Ветер — это естественное движение воздуха или других газов относительно поверхности планеты . Ветры возникают в различных масштабах: от грозовых потоков, длящихся десятки минут, до местных бризов, создаваемых нагреванием поверхности суши и длящихся несколько часов, и глобальных ветров, возникающих из-за разницы в поглощении солнечной энергии между климатическими зонами на Земле . Двумя основными причинами крупномасштабной циркуляции атмосферы являются дифференциальный нагрев между экватором и полюсами и вращение планеты ( эффект Кориолиса ). В тропиках и субтропиках термические низкие циркуляции над рельефом и высокими плато могут управлять муссонными циркуляциями. В прибрежных районах цикл морского бриза /наземного бриза может определять местные ветры; в районах с изменчивым рельефом могут преобладать горные и долинные бризы.
Ветры обычно классифицируются по их пространственному масштабу , скорости и направлению, силам, которые их вызывают, регионам, в которых они возникают, и их воздействию. Ветры имеют различные определяющие аспекты, такие как скорость ( скорость ветра ), плотность вовлеченных газов и энергетическое содержание или энергия ветра . В метеорологии ветры часто называют в соответствии с их силой и направлением, откуда дует ветер. Соглашение о направлениях относится к тому, откуда приходит ветер; поэтому «западный» или «западный» ветер дует с запада на восток, «северный» ветер дует на юг и так далее. Иногда это противоречит интуиции. Короткие всплески высокоскоростного ветра называются порывами . Сильные ветры средней продолжительности (около одной минуты) называются шквалами . Длительные ветры имеют различные названия, связанные с их средней силой, такие как бриз, шторм , шторм и ураган .
В космическом пространстве солнечный ветер — это движение газов или заряженных частиц от Солнца через пространство, тогда как планетарный ветер — это выделение легких химических элементов из атмосферы планеты в космос. Самые сильные наблюдаемые ветры на планете в Солнечной системе происходят на Нептуне и Сатурне .
В человеческой цивилизации понятие ветра было исследовано в мифологии , повлияло на события истории, расширило диапазон транспорта и войны, а также предоставило источник энергии для механической работы, электричества и отдыха. Ветер обеспечивает движение парусных судов через океаны Земли. Воздушные шары используют ветер для коротких поездок, а управляемый полет использует его для увеличения подъемной силы и снижения расхода топлива. Области сдвига ветра, вызванные различными погодными явлениями, могут привести к опасным ситуациям для самолетов. Когда ветры становятся сильными, деревья и рукотворные сооружения могут быть повреждены или разрушены.
Ветры могут формировать рельеф посредством различных эоловых процессов , таких как образование плодородных почв, например, лесса , и посредством эрозии . Пыль из больших пустынь может перемещаться на большие расстояния от своего источника преобладающими ветрами ; ветрам, которые ускоряются неровной топографией и связаны с выбросами пыли, были присвоены региональные названия в различных частях мира из-за их значительного воздействия на эти регионы. Ветер также влияет на распространение лесных пожаров. Ветры могут распространять семена различных растений, обеспечивая выживание и распространение этих видов растений, а также популяций летающих насекомых и птиц. В сочетании с холодными температурами ветер оказывает негативное воздействие на домашний скот. Ветер влияет на запасы пищи у животных, а также на их охотничьи и оборонительные стратегии.
Ветер вызывается разницей в атмосферном давлении, которая в основном обусловлена разницей температур. Когда существует разница в атмосферном давлении , воздух перемещается из области с более высоким давлением в область с более низким, что приводит к появлению ветров с различной скоростью. На вращающейся планете воздух также будет отклоняться под действием силы Кориолиса , за исключением экватора. В глобальном масштабе двумя основными движущими факторами крупномасштабных ветровых моделей ( атмосферной циркуляции ) являются дифференциальный нагрев между экватором и полюсами (разница в поглощении солнечной энергии, приводящая к силам плавучести ) и вращение планеты . За пределами тропиков и выше от фрикционных эффектов поверхности крупномасштабные ветры имеют тенденцию приближаться к геострофическому равновесию . Вблизи поверхности Земли трение заставляет ветер быть медленнее, чем он был бы в противном случае. Поверхностное трение также заставляет ветры дуть больше внутрь в области с низким давлением. [1] [2]
Ветры, определяемые равновесием физических сил, используются при разложении и анализе профилей ветра. Они полезны для упрощения атмосферных уравнений движения и для вынесения качественных аргументов о горизонтальном и вертикальном распределении горизонтальных ветров. Геострофический компонент ветра является результатом баланса между силой Кориолиса и силой градиента давления. Он течет параллельно изобарам и приближается к потоку над пограничным слоем атмосферы в средних широтах. [3] Термический ветер представляет собой разницу в геострофическом ветре между двумя уровнями в атмосфере. Он существует только в атмосфере с горизонтальными градиентами температуры . [4] Агеострофический компонент ветра представляет собой разницу между фактическим и геострофическим ветром, которая отвечает за «заполнение» циклонов воздухом с течением времени. [5] Градиентный ветер похож на геострофический ветер, но также включает центробежную силу (или центростремительное ускорение ). [6]
