Footonite neeldumine ja emissioon. Footonite neeldumine. Muud footonite ja aine interaktsiooni protsessid

Kogu oma mõttekäigu ajal rääkisime protsessist, mis sarnaneb a-osakeste hajutamisega. Kuid see on valikuline; võiks rääkida ka osakeste tekkest, näiteks valguse emissioonist. Valguse kiirgamisel "tekib" footon. Sel juhul ei ole see joonisel fig. 2,4 sissetulevad liinid; võite lihtsalt oletada, et see on olemas n aatomid a, b, c,. ... ... , kiirgavad valgust (joon. 2.5).

joonisel fig. 2.5. n footoni tootmine lähedastes olekutes.

See tähendab, et meie tulemuse saab sõnastada järgmiselt: tõenäosus, et aatom kiirgab mingis lõppseisundis footoni, suureneb (n + 1) korda, kui selles olekus on juba n footonit.

Paljud inimesed eelistavad seda tulemust erinevalt väljendada; nad ütlevad seda amplituud footoni emissioon suureneb Ö ( P+1) korda, kui see on juba saadaval n footonid. Muidugi on see lihtsalt veel üks viis sama asja öelda, kui ainult meeles pidada, et tõenäosuse saamiseks tuleb see amplituud lihtsalt ruudus teha.

Kvantmehaanikas on üldiselt tõsi, et mis tahes muust olekust j oleku c saamise amplituud on komplekskonjugeeritud j saamise amplituudiga c-st

Vaatame seda veidi hiljem, kuid praegu oletame, et see on tegelikult nii. Seda saab seejärel kasutada selleks, et mõista, kuidas footonid antud olekust hajuvad või neelduvad. Teame, et näiteks footoni amplituud mõnele olekule lisab mulle, milles juba on n footonid on võrdne

kus a=<ma | a> on amplituud, kui teisi footoneid pole. Kui kasutada valemit (2.24), siis on pöördsiirde amplituud alates (n + 1) footonid to n footonid - võrdne

Kuid tavaliselt räägitakse teisiti; inimestele ei meeldi siit lahkumisest mõelda (n+1) kuni n, nad eelistavad alati lähtuda sellest, mis oli saadaval n footonid. Seetõttu ütlevad nad, et footoni neeldumise amplituud, kui see on olemas n teised, teisisõnu üleminek alates n To (n- 1) on võrdne

= Öna *. (2,27)

See on muidugi sama valem (2.26). Siis aga tekib uus mure – pidage meeles, kui kirjutatakse Ö n ja millal Ö ( n+1). Seda võib meeles pidada nii: tegur on alati võrdne suurima saadaolevate footonite arvu ruutjuurega, vahet pole – enne või pärast reaktsiooni. Võrrandid (2.25) ja (2.26) näitavad, et seadus on tegelikult sümmeetriline; see näeb asümmeetriline välja ainult siis, kui see on kirjutatud kujul (2.27).

Nendest uutest reeglitest tulenevad paljud füüsilised tagajärjed; me tahame anda ühe neist valguse kiirgamise kohta. Kujutage ette juhtumit, kus footonid on kastis – võite ette kujutada, et kastil on peegelseinad. Olgu see kast samas olekus (sama sageduse, polarisatsiooni ja suunaga). n footonid, et neid ei saaks üksteisest eristada ja olgu kastis aatom, mis suudab kiirata teist samas olekus footoni. Siis on tõenäosus, et see kiirgab footoni

(n + 1) | a| 2 , (2.28)

ja tõenäosus, et see neelab footoni on

n|a| 2 , (2.29)

