Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

26,2 км, 29/11 1964 г. над Москвой — 126 м/сек на высоте 28,6 км\

в тот же день над Новосибирском зарегистрирована на высоте 24,6 км скорость 197 м/сек.

В табл. 8.1 приведены сведения (по Н. В. Петренко [35]) о по­ вторяемости максимальных скоростей ветра (когда она превыша­

Конечно, наиболее часто ось струйного течения располагается в верхней тропосфере (а слое 500—200 мб). Однако число слу­ чаев, когда она находится в стратосфере, также достаточно ве­ лико. Так, ось струи располагается выше уровня 200 мб (около 12 км) в Москве в 190 случаях из общего числа 821, в Новоси­ бирске — в- 159 случаях из 910, в Хабаровске — в 508 случаях из 1386. Вблизи оси струи (максимума скорости ветра), как вы­ ше, так и ниже ее, наблюдаются большие вертикальные гради­ енты скорости ветра, увеличивающиеся от 3 до 20—25 м/сек на

соких широтах стратосферы наблюдается область тепла, здесь над большей частью полушария господствуют а-нтициклоническая циркуляция и восточный ветер. Уровень, на котором происходит изменение (обращение) направления ветра с западного (ниже этого уровня) на восточный (выше этого уровня), называют вегропаузой или велопаузой. Теоретически скорость ветра на ветропаузе должна обращаться в нуль. Фактически вблизи этого уров­ ня наблюдаются слабые неустойчивые по направлению ветры (как правило, меньше 5—6 м/сек). Толщина переходного слоя (ветропаузы) изменяется от 1 до 5—7 км при среднем значении •2—-3 км. Высота уровня обращения ветра в умеренных широтах колеблется между 18 и 26 км (70 и 20 мб), составляя в среднем 22 км. В области ветропаузы вертикальный градиент скорости ветра (вектора) может достигать больших значений за счет рез­ кого изменения направления ветра.

Эти краткие сведения о режиме ветра в нижней стратосфере позволяют сделать заключение, что и в этом слое существуют

167

условия для возникновения турбулентности. Представляет инте­ рес оценить перегрузки, испытываемые самолетом в зоне струй­ ного течения при разных значениях скорости ветра на оси струи. Предварительно заметим, что, согласно опытным данным, вер­ тикальное распределение скорости ветра вблизи оси струи может быть описано экспоненциальной функцией ')

X exp [— e(z — z0)]. С учетом этих соотношений формулы для числа Ричардсона Ri и перегрузок Ап, испытываемых самоле­

где Ь — параметр, зависящий от летно-технических данных само­

лета (для самолета типа ТУ-104 Ь — 1120 м 2/ с е к 2) , 8 = —----от-

Ро

носительная плотность.

В табл. 8.2 приведены значения Ri и Ап, рассчитанные для вы­ соты около 16 к м (где 8 = 0,1) и скорости полета v c = 300 м / с е к при т = 0 и разных скоростях ветра вблизи (но несколько выше) оси струи.

Т а б л и ц а 8.2

Число Ричардсона и перегрузки, испытываемые самолетом типа ТУ-104

Однако, как отмечали неоднократно многие исследователи, большие скорости ветра, вертикальные и горизонтальные гради­ енты (сдвиги) ее или, в более общем случае, малые значения чис-

') П риводим ы е ниж е в этом п ар агр аф е опытные данны е заим ствованы из монограф ии [2].

168

ла Ri создают лишь благоприятные условия для возникновения турбулентности, определяют области, в которых возможна бол­ танка самолетов. Что касается самих турбулентных зон, то они имеют, как правило, значительно более сложную структуру: зоны эти имеют ограниченные размеры по горизонтали и вертикали, наблюдается несколько зон повышенной турбулентности в обла­ сти одного и того же струйного течения и др. К настоящему вре­ мени накоплен значительный материал по структурным парамет­ рам турбулентных зон.

На рис. 8.21 приведены накопленные (интегральные) повто­ ряемости толщин турбулентных зон для разных широтных поя­ сов Советского Союза и Канады (в целом). Из рисунка видно,

Рис. 8.21. Накопленная (интегральная) повторяемость толщин турбулентных зон:

1 — северные; 2 — умеренные; 3—южные широты СССР, 4 — Канада

что® 80% случаев толщина зон не превосходит 700, 900 и 1200 м

всеверных, умеренных и южных широтах СССР соответственно.

Суменьшением широты толщина турбулентных зон в среднем увеличивается: зоны толщиной меньше 1000 м встречаются при­ мерно в 70% случаев в южных и в 85—90% — в средних и вы­

соких широтах.

Согласно рис. 8.22, горизонтальная протяженность турбулент­ ных зон также изменяется в широких пределах. В 80% случаев она не превосходит примерно 40 км в стратосфере (над США), 80 км — в верхней тропосфере (над США) и в умеренных широ­ тах СССР, 150—160 км — в южных широтах СССР и над Кана­ дой. В умеренных широтах СССР в 72% случаев протяженность

В стратосфере, по данным полетов самолета У-2, протяженность турбулентных зон в 70% случаев меньше 30 км и только в 0,5% случаев она больше 100 км.

169

Нередко на высотах 8—12 км встречаются турбулентные зо­ ны двух типов: сплошные и прерывистые. Последние состоят из

%

100

во

60

40

20

Рис. 8.22. Накопленная (интегральная) повторяемость горизонтальной протяженности турбулентных зон: 1 — верхняя тропосфера (США); 2 — стратосфера (США); 3 — умеренные широты (СССР); 4 — Ка­ нада; 5 — южные широты (СССР)

нескольких турбулентных участков (число их колебалось от 2 до

170

ным табл. 8.3, в слое 9—12 км, т. е. там, где чаще всего располо­ жена ось струйных течений и отмечаются наибольшие скорости ветра и вертикальные градиенты ее. В стратосфере встречаемость болтанки в несколько раз меньше, чем в верхней тропосфере и в области тропопаузы, и имеет тенденцию к уменьшению с высотой.

ционного движения в разных слоях атмосферы и при различном состоянии ее. Рис. 8.24 позво­

ляет оценить вероятность превышения заданной величины aw. Этот рисунок показывает, что с увеличением высоты вероят­ ность значений 0,5 м/сек уменьшается: она составляет око­ ло 30% в слое 0—3 км и только 10% в слое 9—15 км. Очень силь­ ная турбулентность (ат > 5 м/сек) почти одинаково часто встре­ чается в слоях 0—3 и 6—9 км (вероятность около 5- 10-4), но она существенно реже наблюдается в слое 9—15 км (вероятность око­ ло 10~5). Особенно велико различие в распределениях ow при яс­ ной погоде и в грозовых (а также кучевых) облаках. Так, вероят­ ность встретить значения ow > 2 м/сек составляет примерно 50% в грозовых облаках и менее 5% при ясной погоде.

171