Направление ветра обычно выражается в терминах направления, откуда он исходит. Например, северный ветер дует с севера на юг. [7] Флюгеры поворачиваются, чтобы указать направление ветра. [8] В аэропортах ветроуказатели указывают направление ветра, а также могут использоваться для оценки скорости ветра по углу навеса. [9] Скорость ветра измеряется анемометрами , чаще всего с использованием вращающихся чашек или пропеллеров. Когда требуется высокая частота измерений (например, в исследовательских приложениях), ветер можно измерить по скорости распространения ультразвуковых сигналов или по влиянию вентиляции на сопротивление нагретой проволоки. [10] Другой тип анемометра использует трубки Пито , которые используют перепад давления между внутренней трубкой и внешней трубкой, которая подвергается воздействию ветра, для определения динамического давления, которое затем используется для вычисления скорости ветра. [11]
Устойчивые скорости ветра сообщаются во всем мире на высоте 10 метров (33 фута) и усредняются за 10-минутный период. Соединенные Штаты сообщают о ветрах за 1-минутное среднее значение для тропических циклонов [12] и за 2-минутное среднее значение в рамках метеорологических наблюдений. [13] Индия обычно сообщает о ветрах за 3-минутное среднее значение. [14] Знание среднего значения выборки ветра важно, так как значение одноминутного устойчивого ветра обычно на 14% больше, чем десятиминутного устойчивого ветра. [15] Короткий порыв ветра с высокой скоростью называется порывом ветра ; одно техническое определение порыва ветра: максимумы, которые превышают самую низкую скорость ветра, измеренную за десятиминутный интервал времени, на 10 узлов (19 км/ч; 12 миль/ч) в течение нескольких секунд. Шквал — это увеличение скорости ветра выше определенного порога, которое длится в течение минуты или более.
Для определения ветра на высоте радиозонды определяют скорость ветра с помощью GPS , радионавигации или радиолокационного слежения за зондом. [16] В качестве альтернативы перемещение родительского положения 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 из космоса или с самолетов. Шероховатость океана может использоваться для оценки скорости ветра вблизи поверхности моря над океанами. Геостационарные спутниковые изображения могут использоваться для оценки ветра на верхней границе облаков на основе того, как далеко облака перемещаются от одного изображения к другому. Ветровая инженерия описывает изучение воздействия ветра на построенную среду, включая здания, мосты и другие искусственные объекты.
Модели могут предоставлять пространственную и временную информацию о воздушном потоке. Пространственная информация может быть получена путем интерполяции данных с различных измерительных станций, что позволяет производить горизонтальные расчеты данных. В качестве альтернативы профили, такие как логарифмический профиль ветра , могут использоваться для получения вертикальной информации.
Временная информация обычно вычисляется путем решения уравнений Навье-Стокса в числовых моделях прогнозирования погоды , генерируя глобальные данные для моделей общей циркуляции или конкретные региональные данные. Расчет полей ветра зависит от таких факторов, как дифференциалы радиации , вращение Земли и трение, среди прочих. [18] Решение уравнений Навье-Стокса — это трудоемкий численный процесс, но методы машинного обучения могут помочь ускорить время вычислений. [19]
Численные модели прогнозирования погоды значительно продвинули наше понимание динамики атмосферы и стали незаменимыми инструментами в прогнозировании погоды и исследовании климата . Используя как пространственные, так и временные данные, эти модели позволяют ученым анализировать и предсказывать глобальные и региональные ветровые режимы, способствуя нашему пониманию сложной атмосферной системы Земли.
Исторически шкала силы ветра Бофорта (созданная Бофортом ) дает эмпирическое описание скорости ветра на основе наблюдаемых морских условий. Первоначально это была 13-уровневая шкала (0–12), но в 1940-х годах шкала была расширена до 18 уровней (0–17). [20] Существуют общие термины, которые различают ветры с различной средней скоростью, такие как бриз, шторм, шторм или ураган. В шкале Бофорта штормовые ветры лежат между 28 узлами (52 км/ч) и 55 узлами (102 км/ч) с предшествующими прилагательными, такими как умеренный, свежий, сильный и целый, используемыми для дифференциации силы ветра в категории шторма. [21] Шторм имеет ветры со скоростью от 56 узлов (104 км/ч) до 63 узлов (117 км/ч). [22] Терминология тропических циклонов различается от региона к региону в глобальном масштабе. Большинство океанических бассейнов используют среднюю скорость ветра для определения категории тропического циклона. Ниже приведено резюме классификаций, используемых региональными специализированными метеорологическими центрами по всему миру:
Расширенная шкала Фудзиты (шкала EF) оценивает силу торнадо, используя повреждения для оценки скорости ветра. Она имеет шесть уровней: от видимых повреждений до полного разрушения. Она используется в Соединенных Штатах и некоторых других странах, включая Канаду и Францию, с небольшими изменениями. [24]
Модель станции, нанесенная на карты погоды на поверхности , использует ветровой зубец для отображения направления и скорости ветра. Ветровой зубец показывает скорость с помощью «флажков» на конце.
