Ветер и его влияние на полеты

Ветер представляет собой горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Ветер – векторная величина, основные его характеристики – направление и скорость.

В метеорологии направление ветра указывается той частью горизонта, откуда он дует (метеорологический ветер). Направление ветра определяется в градусах и румбах Градусы отсчитываются от северного направления географического меридиана по часовой стрелке – истинный ветер. В аэропортах, где магнитное склонение 5º и более, направление ветра отсчитывается от северного направления магнитного меридиана – магнитный ветер. Для обеспечения полетов по маршруту применяется градиентный ветер (установившееся движение воздуха выше слоя трения), который исчисляется от географического меридиана. В воздушной навигации применяется навигационный ветер (направление ветра на 180º отличается от метеорологического).

Скорость ветра может быть измерена в метрах в секунду (м/с), километрах в час (км/ч), в узлах. Для перевода метров в секунду в километры в час надо скорость ветра, выраженную в метрах в секунду, умножить на коэффициент 3,6.Один узел составляет около 0.5 м/с или 2км/ч.

Ветру свойственна порывистость и изменчивость направления. Для характеристики ветра определяется средняя скорость и среднее его направление. Порывистым считается ветер, если за 2 минуты скорость отклоняется от среднего значения скорости на 5 м/с и более. По направлению различают постоянный и меняющийся (неустойчивый) ветер. Скорость неустойчивого ветра обычно 2 м/с и менее.

Изменчивость ветра особенно резко выражена вблизи поверхности земли, что объясняется сложностью рельефа и неоднородностью подстилающей поверхности. При значительных колебаниях скорости и направления ветер называется шквалистым. Длительность шквала обычно продолжается не более нескольких минут. Скорость ветра нарастает очень быстро и в течение нескольких секунд может достичь 20-30 м/с и более.

Непосредственной причиной возникновения ветра является неравномерное распределение атмосферного давления вдоль земной поверхности. В областях высокого давления создается избыток массы воздуха. Это ведет к тому, что избыточная масса воздуха стремится растекаться в стороны, где ощущается недостаток ее, т.е. в сторону низкого давления. Это и есть ветер.

Движение воздуха происходит под действием определенных сил, которые разделяются на внешние, или массовые силы, действующие на воздух со стороны других материальных систем, и внутренние, или поверхностные силы, возникающие в результате взаимодействия воздушных частиц, составляющих атмосферу.

К массовым силам относятся сила тяжести и отклоняющая сила вращения Земли (Кориолисова сила), а к поверхностным – сила барического градиента и сила трения.

Сила тяжести является равнодействующей двух сил: силы земного тяготения, направленной к центру Земли, и центробежной силы, обусловленной вращением Земли и направленной по радиусу широтного круга.

Сила тяжести, отнесенная к единице массы, называемая ускорением силы тяжести, зависит от широты места и расстояния от центра Земли: она возрастает с увеличением широты места и уменьшается с увеличением высоты, т.е. с удалением от центра Земли.

Сила тяжести является важнейшей силой, определяющей распределение массы атмосферы по высоте; она действует по направлению так называемой нормали.

Важной силой в атмосфере является сила барического градиента, возникающая вследствие неравномерного распределения давления воздуха в горизонтальном направлении.

Горизонтальный барический градиент, отнесенный к единице массы (r, г/см³), представляет собой силу барического градиента F, под влиянием которой частица (масса) воздуха приходит в движение. Эта сила

Из формулы видно, что чем больше разность давления, т.е. величина, под влиянием которой частица (масса) воздуха приходит в движение. Эта сила

F_G = ∆Р/r∆S, (2.5.1)

где ∆Р – изменение давления на единицу расстояния ∆S;

r –плотность воздуха.

Из формулы видно, что чем больше разность давления, т.е. величина ∆ P, и чем меньше расстояние между областями высокого и низкого давления, т.е. ∆ S, тем больше сила барического градиента, а, следовательно, тем больше будет скорость движения воздуха. Вектор силы барического градиента направлен от большего давления к меньшему.