kus | a| 2 on tõenäosus, et see kiirgaks footoni, kui neid poleks n footonid. Nendest reeglitest veidi teistmoodi rääkisime juba Ch. 42 (4. väljaanne). Avaldis (2.29) väidab, et tõenäosus, et aatom alla neelama footon ja läheb üle kõrgema energiaga olekusse, mis on võrdeline seda valgustava valguse intensiivsusega. Kuid nagu Einstein esmalt märkis, kiirus, millega aatom siirdub madalam energia olek, koosneb kahest osast. On võimalus | ja | 2, et ta teeb spontaanse ülemineku ja on võimalik sundüleminek n |a | 2 , võrdeline valguse intensiivsusega, st saadaolevate footonite arvuga. Lisaks, nagu märkis Einstein, on neeldumise ja stimuleeritud emissiooni koefitsiendid üksteisega võrdsed ja on seotud spontaanse emissiooni tõenäosusega. Siit saime teada, et kui valguse intensiivsust mõõdetakse saadaolevate footonite arvuga (selle asemel, et kasutada energiat ruumalaühiku või sekundi kohta), siis on neeldumiskoefitsiendid, sundkiirgus ja spontaanne emissioon kõik üksteisega võrdsed. See on koefitsientide vahelise seose tähendus A ja V, tuletatud Einsteini poolt [vt. ptk. 42 (4. väljaanne), seos (42.18)].

Feynmani diagramm footon-footoni hajumise jaoks. Footonid ise ei saa üksteisega suhelda, kuna need on neutraalsed osakesed. Seetõttu muutub üks footonitest osakeste-antiosakeste paariks, millega teine ​​footon interakteerub.

ATLASe koostöö füüsikud registreerisid esimestena valguskvantide, footonite hajumise efekti footonite poolt. See efekt on üks vanimaid kvantelektrodünaamika ennustusi, seda kirjeldati teoreetiliselt rohkem kui 70 aastat tagasi, kuid pole veel eksperimentaalselt avastatud. Huvitaval kombel rikub see klassikalisi Maxwelli võrrandeid, olles puhtalt kvantnähtus. Uuring avaldati sel nädalal ajakirjas Looduse füüsika, artikli eeltrükk ilmus aga juba 2017. aasta veebruaris. Tema üksikasju teatas portaal "Elements.ru"

Klassikalise Maxwelli elektrodünaamika üks peamisi omadusi on elektromagnetväljade superpositsiooni põhimõte vaakumis. See võimaldab teil erinevatelt tasudelt välju otse lisada. Kuna footonid on välja ergastajad, ei saa nad klassikalise elektrodünaamika raames üksteisega suhelda. Selle asemel peavad nad üksteisest vabalt läbi minema.

ATLAS detektori magnetid

Kvantelektrodünaamika laiendab klassikalise teooria mõju laetud osakeste liikumisele valguslähedase kiirusega, lisaks võtab arvesse väljade energia kvantiseerimist. Tänu sellele on kvantelektrodünaamikas võimalik seletada ebatavalisi nähtusi, mis on seotud suure energiaga protsessidega – näiteks elektronide ja positronite paaride teke vaakumist kõrge intensiivsusega väljades.

Kvantelektrodünaamikas võivad kaks footonit üksteisega kokku põrgata ja hajuda. Kuid see protsess ei käi otse – valguskvandid on laenguta ja ei saa üksteisega suhelda. Selle asemel tekib ühest footonist virtuaalne osake-antiosake (elektron-positron) paar, millega teine ​​footon interakteerub. Selline protsess on nähtava valguse kvantide puhul väga ebatõenäoline. Seda saab hinnata selle põhjal, et Maani jõuab 10 miljardi valgusaasta kaugusel asuvate kvasarite valgus. Kuid footoni energia suurenemisega suureneb virtuaalsete elektronide loomise protsessi tõenäosus.

Seni pole isegi kõige võimsamate laserite intensiivsus ja energia olnud piisavad, et footonite hajumist vahetult näha. Teadlased on aga juba leidnud viisi, kuidas seda protsessi kaudselt näha, näiteks ühe footoni lagunemisel aatomi raske tuuma lähedal madalama energiaga kvantide paariks.

Otseselt oli võimalik näha footoni hajumist footoni poolt ainult suurel hadronite põrkeseadmel. Protsess muutus katsetes eristatavaks pärast osakeste energia suurendamist kiirendis 2015. aastal – Run 2 käivitamisega. ATLAS-i koostöö füüsikud uurisid raskete plii tuumade "ultraperifeersete" kokkupõrgete protsesse, mida põrker kiirendas 5 teraelektronvolti energiani. tuuma nukleoni kohta. Sellistes kokkupõrgetes tuumad ise otseselt üksteisega kokku ei põrka. Selle asemel toimub nende elektromagnetväljade interaktsioon, mille käigus tekivad tohutu energiaga footonid (selle põhjuseks on tuumade kiiruse lähedus valguse kiirusele).

