Ветер — это естественное движение воздуха или других газов относительно поверхности планеты . Ветры возникают в различных масштабах: от грозовых потоков, продолжающихся десятки минут, до местных бризов, возникающих в результате нагревания поверхности суши и продолжающихся несколько часов, до глобальных ветров, возникающих в результате разницы в поглощении солнечной энергии между климатическими зонами на Земле . Двумя основными причинами крупномасштабной атмосферной циркуляции являются перепад нагрева между экватором и полюсами и вращение планеты ( эффект Кориолиса ). В тропиках и субтропиках низкие тепловые циркуляции над местностью и высокими плато могут вызывать муссонные циркуляции. В прибрежных районах цикл морской бриз /сухопутный бриз может определять местные ветры; в районах с переменным рельефом могут преобладать горные и долинные бризы.
Ветры обычно классифицируются по пространственному масштабу , скорости и направлению, силам, вызывающим их, регионам, в которых они возникают, и их воздействию. Ветры имеют различные аспекты: скорость ( скорость ветра ); плотность используемого газа; энергетическое содержание, или энергия ветра . В метеорологии ветры часто называют в зависимости от их силы и направления, откуда дует ветер. Соглашение о направлениях относится к тому, откуда дует ветер; следовательно, «западный» или «западный» ветер дует с запада на восток, «северный» ветер дует на юг и так далее. Иногда это противоречит здравому смыслу. Короткие порывы ветра с высокой скоростью называются порывами . Сильные ветры средней продолжительности (около одной минуты) называются шквалами . Длительные ветры имеют различные названия, связанные с их средней силой, например бриз , шторм , шторм и ураган .
В космическом пространстве солнечный ветер — это движение газов или заряженных частиц от Солнца через космос, а планетарный ветер — это выделение легких химических элементов из атмосферы планеты в космос. Самые сильные наблюдаемые ветры на планете Солнечной системы возникают на Нептуне и Сатурне .
В человеческой цивилизации концепция ветра была исследована в мифологии , повлияла на исторические события, расширила возможности транспорта и ведения войны, а также стала источником энергии для механической работы, электричества и отдыха. Ветер обеспечивает плавание парусных кораблей по океанам Земли. Воздушные шары используют ветер для коротких перелетов, а полеты с двигателем используют его для увеличения подъемной силы и снижения расхода топлива. Области сдвига ветра , вызванные различными погодными явлениями, могут привести к опасным ситуациям для самолетов. Когда ветер становится сильным, деревья и искусственные постройки могут быть повреждены или разрушены.
Ветры могут формировать формы рельефа посредством различных эоловых процессов , таких как образование плодородных почв, например, лёсса , и эрозии . Пыль из больших пустынь может переноситься господствующими ветрами на большие расстояния от региона своего источника ; ветрам, которые усиливаются из-за неровной топографии и связаны со вспышками пыли, в различных частях мира были присвоены региональные названия из-за их значительного воздействия на эти регионы. Ветер также влияет на распространение лесных пожаров. Ветры могут разносить семена различных растений, обеспечивая выживание и распространение этих видов растений, а также популяций летающих насекомых и птиц. В сочетании с низкими температурами ветер оказывает негативное воздействие на домашний скот. Ветер влияет на запасы пищи животных, а также на их охотничьи и оборонительные стратегии.
Ветер возникает из-за разницы атмосферного давления, которая обусловлена главным образом разницей температур. Когда существует разница атмосферного давления , воздух перемещается из области с более высоким давлением в область с более низким, что приводит к появлению ветров различной скорости. На вращающейся планете воздух также будет отклоняться под действием эффекта Кориолиса , за исключением точной точки на экваторе. В глобальном масштабе двумя основными движущими факторами крупномасштабных ветровых режимов ( атмосферной циркуляции ) являются разница в нагреве между экватором и полюсами (разница в поглощении солнечной энергии , приводящая к силам плавучести ) и вращение планеты . За пределами тропиков и на высоте из-за воздействия трения о поверхность крупномасштабные ветры имеют тенденцию приближаться к геострофическому равновесию . У поверхности Земли трение приводит к тому, что ветер становится медленнее, чем в противном случае. Поверхностное трение также приводит к тому, что ветер дует сильнее внутрь, в области низкого давления. [1] [2]
Ветры, определяемые равновесием физических сил, используются при разложении и анализе профилей ветра. Они полезны для упрощения уравнений движения атмосферы и для качественного обоснования горизонтального и вертикального распределения горизонтальных ветров. Геострофическая составляющая ветра является результатом баланса между силой Кориолиса и силой градиента давления. Он течет параллельно изобарам и аппроксимирует течение над пограничным слоем атмосферы в средних широтах. [3] Термический ветер – это разница геострофического ветра между двумя уровнями атмосферы. Он существует только в атмосфере с горизонтальными градиентами температуры . [4] Агеострофическая составляющая ветра — это разница между фактическим и геострофическим ветром, который отвечает за то, что воздух «заполняет» циклоны с течением времени. [5] Градиентный ветер похож на геострофический ветер, но также включает в себя центробежную силу (или центростремительное ускорение ). [6]
Направление ветра обычно выражается через направление, откуда он исходит. Например, северный ветер дует с севера на юг. [7] Флюгеры поворачиваются, указывая направление ветра. [8] В аэропортах ветроуказатели указывают направление ветра, а также могут использоваться для оценки скорости ветра по углу зависания. [9] Скорость ветра измеряется анемометрами , чаще всего с использованием вращающихся чашек или пропеллеров. Когда необходима высокая частота измерений (например, в исследовательских целях), ветер можно измерить по скорости распространения ультразвуковых сигналов или по влиянию вентиляции на сопротивление нагретого провода. [10] В другом типе анемометра используются трубки Пито , которые используют перепад давления между внутренней трубкой и внешней трубкой, подвергающейся воздействию ветра, для определения динамического давления, которое затем используется для расчета скорости ветра. [11]
Об устойчивых скоростях ветра сообщается во всем мире на высоте 10 метров (33 фута) и усредняется за 10-минутный период времени. Соединенные Штаты сообщают о ветре со средней продолжительностью более 1 минуты для тропических циклонов [12] и средней продолжительностью в 2 минуты в рамках метеорологических наблюдений. [13] Индия обычно сообщает о ветре продолжительностью в среднем более 3 минут. [14] Важно знать среднее значение выборки ветра, поскольку значение устойчивого ветра в течение одной минуты обычно на 14% больше, чем значение устойчивого ветра в течение десяти минут. [15] Короткий порыв высокоскоростного ветра называется порывом ветра . Одним из технических определений порыва ветра является: максимум, превышающий минимальную скорость ветра, измеренную в течение десятиминутного интервала времени, на 10 узлов (5 м/с). в течение нескольких секунд. Шквал – это увеличение скорости ветра выше определенного порога, продолжающееся минуту и более.
