Желдің биіктікке қарай күшін өзгеруі және жер бетімен өзара әрекеттесуі

Кіріспе

Жел күшінің бірлік биіктік өсуіне шаққандағы өсім қарқыны

көлденең желдің Жер бетімен өзара әрекеттесуі.

Күнделікті қолданыста жел градиенті, нақтырақ айтқанда жел жылдамдығы градиенті немесе жел жылдамдығының өзгеру градиенті, немесе басқаша айтқанда, жылдамдық градиенті – төменгі атмосферадағы орташа көлденең жел жылдамдығы градиентінің тік компоненті. Бұл – жер бетінен биіктік бірлігіне қарай жел күшінің өсу қарқыны. Жер бетіндегі үйкеліс желдің жылдамдығын баяулатып, бағытын өзгертетін төменгі қабат планеталық шекаралық қабат деп аталады. Күндізгі күн сәулесінің әсерінен Жер беті қызып, шекаралық қабат қалыңдайды, себебі Жердің ыстық бетімен жанасқан ауа жоғары көтеріліп, жоғарыдағы ауамен араласады. Түнде радиациялық салқындату жер бетіндегі желдерді шекаралық қабаттан жоғарыдағы желдерден біртіндеп ажыратып, жер бетінде тік жел жылдамдығының өзгеруін күшейтеді, бұл да жел градиенті деп аталады.

Қасиеттері

Әдетте, аэродинамикалық соғудың салдарынан жел ағынында, әсіресе Жер бетінен жоғары алғашқы бірнеше жүз метрде, планеталық шекаралық қабаттың беткі қабаты қалыптасады. Желдің жылдамдығы жерден биіктік көтерілген сайын артады, бастапқыда сіреудің болмауынан нөлдік мәннен басталады. Жер бетіне жақын ағын желдің жылдамдығын төмендететін кедергілерге кездеседі, сондай-ақ ағынның бағытына перпендикуляр кездейсоқ тік және көлденең жылдамдық компоненттерін тудырады. Бұл турбуленттілік әртүрлі биіктіктегі көлденең қозғалатын ауаның тік араласуына себеп болады, бұл ластаушы заттардың таралуына әсер етеді. Су беті салыстырмалы түрде тегіс болғандықтан, желдің жылдамдығы теңізге жақын жерде құрлықтағыдай қатты төмендемейді. Қала немесе бедерлі жер үстінде жел градиентінің әсерінен жоғарыдағы геострофиялық желдің жылдамдығы 40%-дан 50%-ға дейін төмендеуі мүмкін, ал ашық суда немесе мұзда бұл көрсеткіш 20%-дан 30%-ға дейін ғана жетеді. Инженерлік есептеулер үшін жел градиенті жер беті түріне байланысты тұрақты экспоненциалдық коэффициенті бар қуат заңы бойынша өзгеретін тік жылдамдық профилі ретінде қарастырылады. Жер бетінің үйкелісі желдің жылдамдығына ескерілмейтін биіктік "градиент биіктігі" деп аталады, ал осы биіктіктен жоғары желдің жылдамдығы "градиенттік желдің жылдамдығы" деп аталатын тұрақты шама деп есептеледі. Мысалы, ірі қалалар үшін болжамды градиент биіктігі 457 м, қала шеттері үшін 366 м, ашық жер үшін 274 м және ашық теңіз үшін 213 м құрайды. Қуат заңының экспоненталық көрсеткішін пайдалану ыңғайлы болғанымен, оның теориялық негізі жоқ. Егер температура профилі адиабатикалық болса, желдің жылдамдығы биіктікке қарай логарифмдік түрде өзгеруі керек. 1961 жылы ашық жерде жүргізілген өлшеулер 100 метрге дейінгі биіктікте логарифмдік сәйкестікпен жақсы келісімді көрсетті, ал 1000 метрге дейін желдің орташа жылдамдығы тұрақты болды. Желдің қиылысы көбінесе үш өлшемді болады, яғни "бос" қысыммен туындаған геострофиялық жел мен жерге жақын желдің бағыты да өзгереді. Бұл Экман спиралінің әсерімен байланысты. Ашық суда бұрылған агеострофиялық ағыстың изобараға қатысты бұрышы 10°-тан 30°-қа дейін, бедерлі жерлерде 30°-қа дейін, ал желдің жылдамдығы өте төмен болған кезде түнде 40°-тан 50°-қа дейін жете алады. Түнде радиациялық салқындану салдарынан атмосфералық тұрақтылық пайда болып, турбуленттік айналымдарды тік бағытта шектейді, бұл жел градиентін күшейтеді. Жел градиентінің шамасына конвективті шекаралық қабаттың биіктігі әсер етеді, және бұл әсер теңізде одан да күшті, себебі онда жердегідей тәуліктік өзгеріс байқалмайды. Конвективті шекаралық қабаттағы күшті араласу желдің тік градиентін азайтады.

