SMG-4500 Tuulivoima. Toisen luennon aihepiirit VOIMIEN YHTEISVAIKUTUKSISTA SYNTYVÄT TUULET

Samankaltaiset tiedostot
DEE Tuulivoiman perusteet

SMG-4500 Tuulivoima. Ensimmäisen luennon aihepiirit. Ilmavirtojen liikkeisiin vaikuttavat voimat TUULEN LUONNONTIETEELLISET PERUSTEET

SMG-4500 Tuulivoima. Ensimmäisen luennon aihepiirit. Ilmanpaine Ilmavirtojen liikkeisiin vaikuttavat voimat ILMANPAINE (1/2)

Sääilmiöt tapahtuvat ilmakehän alimmassa kerroksessa, troposfäärissä (0- noin 15 km).

DEE Tuulivoiman perusteet, 5 op

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit TUULEN TEHO

Purjelennon Teoriakurssi Sääoppi, osa 2 Veli-Matti Karppinen, VLK

Avainsanat: Korkeapaine, matalapaine, tuuli, tuulijärjestelmät, tuulen synty. Välineet: Videotykki, PowerPoint-esitys, karttamoniste, tehtävämoniste

Vertaileva lähestymistapa järven virtauskentän arvioinnissa

1. Lähes neutraali rajakerros. 2. Epästabiili rajakerros. 3. Stabiili rajakerros

Piirrä kirjaan vaikuttavat voimat oikeissa suhteissa toisiinsa nähden. Kaikki kappaleet ovat paikallaan

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

Luvun 12 laskuesimerkit

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla

Länsiharjun koulu 4a

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Suomen Navigaatioliitto Finlands Navigationsförbund Rannikkomerenkulkuopin tutkinnon ratkaisut

1. Lähes neutraali rajakerros. 2. Epästabiili rajakerros. 3. Stabiili rajakerros

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

6 Sääoppi. 6.A Ilmakehä 6.A.1 ILMAKEHÄ 6.A.2 ILMAKEHÄN KEMIALLI- NEN KOOSTUMUS. Kuva 3-61

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Luvun 5 laskuesimerkit

Termiikin ennustaminen radioluotauksista. Heikki Pohjola ja Kristian Roine

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit ILMAVIRTAUKSEN ENERGIA JA TEHO. Ilmavirtauksen energia on ilmamolekyylien liike-energiaa.

Järvenpään Perhelän korttelin kutsukilpailu ehdotusten vertailu

SMG 4500 Tuulivoima. Luentotiivistelmät

Ilmakehän rakenne. Auringon vaikutus Lämpötilat Nosteen synty Sääkartat Vaaranpaikat

Mikä määrää maapallon sääilmiöt ja ilmaston?

Susanna Viljanen

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Chapter 1. Preliminary concepts

Suomen Navigaatioliitto Finlands Navigationsförbund Rannikkomerenkulkuopin tutkinnon ratkaisut. Rannikkomerenkulkuoppi

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

6 PISTETULON JA RISTITULON SOVELLUKSIA. 6.1 Pyörivistä kappaleista. Vaasan yliopiston julkaisuja Voiman momentti akselin suhteen avaruudessa

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Liike pyörivällä maapallolla

HARJOITUS 4 1. (E 5.29):

a) Kuinka pitkän matkan punnus putoaa, ennen kuin sen liikkeen suunta kääntyy ylöspäin?

Luvun 5 laskuesimerkit

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai :00-12:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Säätilanteiden vaihtelut muodostavat suurimmat potentiaaliset riskit lentäjille. Kelvotonta säätä on aina pidettävä lentämisen esteenä.

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.

Vektorilla on suunta ja suuruus. Suunta kertoo minne päin ja suuruus kuinka paljon. Se on siinä.

