ГЛАВА 15. Ветер у побережья

ГЛАВА 15. Ветер у побережья

Наиболее известной особенностью ветров, дующих с моря на сушу и с суши на море, является их стремление пересечь береговую линию под прямым углом. Это показано на рис. 81 и 82. В действительности ветер никогда не перпендикулярен к берегу, но тенденция к этому имеется.

Рис. 81. Ветер на сушу отклоняется, у линии берега

Рис. 82. Ветер с суши отклоняется на подходах к воде

В примере, приведенном на рис. 81, ветер дует иод углом к берегу. Приближаясь к суше, он постепенно меняет направление и пересекает береговую линию под прямым углом, а затем постепенно возвращается к первоначальному направлению.

То же самое происходит при ветре с берега. Из рис. 82 видно, что ветровой поток заметно отклоняется вблизи береговой линии и стремится пересечь ее почти под прямым углом, а затем возвращается к первоначальному направлению.

Такое поведение ветра связано со многими факторами, которые могут существенно изменяться в зависимости от погодных условий, очертаний береговой линии и ряда других причин, которые будут изложены ниже. Поэтому вначале рассмотрим каждый фактор отдельно, а затем изучим их совместное влияние при различных сочетаниях.

Искривление из-за рефракции

Основной причиной искривления воздушного потока при пересечении береговой линии, так же как и разворота волн параллельно берегу (см. рис. 8), несомненно, является обыкновенная рефракция. Как уже отмечалось, трение о сравнительно неровную поверхность суши существенно замедляет воздушный поток, приходящий с более гладкой водной поверхности. Естественно, что при ветре с суши справедлива обратная картина — ветер сильнее, или, если хотите, быстрее, над водой, чем над сушей. Изменение скорости вызывает рефракцию.

Рефракцию ветрового потока наиболее просто представить, рассматривая столб воздуха, движущегося с поверхности воды и под углом к берегу (рис. 83). На рисунке линии, ограничивающие столб воздуха, разделены на отрезки, равные примерно 100 метрам. Для удобства рассмотрим ветер, движущийся над водой со скоростью 400 м/мин (примерно 13 узлов). Тогда движение столба воздуха за минуту можно показать штриховой линией через 400 метров. Предположим также, что скорость ветра над сушей составляет ³/4 скорости над водой, то есть 300 м/мин; Следовательно, при пересечении линии берега правая часть столба воздуха пройдет только 300 метров, а левая — 400 метров. В результате- изменяется направление движения воздуха. На рисунке это показано достаточно четко. Из рис. 83 также хорошо видно, как происходит рефрагирование берегового ветра; картина здесь обратная.

Построение диаграмм искривления ветрового потока в основном такое же, как при рефракции световых волн по волновой теории света. Это показано на рис. 84, где АВ — расстояние X, пройденное столбом воздуха за 1 минуту над водой. Расстояние, пройденное воздухом за 1 минуту над сушей, уменьшилось (за счет трения) до ³/₄ X. Следовательно, мы можем описать полукруг с центром в точке В и радиусом ³/₄X. Линия из точки Р касается полукруга в точке Q. BQ дает направление перемещения столба воздуха над сушей.

Однако построение плана рефракции имеет небольшое практическое значение, так как на воздушный поток одновременно влияет много других факторов.

Рис. 83. Замедление одного края столба воздуха раньше другого вызывает рефракцию ветрового потока. Трение о поверхность суши уменьшило скорость ветра с 400 до 300 метров в минуту.

Следует отметить, что степень искривления воздушного потока за счет рефракции при ветре, более или менее перпендикулярном берегу, меньше, чем при его косом подходе. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при совместном рассмотрении рефракции и других факторов, влияющих на искривление воздушного потока.

Рефракция не проявляется (по крайней мере теоретически) до пересечения береговой линии, где начинает сказываться разница в скорости ветра над сушей и водой. Следовательно, при ветре на сушу влияние рефракции часто заметно настолько близко от берега, что не имеет практического значения для яхтсменов, но при береговом бризе этот эффект может быть полезен. Однако еще до рефракции некоторый поворот воздушного потока в направлении рефракции все-таки происходит.

Рис. 84. Построение диаграммы рефракции. Скорость ветра, равная над водой х, над сушей уменьшается до ³/₄ х

Возвращение после рефракции

При ветре как на берег, так и с берега воздушный поток после искривления рефракцией неизбежно возвращается к своему первоначальному направлению. Это показано на рис. 81 и 82. Конечно, иногда на воздушный поток кроме рефракции влияют и другие факторы и их действие может препятствовать возвращению ветра к первоначальному направлению, но даже в этих случаях некоторый возврат все же отмечается.