Ветры изображаются дующими с направления, куда смотрит зубец. Таким образом, северо-восточный ветер будет изображен линией, идущей от облачного круга на северо-восток, с флагами, указывающими скорость ветра на северо-восточном конце этой линии. [26] После нанесения на карту можно выполнить анализ изотах (линий равных скоростей ветра). Изотахи особенно полезны для диагностики местоположения струйного течения на картах постоянного давления верхнего уровня и обычно располагаются на уровне 300 гПа или выше. [27]
Восточные ветры, в среднем, доминируют в характере потоков через полюса, западные ветры дуют через средние широты Земли, по направлению к полюсам субтропического хребта , в то время как восточные ветры снова преобладают в тропиках .
Прямо под субтропическим хребтом находятся долдрумы, или конские широты, где ветры слабее. Многие из пустынь Земли лежат вблизи средней широты субтропического хребта, где спуск уменьшает относительную влажность воздушной массы. [28] Самые сильные ветры в средних широтах, где холодный полярный воздух встречается с теплым воздухом из тропиков.
Пассаты (также называемые пассатами) являются преобладающей моделью 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 направляющий поток для тропических циклонов , которые формируются над мировым океаном. [31] Пассаты также направляют африканскую пыль на запад через Атлантический океан в Карибский бассейн, а также в части юго-востока Северной Америки. [32]
Муссон — это сезонный преобладающий ветер , который длится несколько месяцев в тропических регионах. Термин впервые был использован в английском языке в Индии, Бангладеш , Пакистане и соседних странах для обозначения сильных сезонных ветров, дующих с Индийского океана и Аравийского моря на юго-западе, приносящих обильные осадки в этот район. [33] Его продвижение к полюсу ускоряется развитием теплового минимума над азиатским, африканским и североамериканским континентами в период с мая по июль и над Австралией в декабре. [34] [35] [36]
Западные ветры или преобладающие западные ветры являются преобладающими ветрами в средних широтах между 35 и 65 градусами широты . Эти преобладающие ветры дуют с запада на восток, [37] [38] и управляют внетропическими циклонами таким образом. Ветры преимущественно дуют с юго-запада в Северном полушарии и с северо-запада в Южном полушарии. [30] Они наиболее сильны зимой, когда давление ниже над полюсами, и наиболее слабы летом и когда давление выше над полюсами. [39]
Вместе с пассатами западные ветры обеспечивали круговой 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 через процесс западной интенсификации . [40] Эти западные океанические течения переносят теплую субтропическую воду к полюсам в направлении полярных регионов . Западные ветры могут быть особенно сильными, особенно в южном полушарии, где в средних широтах меньше суши, чтобы усилить поток, что замедляет ветры. Самые сильные западные ветры в средних широтах находятся 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 обширных океанических пространств.
Полярные восточные ветры, также известные как полярные ячейки Хэдли, представляют собой сухие, холодные преобладающие ветры, которые дуют из областей высокого давления полярных максимумов на северном и южном полюсах в направлении областей низкого давления в пределах западных ветров на высоких широтах. В отличие от западных ветров, эти преобладающие ветры дуют с востока на запад и часто слабы и нерегулярны. [44] Из-за низкого угла наклона солнца холодный воздух накапливается и оседает на полюсе, создавая поверхностные области высокого давления, вызывая отток воздуха к экватору; [45] этот отток отклоняется на запад из-за эффекта Кориолиса.
