Żeby zrozumieć zagadnienie równowagi atmosfery należy poznać
podstawową zasadę dotyczącą relacji pomiędzy powietrzem ciepłym a
chłodnym.
Powietrze cieplejsze jest mniej gęste
od powietrza chłodniejszego, mniej gęste znaczy lżejsze - z tego
faktu wynika że powietrze cieplejsze w otoczeniu powietrza chłodniejszego
unosi się gdyż jest od niego lżejsze.
Z drugiej strony, powietrze chłodniejsze
jest bardziej gęste od powietrza cieplejszego, bardziej gęste znaczy
cięższe - z tego faktu wynika że powietrze chłodniejsze w otoczeniu
powietrza cieplejszego opada gdyż jest od niego cięższe.
Normalnie powietrze ochładza się z wysokością, inaczej mówiąc im
wyżej tym chłodniej. To jak szybko dana "paczka" powietrza
ogrzanego od podłoża ochłodzi się zależy od jej wilgotności.
powietrze
suche
|
powietrze
wilgotne
|
Powietrze suche (nienasycone) ochładza się o 1 st. C na 100
m wzniesienia - taki gradient
termiczny nosi miano sucho adiabatycznego.
|
Powietrze wilgotne (nasycone) ochładza się wolniej bo o 0,5
st. C na 100 m wzniesienia - jest to wilgotno adiabatyczny
gradient termiczny.
|
Posiadając przedstawione wyżej wiadomości można przejść do sedna
sprawy.
Aby określić stan równowagi atmosfery musimy znać aktualny (pionowy)
gradient
termiczny - określa on jak szybko ochładza się atmosfera w danych
warunkach.
Wyróżnia się trzy stany równowagi atmosfery:
- stan
równowagi stałej (atmosfera stabilna)
występuje kiedy aktualny gradient termiczny jest mniejszy od
wilgotno adiabatycznego (0,5 st. C / 100 m), tzn. spadek temperatury
wynosi np. 0,3 st. C na 100 m wzniesienia; w takich warunkach każda
paczka powietrza i tego suchego i tego wilgotnego stanie się
ostatecznie chłodniejsza od otoczenia i zacznie opadać (brak
warunków do konwekcji).
- stan
równowagi względnej
występuje gdy aktualny gradient termiczny jest pośredni między
sucho adiabatycznym (1 st. C / 100 m) a wilgotno adiabatycznym (0,5
st. C / 100 m) - wynosi np. 0,6 st. C / 100 m. Taki stan atmosfery
jest najczęściej spotykany. Wnoszenie nienasyconego powietrza w
tym stanie najczęściej powoduje front atmosferyczny lub topografia
terenu (góry) jeśli powietrze to jest dostatecznie wilgotne, na
pewnym poziomie staje się nasycone - dochodzi do kondensacji,
powstają chmury (opady). Taki proces często powoduje letnie burze
i opady.
- stan
równowagi chwiejnej (atmosfera niestabilna)
występuje jeśli aktualny gradient termiczny jest większy od sucho
adiabatycznego (1 st. C / 100 m), tzn. spadek temperatury wynosi np.
1,2 st. C / 100 m. Każdy blok powietrza w tym stanie atmosfery będzie
się stale unosić, gdyż zawsze będzie cieplejszy od otoczenia.
Taki stan atmosfery najczęściej ma miejsce w warstwie atmosfery
przy powierzchni ziemi w upalny i słoneczny dzień.
Rozpatrzmy poniższe przypadki. We wszystkich z nich aktualna
temperatura powietrza wynosi 16,0 st. C, a temperatura warstwy powietrza
zalegającego przy powierzchni ziemi równa jest 16,3 st. C. Zmienia się
aktualny gradient termiczny oraz rodzaj unoszącego się powietrza -
suche lub wilgotne. Na rysunkach kolorem zielonym zaznaczono temperaturę
powietrza (pionowy rozkład temperatury). Prostokąty reprezentują
warstwę wilgotnego / suchego powietrza unoszącego się do góry z
zaznaczeniem jego temperatury. Pamiętamy, że powietrze suche ochładza
się o 1 st. C / 100 m, a powietrze wilgotne o 0,5 st. C / 100 m.