Typically, due to aerodynamic drag, there is a wind gradient in the wind flow, especially in the first few hundred meters above the Earth's surface—the surface layer of the planetary boundary layer. Wind speed increases with increasing height above the ground, starting from zero due to the no slip condition. Flow near the surface encounters obstacles that reduce the wind speed, and introduce random vertical and horizontal velocity components at right angles to the main direction of flow. This turbulence causes vertical mixing between the air moving horizontally at various levels, which has an effect on the dispersion of pollutants, Because of the relatively smooth water surface, wind speeds do not decrease as much close to the sea as they do on land. Over a city or rough terrain, the wind gradient effect could cause a reduction of 40% to 50% of the geostrophic wind speed aloft; while over open water or ice, the reduction may be only 20% to 30%. For engineering purposes, the wind gradient is modeled as a simple shear exhibiting a vertical velocity profile varying according to a power law with a constant exponential coefficient based on surface type. The height above ground where surface friction has a negligible effect on wind speed is called the "gradient height" and the wind speed above this height is assumed to be a constant called the "gradient wind speed". For example, typical values for the predicted gradient height are 457 m for large cities, 366 m for suburbs, 274 m for open terrain, and 213 m for open sea. Although the power law exponent approximation is convenient, it has no theoretical basis. When the temperature profile is adiabatic, the wind speed should vary logarithmically with height, Measurements over open terrain in 1961 showed good agreement with the logarithmic fit up to 100 m or so, with near constant average wind speed up through 1000 m.

The shearing of the wind is usually three dimensional, that is, there is also a change in direction between the 'free' pressure driven geostrophic wind and the wind close to the ground. This is related to the Ekman spiral effect. The cross isobar angle of the diverted ageostrophic flow near the surface ranges from 10° over open water, to 30° over rough hilly terrain, and can increase to 40° 50° over land at night when the wind speed is very low. Atmospheric stability occurring at night with radiative cooling tends to contain turbulent eddies vertically, increasing the wind gradient. The magnitude of the wind gradient is largely influenced by the height of the convective boundary layer and this effect is even larger over the sea, where there is no diurnal variation of the height of the boundary layer as there is over land. In the convective boundary layer, strong mixing diminishes vertical wind gradient.

Желкендеу

Жел жүрісі кезінде желдің градиенті желкенді қайықтарға желдің мачта бойындағы әртүрлі биіктікте әртүрлі жылдамдықпен әсер етеді. Бағыты да биіктікке қарай өзгереді, бірақ теңізшілер мұны "жел қиылысы" деп атайды. Мачта басындағы аспаптардың көрсеткіштері бойынша желдің жылдамдығы мен бағыты, теңізшінің бетке жақын сезетін және көретін нәрседен өзгеше болады. Бір дереккөзге сәйкес, желдің градиенті желдің жылдамдығы 6 түйінден жоғары болғанда желкенді қайықтар үшін маңызды емес (өйткені беттегі 10 түйіндік желдің жылдамдығы 300 метрде 15 түйінге тең келеді, сондықтан жылдамдықтың өзгеруі қайықтың мачтасының биіктігінде сезілмейді). Сол дереккөзге сәйкес, 5 түйіндік желде желдің биіктігі шамамен 10 метрге дейін тұрақты түрде артады, бірақ желдің күші азайғанда бұл өсім азаяды. Бұл дереккөз сондай-ақ, орташа жылдамдығы алты түйін немесе одан да көп желде, жылдамдықтың биіктікке байланысты өзгеруі негізінен бетке жақын бір-екі метрге шектеледі деп мәлімдейді. Бұл басқа деректермен де сәйкес келеді, олар желдің жылдамдығының өзгеруі 2 метрден жоғары биіктікте өте аз екенін көрсетеді, ал Австралия Метеорология бюросының мәлімдемесіне сәйкес, тұрақсыз ауадағы айырмашылық 5% құрайды. Кейтсерфингте желдің градиенті одан да маңызды, себебі кейт 20-30 метрлік желілерде ұшырылады, ал кейтсерфингші осы кейтті пайдаланып судан секіріп, теңіз бетінен одан да биікке көтеріле алады.

