תרמיקות - מבנה והתנהגות
מאת: ווין מ. אנגווין
תרגום: טדי גלעד
תרמיקות הינם הכח המניע מאחורי כל הטיסות הבלתי ממונעות. מאמר זה מתאר את מבנה התרמיקה (וזאת לו היינו מסוגלים לראות אותה) ואת ההתנהגות שלה. אני תקווה שאיכות הטיסה שלך תשתפר אם תדע מעט יותר אודות תרמיקות. כמבוא, עלי להדגיש כי האטמוספרה הינה מסובכת לאין ערוך ובעלת פוטנציאל לגרום להכל לקרות. אני אנסה לתאר את המקרים הפשוטים והשכיחים יותר – הווה אומר יום עם שמים נקיים או עם מעט עננים, רוח קלה עד ערה וזמן אור היום.
ולקוראים חסרי הסבלנות, הרי הבסיס: תרמיקות נראים כמו עצים עבים, עם שורשים קטנים וכָּאוֹטִים הקרובים לקרקע (להלן תימרות), וגזע גדול מעל. הגזע נוטה עם הרוח, מתנדנד, ומשתנה עם הזמן. לעיתים התרמיקה נוטשת את השורשים ונסחפת. בין ה"עצים" ישנם סינקים – אויר יורד. קשה לחזות את מיקום היוצרות התרמיקות, צורתם, וקצב השינוי, שכן נושאים אלה תלויים באינטראקציה בין האדמה והאוויר. נושאים חשובים שיש לזכור הינם:
- תרמיקות נוצרות על ידי הפרשי טמפרטורות בין הקרקע והאוויר הקרוב אליה.
- אויר נע בצבירים (בועות). לצביר זה מאפיינים כגון מסה, תנע, טמפרטורה ולחות.
- תימרה קרוב לקרקע מתנהגת בשונה מתרמיקה גבוה מעל פני השטח.
שכבת הגבול ( boundary layer - BL)
השכבה באטמוספרה בה אנו מרחפים נקראת שכבת הגבול (BL להלן). BL היא שכבת האוויר המושפעת על ידי טמפרטורת הקרקע בטווח זמן של כשעה. בתנאים אלה, עובי השכבה מוערך כ 500 עד 2000 מטר הנמוכים של האטמוספרה. BL הרבה יותר רדודה בלילה (100 – 200 מטר), נבנת במשך היום כשהשמש מחממת את הקרקע וקורסת שוב בערב. עובי ה- BL נשלט על ידי עוצמת אור השמש, כמות הלחות קרוב לקרקע ויציבות האוויר.
באזורים בעלי לחות גבוהה, בעיקר בסביבת שדות עם גידולים בעלי צריכת מים רבה, תבנה BL רדודה יחסית עם תרמיקות חלשות. במדבר ה- BL גבוהה ונוצרות תרמיקות ענקיות ו"מפוצצות".
שרטוט 1 להלן מתאר היווצרות BL. הפנל הגדול בשרטוט מתאר את מדידת ההחזרות שנמדדו על ידי מכ"מ מיוחד שנקרא "מאפיין מבנה הרוח ב-BL" ובאנלית: Boundary layer wind profiler. המכ"מ רגיש לאי סדירות באוויר כתוצאה משינויים של בטמפרטורה ובלחות, ולכן הוא מראה את הקצה הגבוהה של ה- BL כסיגנל חזק יחסית. שני הפנלים הקטנים יותר בתמונה 1 מראים את הטמפרטורה הפוטנציאלית הוירטואלית [1] (Virtual Potential Temperature) ואת הלחות הספציפית שנמדדה על ידי בלוני מזג אויר. הטמפרטורה הפוטנציאלית הוירטואלית הינה מדידה ישירה של כושר הציפה של האוויר באותו מקום. הטמפרטורה שלו מוצגת, מנורמלת להשפעות של הלחות וההתחממות והתקררות האוויר כתוצאה משינויי הלחץ כפונקציה של הגובה. אם גרף הטמפרטורה הפוטנציאלית הוירטואלית מטפס שמאלה, עם הגובה של שכבת האטמוספרה, שכבה זו אינה יציבה. במידה והגרף מטפס ימינה, שכבה זו יציבה. קו הניצב מסמן שכבה ניטרלית.
- ראה איור 1) BL כמו שנבנתה ע"י מכמ "מאפיין מבנה הרוח ב-BL" ובלוני מזג אויר ב- 23 לספטמבר 1995 מעל אילינוי שבארה"ב.
BL בעצמה מתחלקת לשלוש שכבות, שכבת הקרקע, השכבה המעורבת והשכבת האינורסיה. שכבת הקרקע הינה בעובי של כ 100 עד 200 מטר, ובשכבה זו בדרך כלל טסים טיסני הרדיו. השכבה המעורבת מתנשאת מעל שכבת הקרקע וגובהה הוא כמעט עד לגובה ה- BL. זו השכבה בה מתבצעות טיסות ה- Cross country של המצנחים ובה טסים גם הדאונים. מהירות הרוח בגובה הקרקע הינה כמובן אפס, ועולה עם הגובה, והיא בעיקרון קבועה כפונקציה של הגובה. השכבה המעורבת נקראת כך בגלל העובדה שבשכבה זו מתבצע הערבוב לכדי שכבה אחידה של כל האלמנטים המאפיינים את האוויר: הטמפרטורה הפוטנציאלית, מהירות, רטיבות וזיהום האוויר. זה לא אומר שאין הבדלים ברמה של צבירים מקומיים. אילו הכל היה מעורבב באופן אחיד, לא היו נוצרות התרמיקות ואנחנו המרחפים היינו יכולים להישאר בבית! שכבת האוורסיה הינה הגבול בין ה- BL והאטמוספרה החופשית מעל, שכבה בה נוצרים העננים. שכבת הקרקע הינה לא יציבה, השכבה המעורבת הינה ניטרלית ושכבת האינוורסיה והאטמוספרה שמעל הינן יציבות.
תרמיקות ותימרות
השמש מחממת את הקרקע והקרקע בתורה מחממת את שכבת האוויר הקרובה אליו. ברגע שצביר אויר חם יותר מסביבתו, הוא מנסה להתרומם. לצביר אויר יש מסה ותנע אך מאחר והוא שרוי בסביבתו ולכן אינו יכול סתם כך לזוז לכיוון הרצוי. יתרה מכך, הקרקע אינה אחידה, אזורים שונים הינם כהים או יבשים יותר ונטיתם היא להתחמם יותר מאשר אזורים בהירים או לחים יותר. כתוצאה נוצרים צבירים או בועות של אויר חם יותר העולים ומפלסים את דרכם ומזיזים צבירים קרים יותר מדרכם. חלק מצבירים קרים אלה מוצא בסופו של דבר את מקומו על הקרקע, מתחמם ומתחיל את שאיפתו לעלות. תנועה טורבולנטית זו מובילה להיווצרות תימרות וסינקים בצורות וגדלים שונים של אויר עולה ויורד. חלק מהתימרות הללו נפגש ויוצר צבירים גדולים יותר, תימרות אחרות "נקרעות" על ידי אפקט הערבוב (מדובר בשכבת הערבוב) ומאבדות את זהותם. נפח הצבירים הינו באופן גס יחסי ישר לגובהם, נפח גדול יותר ככל שהצביר גבוה יותר. האוויר בצבירים עולה, אך הוא גם נע בתוכו בכל שלושת הצירים בתנועה התלויה באופן בלתי צפוי לחלוטין של הצבע, הלחות, הצורה של הקרקע מתחת ושל צבירי אויר אחרים בסביבה. תימרה מתחילה קרוב לקרקע ללא מהירות אופקית ממוצעת. תימרות אלה נוטות לאסוף ולהעלות חרקים, זרעים, קש ולעיתים סתם זבל, נקודה שעוזרת לנו לזהות אויר עולה.
- ראה איור 2) תימרות (כתום) וסינקים (כחול) בשכבת הקרקע.
תימרות מתאחדות בעודן מתרוממות.(תמונות 2 ו-3). בעת הגיעם לסף גובה BL (100 – 200 מעפה"'ש). הן כבר אוחדו לעמודת אויר עולה גדולה יחסית. קוטר התרמיקה בשכבת הערבוב הינו יחסי ישר (באופן גס) לגובה ה- BL, ויכול לנוע בין כמה מאות מטרים ועד לכדי כמה קילומטרים. ניתן לדמיין תרמיקות כעץ עם גזע בשכבת הערבוב ושורשים בשכבת הקרקע. לאוויר בתרמיקה יש עדיין תנועה אופקית וסיבובית, כמו גם תנועה אנכית, בתלות בתנועה שהיה לתימרות ב"שורש העץ" שיצרו את התרמיקה. ראוי לציין שאלה "עצים" עבותים, בערך באותו רוחב כמו שהם גבוהים (תמונה 4). האוויר בתרמיקה בדרך כלל חם יותר מהסביבה במעלה עד שתי מעלות צלסיוס, ומתרומם במהירות של 1-3 מטר לשנייה. האוויר בתוך התרמיקה נע אופקית לאט יותר מהאוויר מסביב לתרמיקה מכיוון שהוא "זוכר" שבהיותו קרוב לקרקע, הוא נע לאט יותר.
- ראה איור 3) מהצד של התימרות - שורשי התרמיקה בשכבת הקרקע. גובה השורשים הינו כגובה שכבת הקרקע, 100 – 200 מטר. התימרות האמיתיות הרבה יותר מחוספסות וקאוטיות מאשר מופע בשרטוט זה.
- ראה איור 4) חתך אנכי בתרמיקה. אויר עולה מסומן בצבע כתום.
כשאויר עולה מגיע לקצה ה- BL, הוא מתפזר בצורת סדן. אויר זה הוא כעת צפוף יותר מהאוויר שבסביבה, לא מפני שאויר זה השתנה, אלא כי האוויר בסביבה זו חם יותר. אתה בטח זוכר מלימודי הפיסיקה בתיכון כי אויר מתקרר כשלחצו קטן, וזה נכון גם לאוויר העולה באטמוספרה. מדענים בדרך כלל משתמשים במונח טמפרטורה פוטנציאלית, המתקנת לשינוי זה. בכל מקרה, האוויר ברום שכבת ה- BL חם יותר בטמפרטורה פוטנציאלית מאשר האוויר העולה מהקרקע. למעשה, זאת ההגדרה של רום שכבת ה- BL: לו האוויר העולה היה חם יותר (פחות צפוף) מהאויר בסביבה, הוא היה ממשיך לעלות, והגובה שאליו האוויר העולה משכבת הקרקע מסוגל להגיע, הוא בהגדרה עדיין חלק מה- BL. לעיתים, ראשי התרמיקות ניתנים לזיהוי כמקום בו נוצרים ענני קומולוס (הנראים כמו צמר גפן או הררי קצפת - ט.ג.). מאחר והאוויר העולה הוא בעל תנע (מומנטום), הוא "מפספס" (overshoot) מעבר לראש ה- BL ורק לאחר מכן הוא שוקע מעט בחזרה. אם השכבה היציבה (שכבת האונוורסיה) בראש ה- BL חלשה, עננים עשויים להבנות וגשם עשוי לרדת. במבט חוזר בתמונה 1, ניתן לראות שהתרמיקות עולות בתרשים רפלקטיבי.
לכל הצבירים (בועות אויר חם) יש קבוע זמן חיים שניתן להתייחס אליו כזמן הקיום של הצביר, זמן בו לצביר יש זהות. קבוע הזמן תלוי בגודל הצביר ולכן גם במיקומו במודל השכבות של ה- BL. תימרות בשכבת הקרקע הינן בעלות קבוע זמן חיים קצר שכן די מהר הן מתאחדות לכדי תרמיקות או פשוט מתערבבות באוויר וחדלות מלהתקיים. תרמיקות קיימות בערך את הזמן שלוקח להן להגיע משכבת הקרקע לרום שכבת הערבוב. מאחר והתרמיקות מתרוממות בקצב של כמה מטרים לשנייה, וגובה ה- BL הינו בערך 500 – 2000 מטר, תרמיקות קיימות במשך כמה מאות שניות או 10 – 20 דקות. מכאן שהאנלוגיה שלנו של תרמיקה ל"עץ" נכונה לצילום רגעי בלבד. מבט יותר אמיתי הוא להסתכל על תרמיקה כעל בול עץ עבה. בזמן שקצה התרמיקה מגיע לרום ה- BL, סביר להניח שתחתית של התרמיקה כבר השתנתה או נעה. האנלוגיה של בול עץ או של העץ מתאימה גם במובן של גבולות התרמיקה, שאינן חלקים, אלא מסוקסים בדיוק כמו הקליפה של עץ עתיק אמיתי – בגבולות התרמיקה, אויר התרמיקה מתערבב ומתערבל עם אויר מהסביבה בצורה כאוטית וטורבולנטית.