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.

9. При ветрах на сушу термики являются более вероятной причиной полезного искривления воздушного потока (на некотором расстоянии от береговой линии), чем рефракция. Такие условия необходимо учитывать при плавании (см. вывод 5).

10. Образование термиков наименее вероятно при генеральном воздушном потоке, направленном под очень острым углом к береговой линии. Эта потеря термической помощи компенсируется усилением рефракции (см. вывод 2).

11. Влияние термиков наиболее заметно при слабом генеральном ветровом потоке и его существенном замедлении трением о поверхность суши.

12. Крутые берега, вытесняя термические пузыри вверх, могут способствовать образованию конвекции, направленной к Суше, при этих условиях искривление воздушного потока усиливается.

13. Крутые берега могут замедлять генеральный ветровой поток на низких уровнях и вследствие этого увеличивать искривление за счет термиков.

14. Крутые берега могут отклонять параллельно суше ветры, дующие под очень острым углом к берегу. Этому может противостоять сильная рефракция (см. выводы 2 и 3), но при некоторых условиях рефракция прекращается и берут верх законы отклонения.

15. Береговые ветры стремятся скатиться по крутому склону (аналогия с мячом).

Разумеется, изменение любого из факторов, влияющих на искривление ветрового потока, может вызвать множество ситуаций, которые невозможно подробно изложить. Однако понимание основных причин искривления позволяет сделать довольно точные выводы для большинства условий.

Тактика плавания у береговой линии

Может показаться, что на изложение теоретических вопросов были затрачены неоправданные усилия и что вполне достаточно знать сам факт изменения направления ветра у береговой линии, а иметь понятие о его причине совершенно необязательно. Однако даже для ветра одного направления и силы на некотором расстоянии от берега условия изменчивы. Следовательно, мы имеем дело не с единичным фактором, а с целой совокупностью. Доскональное знание всех перечисленных факторов позволяет во время гонок оценить или предсказать с некоторой достоверностью изменения в направлении воздушного потока, особенно если при прохождении дистанции ситуация изменяется. Даже частичное использование вышеизложенного может быть очень ценным подспорьем ори выборе тактики плавания.

Из тенденции ветра к пересечению береговой линии под менее острым углом можно извлечь важный тактический урок: лавировка к берегу позволяет использовать все преимущества более полных курсов ветра.

Однако, как мы неоднократно повторяли, на соревнованиях редко приходится учитывать только одно явление, и, может быть, не в меньшей степени нужно считаться и с некоторыми особенностями приливного потока и течений. Более того, ветровой поток может быть настолько ослаблен близостью подветренного берега (если это береговой бриз) или нарушен вихрями (если берег крутой и высокий), что о каком-либо благоприятном искривлении ветрового потока уже не может быть и речи. Поэтому лавировка вдоль берега не всегда выгодна, многое здесь зависит от степени искривления ветрового потока. Следовательно, самое главное — это понять, почему происходит искривление, тогда, сопоставив влияние различных факторов, можно выбрать правильный курс.

Пример тактики плавания около берега

Например, предположим, что соревнования проходят в условиях, показанных на рис. 87. Яхты проходят треугольную дистанцию, стартуя против ветра от буя А к бую В. Течение идет против ветра параллельно берегу и слабее (как и следовало ожидать) около него. На песчаном берегу имеются низкие дюны и вересковые пустоши-довольно ровный рельеф, приводящий к сравнительно малому увеличению трения и, следовательно, замедлению воздушного потока, и к рефракции. Утро довольно пасмурное, солнечного прогрева пока нет, поэтому термики отсутствуют и любое искривление воздушного потока связано в основном с рефракцией; поскольку рефракция не усилена термиками, искривление слабое и не распространяется далеко от берега. Ветер, обусловленный полем давления, несильный, но устойчивый, и яхты могут идти со скоростью 2 узла относительно воды.

При таких условиях наилучшим курсом кажется показанный на рисунке штрихпунктиром. Стартовав при ветре в правый борт, яхты идут относительно длинным галсом в сторону моря.

Идти правым галсом слишком долго нельзя, так как можно недооценить силу течения и оказаться в состоянии перелавировки у буя В. Поэтому после длинного галса необходимо пройти коротким галсом на буй, подходы к которому относительно безопасны (с учетом права дороги на правом галсе).

