Главная / Обучение / Теория / Термический восходящий поток

Под действием Солнечного тепла поверхность Земли нагревается и нагревает находящийся над ней воздух. Нагревшийся воздух поднимается вверх, образуя термические потоки или термики. Наиболее мощные термические потоки наблюдаются во второй половине весны после полудня при хорошем прогреве земли. По мере удаления потока от земли он охлаждается. Поток прекращает свое существование, когда температура воздуха в нем сравнивается с температурой окружающей среды. Благодаря освоению ТВП для пилотов безмоторных СЛА (сверхлегких летательных аппаратов) стали возможны длительные маршрутные полеты протяженностью в сотни километров.

Рис. 4.17. Вращаясь словно в карусели, парапланы набирают высоту в термике.

Условием возникновения термических потоков является нестабильность нижних слоев атмосферы. Выясним, в каком случае атмосфера считается стабильной, а в каком нет.

Воздух является очень плохим проводником тепла. Поэтому достаточно большой объем воздуха, обладающий одной температурой и перемещающийся в атмосфере с другой температурой, практически не отдает тепло и не получает его от окружающей среды. Если частица воздуха поднимается, давление в ней уменьшается. Это приводит к уменьшению ее температуры. И наоборот, если частица воздуха опускается, давление и ее температура увеличиваются. В приземных слоях атмосферы поднятие частицы воздуха на 100 м приводит к уменьшению ее температуры примерно на 1° C.

Рис. 4.18. Изменение температуры воздуха с высотой.

Представим себе слой атмосферы, в котором вертикальное убывание температуры меньше, чем 1° C на 100 м. Пусть на высоте 100 м температура воздуха равна 15° C, а на высоте 300 м — 14° C.

Если каким-либо образом "толкнуть" частицу воздуха с высоты 100 м, так, чтобы она поднялась до высоты 300 м, то ее температура уменьшится на 2° C и станет равна 13° C. Частица будет холоднее окружающей среды и, следовательно, более плотной. Поэтому она снова опустится на свой исходный уровень. Такой слой воздуха называется стабильным.

Рис. 4.19. Пример стабильного слоя атмосферы.

Очевидно, что если частица воздуха вдруг со своего уровня случайно опустится вниз, то в результате роста давления ее температура повысится и окажется больше температуры соседних слоев воздуха. Это приведет к подъему частицы и ее возвращению на исходную высоту.

В нижних слоях атмосферы с увеличением высоты температура воздуха обычно уменьшается, но порой встречаются слои, в которых с высотой температура не изменяется или даже увеличивается. Такие слои называются изотермическими и инверсионными. Они исключительно стабильны. Механизм образования инверсий будет разобран позже.

Теперь разберем ситуацию, когда вертикальное убывание температуры происходит быстрее, чем 1° C на 100 м высоты. Пусть температура воздуха на высоте 100 м равна 15° C, а на высоте 200 м — 13° C. Стартовавшая с высоты 100 м частица воздуха будет иметь температуру 14° C на высоте 200 м. Эта температура будет больше температуры окружающего слоя атмосферы. В результате частица воздуха продолжит движение вверх. Такой атмосферный слой называется нестабильным.

Рис. 4.20. Пример нестабильного слоя атмосферы.

В нестабильном слое случайно переместившиеся вверх частицы оказываются теплее окружающего воздуха, и их восходящее движение продолжается. Очевидно, что если частица воздуха вдруг со своего уровня опустится вниз, то ее температура хотя и увеличится, но все равно будет меньше температуры соседних слоев воздуха. Это приведет к продолжению ее нисходящего движения.

Атмосфера состоит из последовательности стабильных и нестабильных слоев. Термические потоки образуются в нестабильных слоях и блокируются стабильными (в частности инверсионными). На рисунке можно увидеть, как стабильный приземный инверсионный слой воздуха блокирует подъем дыма на высоту.

Рис. 4.21. Приземный инверсионный слой воздуха блокирует подъем дыма на высоту.

Вообще говоря, в чистом виде нестабильные слои в природе не встречаются. Если бы такой слой вдруг образовался, он бы очень быстро перемешался бы и растворился в окружающих его более стабильных слоях атмосферы. Убывание температуры обычно соответствует адиабатическому: около одного градуса на 100 м высоты. Однако если определить некоторую среднюю температуру для нулевой высоты (например, 20° C), то на отдельных участках местности, более благоприятных для прогрева, температура может оказаться выше средней (например, 22° C). Именно в таких местах и зарождаются термические потоки. Воздух, стартовавший от земли с температурой 22° C, будет подниматься, сохраняя разницу в 2° C с окружающими слоями, до тех пор, пока не встретит блокирующий стабильный слой. Стабильность и нестабильность атмосферы можно определить по ряду признаков.