Чтобы определить ветер на высоте, радиозонды определяют скорость ветра с помощью GPS , радионавигации или радиолокационного слежения за зондом. [16] Альтернативно перемещение основного метеозонда можно отслеживать с земли визуально с помощью теодолитов . [17] Методы дистанционного зондирования ветра включают SODAR , доплеровские лидары и радары, которые могут измерять доплеровский сдвиг электромагнитного излучения, рассеянного или отраженного от взвешенных аэрозолей или молекул , а радиометры и радары могут использоваться для измерения шероховатости поверхности океана от космос или самолеты. Шероховатость океана можно использовать для оценки скорости ветра вблизи поверхности моря над океанами. Геостационарные спутниковые снимки можно использовать для оценки ветров над верхней частью облаков на основе того, насколько далеко облака перемещаются от одного изображения к другому. Ветротехника описывает изучение воздействия ветра на застроенную среду, включая здания, мосты и другие искусственные объекты.
Модели могут предоставлять пространственную и временную информацию о воздушном потоке. Пространственную информацию можно получить путем интерполяции данных с различных измерительных станций, что позволяет рассчитывать горизонтальные данные. Альтернативно, для получения вертикальной информации можно использовать профили, такие как логарифмический профиль ветра .
Временная информация обычно вычисляется путем решения уравнений Навье-Стокса в моделях числового прогноза погоды , генерируя глобальные данные для моделей общей циркуляции или конкретные региональные данные. На расчет полей ветра влияют, среди прочего, такие факторы, как разница радиации , вращение Земли и трение. [18] Решение уравнений Навье-Стокса — трудоемкий численный процесс, но методы машинного обучения могут помочь ускорить время вычислений. [19]
Модели численного прогноза погоды значительно продвинули наше понимание динамики атмосферы и стали незаменимыми инструментами в прогнозировании погоды и исследованиях климата . Используя как пространственные, так и временные данные, эти модели позволяют ученым анализировать и прогнозировать глобальные и региональные закономерности ветра, способствуя нашему пониманию сложной атмосферной системы Земли.
Исторически сложилось так, что шкала силы ветра Бофорта (созданная Бофортом ) обеспечивает эмпирическое описание скорости ветра на основе наблюдаемых морских условий. Первоначально это была 13-уровневая шкала (0–12), но в течение 1940-х годов шкала была расширена до 18 уровней (0–17). [20] Существуют общие термины, которые различают ветры различной средней скорости, такие как бриз, шторм, шторм или ураган. По шкале Бофорта скорость ураганного ветра варьируется от 28 узлов (52 км/ч) до 55 узлов (102 км/ч), а предшествующие прилагательные, такие как умеренный, свежий, сильный и полный, используются для различения силы ветра в пределах ураганного ветра. категория. [21] Скорость ветра во время шторма составляет от 56 узлов (104 км/ч) до 63 узлов (117 км/ч). [22] Терминология тропических циклонов в разных регионах мира различается. В большинстве океанских бассейнов для определения категории тропического циклона используется средняя скорость ветра. Ниже приводится краткое изложение классификаций, используемых региональными специализированными метеорологическими центрами по всему миру:
Расширенная шкала Фудзиты (шкала EF) оценивает силу торнадо, используя ущерб для оценки скорости ветра. Он имеет шесть уровней: от видимых повреждений до полного разрушения. Он используется в США и некоторых других странах с небольшими модификациями (к числу которых относятся Канада и Франция). [24]
Модель станции , нанесенная на карты погоды на поверхности , использует метку ветра, показывающую как направление, так и скорость ветра. Ветер показывает скорость с помощью «флажков» на конце.
Ветры изображаются дующими с той стороны, куда обращен зазубрин. Поэтому северо-восточный ветер будет изображаться линией, идущей от облачного круга на северо-восток, с флажками, обозначающими скорость ветра на северо-восточном конце этой линии. [26] После нанесения на карту можно выполнить анализ изотах (линий равных скоростей ветра). Изотахи особенно полезны при диагностике местоположения реактивной струи на диаграммах постоянного давления верхнего уровня и обычно располагаются на уровне 300 гПа или выше. [27]
Восточные ветры в среднем доминируют в структуре потока на полюсах, западные ветры дуют в средних широтах Земли, к полюсам субтропического хребта , а восточные ветры снова доминируют в тропиках .