В прибрежных районах морские бризы и береговые бризы могут быть важными факторами преобладающих ветров в определенном месте. Море нагревается солнцем медленнее из-за большей удельной теплоемкости воды по сравнению с землей. По мере повышения температуры поверхности земли земля нагревает воздух над собой за счет теплопроводности. Теплый воздух менее плотный, чем окружающая среда, и поэтому он поднимается. [46] Более холодный воздух над морем, теперь с более высоким давлением на уровне моря , течет вглубь страны в область с более низким давлением, создавая более прохладный бриз вблизи побережья. Фоновый ветер вдоль берега либо усиливает, либо ослабляет морской бриз в зависимости от его ориентации по отношению к силе Кориолиса. [47]
Ночью суша остывает быстрее, чем океан из-за разницы в их удельных теплоемкостях. Это изменение температуры приводит к рассеиванию дневного морского бриза. Когда температура на суше остывает ниже температуры вдали от берега, давление над водой будет ниже, чем на суше, создавая бриз с суши, пока ветер с суши не будет достаточно сильным, чтобы противостоять ему. [48]
Над возвышенными поверхностями нагрев земли превышает нагрев окружающего воздуха на той же высоте над уровнем моря , создавая связанный с этим тепловой минимум над местностью и усиливая любые термические минимумы, которые в противном случае существовали бы, [49] [50] и изменяя циркуляцию ветра в регионе. В районах с неровным рельефом , который значительно прерывает поток ветра окружающей среды, циркуляция ветра между горами и долинами является наиболее важным фактором преобладающих ветров. Холмы и долины существенно искажают поток воздуха, увеличивая трение между атмосферой и сушей, выступая в качестве физического блока для потока, отклоняя ветер параллельно диапазону прямо вверх по течению от топографии, который известен как барьерная струя . Эта барьерная струя может увеличить ветер на низком уровне на 45%. [51] Направление ветра также меняется из-за контура земли. [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 по ветру в более ровную местность. Эти условия опасны для поднимающихся и спускающихся самолетов . [52] Прохладные ветры, ускоряющиеся через горные проходы, получили региональные названия. В Центральной Америке примерами являются ветер Папагайо , ветер Панама и ветер Теуано . В Европе похожие ветры известны как Бора , Трамонтане и Мистраль . Когда эти ветры дуют над открытыми водами, они увеличивают перемешивание верхних слоев океана, что поднимает прохладные, богатые питательными веществами воды на поверхность, что приводит к увеличению морской жизни. [53]
В горных районах локальное искажение воздушного потока становится серьезным. Неровная местность объединяется, чтобы создать непредсказуемые модели потока и турбулентность, такие как роторы , которые могут быть увенчаны линзовидными облаками . Сильные восходящие потоки , нисходящие потоки и вихри развиваются, когда воздух течет по холмам и вниз по долинам. Орографические осадки возникают на наветренной стороне гор и вызваны восходящим движением воздуха крупномасштабного потока влажного воздуха через горный хребет, также известного как восходящий поток, что приводит к адиабатическому охлаждению и конденсации. В горных частях мира, подверженных относительно постоянным ветрам (например, пассатам), более влажный климат обычно преобладает на наветренной стороне горы, чем на подветренной или подветренной стороне. Влага удаляется орографическим подъемом, оставляя более сухой воздух на нисходящей и, как правило, нагревающейся, подветренной стороне, где наблюдается дождевая тень . [54]
Ветры, которые текут по горам вниз на более низкие высоты, известны как нисходящие ветры. Эти ветры теплые и сухие. В Европе с подветренной стороны Альп они известны как фён . В Польше примером является halny wiatr. В Аргентине местное название нисходящих ветров - zonda . На Яве местное название таких ветров - koembang. В Новой Зеландии они известны как Nor'west arc и сопровождаются облачным образованием, в честь которого они названы, которое вдохновляло на создание произведений искусства на протяжении многих лет. [55] На Великих равнинах Соединенных Штатов эти ветры известны как chinook . Нисходящие ветры также случаются в предгорьях Аппалачских гор Соединенных Штатов, [56] и они могут быть такими же сильными, как и другие нисходящие ветры [57] , и необычны по сравнению с другими ветрами-фёнами тем, что относительная влажность обычно мало меняется из-за повышенной влажности в исходной воздушной массе. [58] В Калифорнии ветры, дующие вниз по склону, направляются через горные перевалы, которые усиливают их воздействие, и примерами являются ветры Санта-Ана и закатные ветры. Скорость ветра во время эффекта ветра, дующего вниз по склону, 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 коротком расстоянии в атмосфере Земли. [60] Сдвиг ветра можно разбить на вертикальную и горизонтальную составляющие, при этом горизонтальный сдвиг ветра наблюдается через погодные фронты и вблизи побережья, [61] а вертикальный сдвиг обычно наблюдается вблизи поверхности, [62] хотя также и на более высоких уровнях в атмосфере вблизи верхних струй и фронтальных зон наверху. [63]
