Глава 9 Нестабильность и термичность

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Одна из самых частых и продуктивных причин восходящих потоков в природе — это термичность. Пузыри и столбы поднимающегося теплого воздуха могут достигать больших высот. Они могут быть очень слабые и незаметные в условиях слабого прогрева или мощные и даже опасные, когда солнце жаркое, а поверхность подходящая.

В связи с исключительной важностью термических потоков для спортивной авиации мы посвятим некоторое время в этой главе на объяснение того, как они возникают, какие условия необходимы для этого и где их искать. В следующей главе мы поговорим о поведении термиков в небе.

В главе 2 мы разобрались что такое нестабильность и градиент температуры. Эти знания будем использовать для изучения материала этой главы.

РОЖДЕНИЕ ТЕРМИКА

Термик — это скопление воздуха, поднимающегося в основной массе по причине того, что он легче окружающего. Термики могут различаться по форме, размерам и силе. Если мы хотим совершать эффективные и приятные прогулки верхом на этом свободно поднимающемся воздухе, мы должны начать его изучение с рождения.

Основа всего — солнечный прогрев поверхности в течение дня. Тепло передается воздуху над ней (глава 1). Если прогрев медленный, теплый воздух может подниматься в легком непрерывном потоке, столбе. При более быстром прогреве могут формироваться пузыри, оставаясь на поверхности и увеличиваясь некоторый период времени до внезапного отрыва. Увидеть этот процесс можно, понаблюдав за греющейся водой. Сначала на дне вы будете видеть конвективный процесс — столб поднимающейся более теплой воды. Затем, когда нагрев станет более интенсивным, начнут формироваться пузыри на дне, через определенные промежутки времени, отрываясь и быстро поднимаясь к поверхности. С продолжением прогрева образуются пузыри все более крупные в месте большего прогрева дна сосуда. Пузыри, в основном, сферической формы. Позднее начинается перемешивание воды. Аналогичные процессы происходят и в воздухе.

На рисунке 166 показана ситуация, имеющая место над нагревающейся поверхностью. Сначала легкий прогрев приводит к медленной постоянной циркуляции. Это возможно утром, днем, когда слой облаков частично закрывает небо и затрудняет прогрев или вечером, когда теплая земля медленно отдает накопленное тепло.

Рис. 166. Образование термических потоков

Второй этап: на поверхности начинает расти купол теплого воздуха. Купол будет таким, как показано на рисунке, будет занимать прогреваемую площадь и в размерах ограничиваться размерами поля или другой поверхности. Деревья или окружающая поле более холодная поверхность могут ограничивать размеры купола.

Когда этот купол растет, он вытесняет окружающий воздух, как показано на рисунке. Быстрое расширение и инерция нагревающегося воздуха удерживает его у поверхности до некоторых размеров. Затем он отрывается от земли, формируется теплый пузырь. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

Процесс образования теплых пузырей — очень эффективный метод теплообмена. Ограниченные объемы нагревающегося воздуха, как показано на второй картинке, очень часто образуются в более зеленых районах, таких как Европа и восточная часть Северной Америки. В пустынях, где огромная территория однообразной поверхности, формируется обширный слой горячего воздуха. Это потенциальный термик. Воздух поднимается от какого-нибудь воздействия в определенном месте (своего рода трамплин) непрерывным столбом, подпитываемый из нагретого слоя у поверхности. Данная ситуация проиллюстрирована на картинке 3.

ТОЛЧОК ДЛЯ РОЖДЕНИЯ ТЕРМИКОВ

Потенциальный термик может находиться на земле в течение многих минут с момента формирования. Такая ситуация является нестабильной. Теплый воздух должен подниматься вверх через более холодный. Нагреваясь, воздух расширяется и может оставаться на поверхности до порыва ветра, который разрушит хрупкое равновесие, или он станет таким большим, что расширение замедляется из-за давления со всех сторон более холодного воздуха.

Некоторая нерегулярность ветра может послужить толчком для образования термика, например, движение воздуха у поверхности от предыдущего сошедшего термика или порыв воздуха от быстро проехавшего автомобиля. Много пилотов с малых высот выбирались наверх благодаря тому, что их наземный экипаж движением своего автомобиля срывал термик. В одном месте в Пенсильвании имеется долина с железнодорожной линией и проходящий поезд срывает термик. Пилоты планеров знают об этом и используют в полетах.

Основной ветер у поверхности создает термики, завихряясь вокруг земных препятствий. Такой ветер часто ограничивает размер термиков потому, что обычно способствует их отрыву. На обширных плоских территориях ветер будет гнать теплый воздух, пока не встретит на своем пути холм или возвышенность, которые спровоцируют вертикальное движение и послужат трамплином для термика как показано на рисунке 167.