Непосредственно под субтропическим хребтом находятся депрессивные, или конские широты, где ветры слабее. Многие пустыни Земли лежат вблизи средней широты субтропического хребта, где спуск снижает относительную влажность воздушных масс. [28] Самые сильные ветры дуют в средних широтах, где холодный полярный воздух встречается с теплым воздухом из тропиков.
Пассаты (также называемые пассатами) — это преобладающий тип восточных приземных ветров, встречающихся в тропиках по направлению к экватору Земли . [29] Пассаты дуют преимущественно с северо-востока в Северном полушарии и с юго-востока в Южном полушарии. [30] Пассаты действуют как управляющий поток для тропических циклонов , которые формируются над мировым океаном. [31] Пассаты также переносят африканскую пыль на запад через Атлантический океан в Карибский бассейн, а также в некоторые части юго-востока Северной Америки. [32]
Муссон — это преобладающий сезонный ветер, который дует в течение нескольких месяцев в тропических регионах . Этот термин впервые был использован на английском языке в Индии, Бангладеш , Пакистане и соседних странах для обозначения сильных сезонных ветров, дующих со стороны Индийского океана и Аравийского моря на юго-западе, приносящих в этот район проливные дожди. [33] Его продвижение к полюсу ускоряется развитием минимума тепла над азиатским, африканским и североамериканским континентами в период с мая по июль, а также над Австралией в декабре. [34] [35] [36]
Западные ветры или преобладающие западные ветры — это преобладающие ветры в средних широтах между 35 и 65 градусами широты . Эти преобладающие ветры дуют с запада на восток, [37] [38] и управляют внетропическими циклонами таким общим образом. Ветры дуют преимущественно юго-западного направления в Северном полушарии и северо-западного направления в Южном полушарии. [30] Они наиболее сильны зимой, когда давление ниже над полюсами, и наиболее слабы летом и когда давление над полюсами выше. [39]
Вместе с пассатами западные ветры сделали возможным торговый путь для парусных судов, пересекающих Атлантический и Тихий океаны, поскольку западные ветры приводят к развитию сильных океанских течений на западных сторонах океанов в обоих полушариях в результате процесса западных ветров . интенсификация . [40] Эти западные океанские течения переносят теплую субтропическую воду к полюсам, к полярным регионам . Западные ветры могут быть особенно сильными, особенно в южном полушарии, где в средних широтах меньше суши, что приводит к усилению структуры потока, что замедляет ветры. Сильнейшие западные ветры в средних широтах дуют в полосе, известной как « ревущие сороковые» , между 40 и 50 градусами широты к югу от экватора. [41] Западные ветры играют важную роль в переносе теплых экваториальных вод и ветров к западным побережьям континентов, [42] [43] особенно в южном полушарии из-за его огромных океанических пространств.
Полярные восточные ветры, также известные как полярные ячейки Хэдли, представляют собой сухие, преобладающие холодные ветры, которые дуют из областей высокого давления полярных максимумов на северном и южном полюсах в направлении областей низкого давления в пределах западных ветров в высоких широтах. В отличие от западных ветров, эти преобладающие ветры дуют с востока на запад, часто слабые и нерегулярные. [44] Из-за низкого угла наклона солнца холодный воздух накапливается и опускается на полюсе, создавая приземные области высокого давления, вызывая отток воздуха к экватору; В [45] показано, что отток отклоняется на запад под действием эффекта Кориолиса.
В прибрежных регионах морские и сухопутные бризы могут быть важными факторами, определяющими преобладающие в данном месте ветры. Море нагревается солнцем медленнее из-за большей удельной теплоемкости воды по сравнению с сушей. Когда температура поверхности земли повышается, земля нагревает воздух над ней за счет проводимости. Теплый воздух менее плотный, чем окружающая среда, поэтому он поднимается вверх. [46] Более прохладный воздух над морем, теперь с более высоким давлением на уровне моря , течет вглубь страны, где давление ниже, создавая более прохладный бриз у побережья. Фоновый прибрежный ветер либо усиливает, либо ослабляет морской бриз в зависимости от его ориентации относительно силы Кориолиса. [47]
Ночью суша остывает быстрее, чем океан, из-за различий в их удельной теплоемкости. Из-за этого изменения температуры дневной морской бриз утихает. Когда температура на суше опускается ниже температуры на море, давление на воду будет ниже, чем на суше, создавая береговой бриз, пока береговой ветер недостаточно силен, чтобы противостоять ему. [48]
Над возвышенными поверхностями нагрев земли превышает нагрев окружающего воздуха на той же высоте над уровнем моря , создавая соответствующий тепловой минимум над местностью и усиливая любые термические минимумы, которые в противном случае существовали бы, [49] [50] и изменяя Ветровая циркуляция региона. В районах с пересеченной топографией , которая значительно нарушает поток ветра в окружающей среде, циркуляция ветра между горами и долинами является наиболее важным фактором, способствующим преобладающим ветрам. Холмы и долины существенно искажают воздушный поток, увеличивая трение между атмосферой и сушей, действуя как физический блок для потока, отклоняя ветер параллельно диапазону выше по течению от топографии, что известно как барьерная струя . Эта барьерная струя может усилить ветер на малых высотах на 45%. [51] Направление ветра также меняется из-за рельефа местности. [52]