Примечание:      адиабатическими называют процессы, происходящие без теплообмена с окружающей средой.

Признаки стабильности атмосферы:

ровный ветер;

закрытое слоистыми облаками небо;

плохая видимость (дымка, туман);

стелющийся вдоль земли дым от костра.

Признаки нестабильности атмосферы:

порывистый ветер;

кучевые облака (чем они выше, тем потоки мощнее);

прозрачный воздух, хорошая видимость;

поднимающийся высоко над землей дым;

пылевые смерчи.

Рис. 4.22. Признаки стабильности и нестабильности атмосферы.

Термическая активность имеет ярко выраженный суточный цикл. Ночью не подогреваемая солнцем земля теряет тепло путем излучения. Охлаждение земли передается самым нижним слоям атмосферы, в то время как более высокие слои охлаждаются слабо. Максимальное охлаждение достигается к рассвету. В это время при удалении от земли на расстояние порядка нескольких сотен метров температура будет увеличиваться. Далее она начинает понижаться как обычно. Таким образом, за ночь у земли создается устойчивый инверсионный слой, в котором термические потоки невозможны.

Такая инверсия проявляется тем сильнее, чем более ясной была ночь. Это объясняется тем, что при наличии облаков потери тепла землей уменьшаются, так как часть излученного землей тепла, отражаясь от облаков, возвращается обратно.

После восхода солнце начинает подогревать землю. Происходит это очень неравномерно. Над наиболее нагретыми участками начинают формироваться термические потоки. Сначала эти потоки слишком слабы для их использования пилотами СЛА, но они постепенно разрушают образовавшуюся за ночь приземную инверсию.

После разрушения ночной инверсии термическая активность быстро нарастает. Максимум ее интенсивности достигается к середине второй половины дня (в летнее время около 14-15 часов).

Ближе к вечеру температура воздуха у земли начинает медленно уменьшаться. Потоки становятся более слабыми и широкими ("мягкими"). Расстояния между ними увеличиваются. Постепенно, по мере приближения заката солнца, все потоки исчезают.

Говоря о сезонном изменении активности термиков, следует помнить, что термичность определяется не абсолютными температурами воздуха, а тепловыми контрастами — изменениями температуры подстилающей поверхности в зависимости от особенностей рельефа и растительности.

Наибольшие контрасты в средней полосе России наблюдаются во второй половине весны (апрель, май) когда солнце уже высушило и подогрело поля, а в лесах и ложбинах еще лежат остатки зимнего снега. Воздух бурлит! Потоки самые мощные и жесткие. Часто они сопровождаются микросмерчами. Высоту в весенних потоках можно набирать весьма быстро, но далеко не всякий пилот сможет справиться с сопутствующей им турбулентностью.

Летом прогрев менее контрастный, чем весной. Потоки становятся более спокойными и широкими. Осенью солнечный прогрев ослабевает, листья с деревьев опадают, поля и леса становятся одинаково серыми. Контрастность рельефа уменьшается. Соответственно ослабевает и термическая активность, порой вплоть до ее полного исчезновения.

Во второй половине зимы, когда солнце начинает идти на подъем, несмотря на холода и снега, термическая активность снова начинает появляться. Для образования потоков важны не абсолютные температуры, а контрасты: белое (холодное) поле и темный (теплый) лес, холодный снег и теплые крыши деревенских домов. Представьте себе, что вы летите над замерзшей рекой, а в реке на перекате незамерзающая полынья приличных размеров. Пусть воздух и снег имеют нормальную зимнюю температуру в -10-15° C, но вода-то плюсовая! Обсуждая чуть раньше признаки устойчивости и неустойчивости атмосферы, мы говорили о температурных градиентах в 1-2°. Вода в полынье на 10-15° теплее окружающего ее снега. Этого более чем достаточно для образования зимнего термика.

Образование ТВП можно смоделировать в домашних условиях. Для этого следует взять емкость возможно больших размеров и заполнить ее водой. После того как вода успокоится, на дно емкости через тонкую трубку влейте немного воды, подкрашенной какой-либо краской, но так, чтобы она не перемешалась с основной массой. Затем начните эту емкость снизу медленно подогревать. Нижний подкрашенный слой воды будет подниматься вверх, имитируя термики.

