36. Як люди використовують силу вітру

1805 року британський адмірал і гідрограф Френсіс Бофорт створив свою шкалу для приблизного оцінювання сили (швидкості) вітру. Силу вітру за шкалою Бофорта визначають за його дією на предмети і вимірюється вона в балах від 0 до 12. У 1955 році, щоб розрізнювати ураганні вітри різної сили, Бюро погоди США розширило шкалу до 17 балів.

Енергію вітру люди навчилися використовувати у сиву давнину. Вітер надував паруса, і кораблі борознили океани, діяли вітряні млини й вітряні механізми. Лопаті, паруса й гвинти уловлюють природну енергію і перетворюють її на корисну енергію, не спричиняючи забруднення навколишнього середовища.

Останнім часом вітряки отримали друге народження у вигляді вітроелектростанцій. Вітрогенератори й вітряні двигуни перетворюють енергію вітру в електричну. Ботієвська вітрова електростанція — найбільша вітрова електростанція України (Запорізька обл.).

Шкала Бофорта

Швидкість вітру*, м/с 2

Характеристика вітру

Повна відсутність вітру. Дим підіймається прямовисно. Листя дерев нерухомі.

Дим «пливе». Флюгер не обертається.

Рух повітря відчувається обличчям. Шелестить листя. Флюгер обертається.

Тріпоче листя, хитаються дрібні гілки. Майорять прапори.

Хитаються тонкі гілки дерев. Вітер підіймає пил та шматки паперу.

Хитаються великі гілки. На воді спостерігаються хвилі.

Хитаються невеликі стовбури дерев. На морі здіймаються спінені хвилі.

Ламаються гілки дерев, важко йти проти вітру.

Зриває черепицю, руйнує димарі.

Значні руйнування. Дерева вириваються з корінням.

*Швидкість вітру зазначається на висоті 10 м над поверхнею землі.

Вітряна електростанція

Вітряний млин у Голландії

§ 30. Вітер, його основні характеристики

Чому виникає вітер. Повітря рідко перебуває у спокійному стані. Воно постійно переміщується, як вода на поверхні озера чи моря. З середини XVII ст. вчені прийшли до висновку, що зародження вітру пов’язане з нерівномірним нагріванням земної поверхні, яке спричиняє формування областей з високим і низьким атмосферним тиском. Повітря завжди переміщується з місцевості високого тиску до місцевості з низьким тиском (мал. 172).

Мал. 172. Утворення вітру

Завдання. Користуючись малюнком, поясніть, чому вітер здатний пересуватися лише з області високого тиску, а не навпаки.

Причому чим більша різниця атмосферного тиску, тим швидше рухається повітря й має більшу силу. Вітер не виникає лише тоді, коли відсутні коливання тиску. Отже, вітер – це горизонтальне переміщення повітря з області високого в область низького тиску. Вітер характеризують три основні показники: напрям, сила та швидкість (мал. 173).

Мал. 173. Основні характеристики вітру та їхнє визначення

Напрям вітру. Від формування областей високого й низького атмосферного тиску залежить напрям вітру. В метеорології визначається як напрямок, з якого дме вітер. Наприклад, якщо в Україну повітря приходить з півночі, вітер називають північним, із заходу – західним й т. п. Для приблизного визначення напряму вітру використовують 8 сторін горизонту (мал. 174), а більш точного – градуси кута (від 0° до 360°) аналогічно до визначення азимута.

Мал. 174. Напрями вітрів

Завдання. Користуючись малюнком, назвіть напрями вітрів. Поясніть, що означає стрілки на малюнку.

Найпростішим приладом для встановлення напрямку вітру є флюгер (від нід. – «крило») (мал. 175). Це один із найдавніший винаходів людства. Сучасні флюгери найчастіше виготовляють із сталі або міді.

Мал. 175. Будова флюгера з вітромірною дошкою: 1 – щогла висотою 8-10 м; 2 – флюгарка – рухома стрілка, яка гострим кінцем вказує ту сторону горизонту звідки дме вітер; 3 – 8-ми променева нерухома шкала напрямків; 4 – шкала сили вітру; 5 – «вітромірна дошка» для визначення сили вітру

Роза вітрів. Підсумовуючи спостереження за погодою протягом місяця, будують розу вітрів, за якою видно, якого напряму вітри переважали (мал. 176). Роза вітрів – це діаграма, яка характеризує режим вітру в даній місцевості протягом певного проміжку часу (зазвичай місяця). Розу вітрів враховують при будівництві злітно-посадкових смуг аеродромів, автомобільних доріг, плануванні вулиць, будинків, промислових зон тощо.

Мал. 176. Роза вітрів (одного з міст України за червень) має вигляд багатокутника, в якого промені розходяться від центру в різні боки, пропорційно повторюваності вітрів певних напрямків.

Завдання. За наведеною розою вітрів виявіть; 1) якого напрямку вітрів було найбільше; 2) яких напрямків вітри переважали; 3) яких напрямків вітрів було найменше; 4) за картою світу з’ясуйте, вітри з Океану чи з суходолу переважали (маючи на увазі, що дана роза вітрів одного з міст України); 5) зробіть висновок, яка погода панувала в місті протягом місяця.

Сила вітру. Силу вітру визначають у балах (від 0 до 12) за шкалою Бофорта (див. Таблицю 3). Цілковита відсутність руху повітря – штиль. Найсильніший вітер руйнівної сили 12 балів – ураган. Визначають силу вітру також за допомогою вітромірної дошки флюгера – вільно закріпленій металевій пластинці, яка при відсутності вітру висить вертикально. Чим сильніший вітер, тим вище вона підіймається, а під час урагану стає горизонтально. Сила вітру залежить від різниці атмосферного тиску над різними ділянками землі. Чим ця різниця більша, тим вітер сильніший.

Сила вітру, бали

Швидкість вітру, м/с

Характеристика

ВІТЕР

Рух повітря відносно земної поверхні називається вітром. Утворенню повітряних потоків сприяють такі чинники [Henry and Heike, 1996]:

• 1. Градієнтна сила, що забезпечує рух повітря від зони високого тиску до зони низького (тобто завдяки градієнтам тиску).
• 2. Гравітаційна сила, що прискорює рух повітря до величини g = 9,8 м/с2. Дія вертикального градієнта тиску врівноважується гравітаційною силою.
• 3. Сила тертя, що визначається як:

е μ – коефіцієнт внутрішнього тертя, який залежить від характеру підстилкової поверхні, Н/м•с; v – швидкість вітру, м/с. Сила тертя пропорційна швидкості вітру і має протилежний останньому напрямок.

4. Сила Коріоліса, що відхиляє напрямок руху повітря – вправо в Північній півкулі, вліво – в Південній (рис. 3.1). Визначається ця сила за виразом:

де р – маса повітря, кг; v – швидкість руху повітря, м/с; ω – кутова швидкість обертання Землі (7,3•10-51/с); φ – широта місцевості, °.

Розглянемо причини виникнення сили Коріоліса. В системі відліку, що обертається, матеріальна точка, яка рухається непаралельно осі цього обертання, відхиляється за напрямком, перпендикулярним до її швидкості.

На Землі цей ефект, зумовлений її добовим обертанням, спричинює те, що вільно падаючі тіла відхиляються на схід, а тіла, що рухаються вздовж земної поверхні, відхиляються в Північній півкулі вправо від напрямку руху, в Південній – вліво.

На екваторі sin φ = 0 і Fk = 0; на полюсах sin φ = 1, отже сила Коріоліса максимальна. Звичайно під терміном “вітер” ми розуміємо горизонтальний рух повітря.

Рис. 3.1. Відхилення тіл, що рухаються вздовж земної поверхні, вправо від напрямку руху в Північній півкулі, вліво – у Південній

5. Відцентрова сила, яка визначається за формулою:

де r – радіус криволінійної траєкторії. За великих швидкостей і малих радіусів кривизни Fe може значно перевищувати градієнтну силу (тропічні циклони, смерчі).

Параметри вітру

Основні параметри вітру – швидкість, напрямок і поривчастість.

Швидкість вітру вимірюється в м/с, хоча можуть застосовуватися такі одиниці як вузол або км/год (табл. 3.1 ).

3.1. Зв’язок між одиницями швидкості вітру

Швидкість вітру оцінюється за допомогою шкали Бофорта (табл. 3.2).

В Антарктиці швидкість вітру сягає 65 м/с, у тропіках – 110 м/с. Швидкість вітру υ залежить від висоти А над рівнем моря: υ = 5 м/с (А = 20 м); υ = 20-25 м/с (А = 300 м); υ = 60-80 м/с (А = 10-17 км).

Напрямок вітру визначають відносно сторін світу і позначають або в румбах (всього 16): північний, північно-східний, східний тощо, або в поділках: одна поділка містить 5° або 10° залежно від необхідної точності вимірювань.

