Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
73
Добавлен:
13.08.2013
Размер:
60.93 Кб
Скачать

Ветер

Человеку, который специально не занимался этим вопросом, сложно даже представить, какое количество энергии попадает на Землю ежеминутно и сколь малую её часть мы используем.

Все возобновляемые источники энергии, кроме приливных и геотермальных, а также все ископаемые источники энергии, имеют солнечное происхождение. Солнце ежечасно излучает на Землю 174 423 000 000 000 киловатт энергии. Другими словами, Земля получает от Солнца 174 423 000 000 000 000 ватт энергии каждый час. Около 2 процентов солнечной энергии конвертируется в ветровую энергию. Это в 100 раз больше, чем количество энергии превращаемое в биомассу всех растений на Земле.

Причины образования ветра

Разница температур

Экваториальные области нагреваются солнцем гораздо сильнее чем остальные части земного шара. Эти нагретые области показаны красным, оранжевым и желтым цветом на фотографии поверхности океана в инфракрасном диапазоне. Фоторграфия сделана со спутника НАСА в июле 1984 года.

Тёплый воздух, который легче холодного, поднимается вверх, на высоту около 10 километров и начинает двигаться к Северному и Южному полюсам. Если бы земной шар не вращался, тёплый воздух достиг бы полюсов, охладился и вернулся на экватор.

Сила Кориолиса

В связи с тем, что земной шар вращается, любое движение в северном полушарии отклоняется вправо, если мы смотрим на него с нанашей позиции. Соответственно, в южном полушарии отклоняется влево. Эта искривляющая сила носит название сила Кориолиса, в честь французского математика Густава Кориолиса (1792-1843).

Продемонстрируем это на примерах. Рассмотрим красный конус, двигающийся на юг в направлении своей вершины. Вверху мы видим вращение земли, т.к. камера зафиксирована на удалении от шара. Конус движется прямо к Южному полюсу.

Ниже мы видим ту же ситуацию, но с точки зрения камеры зафиксированной на шаре.

Рассмотрим ту же ситуацию, со стороны Северного полюса. Камера зафиксирована на шаре и поэтому вращается всесте с ним. Внимательно присмотревшись, Вы видите, что красный конус поворачивает по кривой в правую сторону от направления своего движения. причина, по которой мы видим это искривление в том, что камера закреплена на шаре.

Ниже Вы видите, как это выглядит с точки зрения камеры зафиксированной вне шара.

Сила Кориолиса, хорошо видимый нам феномен. Поезда движутся на запад быстрее, чем на восток. Русло реки с одной стороны глубже, чем с другой.

В северном полушарии ветер стремится вращаться против часовой стрелки вокруг области низкого давления, в южном полушарии наоборот - по часовой стрелке.

Таким образом, нагретый воздух поднимается в экваториальной области и движется в сторону полюсов в верхних слоях атмосферы. Около 30 градусов широты в обоих полушариях, сила Кориолиса останавливает дальнейшее движение воздуха. На этой широте формируется область высокого давления и воздух начинает опускаться вниз. Так как на экваторе формируется область низкого давления, за счёт нагретого воздуха, поднимающегося вверх, сюда начинает перетекать охлаждённый воздух с Северного и Южного полюсов.

Имея ввиду искривляющую силу Кориолиса ма имеем следующую картину основных направлений ветров на разных широтах.

Широта

90-60°N

60-30°N

30-0°N

0-30°S

30-60°S

60-90°S

Направление

NE

SW

NE

SE

NW

SE

Размер атмосферы значительно преувеличен на картинке вверху ради наглядности. В реальности атмосфера имеет высоту около 11 км или 1/1200 диаметра Земли. Верхний слой атмосферы носит название тропосферы и здесь формируется вся погода и так называемый парниковый эффект в том числе.

Знание основных направлений ветров очень важно для правильного расположения ветровых турбин, т.к. они должны располагаться в местах с минимальным количеством препятствий со стороны основных ветров.

