Рис. 96. Обтекание потоком тел различной формы

Теперь понятно, что любой предмет на земной поверхности является турбулизатором движущегося воздуха, а интенсивность турбулентности зависит от скорости ветра, размеров и формы горы, здания или любого другого объекта. Турбулентность, вызванная любыми твердыми телами, расположенными на земной поверхности, ограничивается слоем толщиной до 500 м над самым высоким из них. В предыдущей главе, в таблице мы назвали этот слой переходным. В этом слое имеет место нарушение ламинарности и равномерности потока. Величина объектов, стоящих на пути воздушного потока, определяет начальные размеры вихрей турбулентности. Чем больше преграда, тем больше вихри, но они могут быстро разделиться на более мелкие. Обычно объект создает начальный вихрь в 1/10 — 1/7 своего размера. Таблица, приведенная ниже, дает примерный диаметр вихрей для некоторых территорий.

Примерные диаметры вихрей турбулентности

Город или лес… 2,0 м

Отдельностоящие дома… 0,5 м

Скошеное поле (стерня)… 0,1 м

Скошенная трава… 10 мм

Океан, большое озеро… 0,3 мм

Рассмотрим влияние скорости ветра. При слабом ветре турбулентность слаба или отсутствует совсем. В средний ветер могут формироваться вихри, и тогда для наблюдателя ветер будет быстро меняться, в том числе и по направлению. В более сильный ветер (более 30 км/ч) вихри могут быть очень интенсивными, более мелкими и сноситься потоком, пока не разрушатся. В этом случае будут заметны существенные изменения в скорости ветра, а изменения в направлении слабо выражены.

Сила ветра и энергия вихрей турбулентности пропорциональна квадрату скорости. То есть, если скорость ветра увеличилась в два раза, то сила его воздействия увеличится вчетверо. Вихри, вызванные более сильным ветром, будут также более интенсивными. Эту мысль стоит выделить: Мощность турбулентности увеличивается с квадратом скорости ветра.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ.

Второй причиной турбулентности в атмосфере является тепловая конвекция или термичность. Как показано на рисунке 97, когда образуется восходящий тепловой поток, он вторгается в воздух над ним и приводит этим к образованию вихрей турбулентности и изменению других параметров окружающего воздуха.

Рис. 97. Термическая турбулентность

Как мы увидим в главах 9 и 10, термики сами по себе образуют вращение поднимающегося воздуха внутри и рядом, а также нисходящие потоки по периметру. Пролетая сквозь такие поднимающиеся массы воздуха, пилот ощущает резкие переходы от нисходящих потоков к восходящим и наоборот. Авиационное название этого явления в прошлые времена — "воздушные ямы". Кромка таких термических потоков в любом случае очень турбулентна. Очень опасна термичность в жарких пустынях, где поток может перевернуть или даже разрушить небольшой самолет. К счастью, такие экстремальные условия встречаются довольно редко. Термическая турбулентность, обычно, наиболее сильна на высотах 600-1300 м, но может достигать нескольких километров в пустынях или в грозовых условиях. Результатом одновременного присутствия механической и термической турбулентности может быть достаточно хаотическое движение воздуха (пример на рисунке 98).

Рис. 98. Влияние на поток у земли термической и механической турбулентности

Даже когда основной ветер слаб, термические потоки могут создавать приземную турбулентность, притягивая воздух со всех направлений. Рисунок 99 иллюстрирует влияние термичности на движение воздуха у поверхности. Когда нагретый воздух поднимается, его место занимает воздух сверху. Если наверху дует ветер, то движение вниз приведет к тому, что у земли будет ощущение потока, направленного к земле с горизонтальной и вертикальной составляющими. Этот эффект называют "кошачьей лапой" и увидеть его можно в ветренный день с термической активностью по местной ряби на воде, по верхушкам леса, на травяных полях. Такие порции холодного воздуха приводят как к умеренной, так и к сильной турбулентности.

Рис. 99. Изменение параметров ветра от термичности

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ СРЕЗА

Третья и последняя причина возникновения турбулентности — это следствие среза ветра. Под термином срез будем понимать плоскость соприкосновения двух слоев воздуха, которые имеют различные скорости или направления. В этом случае граница между этими двумя потоками становится зоной, или слоем турбулентности, возникающей из-за трения между ними, как показано на рисунке 100.

Рис. 100. Турбулентность на срезе потоков

В действительности, причиной любой турбулентности являются процессы среза, в том смысле, в котором мы понимаем это слово. Для механической турбулентности наличие на поверхности неровностей и трение потока (рис. 83) это тоже срез. Термическая — это срез при различных скоростях и направлениях восходящего потока и окружающего воздуха. Однако мы игнорируем эти детали и рассматриваем только турбулентность, возникающую при взаимодействии двух слоев с различными скоростями или даже направлениями движения.

Нужно сказать, что можно отделить скоростные и температурные причины возникновения турбулентности среза. Можно сказать, что слои воздуха, имеющие различные температуры, имеют неодинаковые скорости и направления, что является причиной турбулентности среза между ними. В предыдущих главах говорилось, что эффекты нагревания и охлаждения воздуха, а также барические системы высокого давления создают температурные инверсии и струйные потоки на различных уровнях. Это типичное явление, тесно связанное с турбулентностью среза.

В самом деле, турбулентность среза чаще всего встречается возле слоя инверсии. Этот слой может быть на высоте нескольких сотен метров, формируется он опускающимся воздухом в барических системах высокого давления, или ночью, когда нижний слой воздуха остывает быстрее. В первом случае, инверсионный слой может остановить подъем термических потоков, турбулентный воздух перемешается в теплом слое. На рисунке 101 изображено несколько ситуаций, когда присутствуют одновременно инверсия и турбулентность среза.

Рис. 101. Причины возникновения турбулентности среза

На последней картинке мы видим, как в долине собирается холодный воздух, а более теплый протекая над ним с большой скоростью, приводит к образованию сильной турбулентности среза на границе между воздушными массами. В горных районах после обеда возникают мощные холодные потоки, которые являются результатом стока воздуха с гор в долину (подробнее об этом явлении в следующей главе). Они приводят к образованию сильной турбулентности среза (рис. 102).

Рис. 102. Ветер в горах как причина турбулентности