3.7. Инверсия температуры
Снижение температуры воздуха с высотой считается нормальным явлением для тропосферы, а инверсия температуры является отклонением от нормы. Инверсии температуры наблюдаются достаточно часто, почти ежедневно, но они охватывают довольно тонкие слои воздуха по отношению ко всей высоте тропосферы. Характеристиками инверсии являются высота, на которой она наблюдается, толщина слоя инверсии и скачок температуры между верхней и нижней границей инверсионного слоя. Переходное явление между нормальным падением температуры с высотой и инверсией называется изотермия, т.е. состояние атмосферы, при котором температура с высотой не изменяется. По высоте своего расположения в толще тропосферы инверсии разделяются на приземные и приподнятые.
Приземные инверсии располагаются непосредственно над самой подстилающей поверхностью, т.е. над почвой, снегом или льдом. Над открытой водной поверхностью такие инверсии наблюдаются крайне редко. В приземной инверсии на уровне подстилающей поверхности имеет место самая низкая температура воздуха, выше она взрастает до нескольких десятков или сотен метров. а далее сменяется нормальным падением температуры с высотой. Приподнятая инверсия располагается в более высоких слоях над земной поверхностью. Ее основание может лежать на любой высоте в тропосферы, но чаще всего ее основание располагается в нижних двух километрах. Схематические графики изотермии, приземной и приподнятой инверсии температуры представлены на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Типы распределения температуры воздуха с высотой:
а) приземная инверсия; б) приземная изотермия; в) приподнятая инверсия
Скачек температуры на слое инверсии может колебаться в пределах от 1 до 10–15ºС и более. Инверсия может переходить в вышележащую изотермию. Над отдельными районами могут наблюдаться две или более инверсий, разделенных слоями с нормальным ходом температуры. Обычно инверсии распространяются слоями над значительными участками земной поверхности.
Большинство приземных инверсий температуры над сушей или льдами океана возникает как результат охлаждения подстилающей поверхности в течение ночи. Такие инверсии называются радиационными. Мощность слоя инверсии зависит от длительности выхолаживания земной поверхности и наличия или отсутствия турбулентности. Турбулентность уменьшает инверсию, поэтому образование приземных инверсий чаще всего происходит в ясные и безветренные ночи. В переходные сезоны, весной и осенью, инверсии могут приводить к заморозкам.
В теплое время года инверсия обычно разрушается с восходом Солнца, но при холодной погоде она может сохраняться в течение нескольких суток, убывая днем и увеличиваясь ночью. На отрицательных формах рельефа инверсии наблюдаются чаще и имеют большую величину.
В Арктике и Антарктике вся полярная ночь сопровождается приземной инверсией температуры. Снежная или весенняя инверсия связана с расходованием тепла на таяние снега, в результате чего происходит охлаждение земной поверхности. Над полярными льдами в процессе их таяния летом наблюдаются инверсии и изотермии.
Во многих случаях имеют место инверсии оседания. Они возникают при нисходящем движении воздушной массы и ее адиабатическом нагревании. В такой ситуации частицы воздуха, расположенные выше двигаются вниз с более высокой скоростью, что приводит к возникновению инверсии и увеличению устойчивости стратификации атмосферы.
Приподнятые инверсии часто наблюдаются над слоями облаков, поскольку при опускании над облаком воздух охлаждается по сухоадиабатическому закону, а в толще самого облака – по влажноадиабатическому, поскольку часть тепла расходуется на испарение.
Приподнятая инверсия может также возникать и при падении относительной влажности воздуха. Турбулентный поток поднимает влажный воздух до высоты, на которой эта влажность близка к насыщающей, но выше он подняться не может ввиду устойчивой стратификации атмосферы. На этой высоте формируется основание приподнятой инверсии.