Elevador térmico

A elevação térmica , ou bolha de convecção, é o movimento vertical do ar causado pela flutuabilidade devido à diferença de temperatura entre o ambiente e uma parcela de ar. No verão, as correntes ascendentes térmicas são causadas por um aquecimento significativo do solo pelo sol, que é praticamente vertical, enquanto durante a estação fria, as correntes ascendentes térmicas podem ser causadas pela advecção de uma massa fria acima do solo ainda relativamente quente.

Essas subidas são muito apreciadas por pássaros , mas também por humanos a bordo de aeronaves sem motor ( planador , parapente , asa delta etc.) para ganhar altitude e estão presentes em quase todos os lugares. Com bom tempo, em uma tarde de primavera ou verão , o céu costuma se encher de nuvens algodoadas chamadas cúmulos de bom tempo , cuja formação indica a localização dessas térmicas. No entanto, essas correntes ascendentes também podem dar taxas de subida muito altas, quando o ar é muito instável , o que está associado à formação de nuvens de tempestade muito perigosas.

Princípio

Uma elevação térmica ocorre quando a temperatura de uma parcela de ar em um determinado nível é mais quente do que o ambiente e deve aumentar de acordo com o impulso de Arquimedes . Isso pode acontecer através do aquecimento solar do solo, resfriamento de níveis médios, ou aquecimento diferencial do solo entre duas zonas. Quanto maior a diferença de temperatura, maior a probabilidade de encontrar uma térmica. Um elevador térmico normalmente tem uma velocidade vertical de vários metros por segundo e pode, portanto, ser usado por pássaros , planadores e outras aeronaves.

Assim, nas montanhas, as falésias voltadas para oeste ou sul são boas fontes de calor porque se opõem diretamente ao Sol, enquanto as florestas voltadas para o norte são fontes de descendência . Com efeito, por um lado, essas árvores recebem pouca energia solar e, por outro lado, usam essa energia para o seu crescimento e para transpirar o vapor de água . No verão, os corpos d'água também são fontes de progênie porque são mais frios do que o solo ao redor. Por outro lado, um estacionamento de hipermercado é uma excelente fonte de calor porque o solo e os carros absorvem muita energia e, portanto, aquecem a camada de ar próxima ao solo. Cidades onde os residentes usam ar condicionado também são boas fontes de calor porque uma bomba de calor aquece o exterior da casa e, portanto, gera elevação.

Gatilho das subidas

As correntes térmicas são mais freqüentemente devidas ao aquecimento diurno. Em uma noite clara, o solo esfria por radiação e fica mais frio do que o ar circundante acima dele. No final da noite, ocorre uma inversão de temperatura e não há absolutamente nenhuma elevação térmica. No meio da manhã, o solo aquece e, finalmente, sua temperatura torna-se mais elevada do que a do ar circundante. O processo convectivo então começa.

Por outro lado, se uma massa de ar frio invadir uma região onde o solo é mais quente (por exemplo, passagem de uma frente fria ou massa de ar ártico passando por um lago descongelado), o mesmo tipo de diferença é criado. Temperatura entre o solo e altitude. Isso pode acontecer a qualquer hora do dia ou da noite.

Bolhas de convecção

As correntes ascendentes têm formas muito variadas que dependem das condições aerológicas do momento. No meio da manhã, as correntes termais diurnas geralmente tomam a forma de bolhas de ar isoladas com a estrutura de um toro . No final do dia, as bolhas isoladas se transformam em colunas contínuas de ar quente. Essas colunas não são necessariamente circulares. Em ventos fortes, as correntes ascendentes podem ser alongadas na direção do vento e estreitas na direção oposta.

Além disso, ao longo de uma encosta exposta a oeste, ocorrerão ventos anabáticos à tarde em toda a encosta (fenômenos de brisa ). Essas subidas podem ser confundidas com subidas orográficas . Eles ficarão particularmente destacados na presença de um vento sinóptico de oeste, ainda que fraco.

