Научно-исследовательский проект "Ветер"

Научно-исследовательский проект
"Ветер"

Мне очень нравятся познавательные телевизионные программы, касающиеся нашей планеты и жизни на Земле. Я люблю наблюдать, задавать вопросы и искать  на них ответы. С раннего детства в семье меня знакомили с энциклопедиями, в которых раскрываются волнующие вопросы. Мне нравится раскрывать тайны и секреты некоторых явлений. Вот почему я с удовольствием взялся за изучение данной темы. Я хочу провести исследование и  понять это удивительное явление природы – ветер.
Тема ветра всегда была и есть актуальной. Люди всегда мечтали приручить ветер. И сделать так, чтобы он работал на благо людей. Когда я первый раз узнал о ветре, меня заинтересовал вопрос, а как появляется ветер и можно ли его приручить. В своём исследовании я приложил силы для того, чтобы ответить на все эти вопросы.

Цель: узнать о природном явлении «ветер», о причинах его возникновения, влиянии на жизнь человека и окружающий мир.

Задачи:
Познакомиться с понятием «Ветер», установить причины его возникновения;
Познакомиться с некоторыми видами ветров, приборами, позволяющими измерять скорость ветра и определять его направление;
Выяснить роль ветра и возможности использования его человеком;
изучить и проанализировать литературу по данной теме.
провести наблюдения и опыты.

Объект исследования: ветер.

Гипотеза: ветер – это движение воздуха.
Новизной исследования является то, что я на опытах установил влияние различных температур на движение воздуха, доказал одну из причин возникновения ветра и на практике увидел как человек использует ветер в своих целях.

Описание работы:
В исследовательской работе представлены основные причины возникновения ветра. В работе рассмотрены различные виды ветров и их влияние на жизнь человека, на живую и неживую природу. Работа содержит наблюдения и опыты, доказывающие причины возникновения ветра.

Что такое ветер. Роль ветра в природе и в нашей жизни
Ветер — это поток воздуха, движущийся относительно земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с. Это преимущественно горизонтальное перемещение воздуха из области повышенного атмосферного давления в область пониженного атмосферного давления.
Ветер – это движение воздуха, а всё, что движется, обладает энергией. Энергия ветра сыграла немаловажную роль в развитии человека. Начиная с древних времен люди, использовали энергию ветра, как в мирных, так и в военных целях. За 5 тысячи лет до рождения Христа древние египтяне использовали ветер, чтобы переплывать Нил на лодке с помощью паруса. Так было изобретено парусное судно. Именно благодаря парусным кораблям были сделаны все великие географические открытия. Особую роль в истории, но уже не в мирных целях, сыграл скандинавский вариант использования ветра. В 9 столетии нашей эры на лёгких парусных судах викинги пересекли Северное море и терроризировали Западную Европу. Местному населению трудно было им противостоять. Появление легких и быстрых лодок приводило всех в ужас.
Благодаря парусным суднам, которые плыли за счет ветра, впервые появилась возможность преодолевать большие расстояния по морям  и океанам.  Воздушные  шары, которые тоже двигались с помощью ветра, впервые позволили отправляться в воздушные путешествия, а современные летательные аппараты используют ветер для увеличения подъемной силы и экономии топлива.
Ветры могут влиять и на формирование рельефа, вызывая эоловые отложения, которые формируют различные виды грунтов (например, лёсс) или эрозию. Они могут переносить пески и пыль из пустынь на большие расстояния. Ветры разносят семена растений и помогают передвижению летающих животных, которые приводят к расширению видов на новой территории. Связанные с ветром явления разнообразными способами влияют на живую природу. Велико эстетическое значение ветра. Ощущать в жаркий день ласковый, нежный, легкий, летний ветерок – одно удовольствие.
Ветер заставлял работать ветряные мельницы. Существует мнение, что еще до нашей эры в Китае была изобретена ветряная мельница. Но подтвержденные сведения про использование энергии ветра в бытовых целях дошли до нас из Персии. Персы использовали ветер и ветряные мельницы, чтобы молоть зерно, примерно за 200 лет до н.э.
Развитие технологий использования энергии ветра приводит к тому, что многие страны перешли с одиночных установок ветряных «мельниц», до образования многогектарных «ветровых полей», на которых на близком расстоянии друг от друга устанавливаются сотни ветряков. Так создаются так называемые ветровые фермы.
Ситуация с ветроэнергетикой в нашей стране, такой богатой на ветра и поля, оставляет желать лучшего. И если до 60х годов были неплохие результаты эксплуатации энергии ветра, то после был сделан упор на строительство ГЭС (гидроэлектростанция), ТЭС (Тепловая электрическая станция) и АЭС (атомная электрическая станция).  И только после ряда проблем и аварий на крупных АЭС уже в 90х годах ученые смогли достучатся до правительства с предложениями о внедрении безопасной добычи энергии с возобновляемых источников. Но экономический кризис 90х годов не дал возможности для развития этой отрасли в нашей стране. А спустя несколько лет были полностью забыты все разработки в этой сфере. Для того, чтобы сейчас продолжить внедрение ветровых установок, придется начать все с самого начала или позаимствовать у более развитых стран уже работающие технологии.
Однако, ветры могут быть и небезопасными, так градиентные колебания ветра могут вызвать потерю контроля над самолетом, быстрые ветры, а также вызванные ими большие волны, на больших водоемах часто приводят к разрушению штучных построек, а в некоторых случаях ветры способны увеличивать масштабы пожара.
 