Footoni-fotoni hajumise sündmus (kollased kiired)

Ultraperifeersed kokkupõrked on väga puhtad. Neis ilmneb eduka hajumise korral vaid erinevatesse suundadesse suunatud põikmomentidega footonipaar. Seevastu tavalised tuumade kokkupõrked moodustavad tuhandeid uusi osakeste fragmente. ATLASe poolt 2015. aastal plii tuumade kokkupõrgete statistika põhjal kogutud nelja miljardi sündmuse hulgast õnnestus teadlastel välja valida 13, mis vastavad hajumisele. See on umbes 4,5 korda suurem taustsignaalist, mida füüsikud eeldasid näha.

Hajumisprotsessi skeem põrkeris. Kaks tuuma lendavad lähedale – nende elektromagnetväljad interakteeruvad

ATLASe koostöö

Koostöö jätkab protsessi uurimist 2018. aasta lõpus, kui põrkajal toimub taas raskete tuumade kokkupõrgete seanss. Huvitav on see, et just ATLAS-detektor osutus sobivaks haruldaste footoni-footoni hajumise sündmuste otsimiseks, kuigi teine ​​katse ALICE oli spetsiaalselt loodud raskete tuumade kokkupõrgete analüüsimiseks.

Nüüd Large Hadron Collider, prootoni-prootoni kokkupõrgete statistika kogum. Hiljuti rääkisid teadlased esimese topelt võluva barüoni avastamisest kiirendi juures ja kevadel ATLAS-i koostööst saadud füüsikast, et kahe nõrga interaktsioonibosoni tekke ebatavalisest ülemäärasest sündmustest kõrge energiaga piirkonnas (umbes kolm teraelektronvoldid). See võib viidata uuele üliraskele osakesele, kuid signaali statistiline olulisus ei ületa veel kolme sigmat.

Vladimir Korolev

Seni on neutriino olnud footoniga väga sarnane. Nagu footon, pole ka neutriino laetud, sellel puudub mass ja ta liigub alati valguse kiirusel. Mõlemal osakesel on spin. Footoni spinn on +1 või -1, neutriino spinn aga +1/2 või -1/2 (erinevus pole kuigi oluline). Sellegipoolest on nende vahel huvitav ja isegi üllatav erinevus, mida aitab mõista järgmine arutluskäik.

Jälgime kahte ajas vastupidist sündmust. Laske palli hoidjal visata see näiteks lõunasse. Kui pall läheneb inimesele, liikudes vastassuunas, tõstab inimene käe ja püüab selle kinni. Esimesel juhul oli sündmuste jada järgmine: 1) inimene hoiab palli käes, 2) inimene viskab palli, 3) pall lendab lõunasse. Ajas tagurpidi liikumisel oli erinev sündmuste jada: 1) pall lendab põhja poole, 2) inimene püüab palli kinni, 3) inimene hoiab palli. See kõik sarnaneb väga filmiga, mida keritakse esmalt ühes suunas ja siis vastupidises suunas.

Proovime seda printsiipi üle kanda subatomaalsesse maailma Kui aatomis olev elektron läheb ergastatud olekust vähem ergastatud olekusse, siis kiirgab ta nähtava valguse footoni, mille lainepikkus sõltub kahe ergastatud oleku energia erinevusest aatomist. Sama aatom võib absorbeerida või "kinni püüda" täpselt sama lainepikkusega footoni ja elektron liigub vähem ergastatud olekust rohkem ergastatud olekusse. Iga aatomitüüp kiirgab teatud lainepikkusega footoneid (olenevalt tema ergastatud olekute energia suurusest) ja neelab sobivatel tingimustel täpselt sama lainepikkusega footoneid.