Все это просто и очевидно. Несколько позже пробивается солнце, пелена облаков рассеивается и становится жарко. Наступают условия, благоприятные для образования морского бриза. Через некоторое время после старта один-два знающих рулевых на подходах к бую А следят за признаками этого бриза, но пока ничего не замечают. Однако после огибания буя А одна яхта, находящаяся сзади, начинает идти левым галсом, видимо придерживаясь правила: «Если что-то идет не лучшим образом, попробуй что-нибудь другое»; пока это не оправдано, так как сильное течение вдали от берега дает большие преимущества.

Рис. 87. Курс при слабом отклонении воздушного потока у берега в отсутствие бризового эффекта

Однако на яхте, пошедшей к берегу, обнаруживают первые признаки бризовых эффектов. Искривление воздушного потока распространяется в море и становится более заметным. Рулевой этой яхты может идти вдоль берега гораздо более длинным галсом, чем раньше, и иметь лучший, чем у других, ветер.

Искусные лидеры, естественно, следят за исходом эксперимента этой яхты, и хотя еще рано говорить о его успехе, видят, что начинает ощущаться влияние морского бриза и на следующем повороте он, вероятно, будет сильнее и еще больше отклонит ветер к суше.

После следующего прохождения буя А лидер оказывается перед необходимостью принять невероятно трудное решение. Он решает пойти к берегу, так как ему кажется вероятным, что к этому времени ветровой поток будет заметно искривлен; но едва яхта проходит несколько метров, как вторая яхта, обогнув буй А, сразу же ложится на правый галс с очевидным намерением опять идти морским путем. Лидирующий рулевой уже не так верит в искривление воздушного потока и, следуя правильной тактике состязаний, поворачивает за второй яхтой.

Однако третья яхта, видя, что две другие лодки опять пошли в море, решительно поворачивает к берегу и очень скоро обнаруживает, что можно лучше держаться на курсе, и, наконец, плывет параллельно берегу со слегка вытравленными шкотами. Затем яхтсмен начинает понемногу приводиться, пока не наступает время перехода на другой галс.

Рис. 88. Третья яхта выбрала курс с учетом выгоды от усиливающегося бризового эффекта: путь более короткий, ветер свободнее

Вначале по сравнению с другими двумя лидерами, плывущими в открытом море, на правом галсе у него плохой ветер, но, удаляясь от берега, он начинает уходить от зоны искривления воздушного потока и постепенно может приводиться на правом галсе. В итоге, проплыв свободнее и гораздо меньшее расстояние, он, несмотря на менее благоприятное течение, огибает знак В в лидирующей позиции. На рис. 88 показан курс третьей, а также первой и второй яхт после знака А.

Этот маленький рассказ иллюстрирует важность понимания причин искривления воздушного потока у береговой линии. Такие знания позволяют гораздо лучше понять, когда и в какой степени это может произойти.

Нет надобности выдумывать примеры искривления ветра при пересечении линии берега. Один удивительный случай произошел в первую гонку 12-й национальной недели на кубок Бэртона в Фалмуте. На рис. 89 показаны часть Фалмутского залива, место старта и первый буй на дистанции. Мы обнаружили у берега четко выраженное встречное вихревое течение, что подтвердило полученную информацию о местных условиях. Кроме того, берег здесь довольно возвышенный, с высокими зданиями отелей, следовательно, маловероятно, чтобы отсюда дул сильный ветер. Мы стартовали правым галсом и следовали им, пока не оказались достаточно далеко от берега при хорошем свежем ветре, затем дважды повернули и снова направились к бую. Казалось бы, все делалось правильно, но на подходах к берегу ветер становился все круче — мы оказались в зоне искривления воздушного потока. На рис. 89 показан этот злосчастный изгиб.

Рис. 89. Стартовая линия и первый знак в первой гонке на кубок Бэртона в 1950 году

Мы (и вместе с нами две трети соревнующихся) получили все, что заслужили, хотя я тщательно прочитал и законспектировал сообщение, Уффа Фокса об указанных особенностях при розыгрыше кубка Принца Уэльского в Фалмутском заливе в 1938 году. Я думал, что более благоприятное течение и более сильный ветер принесут большие выгоды, но я ошибся, жестоко ошибся. Однако мы запомнили этот урок и не повторили свою ошибку, что позволило закончить Неделю вторыми.