Как возникает ветер
Существует несколько причин появления ветра:
1. Перепады давления. Без солнца не было бы и ветра. Солнце нагревает воздух. Горячий воздух поднимается. Из-за этого в той области Земли, где воздух прогрет, атмосферное давление понижается. Возникает циклон. Поднимаясь в верхние слои атмосферы, воздух остывает и начинает опускаться, создавая область повышенного давления. Такие области называют антициклонами. Из центра антициклона воздух растекается к окраинам и перемещается в область пониженного давления – циклон. 

2. Сила Кориолиса. Открытая французским ученым Густавом Кориолисом сила образуется при вращении Земли. Когда мы находимся в Северном полушарии, Земля под нашими ногами вертится против часовой стрелки. Сама Земля вращается быстрее, чем окружающая ее атмосфера. Поэтому при движении Земли в Северном полушарии ветер отклоняется вправо. А в Южном полушарии – наоборот, влево. 

3. Тепло и холод. Еще одна причина, по которой возникают ветра, – периодическое изменение температуры в каком-либо месте. Например, в течение дня почва накаляется быстрее моря. Возникает перепад давления, и ветер начинает дуть по направлению к земле: это морской бриз. После захода солнца суша быстро остывает. Поэтому ветер дует с берега. Морской бриз начинает дуть около 10 часов утра. А береговой – после захода солнца. 

4. Вечный ветер. Землю постоянно продувают так называемые господствующие ветры. На экваторе воздух нагревается и поднимается. Он растекается в направлении тропиков. Так образуется ветер антипассат. Остыв, воздух возвращается к экватору. Такой ветер называют пассатом. Ветры возникают и у полюсов Земли. Холодный воздух перемещается от них к экватору. А потом поднимается и возвращается к полюсам. Кроме того, господствующие ветры возникают в верхних слоях атмосферы Земли. Они называются струйными течениями. Эти ветры дуют зимой. Они возникают из-за сильного перепада температур между жаркими экваториальными и холодными полярными областями Земли.

