Адіабатичні процеси в атмосфері

Зміна температури з висотою характеризується вертикальним температурним градієнтом, який позначається грецькою літерою γ.

Вертикальним температурним градієнтом називається величина, яка змінює температуру на кожні 100 м висоти: γ = ΔТº/100 м. Градієнт прийнято рахувати додатнім, якщо температура з висотою зменшується, та від’ємним, якщо температура з висотою збільшується.

Вертикальний температурний градієнт інколи називають геометричним, оскільки він характеризує вертикальний розподіл температури в атмосфері – термічну (температурну) стратифікацію атмосфери. Вертикальний температурний градієнт у різних шарах атмосфери може мати різні значення. Середню величину його для всієї тропосфери приймають рівною 0,6º. Але в тонкому приземному шарі повітря він може мати значно більші значення (в окремих випадках десятки та сотні градусів). У деяких шарах атмосфери вертикальний температурний градієнт зменшується до нуля, інколи приймає від’ємне значення.

Шар повітря, в якому температура з висотою не змінюється (γ=0), називається шаром ізотермії. Шар повітря, в якому температура з висотою зростає (γ<0), називається шаром інверсії.

Вирішальну роль у розповсюдженні тепла в атмосфері відіграє вертикальний обмін – рухи повітря вгору та вниз. Деякий об’єм повітря нагрівається від підстилаючої поверхні, стає легше оточуючого, підіймається вгору та передає тепло шарам, які розташовані вище. Таким чином, тепло може переміщуватися на значну висоту. Ця висота, однак, має межу, оскільки повітря буде підійматися лише до тих пір, поки воно легше оточуючого, тобто поки його температура не стане рівною температурі останнього. Але часто вертикальні рухи в атмосфері виявляються настільки швидкими, що теплообмін між піднімаючою масою повітря й оточуючим середовищем настільки малий, що ними можна знехтувати.

Процеси, при яких зміна стану якого-небудь тіла або ж об’єму повітря проходить без отримання тепла та без віддачі його оточуючому простору, називаються адіабатичними. Атмосферні процеси, суворо кажучи, не є чисто адіабатичними, особливо в самому нижньому, приземному шарі, де повітря знаходиться в безпосередній близкості до джерела нагрівання. Але в багатьох випадках ці процеси можна рахувати адіабатичними.

Адіабатичний процес, який протікає в сухому або у вологому ненасиченому повітрі, називається сухоадіабатичним. Виділимо уявно деякий об’єм сухого повітря, що піднімається в атмосфері. Потрапляючи в більш розріджені шари, він розширюється та тим самим спричиняє роботу, на яку витрачає деяку кількість енергії. Без припливу тепла ззовні робота розширення повітря виробляється за рахунок внутрішньої теплової енергії даної маси повітря, в результаті чого її температура зменшується. При опусканні повітря потрапляє в шари зі збільшеним тиском і стискається за рахунок роботи зовнішніх сил. Це збільшує запас внутрішньої енергії маси повітря, та температура її підвищується. Таким чином, при адіабатичному піднятті маси повітря температура його знижується (динамічне охолодження), а при адіабатичному опусканні – підвищується (динамічне нагрівання).

Зв’язок між змінами температури та тиску при сухоадіабатичних процесах в атмосфері виражається рівнянням Пуассона:

, (9.1)

де р і Т – тиск і абсолютна температура маси повітря при адіабатичній зміні її стану, і - початкові величини тиску та температури.

Мірою охолодження (або нагрівання) сухого повітря під час його адіабатичної зміни слугує сухоадіабатичний градієнт.

Сухоадіабатичним градієнтом γа називається зміна температури сухого або ненасиченого парою повітря при піднятті або опусканні його на кожні 100 м. Величину сухоадіабатичного градієнта можна знайти наступним чином. З фізики відомо, що пониження температури при адіабатичному розширенні маси повітря виражається формулою

, (9.2)

де ∆Т – пониження температури повітря при зміні тиску ∆р, А – тепловий еквівалент механічної роботи, – питомий об’єм повітря, - теплоємність повітря при постійному тиску.

Питомий об’єм газу є величина, обернена до щільності, тобто , а із головного рівняння статики , підставляючи в формулу (9.2) величини і , отримаємо

, (9.3)

звідки

. (9.4)

Підставляючи значення А = ккал, = 0,239 кал/град, g = 980,6 см/с² і Δz = 1 см у формулу, отримаємо –∆Τ = 0,000098 град/см, а при зміні висоти на 100 м змінення температури, тобто сухоадіабатичний градієнт, буде дорівнювати

– ≈ 1 град /100 м. (9.5)

Знак мінус означає, що температура зі збільшенням висоти зменшується.

Величина сухоадіабатичного градієнта, обчислена для сухого повітря, використовується і для вологого повітря у випадку, коли воно ненасичене водяною парою. Якщо відома початкова температура сухої або ненасиченої маси повітря, що підіймається, то, користуючись величиною сухоадіабатичного градієнта, можна обчислити її температуру на будь-якій висоті z із рівності

, (9.6)

де z – висота в метрах, - початкова температура повітря, що підіймається, - температура його на висоті z.

Зміну температури в сухому повітрі, що адіабатично підіймається (або опускається), можна графічно показати прямою лінією, що називається адіабатою сухого повітря, або сухою адіабатою. Дійсно, формула (9.6) представляє собою рівняння прямої лінії. Якщо на осі абсцис відкладати температуру повітря, а на осі ординат – висоту, причому відкладати 1° і 100 м в одному масштабі, то суха адіабата буде нахилена до осі температур під кутом 45° (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Адіабата сухого повітря.

Під час адіабатичних переміщень повітряної маси її температура змінюється в залежності від тиску, під який вона потрапляє. При цьому може трапитися, що одна маса, яка володіє більш низькою температурою, але знаходиться вище другої, прийде вниз з більш високою температурою, порівняно з теплою масою. Щоб мати можливість порівнювати між собою теплові стани різних повітряних мас, вводять поняття потенційної температури.

Потенційною температурою Θ називається температура, яку набуде сухе повітря, якщо його адіабатично привести до стандартного тиску, умовно приймаючого рівним 1000 мб.

Значення Θ можна отримати із формули Пуассона , прирівнявши Т = Θ і р = 1000 мб, звідки

, (9.7)

або

, (9.8)

де і - тиск і абсолютна температура даної маси повітря, Θ – шукана потенційна температура (в абсолютній шкалі).

Можна також отримати значення потенційної температури за формулою

, (9.9)

де z – висота даної маси повітря над тим рівнем, де спостерігається тиск 1000 мб.

Наприклад, повітряна маса з температурою 12,0º знаходиться на висоті 200 м. Тоді потенційна температура цієї маси буде дорівнювати 14,0º:

.

Важливо пам’ятати, що при адіабатичних переміщеннях сухого або ненасиченого повітря його потенційна температура не змінюється.

Дата добавления: 2014-01-04