Kuid vahe otsese sündmuse ja ajaliselt ümberpööratud sündmuse vahel ei ole ainult suuna ja järjestuse muutus. Palli püüdmine on raskem kui viskamine. Palli visates paned liikuma seisva objekti ja kõik sõltub ainult sinust endast. Kui aega leiad, saad mugavamalt palli võtta, ettevaatlikult sihtida jne. Palli püüdes pead tegelema liikuva objektiga ja ei jää aega haigutamiseks. Kui pall jõuab lähedale, tuleb see kiiresti haarata, sest pall jääb sekundi murdosa käeulatusse. Selle sekundi murdosa jooksul peaks sul olema aega sirutada käsi täpselt palli liikumise suunas ja see peatada. Kui jätate vahele, läheb pall mööda.

Sama juhtub ka footoneid kiirgava aatomiga. Selline aatom kiirgab footoni ajaga, mis on keskmiselt umbes 10–8 sekundit. Järelikult kontrollib aatom nii-öelda ise oma aega ja kiirgab footoni siis, kui see talle sobib.

Sama footoni neelamiseks vajab aatom 10 -8 sekundit, mis on sündmuste pöörduvuse loomulik tagajärg. Kuid aatom ei saa footonit absorbeerida ilma märkimisväärse vaevata. Footon liigub valguse kiirusega ega püsi aatomi läheduses kogu 10-8 sek ajavahemiku jooksul. Sellise aja jooksul lendab valguse footon keskmiselt 300 cm.Mõned footonid suudavad läbida pikema vahemaa, teised aga vähem. On arusaadav, miks aatomitel on tavaliselt väga raske footoneid püüda: aatomi suurus on ju sellest vahemaast palju väiksem! (Samuti on korvpalluritel raske liiga kiiresti lendavaid palle kinni püüda.) Kuid juhuslikult võib aatom footoni kinni püüda ja neelata.

Kõik eelnev eeldab, et footonil ei ole oma suurust; kuigi tegelikult on selle mõõtmed üsna suured. Nähtava valguse tüüpilise footoni lainepikkus on umbes 1 / 20 000 cm. Selle pikkusega mahub ritta umbes tuhat aatomit. Nähtava valguse footonit võib pidada sfääriks, mille läbimõõt on tuhat korda suurem kui aatomi läbimõõt ja mille ruumala on 1 000 000 000 korda suurem kui aatomi ruumala. Igal ajahetkel puutub valguse footon kokku umbes miljardi aatomiga, millest ühel õnnestub see kinni püüda ja neelata.

Järelikult on sügavus, milleni footon enne neeldumist ainesse tungib, mitte 300 cm, vaid miljard korda väiksem, see tähendab 3 · 10–7 cm.

Sellisel kaugusel ei mahu järjest enam kui 10–15 aatomit. See tähendab, et valguse footon tungib enne neeldumishetke ainesse mitte sügavamale kui 10–15 aatomikihti. 10-15 aatomi paksus on tavalisel skaalal tühiasi, nii et enamik tahkeid aineid, isegi õhukeste kilede kujul, on valgusele läbipaistmatud (kuigi kuldfooliumi saab teha nii õhukeseks, et see muutub läbipaistvaks).

Mida lühem on valguse lainepikkus, seda väiksem on footon, seda vähemate aatomitega see igal ajahetkel kokku puutub ja seega seda kauem läbib see ainet enne neeldumist. Just sel põhjusel tungib ultraviolettvalgus inimese nahka sügavamale kui nähtav valgus; Röntgenikiirgus läbib vabalt keha pehmeid kudesid ja seda peatab ainult luude tihedam aine; a?-kiired tungivad läbi tiheda aine mitme sentimeetri ulatuses. (Loomulikult läbib nähtav valgus sellistes ainetes nagu klaas või kvarts, enamikust vedelikest rääkimata, märkimisväärse vahemaa, kuid see on eraldi käsitlemise teema).

Footonite neeldumine

Seni on neutriino olnud footoniga väga sarnane. Nagu footon, pole ka neutriino laetud, sellel puudub mass ja ta liigub alati valguse kiirusel. Mõlemal osakesel on spin. Footoni spinn on +1 või -1, neutriino spinn aga +1/2 või -1/2 (erinevus pole kuigi oluline). Sellegipoolest on nende vahel huvitav ja isegi üllatav erinevus, mida aitab mõista järgmine arutluskäik.

Jälgime kahte ajas vastupidist sündmust. Laske palli hoidjal visata see näiteks lõunasse. Kui pall läheneb inimesele, liikudes vastassuunas, tõstab inimene käe ja püüab selle kinni. Esimesel juhul oli sündmuste jada järgmine: 1) inimene hoiab palli käes, 2) inimene viskab palli, 3) pall lendab lõunasse. Ajas tagurpidi liikumisel oli erinev sündmuste jada: 1) pall lendab põhja poole, 2) inimene püüab palli kinni, 3) inimene hoiab palli. See kõik sarnaneb väga filmiga, mida keritakse esmalt ühes suunas ja siis vastupidises suunas.

Proovime seda printsiipi üle kanda subatomaalsesse maailma Kui aatomis olev elektron läheb ergastatud olekust vähem ergastatud olekusse, siis kiirgab ta nähtava valguse footoni, mille lainepikkus sõltub kahe ergastatud oleku energia erinevusest aatomist. Sama aatom võib absorbeerida või "kinni püüda" täpselt sama lainepikkusega footoni ja elektron liigub vähem ergastatud olekust rohkem ergastatud olekusse. Iga aatomitüüp kiirgab teatud lainepikkusega footoneid (olenevalt tema ergastatud olekute energia suurusest) ja neelab sobivatel tingimustel täpselt sama lainepikkusega footoneid.

Kuid vahe otsese sündmuse ja ajaliselt ümberpööratud sündmuse vahel ei ole ainult suuna ja järjestuse muutus. Palli püüdmine on raskem kui viskamine. Palli visates paned liikuma seisva objekti ja kõik sõltub ainult sinust endast. Kui aega leiad, saad mugavamalt palli võtta, ettevaatlikult sihtida jne. Palli püüdes pead tegelema liikuva objektiga ja ei jää aega haigutamiseks. Kui pall jõuab lähedale, tuleb see kiiresti haarata, sest pall jääb sekundi murdosa käeulatusse. Selle sekundi murdosa jooksul peaks sul olema aega sirutada käsi täpselt palli liikumise suunas ja see peatada. Kui jätate vahele, läheb pall mööda.

Sama juhtub ka footoneid kiirgava aatomiga. Selline aatom kiirgab footoni ajaga, mis on keskmiselt umbes 10–8 sek. Järelikult kontrollib aatom nii-öelda ise oma aega ja kiirgab footoni siis, kui see talle sobib.

Sama footoni neelamiseks vajab aatom 10 -8 sek, mis on sündmuste pöörduvuse loomulik tagajärg. Kuid aatom ei suuda footonit ilma märkimisväärse vaevata absorbeerida. Footon liigub valguse kiirusel ega püsi aatomi läheduses kogu ajavahemiku 10 -8 jooksul sek. Sellise aja jooksul lendab valguse footon keskmiselt 300 võrra cm. Mõned footonid võivad läbida pikema vahemaa, teised aga vähem. On arusaadav, miks aatomitel on tavaliselt väga raske footoneid püüda: aatomi suurus on ju sellest vahemaast palju väiksem! (Samuti on korvpalluritel raske liiga kiiresti lendavaid palle kinni püüda.) Kuid juhuslikult võib aatom footoni kinni püüda ja neelata.

Kõik eelnev eeldab, et footonil ei ole oma suurust; kuigi tegelikult on selle mõõtmed üsna suured. Tüüpilise nähtava valguse footoni lainepikkus on umbes 1/20 000 cm. Selle pikkusega mahub ritta umbes tuhat aatomit. Nähtava valguse footonit võib pidada sfääriks, mille läbimõõt on tuhat korda suurem kui aatomi läbimõõt ja mille ruumala on 1 000 000 000 korda suurem kui aatomi ruumala. Igal ajahetkel puutub valguse footon kokku umbes miljardi aatomiga, millest ühel õnnestub see kinni püüda ja neelata.