Рис. 167. Холм — причина образования термика

Толчком для термической деятельности над наклонной территорией может послужить движение облаков. По максимуму земля может в несколько минут охлаждаться на 27 °C, когда облака закрывают солнце. Быстрое движение холодного воздуха вниз к подножию холма может послужить толчком для отрыва термика. В штиль любые неровности поверхности могут сыграть роль инициатора термического потока. Особенно на поднимающихся территориях, где может возникнуть бриз на склон. Рисунок 168 иллюстрирует образование термика возле холма, дерева, столба. Другие нерегулярности территории, такие, как: строения, плато, лесополосы — будут способствовать образованию термических потоков аналогичным образом.

Рис. 168. Возникновение восходящего потока

ТЕРМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НА ПОДВЕТРЕННОЙ СТОРОНЕ

Важные эффекты на поверхности возникают в условиях, когда ветер блокируется препятствием: холмы, строения, лесопосадки. На наветренной или подветренной стороне таких преград будут возникать возмущения, но если ветер несильный, то они будут очень слабыми. В таких местах, закрытых от ветра, купола теплого воздуха вырастают до сравнительно больших размеров.

Термики подветренной стороны имеют среди пилотов репутацию хороших парящих восходящих потоков. Однако, в любой ветер подветренная сторона горы не лучшее место для полетов. Нам нужно находиться над возвышенностью для безопасного использования потока. С этой точки зрения идеальные условия, когда на вершине встречаются восходящие потоки с обоих сторон горы. Термик подветренной стороны — не лучший источник восходящего потока, потому что мы не можем проводить все время над подветренным склоном. И все-таки надо обязательно обращать внимание на препятствия на поверхности, как на возможные источники хороших термических потоков.

ИСТОЧНИКИ ТЕРМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ

Источники терминов очень близко связаны с причинами их возникновения. Термический источник — это место, над которым возникают тепловые восходящие потоки.

Хорошим источником терминов является поверхность, быстро прогреваемая солнцем. В списке таких территорий: вспаханные поля, открытая голая земля, асфальт, созревшие злаковые, скошенные поля. Любое место, где вы можете в солнечный день обжечь ноги, является хорошим генератором термических потоков.

Песок очень быстро прогревается, но также быстро и отдает тепло воздуху, поэтому он быстро охлаждается проходящими облаками. Созревшая пшеница осенью — отличный источник тепловых восходящих потоков, потому что прогревается толстый слой воздуха, попавшего в ловушку. Очень хорошо нагревают нижний слой воздуха городские кварталы, здесь и прогрев дорог и тротуаров, и отражения стенами строений солнечного тепла.

Скалистая поверхность также является отличным источником терминов, если скалы маленькие. Более крупные скальные образования имеют своеобразные особенности. Они легко проводят тепло, передают его поверхности, из которой выступают, но долго его хранят. К надежным источникам термических потоков их можно отнести только после обеда. Вечером горные районы могут иметь отличные термичные места, так как они медленно отдают накопленное тепло. Отличными источниками являются карьеры, если они неглубокие. Нагретый воздух не торопится их покинуть.

МЕСТОНАХОЖДЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ

Термины, жилище термика и резиденция термика (часто дежурный термик) относятся к постоянным термическим потокам, расположенным возле мест полетов и дельтадромов. Они могут быть устойчивыми термическими столбами или регулярными, очень хорошими для полетов пузырями. Многие пилоты вспоминают о дежурном термике, попав в безнадежный нисходящий поток. Хотя нельзя забывать и то, что в воздухе ничего не может быть гарантировано, за исключением силы притяжения и роста цен на оборудование и снаряжение.

Понятно, что дежурный термик находится над хорошим термическим источником. Именно отсюда его постоянство. Иногда источником является одиночный холм, иногда каменистая поверхность. В горах таким местом может быть чаша или ущелье. Не обязательно на какой-то территории существует определенное место образования термика, бывает, что они возникают периодически и в разных местах.

Пилоты должны помнить:

хороший термический источник имеет тенденцию к созданию восходящих потоков на периодической основе в течение дня и каждый день.

ИСТОЧНИКИ ТЕРМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ

Мы всегда предполагали, что холмы и другие поднимающиеся поверхности являются хорошим местом для возникновения термических потоков. Остановимся на этом подробнее. Поднимающиеся территории такие, как горы или хребты — отличные генераторы термиков. Во-первых, если высокие, они лучше и легче прогреваются солнцем, потому что солнечные лучи проходят до них более тонкий слой атмосферы. Во-вторых, склоны часто ориентированы так, что солнечные лучи падают на них перпендикулярно, как показано на рисунке 169. Рисунок также иллюстрирует прогрев воздуха возле вогнутого и выпуклого склонов.

Рис. 169. Прогрев вогнутого и выпуклого склонов

Третья причина заключается в том, что воздух над горами более холодный, чем в долинах, в то время, как поверхность становится теплее и теплее. Поэтому термики над возвышенностями возникают раньше, чем над долиной, они более мощные и чаще возникают в течение теплой части дня. Ночью горные вершины выступают над слоем инверсии. Холодный воздух стекает по склонам вниз, как показано на рисунках 101 и 135. Следовательно, у горы будут раньше образовываться термические потоки.

