Влияние турбулентности на температурный режим атмосферы

Тропосфера получает непосредственно от Солнца сравнительно малое количество тепла, основным же его источником является поверхность Земли. В процессе вертикального обмена теплом между Землей и атмосферой главную роль играет турбулентный теплообмен и испарение. Это значит, что материальными носителями тепла являются некоторые объемы юз- духа, имеющие температуру, .отличную от температуры окружающей среды. Рассмотрим, как образуются такие объемы и какую форму они имеют, поскольку от этого зависит температурный режим в атмосфере.

В аэрогидродинамике доказывается, что даже в однородном газе или жидкости упорядоченное движение с параллельными линиями тока наблюдается лишь до определенных критических условий, а по их достижении наблюдается срыв струй и в потоке образуются вихри. Критерием таких условий является число Рейнольдса

Поскольку для однородного газа или жидкости р и μ постоянны, то критические условия для завихрения потока определяются соотношением размеров движения (объемом жидкости или газа) и скорости потока.

Критерий Рейнольдса выражает отношение сил инерции к силам вязкости. Это значит, что по достижении некоторой скорости силы вязкости становятся недостаточными, чтобы удерживать поток в состоянии упорядоченного движения. В атмосфере критическое число Рейнольдса достигается при очень малых скоростях ветра (порядка 1 м/сек), а это значит, что атмосферные движения почти всегда турбулентны.

Другой причиной турбулентности является действие сил трения о подстилающую поверхность. При движении воздуха около твердой или жидкой поверхности нижние слои воздуха как бы прилипают к поверхности, поэтому с удалением от нее скорость потока увеличивается, движение становится неустойчивым и происходит его завихрение.

Турбулентность в атмосфере образуется также и в результате конвекции. Если поверхности суши или воды имеют разную температуру в различных местах, то над более прогретой частью воздух прогревается быстрее, чем над менее прогретой. В результате этого начинают действовать архимедовы силы, и достаточно небольшой причины, чтобы нарушить равновесие и вызвать поднятие более теплого, а следовательно, и менее плотного воздуха. Вначале это поднятие осуществляется в виде струек, а затем в вышележащем потоке они завихриваются и со временем, растворяясь, отдают тепло окружающему воздуху благодаря перемешиванию с ним.

Из-за турбулентности атмосферы температура воздуха испытывает непрерывные случайные колебания около некоторого среднего значения. Пример случайных мгновенных колебаний температуры воздуха над океанами показан на рис. 77.

На этом рисунке по горизонтальной оси отложено время в секундах, а по вертикальной — разность температур в двух точках, отстоящих друг от друга на расстояние 4 м; высота обеих точек 5 м над водной поверхностью. Если бы в атмосфере не было турбулентности, то разность температур была бы близка к нулю или имела постоянное значение. В действительности в среднем за 10 мин. она составила величину 0°,29 и испытывала непрерывные мгновенные колебания, отклонение которых от среднего значения достигало несколько больше чем ±0°,2.

Картину, показанную на рисунке, можно объяснить следующим образом. Атмосфера наполнена объемами воздуха различной температуры. Эти объемы сравнительно велики, их размеры больше нескольких сантиметров, поэтому на малых расстояниях измерение производится в одном сравнительно однородном объеме. С увеличением расстояний между точками измерений каждая из них попадает в разные объемы, вследствие чего разность температур увеличивается. Чем больше будет расстояние между точками, тем вероятнее, что между ними будет большая -разность температур.

Измерения показывают, что размеры таких неоднородностей бывают от нескольких дециметров до десятков метров. Размеры этих неоднородностей увеличиваются с удалением от поверхности Земли, поскольку при соприкосновении с ней происходит их разрушение. Таким образом, у поверхности Земли отмечаются более мелкие неоднородности температуры, чем на больших высотах. В связи с этим частота колебаний температуры с высотой уменьшается. Наличие мгновенных колебаний температуры является причиной многих явлений. Например, ими определяется мерцание света, колебания напряженности электромагнитного поля радиоволн, обусловленные мгновенными изменениями коэффициента преломления атмосферы.

Кроме турбулентности, изменения температуры вызываются и систематическими причинами, главной из которых является периодичность поступления тепла на поверхность Земли и изменение температуры подстилающей поверхности по мере движения воздушного потока. Для того чтобы выявить такие изменения, нужно отвлечься от мгновенных колебаний температуры. Это достигается ее осреднением за сравнительно продолжительный срок. Результатом периодичности притока солнечной энергии на поверхность Земли являются периодические изменения температуры воздуха (суточный и годовой ход ее).