Сдвиг ветра сам по себе является микромасштабным метеорологическим явлением, происходящим на очень небольшом расстоянии, но он может быть связан с мезомасштабными или синоптическими погодными явлениями, такими как линии шквалов и холодные фронты . Он обычно наблюдается вблизи микропорывов и нисходящих порывов, вызванных грозами , [64] погодными фронтами, областями локально более высоких низких ветров, называемых струями низкого уровня, вблизи гор, [65] инверсий излучения, которые возникают из-за ясного неба и спокойного ветра, зданий, [66] ветряных турбин , [67] и парусных судов . [68] Сдвиг ветра оказывает значительное влияние на управление самолетом во время взлета и посадки, [69] и был значительной причиной авиакатастроф, повлекших за собой большие человеческие жертвы в Соединенных Штатах. [64]
На перемещение звука через атмосферу влияет сдвиг ветра, который может искривлять фронт волны, заставляя звуки быть слышимыми там, где они обычно не были бы слышны, или наоборот. [70] Сильный вертикальный сдвиг ветра в тропосфере также подавляет развитие тропических циклонов , [71] но помогает организовывать отдельные грозы в более длительные жизненные циклы, которые затем могут вызывать суровую погоду . [72] Концепция термического ветра объясняет, как различия в скорости ветра с высотой зависят от горизонтальных температурных различий, и объясняет существование струйного течения . [73]
Как природная сила, ветер часто олицетворялся как один или несколько богов ветра или как выражение сверхъестественного во многих культурах. Вайю — ведический и индуистский бог ветра. [74] [75] Греческие боги ветра включают Борея , Нота , Эвра и Зефира . [75] Эол , в разных интерпретациях правитель или хранитель четырех ветров, также описывался как Астреус , бог сумерек, который породил четыре ветра с Эос , богиней рассвета. Древние греки также наблюдали за сезонной сменой ветров, о чем свидетельствует Башня Ветров в Афинах . [75] Венти — римские боги ветров. [76] Фудзин — японский бог ветра и один из старейших синтоистских богов. Согласно легенде, он присутствовал при сотворении мира и первым выпустил ветры из своей сумки, чтобы очистить мир от тумана. [77] В скандинавской мифологии Ньёрд — бог ветра. [75] Также есть четыре дваргара ( скандинавских гнома ), называемые Нордри, Судри, Аустри и Вестри , и, вероятно, четыре оленя Иггдрасиля , олицетворяющие четыре ветра и параллельные четырем греческим богам ветра. [78] Стрибог — имя славянского бога ветров, неба и воздуха. Он считается предком (дедушкой) ветров восьми направлений. [75]
Камикадзе — японское слово, обычно переводимое как божественный ветер, считающийся даром богов. Впервые этот термин был использован в качестве названия пары или серии тайфунов, которые, как говорят, спасли Японию от двух монгольских флотов под предводительством Хубилая, напавших на Японию в 1274 и 1281 годах. [79] Протестантский ветер — 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 кампании Наполеона французским солдатам пришлось нелегко из-за ветра хамсин : когда шторм появился «как кровавая полоска в далеком небе», османы отправились в укрытие, в то время как французы «не отреагировали, пока не стало слишком поздно, затем задохнулись и потеряли 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, поднимаемые ветром, ослепляли солдат и создавали электрические помехи, которые делали компасы бесполезными». [83]
Существует множество различных форм парусных судов, но все они имеют некоторые общие основные черты. За исключением роторных судов, использующих эффект Магнуса , каждое парусное судно имеет корпус , такелаж и по крайней мере одну мачту , чтобы удерживать паруса , которые используют ветер для приведения судна в движение. [84] Океанские путешествия на парусном судне могут длиться много месяцев, [85] и распространенной опасностью является затишье из-за отсутствия ветра, [86] или снос с курса сильными штормами или ветрами, которые не позволяют двигаться в желаемом направлении. [87] Сильный шторм может привести к кораблекрушению и потере всего экипажа. [88] Парусные суда могут перевозить только определенное количество припасов в своих трюмах , поэтому им приходится тщательно планировать длительные плавания , чтобы включить соответствующие припасы , включая пресную воду. [89]
Для аэродинамических самолетов, которые летают относительно воздуха, ветер влияет на скорость относительно земли, [90] а в случае транспортных средств легче воздуха ветер может играть значительную или единственную роль в их движении и наземной траектории . [91] Скорость приземного ветра , как правило, является основным фактором, определяющим направление полетов в аэропорту, а взлетно-посадочные полосы аэродрома выровнены с учетом общего направления ветра в данной местности. В то время как взлет с попутным ветром может быть необходим при определенных обстоятельствах, встречный ветер , как правило, желателен. Попутный ветер увеличивает требуемую взлетную дистанцию и уменьшает градиент набора высоты. [92]
Древние сингальцы Анурадхапуры и других городов по всей Шри - Ланке использовали муссонные ветры для питания печей еще в 300 г. до н. э . Печи были построены на пути муссонных ветров, чтобы поднять температуру внутри до 1200 °C (2190 °F). [93] Простейшая ветряная мельница использовалась для питания органа в первом веке н. э. [94] Позднее ветряные мельницы были построены в Систане , Афганистан , с 7 века н. э. Это были ветряные мельницы с вертикальной осью, [95] с крыльями, покрытыми тростниковым 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.