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

PELASTUSKOIRA - ilmavirtausten perusteet


KALLE SUONIEMI PIENTUULIVOIMAN SUUNNITTELU JA TUOTANNON ENNUSTUS KULUTTAJAN NÄKÖKULMASTA Diplomityö

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai klo 12:00-16:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

PÄIVÄNVALO. Lue alla oleva teksti ja vastaa sen jäljessä tuleviin kysymyksiin.

Suomen Navigaatioliitto Finlands Navigationsförbund Rannikkomerenkulkuopin tutkinnon ratkaisut

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

FYSIIKKA. Mekaniikan perusteita pintakäsittelijöille. Copyright Isto Jokinen; Käyttöoikeus opetuksessa tekijän luvalla. - Laskutehtävien ratkaiseminen

7.4 Alustan lämpötilaerot

15. Rajakerros ja virtaus kappaleiden ympäri. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Meteorologian ja sääilmiöiden perusteet Yliopistonlehtori Marja Bister

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

Luento 5: Käyräviivainen liike

Lämpöopin pääsäännöt. 0. pääsääntö. I pääsääntö. II pääsääntö

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Roottorin toimintaperiaate TUULIVOIMALAN RAKENNE

Suomen Navigaatioliitto Finlands Navigationsförbund Rannikkomerenkulkuopin tutkinnon ratkaisut

SMG-4500 Tuulivoima. Kuudennen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (1/2)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Jännite, virran voimakkuus ja teho

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

TEHTÄVIEN RATKAISUT. b) 105-kiloisella puolustajalla on yhtä suuri liikemäärä, jos nopeus on kgm 712 p m 105 kg

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

Kasvin soluhengityksessä vapautuu vesihöyryä. Vettä suodattuu maakerrosten läpi pohjavedeksi. Siirry asemalle: Ilmakehä

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Kpl 2: Vuorovaikutus ja voima

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

W el = W = 1 2 kx2 1

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

Nyt kerrataan! Lukion FYS5-kurssi

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

Jupiter-järjestelmä ja Galileo-luotain II

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

Uutta tutkimustietoa ilmastonmuutoksen vaikutuksesta Suomen myrskytuuliin ja -tuhoihin

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

NEWTONIN LAIT MEKANIIKAN I PERUSLAKI MEKANIIKAN II PERUSLAKI MEKANIIKAN III PERUSLAKI

Luku 3. Ilmakehä suojaa ja suodattaa. Manner 2

KJR-C1001: Statiikka L5 Luento : Palkin normaali- ja leikkausvoima sekä taivutusmomentti

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

766323A-02 Mekaniikan kertausharjoitukset, kl 2012

on hidastuvaa. Hidastuvuus eli negatiivinen kiihtyvyys saadaan laskevan suoran kulmakertoimesta, joka on siis

Mitä ilmastolle on tapahtumassa Suomessa ja globaalisti

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

Ilmastonmuutokset skenaariot

VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN. Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet (mat/fys/kem suunt.), luento 1 Kari Sormunen

Transkriptio:

SMG-4500 Tuulivoima Toisen luennon aihepiirit Tuuli luonnonilmiönä: Ilmavirtoihin vaikuttavien voimien yhteisvaikutuksista syntyvät tuulet Globaalit ilmavirtaukset 1 VOIMIEN YHTEISVAIKUTUKSISTA SYNTYVÄT TUULET Ensimmäisellä luennolla ilmavirtauksiin vaikuttavia voimia käsiteltiin yksitellen. Todellisuudessa ilmavirtauksen nopeus, eli vauhti ja suunta, määräytyy voimien yhteisvaikutuksesta. Voimien yhteisvaikutusten seurauksena voidaan luokitella neljä erityyppistä ilmavirtausta: Hydrostaattinen tasapaino, Geostrofinen tuuli, Gradienttituuli, Tuuli rajakerroksessa. 2 1

