С приходом весны в Северном полушарии Солнце поднимается выше над горизонтом с каждым днём. Его лучи приносят всё больше энергии к поверхности Земли, и ландшафт постепенно прогревается. Когда поверхность нагревается, она также прогревает воздух над собой, позволяя формироваться термикам.
Термики делают возможным безмоторный парящий полёт, позволяя планёру или параплану набирать высоту и двигаться в сторону следующего восходящего потока.
В этой статье мы упрощённо рассмотрим, как образуются термики, что влияет на их развитие и как интерпретировать атмосферное зондирование или как читать аэрологическую диаграмму. Также мы кратко познакомим с метеорологией пограничного слоя — разделом метеорологии, изучающим самую нижнюю часть атмосферы и её взаимодействие с поверхностью Земли.
Что такое термики?
Термики — это восходящие потоки тёплого воздуха, порождаемые тепловой конвекцией — одним из фундаментальных механизмов переноса тепла от земной поверхности в более высокие слои атмосферы. Они сопровождаются компенсирующими нисходящими движениями и развитием турбулентных вихрей.
Термики, компенсирующие нисходящие токи и их влияние на полёт; gliding.world
Термик можно описать как пузырь или «колонну» тёплого воздуха, который отрывается от земли и начинает подниматься к небу. При подъёме он расширяется, становится более турбулентным и увлекается ветром. Меньшие пузыри могут постепенно сливаться, образуя хорошо развитый восходящий поток. Примерно на высоте от 100 до 200 метров (источник) над землёй термик может уже приобрести форму пригодного для использования восходящего потока.
Формирование термиков; Met Office
Типичная вертикальная скорость восходящего потока составляет от 1 до 3 м/с (источник). Продолжительность отдельного восходящего потока не фиксирована. В слабых условиях он может длиться всего несколько секунд; в хорошо развитых и организованных термиках — от десяти до двадцати минут. Кроме того, термики могут многократно формироваться над одной и той же благоприятной областью.
Планер: до 1 м/с → слабые (потоки), часто непригодны для маршрутных полетов (XC) 1–3 м/с → хорошие, обычно пригодные для использования 3–5 м/с → очень хорошие, эффективные условия для маршрутных полетов выше 5 м/с → от отличных до экстремальных, возможна сильная турбулентность.
Параплан: до 1 м/с → слабые, в основном только для удержания в воздухе 1–3 м/с → от комфортных до оптимальных, эффективный набор высоты 3–5 м/с → сильные или очень сильные, часто требуют большого напряжения (сложные) выше 5 м/с → экстремальные, потенциально опасные
Скорости восходящих потоков и их влияние на планеры и парапланы; SSA, MosAiles.com
Если воздух содержит достаточно влаги, на вершине термика образуется кучевое облако. В противном случае термик остаётся безоблачным и невидимым — Голубой термик. По мере охлаждения поднимающегося воздуха он в итоге сравнивается по температуре с окружающей средой, восходящие свойства ослабевают и движение вверх постепенно прекращается, обычно у верхней границы пограничного слоя.
Жизненный цикл типичного термика с кучевым облаком; Glider Handbook
Как образуются термики
Для развития термиков важны три основных условия: достаточно нагретая земная поверхность, триггер и неустойчивая стратификация атмосферы.
Нагрев поверхности
Поверхность Земли нагревается в основном за счёт солнечной радиации. Чем выше Солнце над горизонтом, тем больше энергии достигает земли. Поэтому наилучшие условия для развития термиков возникают в средних широтах поздней весной и ранним летом, особенно между полуднем и поздним вечером. В субтропиках термики часто встречаются в течение большей части года.
Ежемесячные карты солнечной инсоляции по данным CERES, июль 2006 – сентябрь 2013; NASA
Свойства земной поверхности также играют важную роль. Разные типы поверхности нагреваются с разной скоростью. Тёмные и сухие поверхности, такие как вспаханные поля (не свежевспаханные), асфальт, скалистая местность и пустыни, как правило, сильно нагреваются и способствуют развитию термиков.