Если в горном хребте есть перевал , ветры будут проноситься через перевал со значительной скоростью из-за принципа Бернулли , который описывает обратную зависимость между скоростью и давлением. Воздушный поток может оставаться турбулентным и неустойчивым на некотором расстоянии с подветренной стороны в более равнинную сельскую местность. Эти условия опасны для взлетающих и снижающихся самолетов . [52] Прохладным ветрам, дующим через горные ущелья, присвоены региональные названия. В Центральной Америке примеры включают ветер Папагайо , Панамский ветер и ветер Теуано . В Европе подобные ветры известны как Бора , Трамонтане и Мистраль . Когда эти ветры дуют над открытыми водами, они усиливают перемешивание верхних слоев океана, в результате чего прохладные, богатые питательными веществами воды поднимаются на поверхность, что приводит к увеличению морской жизни. [53]
В горных районах локальное искажение воздушного потока становится серьезным. Неровный ландшафт в сочетании создает непредсказуемые структуры потоков и турбулентность, например, роторы , над которыми могут располагаться линзовидные облака . Сильные восходящие и нисходящие потоки и водовороты возникают, когда воздух течет над холмами и вниз по долинам. Орографические осадки выпадают на наветренной стороне гор и вызываются восходящим движением крупномасштабного потока влажного воздуха через горный хребет, также известного как восходящий поток, что приводит к адиабатическому охлаждению и конденсации. В горных частях света, подверженных относительно постоянным ветрам (например, пассатам), на наветренной стороне горы обычно преобладает более влажный климат, чем на подветренной или подветренной стороне. Влага удаляется орографическим подъемом, оставляя более сухой воздух на нисходящей и, как правило, теплой подветренной стороне, где наблюдается дождевая тень . [54]
Ветры, проносящиеся над горами и спускающиеся на более низкие высоты, называются нисходящими ветрами. Эти ветры теплые и сухие. В Европе с подветренной стороны Альп они известны как фен . В Польше примером является халный виатр. В Аргентине местное название нисходящих ветров — зонда . На Яве такие ветры называются кембанг. В Новой Зеландии они известны как Северо-Западная арка и сопровождаются облачным образованием, в честь которого они названы, и которое на протяжении многих лет вдохновляло произведения искусства. [55] На Великих равнинах США эти ветры известны как чавычи . Нисходящие ветры также возникают в предгорьях Аппалачей в Соединенных Штатах [56] и могут быть такими же сильными, как и другие нисходящие ветры [57] и необычны по сравнению с другими феновыми ветрами , поскольку относительная влажность обычно меняется мало из-за повышенная влажность исходной воздушной массы. [58] В Калифорнии ветры, дующие вниз по склону, проходят через горные перевалы, что усиливает их воздействие, например, ветры Санта-Ана и закатные ветры. Скорость ветра при нисходящем ветре может превышать 160 километров в час (99 миль в час). [59]
Сдвиг ветра, иногда называемый градиентом ветра , представляет собой разницу в скорости и направлении ветра на относительно небольшом расстоянии в атмосфере Земли. [60] Сдвиг ветра можно разделить на вертикальный и горизонтальный компоненты: горизонтальный сдвиг ветра наблюдается поперек погодных фронтов и вблизи побережья, [61] и вертикальный сдвиг обычно у поверхности, [62] хотя также и на более высоких уровнях в атмосфере. вблизи струй верхнего уровня и фронтальных зон вверху. [63]
Сдвиг ветра сам по себе является микромасштабным метеорологическим явлением, происходящим на очень небольшом расстоянии, но он может быть связан с погодными особенностями мезомасштабного или синоптического масштаба, такими как линии шквалов и холодные фронты . Обычно это наблюдается вблизи микропорывов и ливней , вызванных грозами , [64] погодных фронтов, областей локально более высоких ветров на малых высотах, называемых струями низкого уровня, вблизи гор, [65] радиационных инверсий, которые возникают из-за ясного неба и штилевых ветров, здания, [66] ветряные турбины , [67] и парусники . [68] Сдвиг ветра оказывает существенное влияние на управление самолетом во время взлета и посадки, [69] и является важной причиной авиационных происшествий с большим количеством человеческих жертв в Соединенных Штатах. [64]
На движение звука в атмосфере влияет сдвиг ветра, который может искривлять фронт волны, в результате чего звуки будут слышны там, где они обычно не слышны, или наоборот. [70] Сильный вертикальный сдвиг ветра в тропосфере также препятствует развитию тропических циклонов , [71] но помогает организовать отдельные грозы в более длительные жизненные циклы, которые затем могут привести к суровой погоде . [72] Концепция теплового ветра объясняет, как разница в скорости ветра с высотой зависит от горизонтальной разницы температур, и объясняет существование реактивного течения . [73]