В центре термика находится восходящий поток. По периферии — нисходящие. Если воздух достаточно влажный, вершину ТВП может венчать кучевое облако. Впрочем, ТВП не всегда завершается образованием облака. Тогда его следует искать по другим признакам. Способы обнаружения ТВП будут разобраны ниже.

Рис. 4.23. Структура ТВП.
1 — облако на вершине ТВП. 2 — область восходящих потоков. 3 — область нисходящих потоков. 4 — область формирования ТВП.

Поднимающийся в ТВП воздух сносится ветром. Поэтому в полете его нужно искать не над местом возможного образования, а несколько в стороне по ветру. Следует отметить, что мощные термики иногда закручивают поднимающийся воздух как в циклоне. В северном полушарии воздух закручивается против часовой стрелки, в южном полушарии — по часовой стрелке. Можно надеяться на немного лучший подъем аппарата, если он вращается против потока (в северном полушарии правая спираль). Это объясняется тем, что в таком случае аппарат движется относительно земли чуть медленнее и для его удержания в потоке нужен чуть меньший угол крена.

Рис. 4.24. Закручивание воздуха в ТВП в северном полушарии
происходит в направлении "против часовой стрелки" (вид сверху).

В условиях реального полета не стоит рассчитывать на вход в термические потоки только против их вращения, так как заранее определять точные местоположения потоков обычно не представляется возможным. Но при обработке уже найденного сильного потока полезно ставить аппарат в правую спираль (в северном полушарии) для некоторого увеличения скорости набора высоты.

В средних широтах на равнине ТВП дают восходящую скорость в среднем 1-3 м/с, но максимальные наблюдаемые значения могут составлять до 7-8 м/с.

Значительно чаще регулярных (непрерывных) термиков в природе встречаются тепловые пузыри (ТП). Они возникают при недостаточной "подпитке" ТВП нагревающимся у земли воздухом, или если ТВП разрывается меняющимся по высоте ветром. Пузыри больших размеров, можно использовать для набора высоты. Но они становятся бесполезны, если начинают дробиться и возникает беспорядочное кипение. В этом случае ТП могут начать представлять опасность как источники турбулентности.

Рис. 4.25. Образование тепловых пузырей.

Термические потоки следует искать над участками земной поверхности, подвергающимися наибольшему прогреву солнцем. Прежде всего, это каменистые россыпи, песок, обращенные к солнцу склоны холмов. При поиске потоков над склонами холмов полезно учесть, что вогнутые склоны нагревают воздух быстрее выпуклых.

Рис. 4.26. Области быстро нагреваемого воздуха над склонами холмов.

При условии неустойчивости приземного воздуха даже небольших размеров пригорки и лесозащитные полосы могут стать генераторами термиков. Гонимый ветром перегретый слой приземного воздуха наталкивается на бугор или стену деревьев и, обтекая их, начинает подниматься. Получив от наземного препятствия вертикальный импульс, воздух часто продолжает свой подъем, образуя ТВП.

Рис. 4.27. Формирование ТВП у пригорков.

Над возвышенностями термическая активность обычно несколько сильнее, чем в долине. Температура воздуха с высотой в общем случае уменьшается. Однако над возвышенностью воздух подогревается близким рельефом. Воздух над возвышенностью оказывается теплее воздуха, расположенного на той же высоте, но в стороне. Это увеличивает температурные контрасты и усиливает термики.

Отдельно отметим термичность над полями. Можно выделить три вида полей: "желтые", "черные" и "зеленые". Желтые поля всегда сухие и поэтому гарантированно теплые. Неоднозначна ситуация с черными полями. Черное поле темнее желтого. По идее оно должно лучше впитывать солнечное тепло и греть расположенный над ним воздух. Так оно и происходит, если поле сухое. Но если это свежевспаханное поле, ситуация меняется. Солнечные лучи будут не столько греть землю и воздух над ним, сколько испарять влагу из перевернутых плугом глубинных слоев земли. В этом случае восходящих потоков над полем не будет. Зеленые поля, покрытые живой, а значит "мокрой" растительностью, самые холодные. Над ними восходящих потоков, скорее всего, не будет.

Природа, как известно, не терпит пустоты. Если в одних местах воздух поднимается, то в других он будет опускаться. Нисходящие потоки формируются над холодными участками местности. Это, в первую очередь, низины, особенно если по их дну протекают ручьи. Холодными будут озера, реки, болота, зеленые (то есть влажные) поля, леса.