Поривчатість вітру – це скачкоподібні підсилення і послаблення швидкості Δυ вітру; Δυ = ± 3 м/с при υ = 5-10 м/с; Δυ = ± 5-7 м/с при υ = 11-15 м/с.

3.2. Шкала Бофорта

Близький до штормового вітер

Розглянемо повітряні потоки, що викликатимуть стресові ситуації.

Смерч – сильний вітер у вигляді горловини з вертикальною віссю, що має велику швидкість обертання. В Америці його називають торнадо. Причиною смерчу є великі градієнти тиску, нестійкість нижнього (до 2 км) шару атмосфери, що виникає при зіткненні сухих холодних повітряних мас з теплими й вологими. Діаметр смерчу сягає 100 м над водною поверхнею, від кількох десятків метрів до кількох сот метрів – над земною поверхнею. Висота смерчу становить від одного до кількох сот кілометрів. Характерна особливість – спіралеподібний рух повітря навколо вертикальної осі. Швидкість руху становить 50-100 м/с, а інколи 250 м/с, причому є вертикальна компонента швидкості величиною 70-90 м/с. Тривалість смерчу – від кількох хвилин до кількох годин. Для оцінки смерчів використовують шкалу Фудзі (табл. 3.3)

3.3. Шкала Фудзі оцінки смерчів

Руйнування телевізійних антен, труб, дерев, вікон

Перевертання автомобілів, виривання дерев з корінням

Знесення дахів, перевертання рухомих будинків

Руйнування металевих будівель, зсування зовнішніх стін, повал лісів та вилягання угідь

Падіння стін, перенесення металевих та бетонних конструкцій на велику відстань

Перенесення будинків на велику відстань, руйнування шкіл, мотелів

F6 (який важко уявити)

Автомобілі піднімаються в повітря

Урагани – тропічні циклони, швидкість яких досягає 290 км/год. Термін “ураган” стосується екстремальних вітрів, що виникають у північній Атлантиці; аналогічні явища у Тихому океані називають тайфунами. Тривалість ураганів від 1 до 30 днів. Оцінюють урагани за шкалою Сафіра-Сімсона (табл. 3.4).

3.4. Шкала Сафіра-Сімсона оцінки ураганів

Руйнування рухомих будинків, часткове затоплення прибережних районів

Суттєве пошкодження рослинності, виривання дерев, затоплення прибережних доріг

Руйнування малих будинків, затоплення прибережної території на відстані до 13 км

Руйнування дахів, вікон, повне руйнування рухомих будинків, затоплення до 10 км

Руйнування будинків, промислових підприємств, необхідність евакуації населення в зоні 8-16 км

Суховій – вітер, що виникає при високій температурі (більше 25 °С) і вкрай низькій відносній вологості (менше 30 %). Спостерігаються суховії в степових та лісостепових зонах. Швидкість руху повітря сягає 5-20 м/с.

Пилові бурі виникають на оголених земельних ділянках, розпиленому й висушеному грунті, на розораних схилах. Основними чинниками, що сприяють пиловій бурі, є сильний вітер (понад 10 м/с) і відносна вологість, що не перевищує 50 %. В Україні в степовій зоні спостерігають 4-5 днів на рік з пиловими бурями, а в деяких областях – 10-15 днів на рік.

Бора – сильний, холодний і поривчастий вітер, що виникає в області невисоких гірських хребтів і пересувається у бік теплого моря. Утворюється в холодну пору року, коли над холодним континентом виникає область підвищеного тиску, а над теплим морем – зона низького. Над хребтом переріз повітряного потоку зменшується, а швидкість збільшується. Швидкість вітру під час бори досягає 40-60 м/с, температура повітря може зменшуватися до – 200 С. Тривалість бори – 1-3 дні.

Екстремальні значення вітру

Найбільш вітряне місце – це море Співдружності в Антарктиді: швидкість вітру тут сягає 320 км/год.

Найдужчий вітер на земній поверхні – швидкість вітру в 371 км/год зареєстрована на горі Вашингтон (1916 м над рівнем моря), штат Нью-Гемпшир, США, 12 квітня 1934 р.

Рекордна швидкість вітру (333 км/год) на рівнині (44 м над рівнем моря) була зафіксована 8 березня 1972 року на базі BBC США в Тулі, Гренландія.

Найвища швидкість вітру у смерчі (459 км/год) була зареєстрована в Уїчіто-Фолс, штат Техас, США, 2 квітня 1958 року.