Как природная сила, ветер во многих культурах часто персонифицировался в виде одного или нескольких богов ветра или как выражение сверхъестественного . Вайю — ведический и индуистский бог ветра. [74] [75] Греческие боги ветра включают Борея , Нота , Евра и Зефира . [75] Эол , в различных интерпретациях правитель или хранитель четырех ветров, также описывается как Астреус , бог сумерек, который породил четыре ветра вместе с Эос , богиней рассвета. Древние греки также наблюдали сезонную смену ветров, о чем свидетельствует Башня Ветров в Афинах . [75] Венти — римские боги ветров. [76] Фуджин — японский бог ветра и один из старейших синтоистских богов. По легенде, он присутствовал при сотворении мира и первым выпустил ветры из своего мешка, чтобы очистить мир от тумана. [77] В скандинавской мифологии Ньёрд — бог ветра. [75] Есть также четыре дваргара ( скандинавских карлика ), которых зовут Норри, Судри, Аустри и Вестри , и, вероятно, четыре оленя Иггдрасиля , олицетворяющие четыре ветра и параллельны четырем греческим богам ветра. [78] Стрибог — имя славянского бога ветров, неба и воздуха. Говорят, что он является предком (дедушкой) ветров восьми направлений. [75]
Камикадзе — японское слово, обычно переводимое как божественный ветер, который считается даром богов. Впервые известно, что этот термин использовался как название пары или серии тайфунов, которые, как говорят, спасли Японию от двух монгольских флотов под предводительством Хубилай-хана, напавших на Японию в 1274 году и снова в 1281 году. [79] Протестантский ветер – это название шторма, который удержал испанскую армаду от вторжения в Англию в 1588 году, где ветер сыграл решающую роль, [80] или попутных ветров, которые позволили Вильгельму Оранскому вторгнуться в Англию в 1688 году . [81] Во время египетской войны Наполеона В ходе кампании французским солдатам пришлось нелегко с ветром хамсин : когда буря появилась «как кровавое пятно в далеком небе», османы укрылись, в то время как французы «не реагировали, пока не стало слишком поздно». затем задохнулся и потерял сознание в ослепляющих, удушающих стенах пыли». [82] Во время Североафриканской кампании Второй мировой войны «союзные и немецкие войска несколько раз были вынуждены останавливаться в середине боя из-за песчаных бурь, вызванных хамсином... Песчинки, кружащиеся ветром, ослепляли солдат и создавали электрические помехи, которые сделали компасы бесполезными». [83]
Существует множество различных форм парусных кораблей, но все они имеют некоторые общие черты. За исключением роторных кораблей , использующих эффект Магнуса , у каждого парусного корабля есть корпус , такелаж и по крайней мере одна мачта , поддерживающая паруса , которые используют ветер для приведения корабля в движение. [84] Путешествие по океану на парусном судне может занять много месяцев, [85] и распространенной опасностью является затишье из-за отсутствия ветра, [86] или сбивание с курса сильными штормами или ветрами, которые не позволяют добиться желаемого. направление. [87] Сильный шторм мог привести к кораблекрушению и потере всех рук. [88] Парусные суда могут перевозить в трюме только определенное количество припасов , поэтому им приходится тщательно планировать длительные путешествия , чтобы включить в них соответствующие запасы , включая пресную воду. [89]
Для аэродинамических самолетов, которые летают относительно воздуха, ветер влияет на путевую скорость [90] , а в случае транспортных средств легче воздуха ветер может играть значительную или единственную роль в их движении и путях движения . [91] Скорость приземного ветра обычно является основным фактором, определяющим направление полетов в аэропорту, а взлетно-посадочные полосы аэродрома выравниваются с учетом общего(их) направления(й) ветра в данной местности. Хотя при определенных обстоятельствах взлет при попутном ветре может оказаться необходимым, в целом встречный ветер желателен. Попутный ветер увеличивает требуемую взлетную дистанцию и уменьшает градиент набора высоты. [92]
Древние сингальцы Анурадхапуры и других городов Шри - Ланки использовали муссонные ветры для питания печей еще в 300 году до нашей эры . Печи были построены на пути муссонных ветров, чтобы довести температуру внутри до 1200 ° C (2190 ° F). [93] В первом веке нашей эры для питания органа использовалась элементарная ветряная мельница . [94] Ветряные мельницы были позже построены в Систане , Афганистан , с 7-го века нашей эры. Это были ветряные мельницы с вертикальной осью, [95] с парусами , покрытыми тростниковой циновкой или тканевым материалом. Эти ветряные мельницы использовались для измельчения кукурузы и забора воды, а также в мукомольной и сахарной промышленности. [96] Ветряные мельницы с горизонтальной осью позже широко использовались в Северо-Западной Европе для измельчения муки, начиная с 1180-х годов, и многие голландские ветряные мельницы все еще существуют.