Рассмотрим в качестве примера вид с вершины горы Юца на запад в сторону города Ессентуки.

Рис. 4.28. Вид с вершины горы Юца на запад в сторону города Ессентуки.

В центре картинки поселок Юца (область 1). Поселок находится в ложбине, по дну которой течет ручей. Ручей холодный. Значит, ничего кроме нисходящих потоков мы над поселком не найдем. Интерес представляют два желтых поля левее поселка (область 2). Пшеница отлично впитывает солнечное тепло, греется сама и греет находящийся над ней воздух. Лесополоса, разделяющая поля, является триггером, или "генератором", термиков. Еще интереснее плато за поселком (область 3). Оно тоже сухое. Еще оно приподнято над окружающим рельефом, что усиливает его прогрев. Поверху плато проходит дорога. Движущиеся по этой дороге автомобили срывают перегретые слои приземного воздуха и тоже способствуют образованию термиков.

Тактика пилота, улетающего на маршрут с Юцы в этом направлении, следующая: выкрутить стартовый поток над горой и, избегая нисходящих потоков над поселком (область 1), лететь за следующим термиком на плато к объездной дороге (область 3). Если долететь до плато не получается, вернуться к горе и подождать более сильный стартовый термик. Если же довернувший ветер выносит пилота на желтые поля левее поселка (область 2), шансы зацепиться там за второй поток и продолжить маршрутный полет тоже вполне реальные, но, если набрать высоту не получится, возвращаться на старт будет сложнее по причине отсутствия местных подъездных дорог.

Мы определили условия и места образования термических потоков. Теперь рассмотрим признаки, по которым можно распознать активные термики. Первая рекомендация при поиске термиков — не торопиться взлетать. Посидите 15-20 минут на старте и понаблюдайте за окружающей обстановкой: ветром, облаками, птицами, другими парапланами. Пока вы на земле, вам не нужно отвлекаться на пилотирование, и вы сможете увидеть много больше чем с воздуха, одновременно удерживая крыло в турбулентном потоке и уворачиваясь от летающих рядом с вами других аппаратов. Это общий совет. Теперь признаки потоков.

Если в штиль на горе на вас вдруг набегает слабый, но быстро крепчающий ветерок, или направление ветра начинает быстро меняться, то это значит, что где-то рядом начал формироваться термик, а место уходящего наверх нагретого воздуха занимает холодный. Если поток сходит непосредственно под склоном, то для того чтобы успеть его поймать, пилотам СЛА иногда приходится стартовать даже с попутным ветром.

Рис. 4.29. Сход термика со склона холма.
1 — поднимающийся теплый воздух. 2 — холодный воздух заполняет освобождающееся место.

Следите за деревьями и кустами на склоне. Их шевелящиеся ветки указывают на местные усиления ветра, которые являются основаниями поднимающихся термиков. А если под склоном имеется река, то движение ряби по воде и ее интенсивность вам расскажут не только о самом факте появления термического потока, но и о его силе, скорости и направлении движения.

Рис. 4.30. Основной склон у села Вяжи (Орловская обл). Рябь на реке обозначила приближение термика.

Внимание! В основании сильного термика иногда может "прятаться" микросмерч. Стартовать в термик со смерчем чрезвычайно опасно! Смерч можно "вычислить" по характерной закрутке ряби на воде. Если воды внизу нет, смотрите на волны, которые ветер гонит по траве и поднимающуюся пыль.

Отличным указателем наличия ТВП являются высоко поднимающиеся дым или пыль. Часто, по окончании уборки урожая, крестьяне поджигают оставшуюся на поле солому. Горящая трава не только подогревает поле, но и своим дымом точно указывает на место схода потока. Однако при попытках ловить термики по дыму от горящей травы необходимо все время сохранять запас высоты для безопасного ухода с горящего поля на случай если термик найти не получится.

Рис. 4.31. Определение ТВП по поднимающемуся дыму.

В момент входа в ТВП пилот может ощутить теплое дуновение набегающего потока воздуха, а также физически почувствовать, как аппарат начинает подниматься вверх. Однако следует иметь в виду, что все эти ощущения будут возникать только в момент входа в достаточно сильный поток. При обработке слабых потоков и в полете на большой высоте пилоту целесообразнее рассчитывать не на свои чувства, а на показания приборов.

