Величина вологоадіабатичного градієнта залежно від температури та тиску

р (мб)	Температура (град.)
-20	-10		+10	+20
	0,87 0,86 0,85 0,83 0,77	0,77 0,75 0,73 0,72 0,64	0,65 0,64 0,62 0,59 0,52	0,53 0,52 0,50 0,47 0,41	0,44 0,42 0,40 0,38 0,33

З таблиці бачимо, що при високих температурах, тобто при великих значеннях пружності насиченої пари, величина вологоадіабатичного градієнта зменшується, так як при конденсації в цьому випадку виділяється велика кількість прихованої теплоти, яка уповільнює зниження температури в масі насиченого повітря, що піднімається. При зниженні температури вологовміст зменшується, в результаті чого величина вологоадіабатичного градієнта збільшується.

Зі зменшенням атмосферного тиску величина вологоадіабатичного градієнта зменшується, так як зменшується щільність повітря, а отже, і його теплоємність.

Якщо деяка маса насиченого повітря піднімається вгору, то по мірі піднімання її температура та тиск неперервно зменшуються, але зниження температури впливає на величину вологоадіабатичного градієнта більше, ніж зменшення тиску. Тому в процесі підняття на великі висоти насиченого повітря кількість прихованої теплоти, що виділяється, буде зменшуватися, а значення вологоадіабатичного градієнта почне збільшуватися, наближуючись до 1º на 100 м.

Криві, що характеризують зміни температури в залежності від висоти при адіабатичному піднятті насиченої пари, називаються вологими адіабатами. Вологі адіабати, на відміну від сухих, являються кривими лініями, тому що величина вологоадіабатичного градієнта при піднятті маси повітря зростає. На рис. 11.1 показані такі адіабати, також тут для порівняння нанесені пунктиром сухі адіабати.

Рис. 11.1. Вологі адіабати

Повітря на поверхні землі звичайно буває насиченим водяною парою, тому при піднятті маси такого повітря до рівня конденсації температура її знижується по сухій адіабаті на 1º на 100 м; при подальшому піднятті зміна температури відбувається вже по вологій адіабаті. Крива зміни стану повітря при його адіабатичному піднятті називається кривою стану. Таким чином, крива стану в нижній своїй частині до рівня конденсації представлена у вигляді сухої адіабати (рис. 11.2), а у верхній частині – у вигляді вологої адіабати.

Рис. 11.2. Крива стану

Умови вертикальної стійкості в насиченому повітрі визначаються співвідношенням величин вологоадіабатичного та вертикального температурних градієнтів.

1. Якщо величина температурного градієнта менше вологоадіабатичного, то стан атмосфери абсолютно стійкий як для сухого, так і для насиченого повітря; наприклад:

γ = 0,5º, γ_в = 0,6º, γ_а = 1,0º

2. Якщо величина вертикального температурного градієнта більше вологоадіабатичного та більше сухоадіабатичного градієнтів, то стан атмосфери абсолютно нестійкий; наприклад:

γ = 1,3º, γ_в = 0,7º, γ_а = 1,0º

3. Якщо величина вертикального температурного градієнта менше сухоадіабатичного, але більше вологоадіабатичного, то такий стан атмосфери називають вологонестійким; наприклад:

γ = 0,8º, γ_в = 0,5º, γ_а = 1,0º

Визначати стратифікацію атмосфери можна графічним методом. Для цього потрібно побудувати криву стратифікації (кривою стратифікації називають криву розподілу температури повітря в залежності від висоти чи тиску за даними аерологічних спостережень) і криву стану. Якщо крива стратифікації розташована вище вологої адіабати, то стан атмосфери абсолютно стійкий. Якщо крива стратифікації розташована нижче сухої адіабати, то стан атмосфери абсолютно нестійкий. У тому випадку, коли крива стратифікації розташована між сухою та вологою адіабатами, - стан атмосфери вологонестійкий.

На рис. 11.3 представлено випадок вологонестійкого стану атмосфери.

