Дэннис Пегин - Понять небо

Последняя треть двадцатого века ознаменовалась счастливым совпадением возможностей, потребностей и технологий для создания СЛА. Полеты для удовольствия и отдыха пришли к нам как доступное и законное времяпрепровождение. Но полеты требуют определенного количества знаний. Воздух — постоянно изменяющаяся среда, и мы должны знать пути и хитрости, которые могут обеспечить безопасность полетов, что является основой становления хороших пилотов.

Эта книга писалась с целью представить в доступном виде картину процессов в атмосфере. Естественно, в ней приняты некоторые упрощения, ведь тема погоды настолько сложна и обширна, что требует прилежного изучения многие годы. Мы выделяем самое важное и необходимое для безопасности полетов. Наилучший путь использования этой книги заключается в том, чтобы изучить ее всю от начала и до конца, а затем постоянно перечитывать необходимые по условиям полетов места, экспериментируя в воздухе.

Мы считаем, что материал этой книги не только очень полезен, но и просто необходим воздухоплавателям, авиамоделистам, парапланеристам, дельтапланеристам, пилотам планеров и СЛА. Надеемся, что каждый читающий найдет здесь новую информацию и полезные идеи, касающиеся полетов.

Начальные главы книги посвящены свойствам воздуха и глобальным процессам в атмосфере, включены данные по обоим полушариям и в некоторых случаях обращается внимание на региональную специфику. Далее акценты сдвигаются в сторону мелкомасштабных явлений, которые называются местными эффектами или микрометеорологией. Смысл этого заключается в том, что на относительно малых территориях местные эффекты играют определяющую роль. Большинство книг о погоде написаны для большой авиации и мало подходят пилотам СЛА, для которых важна микрометеорология с достаточной степенью деталировки.

Основной материал для книги взят из различных источников, подтвержден экспериментами в полетах и обсуждался с пилотами всех видов авиации, что говорит о его надежности и практичности.

Мы живем на планете, окруженной смесью газов, необходимых для жизни. Мы называем эту смесь воздухом, а воздушный покров вокруг Земли атмосферой. Для большинства людей это только кислород для дыхания. Все настолько естественно, что они об этом не задумываются и замечают воздух как что-то материальное и упругое лишь в тех случаях, когда дует сильный ветер или при быстрой езде. Но дайте нам крылья, и огромный, новый мир откроется перед нами. Новые виды, новые ощущения и новые возможности навсегда изменят нашу точку зрения. Мы становимся пилотами, мы исследуем небо.

Мы быстро осознаем, что атмосферные условия постоянно изменяются, и приходим к необходимости знать, что эти изменения нам сулят. С пониманием к нам приходит ощущение удобства в нашей новой окружающей среде, остаются позади все наши опасения, и мы самостоятельно и свободно отрываемся от земли.

В этой главе мы начинаем изучать "характер неба". Мы должны уметь предсказывать поведение воздушной стихии, так как вверяем ей свою судьбу.

АТМОСФЕРА

Атмосфера удерживается у земли силами гравитации. Хотя ее общая толщина превышает 800 км, большая часть воздуха находится у поверхности земли. Фактически, половина общего количества атмосферы весом более 5,6 квадриллиона (5 600 000 000 000 000) тонн находится ниже 5500 м! Атмосфера делится по высотам на слои в соответствии с определенными характеристиками. Нас, в первую очередь, интересует нижний пласт воздуха, который называется тропосферой ( tropo значит изменение). Состояние её и изменения в ней мы называем погодой. В тропосфере мы живем и летаем.

Тропосфера протянулась от поверхности земли до высоты 7–9 км над полюсом и 17–20 км над экватором. Эффект различной толщины объясняется вращением земли (рис. 1). На рисунке размер атмосферы для ясности сильно преувеличен. Если посмотреть на толщину атмосферы относительно радиуса земли, то земной шар подобен апельсину, где толщина апельсиновой корки подобна толщине атмосферы и яблоку, если брать только тропосферу.

Рис. 1. Атмосфера

Выше тропосферы находится стратосфера, а слой атмосферы между тропосферой и стратосферой известен как тропопауза. Два нижних слоя отличаются от стратосферы тем, что в них температура постоянно понижается с высотой, а в стратосфере с набором высоты остается примерно постоянной. Тропосфера имеет облака и постоянно изменяющиеся условия. Стратосфера стабильна и чиста. Тропосфера — объект изучения в этой книге.

СОСТАВ ВОЗДУХА

Атмосфера представляет собой смесь газов, водяного пара и аэрозолей, то есть твердых и жидких примесей (пыли, продуктов конденсации и кристаллизации, продуктов горения, частиц морской соли и т. д.). Объем основных газов составляет: азота 78 %, кислорода 21 %, аргона 0,93 %, углекислого газа 0,03 % на долю других (неона, гелия, криптона, ксенона, озона) приходится менее 0,01 %. Пары воды — сильно меняющийся по количеству компонент воздуха. Их может быть от 0 (сухой воздух) до 4–5 % веса (насыщенный воздух). Как мы увидим позже, пар — очень важная часть атмосферы, существенно влияющая на погодные процессы; без пара не может быть ни облаков, ни дождя. Все пары воды, которые находятся в атмосфере, концентрируются в тропосфере. В воздух пар попадает из водоёмов на земле и поднимается вверх вертикальными потоками воздуха, высота подъема которых ограничена тропосферой. 90 % всех паров воды сосредоточено до высоты 5 500 м.

Загрязняющие примеси, в том числе дым, пыль, частицы солей и промышленные выбросы, очень важны, они работают как конденсирующие частицы (ядра конденсации), благодаря которым образуются облака. Облака очень интересны для пилотов, они помогают найти восходящие потоки и, в основном, дают нам ключ к разгадке атмосферных процессов (подробнее в главе 3 ). Облака и примеси могут создавать некоторые проблемы в наших полетах.

СВОЙСТВА ВОЗДУХА

В воздухе различное давление по высотам, и от этого зависят его плотность и состав. Плотность существенно влияет на наши полеты. Три особенности определяют плотность воздуха: температура, давление и наличие водяных паров. Два главных фактора управляют всеми процессами в атмосфере: силы гравитации и солнечный прогрев. Далее мы увидим: насколько они важны. Давайте вместе разберемся, что мы знаем о процессах, протекающих в воздухе.

Молекулы газа прыгают друг относительно друга, примерно так же, как гиперактивные дети при обещании шоколадной диеты. Всё это происходит с ними по той причине, что соударяются между собой и отскакивают они абсолютно хаотично. Если молекулы наталкиваются на твердое тело, они оставляют некоторое количество энергии и нагревают его. Фактически это обмен энергии, который мы воспринимаем как тепло. Чем быстрее движутся молекулы, тем больше энергии они отдают твердому телу и тем выше температура газа. Теперь мы знаем, что температура — это просто состояние молекул газа.