До начала 90-х гг ХХ века пилоты СЛА использовали авиационные барометрические приборы. Немного позже появилось множество более компактных, легких и чутких электронных приборов, созданных специально для полетов на дельтапланах и парапланах.

Рис. 4.32. Приборное оборудование парапланериста.
Слева авиационные барометрические вариометр и высотомер.
Справа комбинированный электронный прибор фирмы Flytec.

Тяжелые птицы-парители не любят зря махать крыльями, отлично "чувствуют" термики и активно используют их для набора высоты. Однако при определении термиков по птицам следует помнить, что скорость снижения птицы значительно меньше скорости снижения параплана. Поэтому птицы будут уверенно парить в потоках, которые не смогут удержать параплан. Для того чтобы не оказаться раньше времени на земле, прежде чем пристраиваться к какому-нибудь выпаривающему орлу оцените скорость его набора высоты.

Значительно надежнее птиц на термик может указать пролетающий неподалеку от вас дельтаплан или параплан, если он вдруг начинает набирать высоту. Поиск термиков по другим парапланам и дельтапланам используется многими пилотами. Если вы взлетаете не первым, то по летящим впереди вас аппаратам можно без труда определить распределение и интенсивность потоков на 3-5 км вперед по трассе маршрута.

Следует отметить, что летать маршруты группой проще и комфортнее чем в одиночку. При обработке термического потока группой нет необходимости центровать термик по прибору. Более того, порой это даже вредно. Уткнув взгляд в прибор, начинающий пилот теряет возможность вести осмотрительность и может спровоцировать столкновение в воздухе. При обработке термика группой начинает работать коллективный разум. Парапланы встают в "карусельку" и каждому пилоту достаточно лишь держаться в общем круге понемногу смещая свою спираль в сторону других крыльев, если кто-то начинает набирать высоту быстрее него. Искать термики группой на переходах между потоками тоже легче. Парапланы летят фронтом и площадь проверяемой группой области в разы увеличивается, чем если бы каждый пилот летел по одиночке.

Если на горе собирается большая группа пилотов, начинающим маршрутникам рекомендуется не торопиться со взлетом и подождать старта более опытных товарищей, лучше знающих особенности полетов в местных условиях. Вспоминается добрая парапланерная байка: "пилоты делятся на три группы: на умных, хитрых и тех, у кого сильные ноги". "Умные" знают, когда взлетать. "Хитрые" смотрят на умных. Ну а те, у кого "сильные ноги" не столько летают, сколько бегают в горку.

Обратите внимание на этику поведения при полете в группе. "Правила воздушного движения" или "правила расхождения в воздухе" мы разберем позже, а пока отметим, что прежде всего, необходимо держать безопасную дистанцию от летящего впереди вас пилота. Весьма некомфортно и небезопасно летать, когда кто-то плотно висит "на хвосте" существенно ограничивая возможности маневрирования и себе, и ведущему. И второе: не забывайте на переходах между потоками вставать фронтом. Удаление вбок на 50-70 м от ведущего не оторвет вас от него, а суммарная площадь проверяемой на термики области в разы увеличится.

Рис. 4.33. Этика при полетах в группе: в термике держать дистанцию, на переходах идти фронтом.

Если вы на высоте нескольких сотен метров увидели пролетающие мимо вас мелкие сухие листья или пушинки одуванчика, значит вы уже в потоке. Сами по себе сухие листья летать не умеют. Это их термик с земли поднял.

Кучевые облака часто указывают на вершину ТВП. При поиске термического потока по кучевым облакам следует обратить внимание на их форму. На активный ТВП указывает облако с широким основанием и вытянутой вверх вершиной — треугольник с вершиной, направленной вверх. Если подпитка облака термиком прекратилась, основание облака становится размытым, а основная его масса сосредоточивается в верхней части — получается треугольник с вершиной, направленной вниз.

Рис. 4.34. Определение термиков по кучевым облакам.

Тактика поиска потоков зависит от высоты вашего полета над рельефом местности. Если высота вашего полета за 800-1000 м и в воздухе есть достаточное количество кучевых облаков, на подстилающий рельеф можно почти не смотреть и идти по маршруту, ориентируясь на растущие облака. Если высоты меньше 500 м, основное внимание вниз на сухие поля и другие прогретые участки местности. На средних высотах примерно от 500 до 1000 м и рельеф, и облака работают примерно одинаково. Соответственно с равным вниманием смотрим и вниз, и вверх.