В пустынях и в местности с однообразным ландшафтом более высокие точки будут наиболее вероятным местом существования тепловых восходящих потоков. Эта ситуация проиллюстрирована рисунком 170.

Рис. 170. Образование термиков над возвышенностями

Если его перевернуть вверх ногами и вместо теплого воздуха представить себе жидкость, то получим неплохую модель. Причем, чем выше точка на поверхности, тем лучшим местом для существования термика она является. Вы можете использовать это утверждение для поиска восходящих потоков во время полетов. В это же время над чашами между возвышенностями будут нисходящие потоки.

Над обширными пространствами эти потоки могут турбулизировать поток ветра и этим способствовать образованию термиков, что часто имеет место в пустынях.

ВОДОЕМЫ ИСТОЧНИКИ ВОСХОДЯЩИХ ПОТОКОВ

Мы изучали выше, что водная поверхность прогревается медленнее потому, что много тепла расходуется на испарение и, кроме того, вода распространяет тепло по всей толще. Это приводит к тому, что над водной поверхностью образуются нисходящие потоки и пилотам лучше уклоняться от полетов над ней. Но в некоторых случаях бывают исключения.

Тонкий слой стоячей воды, характерный пример этому болота, будет прогреваться так же, как и твердая поверхность. В этом случае возможно образование термиков, но они будут, скорее всего слабыми, широкими и если водное пространство очень обширное, то возникают трудности с определением их местоположения.

Влажная поверхность (например, после дождя) — слабый источник термиков, опять же из-за охлаждающего эффекта парообразования. Но с другой стороны, водяные пары помогают воздуху подниматься.

На обширных влажных территориях можно найти восходящие потоки над более высокими или осушенными участками. В очень влажных районах сухие участки являются генераторами термиков. Это характерно для северной Европы и восточной половины Северной Америки. Когда в таких районах случаются засухи, то термики очень часты и сила их бывает драматична.

Крупные водоемы являются территориями нисходящих потоков, но даже над ними в определенных ситуациях могут возникать восходящие потоки. Когда холодный северный воздух натекает на крупное водное пространство, он нагревается и могут образоваться спокойные, широкие, слабые потоки. Это часто наблюдается осенью и зимой возле крупных озер, морей и океанов и называется водный термический поток.

Снег отражает солнечные лучи днем и излучает тепло ночью, поэтому заснеженные территории очень холодны даже после солнечного дня. Однако и в этом случае иногда возможны термические потоки, когда на покрытую снегом поверхность натекает очень холодный воздух. Снежные термики бывают редко, но при возникновении очень похожи на водные, такие же широкие и спокойные.

ТЕРМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Мы уже знаем, что солнечный прогрев земли имеет суточные и сезонные циклы. Это рассмотрено в главе 1 на рисунках 7 и 8. Из них следует, что максимальный дневной прогрев, а значит и максимальная термическая активность, по времени не соответствуют моменту, когда солнце в зените, а запаздывает, потому что даже после этого некоторое время поверхность продолжает прогреваться. График на рисунке 7 показывает максимальный нагрев поверхности, а значит, и наибольшую термическую активность между 14–00 и 15–00.

Время циклов может сильно изменяться в зависимости от поверхности и облаков. Например, западные склоны достигают пика прогрева на 3–4 часа позже, чем горизонтальная поверхность, в то время как на восточных все это происходит утром. Северные склоны в северном полушарии могут прогреваться только в середине лета и то только у вершин. Это особенно справедливо в полярных районах.

Дымка или облачность могут сильно уменьшить солнечный прогрев и исключить образование термических восходящих потоков. Утренние облака, которые позже исчезают, задерживают термический цикл. Но когда облака исчезают, идет очень быстрый прогрев и термики формируются очень бурно (если, конечно, был не тонкий слой облаков, медленно растворяющийся). В основном, высокие перистые облака уменьшают термическую активность, в то время как кучевые облака, закрывающие большую территорию, могут совсем остановить или не допустить термические процессы. Иногда такой рост кучевых облаков цикличен: тепловые восходящие потоки приводят к образованию облаков, которые закрывают солнце и гасят термическую активность, облака распадаются, опять возникают термики и цикл повторяется.

Термическая активность в течение года, в основном, соответствует солнечной активности. Пик солнечного прогрева приводит к пику термичности. Зимой термики возникают не часто и слабы. Бывают исключения из правила, когда пик парения в умеренных широтах смещается на весну и осень, когда характерен перенос больших масс воздуха с полюсов. Это приводит к нестабильности.

Необходимо обратить внимание на суточную цикличность термической активности: начало прогрева утром приводит к слабому движению воздуха. Легкая циркуляция является толчком для возникновения термиков, первые из которых появляются в районе 10–11 часов. Термические потоки растут и развиваются до 2–3 часов дня, после чего они затухают, и имеет место вечерняя отдача тепла примерно до 6–8 часов вечера.

Часто в течение дня имеют место две термические паузы. Первая возникает примерно на полчаса после первых термиков. Кажется, что природа делает глубокий вдох, для возобновления термических процессов с новой силой. Эта пауза ранним утром объясняется тем, что на смену поднявшемуся вверх нагревшемуся воздуху приходит холодный, и для его прогрева необходимо некоторое время. Затем, прогревшись, он образует термики уже на более регулярной основе.

Вторая термическая пауза возникает вечером, когда регулярная термическая активность ослабевает. Иногда это длится около получаса в промежутке между 16 и 18 часами. После этой паузы термики исключительно редко возникают вновь от солнечного прогрева, а живут за счет остатков тепла.

ВЕЧЕРНИЕ ТЕРМИЧЕСКИЕ ПОТОКИ

Как только солнце опускается к горизонту, регулярная термическая активность уменьшается. Территории, которые, попадая в тень, быстро отдают тепло (например, песок), и слабые источники термиков в течение дня вечером являются местами возникновения нисходящих потоков. Дневные нисходящие потоки также не ослабевают.

Леса и скалы — прекрасные места для вечерней термичности. Хороши в этом смысле поля с неубранным урожаем злаковых. И, наконец, вода — природный аккумулятор тепла, может греть воздух над собой в вечерние часы. Над глубокими водоемами возникают восходящие потоки, если ветер уносит нагретый воздух от поверхности. Неглубокие водоемы и все другие вечерние источники термиков лучше всего работают а этом качестве при легком ветре или в штиль.

Вечерние термики не такие сильные и широкие, высокие и надежные, как дневные, но слабые восходящие потоки все-таки лучше, чем их отсутствие вообще. Кроме того, в спокойном воздухе встречаются поднимающиеся пузыри теплого воздуха.

Надо помнить, что хорошими местами для вечерних восходящих потоков являются крупные автостоянки и города. Также не забывайте: дымы от огня и из труб являются хорошими указателями восходящих потоков (глава 8).

Подведем некоторые итоги.

Места возникновения термиков

День ∙ Ночь

Место дежурного термика ∙ Тоже

Возвышенности ∙ Тоже

Хорошо нагревающиеся поверхности, такие как: голая земля, вспаханные поля, горы (во второй половине дня), песок, карьеры ∙ Территории, накапливающие тепло: горы, города, поля зерновых

∙ Избегайте закрытых высоких склонов и песчаных площадей.

Избегайте: влажных, сырых территорий; зеленых полей; низин; территорий, долго находящихся в тени. ∙ Лес (особенно сосновый) и вода

Отметим, что этот список составлен по мере убывания надежности источника термической активности.

ВЫСОТА ТЕРМИЧЕСКОГО ПОТОКА

Сразу после отрыва от земли термик претерпевает несколько изменений. Во-первых, он формируется: воздух начинает подниматься, приобретая форму столба или пузырей, как показано на рисунке 171. Этот процесс может распространяться на 100 м.

Рис. 171. Образование термических потоков

Сформировавшийся поток ускоряется до скорости, при которой уравниваются выталкивающая сила (bouyancy) и сила сопротивления. Выталкивающая сила, действующая на объем теплого воздуха определяется дефицитом его плотности относительно окружающего воздуха и его размером. Мы подробно разберемся с термической выталкивающей силой в приложении IV.

Когда термик поднимается, на его место у поверхности приходит другой воздух. Если он теплый, то тоже сразу начинает подниматься. В этом случае (часть 3 рисунка 166) на несколько минут возникнет термический столб, достигающий большой высоты. Если подпитка теплым воздухом ограничена и на место поднявшемуся приходит холодный, то образуется термик ограниченных размеров.

Потребуется некоторое время для нагрева следующей порции холодного воздуха. Это может составить от нескольких минут до часа и более, в зависимости от прогрева подстилающей поверхности.

Рисунок 172 иллюстрирует, как в слабый ветер воздух может двигаться к месту образования термика со всех сторон. Этот процесс ярко выражен в дни с мощной термичностью и может ввести в заблуждение по поводу направления ветра у земли, что очень важно на посадке. Когда в метеосводке говорят о том, что ветер слабый, переменных направлений, то это указывает на термические процессы. В сильный ветер не будет изменения направления ветра, но он будет порывистым.

Рис. 172. Ветер у земли вблизи термического потока

Пока термик поднимается первые 300 м, он может подсасывать окружающий воздух со всех сторон. Эта тенденция к конвергенции является причиной затягивания парящих летательных аппаратов к центру потока, так что надо уменьшать угол крена для движения по желаемой окружности. С подъемом может быть придется крен увеличивать.