Рис. 11.3. Вологостійкий стан атмосфери

Слід відзначити, що в атмосфері при висхідних рухах повітря звичайно продукти конденсації не залишаються в масі повітря, що піднімається, а випадають з неї у вигляді опадів. При цьому вологовміст повітря зменшується, а величина вологоадіабатичного градієнта збільшується. Якщо вказана маса повітря почне опускатися вниз, то її температура буде змінюватися по сухій адіабаті та зростати швидше, ніж вона знижувалася на тих же рівнях при піднятті. В цьому випадку маса повітря повертається до початкового рівня з більш високою температурою, ніж початкова. Такий процес являється необоротним і називається псевдоадіабатичним.

Псевдоадіабатичні процеси часто спостерігаються у природі, особливо при переході повітря через гірські хребти.

Еквівалентна, еквівалентно-потенційна та псевдопотенційна температури. При характеристиці сухоадіабатичного процесу казали про те, що потенційна температура при адіабатичному піднятті чи опусканні сухого чи ненасиченого повітря залишається постійною.

У випадку вологоадіабатичного підняття повітря потенційна температура зростає за рахунок виділення прихованої теплоти конденсації й, отже, не є показником для характеристики повітряної маси при адіабатичному процесі в насиченому водяною парою повітрі.

При вологоадіабатичних процесах використовуються інші температурні характеристики, такі як еквівалентна, еквівалентно-потенційна та псевдопотенційна температури.

Еквівалентною температурою (Т_е) називається така температура, яку прийняла б маса вологого повітря, якщо б вся водяна пара, що знаходиться в ній, сконденсувалася та тепло, що при цьому виділиться, пішло на нагрівання повітря цієї маси при незмінному тиску:

, (11.11)

а Δ Т, тобто приріст температури, який отримує дана маса від конденсації водяної пари, дорівнює ; це означає, що

, (11.12)

де Т – молекулярна температура даної маси повітря, s – питома вологість, L – теплота конденсації, с_р – питома теплоємність сухого повітря при постійному тиску.

Як відомо, L = 597 кал / г при t = 0º, с_р = 237 кал / кг град.

Отже,

. (11.13)

Звідси еквівалентна температура

. (11.14)

Якщо водяна пара в даній масі повітря переходить відразу в твердий стан, тобто сублімується, то потрібно враховувати приховану теплоту плавлення L =(597+80) кал / г, при цьому

. (11.15)

З виведеної формули бачимо, що еквівалентна температура залежить від абсолютної температури, вологовмісту маси повітря та характеризує загальний запас теплоти, що міститься в ній. З цього слідує, що вологе повітря володіє більшою внутрішньою енергією, ніж сухе, за рахунок прихованої теплоти конденсації.

Якщо повітря з певною еквівалентною температурою привести адіабатично до стандартного тиску 1000 мб, то воно буде мати температуру, яка називається еквівалентно-потенційною. Еквівалентно-потенційна температура Q _е визначається за формулою Пуассона, в якій замість Т підставляємо Т_е:

(11.16)

чи

. (11.17)

Це означає, що

. (11.18)

Подібно до того, як ми прийшли до висновку, що потенційна температура не змінюється при сухоадіабатичних процесах, можна стверджувати, що еквівалентно-потенційна температура не змінюється при вологоадіабатичних процесах.

В атмосфері часто відбуваються псевдоадіабатичні процеси, коли конденсація відбувається при змінному тиску. Нехай деяка маса повітря адіабатично піднімається до тих пір, поки вся водяна пара, що міститься в ній, сконденсується та випаде у вигляді опадів. Потім повітря, позбавлене водяної пари, опуститься до рівня стандартного тиску. Температура, яку набуває при цьому повітря, називається псевдопотенційною. Вона мало відрізняється від еквівалентно-потенційної температури, але завжди буде вище останньої.

Псевдопотенційна температура при псевдоадіабатичному процесі не змінюється. Вона не змінюється ні при конденсації водяної пари, ні при зміні атмосферного тиску. Тому псевдо-потенційна температура являється найбільш консервативною властивістю водяної маси та характеризує весь запас її теплової енергії.

Дата добавления: 2014-01-04