בעודנו מתרכזים בתימרות היוצרות תרמיקות, אין זה אומר ששאר האויר לא נע. בכל עת שצביר אויר עולה למעלה, ישנו צביר אחר הנע בכיוון ההפוך בכדי לפצות על הנפח העולה, הכל לפי חוקי שמירת המסה. בנוסף, אנו התייחסנו לתרמיקה כאזור אינדיבידואלי ומבודד כאשר למעשה המיבנה האמיתי הוא של שדה של תרמיקות. התרמיקות בדרך כלל מסודרות כמשושים או בקווים אופקיים ("רחובות" ט.ג.) והן תופסות פחות מחצי הנפח באזור (פרט לרום ה- BL). בין התרמיקות יש אויר קריר יותר, הזורם למטה. וזה נכון – יש יותר נפח אויר יורד מאשר עולה! החדשות הטובות הן שאותו אויר יורד אינו כה מהיר כמו האוויר העולה. שוב, חוק שימור המסה תקף גם כאן, כלומר העובדה שיותר נפח אויר יורד מאשר עולה, גורם לכך שאותו אויר יורד, ירד יותר לאט ביחס למהירות האוויר העולה. בהגיע התרמיקה לרום שכבת ה- BL, האוויר של התרמיקה מתפזר ומתערבב עם האוויר בסביבה, והתרמיקה מאבדת את זהותה. מולקולות אויר עשויות להגיע שוב לקרקע, להתחמם שוב וליצור שוב תימרה ותרמיקה וחוזר חלילה.
תצפית
איך אנחנו מכירים את מבנה התרמיקה? ישנם כמה דרכים ל"ראות" מה האוויר עושה ב- BL. לעיתים אנחנו מקבלים רמזים ויזואליים. עננים בדרך כלל מסמנים את קצה התרמיקה. ביום עם זיהום אויר, ניתן לראות את ה- BL המזוהמת כשאנו מביטים בה ממטוס חולף או מראש הר. עלעולים (Dust Devil) הינם תימרות חזקות המתקיימות בשכבת הקרקע.
- ראה איור 5) תרמיקות המסומנות על ידי lider (Laser Radar) ב- 12 לאוגוסט 1996, מעל אילינוי. מהירות אנכית מסומנת בצבע אדום, מהירות אנכית מטה מסומנת בצבע ירוק. צבעים אקראיים קרוב לראש התמונה מסמנים סיגנלים חלשים מעל ה- BL.
מדענים פיתחו טכניקות משוכללות יותר לתצפיות. מכלי מים משמשים לעיתים במעבדות לתיאור חזותי של זרימה באטמוספרה. לאחרונה גם פותחו חיישנים לשימוש באטמוספרה עצמה. מכ"מ "מאפיין מבנה הרוח ב- BL" (boundary layer wind profiler) ששרטט את תמונה מספר 1 הוא דוגמא טובה לחיישן כזה. התמונה הטובה ביותר של תרמיקות נוצרת על ידי "לידר" - lider (Laser Radar). תמונה 5 נוצרה על ידי "לידר" המופנה אנכית, מראה תנועת התרמיקות מעל אתר באילינוי. "לידרים" לעיתים גם סורקים שטחים גדולים יותר לקבלת תמונה בעלת נפח של כמה קילומטרים רבועים. תמונה ה"לידר" מציגה יומיים שלמים וכן 2 מקטעים של שעתיים בכל אחד מהימים. ניתן לראות שבבקרים התרמיקות מתחזקות, גדלות ומרוחקות אחת מהשנייה. הם הכי חמות וגדולות בצהרי היום, ולאחר מכן נחלשות, קטנות וקרבות אחת לשנייה בשעות אחרי הצהרים. גם הימים שונים אחד מהשני: ב- 6 באוגוסט, הרוח במרכז שכבת ה- BL הייתה כ- 7.5 m/s (24 Km/h) וקרוב לקרקע המהירות הייתה 5 m/s ( 16 Km/s). ב- 12 באוגוסט הרוח הייתה מעט חלשה יותר 5.5 m/s (17.6 Km/s) במרכז שכבת ה- BL ו 3.5 m/s ( 11.2 Km/s) קרוב לקרקע.
