Нагревание воздушных масс вблизи земной поверхности приводит в действие механизм конвекции.
Нагретый воздух начинает подниматься вверх. Напомним, что с учетом конвекции воздуха батареи отопления в комнате помещают вблизи пола, а форточку в верхней части окна. Холодный зимний воздух с улицы, проникая в комнату через форточку, опускается к полу, тогда как теплый воздух от нагретой батареи поднимается вверх, к потолку. В результате происходит перемешивание воздуха. Комнату обофевает воздух от батареи и освежает воздух из форточки.
Почему она происходит? Почему нагретый воздух поднимается («всплывает») над менее нагретым, а холодный воздух опускается, погружаясь под нагретый? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним закон Архимеда.
Итак, конвекция воздуха в атмосфере (равно как и конвекция воды в морях и океанах) есть не что иное, как проявление закона Архимеда.
Восходящие и нисходящие движения воздуха, связанные с конвекцией, — не единственный вид движения воздушных масс в атмосфере. Интенсивность конвективных воздушных потоков изменяется при переходе наблюдателя от одного участка земной поверхности к другому, если эти участки и прилегающий к ним воздух оказываются нагретыми в разной степени. Вследствие этого возникает перепад атмосферного давления в горизонтальной плоскости, что приводит к появлению ветра.
Главное в понятии ветра — это движение воздуха от места с более высоким давлением к месту с более низким давлением. В принципе эти два места не обязательно должны находиться вблизи поверхности Земли или на одной и той же высоте. Однако вблизи поверхности ветры обычно дуют в горизонтальном или близком к горизонтальному направлении. Некоторое отклонение от горизонтального направления может быть связано с рельефом местности.
Уместно заметить, что одна из важнейших характеристик ветра — его направление — указывается в предположении, что ветер дует в горизонтальном направлении.Например, говорят, что данный ветер юго-восточный. Это значит, что речь идет о горизонтальном воздушном потоке, движущемся с юго-востока.
Вторая важная характеристика ветра — скорость его движения относительно земной поверхности. Здесь необходимо сделать небольшую паузу и обратить внимание на то, что в метереологии атмосферный воздух рассматривают обычно так, как принято рассматривать газ или жидкость в гидродинамике (точнее сказать, в гидроаэромеханике), т. е. как сплошную среду. На первый взгляд представление газа в виде сплошной среды может показаться неправомерным. Понятно, что такой подход будет неправомерным в случае весьма сильного разрежения воздуха, например, в достаточно высоких слоях атмосферы, удаленных от земной поверхности на расстояние, превышающее несколько сотен километров. Следуя гидродинамическому подходу, будем пользоваться понятием частица воздуха, полагая, что каким бы малым не был объем этой частицы, внутри него будет находиться во всякий момент времени много молекул.
Учитывая малость частицы, будем рассматривать указанные физические величины как величины, локализованные в пространстве, т. е. относящиеся к той или иной точке пространства, заполненного воздушной средой.
Подчеркнем, что скорость v — это отнюдь не скорость той или иной молекулы, а скорость потока воздуха, в котором частицы воздуха (именно частицы воздуха, а не отдельные молекулы!) переносятся в некотором направлении. Можно сказать, что скорость v — это скорость частиц воздуха.
Если потока воздуха нет (частицы воздуха не перемещаются), то v = 0, хотя, конечно, сами молекулы и продолжают хаотически двигаться.
Обычно вместо понятия «скорость ветра» употребляют понятие «сила ветра».
Это понятие надо признать неудачным, поскольку оно относится к скорости частиц воздуха и не имеет никакого отношения к физической величине, называемой силой и измеряемой в ньютонах. Локальные физические характеристики атмосферного воздуха могут быть измерены с помощью соответствующих приборов, помещаемых в ту или иную точку пространства.