Под воздействием силы барического градиента масса воздуха начинает перемещаться в направлении вектора силы барического градиента. С началом движения воздуха на его массу сразу же начинают оказывать влияние другие силы.

Отклоняющая сила вращения Земли, называемая силой Кориолиса (А), возникает вследствие вращения Земли вокруг своей оси.

Отклонение движущегося воздушного потока происходит потому, что он по инерции сохраняет первоначальное направление движения относительно мирового пространства, в то время как Земля под воздушным потоком поворачивается вокруг своей оси. Сила Кориолиса не меняет скорости движения потока, а лишь влияет на его направление. Эта сила всегда действует в направлении, перпендикулярном к направлению движения воздуха (u): вправо – в северном полушарии, влево – в южном.

Сила Кориолиса, действующая на единицу массы равна:

А = 2 w u sin j, (2.5.2)

где w – угловая скорость вращения Земли;

u – скорость воздушного потока;

j – широта места.

Из формулы видно, что величина силы Кориолиса зависит от географической широты и скорости воздушного потока. При неизменной скорости потока наибольшее значение сила Кориолиса имеет в высоких широтах, где j = 90°, а sin 90° = 1; наименьшее – в низких, где j = 0°, а sin 0° = 0.

В пограничном слое, где сказывается влияние трения воздуха о земную поверхность (примерно до высоты 1000-1500 метров), на движение воздуха оказывает действие еще и сила трения (F_Т). Она направлена в сторону, противоположную направлению движения, и уменьшает как величину скорости, так и угол между направлением барического градиента и направлением ветра.

Величина силы трения, действующей на единицу массы, равна:

F_Т = - k u, (2.5.3)

где u – скорость воздушного потока;

k – коэффициент трения.

Сила трения уменьшается с высотой. Численно величина силы трения соизмерима с силой барического градиента и силой Кориолиса.

В пограничном слое (до высоты 1000-1500м) на движение воздуха оказывают влияние три силы: сила барического градиента, сила Кориолиса и сила трения.

При постоянной скорости воздушного потока, т.е. установившемся движении, эти силы уравновешивают друг друга. В этом случае силу барического градиента уравновешивает сумма сил Кориолиса и трения (рис.7а).

а) б)

Рис.7. Взаимодействие сил при установившемся движении воздуха в слое трения (а)

и выше слоя трения (б)

Под воздействием уравновешенных сил воздушный поток в слое трения отклоняется вправо от направления силы барического градиента на угол a, меньший 90°. Этот угол называется углом отклонения. Угол отклонения зависит от коэффициента трения k и широты места j. При оценке направления ветра на приземных картах пользуются углом между направлением ветра и изобарой. Над сушей этот угол составляет 30°-40°, над морем 20°-30°. Отклонение ветра от изобары происходит в сторону низкого давления.

Выше слоя трения движение массы воздуха происходит под действием двух сил: силы барического градиента и силы Кориолиса.

С началом движения воздуха, вызванного действием силы барического градиента, под влиянием силы Кориолиса частицы воздуха начнут отклоняться вправо. Это будет происходить до тех пор, пока сила барического градиента и сила Кориолиса не уравновесят друг друга (F = А) и окажутся направлены в противоположные стороны (рис.7б). Движение воздуха станет установившимся и будет направлено вдоль изобар так, что низкое давление всегда будет находиться слева от потока. Скорость воздушного потока в данном случае определяется только силой барического градиента, и поэтому такой поток называется градиентным ветром.

У поверхности земли ветер направлен не вдоль изобар, а под некоторым углом к ним, и, если встать спиной к ветру, то низкое давление будет находиться слева несколько впереди, а высокое – справа и несколько позади наблюдателя. Это барический закон ветра (правило Бейс-Балло).

Зная влияние сил на движущуюся массу воздуха, можно представить направление движения воздушных потоков в барических системах в слое трения и выше него.

