Почему дует ветер

Ветер возникает из-за разницы давления: воздух начинает перемещаться.

На берегу в тихое летнее утро флаг может почти не шевелиться, а после обеда потянуть с воды. Ночью направление может измениться снова. Воздух не включают и не выключают по расписанию: Земля и вода нагреваются по-разному, в атмосфере меняется давление, а движущемуся воздуху мешают дома, деревья и сама вращающаяся Земля. Разберём знакомый бриз, затем научимся читать ветер в прогнозе и поймём, почему он редко дует ровно в одну сторону.

В статье вы узнаете:

• Один день у моря: как рождается бриз
• Что толкает воздух: разница давления
• Почему на карте ветер огибает циклон
• Почему ветер есть и вдали от берега
• Как по изобарам понять, где вероятен сильный ветер
• Почему вечером и ночью ветер может развернуться
• Откуда берутся порывы и почему за домом ветер крутится
• Как понимать направление ветра в прогнозе
• Частые вопросы о ветре

Один день у моря: как рождается бриз

Начнём с солнечного дня и слабого общего ветра. Суша нагревается быстрее воды. Песок под ногами становится горячим, а вода за несколько часов прогревается гораздо медленнее. Воздух у берега получает тепло от суши. Часть его расширяется, становится менее плотной и поднимается.

На место поднявшегося воздуха у поверхности приходит другой воздух. В простой картине дневного бриза давление над прохладной водой у поверхности выше, а над нагретой сушей ниже. Разница направляет воздух с воды к суше. Это морской бриз. Он обычно особенно заметен днём, когда контраст между прогретой сушей и водой успел вырасти. Сам воздух может двигаться и выше: над берегом подняться, на высоте потечь обратно и опуститься над водой. Так получается круговой обмен воздуха, а не бесконечная струя в одну сторону.

Проследите четыре шага: солнце нагрело сушу → воздух у берега поднялся → у поверхности возникла разница давления → прохладный воздух с воды пришёл к берегу. Эта последовательность объясняет и причину движения, и то, почему у воды в жаркий день бывает свежее. Она не обещает бриз при любой погоде. Сильный ветер, связанный с большим циклоном, может пересилить местную циркуляцию; облака и холодная суша уменьшат температурный контраст.

У этой истории есть полезная проверка. Представьте два одинаковых берега: на первом суша за день сильно прогрелась, на втором солнце скрыто плотной облачностью и температура суши почти не отличается от воды. В первом случае у местного бриза больше причин появиться, во втором меньше. Но по одной температуре пляжа нельзя назвать его скорость: понадобятся давление, состояние воздуха над большим районом и рельеф берега.

Что толкает воздух: разница давления

Атмосферное давление показывает, с какой силой воздух действует на поверхность. Оно не обязано быть одинаковым над соседними местами. Воздушные массы неодинаково нагреваются, поднимаются, опускаются и перемещаются в верхних слоях. В результате в одной области у поверхности давление оказывается выше, в другой ниже. Воздух начинает ускоряться в сторону меньшего давления.

Важно сравнивать давление на одной высоте. На вершине горы барометр обычно покажет меньше, чем у подножия, потому что над ним меньше воздуха. Это само по себе не означает постоянный ветер по склону вверх. Погодные карты приводят давление к уровню моря именно для того, чтобы сравнивать разные места без этой очевидной разницы высот. Если на карте видите 1016 и 1008 гПа, речь идёт о горизонтальном различии между районами, а не о двух этажах одного дома.

Перепад давления можно представить как причину, которая толкает поток, но эта причина не равна готовой скорости ветра. Воздух имеет массу и разгоняется не мгновенно. Вращение Земли поворачивает его траекторию, а близость земли тормозит и перемешивает. Поэтому простая фраза «ветер идёт из высокого давления в низкое» даёт начало объяснения, но не рисует точную стрелку на карте.

В прогнозе давление обычно дано в гектопаскалях, сокращённо гПа. 1 гПа равен 100 Па и 1 миллибару. Если встретили миллиметры ртутного столба, можно привести значения к одним единицам в конвертере давления. Для понимания ветра важнее не сам переход единиц, а сравнение давления в разных точках на одной карте и в один момент.

Почему на карте ветер огибает циклон

Посмотрите на погодную карту: вокруг области низкого давления линии похожи на вложенные кольца. Они называются изобарами; каждая соединяет точки с одинаковым давлением. Если бы Земля не вращалась и поверхность не тормозила воздух, поток шёл бы поперёк изобар в сторону низкого давления. Настоящий ветер часто пересекает их под углом и одновременно обходит область давления.

Причина большого поворота называется эффектом Кориолиса. Мы смотрим на движение с вращающейся Земли. В Северном полушарии путь движущегося воздуха отклоняется вправо относительно его движения, в Южном влево. Вместе с разницей давления это приводит к движению вокруг крупной области низкого давления против часовой стрелки в Северном полушарии. В Южном полушарии направление обхода обратное. Воздух при этом не забывает про перепад давления: у земли он постепенно закручивается внутрь области низкого давления.

Не нужно представлять эффект Кориолиса как силу, которая сама «запускает» ветер. Он меняет путь уже движущегося воздуха. Для маленького двора, открытой двери или закрученной воды в раковине он слишком слаб, чтобы выбирать направление потока. Там важнее препятствия, местный нагрев и форма пространства. Крупные погодные системы живут достаточно долго и занимают достаточно места, чтобы земное вращение заметно изменило их ветры.

Есть и третий участник: трение о поверхность. Воздух у земли взаимодействует с лесом, зданиями, полями и водой. Он обычно движется медленнее, чем выше над тем же районом, и иначе пересекает изобары. Поэтому стрелка ветра у вашего окна и направление облаков наверху могут различаться. Это не ошибка наблюдения: вы смотрите на разные слои атмосферы.

Почему ветер есть и вдали от берега

Морской бриз удобен тем, что его причину можно почувствовать у воды. Но Солнце неодинаково нагревает не только море и пляж. Ближе к экватору солнечная энергия в среднем распределяется на меньшую площадь поверхности, чем у полюсов. Атмосфера переносит тепло между широтами: в одних широких областях воздух поднимается, в других опускается, у поверхности возникают устойчивые направления движения. Так формируются крупные ветровые пояса, в том числе пассаты.

Кроме общего рисунка на погоду каждый день влияют перемещающиеся области высокого и низкого давления. Одна приходит, другая уходит, изобары сближаются или расходятся, и ветер в городе меняет направление. Иногда граница между воздушными массами проходит недалеко от вас: с ней приходят облака, дождь и новый поток воздуха. Для объяснения утреннего ветра во дворе недостаточно взглянуть только на температуру двора; надо знать погоду над большим районом и над ним по высоте.

Получаются разные масштабы одной истории. Дневной бриз живёт возле берега и может менять направление за сутки. Погодная система охватывает сотни километров и движется несколько дней. Ветровые пояса связаны с неравномерным нагревом всей планеты и её вращением. Во всех случаях воздух ускоряется из-за разницы давления, но путь и длительность движения не одинаковы.

Как по изобарам понять, где вероятен сильный ветер

Изобары дают быстрый ориентир: чем теснее они стоят на карте, тем сильнее давление меняется на том же расстоянии. Такой перепад сильнее разгоняет воздух. Если линии далеко друг от друга, причина для сильного общего ветра обычно слабее. NOAA показывает эту связь на погодных картах; её удобно искать даже на карте без стрелок.

Допустим, между двумя точками давление меняется с 1016 до 1008 гПа. Разница составляет 8 гПа. Если точки разделяют 200 км, на один километр приходится в среднем 0,04 гПа изменения. Если такую же разницу растянуть на 800 км, получится 0,01 гПа на километр. В первом учебном случае линии соответствующего давления будут теснее: перепад на том же участке в четыре раза круче. Из этого не следует, что ветер у каждого дома окажется ровно в четыре раза быстрее. На него влияют вращение Земли, трение, высота и форма местности.

Проверяя прогноз, смотрите на соседние изобары одной карты, а не сравнивайте две цифры, записанные в разные дни. Карта показывает крупную картину, а мост, ущелье или квартал многоэтажек могут изменить ветер в конкретной точке. Чтобы оценить поездку или прогулку, сочетайте общую карту с местным прогнозом скорости и порывов.

Почему вечером и ночью ветер может развернуться

Вернёмся к берегу. После заката суша обычно остывает быстрее воды. Воздух над ней охлаждается, и при подходящих условиях поверхностный перепад давления становится противоположным дневному. Тогда возле земли воздух движется с суши к воде. Это береговой, или ночной, бриз. Над ним возможен обратный поток, замыкающий местную циркуляцию.

Слово «может» здесь важно. Ночной бриз часто слабее дневного, а крупная погодная система способна скрыть его вовсе. Если на побережье весь день и ночь дует сильный ветер с моря, ночная смена нагрева не обязана развернуть поток у флага. Met Office описывает условия для обоих береговых потоков. Бриз хорошо показывает механизм в сравнительно спокойной погоде; это не часы, по которым можно предсказать ветер на любом пляже.

Похожий дневной ритм бывает в горах. Солнце нагревает склон и воздух над ним; ночью склон остывает. Но направление местных потоков зависит от формы долины, влажности, облаков и общего ветра. Поэтому для нового места нельзя механически перенести береговую стрелку на любой горный склон. Общая идея остаётся прежней: разные участки поверхности создают разный нагрев и вместе с ним различия давления и плотности.

Откуда берутся порывы и почему за домом ветер крутится

Даже при устойчивом общем направлении ветер у земли не обязан быть ровным. Поток обходит дерево или угол здания, часть воздуха ускоряется в проходе, а за препятствием образуются вихри. Вы стоите на одном месте, но через него проходят то более быстрые, то более медленные участки воздуха. Поэтому флаг может резко натянуться, ослабнуть и через минуту снова затрепетать.

Порывом называют кратковременное усиление ветра по сравнению с его средним значением за выбранный период. В прогнозе «ветер 8 м/с, порывы до 15 м/с» это две разные характеристики: обычный поток и краткие пики. При выборе места для прогулки, установке навеса или работе на высоте нельзя смотреть только на первое число. При этом порыв до 15 м/с не обещает, что такая скорость будет держаться весь день.

У порывов несколько причин. Неровная поверхность создаёт механические вихри. Днём прогретый воздух поднимается и перемешивает нижний слой с воздухом выше. Перед грозой или за фронтом направление и скорость тоже могут быстро меняться. NOAA описывает, как здания, лес и холмы меняют ветер у земли. Отсюда понятное наблюдение: на открытом поле, между домами и в защищённом дворе в один час можно почувствовать совсем разный ветер.

Поэтому измерение у стены дома нельзя автоматически переносить на крышу. Ветрогенератору важен ветер на высоте оси, к которой крепятся лопасти, а не у ваших ног. Когда вы сравниваете варианты установки, в калькулятор мощности ветрогенератора стоит вводить скорость, относящуюся к нужной высоте и месту. Если увеличить 4 м/с до 8 м/с в простой формуле мощности потока, теоретическая оценка вырастет в восемь раз. Реальную выработку определяют также часы работы и график мощности самой машины при разных скоростях. Это причина измерять ветер, а не угадывать его по ощущениям.

Как понимать направление ветра в прогнозе

У ветра направление называют по той стороне, откуда он пришёл. Северный ветер дует с севера на юг. Флаг при нём вытянется к югу, то есть покажет сторону, куда уходит воздух. Если запомнить только картинку флага и подписать её «южный ветер», прогноз получится перевёрнутым. Флюгер, напротив, своим указателем обычно обращён навстречу ветру.

Проверим на примере. Прогноз сообщает «северный ветер 8 м/с». Значит, воздух идёт к югу; 8 м/с × 3,6 = 28,8 км/ч. Если вы едете на восток по прямой дороге, поток будет приходить сбоку слева. Если развернуться на север, тот же воздух окажется встречным. На дороге, идущей по диагонали, часть ветра будет боковой, часть встречной или попутной. Для своего направления можно ввести скорость, азимут ветра и курс в калькулятор бокового ветра. Он разложит поток на две составляющие, но не предскажет порывы за зданиями.

Можно обойтись и без приборов: посмотрите, куда вытянулся флаг, трава или лёгкая лента, а затем назовите противоположную сторону света. Делайте это в открытом месте, вдали от стен, которые закручивают поток. Такой способ покажет местное направление в данную минуту, но не средний ветер для всего района. Анемометр измеряет скорость, флюгер направление; прогноз обычно объединяет множество наблюдений и модель атмосферы.

Частые вопросы о ветре

Почему дует ветер, если солнце уже село? Солнце создало различия нагрева и давления раньше, а крупные воздушные массы продолжают двигаться ночью. Местные потоки тоже могут возникать из-за ночного охлаждения, например береговой бриз. Выключатель света не останавливает атмосферу мгновенно.

Почему бывает штиль? У поверхности в данном месте ветер может стать очень слабым, если перепад давления мал или местность прикрыта от потока. Это не означает полного покоя всей атмосферы: выше могут двигаться другие слои, а через час условия изменятся.

Правда ли, что ветер всегда дует из холодного места в тёплое? Так можно описать направление дневного бриза у берега, если добавить подъём воздуха и разницу давления. Но для большого циклона и сложного рельефа правило слишком грубое. Смотреть нужно на давление на одной высоте и фактическое направление потока.

Почему на мосту сильнее, чем во дворе? Мост часто более открыт, а двор частично прикрыт зданиями. При этом между зданиями поток может ускоряться, а за углом возникать порывы. Один прогноз для района не описывает каждую точку одинаково.

Можно ли вычислить скорость ветра только по двум значениям давления? Нет. Нужно знать расстояние между точками, положение на Земле, высоту, трение и состояние атмосферы. Даже после этого речь пойдёт о модели и масштабе района, а не о точной скорости у конкретного дерева.

Ветер начинается с разницы давления, часто связанной с неравномерным нагревом Земли. У берега эту связь легко проследить от горячей суши до дневного потока с воды. На большой карте воздух дополнительно поворачивает вращение Земли, а рядом с нами его меняют поверхность и препятствия. Теперь, увидев в прогнозе направление, скорость и порывы, вы знаете, какой вопрос задаёт каждое число и что проверить для своего места.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.