Materialização de ancestrais

Podemos considerar que um pedaço de ar quente que sobe não se mistura com o ar externo e, portanto, sua taxa de vapor d'água permanece constante. À medida que sobe, a parcela de ar se expande adiabaticamente e, portanto, esfria de acordo com o adiabático seco ( 9,75 ⁰C / km ). De uma certa altitude, o gráfico ficará saturado com vapor de água e uma nuvem cumulus se formará. Deve-se notar que quando a camada de inversão é baixa ou a diferença entre o ponto de orvalho e a temperatura é muito grande, nenhuma nuvem se formará e então falaremos de térmicas puras. Em caso de ventos fortes, as correntes ascendentes podem alinhar-se e materializar-se por ruas de nuvens . Essas ruas de nuvem geralmente se formam quando há uma camada de inversão acima da zona de convecção e quando a velocidade do vento aumenta com a altitude para atingir um máximo logo abaixo da camada de inversão .

Modelo simplificado de elevação térmica

Na caixa suspensa a seguir, um modelo numérico de elevadores térmicos é exposto, o que confirma várias regras básicas. Assim, diz-se que a distância entre 2 térmicas utilizáveis é igual a 2,5 a 3 vezes a altura da coluna ascendente, e que uma elevação de $n$ nós atingirá a altitude de $n$ × 1000 pés. Sabendo que 1 nó é aproximadamente igual a 100 pés / minuto, o tempo $T$ necessário para chegar ao topo do elevador é, portanto,

{\ displaystyle T = {H \ over W} = {n \ vezes 1000 {\ rm {pés}} \ over n \ vezes 100 {\ rm {pés / minuto}}} = 10}

minutos

onde $H$ é a altura da sustentação e $W$ é a velocidade vertical da corrente ascendente. Um estudo realizado sobre os voos realizados em 2007 durante a Competição Lilienthal mostrou que os pilotos de planadores chegaram ao topo do elevador em 700 segundos . Levando em consideração o tempo gasto na centralização do levantamento, este último estudo corrobora a fórmula empírica acima que expressa que o tempo gasto para chegar ao topo do levantamento é de 10 minutos ou 600 segundos . Enquanto isso, Garrat estimou que uma elevação térmica atingirá seu pico em 500 segundos.

Modelo numérico de correntes térmicas

Como vimos acima, as colunas de ar ascendentes não são necessariamente circulares. No entanto, no que se segue, assumiremos ascensões circulares.

Ou a velocidade convectiva . Seja $Z$ $m$ a altitude máxima alcançada pelas térmicas. A taxa de subida na altitude $z$ da massa de ar é dada pela seguinte fórmula: ${\ displaystyle w _ {\ ast}}$

${\ displaystyle w = w _ {\ ast} \ left ({\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right) ^ {\ frac {1} {3}} \ left (1- \ alpha {\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right)}$

com α = 1,1

Outra fórmula que fornece resultados aproximados é a seguinte:

${\ displaystyle w = w _ {\ ast} \ alpha '\ left ({\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right) ^ {\ frac {1} {3}} \ left (\ beta' - {\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right)}$

com α '= 0,85 e β' = 1,3.

O raio das correntes ascendentes térmicas é dado pela seguinte fórmula:

${\ displaystyle R = \ beta \ left ({\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right) ^ {\ frac {1} {3}} \ left (1 - {\ frac {1} {4 }} {\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right) Z_ {m}}$

com β = 0,1015.

Essas fórmulas não estão de acordo com as curvas fornecidas por Tom Bradbury. Quando as térmicas são "puras" (sem cúmulos), o autor afirma que a velocidade máxima da elevação térmica está localizada a 2/3 de sua altura.

