Температурна інверсія в атмосфері
Підвищення температури в тропосфері атмосфери із зростанням висоти характеризується як температурна інверсія (рис. 1, в). В цьому випадку атмосфера виявляється стійкою. Наявність інверсії в значній мірі уповільнює вертикальне переміщення забруднюючих речовин і, як наслідок, збільшує їх концентрацію в приземному шарі.
Інверсії – звичайне явище для багатьох районів. Наприклад, на західному побережжі США вони спостерігаються майже 340 днів в році.
Найчастіше спостерігається інверсія, що виникає при опусканні шару повітря в повітряну масу з вищим тиском, або при радіаційній втраті тепла земною поверхнею в нічний час. Першого типу інверсії зазвичай називають інверсію осідання. Інверсійний шар в цьому випадку розташовується на деякій відстані від земної поверхні, а формується інверсія шляхом адіабатичного стискання і нагрівання шару повітря в процесі його опускання вниз до центра зони високого тиску.
За адіабатичним законом (dq = 0) і рівнянням (1) можливо отримати:
(8)
Густина повітря визначається за формулою
(9)
де R – газова стала повітря, Дж/(кг·К); R = 287 Дж/(кг·К).
Враховуючи припущення Ср = const та рівняння (8) і (9) похідна (dT/dP)а залежить від тиску і температури:
(10)
У зв’язку із зміною барометричного тиску густина повітря на верхній межі шару інверсії менше, ніж в його основі, тобто можливо записати
(11)
Це означає, що верхня межа шару нагрівається швидше, ніж нижня. Якщо опускання довго триває, в шарі створюється додатний градієнт температури. Таким чином, повітряна маса, що опускається, є великою кришкою для шарів атмосфери, розташованих нижче шару інверсії.
Шари інверсії осідання зазвичай виявляються вищими за джерела викидів і, таким чином, істотно не впливають на явища короткочасного періоду забруднення атмосферного повітря. Проте така інверсія може проіснувати декілька днів, що позначається на довготривалому накопиченні забруднюючих речовин. Випадки забруднення з небезпечними наслідками для здоров’я людей, що спостерігалися в міських районах у минулому, часто були пов’язані з інверсіями осідання.
За радіаційної інверсії шари атмосфери, розташовані над поверхнею Землі, протягом дня отримують тепло за рахунок теплопровідності, конвекції і випромінювання від земної поверхні і нарешті нагріваються. В результаті температурний профіль нижніх шарів атмосфери зазвичай характеризується від’ємним температурним градієнтом. Якщо потім настає ясна ніч, то земна поверхня випромінює тепло і швидко остигає. Шари повітря, прилеглі до земної поверхні, охолоджуються до температури розташованих вище шарів. В результаті денний температурний профіль перетвориться в профіль зворотного знаку, і шари атмосфери, прилеглі до земної поверхні, прикриваються стійким інверсійним шаром. Цей тип інверсії спостерігається в ранні години і характерний для періодів ясного неба і безвітряної погоди. Інверсійний шар руйнується висхідними потоками теплого повітря, що виникають при нагріванні поверхні землі променями сонця.
Радіаційна інверсія впливає на забруднення атмосфери, оскільки шар інверсії розташовується всередині шару, який містить джерела забруднення (на відміну від інверсії осідання). Крім того, вона найчастіше відбувається в умовах безхмарних і безвітряних ночей, коли низька вірогідність очищення повітря від забруднення опадами або боковими вітрами.
Інтенсивність і тривалість інверсії залежать від сезону. Восени і зимою, як правило, мають місце тривалі інверсії, та їх кількість велика. На інверсії впливає і топографія місцевості. Наприклад, холодне повітря, що скупчилося вночі в котловині міжгір’я, може бути «замкнуте» там теплим повітрям, що опинилося над ним.
Можливі і інші типи локальних інверсій, наприклад інверсії, пов’язані з морським бризом при проходженні теплого повітряного фронту над великою континентальною ділянкою суші. Проходження холодного фронту, перед яким розташована область теплого повітря, також приводить до виникнення інверсії.
Крім локальних температурних інверсій в атмосфері Землі спостерігаються дві інверсійні зони глобального характеру. Перша зона глобальної інверсії від поверхні Землі починається з нижньої межі тропопаузи (11 км для МСА) і закінчується на верхній межі стратопаузи (приблизно 50 км). Ця інверсійна зона перешкоджає поширенню домішок, що утворилися в тропосфері або виділяються з поверхні Землі, в інші області атмосфери. Друга зона глобальної інверсії, розташована в термосфері, певною мірою перешкоджає розсіянню атмосфери в космічний простір.