Что заставляет дуть ветер: объяснение явления

«Я не могу изменить направление ветра, но я могу настроить свои паруса так, чтобы всегда достигать цели», — сказал Джимми Дин. Ветер может казаться огромной загадкой, подобной вопросу о курице и яйце, поскольку никто, кажется, не знает, где и когда ветер начинает дуть или где он заканчивается. Но для метеоролога это гораздо проще.

Что такое ветер?

Ветер — это движение воздуха, вызванное разницей давлений и динамикой жидкостей в движении. Хотя это может звучать очень технически, на самом деле это не так! В материале также будет обсуждаться, как измеряется ветер, и крупномасштабные ветровые модели по всему земному шару.

Что заставляет дуть ветер

Ветер — это выравнивание атмосферного давления (веса воздуха над нами), всегда движущегося от высокого к низкому. Высокое и низкое давление определяют погоду на Земле, поскольку земная атмосфера постоянно наполнена областями высокого и низкого давления, которые непрерывно перемещаются в нашей сложной атмосфере. Это движение газа и вызывает ветер, особенно в зонах перехода от высокого к низкому давлению.

Вероятно, проще всего объяснить ветер в видео, а также прочитать больше в полной статье ниже…

Атмосферное давление:

В среднем, земная атмосфера оказывает давление в 1,03 килограмма на квадратный сантиметр (14,7 фунтов на квадратный дюйм) на тело человека. Это давление воздуха варьируется и может быть высоким или низким, при этом самое низкое атмосферное давление на Земле составляет менее 0,91 килограмма на квадратный сантиметр (13 фунтов на квадратный дюйм), а самое высокое приближается к 1,13 килограмма на квадратный сантиметр (16 фунтов на квадратный дюйм) (именно поэтому при низком давлении тело может болеть; подробнее об этом — в другом материале!).

Чем больше воздуха над нами или чем глубже атмосфера, тем больше её вес. Высокое давление означает, что столб атмосферы над вами выше среднего. Чем меньше воздуха над нами или чем тоньше атмосфера, тем меньше её вес. Низкое давление означает, что столб атмосферы над вами ниже среднего.

Высокое и низкое давление определяют погоду, поскольку они стремятся к одной и той же высоте. Высокое давление стремится опуститься до более низкой отметки, а низкое — подняться. Атмосфера стремится к равновесию, что недостижимо.

Почему это невозможно? Потому что Земля — это гигантская планета с расплавленной лавой в центре, вращающаяся в космосе со скоростью 1600 километров в час, на 70% покрытая водой, половина которой нагревается Солнцем, а другая половина охлаждается в открытом космосе — это лишь несколько факторов. Но без этих различий в давлении не существовало бы «погоды».

Динамика жидкостей и ветер

Итак, давайте немного упростим. Представьте себе высокую банку, до краёв наполненную водой. Это высокое давление. Теперь представьте рядом высокую банку, наполовину заполненную водой. Это низкое давление. Если бы вы могли соединить дно двух банок соломинкой, чтобы жидкость могла перетекать между ними, что бы произошло?

Вода из более полной банки перетекла бы по соломинке в другую банку, и обе они выровнялись бы на одной высоте. Жидкость, текущая по соломинке, — это ветер.

Ветер — это процесс выравнивания атмосферного давления, всегда движущегося от высокого к низкому. Вот почему у ветра нет начала и конца, поскольку земная атмосфера всегда полна областей высокого и низкого давления, которые постоянно перемещаются в нашей сложной атмосфере.

Градиент давления

Если вы когда-либо смотрели на топографическую карту, вы сможете, взглянув на синоптическую карту давления, понять, куда и с какой скоростью дует ветер.

Топографическая карта показывает линии равных высот. Повторяющиеся линии в конечном итоге образуют необычные круги и фигуры, отображая всё — от вершин гор до оврагов, от высоких хребтов до глубоких долин. Карты давления ничем не отличаются, показывая, где атмосферное давление высокое, а где низкое.

В топографии, чем ближе расположены линии равных высот, тем круче склон.