Атмосфера

Атмосфера покрывает Землю очень тонким слоем. Диаметр земного шара около 12 000 км,

верхний слой атмосферы - тропосфера, лежит на высоте около 11 км. Для наглядности это изображено на рисунке справа. Протяженность островов около 300 км и для сравнения Вы видите толщину атмосферы над ними. Можно привести другой наглядный пример: если представить Землю в виде шара диаметром 1,2 метра, то толщина атмосферы будет 1 мм.

Ветры, которые формируются в верхних слоях атмосферы, носят название геострофических. Они превалируют на высотах выше 1 километра на уровнем моря и относятся к категории глобальных ветров.

Местные ветры

Кроме глобальных ветров, формирующих погоду, для целей ветроэнергетики большое значение имеет знание местных ветров, которые характерны для каждого региона.

Морской бриз

Земля прогревается днем солнцем гораздо быстрее, чем море. Поэтому воздух над нагретым берегом начинает подниматься вверх и как следствие понижать атмосферное давление. В результате на берег устремляются массы прохладного воздуха со стороны моря и морской бриз дует до тех пор, пока не сравняется давление. С наступлением темноты температура берега и моря сравнивается и морской бриз прекращается. Ночью происходит противоположный процесс. Берег остывает гораздо быстрей чем море и теперь над морем формируется область низкого давления и ночью начинается береговой бриз.

Наглядный пример широкомасштабного морского бриза - муссоны Юго-Восточной Азии

Горные ветры

Другая разновидность местных ветров - горные ветры.

Горные районы демонстрируют много различных вариантов влияния на климат и в частности на формирование местных ветров. Наиболее яркий пример - долинный ветер, который формируется на южно-ориентированных склонах (северно-ориентированных в южном полушарии). Когда воздух у поверхности склона нагревается, плотность его падает и он начинает подниматься вверх к вершине склона. Ночью направление ветра меняется на противоположное. Если долина имеет крутые склоны, то формируется т.н. каньонный ветер, который днем дует вверх по долине, а ночью вниз.

Таким образом, для наиболее эффективного расположения ветроэлектростанции необходимо детально изучить ветровую карту региона и провести тестирование площадок путём установки измерительных мачт. Современные методы позволяют проводить непрерывный мониторинг ветровой обстановки со всех площадок одновременно с получением данных на компьютер посредством модема.

Направление и скорость  ветра  характеризуются  вектором.  Направление ветра измеряется в градусах, а скорость в метрах в секунду или в километрах в час (1 м/сек = 3,6 км/ч).  В метеорологии направление ветра  обозначается точкой горизонта, откуда дует ветер (северный  ветер  дует  с  севера).  Во флоте  и  самолетовождении  направлением  ветра  называется  направление,  в котором движутся воздушные массы (северный ветер дует на север).  

Шкала ветра и волнения моря по Бофорту.

Сила  ветра

Волнение

Скорость

Обозначение сил

Признаки на берегу и на море (Обозначение волнения)

баллы

баллы

м/сек

мили/ч

0

0

0-0.5

0-1

Штиль

Дым поднимается вертикально. (Поверхность моря совершенно гладкая.)

1

1

0.5-1.5

1-3

Едва тянет

Дым едва откланяется, судно едва управляется. (Совершенно спокойное море.)

2

2

1.5-3

3-6

Легкий

Ветер едва ощущается лицом. (Спокойное море.)

3

3

3-5

6-10

Слабый

Вымпел и листья шевелятся. (Легкое волнение.)

4

4

5-7

10-14

Умеренный

Вымпел растягивается. Веточки приходят в движение. (Ровная волна, изредка барашки.)

5

5

7-10

14-20

Свежий

Ветер чувствуется рукой, сучья движутся. (Море покрыто барашками.) 

6

6

10-12

20-24

Сильный

Водная пыль срывается ветром с гребней, деревца гнутся.  (Барашки срываются ветром.)