Влажная или мокрая поверхность использует значительную часть поступающей энергии на испарение воды и поэтому нагревается медленнее, чем сухая, что делает условия для развития термиков менее благоприятными. Типичный пример — водоёмы, над которыми часто формируются зоны слабых или отсутствующих термиков.
Разнообразие ландшафта также важно для развития термиков. Мозаика из полей, лесов, городских территорий и склонов создаёт лучшие условия, чем однородная местность. Контрасты между поверхностями, которые нагреваются с разной скоростью, создают разницу температур, и термики часто бывают наиболее сильными вдоль их границ.
Триггер
Даже если воздух у земли нагрет, это не обязательно означает, что он начнёт подниматься. Тёплый воздух может сначала накапливаться у поверхности, образуя своего рода «лужу» тёплого воздуха. Чтобы оторваться и подняться, ему нужен дополнительный импульс. Им может стать порыв ветра, топографическое препятствие, здание, проезжающая машина, опушка леса, граница между сухим полем и влажным лугом или просто момент, когда плавучесть тёплого воздуха становится достаточно сильной, чтобы пузырь оторвался сам. Как только один пузырь поднимается, его место у земли быстро заполняется окружающим воздухом, который снова нагревается, и весь процесс повторяется. Пилот может использовать одну и ту же область длительное время, перемещаясь между последовательными термиками.
Термики могут формироваться как пузыри или колонны; understandingthesky.com
Частота отрыва термиков зависит, среди прочего, от силы и направления ветра. В штиль и при слабом ветре тёплый воздух дольше накапливается над подходящей поверхностью, поэтому термики отрываются реже и, как правило, бывают шире, плавнее и долговечнее — обычно несколько минут, часто около 5–20 минут (источник). При более сильном ветре или более выраженном сдвиге ветра восходящие потоки отрываются чаще и склонны быть более узкими, динамичными и турбулентными.
Устойчивость и неустойчивость атмосферы
Атмосферная устойчивость описывает, поддерживает ли атмосфера (или её часть) вертикальные движения или подавляет их.
Схема поднимающихся и опускающихся частиц воздуха; Climate Water Project
Когда частица воздуха поднимается, она попадает в области с более низким давлением, расширяется и охлаждается. Если она не насыщена водяным паром, она охлаждается сухоадиабатически примерно на 10 °C/км. Если насыщена, она охлаждается медленнее, потому что при конденсации выделяется скрытое тепло. В зависимости от влажности влажноадиабатический градиент составляет от 4 °C/км до почти 9,8 °C/км, в среднем около 6 °C/км.
Будет ли частица воздуха продолжать подниматься самостоятельно, зависит от температуры окружающего воздуха. Если окружающий воздух охлаждается с высотой быстрее, чем частица, частица остаётся теплее, имеет меньшую плотность, и плавучесть увлекает её вверх. Такая температурная структура называется неустойчивой и благоприятна для развития термиков. Отличные условия для термиков часто возникают, когда ландшафт хорошо прогрет, а на высоте находится более холодный воздух, например, за холодным фронтом.
Устойчивая температурная стратификация подавляет вертикальные движения, тогда как неустойчивая способствует им; NOAA Jet Stream
Напротив, если температура падает с высотой медленно или даже растёт (как при инверсии), температурная структура является устойчивой. Поднимающаяся частица воздуха тогда охлаждается настолько, что становится холоднее окружающего воздуха, поэтому её восходящее движение замедляется, останавливается и может в конечном итоге начать опускаться обратно.
Насколько сильно устойчивый слой в более высоких частях атмосферы влияет на уже развитый термик, зависит в основном от силы восходящего потока и толщины слоя. Если слой тонкий, более сильный поток может пройти через него и продолжить подъём, хотя при этом он может несколько замедлиться.
В антициклональную погоду условия для развития термиков часто благоприятны. Однако иногда, несмотря на солнечную погоду и сильный прогрев поверхности, термики остаются слабыми и не поднимаются достаточно высоко для парения. Это связано с устойчивой стратификацией. В центре области высокого давления устойчивость может дополнительно усиливаться опускающимся воздухом.
Если температура падает с высотой медленнее, чем 10 °C/км, но быстрее, чем 6 °C/км, атмосфера условно неустойчива, то есть устойчива для сухого воздуха, но неустойчива для влажного. Такие условия благоприятны для развития гроз.
Атмосферный пограничный слой и его развитие
Атмосферный пограничный слой — это самая нижняя часть тропосферы, сильно подверженная влиянию земной поверхности, особенно трения, нагрева, охлаждения и турбулентности. Его глубина сильно варьируется в пространстве и времени. Ночью она может составлять всего несколько метров, тогда как днём обычно достигает 2 км, а иногда и больше.
Вертикальный разрез тропосферы: пограничный слой у земли и свободная атмосфера выше; Meteorology for Scientists and Engineers
Выше пограничного слоя находится свободная атмосфера, где влияние земной поверхности пренебрежимо мало, а воздушные течения контролируются в основном крупномасштабной динамикой. Граница между пограничным слоем и свободной атмосферой часто образована устойчивым переходным слоем или запирающей инверсией, которая ограничивает вертикальное перемешивание между пограничным слоем и свободной атмосферой.
Высота пограничного слоя (zᵢ) отмечена резкими изменениями метеорологических переменных (T = температура, q = удельная влажность, V = ветер, Vg = геострофический ветер), что делает её чётко видимой на диаграмме; Meteorology for Scientists and Engineers
Типичная суточная эволюция пограничного слоя и термиков происходит, когда воздушная масса остаётся неизменной, а пограничный слой подвержен главным образом суточному циклу радиационного нагрева и охлаждения земной поверхности.
Структура пограничного слоя и его типичная летняя эволюция над сушей в условиях хорошей погоды и ясного неба; Meteorology for Scientists and Engineers
К концу ночи у земли обычно присутствует температурная инверсия, вызванная ночным охлаждением поверхности. После восхода Солнца поверхность начинает снова прогреваться вместе с воздухом непосредственно над ней. Начинают формироваться первые неглубокие термики, разрушающие ночную инверсию и запускающие перемешивание нижней части атмосферы. В то же время на верхней границе пограничного слоя происходит вовлечение (энтрейнмент) — воздух из свободной атмосферы перемешивается в пограничный слой. В результате перемешанный слой постепенно углубляется в течение дня, ночная инверсия исчезает, и слой растёт вверх. Его верхняя граница примерно указывает максимальную высоту дневных термиков.
Высота пограничного слоя zᵢ в течение дня над сушей в хорошую погоду определяет, как высоко могут подниматься термики. Если при подъёме происходит конденсация водяного пара, формируются кучевые облака. Meteorology for Scientists and Engineers
В утренние часы пограничный слой развивается медленно, и термики ещё слабые и неглубокие. Ближе к концу утреннего цикла, после разрушения ночной инверсии, пограничный слой вступает в фазу быстрого роста, термики усиливаются, и восходящие потоки достигают большей высоты. Как только пограничный слой достаточно углубился, а поверхность прогрелась до конвективной температуры, термики могут достичь уровня конденсации, и начинают формироваться кучевые облака. Поэтому послеполуденные и ранние вечерние часы часто предлагают наилучшие термические условия для парения.
Прохождение атмосферного фронта сильно нарушает это типичное развитие, поскольку адвекция другой воздушной массы изменяет структуру пограничного слоя.
Как распознать термики
Термические восходящие потоки наиболее явно видны под небольшими или средними кучевыми облаками с чёткими очертаниями, активным вертикальным ростом и частичным покрытием неба.
Основание активного кучевого облака часто слегка вогнутое (источник). Это происходит потому, что в центре восходящего потока находится самый тёплый воздух, в котором водяной пар конденсируется в последнюю очередь и поэтому на самом высоком уровне.
Быстро развивающееся кучевое облако действительно указывает на более сильный подъём, но оно также сопровождается более сильными нисходящими потоками и более энергичной общей термической циркуляцией.
При быстром термическом развитии иногда можно наблюдать соседние кучевые облака с разной высотой основания (источник). Небольшое кучевое облако может даже начать формироваться под уже существующим. Это часто является признаком того, что термики часто отрываются над одной и той же областью-источником.
Пограничный слой при прохождении холодного фронта и грозы; Meteorology for Scientists and Engineers
Если кучевые облака перерастают в глубокие конвективные облака и становятся вероятны внутримассовые грозы, условия для полётов на термиках обычно уже нехороши. В пограничном слое тепло и влага часто накапливаются под инверсией, которая ограничивает его рост и вовлечение, поэтому термики долгое время остаются слабыми и плохо организованными. После прорыва инверсии энергия быстро высвобождается в сильные грозовые восходящие потоки, в то время как вне их термики становятся слабее и менее пригодны. Одновременно возрастает риск турбулентности, нисходящих потоков и холодных выбросов, что делает такие условия непригодными и опасными для парения.
Безоблачные термики сложнее читаются пилотом. Восходящие потоки тогда приходится оценивать по характеру и форме ландшафта, также принимая во внимание воздушный поток, который увлекает термик за собой. В результате восходящий поток обычно находится не прямо над своей областью-источником, а смещён по ветру. В безоблачных термических условиях (источник) восходящие потоки, как правило, уже, более разрежены и их труднее обнаружить, чем при развивающихся кучевых облаках. С другой стороны, преимуществом может быть возможность достичь больших высот, потому что пилота ограничивает не облачная база, а только правила полётов.
Как читать термики по данным зондирования
Изменения свойств атмосферы с высотой получают с помощью радиозондов. Измеренные данные о температуре, влажности, давлении и ветре отображаются на термодинамической диаграмме, чаще всего в виде Skew-T log-P диаграммы, в которой изотермы наклонены под углом около 45°.
Диаграмма Skew-T Log-P; NOAA Jet Stream
Анализ зондирования помогает оценить, будут ли вообще формироваться термики, насколько они будут сильными, будут ли они облакообразующими или безоблачными, организованными или разрозненными, и существует ли риск перехода к грозам.
Диаграмма Skew-T Log-P: ключевые линии; inscc.utah.edu
На термодинамической диаграмме температура воздуха нанесена красным, а температура точки росы — синим (иногда зелёным). Когда эти кривые лежат близко друг к другу на определённых уровнях, это указывает на более высокую относительную влажность и более высокую вероятность образования облаков.
Одна из основных функций термодинамической диаграммы — определение атмосферной устойчивости; NOAA Jet Stream
Атмосферная устойчивость определяется сравнением вертикального градиента температуры окружающей среды с сухой и влажной адиабатами (см. раздел «Устойчивость и неустойчивость атмосферы»). Если температура падает с высотой быстрее, чем по сухой адиабате, стратификация неустойчива; если медленнее, чем по влажной адиабате — устойчива. Если она лежит между ними — атмосфера условно неустойчива.
Атмосферная устойчивость (устойчивая, условно неустойчивая и неустойчивая) на диаграмме Skew-T; inscc.utah.edu
С помощью метода частицы можно определить уровень вынужденной конвекции (LCL) — высоту, на которой водяной пар начинает конденсироваться при вынужденном подъёме частицы воздуха (например, когда воздух течёт через горный барьер) и начинает формироваться облачная база. На диаграмме он определяется как пересечение сухой адиабаты, проведённой от приземной температуры воздуха частицы, и линии отношения смешения, проведённой от приземной точки росы.
Одной из наиболее важных величин как для пилотов планеров, так и для парапланеристов является уровень конвективной конденсации (CCL). Он указывает приблизительную высоту, на которой термические потоки начинают генерировать кучевые облака. На диаграмме он определяется как пересечение линии отношения смешения от приземной точки росы и температурного профиля атмосферы.
Если провести линию вниз по диаграмме от CCL к земле вдоль сухой адиабаты, мы получим конвективную температуру (Tcon, CT; см. «Атмосферный пограничный слой и его развитие»). Сравнивая её с прогнозируемой максимальной дневной температурой, можно оценить, ожидается ли в течение дня образование кучевых облаков и примерно когда оно начнётся.
Метод частицы используется для определения характерных уровней на диаграмме; NOAA Jet Stream
Силу восходящих потоков также можно оценить по зондированию. Чем больше разница между температурой поднимающейся частицы воздуха и температурой окружающей среды, тем сильнее, как правило, термики. Если температурный профиль в пограничном слое близок к сухой адиабате, термики обычно хорошо развиты и организованы.
Также можно оценить формирование более сплошного слоя слоисто-кучевых облаков, который пилоты планеров часто называют «переразвитием» (overdevelopment, OD). Если на уровне ожидаемых вершин кучевых облаков (то есть у верхней границы пограничного слоя) присутствует инверсия и если там температура и точка росы близки друг к другу, вершины кучевых облаков могут начать распространяться в стороны, образуя более сплошной облачный слой.
Сплошной слоисто-кучевый слой уменьшает солнечный нагрев поверхности, что, в свою очередь, ограничивает дальнейшее развитие восходящих потоков
Степень организации термиков (источник) также можно оценить по профилю ветра с высотой. При слабом ветре и слабом сдвиге восходящие потоки имеют тенденцию быть более широкими, плавными и удобными для использования. При более сильном ветре или выраженном сдвиге ветра термики разрушаются и становятся более узкими, разрозненными и турбулентными.
Утреннее зондирование с простой оценкой послеполуденного температурного профиля (слева, зелёная линия) и полуденное зондирование (справа)
Перед полётом мы обычно работаем с ночным или утренним зондированием. Вблизи поверхности оно часто показывает ночную инверсию, которая обычно постепенно исчезает в течение утра (см. «Атмосферный пограничный слой и его развитие»). Приблизительный послеполуденный температурный профиль после разрушения инверсии можно оценить, проведя кривую температуры от верхней части утренней инверсии вниз к земле вдоль сухой адиабаты. Это даёт ожидаемый температурный профиль в перемешанном пограничном слое.
Из зондирования можно извлечь гораздо больше информации. Например, оно может выявить облачные слои и их характер, оценить грозовой потенциал, указать границы фронтов, предположить тип осадков и идентифицировать слои, где возможно обледенение.
Термики на Windy.com
Windy предлагает несколько полезных инструментов для оценки термиков, позволяя пользователям отслеживать ситуацию от синоптического масштаба до детального поведения атмосферы над конкретным местом.
Базовое представление можно получить уже из самой синоптической ситуации и её развития. Как уже упоминалось, наилучшие условия для термиков обычно возникают при обилии солнечного света, относительно сухом воздухе и хотя бы слегка неустойчивой стратификации атмосферы. Такие ситуации типичны для областей высокого давления или периодов после прохождения холодного фронта. На Windy эти условия хорошо отслеживаются с помощью карт давления на уровне моря, температуры на 850 гПа, влажности на разных уровнях, полей ветра и других параметров.
Для планеризма и парапланеризма особенно полезен слой «Термики». Он прогнозирует высоту уровня конвективной конденсации (CCL) и вероятное развитие кучевых облаков — от небольших кучевых облаков до обширной облачности или даже гроз. Расчёт сочетает приземные условия с вертикальной структурой атмосферы, включая температуру и точку росы у земли и на высоте, высоту местности, поток тепла у поверхности, ветер, осадки, грозы и положение Солнца.
Также очень ценны атмосферные зондирования, доступные на Windy.com, как наблюдаемые, так и прогностические. Прогностические зондирования из численных моделей ясно показывают, как термики, вероятно, будут развиваться в течение дня практически в любом месте. Важные значения, такие как LCL, CCL и Tcon, отображаются под диаграммой. Благодаря интерактивному отображению легко увидеть, как будет вести себя частица воздуха, поднимающаяся от земли, на каком уровне она достигнет насыщения и начнёт образовывать облако, и останется ли она теплее окружающего воздуха.
Очень практичным инструментом для оценки вертикальных условий в атмосфере является аирграмма (Airgram). Она чётко отображает температуру, скорость и направление ветра на разных уровнях, вместе с облачностью и осадками. Её можно отобразить либо как прогноз для одного места, либо как вертикальный разрез атмосферы вдоль выбранного маршрута в режиме Distance & Planning. Кроме того, пилоты парапланов могут отображать информацию о стартовых площадках для парапланеризма непосредственно на карте.
