Псевдоадиабатический процесс

Представим себе, что влажный ненасыщенный воздух сначала поднимается. Его температура при этом падает сначала сухоадиабатически, затем, после того, как достигнут уровень конденсации, влажноадиабатически. Допустим, что вся вода, выделяющаяся при конденсации, сразу же выпала из воздуха в виде осадков. Допустим, что затем, достигнув некоторой высоты, воздух начинает опускаться. Т.к. продуктов конденсации в нем нет, он будет при этом нагреваться сухоадиабатически. Легко рассчитать, что на прежний уровень воздух придет с температурой более высокой, чем та, которая была в нем первоначально.

В рассматриваемой массе воздуха произошел необратимый процесс. Хотя масса воздуха вернулась под прежнее давление, она не вернулась в исходное состояние: ее конечная температура оказалась выше, чем начальная. Такой процесс называется псевдоадиабатическим.

Мы уже говорили о том, что для сухого и влажного ненасыщенного воздуха потенциальная температура остается постоянной. Для насыщенного водяными парами воздуха изменения градиента температуры γ_а^´ и потенциальной температурой возрастает с высотой. И чем больше высота от уровня земли, тем ниже достоверность потенциальной температуры. В этом случае используется эквивалентная температура (Т_э).

Эквивалентная температура – это условная температура влажного воздуха, которую он может принять, если все содержащиеся в нем пары конденсируются и выделяется тепло на нагрев воздуха.

Т_э = Т + 1570 е/р,

Т_э = Т + 2,5 q.

где е – упругость водяного пара, мб;

q – удельная влажность, г/кг.

Если воздух с эквивалентной температурой Т_э привести адиабатически к стандартному давлению 1000 мб, то получим значение температуры, которая называется эквивалентно-потенциальной:

Θ_э = Т_э (1000/р)^0,286.

Эквивалентно-потенциальная температура остается постоянной как при сухоадиабатичесих, так и при влажноадиабатических процессах.

Энергия неустойчивости, конвекция и ускорение конвекции

Выше доказано, что в реальной атмосфере, как правило, γ≠γ_а, то есть градиент стратификации (γ) не равняется сухоадиабатичному градиенту, а, поэтому кривые стратификации и состояния не совпадают. Вследствие этого частичка, которая адиабатическое поднимается, на каждом уровне будет иметь температуру и плотность (Те, ρ_і), которые отличаются от температуры и плотности (То, ρ_е) окружающей среды.

В вертикальном направлении на каждом уровне на воздушную частичку единичного объема действуют две силы:

1. сила тяжести, которая направленная вниз и равняется gρ_и;

2. выталкивающая сила Архимеда, которая равняется gρ_е и направлена вверх.

Результирующая этих двух сил g(ρ_е - ρ_і) называется силой плавучести.

Если плотность частички, которая поднимается, меньшая, чем плотность окружающей среды ρ_е > ρ_и, то сила плавучести будет направлена вверх и частичка будет продолжать подниматься, если же ρ_е<ρ_и, то сила плавучести будет направлена вниз и частичка воздуха будет продолжать опускаться.

Сила плавучести на пути движения частички выполняет определенную работу. Поскольку энергия есть чем-то, что осуществляет работу, то энергия неустойчивости единичной массы воздуха в слое от уровня с давлением Р_о до уровня с давлением Р, равняется работе гидростатических сил, или проще, равняется работе, которую может осуществлять сила плавучести (сила Архимеда) при вертикальном перемещении массы воздуха.

d = g(ρ_e – ρ_і)d, (2.6)

где d - изменения энергии неустойчивости.

Заменив в (2.6) плотность воздуха его выражением из уравнения состояния и изменения высоты через изменение давления (из уравнения статики), запишем:

. (2.7)

Полную энергию неустойчивости в указанном выше слое воздуха можно определить за формулой:

(2.8)

Анализ этой формулы свидетельствует: если Т_е > Т_о, то есть температура частички воздуха, которая поднимается, выше температуры окружающей среды, то энергия неустойчивости будет положительной, если же Т_е < Т_о – то отрицательной, и, при этом, воздушная частичка может быть поднятой вверх лишь при условии получения энергии извне.

Из выше изложенного нетрудно установить связь между энергией неустойчивости и вертикальной скоростью, которую приобретает частичка воздуха, которая двигается вверх. Эта зависимость состоит в том, что вертикальная скорость частички воздуха (W), которая перемещается в неустойчиво стратифицированной атмосфере, при отсутствии трения равняется квадратному корню из удвоенной величины энергии неустойчивости.

Итак, энергия неустойчивости вызовет в неоднородной среде движение отдельных порций воздуха вверх и вниз. Движения отдельных масс внутри жидкости или газа, которые приводят к их перемешиванию и зависят от разности плотностей, называются конвекцией. Вообще, слово конвекция (сonvectio - перенесение) означает перенесение теплоты, массы и других физических свойств движущейся средой, например, потоками воздуха, пара или жидкости, которые возникают естественным путем (естественная конвекция) или создаются искусственно (вынужденная конвекция). Заметим, что в случае, если этот процесс происходит в горизонтальном направлении, то он называется адвекцией.

Ускорение конвекции - это такое ускорение частичек воздуха, которое они имеют при движении по вертикали, обусловленное неоднородностью плотностей отдельных порций воздуха на том или другом уровне. Ускорение конвекции можно рассчитать по формуле:

(2.9)

Данная формула свидетельствует, что, чем больше разность между температурами порции поднимающегося воздуха (Те), и окружающего воздуха (То), тем с большим ускорением эта порция воздуха будет подниматься вверх.