Дыбыс таралуы

Желдің градиенті төменгі атмосферада дыбыстың таралуына айқын әсер ете алады. Бұл эффект дыбыстың алыстан таралуын түсіну үшін маңызды, мысалы, тұман мүйізі, күн күркірі, дыбыстық соққы, оқ ату немесе тұманды бұрқалайтын басқа құбылыстар сияқты. Бұл сондай-ақ шу ластануын зерттеуде маңызды, мысалы, жол шуы мен ұшақтың шуы, және шу кедергілерін жобалауда ескерілуі керек. Желдің жылдамдығы биіктікке қарай өскенде, көзден тыңдаушыға қарай соғатын жел дыбыс толқынын төмен қарай сындырады, нәтижесінде кедергіден жел соққан жағында шу деңгейі артады. Бұл әсерлер алғаш рет 1960 жылдары автомобиль жолдары саласында шу кедергілерінің тиімділігінің өзгеруіне байланысты сандық түрде анықталды. Күн Жердің бетін жылытқанда атмосферада теріс температуралық градиент пайда болады. Дыбыс жылдамдығы температураның төмендеуімен төмендейді, сондықтан бұл да дыбыс жылдамдығының теріс градиентін тудырады. Дыбыс толқынының алдыңғы жағы жерге жақын жерде жылдам жүреді, сондықтан дыбыс жоғарыға қарай, жердегі тыңдаушылардан алыстатылады, бұл көзден белгілі бір қашықтықта акустикалық көлеңке жасайды. Дыбыс жолының қисықтық радиусы жылдамдық градиентіне кері пропорционал. Жел жылдамдығының градиенті 4 (м/с)/км болса, температураның қалыпты өзгеру жылдамдығы 7,5 °C/км-ге тең сындыру пайда болады. Желдің жоғары градиенті дыбысты төменге қарай жел бағытында сындырады, жел бағытындағы акустикалық көлеңкені жояды. Бұл жел соққан бағыттағы дыбыстардың естілуін арттырады. Бұл желдің соққан әсері желдің градиенті болғандықтан пайда болады; дыбысты жел алып жүрмейді. Әдетте желдің де, температураның да градиенті болады. Бұл жағдайда жағдай мен бақылаушының орналасуына байланысты екеуінің де әсері қосылуы немесе кемітуі мүмкін. Жел градиенті мен температура градиенті күрделі өзара әрекеттесуі мүмкін. Мысалы, тұман мүйізін көз жақын жерде және алыс жерде естіуге болады, бірақ олардың арасында дыбыс көлеңкесі болмайды. Дыбыс тік бағытта тарағанда, желдің градиенттері желсіз жағдайға қарағанда дыбыс таралуын айтарлықтай өзгертпейді; градиент әсері тек желге қарсы және желмен бір бағыттағы конфигурацияларда маңызды болып көрінеді. Дыбыс таралуы үшін желдің жылдамдығының биіктікке қарай экспоненциалды өзгеруін былай анықтауға болады: себебі олар желден төмен алты миль жердегі шайқастың дыбыстарын естімеді. Ғалымдар 1900 жылдардың ортасынан бастап жел градиентінің дыбыстың сындырылуына әсерін түсінген; алайда, АҚШ-тың Шуды бақылау туралы заңының қабылдануымен, бұл сындыру құбылысы 1970 жылдардың басында кеңінен қолданыла бастады, негізінен автомобиль жолдарынан таралатын шуды және көлік инфрақұрылымын жобалауды қарастыруда.

Wind gradient can have a pronounced effect upon sound propagation in the lower atmosphere. This effect is important in understanding sound propagation from distant sources, such as foghorns, thunder, sonic booms, gunshots or other phenomena like mistpouffers. It is also important in studying noise pollution, for example from roadway noise and aircraft noise, and must be considered in the design of noise barriers. When wind speed increases with altitude, wind blowing towards the listener from the source will refract sound waves downwards, resulting in increased noise levels downwind of the barrier. These effects were first quantified in the field of highway engineering to address variations of noise barrier efficacy in the 1960s. When the sun warms the Earth's surface, there is a negative temperature gradient in atmosphere. The speed of sound decreases with decreasing temperature, so this also creates a negative sound speed gradient. The sound wave front travels faster near the ground, so the sound is refracted upward, away from listeners on the ground, creating an acoustic shadow at some distance from the source. The radius of curvature of the sound path is inversely proportional to the velocity gradient. A wind speed gradient of 4 (m/s)/km can produce refraction equal to a typical temperature lapse rate of 7.5 °C/km. Higher values of wind gradient will refract sound downward toward the surface in the downwind direction, eliminating the acoustic shadow on the downwind side. This will increase the audibility of sounds downwind. This downwind refraction effect occurs because there is a wind gradient; the sound is not being carried along by the wind. There will usually be both a wind gradient and a temperature gradient. In that case, the effects of both might add together or subtract depending on the situation and the location of the observer. The wind gradient and the temperature gradient can also have complex interactions. For example, a foghorn can be audible at a place near the source, and a distant place, but not in a sound shadow between them. In the case of transverse sound propagation, wind gradients do not sensibly modify sound propagation relative to the windless condition; the gradient effect appears to be important only in upwind and downwind configurations. For sound propagation, the exponential variation of wind speed with height can be defined as follows: because they could not hear the sounds of battle only six miles downwind. Scientists have understood the effect of wind gradient upon refraction of sound since the mid 1900s; however, with the advent of the U. S. Noise Control Act, this refractive phenomenon was widely used beginning in the early 1970s, chiefly in the consideration of noise propagation from highways and resultant design of transportation facilities.

Желдің ауытқуы көтеріледі

Желдің градиентімен тіктеп ұшу, сондай-ақ динамикалық тіктеп ұшу деп аталады, бұл альбатростарды қоса алғанда, тіктеп ұшатын құстар қолданатын тәсіл. Егер жел градиенті жеткілікті күшті болса, құс жел градиентіне көтеріліп, жер жылдамдығын биіктікке айырбастап, әуе жылдамдығын сақтай алады. Содан кейін желге қарсы бұрылып, жел градиенті арқылы сүңгіп түсе отырып, олар да энергия жинай алады.