В основном, у земли турбулентность в термиках выше, а с высотой поток становится ровнее. Термики часто проходят через слои инверсии, что их притормаживает и добавляет турбулентность на высоте инверсии от среза. В ветренную погоду термики могут также замедляться в подъеме из-за перемешивания слоев и турбулентности нагретого воздуха у земли, как показано на рисунке 173. Это очень турбулизирует восходящий поток.

Рис. 173. Термичность в турбулентном слое

РЕАЛЬНЫЙ ГРАДИЕНТ

Мы говорили во второй главе, что поднимающийся или нагревающийся воздух приводит к нестабильности. Термик является порцией воздуха, которая и нагревается и поднимается. Давайте рассмотрим как на него влияет типичный градиент температуры.

На рисунке 174 показано в среднем изменение градиента у земли в течение суток. Утром мы видим наличие инверсионного слоя у земли. Вспомним, что градиент — это просто график изменения температуры от высоты. Инверсия — это слой, где этот график показывает, что воздух более теплый или недостаточно холодный, чтобы быть нестабильным.

Рис. 174. Суточное изменение градиента температуры

Утренняя приземная инверсия объясняется тем, что земля за ночь остыла и остудила нижний слой воздуха. В горах ночные бризы вниз по склону могут создать толстый слой холодного воздуха у земли, то есть толстый слой инверсии (не редкость 300 м). Вечерняя термичность, облака и ветер могут уменьшать толщину инверсионного слоя из-за перемешивания воздуха в нижних слоях и уменьшения потери тепла поверхностью излучением.

Возьмем точку на оси температур, например, 19 или 21° (график на рисунке 175). Термический поток с такой начальной температурой поднимается в приземном слое инверсии, затухая, до выравнивания температур.

Рис. 175. Термичность в приземном слое инверсии

На высоте, где температуры выравниваются, подъем прекращается, начинается перемешивание с окружающим воздухом. Если прогрев очень сильный и температура воздуха у поверхности больше 23°, то поток пробивает инверсию. Этот процесс продолжается, что приводит к прогреву слоя воздуха у поверхности. Со временем толщина прогревающегося слоя увеличивается. На рисунке 174 это отражается изменением графика в нижней части.

Усиление солнечного прогрева поверхности приводит к увеличению толщины прогреваемого слоя. Увеличение температуры из-за прогрева приводит к подъему нижней границы слоя инверсии. Из-за своеобразной формы на графике это часто называют курок температуры (trigger temperature), образно говоря, нажав на который, природа выпускает термические потоки.

Как мы видим на графике (рис. 174) приземная инверсия постепенно "размывается" теплым воздухом. Позже, к вечеру этот процесс идет в обратном направлении. Очень сильная инверсия, бывающая после ясных холодных ночей приводит к затягиванию времени на прорыв слоя инверсии и обещает хорошую термичность до позднего вечера. В таких условиях земля прогревается быстро, потому что тепловая энергия как бы попадает в ловушку в нижнем слое воздуха. Это может проявиться в том, что вдруг возникает термичность, хотя до этого момента ничего не было. В приложении 5 мы увидим, как определять время выравнивания градиента, разрушения слоя инверсии у земли.

Некоторые выводы:

Термическая активность

Безоблачные ночи приводят к толстому, стабильному слою инверсии у земли, что задерживает термическую активность на следующий день.

Ясный день обещает хороший прогрев и термическую активность.

Важным фактором, определяющим время появления термических потоков, является разность температур внизу и вверху приземного инверсионного слоя

ГРАДИЕНТ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЫСОТЕ

Слой инверсии может встречаться не только у земли, но и на высоте. Опускающийся воздух в барических системах высокого давления обычно создает инверсию на высоте около 2000 м, как показано на рисунке 176. Часто различные слои воздуха опускаются по разному. Этот процесс приводит к образованию двух и более слоев инверсии. К образованию дополнительной инверсии может привести также вторжение теплого воздуха сверху.

Рис. 176. Слой инверсии на высоте

Многослойная инверсия оказывает сильное влияние на термические процессы. На рисунке 177 показан типичный градиент температуры в термичный день. Как только термичность пробивает приземный слой инверсии, она быстро увеличивает свою максимальную высоту до достижения слоя меньшей нестабильности. Затем увеличение высоты потока замедляется и достигает потолка в слое инверсии. Отметим, что если термик проходит слой инверсии, то он часто продолжает подъем.

Рис. 177. Слои инверсии

Большинство термиков прекращают свое существование в инверсионном слое. Как результат пыль, дым и другие включения задерживаются на его границе, и часто можно наблюдать на горизонте серую линию, над которой воздух кажется кристально голубым. Наличие над этой линией серого купола указывает на наличие очень сильного потока, который пробил инверсионный слой. Определение местоположения инверсионного слоя помогает узнать, когда ожидается замедление потока и возможен ли подъем выше.