Под действием сил барического градиента, трения и силы Кориолиса в нижних слоях атмосферы в циклонах и антициклонах воздушные потоки отклоняются от направления силы барического градиента, образуя громадные вихри (рис.8). Выше слоя трения, где действуют лишь две силы – барического градиента и Кориолиса, воздушный поток направлен вдоль изобар.

В циклоне в слое трения ветры дуют от периферии к центру, против часовой стрелки, отклоняясь от изобар на некоторый угол. Выше слоя трения направление ветра совпадает с направлением изобар.

Рис 8. Ветер в слое трения в циклоне и антициклоне

В антициклоне в слое трения ветры дуют от центра к периферии по часовой стрелке, отклоняясь от изобар на некоторый угол. Выше слоя трения направление ветра совпадает с направлением изобар.

С увеличением высоты происходит изменение скорости и направления ветра. В слое трения с высотой сила трения уменьшается и поэтому скорость ветра возрастает (на высоте 500м скорость ветра примерно в 2 раза больше, чем у земли). Наряду с увеличением скорости с высотой происходит поворот ветра вправо. Угол отклонения постепенно увеличивается и на высоте около 1000м достигает 90°.

Выше слоя трения, в свободной атмосфере, скорость ветра может, как возрастать, так и убывать. Здесь встречаются и правые, и левые повороты ветра, а иногда могут наблюдаться воздушные течения, противоположные направлению ветра у земной поверхности.

Так как выше слоя трения ветер направлен вдоль изобар соответствующего уровня, то в свободной атмосфере изменение ветра обусловлено перестройкой высотного барического поля.

Ветер оказывает большое влияние на работу авиации. Режим ветра учитывается при выборе места расположения летного поля аэродрома, ориентировки и взаимного расположения нескольких взлетно-посадочных полос (ВПП). Ориентирование взлетно-посадочной полосы зависит прежде всего от направления преобладающего ветра. Основную ВПП ориентируют по направлению преобладающего ветра, остальные полосы являются вспомогательными. Повторяемость ветров различных направлений получают на основании многолетних климатических данных о ветре и представляют в виде диаграммы, называемой розой ветров (рис.9).

Рис.9. Роза ветров.

Ветер оказывает существенное влияние на взлетно-посадочные характеристики воздушных судов. От скорости и направления ветра зависит безопасность взлета и посадки воздушного судна, а также длина разбега и пробега. Встречный ветер уменьшает скорость отрыва и посадочную скорость, уменьшает длину разбега при взлете и длину пробега при посадке. Так, при встречном ветре со скоростью 70 км/ч длина разбега транспортного самолета сокращается примерно на 50%, а пробег самолета при ветре 20 км/ч будет меньше на 20-25%. При взлете встречный ветер создает дополнительный обдув, увеличивает устойчивость и управляемость самолета в начале движения.

Значительно усложняется взлет и посадка самолета при боковом ветре или при его больших боковых составляющих. Под влиянием дополнительных аэродинамических сил, образующихся при взлете или посадке с боковым ветром, возникают кренящий и разворачивающий моменты. При посадке самолета с боковым ветром основная трудность заключается в том, что пилоту приходится бороться со сносом самолета.

При полете на эшелоне ветер оказывает существенное влияние на наиболее важные в навигационном отношении элементы, определяющие точность самолетовождения. Это относится к направлению и скорости полета относительно земной поверхности, т.е. к путевой скорости и углу сноса. Путевая скорость самолета ` W представляет собой геометрическую сумму вектора воздушной скорости `V и вектора ветра` u:

W = V + u (2.5.4)

Из навигационного треугольника скоростей (рис.10) видно, что путевая скорость может существенно изменяться в зависимости от направления ветра. При постоянной воздушной скорости от направления и скорости ветра зависит продолжительность полета по воздушной трассе. Направление ветра оказывает влияние и на угол сноса. При боковом ветре путевой угол отличается от курсового угла, поэтому для достаточно точного выполнения полета по заданному маршруту нужно отсчитывать угол сноса.