Чтобы понять ветер, представьте себе шар, катящийся по топографической карте давления в атмосфере. Изображение ниже показывает прогноз давления, а чёрные линии — это линии постоянного давления (изобары). Область высокого давления находится над Великими озёрами, подобно «горам» воздуха, а область низкого давления — над Скалистыми горами, как «озеро» в долине. Если бы взять шар и поместить его на вершину высокого давления над Великими озёрами, он бы плавно скатился вниз, возможно, на север, возможно, на юг, но не слишком быстро.

Как только шар достигнет плотно расположенных изобар от Северной Дакоты до Колорадо, он ускорится, потому что склон «горы» (в атмосфере) был бы невероятно крутым. И воздух ведёт себя так же. Скорость ветра увеличится в этой области, движущейся от высокого к низкому давлению. Изображение ниже показывает прогноз скорости ветра на то же время, где белый цвет обозначает слабые ветры, а розовые/фиолетовые оттенки — высокие скорости ветра.

Как измеряется ветер

Ветер имеет две измеряемые составляющие: его скорость и направление. Скорость ветра сообщает, насколько быстро он движется, а направление — откуда дует ветер. Скорость ветра измеряется анемометром, а направление ветра — флюгером.

Большинство анемометров фиксируют количество оборотов за определённое время (например, обороты в минуту) от пропеллера или чашек и преобразуют это значение в скорость ветра. Если пропеллер вращается медленно, скажем, десять раз за 15 секунд, это будет низкая скорость ветра. При высоких скоростях ветра движущаяся часть анемометра может совершать несколько оборотов в секунду.

Флюгер часто имеет форму флага, фюзеляжа самолёта с большим хвостом или что-то подобное, чтобы улавливать ветер и всегда поворачивать прибор по направлению ветра. Это сообщает направление, откуда дует ветер, и обычно именно так передаётся направление ветра. Северный ветер дует с севера на юг, а не движется на север.

Существует один тип анемометра без движущихся частей — это ультразвуковой анемометр. Этот метеорологический прибор использует звуковые волны для измерения ветра. Излучая звук и улавливая время его приёма, эти невероятно чувствительные и точные анемометры могут определить скорость и направление без каких-либо движущихся частей.

Глобальные ветровые модели:

Поскольку Земля — это гигантская планета с атмосферой, вращающейся со скоростью 1600 км/ч, существуют некоторые преобладающие и полупостоянные крупномасштабные ветровые модели. Например, ветер и погода обычно перемещаются с запада на восток через Северную Америку между 30° и 60° северной широты.

Существуют исключения. Иногда потоки ориентированы скорее с севера на юг, а иногда они даже движутся «в обратном направлении» (как в нашем примере прогноза ветра выше!).

В Южном полушарии, между 30° и 60° южной широты, ветер и погода также движутся с запада на восток. На экваторе, 0°, погода движется с востока на запад. Пассаты представляют собой переходную зону от экватора до 30° северной и южной широты. Полярные восточные ветры дуют с востока на запад выше 60° северной и южной широты.

Полосы, где ветры сходятся, создают зоны постоянного низкого давления, что приводит к образованию облаков (ещё одна хорошая тема для будущей статьи!) вблизи экватора над так называемой Внутритропической зоной конвергенции (ВТЗК). Ещё несколько полупостоянных зон низкого давления расположены вблизи 60° северной и южной широты. Их аналог, субтропические антициклоны, — это места, где ветры расходятся в сторону более низкого давления, и эти две зоны расположены на 30° северной и южной широты.

Хотя человек не может контролировать, куда дует ветер, надеемся, теперь это стало гораздо меньшей загадкой. Постоянно колеблющаяся атмосфера Земли создаёт перепады давления, и это вынуждает воздух стремиться к равновесию. Воздух всегда движется от высокого давления к низкому, пытаясь уравновесить атмосферу в сценарии «невыполнимой миссии», поддерживая движение воздуха в форме ветра.

Ветер может показаться чудом… но за ним стоит множество научных фактов!