Flyvning udnyttelse af termiske opvinde og vindens dynamiske effekt

Transkript

1 Flyvning udnyttelse af termiske opvinde og vindens dynamiske effekt Store bredvingede fugle, som musvåger, ørne, storke, traner osv. udnytter meget ofte vindforholdene til at mindske energiforbruget under flyvning. Opvinde, det kan være termiske (0pvarmning af en lokal luftmasse), eller dynamiske, langs et skovbryn, langs klippesider eller langs stejle skrænter som klinter, udnyttes effektivt af de bredvingede fugle, og de kan under gunstige forhold næsten helt undlade at slå aktivt med vingerne over lange stræk. Dynamisk effekt af vind ved klinter/klippesider Vinden presses op, når den rammer forhindringen, og giver fuglene mulighed for at glide langs klinten/klippen i opvinden. Måger ses ofte at benytte effekten. Man kan selv få en idé om effekten, hvis man står lige på kanten af klinten, hvor den opadgående luftstrøm nærmest danner en læmur for vinden. Den samme effekt kan man som nævnt se ved skovbryn. Over skoven kan der desuden opstå en termisk opvind, når den mørke skov opsamler varme og luften over skoven varmes op og stiger til vejrs. Det behøver ikke at være en skov, men blot arealer som er mørke og derved opsamler solvarmen effektivt. I større skala, kan det dreje sig om bjergkæder, hvor fuglene, særligt store fugle som ørne og gribbe glider langs med eller tager højde i opvindssiden. To arter der benytter termiske opvinde, til venstre musvåger, og til højre hvepsevåger på efterårstræk. 1

2 Opvinde og termik ved skoven. De lyseblå pile viser hvorledes vinden, når den rammer et skovbryn, presses opad, og skaber en opadgående luftstrøm. De mørkeblå lodrette pile illustrerer, hvorledes den mørke skov giver anledning til opvarmning af luften, og dermed en termisk opvind. Man ser ofte musvåger svæve og cirkle over skoven, eller fugle der følger et skovbryn. I begge tilfælde udnytter de de opadgående vindstrømme. Figuren på næste side viser hvorledes den termiske opadgående luftstrøm udnyttes. I træktiden vil man flere steder kunne se fænomenet, specielt når musvågerne er på træk. Ved f.eks. Falsterbo i Skåne, eller Stigsnæs på Sjælland, vil man kunne se musvågerne skrue sig op over henholdsvis Skanör Ljung, henholdsvis Stigsnæs Skov, inden de begiver sig videre ud over vandet, men også på deres vej hen over landskabet vil man kunne se, at de udnytter opvindene, og som det fremgår af illustration på side 4, krydser de hen over landskabet, alt efter hvor de termiske opvindszoner er, enten ved at holde øje med andre våger, eller på basis af skydannelse eller også på udkig efter mørke områder, hvor der potentielt opstår termik. Når de skruer sig op, foregår det først ofte i ret snævre cirkler, som bliver større og større, jo længerer fuglene komme op (illustration på næste side). Det skyldes at styrken af opvinden aftager med højden og jo mindre kraft i vinden, jo mindre vinkel (tilt) kan de have i forhold til vinden, for at undgå at stalle. Når de har nået toppen af opvinden, som ofte falder sammen med skybasis (der kan være ekstra opvind lige i centrum af skyen), glider de ud af skruen og videre i søgningen af nye opvinde. Det foregår ofte i en lang linje, hvor de følger hinanden når de har nået toppen af opvinden. Når de kommer til en ny opvind gentager de processen. Når vågerne glider fra toppen af en termisk opvind, kan de bestemme glidehastigheden ved at ændre vingestillingen. Jo mere de folder vingerne, jo hurtigere går det fremad, men de taber samtidigt mere højde. Den typiske glideratio for musvåger ligger omkring 1:10 d.v.s., at de taber én meter i højde for hver ti meter de kommer fremad. Hastigheden i luft ligger typisk lidt under 10 m/sek., og hertil skal fratrækkes modvind eller tillægges medvind. 2

