Причиной возврата является трение между слоями воздуха, расположенными на различной высоте. Рефракция действует до сравнительно небольших высот, где ощущается замедляющее влияние трения о землю. На достаточно больших высотах трение о поверхность суши не влияет на ветер и рефракция не наблюдается, здесь возможно только незначительное изменение направления ветрового потока из-за трения между различными горизонтальными слоями воздуха.
Таким образом, основная масса ветрового потока пересекает береговую линию без рефракции, и трение между основным потоком и слаборефрагированным ветром внизу постепенно выталкивает нижележащий воздух в направлении его собственного движения.
Влияние термиков
У береговой линии при соответствующих условиях наиболее сильно ощущается влияние морских и береговых бризов.
В жаркий летний день, если нет ветра с берега, обусловленного полем давления, возможно образование бриза, несущего холодный воздух от поверхности воды на замену теплому воздуху, который поднимается над более быстро нагревающейся сушей (см. гл. 11 и 13). Такие бризы, следуя из более холодного района в более теплый, обычно пересекают береговую линию примерно под прямым углом. Бриз (или тенденция к его образованию, если ветер, обусловленный полем давления[19], слишком силен и препятствует заметному появлению бриза) будет влиять на градиентный ветровой поток.
Даже слабые ветры, дующие с берега, препятствуют образованию бризовой циркуляции. При ветре на сушу влияние береговой линии на термики обычно распространяется гораздо дальше, чем при рефракции. Эти термики могут проявляться как морской и береговой бризы большого масштаба или как более легкие локальные возмущения.
Влияние конфигурации суши
Форма береговой черты также может оказывать сильное влияние на направление ветра.
Если ветер спускается с относительно высокого обрыва под углом к береговой линии, то, подобно любому скатывающемуся телу, ветер (при отсутствии других сил) стремится вниз, а не поперек холма. Можно допустить некоторую аналогию между действием ветра на склон холма и попыткой прокатить мяч под углом к склону: мячик будет отклоняться от первоначального движения и неизбежно скатится вертикально вниз.
Можно также применить эту аналогию к воздушному потоку, набегающему на наветренную сторону холма под некоторым углом. Мяч, катящийся вверх по склону под некоторым углом, стремится изменить направление, следуя по линии наименьшего сопротивления, то есть вдоль основания склона. Аналогичным образом — ветер, приближающийся под углом к склону, стремится повернуть к нему под более острым углом и идти вдоль основания. (Аналогию не следует распространять слишком далеко, так как мячик обязательно будет скатываться вниз по склону, а с ветром, перемещение которого зависит не только от количества движения, этого не происходит.)
Таким образом, влияние конфигурации берега на ветер с суши и с моря прямо противоположно. Береговой эффект отклоняет ветер с моря параллельно крутому берегу, этот же эффект заставляет ветер с суши опускаться с обрыва под прямым углом.
Сочетание трения о сушу и бризового эффекта
Замедление морского ветра трением о сушу при пересечении береговой черты приводит не только к рефракции, но и к другому важному явлению.
Как уже говорилось, в жаркий день при ветре к берегу наблюдается тенденция к образованию бризовой циркуляции, которая в значительной степени может быть замаскирована движением воздуха, обусловленным полем давления. Воздушный поток, возникающий в результате этой тенденции, может таковым не восприниматься, так как не исключено существенное влияние генерального ветрового потока. Но тем не менее бризовая циркуляция существует, а направление и сила ветра при пересечении линии берега являются результатом сложения двух ветров, общего и бризового, каждый из которых имеет свою скорость и направление.
Мы видели, что морской бриз обычно пересекает береговую черту под прямым углом. Понятно, что такой бриз (или тенденция к нему) стремится отклонить морской ветер в направлении, перпендикулярном к берегу. Это показано на рис. 85.