O espaçamento médio entre as subidas é com γ = 1,2. ${\ displaystyle n_ {Z} = {\ frac {\ gamma} {Z_ {m}}}}$

Conforme explicado no artigo, a velocidade convectiva , em um bom dia de planeio, a velocidade convectiva é da ordem de 3 m / s . Portanto, consideramos um dia em que o pico das subidas é . Em 1000 metros, o raio de sustentação será de 70 metros, o que corresponde muito bem aos valores empíricos registrados pelos pilotos de planador . ${\ displaystyle Z_ {m} = 2000m}$

A taxa máxima de subida é atingida em . Nesse caso, a velocidade máxima de subida seria atingida em 500 m = 2000 m / 4. Nota-se que, para um valor de , a velocidade média de subida será de 1,4 m / s a 500 me 1,1 m / s a 1.000 metros. O desvio padrão da velocidade vertical de um elevador para outro é o seguinte: ${\ displaystyle z = {\ frac {Z_ {m}} {4}}}$ ${\ displaystyle w _ {\ ast} = 4m / s}$

${\ displaystyle \ sigma ^ {2} = w _ {\ ast} ^ {2} \ alpha '' \ left ({\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right) ^ {\ frac {2} {3}} \ left (1- \ beta '' {\ frac {z} {Z_ {m}}} \ right) ^ {2}}$

com α "= 1,8 e β" = 0,8.

Consideramos novamente z = 500 m. Em seguida, obtemos:

${\ displaystyle \ sigma = 1,4 \ times {\ sqrt {1,8}} \ times 0,25 ^ {\ frac {1} {3}} \ times (1-0,8 \ times 0,25) = 0,94m / s}$

Existe, portanto, uma probabilidade de 0,35 de encontrar elevações de 2,5 m / se uma probabilidade de 14% de encontrar elevações de 3,5 m / s. Além disso, no centro das elevações, as velocidades medidas são maiores. Esses valores numéricos correspondem aos valores normalmente registrados pelos pilotos de planador .

Deve-se notar que o site do Dr. Jack Glendening recomenda o uso da fórmula simplificada que parece corresponder muito bem à experiência dos pilotos de planador. ${\ displaystyle w = w _ {\ ast}}$

As fórmulas acima confirmam a experiência adquirida pelos pilotos de planador. Assim, uma regra prática diz que a distância entre 2 correntes ascendentes exploráveis é igual a cerca de três vezes o nível de convecção. As fórmulas acima confirmam o fato empírico de que muitas elevações (duas em três) não são realmente utilizáveis por vélivoles e que as colunas ascendentes são relativamente estreitas e requerem um bom domínio do planador por parte do piloto.

O tempo característico para a subida de uma parcela de ar em uma térmica é de 10 a 20 minutos. Isso corrobora outra regra prática que diz que a altura de uma térmica de n nós é aproximadamente igual a $n$ × 1000 pés . As fórmulas acima também fornecem uma verificação aproximada dessa afirmação.

Modelo de bolha esférica

Consideramos um modelo simplificado de elevação térmica. Este modelo não leva em consideração o déficit de pressão em altitude .

Consideramos uma bolha térmica esférica em ascensão. Ou a diferença de temperatura entre a bolha térmica e o ar externo. Seja T a temperatura externa. Presume-se que o ar é um gás ideal . A pressão está escrita: $\ Delta T$

${\ displaystyle p = \ rho (C_ {p} -C_ {v}) T}$

onde ρ é a densidade do ar, T é a temperatura e e são as capacidades de transferência de calor do ar, respectivamente, a uma pressão constante e a um volume constante. Portanto, temos na primeira ordem: $C_p$ $Cv$

${\ displaystyle {\ Delta T \ over T} = - {\ Delta \ rho \ over \ rho}}$

A flutuabilidade é ${\ displaystyle F = -g \ Delta m = -gm {\ Delta \ rho \ over \ rho} = gm {\ Delta T \ over T}}$

onde m é a massa da bolha eg = 9,81m / s² é a aceleração da gravidade. Supõe-se que a bolha é esférica de raio r e deixar ρ ser a densidade do ar. Então temos:

${\ displaystyle m = \ rho {4 \ pi \ over 3} r ^ {3}}$

Portanto,

${\ displaystyle F = g \ rho {4 \ pi \ over 3} r ^ {3} {\ Delta T \ over T}}$

Seja P o arrasto parasita associado à subida da esfera. Nós temos :

${\ displaystyle P = {1 \ over 2} C_ {D} \ rho Sv ^ {2}}$

onde é o coeficiente de arrasto associado à esfera e S é a seção transversal da esfera ev é a velocidade da bolha. A velocidade assintótica é alcançada quando o arrasto é igual ao impulso de Arquimedes. Observamos que e, portanto: ${\ displaystyle C_ {d} = {1 \ over 2}}$ ${\ displaystyle S = \ pi r ^ {2}}$

${\ displaystyle g \ rho {4 \ pi \ over 3} r ^ {3} {\ Delta T \ over T} = F = P = {1 \ over 4} \ rho \ pi r ^ {2} v ^ { 2}}$

Portanto,

${\ displaystyle g {4 \ over 3} r {\ Delta T \ over T} = {1 \ over 4} v ^ {2}}$

e finalmente :

${\ displaystyle v = {\ sqrt {{16 \ over 3} rg {\ Delta T \ over T}}}}$

Observe que quanto maior a térmica, maior sua taxa de subida. Normalmente temos , T = 300 K e r = 50 m. Neste caso, v = 3 m / s = 6 nós. Este valor numérico corresponde muito bem à experiência dos pilotos de planador. Observe que para uma tempestade supercelular , podemos ter r = 5 km e, neste caso, v = 30 m / s. Este resultado está muito próximo das velocidades máximas medidas de correntes ascendentes dentro de uma nuvem cumulonimbus supercelular, que pode ser da ordem de 40 m / s.

{\ displaystyle \ delta T = 1K}

Planador

As correntes termais são comumente usadas por pilotos de planador , asa voadora ou parapente . Como a velocidade de queda de um planador é de 1 m / s ou menos e essas subidas são da ordem de vários metros por segundo, um planador pode, portanto, espiralar nesta coluna e ganhar altitude.

Índice térmico

O índice térmico ( TI ) é um conceito antigo (agora quase abandonado), anteriormente adotado pela Federal Aviation Administration, que generalizou o conceito de índice de elevação ( LI ) em qualquer altitude. A definição é a seguinte: consideramos uma radiossonda matinal e dada a temperatura do solo em um determinado horário (geralmente no meio da tarde), o índice térmico é a diferença de temperatura entre a sondagem matinal e a temperatura da parcela de o ar subindo adiabaticamente naquele momento em uma determinada altitude, na maioria das vezes 850 hPa . É, portanto, uma estimativa da instabilidade latente . Essa definição pressupõe que a massa de ar é barotrópica durante o período, o que costuma ser incorreto no caso de advecção de ar frio em um céu de corrico .

Foi dito que um TI de -8 a -10 K geraria excelentes condições aerológicas para o planeio. No entanto, o índice não leva em consideração a umidade contida no ar e um índice de elevação da mesma ordem em uma massa de ar úmido indica a possibilidade de tempestades extremamente violentas, um perigo fatal para um piloto fora de controle. entre TI e LI . É por isso que a relação empírica que diz que 1 nó de velocidade vertical por 1000 pés de altura é hoje preferida para calcular a força das correntes ascendentes e a noção mal definida de índice térmico (não reconhecido pela Organização Meteorológica Mundial e pela ' American Meteorological Sociedade ) foi descontinuado pela Administração Federal de Aviação .

Observe que, em geral, a temperatura potencial na camada convectiva é apenas cerca de 2 Kelvin mais baixa que a temperatura ao nível do solo.

Eficiência de diferentes tipos de planador

Deixe o planador inclinar o ângulo na curva, v sua velocidade horizontal. O raio da espiral será: $\ theta$

{\ displaystyle r = {v ^ {2} \ over g \ tan \ theta}}

onde está a aceleração da gravidade. ${\ displaystyle g \ aproximadamente 10m / s ^ {2}}$

A Marinha dos EUA afirma que a uma altitude de 30.000 pés, o raio da curva dado em pés e a velocidade expressa em nós são os seguintes:

{\ displaystyle R = {V ^ {2} \ over 11,26 \ \ tan \ theta}}

Esta fórmula empírica é consistente com a fórmula acima .

Lembre-se de que 1 nó é igual a 0,514 444 ... m / s . Com base nesta fórmula, Bernard Eckey fornece os seguintes valores para um planador voando a 40 nós ( 20,55 m / s ) inclinado a 45 graus. Isso fará um círculo de raio

{\ displaystyle r = {40 ^ {2} \ times 0,514 ^ {2} \ over 9,81 \ times \ tan \ left ({\ pi \ over 4} \ right)} = 43}

metros.

Uma "pena grande" ( planador de classe livre ) terá que voar a 100 km / h, ou seja , cerca de 30 m / s . Seu raio se tornará

{\ displaystyle r = {30 ^ {2} \ over 10 \ times \ tan \ left ({\ pi \ over 4} \ right)} = 90}

metros.

Se o piloto da pena grande inclinar seu planador a apenas 30 graus, seu raio se tornará

{\ displaystyle r = {30 ^ {2} \ over 10 \ times \ tan \ left ({\ pi \ over 6} \ right)} = 156}

metros.

Percebemos isso e . ${\ displaystyle \ tan \ left ({\ pi \ over 4} \ right) = 1}$ ${\ displaystyle \ tan \ left ({\ pi \ over 6} \ right) = {1 \ over {\ sqrt {3}}}}$

Agora consideramos um piloto novato incapaz de espiralar mais de 15 graus. Nós temos . Percebemos isso e, portanto . Se estiver voando a 40 nós, seu raio será: ${\ displaystyle \ tan \ left ({\ pi \ over 12} \ right) = 2 - {\ sqrt {3}} \ aproximadamente 0,268}$ ${\ displaystyle {\ pi \ over 12} \ approx 0,261800}$ ${\ displaystyle \ tan \ left ({\ pi \ over 12} \ right) \ approx {\ pi \ over 12}}$

{\ displaystyle r = {40 ^ {2} \ times 0,514 ^ {2} \ over 9,81 \ times \ tan \ left ({\ pi \ over 12} \ right)} = 160}

metros.

De forma mais geral, quando o ângulo de inclinação expresso em radianos é pequeno, temos:

{\ displaystyle r \ simeq {v ^ {2} \ over g \ theta}}

Conforme visto na caixa suspensa, o raio de elevação é de cerca de 70 metros. Na prática, o diâmetro do elevador varia entre 150 metros e 300 metros. Consequentemente, uma "pena grande" terá muito mais dificuldade em espiralar nas térmicas e até mesmo em alguns casos um planador modesto será capaz de escalar com eficiência, enquanto a "pena grande" não sendo capaz de centralizar a mesma térmica pode acabar em um . campo "às vacas".

Da mesma forma, um piloto novato será incapaz de permanecer no ar por causa do diâmetro da espiral ser muito grande.

Duração de uma volta completa

Seja T a duração de uma volta completa. Nós temos :

{\ displaystyle T = {2 \ pi v \ over g \ tan \ theta}}

Agora consideramos um planador voando a 25 m / s a 45 graus. Então temos:

{\ displaystyle T = {2 \ pi \ times 25 \ over 9,81 \ times 1} \ aproximadamente 16}

segundos.

Se o ângulo for de apenas 30 graus e o planador estiver voando a 20 m / s , então

{\ displaystyle T = {2 \ pi \ times 20 \ over 9,81 \ times 1 / {\ sqrt {3}}} \ aproximadamente 22}

segundos.

Assim, pode-se estimar facilmente se o planador está inclinado o suficiente medindo o tempo que leva para realizar uma rotação. Deve ser por volta de 20 s .

Por outro lado, se sabemos a velocidade do ar e o tempo percorrido para completar uma volta completa, temos:

{\ displaystyle \ tan \ theta = {2 \ pi v \ over gT}}

Para um piloto iniciante, teremos uma boa aproximação do ângulo em graus de acordo com a seguinte fórmula:

{\ displaystyle \ alpha _ {deg} = {180 \ times \ theta \ over \ pi} = {360 \ times v \ over gT}}

Assim, para um piloto voando a 20 m / se realizando uma espiral em 60 segundos, o ângulo de inclinação será:

{\ displaystyle \ alpha _ {deg} = {360 \ times 20 \ over 10 \ times 60} = 12}

graus.

O raio será de 195 metros, ou 390 metros de diâmetro.

É quase certo que este piloto não será capaz de centralizar uma elevação térmica.

Prova da fórmula dando o raio da espiral e a velocidade angular

Demonstração

Deixe ser o ângulo de inclinação do planador. Seja m a massa do planador. O peso do planador é P = m × g . A "força" centrífuga C aplicada ao planador é: $\ theta$

{\ displaystyle C = {mv ^ {2} \ over r}}

Como o planador voa de maneira coordenada, a força total é perpendicular ao plano do planador. ${\ displaystyle {\ vec {F}} = {\ vec {P}} + {\ vec {C}}}$

Portanto,

{\ displaystyle P = \ | {\ vec {P}} \ | = \ cos \ theta \ | {\ vec {F}} \ | \ qquad C = \ | {\ vec {C}} \ | = \ sin \ theta \ | {\ vec {F}} \ |}

Portanto, obtemos:

{\ displaystyle {P \ over \ cos \ theta} = \ | {\ vec {F}} \ | = {C \ over \ sin \ theta}}

Portanto,

{\ displaystyle \ tan \ theta = {C \ over P} = {mv ^ {2} / r \ over m \ times g} = {v ^ {2} \ over g \ times r}}

Portanto, obtemos:

{\ displaystyle r = {v ^ {2} \ over g \ tan \ theta}}

Seja ω a velocidade angular do planador. Nós temos :

{\ displaystyle \ omega = {v \ over r} = v \ left ({v ^ {2} \ over g \ tan \ theta} \ right) ^ {- 1} = {vg \ tan \ theta \ over v ^ {2}}}

Portanto,

{\ displaystyle \ omega = {g \ tan \ theta \ over v}}

Portanto, o tempo necessário para completar um círculo completo é:

{\ displaystyle T = {2 \ pi \ over \ omega} = {2 \ pi v \ over g \ tan \ theta}}

Ascendência de origem fixa

Vamos calcular o deslocamento de um planador em espiral em uma elevação fixa. Recomenda-se voar em linha reta por alguns segundos contra o vento para reorientar a sustentação. Consideramos uma ancestralidade gerada por uma fonte estacionária, como uma torre de resfriamento de uma usina nuclear ou um incêndio florestal . A parte ascendente de um rotor também pode ser assimilada a uma fonte de elevação fixa porque a posição do rotor é aproximadamente estacionária. Presume-se que o planador originalmente centralizou a sustentação. Calcularemos o quanto ele ficará fora do centro após uma volta da espiral. Seja c a velocidade de queda do planador, suponha que a velocidade de sustentação seja w e a velocidade do vento seja u . Suponha que o planador completar uma torre em espiral para o tempo T . Para reorientar o elevador, o tempo de correção do vento contrário é

{\ displaystyle H = {cTu \ over w (bu) + (wc) u}}

Na aplicação digital, consideramos uma asa delta voando a 23 nós , em uma elevação fixa de 5 nós com vento de 10 nós. A velocidade de queda é assumida como 2 nós . Presume-se que a aeronave completa a espiral em 20 segundos . Em seguida, obtemos:

${\ displaystyle H = {2 \ times 10 \ times 20 \ over 5 \ times (23-10) + (5-2) \ times 10} = 4,2 \ s}$

Demonstração

Consideramos um planador que espirala em uma sustentação de fonte fixa e sendo compensado por um vento horizontal La Seja R o raio da espiral, w a velocidade vertical da sustentação, b a velocidade do ar (badin) do planador, c sua velocidade de queda, T o tempo necessário para fazer uma volta em espiral. O centro de ancestralidade é dado por ${\ displaystyle -u {\ vec {j}}}$

