3.5. Критерии устойчивости атмосферы на основе метода частицы

Распределение температуры окружающего частицу воздуха в различных слоях атмосферы характеризуется вертикальным градиентом температуры

(3.26)

Распределение температуры и других метеорологических величин по высоте называется стратификацией атмосферы.

Для определения устойчивости к движению воздуха выделим в атмо­сфере воздушную частицу единичного объема. Характеристикой изменения температуры частицы является сухоадиабатический градиент при ее адиабатическом перемещении.

При вертикальном движении частицы возможны три случая с разными соотношениями между вертикальным и сухоадиабатическим градиентами.

Первый случай: > _а. Данное соотношение свидетельствует о том, что температура воздуха в атмосфере падает с высотой быстрее, чем на 1°С/100м. На воздушную частицу действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда. Результирующая величина этих сил называется силой плавучести.

При _е > _i, эта сила направлена вверх, а при _е < _i – вниз. Под влиянием силы плавучести частица движется с ускорением, которое выражается формулой:

(3.27)

Если сухую частицу переместить с исходного уровня, на котором

Т_i = Т_е, а , на нижележащий уровень, то ее температура окажется ниже температуры окружающего воздуха, а плотность – выше плотности окружающего воздуха. В этом случае частица будет перемещаться с ускорением вниз.

Таким образом, при смещении частицы с исходного уровня, она про­должит движение со скоростью и ускорением в ту сторону, куда она сместилась в начальный момент.

При этом скорость по абсолютной величине тем больше, чем дальше частица смещается от исходного уровня.

Равновесие частицы в исходном положении неустойчивое.

Стратификация атмосферы при > _а называется сухонеустойчивой.

Второй случай: = _а. В этом случае при перемещении частицы с исходного уровня, на котором Т_i = Т_е, а , на любой другой уровень, температура и плотность частицы будут равны температуре и плотности окру­жающего ее воздуха. В соответствии с выражением (3.27) ускорение ее дви­жения будет равно нулю.

Термическое состояние атмосферы в этом случае при называется сухобезразличной (равновесной) стратификацией

Третий случай: < _а. Температура с высотой падает медленнее чем на 1°С/100 м. В этом случае при перемещении частицы с исходного уровня, на котором Т_i = Т_е , а , на вышележащий уровень температура частицы будет ниже температуры окружающего ее воздуха, а плотность ее больше плотности воздуха. Частица получит отрицательное ускорение, и будет пе­ремещаться обратно. При перемещении ее на нижележащий уровень ее тем­пература окажется выше, а плотность меньше окружающего воздуха. Частица приобретет положительное ускорение, и возвратится на исходный уровень.

При такой стратификации, на какой бы уровень частица не перемещалась, она будет возвращаться на исходный уровень, после прекращения действия внешних сил.

Стратификация атмосферы при < _а называется сухоустойчиво.

В отдельных слоях атмосферы могут наблюдаться аномальные случаи сухоустойчиной стратификации:

• первый случай – изотермия – >0;

• второй случай – инверсия – <0.

При устойчивой стратификации, а при инверсии в особенности, перемещение частиц по вертикали затруднено, а в случае инверсии – полностью исключено.

При неустойчивой стратификации в атмосфере создаются благоприят­ные условия для возникновения и развития вертикальных движений воз­душных частиц.

Данный метод анализа термодинамической устойчивости основан на исследовании поведения индивидуальной частицы. Поэтому его называют методом частиц. Ограничением данного метода является предположение о том, что вертикальное перемещение частицы происходит без теплообмена с окружающей средой, т.е., по адиабатическому закону. В реальных условия атмосферы существует теплообмен между частицей и окружающей ее средой. Но несмотря на это, с качественной стороны, полученные выводы справедливы и для реальной атмосферы.