше. Фактически пузырек достигает высоты, соответствующей уровню равновесия, после чего подъем прекращается и наоборот. Это условие стабильности.

Нестабильный воздух ведет себя наоборот. При градиенте температуры в атмосфере более 1°C/100 м, пузырек воздуха поднимается быстрее, не остывая так сильно, как окружающий воздух и подъем ускоряется.

Нестабильность воздуха определяется его несбалансированностью. В более низких слоях он слишком теплый и спокоен в вертикальной плоскости (отметим, что горизонтальный ветер присутствует и в стабильной и в нестабильной атмосфере).

Теперь мы можем сформулировать краткое определение:

Условия стабильности наблюдаются, когда атмосферный градиент температуры меньше, чем 1°C /100 м. В противном случае воздух нестабилен.

Важно отметить, что в стабильных условиях всякое движение воздуха вниз также натыкается на препятствие, в то время, как в нестабильном воздухе, опускающийся пузырек будет продолжать опускаться. Стабильность и нестабильность условий существенно влияют на турбулентность. Нестабильные условия приводят к возникновению термической активности, которую мы рассмотрим ниже.

 

 

Атмосферный градиент температуры больший 1°C /100м называется суперадиабатическим градиентом (Супер АГ). Условия Супер АГ встречаются в основном только над раскаленными пустынями, или, в менее жарких районах, в солнечные дни над ограниченными, закрытыми участками земли.

Поднимающийся воздух, вмещающий в себя 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». Его выделение приводит к нагреву воздуха, он медленнее остывает, чем по САГ, и продолжает подъем.

Такое положение вещей называется влажно адиабатическим градиентом (ВАГ). Это градиент между 1.1 °C и 2.8 °C на 300 м высоты, зависит от температуры поднимающегося воздуха и в среднем составляет около 0.5 °C/100 м.

Когда температурный профиль атмосферы находится между САГ и ВАГ, говорят, что атмосфера «условно нестабильна», подразумевая, что при дальнейшем насыщении она будет нестабильной, так как это приведет к конденсации и образованию облаков.

Зона правее ВАГ - абсолютно стабильная атмосфера. Воздушная масса в атмосфере с градиентом в этой зоне будет всегда стремиться вернуться в исходную позицию, даже если происходит конденсация. Зона левее САГ - область абсолютно нестабильных условий со спонтанным образованием термичности (Супер АГ).

Для парящих полетов нужны условия нестабильные, в то время, как для полетов, например, с мотором, желательно чтобы воздух был стабилен.

В основном, ясная безоблачная ночь, переходящая в ясное утро, несет нестабильные условия. Для таких условий характерны толстый слой холодного воздуха, что нестабильно, учитывая нагрев воздуха от земной поверхности утром. Однако очень холодные ночи задерживают начало широкой конвекции из-за приземной инверсии.

День обещает быть очень стабильным, если небо закрыто сплошными облаками или облачность переменна и земля прогревается постепенно. О стабильности атмосферы можно судить по типу облаков. Образовывающиеся кучевые облака указывают на восходящие потоки и всегда предполагают нестабильность. Слоистые облака обычно говорят о стабильности. Дым, поднимающийся вверх до определенного уровня и растекающийся там - явный признак стабильности, в то время, как высоко поднимающийся дым указывает на нестабильные условия.

Пыльные смерчи, порывистый ветер и хорошая видимость указывают на нестабильность, в то время, как устойчивый ветер, слои тумана и слабая видимость говорят о стабильном воздухе.

Облака

Облака состоят из бесчисленного множества микроскопических частичек воды различных размеров: от 0.0001 см в насыщенном воздухе и увеличиваются до максимума около 0.025 см при продолжающейся конденсации. Как было сказано, насыщенный воздух- это воздух, имеющий относительную влажность 100%. Даже не изменяя количества водяных паров, воздух может стать насыщенным при охлаждении. Главный путь образования облаков - охлаждение влажного воздуха. Это происходит при охлаждении воздуха, когда он поднимается вверх в термальных потоках, а также при перетекании больших «теплых» воздушных масс сверху на более холодные.

Точка росы может использоваться для определения нижней границы (базы) облаков (cloudbase). Допустим, что поднимаясь, воздух охлаждается по САГ, т. е. 1 °C /100 м. Однако температура точки росы понижается только на 0.2 °C /100 м. Таким образом, температуры поднимающегося воздуха и точки росы сближаются на 0.8° С /100 м. Когда они уравняются, начинается образование облаков. Таким образом, зная температуру воздуха у поверхности земли, и точку росы при данной температуре, можно определить высоту базы облаков по формуле

h = ((Ts-Tr) / 0.8) * 100.

Для нахождения точки росы используют влажно-электрический термометр. Высоту базы облаков важно (хотя и не необходимо) знать, потому что фактически это - максимальная высота, которая может быть набрана за счет использования термальных потоков.

В какой-то момент времени поднимающийся воздух достигает точки росы, имея 100% относительную влажность. Тогда вроде бы созрели все условия для образования облаков. Но, что интересно, ему нужно что-то для реализации этих условий. Без «помощника» воздух может стать супернасыщенным, с относительной влажностью более 100%. Этим помощником являются мельчайшие частички, находящиеся в воздухе.

Они называются центрами (ядрами) конденсации, потому, что они подталкивают Пары к конденсации вокруг себя или центрами сублимации, если пар кристаллизуется в лед. Это можно наблюдать на холодном стекле зимой.

Центрами конденсации, вокруг которых образуются капельки, могут быть продукты сгорания, капельки серной кислоты и частички соли. Первые два вида - продукты загрязнения, последние - результат работы морских и океанских волн, бьющихся о берег. В роли центров сублимации, на которых образуется лед, выступают также пыль и вулканическая пыль. Центры сублимации сравнительно крупные, поэтому их редко заносит на высоты, где температура обеспечивает образование льда.