facebook_page_plugin

pilotppg.pl

Naszą pasją są przestworza...

Wykład 7

Ryszard Lutosławski
(Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.)

TERMIKA

Po dotychczasowych wstępach i przygotowaniach do lepszego zrozumienia tematu przechodzimy w naszych rozważaniach do spraw z punktu widzenia paralotniarza najważniejszych - do termiki. Używaliśmy już kilkakrotnie pojęć "równowaga stała" i "równowaga chwiejna" - popatrzmy na te pojęcia dokładniej.

W troposferze, w miarę wzrostu wysokości, maleje temperatura (o ile w danym paśmie wysokości nie znajduje się właśnie izotermia czy inwersja). Od tego, jak ona maleje, zależy właśnie pojęcie równowagi termicznej masy, czyli odpowiedź na pytanie, czy dzisiaj mamy równowagę chwiejną, czy stałą - a może, w szczególnym przypadku, obojętną.

W powietrzu suchym, porcja (bąbel termiczny) powietrza wznosząc się - adiabatycznie się rozpręża - co powoduje, że adiabatycznie spada w niej (tej porcji) temperatura o 0,978 oC na każde 100 m (dla wygody przyjmujemy, że spadek suchoadiabatyczny wynosi 1 oC na każde 100 m wysokości). Tak ochładza się porcja powietrza, która wznosi się do góry, a wznosi się tylko wtedy, jeśli jest lżejsza od powietrza otaczającego.

Zobaczmy co się stanie, w masie powietrza zalegającej nasz teren, jeśli pionowy rozkład temperatury jest taki, że jest ona chłodniejsza o 0,5 oC na każde 100 m, a jej temperatura przy ziemi wynosi 20 oC.

Nagrzana ponad powierzchnią piasku porcja powietrza, której temperatura zrobiła się od tego piasku o 1 stopień wyższa (21 oC), niż powietrza otaczającego, będzie już od tego otaczającego powietrza lżejsza i zacznie się unosić do góry. Po uniesieniu o 200 metrów, temperatura tej unoszącej się porcji (zgodnie z tym, co wcześniej napisano) adiabatycznie zmaleje o 2 stopnie, czyli osiągnie 21-2=19 stopni, natomiast otaczające tę porcję powietrze w masie będzie miało tylko o 1 stopień mniej, niż na wysokości 0, 2 x 0,5=1 czyli również 19 stopni - wznosząca się do tej pory porcja powietrza osiągnie taką samą temperaturę, jaką ma otaczająca masa i przestanie się wznosić do góry - ruch pionowy ulegnie zahamowaniu - mówimy, że w masie, w której się znajdujemy, panuje równowaga stała i nie ma warunków do powstania termiki.

Jeżeli natomiast w zalegającej nas masie powietrze co każde 100 m ma o 1,5 oC mniej, a przy ziemi panuje temperatura 20 oC, to na wysokości 200 m będzie tylko 17 oC, a unosząca się, tylko o 1 oC cieplejsza porcja powietrza po uniesieniu się o 200 m będzie miała o dwa mniej, czyli 19 oC. W tym momencie otaczające powietrze będzie już o 2 oC chłodniejsze od naszej ulatującej w górę porcji - zatem zacznie ono unosić się jeszcze intensywniej - zwiększy prędkość wznoszenia. Mówimy w takiej sytuacji o równowadze chwiejnej w masie powietrza i powstawanie oraz nasilanie się prądów pionowych będzie w takiej masie zachodziło. Ten prosty obraz musimy trochę zaciemnić - powietrze oziębiając się adiabatycznie w czasie wznoszenia osiągnie w pewnym momencie temperaturę punktu rosy, czyli 100% nasycenia parą wodną - nastąpi wytrącenie jej nadmiaru w postaci mikrokropelek wody i powstanie chmura. Wtedy jednak dalsze wznoszenie się obserwowanej porcji będzie co każde 100 metrów zmniejszać swoją temperaturę o około 0,6 do 0,7 stopnia - będziemy mieli do czynienia z tzw. adiabatą wilgotną ( o ile dla adiabaty suchej spadek temperatury jest stały i jak wcześniej już podawałem, wynosi 0,978 stopnia na każde 100 m, to w adiabacie wilgotnej ten spadek jest jeszcze zależny od prężności pary wodnej, a ta z kolei zależy od temperatury - w efekcie więc podajemy, że w naszych temperaturach, właściwych dla naszych szerokości geograficznych w adiabacie wilgotnej mamy do czynienia ze spadkiem pomiędzy 0,6, a 0,7 oC na każde 100 m).

Jeśli trochę się zastanowimy nad tym, o czym właśnie czytamy, to łatwo zobaczymy, że:

1. Jeżeli w masie powietrza pionowy spadek temperatury jest poniżej 0,6 oC na każde 100 m, to masa jest w równowadze stałej i żadne pionowe ruchy powietrza nie powstaną w niej z przyczyn termicznych.

2. Jeżeli w masie powietrza pionowy spadek temperatury jest pomiędzy 0,6 a 1 oC na każde 100 m, to masa jest w równowadze sucho-chwiejnej i jednocześnie wilgotno-stałej i pionowe ruchy powietrza z przyczyn termicznych powstaną jedynie w powietrzu suchym, a tam gdzie już powstanie chmura będą one hamowane (powstaną płaskie chmury Cu hum, które wcale nie będą się rozbudowywać). W czystym powietrzu o małej liczbie jąder kondensacji powstanie termika bezchmurna - chmura pomimo 100% wilgotności się nie utworzy (brak jąder kondensacji), a wznoszenia zostaną zahamowane na tej wysokości, gdzie nastąpi nasycenie parą wodną.

3. Jeżeli w masie powietrza pionowy spadek temperatury jest powyżej 1 oC na każde 100 m, to masa jest w równowadze chwiejnej i powstające z jakichkolwiek powodów pionowe ruchy powietrza będą się nasilać, noszenia wraz ze wzrostem wysokości będą wzrastać oraz będą się rozbudowywać chmury o budowie pionowej (Cu, Cb). Również w chmurach będziemy mieli do czynienia z wzmagającym się ruchem pionowym.

Warto jeszcze uzmysłowić sobie, że pionowy obraz temperatury w masie powietrza nie bywa jednostajny i w różnych warstwach wysokości może mieć różne wartości. Dlatego mogą wystąpić obszary masy powietrza o różnych, a nie jednakowych wartościach równowagi termicznej. Ta właśnie, nierównomierność w pionowym rozkładzie temperatury jest odpowiedzialna za zanikanie wznoszeń na pewnych wysokościach, albo za ich dynamiczny rozwój w innych znowu obszarach.

Podstawowe znaczenie dla dobrej prognozy zjawisk konwekcyjnych ma znajomość pionowego rozkładu temperatury powietrza w danej masie oraz znajomość zmian w tym zakresie zachodzących w czasie.

Powietrze, które znajduje się w chwiejnej równowadze termicznej prędzej zmienia swoje właściwości termiczne - bo następuje znacznie silniejszy proces mieszania warstw. Powietrze o równowadze stałej jest w tym zakresie znacznie bardziej "konserwatywne" (używaliśmy już wcześniej tego terminu meteorologicznego) i jego pionowy rozkład temperatury znacznie wolniej się zmienia.

Aby wystąpiły pionowe ruchy powietrza (termika - lub bardziej naukowo konwekcja) musi dojść do różnicy temperatur w przyziemnym obszarze masy powietrza (lub w poziomo rozciągającym się obszarze na stałej wysokości). W zależności od przyczyny tego zróżnicowania poziomego mamy dwa zasadnicze rodzaje termiki: termikę wypracowaną i naniesioną.

Termika wypracowana to takie zróżnicowanie poziome przyziemnych temperatur, którego powodem jest rozmaite nagrzanie podłoża w wyniku bezpośredniego napromieniowania słonecznego - część padającego na podłoże promieniowania zostaje odbita przez podłoże, a reszta zostaje wykorzystana do nagrzania go do temperatur zależnych od wartości tego napromieniowania. Oczywiście, im większa część promieniowania zostanie odbita, tym mniej nagrzeje się podłoże i odwrotnie. Na tej podstawie utworzono dla uproszczenia, tabele właściwego odbijania promieniowania słonecznego dla rozmaitych gatunków podłoża, mające pomóc w ocenie nad jakim podłożem należy oczekiwać szybszego nagrzewania się powietrza, a nad jakim podłożem ono nagrzewać się będzie wolniej - wszystko po to tylko, aby ludziom potrzebującym wznoszeń dać sposób na łatwiejszą ich lokalizację. Stworzono pojęcie liczby albedo - jest to stosunek ilości promieniowania odbitego od danej powierzchni do ilości promieniowania padającego na nią. Wyraża się ją albo w procentach, albo w skali od 1 do 10.

Rodzaj powierzchniAlbedo
śnieg świeży 75-95
śnieg zleżały 40-70
lód morski 36-50
tundra 15-20
preria 12-13
sawanna (pora sucha) 25-30
sawanna (pora wilgotna) 15-20
pustynia kamienista 28-38
pustynia piaszczysta 25-30
wrzosowisko 10-12
łąka zielona 10-20
las liściasty 10-20
las iglasty 5-15
las dębowy 18
las sosnowy 14
las jodłowy 10
pole uprawne 15-25
pole ryżowe 12
pole bawełny 20-22
buraki cukrowe 18
ziemniaki 19
trawa zielona 26
trawa wyschnięta 19
gleba czarna sucha 14
gleba czarna wilgotna 8
gleba szara sucha 25-30
gleba szara wilgotna 10-20
piasek wydmowy 20-45
piasek rzeczny 43
glina sucha 23
glina wilgotna 16
piasek biały 34-40
piasek żółty 35
lita skała 12-15
granit 29-31
beton suchy 17-27
obszar zurbanizowany 15-25
czarna nawierzchnia dróg 5-10

Każdy spotykany rodzaj podłoża został opatrzony odpowiednim oznaczeniem albedo. Prędko jednak okazało się, że nagrzewanie się masy powietrza od podłoża jest uwarunkowane jeszcze innymi jego cechami, które znacznie zmieniają wynikające z oznaczenia albedo oczekiwania. Bardzo ważną rolę odgrywa przesuwanie się masy powietrza nad oddziaływującym ogrzewająco podłożem. Co z tego, że prędko nagrzany piasek mógłby dobrze nagrzać zalegającą nad nim masę powietrza, kiedy stanowi on relatywnie gładką powierzchnię, nad którą powietrze przebywa tylko przez krótki czas, a las, którego albedo wskazuje na znacznie słabsze od piasku możliwości ogrzewcze, stwarzając warunki utrzymania masy powietrza przez dłuższy czas nad sobą może w konsekwencji nagrzać określoną porcję powietrza do wyższej temperatury. Z tych rozważań widać, że prędkość wiatru ma na rozwój termiki wypracowanej wpływ negatywny. Jeśli go nie ma wcale, to oczywiście znowu piasek będzie lepszy od lasu. To samo rozumowanie ma również zastosowanie do podłóż oziębiających powietrze - to również stwarza konieczne tu różnice temperatury poziomej. Wyróżniona inną od otoczenia temperaturą porcja powietrza ma jeszcze w zależności od podłoża rozmaite możliwości opuszczenia tego podłoża - w grę wchodzi tu wzajemne oddziaływanie lepkości kinematycznej obu tych ośrodków - bardziej praktycznie to przedstawiając - porcja powietrza, która zdobyła nieco większą temperaturę początkową od podłoża niejednakowo łatwo może wystartować do ruchu pionowego z terenu gęstego lasu, w którego gałęzie jest niejako wplątana niż znad relatywnie gładkiego betonowego nagrzanego placu.

Te dodatkowe uwarunkowania powodują, że bezkrytyczne przyjmowanie wartości przypisanych rozmaitym podłożom w postaci liczby albedo prowadzi często do rozmaitych nieporozumień. Różne źródła również, podają dla rozmaitych gatunków podłoża rozmaite wartości liczby albedo. Ważne jest rozumieć znaczenie i właściwie ocenić możliwości efektów tych zjawisk i dodając do tej wiedzy własną praktykę wyciągać wnioski wykorzystywane w lotach. Podaję tu przykładowe dane albedo dla rozmaitych rodzajów podłoża, które przysłał mi Pararobert.

Termika naniesiona to powstawanie prądów pionowych w masie na skutek napływu chłodnego powietrza nad ogrzane poprzednio podłoże. Nagrzewanie napływającej masy zachodzi w znacznie mniejszym stopniu w zależności od rodzaju podłoża, ponieważ wszystkie podłoża są generalnie cieplejsze od napływającej masy. Tworzą się szlaki chmur kłębiastych w postaci połączonych ze sobą w długie, wielokilometrowe pasma pojedynczych Cu hum. W czasie takiego rodzaju termiki mamy najczęściej dosyć silny wiatr i ciągnące się setkami kilometrów szlaki, pod którymi występuje stałe, niewielkie noszenie. Pod takim szlakiem można niekiedy przelecieć ponad 300 kilometrów bez konieczności krążenia tak regulując speedem własną prędkość, aby pozostać cały czas na tej samej wysokości. Trochę więcej nosi to gazu, trochę mniej to lecimy wolniej, tak żeby nie opadać. Taka pogoda, to pogoda na rekordowe przeloty, ale niestety ma ona poważnego "haka" - jest nim fakt połączonego z termiką naniesioną zwykle tak silnego wiatru, że uznajemy ją z tego powodu za nielotną i nie próbujemy w ogóle jej wykorzystać. Oczywiście zbyt silny wiatr w warstwie przyziemnej tworzy dla paralotniarza istotne i poważne niebezpieczeństwo.

Dotychczasowi posiadacze rekordowych długości przelotów paralotniowych znaleźli jednak sposób na te niedogodności i niebezpieczeństwa. Ponieważ jednak sposób ten jest do wykorzystania jedynie przez lataczy o zawodniczych umiejętnościach oraz powiązany z niemałym ryzykiem, a tu rozmawiamy o meteorologii, a nie o technice przelotów, nie będę się na ten temat tutaj wypowiadał. Zajmijmy się określeniem cech tych obu rodzajów termiki i porównaniu ich ze sobą.

Wpływ wiatru

Termika wypracowana - im większy wiatr, tym bardziej turbulentne warunki lotu, węższe kominy, bardziej nieregularne ich kształty. Przy małym wietrze kominy znacznie szersze, noszenia bardziej stabilne i ogólnie mniejsza turbulencja.

Termika naniesiona - im większy wiatr, tym węższa przyziemna turbulentna warstwa powietrza, dłuższe szlaki Cu hum - nawet do ponad 1000 km. Bardziej stabilny układ - pod szlakami nieporozrywane noszenie pomiędzy szlakami duszenia. Szlaki bardziej jednorodne. Przy słabym wietrze, porozrywane szlaki, gruba warstwa przyziemnej turbulencji, noszenia porozrywane pomiędzy sobą. Idealne warunki termiki naniesionej można obserwować na kontynencie Australii, gdzie tworzą się szlaki mające ponad 2000 km o stałym i nieprzerwanym noszeniu w obrębie szlaku, odległe o 3-5 kilometrów od siebie, o podstawie chmur 2500 metrów. W Polsce również występuje termika naniesiona, ale zwykle nie w tak idealnym obrazie jak na terenie kontynentu Australijskiego.

Wpływ chwiejności masy

Termika wypracowana - im większa chwiejność, tym większe noszenia i duszenia, większa turbulentność, większa skłonność do tworzenia się groźnych burz termicznych.

Termika naniesiona - duża chwiejność stwarza przy zazwyczaj silnym wietrze termiki naniesionej znaczne utrudnienie jej wykorzystania - tworzą się zjawiska, mające odregularniający wpływ na ukształtowanie się pasm noszeń pod chmurami i pasm duszeń pomiędzy szlakami. Rośnie turbulencja i jej zasięg od podłoża w górę. Najlepsze i najbardziej regularnie występujące są warunki termiki naniesionej przy nieznacznej chwiejności.

Ruchy pionowe w powietrzu występują również z innych powodów, niż gradient termiczny - mogą mianowicie być powodowane przez wymuszenie kształtem przeszkód na drodze ruchu mas powietrza oraz wymuszeniem spowodowanym poprzez pochylone powierzchnie frontowe, ale ich przebieg i dalsze zachowanie tego ruchu znajdują się w ścisłym związku z równowagą masy powietrza. Także niejednakowe kierunki wiatru w różnych warstwach troposfery mogą powodować zafalowania będące wynikiem podobnych zjawisk jak fale morskie na granicy dwóch ośrodków. One także mają składową pionową niekiedy o wartościach niebagatelnych.

W dalszej kolejności zajmiemy się wymuszonymi pionowymi ruchami powietrza i ich możliwościami wykorzystania w paralotniarstwie.

 powrót

Nasi sponsorzy