 Характеристика ветра
Ветер характеризуется силой (скоростью) и направлением. Направление движения воздуха определяется взаимодействием нескольких сил. Это сила Кориолиса (учитывает влияние вращения Земли на двигающийся воздух), сила тяжести, сила градиента, сила давления и центробежная сила. Направление ветра в метеорологии определяется той стороной горизонта, откуда он дует.
Сила ветра (иначе говоря,  скорость), зависит от высоты, на которой дует ветер, и от атмосферного давления. Чем больше разница температур между воздушными массами, тем сильнее ветер. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду, километрах в час или баллах (1 балл равен 2 м/с). Средняя многолетняя скорость ветра у земной поверхности – 4-9 м/с. Ветер скоростью 5-8 м/с считается умеренным, выше 14 м/с – сильным, выше 20-25 м/с – штормом, выше 30-35 м/с – ураганом.
Скорость ветра отличается большим непостоянством: она изменяется не только за продолжительное время, но и за короткие промежутки времени (в течение часа, минуты и даже секунды) на большую величину.
Скорости ветра, наблюдаемые за короткие промежутки времени от нескольких секунд до 5 мин, называют мгновенными или действительными. Скорости же ветра, полученные как средние арифметические из мгновенных скоростей, называют средними скоростями ветра. Если сложить замеренные скорости ветра в течение суток и разделить на число замеров, то получится среднесуточная скорость ветра. Если же сложить среднесуточные скорости ветра за весь месяц и разделить эту сумму на число дней месяца, то получим среднемесячную скорость ветра. Сложив среднемесячные скорости и разделив сумму на двенадцать месяцев, получим среднегодовую скорость ветра.

Приборы определяющие направление и силу ветра
Скорости ветра замеряют с помощью приборов, называемых анемометрами. Анемометр - прибор для измерения скорости ветра и газовых потоков по числу оборотов вращающийся под действием ветра вертушки.
Простейший анемометр, позволяющий определять мгновенные скорости ветра и называемый простейшим флюгером-анемометром.
Он состоит из металлической доски, качающейся около горизонтальной оси а, закрепленной на вертикальной стойке б. Сбоку доски на той же оси а закреплен сектор в, с восемью штифтами. На стойке б ниже сектора закреплен флюгер г, который все время устанавливает доску плоскостью к ветру. При действии последнего доска отклоняется и проходит мимо штифтов, каждый из которых указывает при этом на определенную скорость ветра. Стойка б с флюгером г поворачивается по втулке д, в которой закреплены в горизонтальной плоскости 4 длинных стержня, указывающих главные страны света: север, юг, восток и запад, и между ними 4 коротких, указывающих на северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад. Таким образом, с помощью флюгера-анемометра можно определять одновременно и скорость и направление ветра.
Средние скорости ветра за короткие и продолжительные промежутки времени удобно определять анемометром завода «Метрприбор». Он состоит из крестовины с полушариями, надетой на ось, которая находится в зацеплении с зубчатой передачей, помещенной в коробке с циферблатом.
Оси шестерен выведены на циферблат и на своих концах имеют стрелки, показывающие на шкале путь, пройденный ветром за данный промежуток времени. Разделив число, показываемое стрелками на циферблате, на число секунд, в течение которых вращался анемометр, получим скорость ветра в секунду за наблюдаемый период.
 