Энергия ветра в настоящее время является одним из основных источников возобновляемой энергии , и ее использование быстро растет, что обусловлено инновациями и падением цен. [97] Большая часть установленной мощности ветровой энергетики находится на суше , но морская ветровая энергетика предлагает большой потенциал, поскольку скорость ветра обычно выше и более постоянна вдали от побережья. [98] Энергия ветра, кинетическая энергия воздуха, пропорциональна третьей степени скорости ветра. Закон Беца описывает теоретический верхний предел того, какую долю этой энергии могут извлечь ветряные турбины, что составляет около 59%. [99]
Ветер играет заметную роль в нескольких популярных видах спорта, включая любительское дельтапланеризм , полеты на воздушном шаре , запуск воздушных змеев, сноукайтинг , кайт-лендбординг , кайтсерфинг , парапланеризм , парусный спорт и виндсерфинг . В планировании градиенты ветра чуть выше поверхности влияют на фазы взлета и посадки полета планера . Градиент ветра может оказывать заметное влияние на наземные запуски , также известные как запуски с лебедки или запуски с троса. Если градиент ветра значительный или внезапный, или и то, и другое, и пилот сохраняет тот же угол тангажа, указанная воздушная скорость увеличится, возможно, превысив максимальную скорость буксировки наземного запуска. Пилот должен отрегулировать воздушную скорость, чтобы справиться с эффектом градиента. [100] При посадке сдвиг ветра также представляет опасность, особенно при сильном ветре. Когда планер снижается через градиент 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 управляют движением океанских течений с запада на восток через мировые океаны. Ветер играет очень важную роль в содействии 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. Существует два основных эффекта. Во-первых, ветер поднимает мелкие частицы и, следовательно, перемещает их в другой регион. Это называется дефляцией. Во-вторых, эти взвешенные частицы могут воздействовать на твердые объекты, вызывая эрозию путем истирания (экологическая сукцессия). Ветровая эрозия обычно происходит в районах с небольшой или отсутствующей растительностью, часто в районах, где недостаточно осадков для поддержки растительности. Примером является образование песчаных дюн на пляже или в пустыне. [104] Лесс - это однородный, обычно неслоистый, пористый, рыхлый , слегка связный, часто известковый, мелкозернистый, илистый, бледно- желтый или темно-желтый, переносимый ветром (эоловый) осадок . [105] Обычно он встречается в виде широко распространенного покровного отложения, которое покрывает площади в сотни квадратных километров и имеет толщину в десятки метров. Лесс часто выступает либо на крутых, либо на вертикальных склонах. [106] Лесс имеет тенденцию превращаться в очень богатые почвы. При соответствующих климатических условиях районы с лессом являются одними из самых сельскохозяйственно продуктивных в мире. [107] Лёссовые отложения геологически нестабильны по своей природе и очень легко подвергаются эрозии. Поэтому фермеры часто высаживают ветрозащитные полосы (например, большие деревья и кустарники), чтобы уменьшить ветровую эрозию лёсса. [102]
В середине лета (июль в северном полушарии) западные пассаты к югу от субтропического хребта, движущегося на север, расширяются на северо-запад от Карибского бассейна в юго-восточную часть Северной Америки. Когда пыль из Сахары, движущаяся по южной периферии хребта в поясе пассатов, движется над сушей, осадки подавляются, а небо меняет цвет с синего на белый, что приводит к увеличению количества красных закатов. Его присутствие отрицательно влияет на качество воздуха , увеличивая количество взвешенных в воздухе 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. Существует большая изменчивость в переносе пыли в Карибский бассейн и Флориду из года в год. [110] Пылевые события были связаны с ухудшением здоровья коралловых рифов по всему Карибскому бассейну и Флориде, в первую очередь с 1970-х годов. [111] Похожие пылевые шлейфы возникают в пустыне Гоби , где они в сочетании с загрязняющими веществами распространяются на большие расстояния по ветру 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] Харматтан переносит пыль зимой в Гвинейский залив . [113] Сирокко переносит пыль из Северной Африки в Южную Европу из - за движения внетропических циклонов через Средиземное море. [114] Весенние штормовые системы, перемещающиеся через восточное Средиземное море, переносят пыль через Египет и Аравийский полуостров , которые местные жители называют Хамсин . [115] Шамаль вызывается холодными фронтами, поднимающими пыль в атмосферу в течение нескольких дней подряд через государства 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, в качестве альтернативы, они могут порхать на землю. [117] Классическими примерами этих механизмов распространения являются одуванчики ( Taraxacum spp., Asteraceae ), которые имеют перистый хохолок, прикрепленный к их семенам, и могут распространяться на большие расстояния, и клены ( Acer (genus) spp., Sapindaceae ), которые имеют крылатые семена и порхают на землю. Важным ограничением для распространения ветром является необходимость обильного производства семян, чтобы максимизировать вероятность приземления семян на участке, подходящем для прорастания . Существуют также сильные эволюционные ограничения на этот механизм распространения. Например, виды Asteraceae на островах, как правило, имели пониженные возможности распространения (т. е. большую массу семян и меньший хохолок) по сравнению с теми же видами на материке. [118] Зависимость от распространения ветром распространена среди многих сорных или рудеральных видов. Необычные механизмы распространения ветром включают перекати-поле . Связанный с анемохорией процесс — анемофилия , то есть процесс, при котором пыльца распространяется ветром. Большие семейства растений опыляются таким образом, что благоприятствует тому, когда особи доминирующего вида растений расположены близко друг к другу. [119]
Ветер также ограничивает рост деревьев. На побережьях и изолированных горах линия деревьев часто намного ниже, чем на соответствующих высотах внутри страны и в более крупных, более сложных горных системах, поскольку сильные ветры снижают рост деревьев. Сильные ветры смывают тонкие почвы посредством эрозии, [120] а также повреждают ветви и сучья. Когда сильные ветры сбивают или вырывают деревья с корнем, этот процесс известен как ветровал . Это наиболее вероятно на наветренных склонах гор, причем серьезные случаи обычно случаются с древостоями , которым 75 лет и больше. [121] Разновидности растений вблизи побережья, такие как ель ситхинская и морской виноград , [122] обрезаются ветром и солевыми брызгами вблизи береговой линии. [ 123]
Ветер также может нанести вред растениям посредством песчаной абразии. Сильные ветры подхватывают рыхлый песок и верхний слой почвы и швыряют его в воздух со скоростью от 25 миль в час (40 км/ч) до 40 миль в час (64 км/ч). Такой переносимый ветром песок наносит значительный ущерб саженцам растений, поскольку он разрывает растительные клетки, делая их уязвимыми для испарения и засухи. Используя механический пескоструйный аппарат в лабораторных условиях, ученые, связанные со Службой сельскохозяйственных исследований , изучали влияние переносимого ветром песчаного абразии на саженцы хлопка. Исследование показало, что саженцы отреагировали на ущерб, нанесенный переносимым ветром песчаным абразией, переключив энергию с роста стебля и корней на рост и восстановление поврежденных стеблей. [124] Через четыре недели рост саженца снова стал равномерным по всему растению, как и до переноса песчаного абразии ветром. [125]
Помимо гамет растений (семян), ветер также помогает врагам растений: споры и другие пропагулы фитопатогенов еще легче и способны перемещаться на большие расстояния. [126] Известно, что некоторые болезни растений распространяются через пограничные моря [127] и даже целые океаны. [ 128 ] Люди не в состоянии предотвратить или даже замедлить распространение ветром фитопатогенов, вместо этого требуя прогнозирования и улучшения. [129]
Крупный рогатый скот и овцы подвержены охлаждению ветром , вызванному сочетанием ветра и низких температур, когда скорость ветра превышает 40 километров в час (25 миль в час), что делает их волосяной и шерстяной покровы неэффективными. [130] Хотя пингвины используют как слой жира , так и перья для защиты от холода как в воде, так и в воздухе, их ласты и ноги менее устойчивы к холоду. В самых холодных климатах, таких как Антарктида , императорские пингвины используют поведение сбивания в кучу , чтобы пережить ветер и холод, постоянно чередуя членов снаружи собранной группы, что снижает потерю тепла на 50%. [131] Летающие насекомые , подвид членистоногих , уносятся преобладающими ветрами, [132] в то время как птицы следуют своим собственным курсом, используя ветровые условия, чтобы либо летать, либо скользить. [133] Таким образом, тонкие линейные узоры на снимках метеорологического радара , связанные со сходящимися ветрами, доминируют над возвратами насекомых. [134] Миграция птиц, которая обычно происходит ночью в нижних слоях атмосферы Земли , на глубине 7000 футов (2100 м) , загрязняет профили ветра, собранные метеорологическим радаром, в частности WSR-88D , увеличивая скорость ветра в окружающей среде на 15 узлов (28 км/ч) до 30 узлов (56 км/ч). [135]
Пищухи используют стену из гальки для хранения сухих растений и трав на зиму, чтобы защитить еду от уноса ветром. [136] Тараканы используют слабые ветры, которые предшествуют атакам потенциальных хищников , таких как жабы , чтобы пережить их встречи. Их церки очень чувствительны к ветру и помогают им пережить половину своих атак. [137] У лосей острое обоняние, которое может обнаружить потенциальных хищников с наветренной стороны на расстоянии 0,5 мили (800 м). [138] Усиление ветра свыше 15 километров в час (9,3 миль в час) дает сигнал бургомистрам активизировать поиски пищи и воздушные атаки на толстоклювых кайр . [139]