Przypadek 1
aktualny gradient
termiczny: 0,4 st. C / 100 m (mniejszy od wilgotno adiabatycznego),
POWIETRZE WILGOTNE
Powietrze unosi się, ale tylko do wysokości 300 m - ma poziomie 400 m
zacznie opadać gdyż stanie się chłodniejsze od otoczenia.
STAN ATMOSFERY: równowaga stała
POWIETRZE SUCHE
W tym przypadku powietrze uniesie się tylko na wysokość ok. 100 m i
zacznie opadać, gdyż na tym poziomie jest już chłodniejsze od
otoczenia. I tutaj powstanie chmur jest raczej nikłe.
STAN ATMOSFERY: równowaga stała
Przypadek 2
aktualny gradient
termiczny: 0,6 st. C / 100 m (większy od wilgotno adiabatycznego, ale
mniejszy od sucho adiabatycznego)
POWIETRZE WILGOTNE
W tym przypadku warstwa powietrza będzie się stale unosić, gdyż
zawsze będzie cieplejsza od otoczenia. Taki stan prowadzi do
powstawania chmur i opadów.
STAN ATMOSFERY: równowaga względna (dla powietrza wilgotnego - równowaga
chwiejna)
POWIETRZE SUCHE
Podobnie jak w Przypadku 1 powietrze już na wysokości 100 m zacznie
opadać. Jeśli jednak istnieje jakiś mechanizm wznoszący czy to w
postaci frontu, czy w postaci gór, może tutaj dojść do dalszego
wznoszenia tego suchego powietrza, co w rezultacie może doprowadzić do
kondensacji i powstania chmur często z opadami.
STAN ATMOSFERY: równowaga względna (dla powietrza suchego - równowaga
stała)
Przypadek 3
aktualny gradient
termiczny: 1,2 st. C / 100 m (większy od wilgotno adiabatycznego),
POWIETRZE WILGOTNE
W tym przypadku warstwa powietrza będzie się stale unosić, gdyż
zawsze będzie cieplejsza od otoczenia. Taki stan prowadzi do
powstawania chmur i opadów.
STAN ATMOSFERY: równowaga chwiejna
POWIETRZE SUCHE
Podobnie jak w przypadku powietrza wilgotnego w tym stanie atmosfery
powietrze będzie się stale unosić. Jenak warto zauważyć, że różnica
temperatur pomiędzy otoczeniem a unoszącą się masą powietrza jest
mniejsza niż w przypadku powietrza wilgotnego - objawia się to słabszą
zdolnością do wnoszenia się tej masy powietrza.
STAN ATMOSFERY: równowaga chwiejna
Procesy
prowadzące do powstania równowagi chwiejnej
Każdy proces, który powoduje powstawanie chłodniejszego powietrza na
większych wysokościach i cieplejszego na mniejszych przyczynia się do
zmniejszenia stabilności atmosfery.
- ogrzewanie powietrza
od gruntu - słońce ogrzewając grunt ogrzewa powietrze przy nim
zalegające, a to powoduje, że powietrze ciepłe znajduje się w
dolnej warstwie atmosfery poniżej chłodnego.
- ciepła adwekcja
przy gruncie - napływ ciepłego powietrza nad dany obszar powoduje
podwyższenie temperatury przy powierzchni ziemi.
- chłodna adwekcja w
wyższych warstwach atmosfery - napływ chłodnego powietrza w górne
warstwy atmosfery powoduje, że powietrze jest tam chłodniejsze od
tego poniżej.
Procesy
prowadzące do powstania równowagi stałej
Każdy proces, który powoduje powstawanie cieplejszego powietrza na większych
wysokościach i chłodniejszego na mniejszych przyczynia się do
zwiększenia stabilności atmosfery.
- ochłodzenie z
wypromieniowania - występuje podczas spokojnych i bezchmurnych
nocy, kiedy powietrze przy gruncie ochładza się szybciej niż
warstwy powyżej (na skutek wypromieniowania ciepła) i w rezultacie
chłodniejsze powietrze zalega przy gruncie.
- chłodna adwekcja
przy gruncie - napływające zimne powietrze powoduje szybszy spadek
temperatury przy gruncie niż na większych wysokościach.
- ciepła adwekcja w górnych
warstwach atmosfery - kiedy ciepłe powietrze napływa na wyższe
warstwy atmosfery i powoduje podwyższenie temperatury na większych
wysokościach (podczas gdy poniżej temperatura jest niższa).
|