Виды ветров
Ветры классифицируют, в первую очередь, по их силе, продолжительности и направлению. Таким образом, порывами принято считать кратковременные (несколько секунд) и сильные перемещения воздуха. Сильные ветры средней продолжительности (примерно 1 минута) называются шквалами. Названия более продолжительных ветров зависят от силы, например, такими названиями являются бриз, буря, шторм, ураган, тайфун.
Продолжительность ветра также сильно варьируется: некоторые грозы могут длиться несколько минут, бриз, который зависит от разницы нагрева особенностей рельефа на протяжении суток, длится несколько часов, глобальные ветры, вызванные сезонными изменениями температуры — муссоны — имеют продолжительность несколько месяцев, тогда как глобальные ветры, вызванные разницей в температуре на разных широтах и силой Кориолиса, дуют постоянно и называются пассаты. Муссоны и пассаты являются ветрами, из которых слагается общая и местная циркуляция атмосферы.
Ураган - ветер разрушительной силы (более 30м\с) и значительной продолжительности, характерен для тропических широт.
Бу́ря — разновидность урагана. Скорость ветра при буре не много меньше скорости урагана (до 25-30 м/с). Убытки и разрушения от бурь существенно меньше, чем от ураганов. Иногда сильную бурю называют штормом.
Тайфу́н— разновидность тропического циклона, который типичен для северо-западной части Тихого океана.
Шквал - кратковременный сильный порывистый ветер со скоростью до 20-30м\с, часто с грозой и ливнем. Ветер по своей структуре не однороден. Он может быть струйным (ламинарным), когда слои воздуха движутся не перемешиваясь, т.е. их частицы не переходят из слоя в слой. Такое движение воздуха обычно бывает при слабых ветрах. Если же скорость ветра превышает 4 м/с, то частицы воздуха начинают двигаться беспорядочно, его слои перемешиваются и движение воздуха приобретает турбулентный характер. Чем выше скорость ветра, тем больше турбулентность, тем больше скачки скорости в отдельных точках воздушного потока и тем более порывистым становится ветер, возникают шквалы.
Шквалистый ветер характерен не только частыми и резкими колебаниями скорости, но и сильнейшими отдельными порывами продолжительностью до нескольких минут. Ветер, который резко увеличивает свою скорость в течение очень короткого промежутка времени на фоне слабого ветра или штиля, назвают шквалом. Чаще всего шквалы налетают при прохождении мощных кучево-дождевых облаков и нередко сопровождаютсяя грозой и ливнями.
Основной причиной шквала являетсяя взаимодействие восходящего потока возуха в передней части кучево-дождевого облака и нисходящего воздуха, охлажденного ливневым дождем, в тыловой его части в результате возникает характерный клубящийся вал с вихрем под ним, усиленный вихрями соседних воздушный слоев.
Вертикальные вихри в грозовом облаке могут образовывать смерчи. Когда скорость такого вихря достигает 100м/с, нижняя часть облака в виде воронки опускается к подстилающей поверхности (земле или воде), навстречу поднимающемуся вверх пылевому или водяному столбу. Встреча со смерчем опасна: обладая большой разрушительной силой и вращаясь по спирали, он может поднять вверх все, что оказывается на его пути. Высота смерча достигает более 1000 метров, горизонтальная скорость 30-40 км/час. Поэтому при виде смерча нужно определить направление его перемещения и немедленно уходить в сторону. Иногда смерч может образоваться и без грозовых облаков. В этом случае он зарождается не из тучи, а на поверхности земли или моря, нередко при безоблачном небе. Это смерчи"хорошей погоды". Они быстро разрушаются и практически безопасны. Часто их существование можно быстрее заметить по характерному свистящему звуку, который раздается при его движении, чем увидеть.
Воздух, воздушные массы находятся в постоянном движении, которое постоянно меняет и свою скорость и направление. Но в глобальных, планетарных масштабах это движение имеет четко выраженную закономерность, которая определяется общей циркуляцией атмосферы, зависящей от распределения атмосферного давления в обширных районах земного шара - от тропиков до полярных зон.
 
Господствующие ветры (Постоянные ветры)
Постоянные ветры вызваны силой Кориолиса, дуют всегда в одном направлении.
Пассаты - первые в категории господствующих ветров, т.е. постоянно дующих в определенных районах в течение определенного промежутка времени. Скорость и направление господствующих ветров определяется по многолетним наблюдениям для каждого моря или морского района.
В экваториальной зоне теплый воздух тропиков поднимается вверх, что приводит к образованию на границе тропосферы ветра, называемого антипассат. Антипассат растекается в направлении к полюсам, соответственно к северу и к югу.
Охлажденные воздушные массы антипассата оседают на поверхность земли, создавая в субтропиках повышенное давление и ветер, называемый пассатом, который устремляется в экваториальную зону.
Под действием силы Кориолиса пассаты северного полушария получают северо-восточное направление, а южного полушария (кроме северной части Индийского океана, где дуют сезонные муссонные ветры) - юго-восточное направление. Скорость пассатных ветров также постоянна и достигает 5-10 м/с.
В экваториальой зоне пассаты ослабевают и поворачивают на восток. Поэтому между пассатами обоих полушарий возникает штилевая зона (в Атлантике "конские широты") характерная пониженным давленим, грозами и ливнями, штилями. В широтах 40-60° обоих полушарий преобладают ветры западной четветри. Они менее устойчивы (от СЗ до ЮВ), но значительно сильнее (10-15 м/с или 6-7 баллов). В южном полушарии, где западные ветры огибают весь мировой океан, лежали осноные пути парусных судов для плавания из Европу в Австралию и обратно в Европу вокрус мыса Доброй Надажды и мяса Горн. За свою силу, повторяемость (до 50%) и частые штормы эти ветры получили прозвище "бравые весты", а широты -"гремящие сороковые" и “ревущие шестидесятые”.
В приполярных районах обоих полушарий, где оседают холодные массы воздуха верхних слоев тропосферы, образуя так называемые полярные максимумы, преобладают юго-восточные и восточные ветры.
К господствующим ветрам также относятся следующие ветры: бризы, фён, самум.
Бризы образуются под влиянием неодинаково нагревания суши и моря. Бриз - Днем дует с моря на побережье, а ночью дует с побережья на море.
Область существенная для образования бризов располагается в прибрежной полосе морей (около 30-40 км). Ночью ветер дует от берега к морю (береговой бриз), а днем, наоборот,- с моря на сушу. Морской бриз начинается около 10 часов утра, а береговой - после захода солнца. Бриз относится к ветрам вертикального развития и на высоте нескольких сот метров дует в обратную сторону. Интенсивность бриза зависит от погоды. В жаркие летние дни морской бриз имеет умеренную силу до 4 баллов (4-7 м/с) береговой бриз значительно слабее.
На суше так же можно наблюдать бризы. Ночью у поверхности земли существует тяга воздуха с поля к лесу, а на высоте крон деревьев - из леса к полю.
Фён – теплый сильный ветер, дующий с высоких гор в долины. Наблюдается у побережья Крыма и Кавказа преимущественно весной.
Самум – знойный ветер в пустыне.
 
Местные ветры
Другая категория ветров - местные, дующие только в данном месте или нескольких местах земного шара, возникают при изменении тепловых условий в течение некоторого времени или под влиянием рельефа местности (характера подстилающей поверхности). Представителем второго типа местных ветров надо назвать, прежде всего, бору, бакинский норд, сирокко.
Бора - очень сильный ветер, направленный вниз по горному склону в местностях, где горный хребет граничит с теплым морем.
Холодный воздух с большой скоростью устремляется вниз, к морю, достигая иногда силы урагана. В зимнее время, при низких температурах вызывает обледенение. Наблюдается в районе Новороссийска, у берегов Далмации (Адриатическое море) и на Новой Земле. В некоторых горных районах, например, на Кавказе в районе Ленинакана, или в Андах ежедневно наблюдается такое явление, когда после захода солнца с горных вершин, окружающих долину, вниз устремляются массы холодного воздуха. Порывы ветра достигают такой силы, что срывает палатки, а резкое и сильное понижение температуры, может привести к переохлаждению организма.
Бакинский норд - холодный северный ветер в зоне Баку, дующий летом и зимой, Достигает штормовой, а нередко и ураганной силы (20-40 м/с) приносить с берега тучи песка и пыли.
Сирокко - очень теплый и влажный ветер, зарождающийся в Африке и дующий в Центральной части Средиземного моря, сопровождается облачностью и осадками.
 
Сезонные ветры
Муссо́н— устойчивые ветры, периодически меняющие свое направление; летом дуют с океана, зимой с суши; свойственны тропическим областям и некоторым приморским странам умеренного пояса (Дальний Восток).  
Муссоны носят континентальный характер и возникают вследствие разницы в атмосферном давлении при неравномерном нагревании суши и моря в летнее и зимнее время. (Приложение 17).
Под влиянием силы Кориолиса в северном полушарии летние муссоны Тихого океана у восточного побережья Азии отклоняются к юго-востоку, а в Индийском океане - к юго-западу. Эти муссоны приносят с океана на Дальний Восток пасмурную погоду, с частыми дождями, моросью и туманами. На южное побережье Азии в это время обрушиваются затяжные и обильные дожди, что приводит к частым наводнениям.
Зимние муссоны меняют свое направление на противоположное. В Тихом океане они дуют с северо-запада, а в Индийском - с северо-востока в сторону океана. Скорость ветра в муссонах неравномерна. Зимние северо-восточные муссоны совпадают с пассатами северного полушария, но их скорость не превышает 10 м/с. А вот летние муссоны Индийского океана достигают штормовой силы. Смена муссонов - происходит в апреле-мае и октябре-ноябре.