Järelikult ei ole footoni sügavus enne neeldumist ainesse 300 cm, ja miljard korda vähem, see tähendab 3 · 10 -7 cm.

Sellisel kaugusel ei mahu järjest enam kui 10–15 aatomit. See tähendab, et valguse footon tungib enne neeldumishetke ainesse mitte sügavamale kui 10–15 aatomikihti. 10-15 aatomi paksus on tavalisel skaalal tühiasi, nii et enamik tahkeid aineid, isegi õhukeste kilede kujul, on valgusele läbipaistmatud (kuigi kuldfooliumi saab teha nii õhukeseks, et see muutub läbipaistvaks).

Mida lühem on valguse lainepikkus, seda väiksem on footon, seda vähemate aatomitega see igal ajahetkel kokku puutub ja seega seda kauem läbib see ainet enne neeldumist. Just sel põhjusel tungib ultraviolettvalgus inimese nahka sügavamale kui nähtav valgus; Röntgenikiirgus läbib vabalt keha pehmeid kudesid ja seda peatab ainult luude tihedam aine; a?-kiired tungivad läbi tiheda aine mitme sentimeetri ulatuses. (Loomulikult läbib nähtav valgus sellistes ainetes nagu klaas või kvarts, enamikust vedelikest rääkimata, märkimisväärse vahemaa, kuid see on eraldi käsitlemise teema).

Peamine protsess, mis viib elektromagnetilise kiirguse neeldumiseni pooljuhtides, on elektron-augu paaride teke. Energiatega footonite neelamisel on võimalikud elektronide otsesed üleminekud läbi keelatud tsooni (siin h Plancki konstant, 6,63 * 10 -34 J * s; ν on kiirgussagedus; E g ribalaius; päikesepatareide pooljuhtmaterjalid on Eg = 1 eV ). h * ν> E g (7.1.)

Päikesekiirgust iseloomustab suur footonivoo tihedus (1 kW / m2 / [(2eV) * (1,6 * 10 -19 J * eV -1)] ≈ 3 * 10 21 footoni / m2 * s). Kandjate tekitamine footonite poolt, kui pooljuht on Päikese poolt valgustatud, lisandub alati esinevale soojusgeneratsioonile. Pimedas toimub ainult soojuse teke. Pn-siirde, mis neelab footoneid, on pidev vooluallikas. Fotovoolu määrab p - n ülemineku lähedal neeldunud footonite arv. Ränist päikesepatarei minimaalne suurus = 0,4 mm. Fotogalvaanilisi elemente saab kasutada elektrienergia tootmiseks. Maksimaalne energia saavutatakse, kui pinget U ja voolu I hoitakse nii, et nende korrutis langeb kokku maksimaalse võimsuse joonega (joonis 7.1.) Kui kiirgustihedus ja koormustakistus muutuvad.

Riis. 7.1. Volt on tüüpilise 33 räni päikesepatarei voolutugevus. Näha on, et toote U * I maksimumile vastav tüüpilise võimsuse joon (katkendjoon) ühtib hästi akude laadimiseks vajalike pingevahemikega ka ilma koormuse juhtimist kasutamata.

Päikesepatarei on paralleelselt ühendatud moodulite kombinatsioon. Iga moodul on järjestikku ühendatud elemendid. Päikesepatarei koguefektiivsus on 10%.

Päikesepatareide variatsioone ja tööstuslikke disainilahendusi ning nende valmistamise meetodeid on palju. Tüüpiline päikese monokristalliline ränielement on näidatud joonisel fig. 7.2.

Riis. 7.2. DPB - täiendav potentsiaalbarjäär; 1- eelmise elemendi esipinnast; 2 - peegeldusvastane kate; 3 - näo kontakt; 4 - järgmise elemendi tagumise kontakti külge; 5 - metallkontakt tagant.

Tehnilised põhinõuded

1. Lähteaine peab olema keemiliselt väga puhas ja stabiilsete omadustega.

2. Fotogalvaanilisi elemente tuleks toota minimaalsete kuludega.

3. Päikesepatareide kasutusiga peab keskkonnatingimustes olema vähemalt 20 aastat. Tuleb meeles pidada, et fotoelemendi töötemperatuur võib varieeruda vahemikus (-30) kuni +200 0 С.

4. Elektrikontaktid peavad olema stabiilsed ja kaitstud igat tüüpi korrosiooni eest. Seade peab olema veekindel.

5. Ühe elemendi hävitamine ei tohiks põhjustada kogu süsteemi riket.

6. Kokkupandavad moodulid peavad taluma transportimist raskesti ligipääsetavatesse kohtadesse.

Tuuleenergia

Tuule põhjuseks on päikesekiirguse neeldumine Maa atmosfääri poolt, mis toob kaasa õhu paisumise, võimsate vertikaalsete ja nõrgemate horisontaalhoovuste ilmnemise.

Hoovuste olemuse määravad nii kohalikud geograafilised tegurid kui ka Maa pöörlemine. Maal jagunevad tuuled globaalseteks ja lokaalseteks.

Globaalsete tuulte hulka kuuluvad passaattuuled ja läänetuul. Passaadituuled tekivad Maa ekvatoriaalse osa soojendamise tulemusena. Kuumutatud õhk tõuseb ülespoole, kandes endaga kaasa õhumassi põhjast ja lõunast. Maa pöörlemine suunab õhuvoolud kõrvale. Selle tulemusel puhuvad põhjapoolkeral kirde-pasaattuuled ja lõunapoolkeral kagupassaadid puhuma aastaringselt püsiva tugevusega. Pasaattuuled puhuvad ekvatoriaalpiirkonnas, mis jääb vastavalt 25–30 0 põhja- ja lõunalaiuskraadi vahele. Põhjapoolkeral katavad passaattuuled 11% ookeanide pinnast ja lõunapoolkeral 20%. Pasaattuule tugevus on tavaliselt 2 - 3 punkti. Läänekaare tuul puhub aastaringselt läänest itta ribal 40 kuni 60 0 S laiuskraadi piki Antarktika triiviva jää serva. See on tugevaim püsituul. Selle tugevus ulatub 8–10 punktini ja jääb harva alla 5 punkti. Mandri sisealadel puudub püsiv tuulesuund. Kuna maa eri osad soojenevad erinevatel aastaaegadel erinevalt, saame rääkida vaid valdavast hooajalisest tuulesuunast. Lisaks käitub tuul erinevatel kõrgustel erinevalt ning “loodavad” ojad on iseloomulikud kuni 50 meetri kõrgusele.

Esimesena hakati purjetamiseks kasutama kohalikke tuuli. Nende hulka kuuluvad tuuled. Tuuled on kerged tuuled, mis ääristavad mandrite ja suurte saarte rannikut ja mida põhjustavad ööpäevased temperatuurikõikumised. Nende esinemissagedus on tingitud maismaa ja mere temperatuuride erinevusest päevasel ja öisel ajal. Päeval soojeneb maa kiiremini ja tugevamini kui meri. Soe õhk tõuseb rannikuriba kohale ja selle asemele tormab merelt jahe õhk - meretuul. Öösel jahtub rannik kiiremini ja tugevamini kui meri, mistõttu tõuseb mere kohale soe õhk, mis asendub maismaa külma õhuga – rannikutuulega. Teised, pidevalt puhuvad tuuled on mussoonid. Need tuuled puhuvad India ookeanis ja on seotud mandri ja ookeani hooajaliste temperatuurimuutustega. Suvel soojendavad päikesekiired maad rohkem ja tuul puhub merelt maale. Talvel puhub mussoon maismaalt merele. Maa pöörlemine põhjustab Coriolise jõudude ilmumist, mis suunavad mussoonid paremale. Seetõttu puhuvad suvel edela mussoonid ja talvel kirde mussoonid. Mussoonid on väga tugevad ja põhjustavad India ookeanis kohalikele tuultele vastavaid pinnahoovusi.

Tabel 8.1.

Beauforti tuule tugevus

Tuule kiiruse u o ja õhutiheduse ρ korral arendab tuuleratas, pühkimisala A, jõudu.