Термические восходящие потоки

Как говорилось ранее, под действием Солнца поверхность Земли нагревается и нагревает находящийся над ней воздух.

Нагревшийся воздух поднимается вверх, образуя термические потоки (термики). Наиболее мощные термические потоки наблюдаются летом после полудня при хорошем прогреве земли. По мере удаления потока от земли он охлаждается.

Поток прекращает свое существование, когда температура воздуха в нем сравнивается с температурой окружающей среды. Именно благодаря освоению ТВП для пилотов безмоторных СЛА (сверхлегких летательных аппаратов) стали возможны длительные маршрутные полеты протяженностью в сотни километров.

Рис. 118. Вращаясь, словно в карусели, аппараты набирают высоту в термике

Условием возникновения термических потоков является нестабильность нижних слоев атмосферы. Выясним, в каком случае атмосфера считается стабильной, а в каком нет.

Воздух является очень плохим проводником тепла. Поэтому достаточно большой объем воздуха, обладающий одной температурой и перемещающийся в атмосфере с другой температурой, практически не отдаст тепло и не получает его от окружающей среды. Если частица воздуха поднимается, давление в ней уменьшается. Это приводит к уменьшению ее температуры.

И наоборот, если частица воздуха опускается, давление и ее температура увеличиваются. В приземных слоях атмосферы поднятие частицы воздуха на 100 м приводит к уменьшению ее температуры примерно на 1 °С (см. рис. 119).

Рис. 119. Изменение температуры воздуха с повышением высоты

Представим себе слой атмосферы, в котором вертикальное убывание температуры меньше, чем 1 °С на 100 м. Пусть на высоте 100 м температура воз, равна 15°С, а на высоте 300 м - 14 °С.

Если каким-либо образом «толкнуть» частицу воздуха с высоты 100 м, так, чтобы она поднялась до высоты 300 м, то ее температура уменьшится на 2° и станет равна 13 °С. Частица будет холоднее окружающей среды и, следовательно, более плотной. Поэтому она снова опустится на свой исходный уровень. Такой слой воздуха называется стабильным (см. рис. 120).

Рис. 120. Пример стабильного слоя атмосферы

Очевидно, что если частица воздуха вдруг со своего уровня опустится вниз, то в результате роста давления ее температура повысится и окажется больше температуры соседних слоев воздуха. Это приведет к подъему частицы и ее возвращению на исходную высоту.

В нижних слоях атмосферы с увеличением высоты температура воздуха обычно уменьшается, но порой встречаются слои, в которых с высотой температура не изменяется или даже увеличивается. Такие слои называются изотермическими и инверсионными. Они исключительно стабильны. Механизм образования инверсий будет разобран позже.

Теперь разберем ситуацию, когда вертикальное убывание температуры происходит быстрее, чем 1° на 100 м высоты. Пусть температура воздуха на высоте 100 м равна 15 °С, а на высоте 200 м - 13 °С. Стартовавшая с высоты 100 м частица воздуха будет иметь температуру 14 °С на высоте 200 м. Эта температура будет больше температуры окружающего слоя атмосферы.

В результате частица воздуха продолжит движение вверх. Такой атмосферный слой называется нестабильным (см. рис. 121).

Рис. 121. Пример нестабильного слоя атмосферы

В нестабильном слое случайно переместившиеся вверх частицы оказываются теплее окружающего воздуха, и их восходящее движение продолжается. Очевидно, что если частица воздуха вдруг со своего уровня опустится вниз, то ее температура, хотя и увеличится, все равно будет меньше температуры соседних слоев воздуха. Это приведет к продолжению ее нисходящего движения.

Атмосфера состоит из последовательности стабильных и нестабильных слоев. Термические потоки образуются в нестабильных слоях и блокируются стабильными (в частности, инверсионными).

Рис. 122. Блокирование подъема дыма инверсионным слоем

Вообще говоря, в атмосфере редко встречаются нестабильные слои. Убывание температуры обычно соответствует адиабатическому: около 1° на 100 м высоты. Но, если определить некоторую среднюю температуру, для нулевой высоты (например, 20 °С), то на отдельных участках, более благоприятных для прогрева, температура может оказаться выше средней (например, 22 °С).

Именно в таких местах и зарождаются термические потоки. Воздух, стартовавший от земли с температурой 22 °С, будет подниматься, сохраняя разницу в 2° с окружающими слоями, до тех пор пока не встретит блокирующий стабильный слой. Стабильность и нестабильность атмосферы можно легко определить по ряду признаков.

Примечание: адиабатическими называют процессы, происходящие без теплообмена с окружающей средой.

Термическая активность имеет ярко выраженный суточный цикл. Ночью не подогреваемая солнцем земля теряет тепло путем излучения. Охлаждение земли передается самым нижним слоям атмосферы, в то время как более высокие слои охлаждаются слабо. Максимальное охлаждение достигается к рассвету.

Рис. 123. Признаки стабильности и нестабильности атмосферы

В это время при удалении от земли на расстояние нескольких сотен метров температура будет увеличиваться. Далее она начинает понижаться как обычно. Таким образом, за ночь у земли создается устойчивый инверсионный слой, в котором термические потоки невозможны.

Такая инверсия проявляется тем сильнее, чем более ясной была ночь. Это объясняется тем, что при наличии облаков потери тепла землей уменьшаются, т.к. часть излученного землей тепла, отражаясь от облаков, возвращается обратно.

После восхода солнце начинает подогревать землю. Происходит это очень неравномерно. Над наиболее нагретыми участками начинают формироваться термические потоки. Сначала эти потоки слишком слабы для их использования пилотами СЛА, но они постепенно разрушают образовавшуюся за ночь приземную инверсию.

После разрушения ночной инверсии термическая активность быстро нарастает. Максимум ее интенсивности достигается к середине второй половины дня (около 15 ч).

Ближе к вечеру температура воздуха у земли начинает медленно уменьшаться. Потоки становятся более слабыми и широкими (мягкими). Расстояния между ними увеличиваются. Постепенно, по мере приближения заката солнца все потоки исчезают. Эти предвечерние часы являются наиболее благоприятными для организации первых учебных выпариваний в термических потоках.

Можно очень легко смоделировать образование ТВП в домашних условиях. Для этого следует взять емкость возможно больших размеров и заполнить ее водой. После того как вода успокоится, на дно емкости через тонкую трубку влейте еще немного воды, подкрашенной какой-либо краской, но так, чтобы она не перемешалась с основной массой. Затем начните ее медленно подогревать. Нагреваясь, нижний подкрашенный слой будет подниматься вверх, образуя термит. Холодная (неокрашенная) вода станет опускаться на дно, имитируя нисходящие потоки.

В центре термика находится восходящий поток. По периферии - нисходящие. Если воздух достаточно влажный, то вершину ТВП может венчать кучевое облако (см. рис. 124). Впрочем, ТВП не всегда завершается образованием облака. Тогда его следует искать по другим признакам. Способы обнаружения ТВП будут разобраны позже.

Рис. 124. Структура ТВП:
1 - облако на вершине ТВП; 2 - область восходящих потоков; 3 - область нисходящих потоков; 4 - область формирования ТВП

Поднимающийся в ТВП воздух сносится ветром. Поэтому в полете его нужно искать не над местом возможного образования, а несколько в стороне по ветру. Следует отметить, что мощные термики часто закручивают поднимающийся воздух. В Северном полушарии воздух закручивается против часовой стрелки, в Южном - по часовой стрелке (как в циклоне).

Можно рассчитывать на лучший подъем аппарата, если он вращается против потока (в Северном полушарии правая спираль). Это объясняется тем, что в таком случае аппарат движется относительно земли медленнее и для его удержания в потоке нужен меньший угол крена (см. рис. 125).

Рис. 125. Закручивание воздуха в ТВП в Северном полушарии (вид сверху)

В условиях реального полета не стоит рассчитывать на вход в термические потоки только против их вращения, т.к. заранее определить точные местоположения потоков обычно не представляется возможным. Но при обработке уже найденного потока полезно ставить аппарат в правую спираль (в Северном полушарии) для увеличения скорости набора высоты.

В средних широтах на равнине ТВП дают восходящую скорость в среднем 2 м/с, но максимальные наблюдаемые значения могут составлять около 7 - 8 м/с.

Значительно чаще регулярных (непрерывных) термиков в природе встречаются тепловые пузыри (ТП). Они возникают при недостаточной подпитке ТВП нагревающимся у земли воздухом или если ТВП разрывается меняющимся по высоте ветром.

Пузыри больших размеров можно использовать для набора высоты. Но они становятся практически бесполезны, если начинают дробиться и возникает беспорядочное кипение. В этом случае ТП могут начать представлять опасность как источники турбулентности (см. рис. 126).