В следующей главе мы поговорим о термиках, проникающих сквозь инверсию. Сейчас хотелось бы отметить, что в день с сильной термичностью, тепловые процессы могут разрушать слой инверсии.

Слой инверсии может быть непостоянным над территориями с мощной термической активностью, такими, как горные цепи и в то же время быть устойчивым над близлежащими районами. Рисунок 178 иллюстрирует как бы перемещение инверсии с воздухом, где абсолютная высота над вершинами больше, чем над остальной территорией и разрыв в слое инверсии при сильном прогреве.

Рис. 178. Подъем и разрыв слоя инверсии над возвышенностью

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕРМИЧНОСТИ И ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ

Мощность термических потоков в данный день зависит от солнечного прогрева и влажности, но основным показателем является градиент температуры, который учитывает все эти факторы и указывает на возможность парящих условий. Градиент температуры в нижних слоях воздуха имеет тенденцию приближаться к сухоаддиабатическому градиенту (САГ) — приблизительно 1 °C на 100 м.

Смысл этого в том, что термики распространяют тепло вверху и внизу и несут воздух к своей температуре в каждом уровне. Конечно, градиент может несколько отличаться от теоретического. Давайте посмотрим, что произойдет с термиками в этом случае.

Очень стабильная инверсия у земли может задержать появление термических потоков. С другой стороны очень толстый слой стабильного воздуха может двигаться над поверхностью. Он, конечно, не так стабилен, как инверсия, но тоже не способствует термической активности. На рисунке 179 изображена ситуация со стабильным воздухом и показано какие могут быть потоки в данных условиях. Такие термики имеют тенденцию быть медленными, спокойными внизу, пока они поднимаются и довольно турбулентными, когда разрушаются наверху. Такие дни чаще всего бывают с дымкой, потому что термики не несут влажность наверх.

Рис. 179. Слабая термичность в стабильные дни

Мы привыкли считать, что термические потоки — это поднимающийся вверх воздух, более теплый, чем окружающий, но, на самом деле, основной и единственный критерий для термиков — это воздух должен быть более легким, чем окружающий. Например, над очень влажными территориями можно наблюдать потоки, поднимающиеся вверх не потому, что воздух в них более теплый, а потому что он содержит большее количество водяных паров по сравнению с окружающим. Такая ситуация часто возникает в душные, знойные дни над влажными территориями, что приводит к грозам.

В ясные, жаркие дни слой воздуха, прилегающий к поверхности суперпрогревается. Толщина этого слоя может быть от нескольких десятков сантиметров над поверхностью, покрытой травой до тысяч метров над пустыней. Этот слой называют супераддиабатическим (это подробно рассматривается в главе 1, (рис. 11).

Супераддиабатический слой имеет градиент температуры больший, чем в термиках (САГ). В результате различия в температуре между термиком и окружающим воздухом увеличивается и поток, разгоняясь, проходит через этот суперпрогретый слой. Принципиально это показано на рисунке 180.

Рис. 180. Ускорение термического потока

Термические потоки, поднимающиеся в супераддиабатическом слое, как правило, малого диаметра, очень мощные и скоростные. Они чаще всего наблюдаются в сухих солнечных районах мира. В таких условиях очень часто возникают смерчи.

СМЕРЧИ

Иногда можно наблюдать движущийся вращающийся поток, поднимающий вверх пыль, листья и другие мелкие предметы, который наблюдается как пылевой столб движущегося воздуха. Такое явление называют смерч.

Смерчи возникают в супераддиабатических условиях (рис. 181).

Рис. 181. Смерчи, образующие термические потоки

Из-за эффекта Кориоллиса воздух, начинающий подъем в приземном слое, имеет некоторое вращательное движение. Двигаясь с вращением, он ускоряется так же как ускоряется вращение фигуристки по мере того как она притягивает к себе руки. Это вращение вскоре вдруг становится невидимым. Ускоряющийся термик принимает форму вращающейся колонны, которая с высотой становится туже и плотнее. Также как становится тоньше струйка стекающего с ложки сиропа.

Отметим для себя.

Смерчи:

Смерчи возникают, когда термические потоки поднимаются при супераддиабатическом градиенте температуры.

Смерчи расположены под восходящим потоком, обозначают его путь, скорость, размеры и часто высоту.

Смерчи иногда достигают облака над термиком, но, обычно, прекращаются намного раньше, поднимаясь только до высоты от нескольких метров до 100 м. И только в некоторых районах пустынь они могут достигать 1000 м. При изобилии мощных, устойчивых термических потоков и большом количестве песка и пыли высота смерчей указывает минимальную высоту потоков, в равной мере визуализируется их положение и направление движения. Во время прохождения смерча кроме полезного восходящего потока незадачливый пилот может найти неприятные для себя приключения. А вот наблюдение за смерчами очень полезно, так как помогает определить параметры движения термиков.