Дальность полета зависит от километрового расхода топлива. Она будет тем меньше, чем сильнее встречный ветер и меньше скорость полета. В связи с этим в полетах на дальние расстояния приобретает большое значение выбор наиболее выгодного маршрута и профиля полета, обеспечивающих наименьшее время полета и экономное расходование топлива.

Рис. 10. Навигационный треугольник скоростей

g - курс самолета (угол между направлением на север и продольной осью самолета); ε - угол ветра (угол между вектором ветра и вектором путевой скорости); δ - угол направления ветра (угол между направлением на север и направлением вектора ветра); φ - угол сноса (угол между векторами воздушной и путевой скоростями); α - путевой угол (угол между направлением на север и вектором путевой скорости).

Ветер вызывает опасные явления, препятствующие производству полетов или усложняющие их. К таким явлениям относятся ураганы, шквалы, пыльные и песчаные бури, метели, сдвиг ветра.

С горизонтальным перемещением воздуха связан перенос водяного пара, облаков и различных погодных явлений, прямо или косвенно влияющих на производство полетов.

В зависимости от физико-географических особенностей района возникает местная циркуляция воздуха, которая получила название местные ветры: бризы, горно-долинные, фен, бора и др. Они могут привести к болтанке воздушного судна, значительно усложнить погодные условия в районе аэродрома и т.д., поэтому при взлете и посадке воздушного судна необходимо учитывать местные ветры.

Для измерения характеристик ветра у земли используют такие приборы, как флюгер, анемометр, анеморумбометр (рис.11). Это современные дистанционные электромеханические и оптико-электронно-механические приборы, датчики которых устанавливают на высоте 9-12 метров над поверхностью земли.

Рис.11. Приборы для измерения скорости и направления ветра

Размещение датчика (датчиков) в вертикальной плоскости должно обеспечивать

репрезентативную информацию о ветре на высоте 10 м (30 фут) над ВПП. Для того, чтобы получить информацию, отвечающую данному требованию, необходимо, чтобы датчик (датчики) были установлены над открытой местностью, которая определяется как местность, где любые препятствия на пути ветра (здания, деревья и т. д.) расположены на расстоянии от места размещения датчика, по крайней мере в десять раз превышающим высоту препятствия.

Датчики для наблюдений за приземным ветром, предназначенные для местных регулярных и специальных сводок, следует располагать таким образом, чтобы получить наиболее достоверные данные об условиях вдоль ВПП, например в зонах приземления. На аэродромах, где топографические или преобладающие погодные условия приводят к значительным различиям в приземном ветре на разных участках ВПП, следует устанавливать дополнительные датчики.

Ветер на высоте круга измеряют с помощью шар-пилота. При невозможности определения характеристик ветра на высоте круга инструментальным способом аэродромные метеорологические органы с синоптической частью обеспечивают предоставление прогностических данных.

Вопросы для самопроверки:

1. Что называется ветром, единицы измерения скорости и направления ветра?

2. Как осуществляется перевод одних единиц измерения скорости ветра в другие?

3. Что называется истинным, магнитным, градиентным ветром?

4. Какие силы действуют на движение воздуха в слое трения (выше слоя трения)?

5. За счет чего возникает сила барического градиента и как она действует?

6. За счет чего возникает сила Кориолиса и как она действует?

7. За счет чего возникает сила трения и как она действует?

8. Как направлен ветер по отношению к изобарам в слое трения (выше слоя трения)?

9. Каким образом изменяется скорость и направление ветра с высотой в слое трения (выше слоя трения)?

10. Как направлен ветер в циклоне (антициклоне) в слое трения (выше слоя трения)?

11. Сформулируйте барический закон ветра?

12. Каким образом учитывается ветер при проектировании ВПП?

13. Что такое роза ветров?

14. Как ветер влияет на взлетно-посадочные характеристики воздушных судов?

15. Какое влияние оказывает ветер на полет самолета на эшелоне?

16. Как меняется путевая скорость в зависимости от направления ветра?

17. Какие опасные для авиации явления погоды вызывает ветер?

18. Какими приборами измеряются характеристики ветра?

Поиск по сайту: