Как мы знаем, теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный даже при том же давлении. Это связано с большей энергией частиц теплого воздуха. Более теплый воздух стремится подняться вверх, как более легкий, а холодный опуститься вниз. По этой же причине дерево всплывает в воде, а камень тонет.
Если наш счастливый пузырек воздуха поднимается в атмосфере, которая остывает медленнее, чем 1 °C/100 м, тогда пузырек будет остывать быстрее, чем окружающий воздух и, следовательно, подниматься медленнее до тех пор, пока ситуация не будет соответствовать рисунку 12. Фактически пузырек воздуха достигает высоты, соответствующей уровню равновесия, после чего, поднимаясь вверх, он быстрее остывает и, следовательно, подъем прекращается и наоборот. Это условие стабильности.
Нестабильный воздух ведет себя наоборот. При остывании воздуха более чем 1 °C/100 м, пузырек воздуха поднимается быстрее, не остывая так сильно, как окружающий воздух, и подъем ускоряет (см. рис. 13).
Рис. 13. Смысл нестабильности
Нестабильность воздуха определяется его несбалансированностью. В более низких слоях он слишком теплый и спокоен в вертикальной плоскости (отметим, что горизонтальный ветер присутствует и в стабильной и в нестабильной атмосфере).
Мы можем теперь сформулировать краткое определение: условия стабильности наблюдаются, когда градиент меньше, чем 1 °C/100 м. В противном случае воздух нестабилен.
Важно отметить, что в стабильных условиях пузырек воздуха, движущийся вниз будет стремиться вернуться вверх, эквилибрируя, в то время, как пузырек воздуха, движущийся вниз в нестабильных условиях будет стремиться продолжать опускаться. Последнее объясняет почему именно на нестабильные дни по статистике приходится наибольшее количество происшествий. Стабильность и нестабильность условий существенно влияют на турбулентность. Нестабильные условия приводят к термичности (поднимающиеся вверх пузыри воздуха), которую мы рассмотрим в следующих главах.
Теперь посмотрите рисунок 11. График А, который показывает стандартную атмосферу, может говорить о стабильном воздухе, т. к. температура уменьшается меньше, чем 1 °C/100 м. Если градиент больше, чем 1 °C/100 м, то это называется суперадиабатический градиент (супер АГ). Такой градиент показан в нижней части графика С. Условия суперадиабатического градиента в основном встречаются только над раскаленными пустынями, или в менее жарких районах, в солнечные дни над ограниченными, закрытыми участками земли
ПРИЗНАКИ СТАБИЛЬНОСТИ
Все пилоты должны быть способны определить насколько стабилен воздух. Причем, желательно это сделать до того как окажешься в полете. Предположим: вы умеете парить и полны желания найти восходящий термический поток или хотите на мотопараплане полетать в очень спокойном воз духе. Для первого вам нужны нестабильные условия, а для второго — стабильный малоподвижный воздух.
В основном, ясная безоблачная ночь, переходящая в ясное утро, несет нестабильные условия. Для таких условий характерны толстый слой холодного воздуха, что нестабильно, учитывая нагрев воздуха от земной поверхности утром. Однако, очень холодные ночи задерживают начало широкой конвекции из-за приземной инверсии, как показано на графике В рисунка 11. День обещает быть очень стабильным, если небо закрыто сплошными облаками или облачность переменна и земля прогревается постепенно.
О стабильности атмосферы можно судить по типу облаков. Образовывающиеся кучевые облака указывают на восходящие потоки и всегда предполагают нестабильность. Слоистые облака обычно говорят о стабильности. Дым, поднимающийся вверх до определенного уровня и растекающийся там, явный признак стабильности, в то время, как высоко поднимающийся дым указывает на нестабильные условия.
Пыльные смерчи, порывистый ветер и хорошая видимость указывают на нестабильность, в то время как устойчивый ветер, слои тумана и слабая видимость говорят о стабильном воздухе. Все это изображено на рисунке 14.
Рис. 14. Определение стабильности атмосферы
СТАБИЛЬНОСТЬ СЛОЕВ
Здесь мы обратим внимание на изменение стабильности воздушных масс или, что точнее, изменение стабильности слоев. Во-первых, отметим ежедневные различия в солнечном прогреве. И, во-вторых, возможность прихода новых воздушных масс, как теплых, так и холодных (мы изучим фронты в главе 4). Эти массы чаще всего имеют различные температуры и стабильность.