HYDROSTAATTINEN TASAPAINO Pystysuuntainen painegradientti on ilmakehän pysyvä ominaisuus. Ilmanpaine on suurimmillaan maan pinnalla ja pienenee ylöspäin mentäessä. Tämä painegradientti kohdistaa ilmamassaan voiman, jonka suunta on maan pinnasta ylöspäin. Gravitaatio kohdistaa ilmamassaan voiman, jonka suunta on kohti maan pintaa. Hydrostaattisessa tasapainotilassa pystysuuntainen painegradienttivoima ja gravitaatiovoima ovat itseisarvoiltaan yhtäsuuret. 3 GEOSTROFINEN TUULI Kun painegradienttivoima saa ilmamassan kiihtyvään liikkeeseen, ilma virtaa aluksi isobaareja vastaan kohtisuorasti korkeapaineesta matalapaineeseen. Ilmavirtauksen kiihtyessä Coriolis-voima alkaa kääntää virtauksen suuntaa. Geostrofinen tuuli on vaakasuuntainen ilmavirtaus, jossa painegradientti- ja coriolis-voima ovat tasapainossa siten, että ilma virtaa isobaareja pitkin. Jotta tuuleen vaikuttavat vain nämä kaksi voimaa, hydrostaattisen tasapainon on oltava voimassa, isobaarien on oltava suoria, eikä kitka saa vaikuttaa. Geosrofinen tuuli voi käytännössä toteutua vain rajakerroksen yläpuolella. 4 2

GRADIENTTITUULI Gradienttituuli muistuttaa monessa mielessä geostrofista tuulta: Vaakasuuntainen ilmavirtaus isobaareja pitkin rajakerroksen yläpuolella. Ero on isobaarien muodossa: Geostrofinen tuuli on painegradientti- ja Coriolis-voiman välinen tasapainotila. Tällöin ilma virtaa suoraa isobaaria pitkin. Kun F pg ja F c eivät ole tasapainossa, virtaus kaareutuu. Tällöin myös keskihakuvoima poikkeaa nollasta, ja ilmavirtausta kutsutaan gradienttituuleksi. Gradienttituulet kiertävät tyypillisesti korkea- ja matalapaineen keskuksia. 5 PINTATUULI (1/2) Geostrofinen tuuli ja gradienttituuli ovat kitkattomia, sillä ne virtaavat rajakerroksen yläpuolella. Geostrofinen tuuli ja gradienttituuli virtaavat aina isobaareja pitkin. Pintatuuli on ilman liikettä rajakerroksessa. Rajakerroksen ilmavirtojen tarkastelussa on otettava kitkan vaikutus huomioon. Kitkavoiman suunta on aina tuulen suunnalle vastakkainen. Kitka siis hidastaa tuulen vauhtia. Koska coriolis-voima pienenee ilmavirtauksen hidastuessa, kitka kääntää virtausta painegradienttivoiman suuntaan. Kitkan vaikutus pienenee maan pinnalta ylöspäin mentäessä, ja rajakerroksen yläreunalla ilma virtaa isobaareja pitkin. 6 3

PINTATUULI (2/2) Yleisesti on tiedossa, että vaakasuuntainen tuuli voimistuu maan pinnalta ylöspäin mentäessä. Kyse on osittain siitä, että kitkan vaikutus on sitä pienempi, mitä kauempana maan pinnasta ollaan. Kitkan seurauksena korkea- ja matalapaineen keskusta kiertävät ilmavirrat näyttävät rajakerroksessa oheisen kuvan mukaisilta. 7 TERMINEN TUULI Vaakasuuntaisen tuulen vauhti kasvaa ylöspäin mentäessä myös rajakerroksen yläpuolella, jolloin kitka ei enää vaikuta. Mitä kylmempää ilma on, sitä suurempi on ilman tiheys. Mitä tiheämpää ilma on, sitä enemmän korkeuden kasvu pienentää ilmanpainetta. Vaikka maan pinnalla lämpimän ja kylmän ilman välillä ei olisi vaakasuoraa painegradienttia, maan pinnasta etäännyttäessä vaakasuora painegradientti kasvaa kylmän ja lämpimän ilman välillä. Koska painegradientti johtuu lämpötilaerojen aiheuttamista tiheyseroista, syntyvää vaakasuoraa virtausta kutsutaan termiseksi tuuleksi. Terminen tuuli kytketään yleensä osaksi geostrofista tuulta tai gradienttituulta. Pintatuulen yhteydessä termisestä tuulesta ei yleensä puhuta, vaikka ilmiö on toki olemassa myös rajakerroksessa. 8 4