3 Glideflugt: Glidevinklen afhænger af fuglens vægt i forhold vingeareal, men er også afhængig af, om der er medvind eller modvind, og hvor stærk vinden er. Jo stejlere glidevinkel, jo større lufthastighed. Vågerne justerer hastigheden og glidevinklen ved at mindske eller øge vingearealet (samle eller sprede vingerne). Hastigheden over jorden afhænger desuden af vindretningen. Er der medvind skal vindhastigheden lægges til, omvendt i modvind. Ny termisk opvind, og processen kan begynde forfra 10 m 1 m Stigehastigheden varierer med styrken i den termiske opvind. Typisk imellem 1 og 3 m/s Musvågers optimale glideratio ligger omkring 1:10. Det vil sige, at når den er kommet 10 m frem, har den tabt 1 m i højde. Glidehastigheden varieres ofte efter stighastigheden. Jo højere stighastighed jo højere glidehastighed. Det viser, at de optimerer deres rejsehastighed efter forholdene. Distance i glideflugt over jord 2 km ved tab af 200 m højde, når glideratioen er 10 (1 m i tabt højde giver 10 m fremdrift). Dertil skal fratrækkes modvind eller tillægges medvind. Vågerne skruer, og tager højde i opvinden, hurtigst i bunden, hvor opvinden er kraftigst. Når opvinden forsvinder, med højden (er der skydannelse, vil opvinden forsvinde i bunden af skyen), begynder glideflugten. Termisk celle: Opvinden (grønne pile) i den typiske termiske celle varierer med højden, først svag i bunden, tiltagende med højden og aftagende øverst, hvor luftstrømmen til sidst vender, og bevæger sig nedad (blå pile) Fuglehåndbogen på Nettet Betragter man fuglene i skruen, vil man se at de cirkler i en skrå vinkel (tilt) med undersiden vendt mod centrum af skruen. Nedenstående figur viser hvorledes fuglene justerer deres tilt i forhold til kraften af den termiske opvind. Jo højere fuglen kommer op jo mindre er styrken af opvinden, og tiltvinklen flader ud, for til sidst at være vandret og fuglen begynder på sit glid. Øverst i den termiske opvind, flad vinkel, stor cirkel, svagt løft Tilt vinklen ændrer sig og bliver fladere, jo højere fuglen kommer op i den termiske opvind. De grønne lodrette pile angiver den relative styrke af opvinden, jo stærkere vind, jo stejlere vinkel og mindre cirkler kan fuglene, og jo hurtigere kan fuglene stige. I højden aftager styrken, og for at undgå stall (miste løftet) flades vinklen ud. Til sidst er der ikke kraft nok i vinden til yderligere løft, og fuglen går ind i et glid i flyveretningen Nederst i den termiske opvind, stejl vinkel, lille cirkel, kraftigt løft Krop og Vinger set i profil bag fra Fuglehåndbogen på nettet Nogle arter er bedre tilpasset svæveflyvning og figuren neden for viser glide/svæveevnerne hos forskellige arter. Den vandrette akse angiver, hvor langt fuglen kan svæve ved et højdetab på en meter. 3

4 Højdetab ved glideflugt (hvor langt fuglen kan nå ved et højdetab på én meter) Højdetabene som angivet er i stille luft uden opvinde. For at spare energi anvender fuglene, hvor det er muligt, glideflugt. Særligt de store fugle som gribbe og albatrosser er effektive svæveflyvere, hvor gribbene får ekstra løft fra termiske opvinde, og albatrosserne fra den dynamiske effekt langs bølgetoppe. H ø j d e t a b - M e t e r Gråspurv Gærdesmutte Stær landsvale Tårnfalk Hvid stork Musvåge hedehøg Kongeørn Havørn Distance fløjet i glideflugt - Meter Gåsegrib Vandrealbatros Kongeørn 14 m Musvåge 11 m Tårnfalk 10 m Stær 7 m Svæve - glideflyvning Glideratioen (tilbagelagt vandret afstand ved tab af én højdemeter uden vindeffekt dvs. stille vejr) er afhængig af flere ting, form, vingeareal, vingeform, størrelse og forholdet imellem vægt og vingeareal. Som det fremgår kan store fugle glide generelt glide længere end mindre fugle. Rekorden (ikke afbildet her) har vandrealbatrossen, der kan glide hele 26 m ved én meters højdetab. Svæve og glideflugt anvendes, frem for aktiv flyvning, i stor udstrækning af de store bredvingede rovfugle, som bl.a. Benytter de termiske opvinde til at vinde højde, for på den måde at spare muskelkraft og energi. Termisk opvind Fuglehåndbogen på Nettet De termiske celler, hvor der er opvind, ligger ikke nødvendigvis i den direkte trækretning, men er spredt i landskabet, alt efter hvor der er mørkere partier, der opsamler ekstra megen solstråling. Nedenstående figur viser hvorledes fuglene ikke flyver direkte i den overordnede trækretning, men bevæger sig fra termisk celle til termisk celle. Er fuglene i flok, kan de lokalisere de termiske celler ved at iagttage andre fugle, men ellers kan mørke områder i landskabet, og f.eks. skove give fuglene indikationer om, hvor der er 4