Абсолютное большинство смерчей вращаются против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой в южном. Они представляют собой явление, подобное барической системе низкого давления. Отдельные смерчи, которые вращаются в обратном направлении, вероятно, зарождаются от турбулентности. Есть предположение, что смерчи раскручивают поднимающийся воздух в термическом потоке. Оно не безосновательно. Заметное в некоторых случаях вращение облаков над термиками может служить подтверждением этому. Вероятно, воздух продолжает вращение над смерчем и тормозится, когда термик выходит из слоя суперадиабатического градиента. На этой основе резонно надеяться на лучший подъем летательного аппарата, когда он вращается против потока закрученного смерчем (по часовой стрелке или вправо в северном полушарии). Объясняется это тем, что для удержания аппарата в потоке нужен меньший угол крена из-за меньших скоростей и, следовательно, меньших центробежных сил.

Также важно отметить, что вход против вращения полезен и в смысле безопасности. Если вы входите в термик по его вращению, то внезапно получаете поток в спину, что может привести к потере воздушной скорости или складыванию аппарата. Если же входить против вращения, вы будете испытывать усиление набегающего потока, который улучшит маневренность аппарата (рис. 182).

Рис. 182. Природа смерча

Смерч — это устойчивое образование, и он практически не перемешивается с окружающим воздухом. Наружный воздух пополняет смерч только снизу, где вращение еще медленное и ограничено землей. Воздух снаружи столба вращается и поднимается, а внутри нисходящий поток и более низкое давление. В центре смерча воздух, в основном, чище, чем на периферии.

Смерч угасает, когда прекращается подпитка его теплым воздухом или он приходит на территорию, где блокируется ее прогресс. Смерч в горах двигается вверх и фактически только на прогреваемых склонах.

Смерч может некоторое время существовать после жизни термика, но его энергия затухает и он разрушается. Колдуны в Африке имели хороший бизнес на разрушениях смерчей и дождях, следующих за ними, нагоняя на аборигенов благоговейный страх перед "демонами".

Вид сверху на рисунке 182 показывает движение смерча относительно ветра. Так как просто термический поток, в котором воздух поднимается вверх, движется по ветру, то он будет левее смерча в северном полушарии и правее в южном. Знание этого может помочь определить местоположение термика по видимому смерчу. На рисунке 181 видно, как извиваясь, смерч переходит в поток без вращения. Очень высокие смерчи могут иметь волнообразную форму при различных ветрах. Объяснить то, что он движется под углом к ветру можно тем, что справа и слева скорость в смерче относительно окружающего воздуха различна, естественно, не одинаковы силы трения, и происходит выдавливание его в сторону.

Рис. 181. Смерчи, образующие термические потоки

Смерчи могут быть очень различными по размерам и скорости вращения. Действительно, некоторые сносят дома — это торнадо. Смерчи, о которых мы ведем речь в этом разделе, похожи на миниторнадо. Они возникают при соответствующих условиях на поверхности и поднимаются вверх, в то время, как торнадо развиваются от нестабильности на высоте и растут от облаков вниз. Вращение потока в смерче со скоростью около 24 км/час и диаметр 30 м типичны и, возможно, имеет смысл использовать их спортивной авиацией, что очень сильно зависит от типа летательного аппарата и опыта спортсмена.

Лучший вариант использовать смерчи как указатели термических потоков, наблюдая за ними. Набор высоты в них — дело не без риска. Внутри границ смерча может быть турбулентность, которая может очень серьезно ухудшить управляемость летательного аппарата. Попытаемся сформулировать правила безопасности при полетах в смерчах:

Полеты в смерчах.

• Не входите в поток со смерчем на высотах до 300 м от земли.

• Не входите в смерчи до верха его видимой части.

• Не используйте слишком большие и сильные смерчи на малых высотах.

• Выбирайте спираль против вращения смерча.

• Вновь образовавшийся смерч — лучший указатель термического потока, чем давно существующий.

В пустынях смерчи более мощные и чаще встречаются. Некоторые из этих монстров могут быть 1 км и более в диаметре. На территориях с зеленой растительностью смерчи более редки, слабее и имеют меньший срок жизни. Частично это можно объяснить меньшей их видимостью из-за недостатка пыли, поднимающейся вверх.

Автор этой книги однажды летел в термическом потоке в Пенсильвании на высоте 1500 м и столкнулся с большим количеством зерен, вращавшихся в потоке. В другом случае он стал свидетелем смерча, зародившегося в горах Нью Хэмпшира. Частички породы сверкали и искрились, как фейерверк.

Другое дело, водяные смерчи, которые возникают при прохождении их над водой. Они обычно коротко живущие и маловысотные, но они указывают на хорошие термические условия в этот день.

ИДЕАЛЬНЫЕ ТЕРМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Воздушные массы, двигающиеся над данной территорией, играют очень важную роль для стабильности и перспектив термической деятельности. Теплые фронты и влажные воздушные массы чаще всего не способствуют этому, потому что они приносят большую влажность, снижают прогрев поверхности, рассеивая солнечные лучи.

