45.Влажноадиабатический градиент. Последовательность развития конвекции.

Влажяоадиабатическим называется адиабатический процесс, протекающий во влажном насыщенном воздухе. При таком про­цессе происходит конденсация водяного пара или испарение уже имеющейся в атмосфере воды. Кривая состояния насыщенной части­цы при ее адиабатическом подъеме на­зывается влажной адиабатой, а измене­ние температуры частицы на единицу высоты при влажноадиабатическом про­цессе — влажноадиабатическим градиентом y_A^'. Из предыдущего следует, что при влажноадиабатическом процессе: а) тем­пература уменьшается с высотой, но медленнее, чем при сухоадиабатическом процессе; б) удельная влажность s благодаря конденсации уменьшается с высотой; в) относитель­ная влажность постоянна f=100% =соnst. Aдиабатический подъем влажного воздуха до достижения состояния насыщения (до уровня конденсации) носит название сухой стадии, а в состоянии насыщения (выше уровня конден­сации) — влажной, или дождевой, стадии. На испарение ds_m г воды затрачивается количество тепла L ds_m, где L — удельная теплота парообразования (количество тепла, необходимое для испарения одного грамма воды), s_m — максимальная удельная влажность. Таким образом, уравнение первого начала термодинамики имеет в этом случае вид dq= c_vdT_i+ Apdv_i+ L ds_m.

Конвекция в атмосфере, вертикальные перемещения объёмов воздуха с одних высот на другие, обусловленные архимедовой силой: воздух более тёплый и, следовательно, менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, а воздух более холодный и более плотный — вниз. При слабом развитии Конвекция (в атмосфере) имеет беспорядочный, турбулентный характер. При развитой Конвекция (в атмосфере) над отдельными участками земной поверхности возникают восходящие и нисходящие токи воздуха, пронизывающие атмосферу иногда до высот стратосферы (проникающая Конвекция (в атмосфере)). Вертикальная скорость восходящих токов (термиков) при этом обычно порядка нескольких м/сек, по иногда может превышать 20—30 м/сек. С проникающей Конвекция (в атмосфере) обычно связано образование облаков Конвекция (в атмосфере) — кучевых и кучево-дождевых (грозовых).

Развитие Конвекция (в атмосфере) зависит от распределения температуры в атмосфере по высоте. Восходящий воздух поднимается до тех пор, пока его температура остаётся выше температуры окружающего воздуха; нисходящий воздух, в свою очередь, опускается, пока он холоднее окружающего воздуха. Но восходящий воздух вследствие расширения охлаждается на 1 °С на 100 м подъёма (пока в нём не началась конденсация) — так называемый сухоадиабатический градиент, а после начала конденсации (образования облаков), сопровождающейся выделением скрытой теплоты, — на переменную величину в несколько десятых долей градуса на 100 м подъёма (так называемый влажноадиабатический градиент). Поэтому для поддержания Конвекция (в атмосфере) нужно, чтобы вертикальный градиент температуры в атмосферном столбе был больше сухоадиабатического градиента до уровня, на котором начинается конденсация, и больше влажнодиабатического над этим уровнем, т. е. атмосфера должна обладать неустойчивой стратификацией (см. Стратификация атмосферы). Такие условия создаются летом в воздухе над прогретой сушей и во все времена года в воздухе, движущемся с более холодной на более тёплую поверхность. Слои с малыми вертикальными градиентами температуры, особенно с инверсиями температуры, являются для Конвекция (в атмосфере) задерживающими слоями.

Над сушей, в условиях большого суточного хода температуры поверхности почвы (особенно летом), днем нижние слои воздуха сильно прогреваются от поверхности почвы и вертикальные градиенты температуры возрастают. В приземном слое они могут стать очень большими, на несколько порядков величины превышая сухоадиабатический градиент. В среднем же в нижних сотнях метров или километрах они приближаются к сухоадиабатическому и, во всяком случае, больше, чем влажноадиабатические градиенты. Стратификация атмосферы становится, таким образом, неустойчивой, и возникает конвекция.

Как неустойчивость стратификации, так и конвекция особенно велики около полудня и в первые послеполуденные часы. Поэтому кучевые облака, ливневые осадки и грозы над сушей, связанные с конвекцией, имеют максимальное развитие именно после полудня. К вечеру стратификация становится устойчивее, а в ночные часы, когда приземный слой воздуха охлаждается от почвы, стратификация может стать даже настолько устойчивой, что развиваются приземные инверсии температуры, т. е. температура воздуха над почвой с высотой не падает, а растет. Понятно, что конвекция в это время суток затихает.

Иными будут условия над морем. Суточный ход температуры на поверхности моря очень мал. Поэтому существенного дневного увеличения неустойчивости над морем не будет; следовательно, не будет и послеполуденного максимума в развитии конвекции. Напротив, в ночные часы неустойчивость над морем несколько возрастает. Это связано с тем, что у поверхности моря температура ночью остается почти такой же, как и днем, а на высотах в свободной атмосфере температура ночью падает вследствие радиационного охлаждения воздуха. Поэтому вертикальные градиенты температуры над морем ночью несколько возрастают, а вместе с ними усиливается и конвекция.