דרך נוספת "לראות" תרמיקות הינה באמצעות מודלים סיפרתים (סימולציה). הנקודה היא שגם באמצעות דור המחשבים הנוכחי, עדיין קשה מדי לסמלט (לבצע סימולציה) את ה- BL ברזולוציה אמיתית. Large Eddy Simulation (LES) פותרת את הבעיה המרכזית של ה- BL. שרטוט 6 הינו בניה תלת מימדית של תפוקת ה- LES עבור יום כמו בדיון שלנו. ניתן לראות את התרמיקות כבועות של אויר עולה בגדלים שונים ובצורות שונות. תימרות הנוצרות קרוב לקרקע אינן מתוארות על ידי מודל זה.
- ראה איור 6) בניה ממוחשבת של תרמיקות המסומנות על ידי הנפחים הצהובים בתמונה. בקיר האחורי והצידי, תנועה מעלה מסומנת באדום ותנועה מטה מסומנת בכחול. ההפרדה האופקית הינה 52 מטר וההפרדה האנכית הינה 21 מטר, וגודל ה"קופסא" בשרטוט הוא 5 X 5 X 1.25 ק"מ. הזכויות הגרפיות שמורות לפיטר סאליבן מהמרכז הלאומי האמריקאי למחקר האטמוספרה.
תנועה, הטיה, השפעת הקרקע, בועות וכו'.
מעל קרקע ישרה וחלקה, התרמיקות נעות עם הרוח. אתר המדידה באילינוי נבחר במכוון עקב היותו פשוט, שטוח ואחיד. קראנו לו למעשה "ארץ שטוחה". לו מבנה הקרקע היה לא פשוט (הרים לדוגמא) או שמבנה הקרקע היה משתנה (אגמים, מגרשי חנייה ענקיים), תימרות היו נוטות להיווצר דווקא במקומות החמים או הגבוהים יותר. נקודה זו עשויה להפוך את מציאת התרמיקה לקלה יותר. הנטייה לא מושלמת שכן תופעות טבעיות נוספות גם הן משחקות תפקיד. לדוגמא תרמיקה עלול להתחיל לנוע כלפי מעלה על ידי מכשול שגורם לצביר אויר חם להינתק מן הקרקע. גם מעל חלקה גדולה וחמה, תרמיקה נמרצת עשויה לשאוב את כל האוויר החם, ולהביא אויר קר מהסביבה במקום, התרמיקה תעלם והאוויר החדש מחומם על ידי הקרקע. מה שקורה מוכתב על ידי גודל החלקה, מהירות הרוח והפרש הטמפרטורות.
הרוח בשכבת הערבוב היא בקירוב אחידה עם הגובה, לכן יש לתרמיקות מעל לקרקע אחידה נטיה לעלות כעמודה עם כמעט ללא הטיה. לתרמיקות שתוחלו על ידי תנאי השטח דווקא יש נטייה להיות מוטות עם הרוח בעודן עולות.
למטיסי טיסני מודל דאון, בעודם עומדים על הקרקע, יש נקודת מבט שונה לחלוטין מטייסים השוהים באוויר הנע. הרוח המקומית על הקרקע הינה הסכום הווקטורי של רוח באזור והמשב של התרמיקה. תנועת התרמיקה במעלה הרוח תפחית את המהירות המקומית ועשויה אף להפוך את הכיוון נשיבת הרוח אם הרוח באזור חלשה מספיק. תנועת תרמיקה במורד הרוח תגביר את מהירות הרוח. תמונה 7 דומה לתמונה 4 אך מציגה את וקטורי הרוח (בשני מימדים), מנקודת מבט של טייס נייח.
- ראה איור 7) מתווה התרמיקה ווקטורי הרוח (במישור התמונה), מנקודת מבטו אל איש על הקרקע.
