Інверсія температури

В атмосфері майже завжди спостерігаються шари інверсії, інколи їх буває декілька. Як і кожен шар з стійкою стратифікацією, інверсії виявляються перешкодою для розвитку в атмосфері конвективних рухів і тому отримали назву затримуючих шарів.

Інверсії зустрічаються як у земної поверхні, так і у вільній атмосфері. В залежності від походження розрізняють два види приземних інверсій: радіаційні й адвективні.

1. Радіаційні інверсії виникають у результаті випромінювання земної поверхні. Від охолодженої поверхні остуджуються і прилеглі до неї шари повітря, а по мірі віддалення від неї угору температура може зберегтися більш високою.

Такі інверсії починають розвиватися увечері, після заходу сонця. Протягом ночі вони посилюються та досягають максимуму (за потужністю шару і за стрибком температури) зранку. Після сходу сонця ґрунт, а разом з ним і прилегле повітря прогріваються й інверсія руйнується.

Потужність шару такої інверсії може бути від декількох десятків до декількох сотень метрів.

Сприятливими для розвитку радіаційних інверсій є тихі ясні ночі. Хмарний покрив зменшує нічне охолодження, тому він не сприяє утворенню інверсії. Розвитку високих інверсій стає у пригоді слабкий (до 2–3 м/сек) вітер. Під час повної відсутності вітру інверсія обмежується дуже тонким шаром повітря, безпосередньо прилягаючого до ґрунту. Великі швидкості вітру викликають більш підсилену турбулентність, яка руйнує інверсію, збільшуючи обмін між нижніми та верхніми шарами повітря.

Взимку в ясну погоду, коли охолодження підстилаючої поверхні із дня в день росте, інверсія може зберігатися декілька діб і навіть тижнів. Розвивається вона по вертикалі на декілька сотень метрів, а інколи і понад 1,5 км.

Особливо посилюються радіаційні інверсії в умовах різко вираженого рельєфу. Охолоджене повітря стікає в низини та котловини. Тут (на дні котловини) його подальшому охолодженню сприяє послаблений обмін. Над холодним повітрям розміщується більш тепле. Інверсії, пов’язані з особливостями орографії, називаються орографічними.

2. Адвективні інверсії утворюються, коли більш тепле повітря притікає на холодну підстилаючу поверхню. Прикладом може слугувати в зимовий час прихід теплого повітря з моря на холодний материк або в район холодної морської течії. Нижні шари теплого повітря охолоджуються від холодної підстилаючої поверхні, й тут спостерігаються потужні інверсії.

До адвективних інверсій відносяться і так названі снігові або весняні інверсії, що утворюються під час надходження теплого повітря (з температурою вище 0°) на поверхню, вкриту снігом. Поки не розтане увесь сніг, температура нижнього шару повітря утримується біля 0°, оскільки на танення снігу витрачається велика кількість тепла. В той же час на великих висотах зберігаються більш високі температури.

Адвективні інверсії в денний час виявляються слабо. Вночі ж, навпаки, вони посилюються радіаційним охолодженням.

За умовами утворення у вільній атмосфері розрізняють наступні види інверсій: а) інверсії турбулентності; б) стиснення або осідання; в) фронтальні.

а)інверсії турбулентності виникають на висоті декількох сотень метрів над земною поверхнею, на межі шару тертя, де інтенсивно розвивається турбулентний обмін. Тут завдяки цьому шар повітря має градієнти близькі до адіабатичних, що призводить до сильного охолодження повітря у верхній частині шару. Над охолодженою частиною шару турбулентного перемішування температури залишаються більш високими, що і викликає утворення інверсій.

Вертикальна потужність таких інверсій невелика – декілька десятків метрів. Рівень початку інверсій непостійний: він змінюється з розвитком турбулентності. Ці інверсії в нічні години посилюються завдяки радіаційному охолодженню шару турбулентного перемішування.

б)інверсії стиснення або осідання утворюються в антициклонах, тобто в областях підвищеного тиску, в центрі яких повітря спускається та повільно розтікається до периферії. Опускання повітря не досягає землі, а закінчується на деякій висоті та переходить тут у розтікання по горизонталі.

Уявимо деяку масу повітря ABCD (рис. 9.4) товщиною в h м, яка опускається адіабатично вниз.

Рис. 9.4. Схема утворення інверсії стиснення.

Під час потрапляння в шар з великим тиском об’єм цієї маси буде зменшуватися. Крім того, опускання маси супроводжується розтіканням повітря в горизонтальному напрямку. В новому розміщенні маса приймає положення A'B'C'D', товщина якої h₁.

Позначимо потенційну температуру на нижньому та верхньому рівнях маси в її початковому положенні через і , при чому , оскільки маса має стійку стратифікацію. В новому положенні потенційну температуру маси відповідно позначимо через і .

Ми знаємо, що під час адіабатичного опускання Θ залишається постійною, тому

і (9.15)

А градієнт потенційної температури в початковому положенні буде дорівнювати

, (9.16)

після опускання він прийме вигляд:

, (9.17)

але .

Отже, після опускання повітряної маси збільшується та може стати більше 1,0° на 100 м. Це зростання потенційної температури має місце під час інверсії. Як ми вже зазначали, таке опускання повітря не розповсюджується до самої земної поверхні. Таким чином, шар інверсії стиснення звичайно виникає у вільній атмосфері.

в)фронтальні інверсії пов’язані з фронтальними поверхнями, що розділяють холодні та теплі маси повітря. Холодне повітря завжди розміщується знизу у вигляді гострого клина, а тепле натікає на холодне уздовж поверхні фронту. Тому над фронтальною поверхнею завжди знаходиться більш тепле повітря, ніж під нею.

З складних типів інверсій найбільш розповсюджені та добре вивчені зимові інверсії, що представляють собою сполучення інверсій радіаційних й інверсій стиснення. У зимовий час над континентами, особливо при наявності снігового покриву, два процеси: радіаційне охолодження й антициклонне осідання повітряної маси, взаємно посилюють один одного.

Дата добавления: 2014-01-04