Влажность сама по себе поглощает тепло и нагревает воздух до того, как могут развиться термические процессы. Холодные воздушные массы, в основном, способствуют термической деятельности, потому что они приносят ясный сухой воздух, который становится нестабильным при прогреве. Есть исключения, например, воздушные массы морских бризов, которые стабильны. Холодные фронты с полюсов всегда несут термичную погоду.

На востоке США и севере Европы такие фронты очень желательны, потому что приносят отличные парящие условия. К сожалению, они также приносят барические системы высокого давления, и поэтому приходящая воздушная масса слабо подпитывается. Сильная термичность давит вверх этот опускающийся воздух, но им же и замедляется. Настоящая проблема заключается в том, что высокое давление способствует образованию инверсии, которая ограничивается высотой 2000 м над уровнем моря, а база облаков на 4000 м — редкое и восхитительное зрелище.

С другой стороны, в пустынях предпочтительнее для парящих условий барические системы низкого давления. Лениво поднимающийся воздух уменьшает стабильность на высоте и способствует прогрессированию термичности. Не исключением является высота потоков свыше 7000 м потому, что инверсия обычно отсутствует.

Системы низкого давления во влажных районах не часто создают термические потоки, потому что воздух поднимается, образуются облака и идут дожди. Пилоты в зеленых районах должны радоваться и большим, и малым высотам. Во влажных районах желательны сухие погодные условия. С другой стороны, в пустынях небольшая влажность желанна потому что увлажнение термических потоков делает их мощнее и выше. Более влажные термики образуют облака, которые являются хорошими указателями потоков.

Хорошие термические условия

• Ясное небо и жаркое солнце.

• Легкий или средний ветер.

• Холодный фронт, высокое давление и сухие дни во влажных, зеленых районах.

• Низкое давление и некоторая влажность в пустынных районах.

ВОСХОДЯЩИЕ ПОТОКИ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

В идеале термик поднимается в небо и формируется в форме гриба с циркуляцией воздуха в нем от центра наружу, как показано на рисунке 183. Воздух, поднимающийся в центре, наверху термика, разделяется на продолжающий подъем и закручивающийся в форме тора. Пространство турбулентного перемешивания воздуха находится на передней кромке термика, как показано на рисунке. Для опытного пилота нисходящий поток и турбулентность часто указывают на соседство восходящего потока.

Рис. 183. Свечение идеального термика

В процессе подъема нашего идеального термика он разрастается, вовлекая окружающий воздух и встречая более низкое давление. Он подпитывается снизу (так долго, пока там достаточно теплого воздуха) и с боков, что усиливает поток, если окружающий воздух теплый и размывает его, если холодный. С другой стороны, поднимаясь, термик может оставлять сзади "части", как показано на рисунке 184.

Рис. 184. Перемешивание, нисходящие и восходящие потоки возле термика

Понятно, что идеальные термики встречаются в природе один из тысячи. Очень часто сердцевина термика непостоянна, различной силы или даже их несколько. В следующей главе мы подробнее остановимся на различных вариациях термических потоков.

НИСХОДЯЩИЕ ПОТОКИ В ТЕРМИКАХ

Мы знаем, что в нестабильных условиях поднимающийся воздух стремится продолжать подъем, а опускающийся стремится продолжить снижение, при этом оставаясь более холодным, чем окружающий. Этот процесс движения воздуха вниз аналогичен термику, но противоположен по направлению. В хороших термичных условиях будет также обилие нисходящих потоков. Обычно чем сильнее термики, тем сильнее и нисходящие потоки. Термические восходящие потоки занимают только 1/10 часть пространства или даже меньше, поэтому нисходящие более распространены и не так организованы.

Межтермальные нисходящие потоки, обычно, самые сильные наверху, где термики обширнее. Если термики возникают в горах, то нисходящие потоки могут быть более обширными и организованными. Иногда, находясь, долгое время в нисходящем потоке, целесообразно отвернуть от курса на 90°, очень возможно, что вы двигались вдоль длинной оси нисходящего потока.

ИТОГИ

Мы пытались продолжить наши воздушные приключения, как только возможно. Одним из самых лучших движителей для этого являются термические потоки. Это подобно воздушному шару, поднимающему нас в небо. Единственная трудность — это то, что они в своем большинстве невидимы. Изучая их природу и поведение, мы с большей вероятностью определяем как, где и когда их можно найти.

Термиков множество везде и в различное время. Они переменчивы во всех свойствах: мощности, турбулентности, размерах, направлении развития и высоте. Только опыт, знания и немного удачи позволят вам найти лучший термик в данных условиях. Мы теперь имеем хорошую базу, знание основ поведения термических потоков. Далее мы будем изучать их секреты более глубоко и подробно.