5 opvind. Selvom det giver en længere flyvetur, med afstikkere til de termiske opvinde, kan det, som forklaret nedenfor, godt betale sig, da svæve og glideflyvning næsten er omkostningsfri for fuglene. Pilene angiver glideflugt imellem de termiske celler 2 De rødbrune cirkler angiver termiske celler med opvind, spredt i terrænet 1 Overordnet Trækretning mål 3 De termiske celler i landskabet ligger kun sjældent direkte i den overordnede trækretning (grønne pil), men da svæve og glideflyvning er meget energibesparende, kan det godt betale sig for fuglene at tage afstikkere (grå pile) til de spredte termiske celler med opvind. I dette tilfælde fra celle 1 over celle 2 og 3. Fuglehåndbogen på nettet Fuglene, vågerne i dette tilfælde kan også udnytte den dynamiske effekt af vinden. Nedenstående figur illustrerer, hvordan vågerne kan vinde højde og derefter glide i den ønskede retning. Dynamisk effekt af vinden. Hvis der er vind, vil fuglene ved at flyve op imod vinden ( ) kunne vinde højde. Efter sammen princip som kendes fra drageflyvning, hvor man sætter dragen op i modvinden, eller fra et fly der starter i modvind, da det giver bedre opdrift. Dynamisk effekt af vinden Er vinden i trækretningen, kan fuglene vinde højde samtidigt med at de bliver ført afsted af vinden. De er derfor ikke afhængige af de termiske celler, og de flyver ofte meget højt, undertiden stort set ude af syne fra jorden. Vindretning Falder vindretningen sammen med trækretningen (grøn), er det en fordel for fuglene, da de samtidigt med at de vinder højde, bliver blæst i den rigtige retning. Er vinden modsat trækretningen (rød), er nettoeffekten for det meste neutral eller negativ, og de må tage aktiv flyvning med vingeslag i brug, for at vinde terræn. Da vinden tiltager i højden, er effekten stærkest i højden. Trækhastigheden bliver således lufthastigheden plus/minus vindhastigheden. Fuglehåndbogen på nettet 5

6 Traner udnytter ofte opvinde når de trækker Man kan konstatere, at vågerne, når der er medvind, oftest flyver meget høj, næsten uden for synsvidde. For ornitologerne er det ikke altid særligt spændende, da fuglene kan være svære at opdage. Det har da også forledt mange til at konkludere, at fuglene foretrækker at flyve i modvind, men det er nu nok mere fordi man i modvind, fordi de flyver lavt, ser fuglene, det gør man ikke altid når de har medvind. Det er de store bredvingede fugle som våger, ørne, gribbe, storke og traner der anvender termikken og den dynamiske effekt af vinden, men også høge og falke er gode til det. En særlig gruppe er stormfuglene, som albatrosser og mallemukker, som excellerer i udnyttelsen af den dynamiske vindeffekt langs bølgekammene, hvor vinden bliver tvunget opad, ligesom langs skovbryn, klinter eller klippesider. Som nævnt i indledningen, er det af energibesparende årsager at de store fugle udnytter energien i vinden, enten som termik, eller dens dynamiske effekt. Flyvning er en hurtig og effektiv måde at transportere sig på, men den er samtidigt meget energikrævende, og jo større fuglen er jo mere energi kræves der. Undersøgelser, gjort på gåsegribbe, hvor man har målt hjerteslagsfrekvensen (et godt mål for energiforbruget) under forskellige former for flyvning, aktiv (vingeslag), svæv (fuglen tager højde) og glid, har vist, at hjerteslagsfrekvensen under aktiv flyvning var to til tre gange højere end under svævning og glid. Faktisk var hjerteslagsfrekvensen stort set på hvileniveau (siddende), både under svævning og glid. Det vil sige, at det for fuglene, i den udstrækning de anvender svæv og glid, stort set er gratis at rejse. 6

7 Et eksempel på, hvor fuglene vælger store omveje for at spare energi, og sikkert også for at undgå risikoen ved at passere større vandområder er italienske slangeørne. Slangeørnene overvintrer i Afrika i Sahelzonen syd for Sahara, og for de slangeørne der yngler i Syditalien ville den nærmest rute være over Sicilien. Størstedelen tager imidlertid en rute der i første omgang fører dem mod nord lige modsat retningen af vinterkvarteret, men som bringer dem til Gibraltar, hvor afstanden over havet kun er 14 km i forhold til de 140 km der er fra Sicilien til Tunesien. Som det fremgår af illustrationen nedenfor er det betydelige omveje de flyver, men det er også en reel risiko de undgår, jeg har selv iagttaget musvåger der, når de i modvind ved Stevns kommer ind fra Falsterbo, enten kun lige akkurat har klaret turen, eller faktisk er druknet, og her er turen kun på 25 km. De italienske ornitologer (U. Melone et al, J. Avian Biology 42(5) 1. september 2011) mærkede to ungfugle i to forskellige reder ved ynglepladserne i Syditalien. Begge tog Gibraltarruten hvilket gav omveje på hhv. 500 og 1700 km. Størstedelen af de italienske slangeørne, over 80%, tager ruten over Gibraltar, og under 20% Sicilien ruten. På Sicilien ruten er det over 80% der er ungfugle, men på Gibraltarruten er det omvendt, her er 80% voksne fugle. Man tolker denne fordeling derhen, at en del af de unge uerfarne fugle følger deres retningsmæssige trækinstinkt, som siger syd, og derfor bringer dem over Sicilien. Andre ungfugle følger derimod de ældre erfarne fugle som overvejende anvender Gibraltarruten, og lærer på den måde den lange, men nok sikrere rute. At det kun er få gamle fugle der anvender Sicilien ruten, kunne tolkes derhen, at der faktisk er en større andel af fugle der går til på denne rute, som afhængigt af vindforholdene, indebærer en flyvetid over havet på 4-5 timer. Undersøgelsen tolker det ikke direkte derhen, men det kunne godt se ud til at der er en selektiv fordel ved at tage den lange tur. Hovedrute, over Gibraltar, benyttet af de to mærkede ungfugle (grønne pile), anvendes af godt 80% af fuglene Distance Mauritanien Gibraltar 4725 km Sicilien 4225 km Distance Niger Gibraltar 5085 km Sicilien 3360 km 14 km 140 km Yngleområde ( ) i det sydlige Italien og den alternative rute over Sicilien (røde pile) Trækruter for to unge italienske slangeørne Slangeørne der yngler i Syditalien, trækker for størstedelens vedkommende, i første omgang mod nord, i modsat retning af deres vinter-kvarter. Det drejer sig om individer, der tager turen mod nord og derefter mod Gibraltar. Det er hovedsagligt gamle fugle (ca. 80%) der tager den vej. Turen over Sicilien anvendes af ca. 200 individer, og det er næsten udelukkende ungfugle (ca. 80%) der tager denne rute. Den ene af fuglene (overvintrende i Mauritanien tager en omvej på ca. 500 km, og den anden, overvintrende i Niger tager en omvej på ca km, begge for at undgå en flyvetur over havet på 140 km i stedet for de 14 km over Gibraltarstrædet. Trækket på Gibraltar ruten foregår i flokke hvor hovedparten er gamle fugle, og man antager, at de unge følger med de gamle og lærer på den måde ruten at kende. De fugle, mest unge, der tager turen over Sicilien, formodes at følge en mere instinktmæssig trækretning. Slangeørne er bredvingede fugle, der ligesom våger foretrækker at udnytte termiske opvinde for at kunne svæve og glide, fremfor den mere energikrævende aktive flyvning. De tager således ret store omveje, for at spare energi, men nok også for at undgå risikoen ved at løbe tør for brændstof over havet. Den største fugl, som man har kendskab til, og samtidigt mener har kunnet flyve, er den sydamerikanske kæmpefugl (godt nok uddød) Argentavis magnificens, som levede i Andes og Pampas regionen. Man har 7

8 fundet fossile knogle, ca. 6 millioner år gamle, og ud fra dem har man estimeret, at den havde et vingefang på ca. 7 meter, og vejede kg. Man er overbevist om, at den var afhængig af termiske eller dynamiske vindeffekter for at kunne flyve. Til sammenligning vejer en havørn ca. 5 kg, og en af de tungeste flyvende fugle, knopsvanen, op til kg. En særlig form for udnyttelsen af vinden benyttes af stormfuglene, f.eks. albatrosser. Man har kunnet observere, at albatrosser f.eks. vandrealbatrossen kan bevæge sig over meget lange afstande uden at slå med vingerne. Der har været tvivl om, hvilken vindeffekt de har benyttet. En af teorierne har været, at de udnytter den opdrift i vinden der fremkommer når vinden rammer en bølge og bliver tvunget opad, på samme måde, som når den rammer f.eks. en klippeside eller klint, albatrosserne kan så flyve langs med toppene på bølgerne. Albatrosserne og andre stormfugle udnytter utvivlsomt denne effekt, men nyere undersøgelser har vist, at de også kan udnytte den vækst i kinetisk energi, der opstår i vindgradienten i grænselaget over vandoverfladen. Ved vandoverfladen er vindhastigheden på grund af gnidningsmodstanden tæt på 0 meter/sekund, men indtil meters højde øges vindhastigheden, hvor den når sit maksimum. For at der er nok energi til at stormfuglene kan udnytte effekten, skal vindhastigheden nå op på minimum 3,6 m/s. I Sydpolarhavet er vindhastigheden stort set altid noget højere. Illustrationen på næste side skitserer forløbet, som kan strække sig over mere end hundrede kilometer. (G. Sachs et al, JEB, 216, (2013)). Det kan sammenlignes med når et fly letter, hvor flyets motorer øger hastigheden af flyet, og dermed den mængde luft der passerer forbi vingen, og giver kraft til at flyet kan lette. I dette tilfælde er det blot vindstyrken er tiltager med højden, og giver den fornødne kraft til at albatrossen kan holde sig svævende og bevæge sig fremad. Den vinder faktisk også kinetisk energi og løft på nedturen, idet den kommer fra højere mod lavere vindhastigheder, og således bevæger sig hurtigere end den vind den kommer ind i på nedturen. Den indvundne energi bruges til et vandret svæv ved overfladen og til en ny drejning op i vinden. Dynamisk svæveflyvning, udnyttelse af energien i en vindgradient Jo længere pile jo større vindhastighed og dermed kinetisk energi m Havoverflade Fuglehåndbogen på Nettet Min. 3,6 m/s?0 m/s Stiger op i vindgradienten Vender i top og bund Albatrosser og andre stormfugle er bygget således, at de kan udnytte kraften i den vindgradient, som opstår i grænselaget fra havoverfladen hvor vindstyrken er tæt på nul, og op til en højde af m. Vindhastigheden skal der være mindst knap 4 m/s. Over denne højde ændres vindhastigheden ikke. Det kan jævnføres med når et fly starter, hvor hastigheden øges, og flyet letter. Her er det blot vinden der tiltager i styrke, og ikke en motor der skaber kraften. Det er stormfuglene med deres lange og tilspidsede vinger der er i stand til at udnytte vindgradienterne: Albatrosser Skråper Mallemukker Stormsvaler Men også fugle som Suler Glider nedad med vinden Fregatfugle Kjover kan til en vis grad udnytte effekten. Fælles for dem er også at de lever en meget stor del af livet til havs. Stormfuglene og en del andre havfugle har lange (vandrealbatrossen er, af de nulevende fugle, den art med størst vingefang, helt op til 3,4 m) og tilspidsede vinger, (giver lille induceret vindmodstand, se figuren neden for, og artiklen om flyvning generelt). 8

9 Det er albatrosserne der er mestrene i dynamisk flyvning, men andre stormfugle som. F.eks. mallemukker kan også udnytte effekten, men kræver nok højere vindhastigheder end de 3,6 m/s som er nødvendigt for vandrealbatrossen, som i øvrigt giver en gennemsnitlig flyvehastighed på lidt over 8 m/s, svarende til knap 30 km/t. Ved højere vindhastigheder stiger flyvehastigheden også. Nogle albatrosser flyver km om måneden, og i et langt liv, nogle bliver over 50 år gamle, op til 3 millioner km. Det er på havet, som er mere eller mindre plant, at effekten er lettest at udnytte, men over flade landskaber vil den samme effekt forekomme, og i grænselag i atmosfæren ligeledes. Om fugle som f.eks. mursejlere og svaler udnytter effekten er uvist, men nok sandsynlig. Et sted hvor mursejlere og svaler formodentligt, i mikroskala, udnytter effekten er, når de jager insekter over søernes vandoverflade. Når der er pæn vind, vil insekterne samles lavt over vandoverfalden, hvor vindhastigheden er lav. Man kan se effekten, når fuglene pludseligt slår op i venden, og lynhurtigt tager højde. Fuglene kan således kombinere og udnytte både den gode tilgængelighed af føde, og en energieffektiv flyvemåde. Luftmodstand En uafvendelig faktor ved flyvning er luftmodstanden. Der er to hovedkomponenter af luftmodstand, den inducerede modstand som består af de hvirveldannelser eller sug der opstår når fuglen luften passerer forbi fuglen når den flyver. Den inducerede modstand aftager med flyvehastigheden. Den anden hovedkomponent er profilmodstanden, som udgøres af gnidningsmodstanden, som opstår når luftpartiklerne møder fuglens krop og vinger under flugten. Profilmodstanden kan opdeles i modstanden forårsaget af vingerne, og modstanden forårsaget af resten af kroppen, den kaldes så parasitmodstanden, da vingerne og ikke resten af kroppen jo ikke udfører arbejdet. Profilmodstanden kan reduceres ved at gøre kroppen aerodynamisk, f.eks. mursejlerens cigarform, og ved at gøre overfladen glat. Den inducerede modstand kan mindskes ved at gøre vingerne mere aerodynamiske, jo smallere og længere vinger, jo mindre modstand. De ses i høj grad hos sejlere og albatrosser. Begge grupper, sejlere og albatrosser tilbringer da også langt størstedelen af deres levetid på vingerne. Induceret modstand Profilmodstand Vingebredde (VB) AR = VF/VB m Modstand når luften rammer fuglen Gnidningsmodstand når luft passerer tæt på fuglens krop og vinger Vingefang (VF) Luftmodstand Når fuglen bevæger sig fremad i luften vil der opstå vindmodstand, en kraft dr virker modsat bevægelsesretningen (sorte pile). Der er to hovedkomponenter, induceret luftmodstand og profilmodstand: Induceret luftmodstand, der opstår når fuglen skal vinde højde, den og afhænger bevæger sig af fremad, flere ting: den afhænger af flere ting: Stigningsvinklen ( ), jo stejlere, jo mere modstand Forholdet imellem vingefanget og vingens gennemsnitlige (VB m ) bredde (Aspect Ratio (AR)). Jo større AR jo mindre modstand. Lange og smalle vinger giver således mindst modstand. Hvirvler ( ) der opstår ved vingespidserne og bag vinger/hale Profilmodstand, afhænger af to ting: Gnidningsmodstanden som luften møder når den passerer overfladen af vingen og kroppen, jo mere ujævn, jo mere modstand. ( ) Fuglens facon, jo mere strømliniet, jo mindre modstand. ( ) Den inducerede luftmodstand aftager med flyvehastigheden, men profilmodstanden tiltager med flyvehastigheden. Undertiden opdeles profilmodstanden i Profilmodstand = modstand forårsaget af vingerne Parasitmodstand = modstand forårsaget af resten af kroppen, hovedet, halen etc. Fuglehåndbogen på nettet 9

10 10