Откуда берётся ветер у воды?

Подойдите к реке в жаркий безоблачный полдень. В городе стоит неподвижный душный воздух, а на набережной со стороны воды тянет ровной прохладой. Откуда берётся этот ветер?

Парадокс нагрева

В полдень вода отражает всего 3–6% света, а светлый бетон — до 35%. Вода поглощает больше энергии, но остаётся холодной. Причина в том, что почва непрозрачна и плохо проводит тепло: оно остаётся в верхнем слое толщиной около 10–15 см, быстро раскаляя его. Вода же пропускает лучи вглубь, а её толща постоянно перемешивается, запасая тепло. Кроме того, часть энергии уходит на испарение.

Перепад давления

Воздух над горячим берегом нагревается и расширяется вверх. На высоте около километра давление над сушей становится выше, чем над водой на той же высоте, — и воздух начинает перетекать в сторону водоёма. Этот верхний отток уносит массу, поэтому давление у самой земли над сушей падает. Возникает перепад: прохладный воздух со стороны воды устремляется на берег — туда, где давление ниже. Кольцо замыкается: над берегом воздух поднимается, над водой медленно опускается. Такую замкнутую циркуляцию называют бризовой ячейкой.

Приземную ветвь этого кольца мы и чувствуем как дневной бриз. Своего максимума он достигает не в полдень, а к 14–16 часам: атмосфера откликается не на мгновенный нагрев, а на тепло, накопленное с утра.

1. наверху воздух уходит к воде →
2. ← у земли ветер с воды на берег: дневной бриз
3. суша горячее — воздух поднимается ↑
4. вода прохладнее — воздух опускается ↓

Ночной цикл и границы правила

Ночью при безоблачном небе суша быстро остывает, излучая тепло в инфракрасном диапазоне, и процесс запускается в обратную сторону. Но ночной береговой бриз в 2–3 раза слабее дневного, а в большом городе часто вообще не возникает: здания и асфальт не дают суше остыть.

Бриза не будет и при сильном фоновом ветре: встречный поток 5–6 м/с сминает всю циркуляцию. А над узкой рекой полноценная ячейка не разворачивается вовсе — для неё нужны километры открытой воды. Прохладу на набережной тогда создаёт не только бриз: над гладкой водой трение в тысячи раз меньше, чем над застройкой, поэтому ветер там быстрее, а долина канализирует поток вдоль русла.

Сам же механизм — разница температур создаёт перепад давления — работает в разных масштабах: от ветра на набережной до естественной тяги в печной трубе.

1. ночью суша остывает — бриз дует с берега
2. встречный ветер 5–6 м/с сминает кольцо

Если посмотреть на ветер у воды через призму геофизической гидродинамики, картина становится значительно сложнее. Вот пять фактов о бризе, которые изучают метеорологи.

1. Откуда берётся ускорение (теорема Бьеркнеса)

Генератором циркуляции служит бароклинность — она возникает там, где пересекаются поверхности равного давления и равной плотности. Порождённый ею перепад давления ничтожен: в среднем по ячейке около 0,005 Па/м. Но действует он непрерывно.

При плотности воздуха 1,2 кг/м³ такой градиент даёт ускорение 4·10⁻³ м/с². Если бы перепад при этом сохранялся, а трения не было, за пару часов бриз разогнался бы до штормовых 30 м/с. Реальные 3–7 м/с — динамический баланс между силой барического градиента, турбулентным трением и силой Кориолиса.

2. Гравитационное течение

Дневной бриз накатывает не плавно. Его передний край — это плотностной фронт, распространяющийся подобно холодной воде, растекающейся по дну бассейна. При его прохождении температура воздуха падает на 3–8 градусов за несколько минут, а влажность резко возрастает. На радарах фронт иногда виден как тонкая линия из-за скопления насекомых, которых ветер сгребает перед собой.

Скорость такого течения оценивается как u ≈ 0,7·√(g′h): при перепаде 5 градусов и высоте фронта 500 м выходит около 6 м/с — верхняя граница наблюдаемых скоростей бриза.

3. Куда на самом деле уходит энергия солнца

Главный фактор разного нагрева — глубина затухания суточной волны тепла. В почве она составляет около 10–15 см, тогда как в воде турбулентная диффузия разносит тепло на метры вглубь.

В полуденные часы из примерно 650 Вт/м² радиационного баланса над водоёмом 400–500 Вт/м² уходит в запас тепла в толще, 100–200 Вт/м² тратится на испарение и лишь 10–30 Вт/м² — в явное тепло, то есть на нагрев воздуха. Метеорологи описывают этот результат через отношение Боуэна — соотношение потоков явного и скрытого тепла: над водоёмом оно составляет 0,1–0,3, а над сухим городом достигает нескольких единиц.