7

7

12-14

24-28

Очень сильный

Волны становятся вогнутыми, и гребни срываются, деревья гнутся до корней. (Между крупной волной мелкие с барашками) 

8

7

14-17

28-34

Бурно

Человек не может говорить против ветра, чтобы идти, нужно нагибаться против ветра, большие деревья гнутся. (Сильное волнение, летит водяная пыль)

9

8

17-20

34-40

Буря

Большие деревья гнутся. (Очень сильное волнение)

10

8

20-24

40-48

Шторм

Ломает деревья. (Очень сильное волнение)

11

9

24-30

48-49

Очень сильный шторм

Сносит крыши. (Очень сильное волнение)

12

9

30 и выше

60 и выше

Ураган

Большие разрушения. (Очень сильное волнение)

В верхней тропосфере  и  нижней  стратосфере  обнаружены  относительно узкие  и  более  или  менее  горизонтальные  зоны  весьма  сильных  ветров, простирающихся на сотни километров в длину и несколько километров в высоту. Эти потоки получили название струйных течений. Минимальная скорость вдоль оси струйных течений принимается равной  30 м/сек.  На территории  России  (и  сопредельных  стран)  скорость  ветра в струйных течениях достигает 100-200  км/ч  (иногда  -  до  350  км/ч),  над Атлантикой и Западной Европой - 300-400 км/ч,  над  США  -  450  км/ч,  над Японией - 550 км/ч. Возникновение струйных течений связано с наличием в атмосфере больших горизонтальных градиентов  температуры.  (При  обычном  же  ветре  движение воздуха вызывает разность давлений - горизонтальный барический градиент).

К фронтальным течениям (связанным с атмосферными  фронтами) относятся струйное  течение  умеренных  широт,  связанное  с  полярным  фронтом,  и арктическое струйное течение, связанное с арктическим  фронтом.  Ветры  во фронтальных струйных течениях в основном  имеют  направление  с  запада  на восток, но на отдельных участках могут  значительно  откланяться  от  этого направления (на  север,  северо-запад,  юго-запад  и  юг).  В  среднем  ось фронтального  струйного  течения  располагается  на  1-2  км.  ниже  уровня тропопаузы (промежуточного слоя между тропосферой  и  стратосферой.  Нижняя граница тропопаузы в полярных областях располагается на высоте  8-9  км,  в тропиках - на высоте 16-18 км).

В областях фронтальных струйных течений наблюдаются  либо  безоблачная погода, либо  облака  верхнего  и  среднего  яруса,  имеющие  специфические быстроменяющиеся формы.  Такие облака в умеренных и северных широтах  могут наблюдаться на высотах  4,5-12  км.  Наиболее  часто  наблюдаются  перистые облака в виде длинных полос, перисто-кучевые облака, разбросанные  по  небу отдельными пятнами, высоко-кучевые облака  в  виде  валов,  располагающихся перпендикулярно к струйному потоку.  Перемещаются такие  облака  с  большой скоростью, движение их хорошо заметно невооруженным глазом.

К  бесфронтальным  струйным  течениям  (не  связанным  с  атмосферными фронтами)  относятся,  имеющие   западное    направление,    субтропическое тропосферное струйное течение и полярное стратосферное течение.

Субтропическое тропосферное струйное течение наблюдается  между  20  и 35 градусами с.ш. на высотах 12-14 км и зимой может опоясывать весь земной шар.  Его ширина может достигать 1000 км. Средняя скорость вблизи оси струи достигает 200-300 км/ч (максимальная - 400-500 км/ч и более). Летом субтропическое струйное течение сильно ослабевает и  наблюдается лишь местами, а его ось перемещается на 1000-1500 км к северу.

Полярное стратосферное струйное течение наблюдается на  высотах  20-25 км зимой вблизи Полярного круга. Его средняя скорость составляет 150 км/ч. Струйные  течения  возникают  над  всей  территорией   экс-СССР,    но повторяемость  их  различна.  В  холодную    половину    года    наибольшая повторяемость струйных течений происходит над Европейской частью экс-СССР и вдоль южных границ Азиатских республик.

Атмосфера является очень подвижной средой.  Движение  частиц  воздуха, носящее  беспорядочный   вихревой    характер,    называется    атмосферной турбулентностью.  Возмущение, вызванное в воздушных массах под воздействием турбулентности, бывает самых различных размеров:  от  миллиметров  до  сотен километров.

Ураганы, циклоны, тайфуны, штормы, смерчи, бури.

