рухи: термічна конвекція і турбулентний обмін
Термічна конвекція. До умов необхідним освіти термічної конвекції можна віднести нестійку стратифікацію атмосфери і малу початкову щільність деякого ізольованого об'єму повітря в порівнянні з навколишнім середовищем [5].
Термічна конвекція здійснюється у формі спливаючих ізольованих об'ємів повітря - терміки [6]. Терміки можна розділити на дві групи. Залежно від термічних умов існують ізольовані терміки приблизно сферичної форми з внутрішньою циркуляцією у вигляді вихрових кілець - міхур. До другої групи в залежності від динамічних умов в атмосфері можна віднести вертикальні або похилі струменя або стовпці. Ці струмені або стовпці іноді обертаються, вертикальний розмір яких у 5-10 разів перевищує горизонтальний. Так само існує термик у вигляді об'єднання двох форм - «султан» [5].
Дослідження бульбашок показали, що терміки мають будову, представлене на малюнку 2.3 [10].
Рис. 2.3 - Будова Термика, де а - схема міхура, б - лінії струму в тому ж поднимающемся міхурі
У головній частині Термика (ядро М), що має форму півсфери, сконцентрований перегрітий повітря, що володіє підйомною силою. Тилова частина Термика (турбулентний слід Термика - кільватера зона (КЗ)) являє собою шлейф щодо холодного повітря. Утворюється шлейф внаслідок сильного турбулентного перемішування в головній частині Термика і подальшого часткового змивання повітря з турбулізованного прикордонного шару (зона ерозії (ЗЕ)) в шлейф, при цьому частина повітря втягується всередину Термика [7].
Перемішування з навколишнім середовищем зменшує підйомну силу Термика, і через деякий час його ядро ??повністю руйнується. Однак існує й зворотний процес: через локального зниження тиску в тиловій частині відбувається втягування дрібних терміки всередину спливаючого крупнішого, званого «материнським». У результаті плавучість «материнського» Термика збільшується і спостерігається зростання його геометричних розмірів. Подальші лабораторні дослідження показали, що в головній частині Термика відбувається квазістаціонарне вихрова циркуляція, яка грає стабілізуючу роль, перешкоджаючи повному перемішуванню Термика з навколишнім повітрям. Терміки, які досягли рівня конденсації дають початок конвективним хмарам [5].
Припущення про те, що первинні елементи хмарної конвекції являють собою ізольовані об'єми повітря, висловлено П. А. Молчановим в 1931 році, який вважав, що окремі великі турбулентні вихори (терміки), досягаючи рівня конденсації, дають початок конвективним хмар. Таким чином, термічна (вільна) конвекція починається ні від самої поверхні землі, а в шарі 10-100 метрів над нею. Найбільше значення для виникнення конвективного хмари мають великі терміки, так як вони можуть досягати рівня конденсації і давати тим самим початок купчастих хмар. Фізичне пояснення походження терміки було дано Н. І. Касаткіним в 1915 році, що вважали, що терміки виникають внаслідок сильного нагрівання частини поверхні або всередині самої повітряної маси внаслідок її нестійкого стану - «спонтанний» термик, утворений над нагрітою поверхнею. Внаслідок підйому Термика може об'єднуватися один з одним і тим самим укрупнюватися. Терміки мають різні висоти, аж до декількох кілометрів. Іноді присутність диму, пилу, крапель роблять термик видимим [9].
Тривалість життя терміки різна: від декількох секунд до десятків хвилин. Термік на тепліше навколишнього повітря, швидкість вертикального підйому досягає декількох метрів в секунду [5].
Для побудови кількісної теорії освіти конвективних хмар і опадів велике значення мають експериментальні дослідження конвективних рухів. Вони включають вимірювання швидкості висхідного потоку і її зміни з часом і з висотою над підставою хмари, геометричних розмірів висхідного потоку (форми потоку, його вертикальної і горизонтальної протяжності), різниці температур між повітрям і навколишнім середовищем і т. Д. [7].
Конвективне хмара складається з окремих потоків, які мають форму струменя або міхура. Горизонтальна протяжність областей, зайнятих такими вертикальним і потоками, може становити сотні метрів і, навіть декількох кілометрів, а самі швидкості можуть бути рівними 15-20 і більше [5]. Середні та максимальні розміри висхідних струменів в хмарах і значення швидкості у висхідному потоці, з висотою над підставою хмари були отримані Н. І. Вульфсона за допомогою чутливих малоінерційних термометрів. Результати вказані в таблиці 2.2. З цих даних випливає, що в розвиненому конвективної хмарі переважають висхідні потоки, середній розмір яких дорівнює приблизно 100 метрів, а максимальний досягає 700 метрів [8].
Таблиця 2.2
Середні та максимальні розміри висхідних струменів в хмарах і значення швидкості у висхід...