Ветроэнергетика в настоящее время является одним из основных источников возобновляемой энергии , и ее использование быстро растет благодаря инновациям и падению цен. [97] Большая часть установленной мощности ветроэнергетики находится на суше , но морская ветроэнергетика предлагает большой потенциал, поскольку скорость ветра обычно выше и более постоянна вдали от побережья. [98] Энергия ветра — кинетическая энергия воздуха, пропорциональная третьей степени скорости ветра. Закон Бетца описывает теоретический верхний предел того, какую долю этой энергии могут извлечь ветряные турбины, которая составляет около 59%. [99]
Ветер занимает видное место в нескольких популярных видах спорта, включая любительский дельтапланеризм , полеты на воздушном шаре , полеты на воздушных змеях, сноукайтинг , приземление кайтбординга , кайтсерфинг , парапланеризм , парусный спорт и виндсерфинг . При планировании градиенты ветра над поверхностью влияют на фазы взлета и посадки планера . Градиент ветра может оказать заметное влияние на наземные запуски , также известные как запуски с помощью лебедки или запуски по тросу. Если градиент ветра значительный или внезапный, или и то и другое, и пилот сохраняет то же положение по тангажу, указанная воздушная скорость увеличится, возможно, превысив максимальную скорость буксировки наземного запуска. Пилот должен отрегулировать скорость полета, чтобы справиться с эффектом градиента. [100] При приземлении сдвиг ветра также представляет опасность, особенно при сильном ветре. Когда планер снижается под градиентом ветра на конечном этапе захода на посадку, воздушная скорость уменьшается, а скорость снижения увеличивается, и времени для ускорения до контакта с землей недостаточно. Пилот должен предвидеть градиент ветра и использовать более высокую скорость захода на посадку, чтобы компенсировать его. [101]
В засушливом климате основным источником эрозии является ветер. [102] Общая циркуляция ветра перемещает мелкие частицы, такие как пыль, через широкие океаны на тысячи километров по ветру от точки их происхождения, [103] что известно как дефляция. Западные ветры в средних широтах планеты приводят к движению океанских течений с запада на восток по Мировому океану. Ветер играет очень важную роль, помогая растениям и другим неподвижным организмам в распространении семян, спор, пыльцы и т. д. Хотя ветер не является основной формой распространения семян у растений, он обеспечивает распространение большого процента биомассы наземных растений. .
Эрозия может быть результатом перемещения материала ветром. Есть два основных эффекта. Во-первых, ветер заставляет мелкие частицы подниматься и, следовательно, перемещаться в другой регион. Это называется дефляция. Во-вторых, эти взвешенные частицы могут воздействовать на твердые объекты, вызывая эрозию путем истирания (экологическая сукцессия). Ветровая эрозия обычно возникает в районах с небольшой растительностью или без нее, часто в районах, где осадков недостаточно для поддержания растительности. Примером является образование песчаных дюн на пляже или в пустыне. [104] Лёсс представляет собой однородный, обычно нестратифицированный, пористый, рыхлый , слегка связный, часто известковый, мелкозернистый, илистый , бледно-желтый или желтоватый, переносимый ветром (эоловый) осадок . [105] Обычно он представляет собой обширное пластовое отложение, занимающее площади в сотни квадратных километров и мощность в десятки метров. Лёсс часто стоит на крутых или вертикальных склонах. [106] Лёсс имеет тенденцию превращаться в очень богатые почвы. При соответствующих климатических условиях районы с лессом являются одними из самых продуктивных в сельском хозяйстве в мире. [107] Лёссовые отложения геологически нестабильны по своей природе и очень легко разрушаются. Поэтому фермеры часто сажают ветрозащитные полосы (например, большие деревья и кустарники), чтобы уменьшить ветровую эрозию лёсса. [102]
В середине лета (июль в северном полушарии) пассаты, движущиеся на запад к югу от движущегося на север субтропического хребта, расширяются на северо-запад от Карибского моря до юго-востока Северной Америки. Когда пыль из Сахары , перемещаясь по южной периферии хребта в пределах пояса пассатов, перемещается над сушей, количество осадков подавляется и небо меняет свой вид с голубого на белый, что приводит к увеличению количества красных закатов. Его присутствие отрицательно влияет на качество воздуха , увеличивая количество переносимых по воздуху твердых частиц. [108] Более 50% африканской пыли, которая достигает Соединенных Штатов, затрагивает Флориду. [109] С 1970 года вспышки пыли усилились из-за периодов засухи в Африке. Перенос пыли в Карибский бассейн и Флориду из года в год сильно варьируется. [110] Пылевые явления были связаны с ухудшением состояния коралловых рифов в Карибском бассейне и Флориде, в основном с 1970-х годов. [111] Подобные шлейфы пыли возникают в пустыне Гоби , которая в сочетании с загрязняющими веществами распространяется на большие расстояния с подветренной стороны или на восток, в Северную Америку. [103]
Существуют местные названия ветров, связанных с песчаными и пыльными бурями. Калима переносит пыль юго -восточными ветрами на Канарские острова . [112] Зимой Харматтан переносит пыль в Гвинейский залив . [113] Сирокко приносит пыль из Северной Африки в Южную Европу из-за движения внетропических циклонов через Средиземное море. [114] Весенние штормовые системы, движущиеся по восточной части Средиземного моря, вызывают перенос пыли через Египет и Аравийский полуостров , которые местные жители называют Хамсин . [115] Шамаль вызван холодными фронтами, поднимающими пыль в атмосферу в течение нескольких дней в странах Персидского залива . [116]