Сказанное достаточно просто, однако важно, что хотя теоретически каждый из обоих ветров сохраняет свое направление (в течение всего периода существования, независимо от эффектов рефракции и т. д.), они непостоянны по скорости или силе. Бриз сильнее у береговой линии, где разница температуры воздуха над водой и сушей наибольшая. Строго говоря, для потока, обусловленного полем давления, справедливо обратное — у береговой линии его скорость (или сила) уменьшается за счет трения. Следовательно, при достижении берега бризовый поток становится сильнее, а градиентный — слабее.
Рис. 85. Сочетание генерального ветрового потока с бризовым эффектом образует результирующий ветер, направленный к линии берега под углом, более близким к прямому
В результате — чем ближе к берегу результирующий ветер, тем ближе к прямому угол, под которым он следует к берегу.
Этот эффект проявляется только при ветре на берег. При ветре с суши конвективная деятельность ослаблена и бризовая компонента может полностью отсутствовать.
Все, что ослабляет или сдерживает бризовую циркуляцию, будет, естественно, уменьшать отклонение результирующего ветра, поэтому подход ветрового потока, обусловленного полем давления, под очень острым углом к береговой линии неблагоприятен для образования бризовой циркуляции. Уменьшение термического влияния при косом подходе ветра возмещается большой рефракцией. Бризовые эффекты будут сильнее в жаркую солнечную погоду, при более слабом градиентном ветровом потоке.
Сочетание конфигурации берега и бризовых эффектов
При ветре на берег и благоприятной температуре довольно крутой склон с подветренной стороны берега способствует образованию конвекции.
Рис. 86. Влияние крутого берега на образование термических пузырей и конвективную деятельность.
На рис. 86 показано образование термического пузыря над горячим песчаным пляжем. Бриз с моря перемещает пузырь в глубь суши и толкает вверх по склону. Так зарождается восходящий поток, ускоряющий образование конвективной системы. Холодный воздух, приходящий с моря на замену более теплому воздуху, поднимающемуся в пузырях, вызывает обыкновенный горизонтальный бриз.
Доходя до крутого берега, ветровой поток начинает подниматься над водой на некотором расстоянии от его наветренной стороны, а внизу над водой вдоль берега наблюдается слабое движение воздуха. Этот более медленный генеральный поток может благоприятствовать образованию термиков вдоль берега, и усиление конвекции затушевывает ослабление результирующего ветра. В то же время угол, под которым результирующий ветер направлен к берегу, будет ближе к прямому.
Совместное влияние всех факторов
Взаимодействие всех перечисленных факторов — скорости и угла подхода градиентного ветра, рефракции, трения о сушу, термиков и конфигурации берега — определяет истинный ветер, пересекающий береговую черту. Поэтому характер искривления воздушного потока очень различен.
Тем не менее сделаем некоторые выводы, позволяющие получить достаточно точную картину прибрежного ветра при различных условиях. Некоторые из этих выводов приведены ниже.
1. Рефракция — основная причина искривления ветрового потока.
2. Рефракция наибольшая при ветре под острым, а не под более обычным прямым углом к береговой линии (см. выводы 10 и 14).
3. Рефракция увеличивается, когда из-за особенностей рельефа ветер у уреза воды существенно замедляется (этому способствует скопление зданий, деревья или холмы (см. вывод 14).
4. Рефракция может уменьшиться при сильном встречном бризе, ускоряющемся вблизи берега. Следовательно, усиленная конвективная деятельность уравновешивает и маскирует рефракцию, ослабленную из-за ускорения ветрового потока за счет конвекции.
5. Рефракция ветров, дующих на сушу, обычно не распространяется далеко от берега, и поэтому при плавании под парусами от нее мало пользы. Рефракция ветров с суши более полезна, так как распространяется гораздо дальше (см. вывод 9).
6. Термическая деятельность зависит от погоды и других условий, описанных в гл. 13.
7. Вдоль побережья направлены только бризы.
8. Бризы наиболее заметны только тогда, когда их направление совпадает с генеральным ветровым потоком. Следовательно, термики должны усиливать рефракцию, отклоняющую ветровой поток. Поэтому искривление ветра, дующего в течение дня на берег, должно быть наиболее заметно при погоде, благоприятной для образования термиков.