Известно, что сильные ветры наносят ущерб в зависимости от величины их скорости и перепада давления. Давление ветра положительно на наветренной стороне конструкции и отрицательно на подветренной стороне. Редкие порывы ветра могут привести к раскачиванию плохо спроектированных подвесных мостов . Когда порывы ветра имеют такую же частоту, что и раскачивание моста, мост может быть разрушен легче, как это произошло с мостом Такома-Нэрроус в 1940 году. [140] Скорость ветра всего в 23 узла (43 км/ч) может привести к отключению электроэнергии из-за того, что ветви деревьев нарушают поток энергии по линиям электропередач. [141] Хотя ни один вид деревьев не гарантированно выдержит ураганные ветры, деревья с неглубокими корнями более склонны к вырыванию с корнем, а хрупкие деревья, такие как эвкалипт , морской гибискус и авокадо , более склонны к повреждениям. [142] Ураганные ветры наносят существенный ущерб мобильным домам и начинают структурно повреждать дома с фундаментами. Известно, что ветры такой силы из-за нисходящих ветров с рельефа разбивают окна и сносят краску с автомобилей. [59] Как только 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 для оценки скорости ветра по ущербу, наносимому сильными ветрами, связанными с тропическими циклонами и торнадо , и наоборот. [143] [144]
Остров Барроу в Австралии удерживает рекорд по самому сильному порыву ветра, достигавшему 408 км/ч (253 миль/ч) во время тропического циклона Оливия 10 апреля 1996 года, превзойдя предыдущий рекорд в 372 км/ч (231 миля/ч), установленный на горе Вашингтон (Нью-Гэмпшир) днем 12 апреля 1934 года. [145]
Интенсивность лесных пожаров увеличивается в дневные часы. Например, скорость горения тлеющих бревен в пять раз выше в течение дня из-за более низкой влажности, повышенной температуры и повышенной скорости ветра. [146] Солнечный свет нагревает землю в течение дня и заставляет воздушные потоки перемещаться вверх по склону и вниз по склону ночью, поскольку земля охлаждается. Лесные пожары раздуваются этими ветрами и часто следуют за воздушными потоками по холмам и долинам. [147] Операции по борьбе с лесными пожарами в Соединенных Штатах вращаются вокруг 24-часового пожарного дня , который начинается в 10:00 утра из-за предсказуемого увеличения интенсивности в результате дневного тепла. [148]
Солнечный ветер сильно отличается от земного ветра, поскольку его источником является Солнце, и он состоит из заряженных частиц, вырвавшихся из атмосферы Солнца. Подобно солнечному ветру, планетарный ветер состоит из легких газов, вырывающихся из планетарных атмосфер. За длительные периоды 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% от скорости света . [149]
Гидродинамический ветер в верхней части атмосферы планеты позволяет легким химическим элементам, таким как водород, перемещаться к экзобазе , нижней границе экзосферы , где газы могут затем достичь скорости убегания , попадая 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, эволюционируют в планеты, подобные Венере . [151] Кроме того, планеты с более горячими нижними слоями атмосферы могут ускорить скорость потери водорода. [152]
Вместо воздуха солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц — плазмы , выбрасываемой 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 меняется по температуре и скорости с течением времени. Эти частицы способны избегать гравитации Солнца , отчасти из-за высокой температуры короны , [ 154] но также из-за высокой кинетической энергии, которую частицы получают в результате процесса, который не очень хорошо изучен. Солнечный ветер создает гелиосферу , огромный пузырь в межзвездной среде, окружающей Солнечную систему. [155] Планетам требуются большие магнитные поля, чтобы уменьшить ионизацию их верхних слоев атмосферы солнечным ветром. [152] Другие явления, вызванные солнечным ветром, включают геомагнитные бури , которые могут вывести из строя электросети 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) на 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 значительные ветры, которые сметают полюса со скоростью 400 километров в час (250 миль в час), что впоследствии переносит большие объемы пыли и водяного пара по его ландшафту . [160] Другие марсианские ветры приводили к очистительным событиям и пылевым дьяволам . [161] [162] На Юпитере скорость ветра 100 метров в секунду (220 миль в час) является обычным явлением в зональных струйных течениях. [163] Ветры Сатурна являются одними из самых быстрых в Солнечной системе. Данные Кассини-Гюйгенса показали пиковые восточные ветры 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) около 50 градусов северной широты. [165] [166] [167] На вершинах облаков Нептуна преобладающие ветры колеблются в диапазоне скоростей 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 высокоскоростное струйное течение 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 в 190 световых годах от нас, 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, пронзительные шестидесятые, западные ветры.
структура парусного судна.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )