Причины возникновения ветров

Солнце нагревает некоторую часть поверхности Земли интенсивнее, чем окружающие, воздух стремится переместиться. При этом теплые слои поднимаются вверх, а их место занимают более холодные. Такое перемещение воздуха и есть ветер. Крупномасштабное перемещение воздуха происходит между высокими широтами и экватором. В экваториальных областях солнце очень сильно нагревает поверхность Земли. В результате горячий воздух вблизи экватора поднимается вверх и двумя потоками движется в сторону северного и южного полушария. Охладившись в районе полюсов, воздух опускается вниз, образуя крупномасштабное циркуляционное течение у поверхности Земли от полюсов к экватору.

Конечно, данное представление о ветрах идеализировано. Вращение Земли, наличие суши и моря, гор и долин, участков суши, покрытых растительностью, и пустынь значительно усложняют картину ветров. Например, на границе между сушей и морем весьма значительно дуют ветры. Это связано с тем, что твердая поверхность и вода охлаждаются неодинаково. Днем под лучами Солнца суша нагревается быстрее, чем море. Это приводит к тому, что над теплой сушей к солнечному полудню начинается интенсивный восходящий поток воздуха, а с моря на место поднявшегося теплого воздуха приходит более прохладный. Возникает хорошо известный ветер с моря, известный под названием «бриз».

Ночью суша охлаждается быстрее, чем море, и становится вскоре холоднее моря. Тогда над морем возникает восходящий поток воздуха, и ветер дует теперь в противоположном направлении.

Периодические изменения температуры в прибрежных районах морей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бризы, называемые муссонами. Они делятся на материковые и морские, отличаются, как правило, большими скоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессы происходят в гористых местах и в долинах из-за различных уровней нагрева экваториальных зон и полюсов Земли.

Сила и направление ветра в различных зонах по-разному изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Так, на экваторе близко к земной поверхности расположена зона с относительно небольшими скоростями ветра, переменного по направлению, а в верхних слоях рождаются достаточно большие по скорости воздушные потоки в восточном направлении. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, между 30° северной и южной широт, образуется достаточно равномерные воздушные течения, называемые пассатами. В северном полушарии ближе к поверхности Земли их средняя скорость составляет 7-9 м/с.

На относительно большей высоте над поверхностью Земли (в среднем 8-12 км) в тропосфере возникают достаточно равномерные и мощные воздушные течения, получившие название струйных. Их образование вызвано особенностями высотной атмосферной циркуляции, поэтому характеристики струйных течений существенно отличаются от параметров приземного ветра. Над Восточной Сибирью и Чукоткой они, например, иногда опускаются до 3-4 км от поверхности Земли. Скорость воздушных масс в ядре струйного течения составляет 30-80км/ч, но часто доходят до 200км/ч.

Тепловая энергия, непрерывно поступающая от солнца, преобразуется в кинетическую энергию движения в атмосфере огромных масс воздуха, циркуляция которых и называется ветром.

Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников и может быть утилизирован в народном хозяйстве в значительно больших масштабах, чем в настоящее время. По ориентировочным данным, энергия, которая непрерывно поступает от солнца, превышает ГВт. Отсюда можно определить годовую выработку энергии ветроагрегатами – КВт*ч. Эта величина во много раз превышает количество энергии, потребляемой сегодня в мире (около 3 млрд тут). Ветроэнергетический потенциал приземных слоев атмосферы только над территорией России составляет не менее 30 тыс. ТВт*ч/г, что примерно в 1,5 раза больше энергетического потенциала всех рек России. Любопытно, что 80% этой энергии сосредоточено на половине площади страны, в зонах, где скорость ветра больше 6-7 м/с. Еще более значительные энергетические запасы сосредоточены на высотах 8-12 км, где скорости ветра весьма постоянны и достигают 2м/с.

Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50-70 м, реже – до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют интерес характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое.

Важной характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, является его скорость. В силу ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, количества тепловой энергии, поступающей на Землю и других), а также вследствие влияния рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяется по случайному закону. Поэтому мощность, которую способна выработать ветроустановка в различные периоды времени, можно предсказать с малой вероятностью. В то же время суммарная выработка агрегата, особенно за длительный промежуток времени, рассчитывается с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распределения скоростей в течение года или сезона изменяется мало.