YHTEENVETO ILMAVIRTAUSTEN TYYPEISTÄ JA VAIKUTTAVISTA VOIMISTA 9 GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (1/5) Selvitetään seuraavassa tyypillisiä ilmavirtauksia maapallon mittakaavassa. Lähdetään liikkeelle mahdollisimman yksinkertaisesta maapallon mallista, joka on pinnaltaan tasainen kappale eikä pyöri akselinsa ympäri. Aurinko lämmittää voimakkaimmin päiväntasaajan alueita ja heikoimmin napoja. Täten ilman lämpötila on suurimmillaan ja tiheys pienimmillään päiväntasaajalla, ja vastaavasti ilman lämpötila on pienimmillään ja tiheys suurimmillaan navoilla. Päiväntasaajalle syntyy matalapaine ja navoille korkeapaine. Napojen ja päiväntasaajan välinen vaakasuora painegradientti pysyy yllä niin kauan, kuin lämpötilaerot säilyvät, sillä rajakerroksen yläpuolella ilma palaa takaisin navoille. 10 5

GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (2/5) Muutetaan seuraavaksi maapallon mallia pykälän verran realistisempaan suuntaan siten, että sallitaan maapallon pyöriminen akselinsa ympäri. Maapallo pyörimissuunta on kohti itää. Coriolis-ilmiö alkaa vaikuttaa: ilmavirtaukset kääntyvät pohjoisella pallonpuoliskolla kulkusuunnassaan oikealle ja eteläisellä pallonpuoliskolla kulkusuunnassaan vasemmalle. Yksinkertaistetun maapallon mallin rajakerrokseen syntyy pyörimissuunnalle vastakkaiset virtaukset. Tilanne, jossa rajakerroksen ilmavirtaukset poikkeuksetta jarruttaisivat maapallon pyörimisliikettä, ei kuitenkaan ole käytännössä mahdollinen. Siksi mallia on edelleen muokattava realistisempaan suuntaan. 11 GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (3/5) Käytännössä globaalit ilmavirtaukset jakaantuvat kolmelle vyölle kummallakin pallonpuoliskolla. Vöiden virtausten pääsuunnat ovat pohjoisella pallonpuoliskolla koillisesta ja lounaasta, ja eteläisellä pallonpuoliskolla kaakosta ja luoteesta. Tällöin osa rajakerroksen virtauksista on maapallon pyörimisliikkeen suuntaisia ja osa tälle suunnalle vastakkaisia. Päiväntasaajalle ja 60 o :n leveyspiireille syntyy matalapaineen vyöhykkeet. Vastaavasti navoille ja 30 o :n leveyspiireille syntyy korkeapaineen vyöhykkeet. 12 6

GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (4/5) Kun yksinkertaistettuun malliin lisätään mantereet ja meret, maan pinnan lämpötilajakauma muuttuu merkittävästi, mikä muuttaa myös ilmavirtauksia. Maapallon osittain pysyvät painealueet perustuvat kuitenkin yksinkertaistetun mallin matala- ja korkeapainevöihin. Osittainen pysyvyys tarkoittaa sitä, että painealueet vaihtelevat vuodenajan mukaan mutta toistuvat vuodesta toiseen. 13 GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (5/5) Edellä esitellyn mallin avulla voidaan esittää periaatekuva maapallolla vallitsevista ilmavirtauksista. Oleellista on kuitenkin huomata, että paikalliset olosuhteet saattavat hetkellisesti poiketa voimakkaasti kuvan esittämästä keskimääräisestä tilanteesta. 14 7