5.1. Термик

Основной нагрев воздуха не происходит непосредственно от солнечных лучей. Сначала тепловое излучение повышает температуру поверхности земли, а уже потом от нагретой поверхности путем теплопередачи нагревается ближайший к ней слой воздуха. Таким образом, температура нижних слоев воздуха в течение дня непрерывно меняется. Днем самым теплым будет слой воздуха, примыкающий непосредственно к поверхности. Ночью, по мере удаления от поверхности (до определенной высоты), температура воздушных слоев увеличивается (рис. 5.1.). Но в дальнейшем, как правило, с увеличением высоты воздушные слои становятся холоднее. С увеличением высоты на 300 м температура воздуха в среднем падает на 2°С. Средняя величина упоминается потому, что в отдельных слоях воздуха возникает противоположное ("инверсионное") явление, т. е. с увеличением высоты температура возрастает. Приведенные характеристики показывают распределение температуры нижних слоев воздуха в зависимости от высоты.

Рис. 5.1. Характеристика воздушных слоев

Но температура воздуха зависит не только от высоты. При солнечной погоде приземный воздушный слой над песчаным грунтом, сухим жнивьем, южным каменистым склоном, селением теплее, чем над болотистой местностью, лесом или водоемом. На степень прогрева влияют цвет и влагосодержание поверхности, а также тип растительного покрова. Над благоприятными с точки зрения нагрева поверхностями, как и на дне посуды с кипящей водой, образуются тепловые пузыри. Отрыв теплового пузыря от поверхности происходит в тот момент, когда его температура станет на 4-5°С выше температуры окружающей среды. Отрыву может способствовать и какое-нибудь чисто механическое воздействие: проезжающий транспорт, ряд деревьев, стоящих на пути движимых ветром пузырей, резкое изменение рельефа и т. д. (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Образование термиков

При рассмотрении движения тепловых пузырей предположим, что теплообмен между поднимающимся пузырем и окружающим его воздухом отсутствует, т. е. не происходит охлаждения теплового пузыря. Очевидно, что это предположение справедливо лишь в первом приближении, и, как будет видно из дальнейших рассуждений, воздействие турбулентности приводит к значительному теплообмену между тепловым пузырем и окружающим его воздухом. Независимо от влияния окружающей среды определяющим фактором температуры теплового пузыря является атмосферное давление. Давление меняется с высотой. Если пренебречь влиянием окружающего воздуха, то температура теплового пузыря зависит от высоты. Таким образом, температура восходящего теплового пузыря понижается на 1°С через каждые 100 м подъема. При этом воздух пузыря может настолько охладиться, что имеющиеся в нем водяные пары сконденсируются, образуя облако. Понижение температуры восходящего пузыря в облаке замедляется.

Рис. 5.3. Пример перехода воздушных масс в различные состояния: 1 - температура воздуха; 2 - температура восходящего теплового пузыря; 3 - уровень конденсации; 4 - инверсия

Давайте проследим за движением пузыря (рис. 5.3)! В первой фазе температура окружающего воздуха понижается быстрее, чем температура пузыря. Разность температур этих воздушных масс увеличивается, с увеличением высоты одновременно возрастает и скорость подъема пузыря. Такое состояние называется лабильным, т. е. неустойчивым. Во второй фазе разность температур двух масс воздуха не меняется. Значит, состояние атмосферы является нейтральным. В третьей фазе движение теплового пузыря ослабляется, т. е. состояние атмосферы является стабильным, а это не способствует образованию термика, нейтральная или лабильная обстановка создает средние или хорошие условия для парения. Выше уровня конденсации охлаждение теплового пузыря замедляется и аэродинамические условия снова становятся нестабильными. Поэтому вертикальная скорость потока при достижении основания облака возрастает. Когда температура пузыря станет равной температуре окружающего воздуха, подъемная сила исчезнет и пузырь смешается с окружающим его воздухом. В приведенном примере дальнейший подъем ограничен инверсией.

Рис. 5.4. Структура термика: а - тепловой пузырь; б - термический поток (труба)

На рис. 5.4 показано сечение идеального теплового пузыря. Он поднимается подобно запущенному курильщиком колечку табачного дыма. Скорость восходящего потока в середине горизонтального сечения термика может быть намного больше средней скорости подъема самого пузыря. Значит, выполняя виражи в ядре пузыря, можно подниматься вместе с ним, не боясь "выпасть" из него. Восходящий поток окружен нисходящей зоной. Чередующиеся друг за другом тепловые пузыри могут образовывать практически непрерывный восходящий поток - так называемую термическую трубу, которая в отдельных случаях распространяется от поверхности до уровня инверсии.

Первые слабые пузыри отрываются в летнее время около 10 ч утра, затем образуются более мощные восходящие потоки. Около полудня следует учитывать значительные нисходящие потоки. Во второй половине дня (около 2-3 ч), термические потоки достигают максимальной силы, а затем (к пяти-шести часам вечера) прекращаются. По образованию кучевых облаков (кумулус) можно судить о том, где образуются восходящие потоки. Кучевое облако является характерным для солнечного летнего дня. Главной особенностью разбросанных по небу облаков являются то, что они "живут": терпеливый наблюдатель может даже невооруженным глазом проследить их трансформацию, видеть, как они возникают из ничего, развиваются, а потом, рассеиваясь, исчезают. Начало отрыва пузырей показывает возникающие пятна облаков, продолжительность жизни которых всего 5-10 мин. Развивающееся в форме кочана цветной капусты облако с четко очерченными границами, с плоским темным основанием характеризуется, как правило, сильным восходящим потоком. Под дробящимся рассеивающимся облаком со стирающимися границами можно найти скорее всего только нисходящий поток. Толщина этих облаков 600-700 м, а высота образования в наших широтах составляет в среднем 2000 м, продолжительность жизни - около получаса. Скорость восходящего потока в среднем составляет 2-3 м/с (скорость подъема дельтаплана 1-2 м/с). Но в отдельных случаях достигает 4-6 м/с (скорость подъема дельтаплана 3-5 м/с). Кучевые облака, а вместе с ними и восходящие потоки, находятся друг от друга в среднем на расстоянии D = 2,5H, где H - высота облака от его основания до вершины.

Кумулусы, выстраивающиеся в линию, образуют гряды облаков. При очень нестабильном состоянии атмосферы кумулусы уплотняются и приобретают форму башен. Под кучево-дождевыми облаками, кумулусами высотой 4000-10000 м могут возникать мощные восходящие потоки, которые временами поднимают дельтаплан со скоростью 20 м/с, при этом возникает сильная турбулентность, поэтому дельтапланеристы могут совершать полеты лишь на расстоянии нескольких километров от этих облаков. Однако не всякий термик завершается кучевым облаком. И под безоблачным небом могут образовываться так называемые сухие термики, подъемная сила, высота и расположение которых могут быть аналогичны наблюдаемым при кучевых облаках.