4. Влияние вращения Земли

На средних широтах инерционный период составляет 15–17 часов, то есть сопоставим с суточным циклом. Из-за отклоняющей силы Кориолиса вектор бризового ветра в течение дня не остаётся постоянным. Он описывает эллипс, медленно поворачивая по часовой стрелке (в Северном полушарии).

5. Отличия от муссонов и печной тяги

Долгое время муссоны считались просто гигантскими сезонными бризами. Сегодня известно, что индийский муссон управляется сложной динамикой влаговыделения при конвекции и не сводится только к контрасту «суша — океан».

Сравнение с печной трубой, напротив, отлично показывает разницу масштабов. В трубе высотой 6 метров при 27 °C снаружи и 180 °C внутри перепад давления составляет всего около 23 Па — зато это крутой градиент, около 4 Па/м. Бриз создаёт перепад порядка 150 Па, но бризовая ячейка растянута по горизонтали на десятки километров, и её средний градиент — микроскопические 0,005 Па/м. Труба берёт крутизной, а бриз — огромной протяжённостью.

Дополнение редакции. Этот уровень написан по двум предыдущим и эксперт (Е.А. Песня) его не проверял. Проверенный текст — во вкладках «Кратко» и «Как это работает».

Откуда взялась теория. Что ветер дует с моря днём и с берега ночью, знали мореходы всех времён, а Эдмунд Галлей в 1686 году, объясняя пассаты, описал ту же механику для целого полушария: нагретый воздух поднимается, на его место притекает холодный. Но почему кольцо вообще начинает вращаться, строго объяснил только Вильгельм Бьеркнес в 1898 году: там, где поверхности равного давления и равной плотности пересекаются, возникает ускорение циркуляции. Уровень «Как это работает» этим и заканчивается; здесь — что из теоремы следует за пределами набережной.

Как далеко заходит бриз. Фронт морского бриза — не край пляжа. Он движется вглубь суши как ступенька холодного воздуха и за день проходит от 15 км на Аляске до 300 км в Австралии; в средних широтах типичны десятки километров¹. Скорость фронта — та же оценка гравитационного течения, что и во втором уровне:

$$u \approx 0{,}7\sqrt{g\,\frac{\Delta T}{T}\,h}\approx 0{,}7\sqrt{9{,}8\cdot\frac{5}{290}\cdot 500}\approx 6\ \text{м/с}$$

оценка порядка

Иначе говоря, при перепаде в 5 градусов и высоте холодного слоя в 500 метров фронт идёт со скоростью велосипедиста, и за шесть часов уходит на сто с лишним километров от берега — если его не остановит встречный ветер.

Тот же закон в других масштабах. Муссон Индии — бриз размером с материк и периодом в год: летом суша горячее океана, ветер дует с моря и приносит дожди, зимой наоборот. Горно-долинный ветер — бриз, поставленный на бок: днём вверх по прогретому склону, ночью вниз. Городской остров тепла гонит воздух с окраин к центру по той же схеме. Везде одна теорема Бьеркнеса, различаются только размер кольца и время его раскрутки.

Границы этого рассуждения.

• Оценка скорости — для однородного холодного слоя. Реальный фронт размыт, его высота меняется от часа к часу, и число 0,7 перед корнем — эмпирика для лабораторных течений, а не закон.
• Вращение Земли не учтено. За день сила Кориолиса поворачивает бриз по часовой стрелке (в Северном полушарии), и к вечеру он дует уже вдоль берега; на широте Казани поворот заметен, на экваторе его нет.
• Пассат — не совсем бриз. У планетарной циркуляции своя динамика: там кольцо замыкает не остывание за ночь, а вращение Земли.

О чём спорят. Как далеко бриз проникнет вглубь суши в конкретный день, модели предсказывают плохо: разброс между расчётом и наблюдением достигает десятков километров. Причина обсуждается — то ли дело в том, как модели описывают турбулентное трение, то ли в неучтённом рельефе и застройке, то ли в самом фронте, который ведёт себя как нелинейная волна, а не как ступенька².

Открытый вопрос. Бриз и загрязнение: днём ветер с моря приносит чистый воздух, но ночью выносит городской смог в море, а утром бриз возвращает его обратно — уже «состарившимся», с озоном. Сколько раз одна и та же порция воздуха ходит туда-сюда вдоль побережья, прежде чем рассеется, для большинства приморских городов не измерено.