Турбулентность в атмосфере

 

Вследствие неравномерности распределения давления в атмосфере ее воздушные массы перемещаются в горизонтальном направлении, вызывая ветер.

Скорость ветра и его направление непрерывно изменяются. Средние значения скорости ветра составляют 5–10 м/с, но могут достигать 50 м/с и более. В верхних слоях атмосферы в струйных течениях скорость ветра может превышать 100 м/с.

Перемещение воздуха в атмосфере носит турбулентный характер. Сущность явления турбулентности заключается в том, что в массе воздуха, находящейся в движении, образуются вихревые потоки. Эти вихри вызывают хаотические колебания характеристик движущихся масс воздуха, т.е. их скорости, направления, температуры, давления и плотности. Одним из источников возникновения турбулентности является различие скоростей ветра в смежных слоях. Особенно велика турбулентность в нижних слоях тропосферы: в приземном слое высотой 50–100 м и в слое трения, простирающемся до высоты 1000–1500 м. Турбулентность, вызываемая разностью скоростей в смежных слоях, называется динамической.

Кроме горизонтальных перемещений воздушных масс, в атмосфере присутствуют и вертикальные перемещения. Скорости вертикальных перемещений значительно ниже горизонтальных. В обычных условиях вертикальные перемещения измеряются в сантиметрах в секунду. Развитие этих перемещений связано с наличием архимедовой или гидростатической силы. Воздух, более теплый у земной поверхности и, следовательно менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, а более холодный опускается на его место.

Вертикальные перемещения воздуха называются конвекцией. При слабом развитии конвекция носит беспорядочный турбулентный характер. Однако, при развитой конвекции, над отдельными участками разогретой земной поверхности возникают мощные восходящие и нисходящие токи воздуха, достигающие стратосферы. Вертикальная скорость в таких восходящих потоках, называемых термиками, может достигать 20–30 м/с. Нисходящие потоки обычно менее интенсивны, но охватывают на много большие площади.

Развитие конвекции до больших высот приводит к образованию облаков конвекции, т.е. кучевых и кучево-дождевых, появление которых нередко сопровождается грозами. Такой вид турбулентности называется термической турбулентностью.

Турбулентность вызывает сильное перемешивание воздуха, особенно в вертикальном направлении. Турбулентное перемешивание в десятки и тысячи раз превышает молекулярное перемешивание или молекулярную диффузию.

Турбулентная диффузия приводит к распространению в атмосфере тепла и влаги в вертикальном направлении. Следствием турбулентности является перенос количества движения сверху вниз, что приводит к некоторому выравниванию распределения скорости ветра по высоте. Количество движения определяется выражением , где m – масса воздуха, v – скорость движения этой массы.

Поскольку в более высоких слоях атмосферы скорость ветра больше,

чем вблизи земной поверхности, то при перемешивании массы воздуха, имеющие более высокие скорости, перемещаются на нижние уровни, в результате чего возникает турбулентное трение.

Помимо основных компонентов в состав воздуха входят переменные части: водяной пар, двуокись углерода, озон, а также различные примеси, т.е. мельчайшие твердые и жидкие частицы, называемые, аэрозолями. Количество любой субстанции, примеси в воздухе какой-либо переменной его части или иного его свойства характеризуется ее удельным содержанием s, т.е. массовой долей субстанции.

В процессе турбулентного объемами воздуха любая, содержащаяся в воздухе субстанция, распространяется в том направлении, в котором она убывает. Изменение субстанции на единицу расстояния называется ее градиентом. В атмосфере убывание субстанции обычно наблюдается в направлении снизу вверх.

Количественной характеристикой турбулентного обмена является поток субстанции, т.е. количество субстанции, переносимой через единицу площади в единицу времени.

В соответствии с теорией, переносимая в процессе турбулентного обмена субстанция, должна удовлетворять следующим условиям:

1. Количество субстанции в индивидуальной частице воздуха в процессе ее движения, пока она не смешалась с окружающим воздухом, должно сохраняться неизменным.

2. При смешении двух масс воздуха должно сохраняться общее количество субстанции.

3. Субстанция должна быть пассивной примесью, т.е. не оказывать влияния на турбулентное движение.

При соблюдении этих условий поток субстанции пропорционален градиенту массовой доли субстанции. В случае переноса субстанции по вертикали ее поток может быть выражен формулой

 

, (1.28)

 

где: S_в – вертикальный перенос субстанции;

– вертикальный градиент субстанции;

А – коэффициент турбулентного обмена, зависящий от атмосферных условий и характера подстилающей поверхности.

 

Турбулентный перенос тепла в атмосфере носит более сложный характер. Вследствие сжимаемости воздуха и непрерывно происходящих в его толще адиабатических изменений его температуры, о направлении переноса тепла нельзя судить по направлению градиента температуры. При сухоадиабатическом процессе сохраняющейся характеристикой теплового состояния воздушной массы является ее потенциальная температура. В этом случае поток тепловой энергии определяется выражением

 

(1.29)

 

где: с_p – удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

– вертикальный градиент потенциальной температуры.

 

В соответствии с приведенной формулой вертикальный поток тепла равен 0, если , т.е. при вертикальном градиенте температуры в атмосферном столбе .

В наиболее распространенном случае, когда имеет место рост потенциальной температуры с высотой, что происходит при , поток тепла будет направлен вниз. Тепловой поток в этом направлении возрастает в изотермическом слое и, в еще большей степени, в слое инверсии. Только в том случае, если перенос тепла направлен снизу вверх. Такая ситуация в атмосфере наблюдается крайне редко.

Из изложенного выше текста следует вывод, что турбулентный поток тепла в основном направлен вниз, т.е. от атмосферы к поверхности Земли. Однако, наблюдения показывают, что температура земной поверхности в среднем выше, чем температура воздуха над ней. В этом случае тепло должно передаваться от поверхности Земли в атмосферу, что фактически и имеет место.

Кажущееся противоречие объясняется тем, что при больших градиентах температуры, т.е., если коэффициент турбулентного обмена A очень велик. В результате направленные вверх потоки тепла существенно больше, чем направленные вниз, которые наблюдаются чаще.