урок 22. Перемещение воздуха. Ветер
§ 22. Перемещение воздуха. Ветер
Вспоминаем
• Почему температура воздуха днем и ночью разная?
• Что нагревается и остывает быстрее: вода или суша?
О чем узнаем
• Почему воздух находится в постоянном движении.
• Почему дует ветер и каким он бывает.
• Как живые организмы используют ветер.
Воздух находится в постоянном движении. Перемещение воздуха мы можем наблюдать как высоко в небе, так и у поверхности Земли. Благодаря перемещению воздуха движутся облака, летит воздушный шарик, качаются ветви деревьев.
Почему воздух движется? Мы знаем, что при нагревании воздух расширяется, становится менее плотным и более легким. Он поднимается вверх — происходит восходящее движение. Более плотный прохладный воздух занимает его место. Вверху воздух постепенно охлаждается и опускается вниз —нисходящее движение. Такое явление можно понаблюдать в помещении с помощью зажженной свечи (рис.
77). Приоткроем дверь из коридора в комнату и в дверном проеме поставим свечу на пол. Пламя свечи будет отклоняться в сторону комнаты. Приподнимем свечу в верхнюю часть дверного проема. Теперь пламя отклонится в сторону коридора. Это происходит потому, что воздух движется. Более тяжелый наружный воздух поступает в комнату понизу, у пола. Теплый воздух, вытесняемый тяжелым холодным воздухом, поднимается вверх и уходит из комнаты через верхнюю часть дверного проема.
Сейчас на улице холоднее, чем в комнате. Если открыть окно, холодный воздух с улицы поступит в комнату и вытеснит теплый воздух. Наблюдать такое явление может каждый из нас. Это позволяет понять причины движения воздуха в воздушной оболочке Земли. Воздух находится в постоянном движении из-за неравномерного нагревания.
Почему дует ветер? Мы уже знаем, что воздух нагревается от поверхности Земли. Над более нагретой поверхностью теплый воздух поднимается вверх.
На его место с более
охлажденной поверхности Земли перемещается холодный воздух (рис. 78). Горизонтальное перемещение воздуха вдоль поверхности Земли называют ветром. Чем быстрее вверх поднимается теплый воздух, тем быстрее над поверхностью Земли перемещается холодный. Тем сильнее дует ветер. Характеристики ветра. Основными характеристиками ветра являются направление, сила и скорость. Простейший прибор для определения направления ветра — флюгер. Направление ветра определяют по стороне горизонта, откуда он дует. Южный ветер дует с юга, восточный — с востока (рис. 79).
Для изображения направления ветров на карте используют стрелки. Важной характеристикой является сила ветра. Ее оценивают по 12-бальной шкале. Ветер бывает слабым, сильным или ураганным. Он может дуть порывами — сильнее или слабее.
Сила ветра зависит от его скорости. Чем сильнее ветер, тем больше его скорость. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду (м/с).
Например, ветер в 10 баллов распространяется со скоростью 20 м в секунду. Скорость ветра в 12 баллов превышает 35 м/с.
До появления приборов для определения силы ветра его определяли по местным признакам: у моря — по высоте волн, на суше — по качающимся деревьям, по дыму из труб (рис. 80).
Значение ветра. Человек издавна использовал силу ветра: строил ветряные мельницы и парусные лодки.
В наши дни направление и сила ветра тоже широко используются. Например, наиболее благоприятным для взлета и посадки является встречный ветер. Он сокращает взлетное и посадочное расстояния, ускоряет взлет и посадку, что облегчает управление самолетом (рис. 81). Кроме того, в местах, где в течение года часто дует ветер, устанавливают ветрогенераторы для получения электроэнергии. На территории Беларуси действует более 20 ветроустановок. Ветер изменяет формы поверхности Земли. Он разрушает горные породы и переносит их обломки на большие расстояния.
Многие животные (насекомые, птицы, летучие мыши) используют ветер при передвижении. Некоторые растения благодаря ветру распространяют плоды и семена. Ветер так-же способствует опылению растений.
Подведем итог!
Воздух находится в постоянном движении из-за неравномерного нагревания.
Ù Горизонтальное перемещение воздуха вдоль поверхности Земли называется ветром.
Ù Ветер бывает разным по направлению, силе и скорости.
Ù Человек использует силу ветра. Ветер разносит семена растений, многие животные используют ветер при передвижении.
Проверим свои знания
1. Как мы может наблюдать перемещение воздуха?
2. Что называют ветром?
3. Назовите простейший прибор для определения направления ветра.
4. В Беларуси ветры чаще всего дуют с запада. Узнайте погоду за прошедший месяц и решите, верно ли это.
5. Почему воздушного змея мы запускаем только в ветреную погоду?
Почему тёплый воздух легче холодного
Zefirka > Наука и технологии > Почему тёплый воздух легче холодного
Нас окружает большое количество явлений, к которым мы давно привыкли.
Причём настолько, что нередко не задаёмся вопросами, почему так, а не иначе, или что это означает. Например, все знают, что тёплый воздух легче холодного и от этого поднимается вверх. Но что означает “легче”?
1.
То есть простой вроде бы вопрос на самом деле таковым не является. И даже вызывает горячие споры.
Дело в объёме, а не в массе
На самом деле, конечно, говорить о том, что горячий воздух “легче” холодного, несколько некорректно. Дело в том, что по мере повышения температуры газа скорость молекул нарастает. Следовательно, расстояние между ними будет тоже увеличиваться. А это означает, что горячий воздух станет занимать больше пространства.
Таким образом, один и тот же объём газа в нагретом состоянии станет меньше давить на квадратный сантиметр или любую другую единицу поверхности. Этим и объясняется его “лёгкость”. Но за счёт чего такое стало возможным?
От температуры зависит плотность газа. Наверх постоянно будет стремиться тот, у которого плотность меньше.
Или, если перефразировать, у кого при равной массе больше объём. Это касается всех тел и распространяется и на газы тоже.
Молярно-кинетическая теория газов
Вопрос с лёгким горячим воздухом хорошо объясняется этой теорией. Среднюю кинетическую энергию молекул определяет температура. Зависимость простая: чем выше температура, тем выше кинетическая энергия молекул газа. А это означает, что молекулы начинают двигаться быстрее. И в результате данного процесса расстояние между ними возрастает. За счёт этого плотность газа и уменьшается, поскольку увеличивается объём.
2.
Однако земная гравитация мешает молекулам газа в процессе разогрева отправляться в путешествие в космос. То есть на воздух действует несколько сил. И в то время как одни “выталкивают” его при нагревании на поверхность, другие притягивают вниз.
Так ли всё очевидно?
Кажется, что для понимания процессов, которые происходят с тёплым и холодным воздухом, достаточно школьного курса знаний.
Однако если начать разбираться в происходящем глубже, то возникает немало интересных вопросов. Например, выше говорилось о кинетической энергии у молекул. Но откуда она у них вообще берётся?
Движение молекул связано с энергией импульса, которая заставляет их стремиться за снарядами. Например, если посмотреть на пар, то на него воздействует краснофотонное излучение. Оно импульсами и задаёт движение. В итоге разреженный газ начинает стремиться в область, где давление не такое высокое, как внизу, а плотность меньше. И это движение будет сохраняться до тех пор, пока поток воздуха не встретит преграду или пока он не остынет.
Почему тёплый воздух движется наверх?
Воздух нагревается, расширяется, после чего устремляется наверх. В физике это носит название конвективных перемещений. В реальной жизни на движение воздушных масс влияет не один фактор, а целый ряд. В частности, это разница температур, показателей давления и гравитационная сила.
3.
Конвекция
Допустим, если вы откроете форточку зимой, то оттуда к нам начнёт попадать холодный воздух.
Его температура заметно ниже температуры тех масс, которые находятся в помещении. Так что зимой разницу между потоками воздуха можно даже наблюдать: холодный воздух буквально стелется по полу.
Молекулы воздуха обладают излучением. Оно возрастает по мере увеличения температур. В процессе активности молекулы как бы отстреливают импульсы, причём благоприятные условия для такой активности создаются в области сниженного давления. То есть наверху.
В итоге тёплые молекулы воздуха движутся наверх. А их место занимают более холодные. То есть благодаря гравитации холодный воздух будет опускаться вниз. Именно так и работает конвекция.
Зачем эти знания нужны на практике?
Понимание конвекции позволяет создавать системы отопления. Разобраться с микроклиматом в доме без подобных знаний в противном случае бы не получилось. Главное – вспомнить физику.
Наука и технологии 27 апреля, 2020 1 366 просмотров
NWS JetStream — Теория «посылки»
Общеизвестно, что теплый воздух поднимается вверх.
Обычно предполагается, что это связано с тем, что теплый воздух легче холодного. Хотя это верно, существует более фундаментальный процесс, который имеет место для причины подъема теплого воздуха.
Теплый воздух поднимается в первую очередь из-за его меньшей плотности по сравнению с более холодным воздухом. С повышением температуры плотность воздуха уменьшается. Но даже воздух меньшей плотности не начнет подниматься сам по себе.
Первый закон физики Исаака Ньютона состоит в том, что скорость объекта останется постоянной, пока на этот объект не будет воздействовать другая сила. Более распространенный способ сказать это: «Объект в состоянии покоя имеет тенденцию оставаться в покое, а объект в движении стремится оставаться в движении».
Вот почему одного лишь уменьшения плотности воздуха недостаточно, чтобы вызвать подъем воздуха. Должна быть другая сила, действующая на менее плотный воздух, чтобы он начал движение вверх.
Эта сила — «гравитация».
Роль гравитации заключается в том, что она охлаждает,
Так работает полет на воздушном шаре. Пламя используется для нагревания воздуха внутри воздушного шара, делая его менее плотным. Снаружи воздушного шара более холодный и плотный воздух притягивается вниз под действием силы тяжести. Более холодный воздух подрезает более теплый и менее плотный воздух внутри воздушного шара, заставляя его подниматься.
Вот почему грозы часто образуются на фронтах погоды. Фронт представляет собой границу, где более холодный и плотный воздух подрезает менее плотный и теплый воздух, заставляя его подниматься в атмосферу, образуя штормы.
В метеорологии мы часто относимся к «воздушным карманам» так же, как к полетам на воздушном шаре.
Теория «посылки» имеет несколько предположений.
- В стабильной атмосфере поднимающийся пакет становится холоднее, чем окружающая среда, замедляющая или заканчивающая его подъем (левое изображение). В нестабильной атмосфере температура посылки выше, чем температура окружающей среды, поэтому она остается плавучей и будет продолжать расти (правое изображение).
В обоих случаях скорость охлаждения посылки остается фиксированной. Следовательно, стабильность/нестабильность основана на вертикальном температурном профиле атмосферы. Обычно мы предполагаем, что отношение влажного воздуха к сухому на участке остается постоянным по мере того, как он поднимается (или опускается) в атмосфере. - Мы также предполагаем, что к посылке не подключен внешний источник отопления.
- Любая ненасыщенная посылка (относительная влажность менее 100%) будет охлаждаться (или опускаться) со скоростью 9,8°C на 1000 метров (5,5°F/1000 футов) до тех пор, пока относительная влажность не станет 100% (воздух станет насыщенным). ).
- Любая насыщенная посылка (посылка с относительной влажностью 100 %) охлаждается медленнее. Это связано с тем, что в процессе конденсации водяного пара в жидкость выделяется тепло. Высвобождающееся тепло, добавляемое в атмосферу, замедляет скорость охлаждения.
Из-за множества различных влияний на поток восходящего воздуха большинство, если не все, предположения не всегда будут на 100% верны. Тем не менее, «теория посылок», хотя и является чрезмерным упрощением реальных процессов в атмосфере, является хорошим способом осмысления того, как атмосфера создает погоду.
Целью просмотра посылок является помощь в определении стабильности атмосферы. Когда ненасыщенный пакет поднимается, он будет охлаждаться с фиксированной скоростью 90,8°C на 1000 метров (5,5°F/1000 футов).
Если температура поднимающегося посылки упадет ниже температуры окружающей атмосферы (из-за ее охлаждения), посылка станет более плотной, чем окружающая среда, и гравитация замедлит или даже обратит вспять подъем. Это называется отрицательной энергией и означает, что атмосфера на этом уровне «стабильна».
Если температура поднимающегося посылки остается выше температуры окружающей атмосферы (несмотря на ее охлаждение), то посылка, будучи менее плотной, чем окружающая среда, будет продолжать подниматься. Это называется положительной энергией и означает, что атмосфера на этом уровне «нестабильна».
| |||||||||||||||||||||||||||||||
net
Энергия
передается многими способами.
Что происходит при нагревании или охлаждении воздуха? 