Рис. 126. Образование тепловых пузырей

Термические потоки следует искать над участками земной поверхности, подвергающимися наибольшему прогреву солнцем. Прежде всего это каменистые россыпи, песок, сухие поля, обращенные к солнцу склоны холмов. При поиске потоков над склонами полезно учесть, что вогнутые склоны нагревают воздух быстрее выпуклых (см. рис. 127).

Рис. 127. Области быстро нагреваемого воздуха над склонами холмов

При условии неустойчивости приземного воздуха даже небольших размеров пригорки и лесозащитные полосы могут стать своего рода генераторами термиков. Объясняется это тем, что если гонимый ветром перегретый слой приземного воздуха наталкивается на бугор или стену деревьев, то, обтекая их, он начинает подниматься вверх.

Получив от наземного препятствия вертикальный импульс, воздух часто продолжает свой подъем, образуя ТВП (см. рис. 128).

Рис. 128. Формирование ТВП у пригорков

Над возвышенностями и плоскогорьями термическая активность обычно несколько выше, чем в долине. Это объясняется тем, что над возвышенностями слой атмосферы тоньше, рассеивание солнечных лучей меньше и, следовательно, прогрев поверхности сильнее.

Кроме того, воздух на высоте холоднее воздуха в долине. Совместное действие этих факторов ведет к увеличению температурных контрастов и усилению неустойчивости атмосферы.

Природа, как известно, не терпит пустоты. Если в одних местах воздух поднимается, то в других он будет опускаться. Наиболее сильные нисходящие потоки формируются над холодными участками местности. Это, в первую очередь, низины, особенно если по их дну протекают ручьи. Холодными будут озера, реки, зеленые (влажные) поля, леса, болота.

Мы определили условия и места образования термических потоков. Теперь рассмотрим признаки, по которым можно распознать активные термики.

Если в штиль на горе на вас вдруг набегает слабый, но быстро крепчающий ветерок или направление ветра начинает быстро меняться, это значит, что где-то рядом начал формироваться термик. А место уходящего наверх нагретого воздуха занимает холодный. Если поток сходит непосредственно под склоном, то для того чтобы успеть его поймать, пилотам СЛА иногда приходится стартовать с попутным ветром (см. рис. 129).

Рис. 129. Сход термика со склона холма:
1 - поднимающийся теплый воздух; 2 - холодный воздух заполняет освобождающееся место

Отличным указателем наличия ТВП являются высоко поднимающиеся дым или пыль (см. рис. 130).

Рис. 130. Определение ТВП по поднимающемуся дыму

В момент входа в ТВП пилот может ощутить теплое дуновение набегающего потока воздуха, а также физически почувствовать, как аппарат начинает подниматься вверх. Однако следует иметь в виду, что все эти ощущения будут возникать только в момент входа в достаточно сильный поток. При обработке слабых потоков и полете на больших высотах пилоту целесообразнее рассчитывать не на свои чувства, а на показания приборов.

Сначала пилоты СЛА использовали авиационные барометрические приборы. Немного позже появилось множество более компактных, легких и несоизмеримо более чутких электронных приборов, созданных специально для полетов на дельтапланах и парапланах (см. рис. 131).

Рис. 131. Приборное оборудование парапланериста

На ТВП может указать пролетающий рядом дельтаплан или параплан, если он вдруг начинает набирать высоту. Поиск термиков по другим парапланам и дельтапланам используется многими пилотами. Если вы взлетаете не первым, то по летящим впереди вас аппаратам можно без труда определить распределение и интенсивность потоков на 10 - 15 км вперед по трассе маршрута.

Птицы больших размеров и веса «чувствуют» термики и активно используют их для набора высоты. Однако при определении термиков по птицам следует помнить о том, что их скорость снижения значительно меньше скорости снижения параплана. Поэтому птицы будут уверенно набирать высоту в таких потоках, которые не смогут удержать параплан.

Для того, чтобы не оказаться раньше времени на земле, прежде чем пристраиваться к какому-нибудь парящему орлу, оцените скорость его набора высоты.

Кучевые облака часто указывают на вершину ТВП. При поиске ТВП по кучевым облакам следует обратить внимание на их форму. На активный ТВП указывает растущее облако с широким основанием и вытянутой вверх вершиной (треугольник с вершиной, направленной вверх).

Если подпитка облака термиком прекратилась, то основание облака становится размытым, а основная его масса сосредоточена в верхней части (треугольник с вершиной, направленной вниз). Искать восходящие потоки под таким облаком не имеет смысла (см. рис. 132).

Рис. 132. Определение термиков по кучевым облакам