Средний ветер показывает общее направление движения, но реальный поток непрерывно отклоняется от среднего. Вихри поднимают и опускают воздух, перемещают его поперёк основного потока и растягивают облако примеси. Поэтому одинаковая средняя скорость ветра не означает одинакового рассеивания: интенсивность и структура пульсаций могут различаться.[1]
Турбулентность возникает не только в сильный шторм. Она присутствует в нагреваемом приземном слое, в следах зданий и деревьев, у резких изменений скорости ветра. В верхней атмосфере турбулентные зоны могут существовать без видимых облаков. Авиационная «болтанка» — один из способов её ощутить, но экологический смысл гораздо шире.[2]
Откуда вихри получают энергию
Механическое образование связано со сдвигом скорости: соседние слои движутся неодинаково, а взаимодействие с поверхностью и препятствиями создаёт возмущения. Конвективное образование связано с плавучестью: нагретый у поверхности воздух поднимается, более холодный опускается. Реальный пограничный слой часто содержит оба механизма одновременно.
В устойчиво стратифицированном воздухе подъёму противодействует плавучесть, но достаточно сильный сдвиг может продолжать создавать турбулентность. Поэтому «устойчивый» не означает «полностью нетурбулентный». Напротив, в неустойчивом слое тепловые потоки поддерживают вертикальное движение. NWS рассматривает механическую, тепловую и сдвиговую турбулентность как различные условия возникновения опасных для полёта возмущений.[2]
Крупные движения передают энергию меньшим масштабам, а на малых масштабах вязкость рассеивает её в тепло. Состав и размеры вихрей зависят от высоты, рельефа и стратификации. Представление о единственном «вихре атмосферы» поэтому не описывает реальную картину: наблюдаемое перемешивание складывается из множества меняющихся движений.
Как турбулентность меняет перенос загрязнений
Средний поток перемещает облако, а турбулентные движения увеличивают его пространственный разброс. При этом масса примеси не исчезает: уменьшение концентрации вследствие разбавления следует отличать от химического разрушения или выпадения на поверхность. Это различие принципиально при обсуждении «самоочищения» воздуха.
Вблизи зданий вихри способны удерживать примесь в циркуляционной зоне или переносить факел вниз. Над прогретой открытой местностью конвекция распределяет вещество по большей высоте. Поэтому усиление турбулентности не обязано уменьшать концентрацию в каждом конкретном месте. Расчёт AERMOD использует характеристики вертикальных и поперечных пульсаций и отдельно рассматривает влияние застройки.[3]
Турбулентный поток оценивают по совместным колебаниям вертикальной скорости и переносимой величины. Например, связь восходящих движений с повышенным содержанием водяного пара характеризует перенос влаги вверх.