Эта ЧС вызвана движением воздушных масс с большой скоростью. Скорость ветра при урагане 30 – 40 м/с, при шторме 20 – 30 м/с, при буре 15 – 30 м/с, при тайфуне более 50 м/с. Циклоны и тайфуны сопровождаются ливневыми дождями. Смерч – вихревое движение воздуха с огромной скоростью, иногда превышающую скорость звука, имеющее вид темного столба диаметром от нескольких десятков до сотен метров. Ураганный ветер разрушает прочные и сносит легкие строения, опустошает поля, обрывает провода, валит столбы и вырывает с корнями деревья, топит суда, повреждает транспортные средства.

Получив штормовое предупреждение, необходимо:

- закрыть окна, двери, чердачные помещения;

- с балконов и лоджий убрать все, что может быть сброшено ураганом;

- выключить газ, потушить огонь в печах, подготовить фонари, свечи, лампы;

- дома занять внутреннюю комнату, подальше от окон;

- запастись водой, продуктами, держать радиоточку, телевизор, приемник включенными;

- на открытой местности укрыться в канаве, яме, овраге;

- укрыться в защитном сооружении;

  • подготовить медикаменты и перевязочные материалы.

  • Причины образования цунами

  • Существует несколько причин возникновения волн цунами. В большинстве случаев цунами вызываются подводными землетрясениями.

  • При землетрясении под водой образуется вертикальная трещина и часть дна опускается. Дно внезапно перестает поддерживать столб воды, лежащий над ним. Поверхность воды приходит в колебательное движение по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, - среднему уровню моря, и порождает серию волн.

  • Фактически водная поверхность может опуститься всего на несколько метров, но в глубоком океане масса такой потерявшей опору колонны воды огромна. Когда сброс дна прекращается, эта колонна находит себе новый, более низкий "пьедестал" и таким движением рождает волны с высотой, эквивалентной расстоянию, на которое переместилась эта колонна.

  • Подвижка при землетрясениях имеет высоту обычно порядка 50 см, но по площади огромна - десятки квадратных километров. Поэтому возбуждаемые волны цунами имеют маленькую высоту и очень большую длину, эти волны несут колоссальный запас энергии.

  • Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Если очаг землетрясения лежит неглубоко под дном океана (10-60 км), землетрясение обладает большой силой (более 7.8 по шкале Рихтера), то возникновение цунами почти совершенно неизбежно.

  • Причиной возникновения цунами может быть оползень. Цунами такого типа возникают довольно редко. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 900 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты 600 м. Подобного рода случаи весьма редки и, конечно, не рассматриваются в качестве эталона.

  • Другим источником цунами могут служить вулканические извержения. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются кальдеры, которые моментально заполняются водой, в результате чего возникает длинная и невысокая волна. Классический пример - цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году. Огромные цунами от вулкана Кракатау наблюдались в гаванях всего мира и уничтожили в общей сложности 5000 кораблей, погибло 36 тысяч человек.

  • В наш век атомной энергии у человека в руках появилось средство вызывать по своему произволу сотрясения, раньше доступные лишь природе. В 1946 году США произвели в морской лагуне глубиной 60 м подводный атомный взрыв с тротиловым эквивалентом 20 тыс. тонн. Возникшая при этом волна на расстоянии 300 м от взрыва поднялась на высоту 28.6 м, а в 6.5 км от эпицентра еще достигала 1.8 м. Эксперименты дали возможность установить, какой именно гребень бывает наибольшим, а какой - наименьшим.

  • Картина распространения цунами достаточно сложна, ведь скорость волны цунами определяется глубиной океана и потому на всем пути является переменной. Одни части волнового фронта опережают другие, фронт теряет кольцевую форму, изгибается, иногда даже ломается. Волны начинают пересекать друг друга. От берегов происходит отражение. Отраженные волны накладываются на прямые - интерфируют. Возникает сложная картина движения цунами. Поэтому, помощниками ученых в борьбе с цунами стали электронные вычислительные машины. Во многих университетах мира на основе законов гидродинамики составлены программы для математического моделирования катастрофических цунами. При помощи таких моделей рассчитывается множество вариантов появления и поведения катастрофическкой волны, ее скорости, уровня, трения в зависимости от рельефа местности и других параметров.