מיתוסים ותרמיקות
בדרך כלל יש לאנשים נטייה לתאר את שהם רואים על ידי אנלוגיות, ולעיתים קורה כי תיאורים אלה צומחים להיות למיתוסים. שני המיתוסים היותר מקובלים לגבי תרמיקות הינם העובדה שהתרמיקות מסתובבות לכיוון מסוים כתוצאה מסיבוב כדור הארץ וכן כי לתרמיקות יש צורה של סופגנייה (סופגנייה אמריקאית, עם החור באמצע – ט.ג.). ממיתוסים אלה מופרחים גם על ידי התבוננות וגם על ידי המודלים הספרתיים. כוח קוריוליס (כוח המופעל כתוצאה מתנועת כדור הארץ) חלש מדי מכדי להשפיע על זרימות אויר קצרות חיים, קטנות ומקומיות כמו התרמיקות. התרמיקות מסתובבות כתוצאה מתנועות שונות של התימרות היוצרות את התרמיקות אך הן אינן מסתובבות לכיוון מסוים וידוע מראש או בקצב ידוע או קבוע מראש. אפילו לעלעולים אין כיוון סיבוב מוגדר מראש. ולגבי מודל הסופגנייה, הדרך היחידה שאויר יכול לזרום בחזרה היא על ידי ירידה חזרה לקרקע (בסינקים) וחימום חוזר שם.
תרמיקות חלשות
כשהרוח מתחזקת או קרינת השמש נחלשת, כוח העילוי של האוויר כתוצאה מחימום מהקרקע יורד. התרמיקות קטנות וגבולם הופך מוגדר פחות טוב. קשה להגדיר חוק אצבע מתי הרוח חזקה מספיק לגרום לאפקט כולל, מאחר וזה מושפע על ידי עוצמת קרינת השמש ולחות הקרקע. ביום מעונן או בעל רוחות חזקות, נוצרות טורבולנציות על ידי גזרות רוח, כלומר שינוי בעצמת הרוח או בכיוונה. טורבולנציות הנוצרות כתוצאה מגזרות הרוח הינן קטנות ביחס לתרמיקות ולא יכולות לשמש כעילוי למרחף.
מסקנות
אני מקווה שמאמר זה עזר להסביר את מבנה התרמיקות וכמה מהכלים החדשים המשמשים להביט בהן.
זכור כי התנהגות האטמוספרה מאוד מסובכת וכמעט כל דבר עלול לקרות. מה שהצגתי כאן הינו המקרה הפשוט ביותר.
סימוכין
- הספר הטוב ביותר על התנהגות ה- BL הוא "An Introduction to Boundary Layer Meteorology, by Roland B. Stull" הספר קריא, לפחות בפרק ההכירות, ולדעתי אמור להיות בכל ספריה של אוניברסיטה שמעריכה את עצמה.
- הספר Flying Conditions של Dennis Pagen הוא ספר קטן וטוב שנכתב עבור טייסי גלשני רוח.
- ספר ההדרכה הקלאסי למטאורולוגיה למרחפים נכתב על ידי C.E. Wallington's ונקרא Meteorology for Glider Pilots.
שני האחרונים כנראה כבר לא מודפסים, אבל ניתן למצוא אותם ב- ebay.
- מאמר שלי, שפורסם בביטאון האגודה האמריקאית למטאורולוגיה במרץ 1998 בשם " The Flatland Boundary Layer Experiment" מראה עוד כמה דוגמאות נוספות ל- BL, כמו בתמונה 1. גם מאמר זה נמצא מן הסתם בספריות.
תודות
- Shane Mayor ו- Steve Cohn מהמרכז הלאומי האמריקאי למחקר אטמוספרי (NCAR) ביצעו את תמונות ה"לידר" שהובאו כאן.
- Peter Sullivan, גם הוא מה- NCAR, סיפק את תמונות הסימולציה.
- חבריי הטייסים Kurt Rosnerו- Stan Sadorf סיפקו הערות בונות לטיוטה הראשונה למאמר.
הערות המתרגם (ומקור)
מקור (המאמר עודכן בשנת 2006): Thermal Structure and Behavior, by Wayne M. Angevine.
המאמר תורגם ברשות הבעלים.
תורגם עבור רוח הקודש על ידי טדי גלעד [email protected].
