4.16. Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага сухого повітря

Ми вже згадували, що стратифікація атмосфери – це розподіл температури повітря на різних висотах. Цей розподіл можна прослідити за побудованою кривою стратифікації або за величиною вертикального температурного градієнта, який показує як швидко змінюється температура повітря з висотою. Розглянемо три випадки.

Мал.. 4.11. Приклади стійкої (а), байдужої (б) та нестійкої (в) стратифікації атмосфери для ненасиченого повітря.

Нехай вертикальний температурний градієнт дорівнює 0,5⁰С (мал.4.11,а). Ми бачимо, що температура на кожних 100 м знижується на 0,5⁰С. Поблизу земної поверхні вона становить 20⁰С, а на висоті 400 м 18⁰С. Якщо одиничний об’єм повітря з температурою 20⁰С через будь-яку причину підніметься на висоту 400 м, то його температура знизиться від 20⁰С до 16⁰С. Ми бачимо, що в цьому випадку на будь-якій висоті температура повітря, яке піднімається, буде нижчою за температуру навколишнього повітря. Як тільки зникне причина, яка примусила повітря піднятися вверх, воно зразу ж опуститься вниз, бо воно холодніше від навколишнього, а значить і густина його більша. Це буде стійка стратифікація або стійка рівновага атмосфери.

Якщо вертикальний температурний градієнт дорівнює 1⁰С (мал.4.11,б). Температура навколишнього повітря знижується на 1⁰ на кожні 100 м. Поблизу земної поверхні температура 20⁰С, а на висоті 400 м 16⁰С. Якщо одиничний об’єм ненасиченого повітря підніметься на висоту 400 м, то на всіх рівнях температура цього повітря буде такою ж, як і навколишнього. Тому воно залишиться на цій висоті. Це буде байдужа (нейтральна) стратифікація або байдужа рівновага атмосфери.

Якщо вертикальний температурний градієнт дорівнює 1,5⁰С (мал. 4.11, в). Температура повітря знижується на 1,5⁰С на кожні 100 м. Поблизу земної поверхні температура 20⁰С, а на висоті 400 м 14⁰С. Якщо одиничний об’єм повітря підніметься на висоту 400 м, то температура його тут буде 16⁰С і на всіх рівнях вона буде вищою, ніж температура навколишнього повітря. При цьому, чим більша висота, тим більша різниця. Як тільки зникне причина, яка примусила повітря рухатися угору, то воно самостійно продовжить цей рух, оскільки воно тепліше від навколишнього повітря і його густина менша. Це буде нестійка стратифікація або нестійка рівновага атмосфери. Лише за нестійкої стратифікації атмосфери виникає конвекція.

Отже, коли вертикальний температурний градієнт γ<γ_а , то це стійка стратифікація, коли γ=γ_а – байдужа, коли γ>γ_а –не стійка стратифікація атмосфери. Особливо стійкою буде атмосфера, коли є шари інверсії температури. Це затримуючі шари, через які нижчерозташоване повітря піднятися вище не може.

4.17. Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага насиченого повітря

Насичене повітря змінює свою температуру за вологоадіабатичним законом. Тому стратифікацію атмосфери слід порівнювати з величиною вологоадіабатичного градієнта. Знову розглянемо три випадки.

Нехай вертикальний температурний градієнт буде меншим від вологоадіабатичного (γ<γ_а^,). У цьому випадку також температура вологого повітря, що підноситься вверх буде знижуватись більше, ніж зниження навколишнього повітря. Тому вологе повітря буде холодніше за навколишнє і як тільки зникне причина, яка примусила його рухатись вверх, воно опуститься донизу. Тобто це стійка стратифікація атмосфери для насиченого повітря, вона не підтримає конвекцію у ньому (вологостійка), або це буде стійка рівновага насиченого повітря.

Якщо вертикальний градієнт температури дорівнює вологоадіабатичному градієнту (γ=γ_а′). Вологе повітря, яке підноситься вверх, на всіх рівнях буде мати таку ж температуру, яку має навколишнє повітря. Тому це буде байдужий (нейтральний) стан або байдужа рівновага насиченого повітря. Коли зникне причина, яка примусила повітря рухатись вверх, воно там і залишиться.

Якщо вертикальний градієнт температури в атмосфері більший, ніж вологоадіабатичний (γ>γ_а′).Насичене повітря, яке підноситься угору, на всіх рівнях буде теплішим, ніж навколишнє, причому з висотою ця різниця збільшується. Отже, у відношенні до насиченого повітря стратифікація атмосфери нестійка (волого нестійка) або це буде нестійка рівновага насиченого повітря. Як наслідок, це дуже сприятливі умови для розвитку конвекції. Чим більше вертикальний градієнт температури перевищує адіабатичні градієнти, тим сильніше розвивається конвекція. Вертикальну рівновагу повітря краще прослідкувати за допомогою аерологічної діаграми.