${\ displaystyle a (z) = - {zu \ over w} {\ vec {j}} + z {\ vec {k}}}$

No referencial do solo, o planador tem a seguinte trajetória:

{\ displaystyle x = R \ cos \ left ({2 \ pi t \ over T} \ right)}

{\ displaystyle y = a (z_ {0}) R \ sin \ left ({2 \ pi t \ over T} \ right) -ut}

{\ displaystyle z = z_ {0} + (wc) t}

Então, no final de uma volta em espiral, temos

{\ displaystyle y (T) = a (z_ {0}) - uT}

O planador estará, portanto, descentralizado em. Agora consideramos o planador voando em linha reta seguindo y para compensar o descentramento. A equação do movimento torna-se ${\ displaystyle \ delta = a [z (T)] - y (T) = a [z (T)] - a (z_ {0}) = {(wc) Tu \ sobre w}}$

{\ displaystyle x (T + t) = 0}

{\ displaystyle y (T + t) = a (z_ {0}) - uT + (bu) t}

{\ displaystyle z (T + t) = z [T] + (wc) t}

Procuramos H tal que:

{\ displaystyle y (T + H) = a (T + H)}

Portanto, resolvemos:

{\ displaystyle a (z_ {0}) - uT + (bu) H = a [z (T + H)]}

Nós temos:

{\ displaystyle z (T + H) = z (T) + (wc) H}

Portanto,

{\ displaystyle a [z (t + H)] = a [z (t) + (wc) H] = a [z_ {0} + (wc) (T + H)] = a (z_ {0}) - {(wc) (T + H) u \ sobre w}}

Portanto,

{\ displaystyle a (z_ {0}) - uT + (bu) H = a (z_ {0}) - {(wc) (T + H) u \ over w}}

Esta é, portanto, uma equação com um desconhecido em H e, portanto, obtemos: ${\ displaystyle \ left ((b-u + {(wc) u \ over w} \ right) H = uT - {(wc) Tu \ over w}}$

Finalmente,

{\ displaystyle H = {cTu \ over w (b-u + (wc) u / w}}

E entao:

{\ displaystyle H = {cTu \ over w (bu) + (wc) u}}

Nuvens térmicas e convectivas

Bolhas de convecção são bem conhecidas por pilotos de planadores e pássaros que as usam para apoiar seu vôo. Se forem devidos ao aquecimento diurno da superfície, são chamados de "térmicos". Quando o usuário encontra uma térmica, muitas vezes identificável pela presença de uma nuvem cúmulos , ele começa a descrever espirais e tenta encontrar a melhor zona de subida. Isso irá levantá-lo até encontrar a base das nuvens . Por outro lado, também podem ser baseados em altitude e ser apenas resultado da instabilidade do meio ambiente. Em seguida, é identificado pela presença de torres no topo das nuvens estratiformes do nível inferior à camada instável.

As bolhas de convecção podem ser benignas ou muito poderosas. O segundo caso é freqüentemente associado a nuvens cumulonimbus, onde o movimento ascendente é de dois tipos: térmico e mecânico. As fórmulas na caixa suspensa são aplicáveis apenas para a parte térmica deste movimento. Eles ignoram as diferenças de pressão dependendo da altitude, devido à diferença de pressão entre a baixa pressão na altitude e a alta pressão no solo, que sugará o ar como um aspirador de pó da nuvem. Portanto, pode haver uma velocidade de subida diferente de zero localmente perto ou em uma tempestade, mesmo se o empuxo de Arquimedes for negativo lá e fornecer uma subida térmica negativa de acordo com a fórmula.

As nuvens cumulonimbus desenvolvem muita energia e geralmente são perigosas para a prática aérea. Portanto, é altamente recomendável evitar essas nuvens, exceto em casos limitados. Além disso, a parte superior de uma nuvem cumulonimbus é composta de cristais de gelo, o que diferencia essas nuvens de grandes nuvens cumulus . De fato, a mudança da segunda fase do estado líquido para o estado sólido gera uma produção adicional de energia que torna essas nuvens ainda mais violentas. Observe que mesmo os cúmulos congestos podem ser perigosos e causar tornados.

A altura h , expressa em metros, da base das nuvens cumulus depende da diferença entre a temperatura e o ponto de orvalho. Uma fórmula aproximada para calcular a base de uma nuvem cumulus é a seguinte: onde T é a temperatura em K (ou ⁰C) e D é o ponto de orvalho expresso em K (ou ⁰C). ${\ displaystyle h = 125 \ times (TD)}$

Assim, uma diferença de 12 K entre T e D irá gerar uma base cumulus a 1.500 m . No entanto, esta fórmula não é válida quando a elevação térmica ocorre ao longo de uma montanha exposta ao sol. O ar que sobe lamberá a encosta que ainda está quente. Essa massa de ar, portanto, resfriará a uma taxa menor do que a adiabática seca e, portanto, a sustentação será mais vigorosa e a base da nuvem associada será mais alta.

Localização de ancestrais

As correntes ascendentes tendem a se formar nos pontos mais quentes da superfície. Assim, um penhasco vertical voltado para o sol será mais quente do que a superfície circundante e, portanto, uma fonte confiável de sustentação. Da mesma forma, os centros das cidades ou grandes vilas sendo ilhas de calor urbanas serão fontes de elevação. O mesmo se aplica quando uma subdivisão está localizada perto de um lago artificial; isso se deve ao gradiente de temperatura entre o ar acima da água e o ar acima das casas aquecidas por aparelhos de ar condicionado. Grandes estacionamentos em shopping centers e áreas industriais também são boas fontes de ancestralidade. Assim, os pilotos de parapente conseguiram subir de volta após terem feito a aproximação final de um estacionamento de hipermercado . Também deve ser notado que grandes granjas industriais de frango também são conhecidas por serem fontes confiáveis de ascensão devido ao calor infernal que reina dentro desses prédios, onde várias dezenas de milhares de galinhas estão trancadas. Assim, os pilotos de planador , asa delta ou parapente se dirigem prioritariamente a todos esses lugares.

Outro efeito

Essas bolhas de convecção formam uma pequena área onde o ar é mais quente que o ambiente e, portanto, tem uma densidade diferente, resultando na refração do som e nas ondas eletromagnéticas que passam por ele, causando artefatos . O desvio de sinais sonoros e eletromagnéticos ao passar por essas bolhas é a causa de muitas ilusões, miragens localizadas. Eles são apresentados por Donald Menzel como uma explicação de muitos casos de OVNIs , sendo este fenômeno geralmente mal compreendido pelos ufólogos . Este fenômeno foi adotado por Auguste Meessen como uma explicação para certos ecos falsos de radar ( ecos parasitas ) durante a onda belga de OVNIs .

Notas e referências

Notas

Referência de Stull ao expoente ⅓ presente na segunda parte do lado direito.
A fórmula dada no livro de Hurt é onde V é dado em nós (nm / h) e R é dado em pés. Lembre-se que 1 milha náutica é 1.852 m e 1 pé é 0,304 8 m . Se convertermos este coeficiente para SI, obtemos = 9,777 m / s². A aceleração da gravidade ao nível do mar é 9,80665. O erro gira em torno de 0,3%. Este erro é 2 z / R T onde R T = 6.346 km é o raio da Terra e, portanto, z = 6346 × 0,003 / 2 / 0,3048 = 9,52 km, o que corresponde a uma altitude de aproximadamente 32.000 pés. ${\ displaystyle R = {V ^ {2} \ over 11,26 \ \ tan \ theta}}$ ${\ displaystyle g = {11,26 \ times (1852/3600) ^ {2} / 0,348}}$

Referências

Este artigo foi retirado parcial ou totalmente do artigo intitulado “ Bulle de convection ” (ver lista de autores ) .

(De) Reichmann, H, Streckensegelflug , Motorbuch Vlg., Stuttgart, 1975..
Vôos de campo , p. 107
avançada , p. 202
Vôos de campo , p. 22
avançada sobe , p. 45
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