Распространение семян ветром, или анемохория , является одним из наиболее примитивных способов распространения. Распространение ветром может принимать одну из двух основных форм: семена могут плавать на ветру или, альтернативно, они могут падать на землю. [117] Классические примеры этих механизмов распространения включают одуванчики ( Taraxacum spp., Asteraceae ), у которых к семенам прикреплен перистый хохолок , который может распространяться на большие расстояния, и клены ( Acer (род) spp., Sapindaceae ), которые имеют крылатые семена и порхают на землю. Важным препятствием для распространения ветром является необходимость обильного производства семян, чтобы максимизировать вероятность попадания семян на участок, подходящий для прорастания . Существуют также сильные эволюционные ограничения на этот механизм расселения. Например, виды Asteraceae на островах, как правило, имели меньшую способность к расселению (т.е. большую массу семян и меньший хохолок) по сравнению с теми же видами на материке. [118] Распространение ветром распространено среди многих сорных и рудеральных видов. К необычным механизмам ветрового распространения относятся перекати-поле . Родственным процессу анемохории является анемофилия , то есть процесс, при котором пыльца распространяется ветром. Таким способом опыляются большие семейства растений, что является предпочтительным, когда особи доминирующих видов растений расположены близко друг к другу. [119]
Ветер также ограничивает рост деревьев. На побережьях и в изолированных горах линия деревьев часто намного ниже, чем на соответствующих высотах внутри страны и в более крупных и сложных горных системах, поскольку сильные ветры замедляют рост деревьев. Сильные ветры размывают тонкие почвы посредством эрозии, [120] а также повреждают ветки и ветки. Когда сильный ветер валит или выкорчевывает деревья, этот процесс известен как выброс ветра . Чаще всего это происходит на наветренных склонах гор, при этом тяжелые случаи обычно возникают в древостоях возрастом 75 лет и старше. [121] Прибрежные сорта растений, такие как ситхинская ель и морской виноград , [ 122] обрезаются ветром и солеными брызгами вблизи береговой линии. [123]
Ветер также может нанести вред растениям из-за истирания песка. Сильные ветры подхватывают рыхлый песок и верхний слой почвы и разбрасывают их по воздуху со скоростью от 25 миль в час (40 км/ч) до 40 миль в час (64 км/ч). Такой переносимый ветром песок наносит серьезный ущерб рассаде растений, поскольку он разрушает клетки растений, делая их уязвимыми к испарению и засухе. Используя механический пескоструйный аппарат в лабораторных условиях, ученые из Службы сельскохозяйственных исследований изучили влияние абразивного воздействия песка, переносимого ветром, на всходы хлопка. Исследование показало, что саженцы отреагировали на повреждения, вызванные абразией песка, переключив энергию с роста стебля и корня на рост и восстановление поврежденных стеблей. [124] Через четыре недели рост рассады снова стал равномерным по всему растению, как это было до того, как произошла абразия песка, перенесенная ветром. [125]
Помимо растительных гамет (семен) , ветер помогает и врагам растений: споры и другие размножения фитопатогенов еще легче и способны перемещаться на большие расстояния. [126] Известно, что некоторые болезни растений распространяются по окраинным морям [127] и даже по целым океанам. [128] Люди не способны предотвратить или даже замедлить распространение болезнетворных микроорганизмов растений ветром, поэтому вместо этого требуется прогнозирование и улучшение ситуации. [129]
Крупный рогатый скот и овцы склонны к охлаждению ветром , вызванному сочетанием ветра и низких температур, когда скорость ветра превышает 40 километров в час (25 миль в час), что делает их волосы и шерстяные покровы неэффективными. [130] Хотя пингвины используют как слой жира , так и перья , чтобы защититься от холода как в воде, так и в воздухе, их ласты и ноги менее невосприимчивы к холоду. В самом холодном климате, таком как Антарктида , императорские пингвины сбиваются в кучу , чтобы пережить ветер и холод, постоянно меняя членов группы снаружи собравшейся группы, что снижает потери тепла на 50%. [131] Летающие насекомые , подвид членистоногих , увлекаются преобладающими ветрами, [132] в то время как птицы следуют своим курсом, используя ветровые условия, чтобы либо летать, либо скользить. [133] Таким образом, в тонких линиях на изображениях метеорологических радиолокаторов , связанных со сходящимися ветрами, преобладают возвращения насекомых. [134] Миграция птиц, которая, как правило, происходит ночью в пределах самых низких 7000 футов (2100 м) атмосферы Земли , загрязняет профили ветра, собранные метеорологическим радаром, особенно WSR-88D , из-за увеличения возвратности ветра на 15 узлов (28 км/ч) до 30 узлов (56 км/ч). [135]
Для хранения сухих растений и трав на зиму пищухи используют стену из гальки, чтобы защитить пищу от сдувания. [136] Тараканы используют слабый ветер, который предшествует атакам потенциальных хищников , таких как жабы , чтобы выжить при столкновении. Их церки очень чувствительны к ветру и помогают им пережить половину атак. [137] У лосей острое обоняние, которое позволяет обнаружить потенциальных хищников с наветренной стороны на расстоянии 0,5 мили (800 м). [138] Усиление ветра выше 15 километров в час (9,3 миль в час) сигнализирует полярным чайкам о необходимости активизировать свои поиски пищи и нападения с воздуха на толстоклювых кайр . [139]
Известно, что сильные ветры наносят ущерб в зависимости от величины их скорости и перепада давления. Давление ветра положительное с наветренной стороны сооружения и отрицательное с подветренной стороны. Нечастые порывы ветра могут привести к раскачиванию плохо спроектированных подвесных мостов . Когда порывы ветра имеют такую же частоту, как и раскачивание моста, мост легче разрушить, как это произошло с мостом через пролив Такома в 1940 году. [140] Скорость ветра достигает 23 узлов (43 км/ч). ) может привести к перебоям в подаче электроэнергии из-за того, что ветки деревьев нарушают поток энергии по линиям электропередачи. [141] Хотя ни один вид деревьев не гарантированно выдержит ураганный ветер, деревья с неглубокими корнями более склонны к выкорчевыванию, а хрупкие деревья, такие как эвкалипт , морской гибискус и авокадо , более склонны к повреждению. [142] Ураганные ветры наносят существенный ущерб передвижным домам и начинают разрушать конструкции домов с фундаментом. Известно, что ветры такой силы, вызванные нисходящим ветром за пределами местности, разбивают окна и подвергают пескоструйной очистке автомобили. [59] Когда скорость ветра превышает 135 узлов (250 км/ч), дома полностью разрушаются, а более крупным зданиям наносится значительный ущерб. Полное разрушение искусственных сооружений происходит, когда скорость ветра достигает 175 узлов (324 км/ч). Шкала Саффира -Симпсона и расширенная шкала Фудзиты были разработаны, чтобы помочь оценить скорость ветра по ущербу, причиненному сильными ветрами, связанными с тропическими циклонами и торнадо , и наоборот. [143] [144]
Австралийский остров Барроу является рекордсменом по самому сильному порыву ветра, достигнув скорости 408 км/ч (253 миль в час) во время тропического циклона Оливия 10 апреля 1996 года, превзойдя предыдущий рекорд в 372 км/ч (231 миль в час), установленный на горе Вашингтон (Нью-Гэмпшир ). ) днем 12 апреля 1934 года. [145]
Интенсивность лесных пожаров возрастает в дневное время. Например, скорость горения тлеющих бревен в течение дня увеличивается в пять раз из-за более низкой влажности, повышения температуры и увеличения скорости ветра. [146] Солнечный свет нагревает землю в течение дня и заставляет воздушные потоки перемещаться вверх и вниз по склону ночью, когда земля охлаждается. Лесные пожары раздуваются этими ветрами и часто следуют за воздушными потоками над холмами и долинами. [147] Операции по борьбе с лесными пожарами в США проводятся в рамках 24-часового пожарного дня , который начинается в 10:00 из-за предсказуемого увеличения интенсивности пожаров в результате дневного тепла. [148]
Солнечный ветер сильно отличается от земного ветра тем, что его источником является Солнце, и он состоит из заряженных частиц, вышедших из атмосферы Солнца. Подобно солнечному ветру, планетарный ветер состоит из легких газов, покидающих планетарные атмосферы. В течение длительных периодов времени планетарный ветер может радикально изменить состав планетарных атмосфер.
Самый быстрый ветер, когда-либо зарегистрированный, исходил от аккреционного диска черной дыры IGR J17091-3624 . Его скорость составляет 20 000 000 миль в час (32 000 000 км/ч), что составляет 3% скорости света . [149]
Гидродинамический ветер в верхней части атмосферы планеты позволяет легким химическим элементам, таким как водород , перемещаться до экзобазы , нижнего предела экзосферы , где газы затем могут достичь скорости убегания , выходя в космическое пространство, не затрагивая другие частицы газа. . Этот тип потери газа с планеты в космос известен как планетарный ветер. [150] Такой процесс в течение геологического времени приводит к тому, что богатые водой планеты, такие как Земля, превращаются в планеты, подобные Венере . [151] Кроме того, планеты с более горячей нижней атмосферой могут ускорить потерю водорода. [152]
Солнечный ветер представляет собой не воздух, а поток заряженных частиц — плазму , выбрасываемый из верхних слоев атмосферы Солнца со скоростью 400 километров в секунду (890 000 миль в час). [153] Он состоит в основном из электронов и протонов с энергией около 1 кэВ . Поток частиц меняет температуру и скорость с течением времени. Эти частицы способны преодолевать гравитацию Солнца , отчасти из-за высокой температуры короны [154] , но также и из-за высокой кинетической энергии, которую частицы получают в результате не совсем понятного процесса. Солнечный ветер создает гелиосферу — огромный пузырь в межзвездной среде , окружающей Солнечную систему. [155] Планетам необходимы сильные магнитные поля, чтобы уменьшить ионизацию верхних слоев атмосферы солнечным ветром. [152] Другие явления, вызванные солнечным ветром, включают геомагнитные бури , которые могут вывести из строя энергосети на Земле, [156] полярные сияния , такие как Северное сияние , [157] и плазменные хвосты комет , которые всегда направлены в сторону от Солнца. [158]
Сильные ветры со скоростью 300 километров в час (190 миль в час) в вершинах облаков Венеры облетают планету каждые четыре-пять земных дней. [159] Когда полюса Марса подвергаются воздействию солнечного света после зимы, замороженный CO 2 сублимируется , создавая сильные ветры, которые сносят полюса со скоростью 400 километров в час (250 миль в час), что впоследствии переносит большое количество пыли и водяной пар над ландшафтом . [160] Другие марсианские ветры привели к чисткам и пылевым бурям . [161] [162] На Юпитере скорость ветра 100 метров в секунду (220 миль в час) является обычным явлением для зональных струйных течений. [163] Ветры Сатурна являются одними из самых быстрых в Солнечной системе. Данные Кассини-Гюйгенса показали, что максимальная скорость восточного ветра составляет 375 метров в секунду (840 миль в час). [164] На Уране скорость ветра в северном полушарии достигает 240 метров в секунду (540 миль в час) вблизи 50 градусов северной широты. [165] [166] [167] На вершинах облаков Нептуна скорость преобладающих ветров варьируется от 400 метров в секунду (890 миль в час) вдоль экватора до 250 метров в секунду (560 миль в час) на полюсах. [168] На 70° южной широты на Нептуне высокоскоростная реактивная струя движется со скоростью 300 метров в секунду (670 миль в час). [169] Самый быстрый ветер на любой известной планете наблюдается на HD 80606 b, расположенной на расстоянии 190 световых лет от Земли, где он дует со скоростью более 11 000 миль в час или 5 км/с. [170]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Ревущие сороковые, визгливые западные шестидесятые.
конструкция парусного корабля.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )