Температурные градиенты. Стабильность и нестабильность атмосферы.

Очень часто мы слышим слово “градиент” от парапланеристов, давайте вкратце посмотрим, что это за понятие такое и какие они бывают, эти “градиенты”.

Графики изменения температуры от высоты, в метеорологии часто называют градиентом температуры  (в математике “градиент” – вектор указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины, а по модулю равный скорости роста этой величины в этом направлении, в естественных науках же, например метеорологии, градиент температуры — увеличение или уменьшение по какому-то направлению температуры среды и т. д. ).

Причем таких градиентов существует несколько. Например адиабатический градиент (АГ) –  вертикальный градиент температуры в идеальном газе, находящемся в состоянии гидростатического равновесия в поле силы тяжести в адиабатических условиях. В метеорологии направление вертикального градиента воздуха принято противоположным относительно направления градиента, определённого в математике. Например величину   называют «сухоадиабатический градиент (САГ)» (температуры), он же DALR (Dry Adiabatic Lapse Rate) он же Гd..  Он идет со знаком “+”, хотя и показывает направление УМЕНЬШЕНИЯ температуры с высотой в сухоадиабатических условиях (при отсутствии конденсации влаги).

Адиабатический процесс в атмосфере – объем воздуха расширяется и охлаждается, или сжимается и нагревается, при условии отсутствия обмена теплом с окружающей средой.

Если процессы идут с фазовым переходом атмосферной влаги то градиент называется  «влажноадиабатический градиент (ВАГ)» (температуры), он же SALR (Saturated Adiabatic Lapse Rate) и он же wet adiabat, moist adiabatic lapse rate (MALR) он же Гm. ВАГ сильно зависит от температуры воздуха и давления, усредненное значение в районе 5 градусов K на км., но в очень холодном воздухе ВАГ приближается к САГ.

t, oC 40 20 10 0 -10 -20 -30
1000мб 0,32 0,44 0,54 0,66 0,78 0,88 0,98
500мб 0,26 0,34 0,41 0,52 0,66 0,78 0,93

 

Усредненный по тропосфере (до 11 км высоты) градиент называют – стандартным градиентом атмосферы (СГ) или ISAELR (International Standard Atmosphere Environmental Lapse Rate) в ИКАО его принимают 6.49 градусов K на км.

 

Но это все усредненные градиенты и градиенты описывающие физические свойства воздуха, нас же больше интересует РЕАЛЬНОЕ состояние атмосферы “здесь и сейчас”,  то есть истинное изменение температуры с высотой.

 

Так вот текущий, истинный градиент температуры –  всегда изменяется с высотой. По сути температурный градиент это скорость изменения температуры, а значит это лишь разница между температурой на разных высотах, разделенная на расстояние по этим высотам (помним что в метеорологии направление градиента берется “вверх”). То есть фактический градиент считается на каких то отрезках высот, и по разным отрезкам он – разный и на графике температуры от высоты, градиент виден как наклон этого графика.

Кривая изменения температуры по высоте называется – кривой стратификации (КС) или атмосферным градиентом или ATM ELR (Atmospheric Environmental Lapse Rate).

Строится она по результатам исследования (зондирования) атмосферы метеорологическими шарами – зондами. (Отсюда часто название кривой – Sounding).

Запуск метеозонда

Зонд поднимаясь вверх делает измерения температуры и влажности на разных уровнях высоты. Обязательно измерения на уровнях  стандартных давлений называемые – “стандартными поверхностями”, например давления 925, 850,700, 500, 400 гПа, но часто измерения более частые, что делает данные об атмосфере более точными. Начинается измерение с высоты запуска зонда (уровень земли в данной точке) и кончается в стратосфере. Точки измерения наносят на специальный бланк (Аэрологическая диаграмма) и соединяют отрезками, которые как раз и дают атмосферные градиенты между разными высотами.  Соединенные точки на бланке аэрологической диаграммы называют  –  Кривая Стратификации атмосферы (КС). (хотя она конечно не совсем “кривая” – а ломанная линия)

Пример Кривой Стратификации (Temperature profile) на бланке АД (Тепиграмы)

Подробнее о Кривой Стратификации будет в статье “Анализ аэрологических диаграмм”, и “Инверсия” , а теперь давайте поговорим о стабильности и нестабильности и об соотношениях между атмосферным градиентом (кривой стратификации) и других градиентов.

Стабильность и нестабильность.

Соотношения между Атмосферными Градиентами на участках кривой стратификации и САГ и ВАГ расскажут нам о характере атмосферы – стабильна или не стабильна она.

Что такое стабильное или нестабильное состояние? Проще всего пояснить это на аналогии с состоянием шарика на какой-то поверхности. Оценка его состояния (положения) сводится к оценке действий шарика после разового воздействия на него (выведения из равновесия, например толчка).

  • Стабильное (устойчивое) состояние шарика – если после снятия воздействия шарик вернется в исходное положение (то есть после изменения его положения возникнет разница сил, которая вызовет воздействие на шарик, пока не приведет его в исходное положение, где силы уравновешены). В примере аналогии это сила тяжести, сила трения и сила реакции опоры. Шарик после толчка – остановится в исходной точке после погашения начального воздействия за счет трения.

  • Нестабильное (неустойчивое) состояние – шарик покатится и будет продолжать катится с ускорением, так как на него продолжит действовать разница в силах.

  • Нейтральное состояние  – шарик покатится, но при снятии внешнего воздействия, остановится (после погашения начального воздействия за счет трения) но уже в другой, отличной от начальной точке.

 

Вернемся теперь к атмосфере, она, как и наш шарик, тоже может иметь 3 состояния, в зависимости от того, что произойдет с объемом воздуха (пузырем) если сдвинуть его, например вверх или вниз, вот только силы, действующие на объем воздуха будут другие, это – сила Архимеда (плавучести), сила тяжести, и сила трения (в случае воздуха – вязкостного).

Например, если сдвинуть объем воздуха вверх, то атмосфера будет:

  • Стабильная (объем воздуха, в итоге, вернется на прежний уровень)
  • Нестабильная (объем воздуха продолжит движение в заданном направлени)
  • Нейтральная (объем воздуха остановится, но новом уровне)

Конечно в реальной атмосфере, из-за присутствия силы трения, перемешивания с окружающим воздухом и теплообменом, в стабильной атмосфере объем воздуха – не вернется сразу точно на прежний уровень а будет колебаться, а в нестабильной, не может все время двигаться с ускорением (в какой-то момент сила трения уравновесит разницу между силой Архимеда и тяжести, и ускорение – прекратится). Но обычно, в метеорологии, в анализе стабильности, этими явлениями  пренебрегают.

Анализ нестабильности атмосферы.

Анализ стабильности атмосферы проводят сравнивая градиенты атмосферы со стандартными градиентами САГ (сухоадиабатическим) и ВАГ (влажноадиабатическим). Если подъем/опускание воздуха происходит без конденсации влаги (его температура выше точки росы) то атмосферный градиент сравнивается с сухоадиабатическим. Если атмосферный градиент находится между САГ и ВАГ, то такое состояние атмосферы называют кавазистабильным, так как пока движение воздуха происходит без конденсации – условия стабильные, а если начинается конденсация влаги и атмосферный градиент больше чем ВАГ то условия становятся не стабильными.

Еще раз наглядно:

  • Нестабильные условия – Атмосферный градиент (ELR) – больше чем сухоадиабатический (DALR) – пузырь воздуха изменяет свою температуру при перемещении медленнее чем окружающий воздух, пузырь будет двигаться с ускорением в направлении сдвижки. Такой атмосферный градиент еще называют суперадиабатическим (СуперАГ).

 

  • Стабильные условия – Атмосферный градиент (ELR) – меньше чем сухоадиабатический (DALR) и влажноадиабатический (SALR) – пузырь воздуха изменяет свою температуру при перемещении быстрее чем окружающий воздух, пузырь будет двигаться с ускорением в направлении сдвижки  –

 

  • Нейтральные условия – Атмосферный градиент (ELR) – равен сухоадиабатическому (DALR) (сухие нейтральные условия) или Атмосферный градиент (ELR) – равен влажноадиабатическому (SALR) (влажные нейтральные условия). Пузырь воздуха изменяет свою температуру при перемещении так же, как окружающий воздух, пузырь остановится, после прекращения воздействия.

 

  • Квазистабильные  (условно нестабильные/стабильные) условия, находятся между сухими и влажными нейтральными условиями. Атмосферный градиент (ELR) – меньше сухоадиабатического (DALR), но больше влажноадиабатического (SALR). Пузырь воздуха изменяет свою температуру при перемещении по сухоадиабатическому градиенту до начала конденсации, а потом по влажноадиабатическому градиенту. Поэтому до начала конденсации условия будут стабильными и пузырь вернется на начальный уровень, но если начался процесс конденсации условия станут НЕСТАБИЛЬНЫМИ и пузырь продолжит движение.

 

Важный момент! Если в воздухе начался процесс конденсации то происходит разрыв характеристик при подъеме и при опускании, так как процесс конденсации (выпадения влаги) при перемещении вверх – может идти быстро, и “скрытое тепло” выделяется тоже быстро, перемещение воздуха идет по влажноадиабатическому градиенту, а вот процесс испарения влаги, с поглощением тепла, при обратном движении уже происходит намного медленнее, влага не успевает быстро испарятся с поверхности капелек. Часть капель изымается в виде осадков, часть выпадает в нижележащие слои и испаряется уже там, а те что остаются в объеме который начал опускание тоже не испаряются мгновенно, при опускании такого объема воздуха с капельками, воздух вначале нагревается практически сухоадиабатически, а капельки испаряются чуть позже, выравнивая его температуру. Поэтому, “космы с капельками” могут какое-то время висеть и ниже базы облака.

 

Так как кривая стратификации (ломанная) состоит из отрезков разных градиентов, то и состояние атмосферы может быть разным в разных слоях воздуха по высоте.

Рассмотрим график ниже. Кривая стратификации (данные зондирования атмосферы (Sounding)) тут обозначена красным, сухоадиабатический градиент представлен зеленым пунктиром, а температуры (изотермы) – сиреневыми сплошными линиями (косоугольные координаты).

Рассмотрим участок по высоте от 1050 до 1000 гПа.

Отрезок Кривой стратификации круче наклонен влево чем линия сухоадиабатического градиента. Значит на этом участке атмосферный градиент суперадиабатический, он больше сухоадиабатического – условия нестабильные (unstable)

Участок атмосферы с нестабильными условиями

Участок по высоте от 1000 до 890 гПа.

Отрезок Кривой Стратификации тут имеет тот же  наклон что и линия сухоадиабатического градиента. Значит на этом участке атмосферный градиент  сухоадиабатический – условия атмосферы – нейтральные (neutral)

Участок атмосферы с нейтральными условиями

Участок по высоте от 890 до 870 гПа.

Отрезок Кривой Стратификации имеет наклон больше вправо чем линия сухоадиабатического градиента. Более того, он имеет наклон больше вправо чем даже линия изотермы, а значит на этом участке атмосферный градиент изменяет знак – инвертирован. Условия атмосферы – очень стабильные так как это зона температурной инверсии.

Участок атмосферы с очень стабильными условиями (инверсия)

Участок по высоте от 870 до 750 гПа.

Отрезок Кривой Стратификации имеет наклон больше вправо чем линия сухоадиабатического градиента. Условия атмосферы – стабильные (stable).

Участок атмосферы со стабильными условиями

Резюмируя, хочется отметить, что стабильность/нестабильность не управляет погодой – будет ли воздух подниматься или тонуть, она управляет тем – будет ли ПОДНИМАЮЩИЙСЯ воздух продолжать подниматься или ОПУСКАЮЩИЙСЯ воздух продолжать опускаться и с каким ускорением.

 

Для оценки что именно буде происходить с объемом воздуха, температура которого отличается от температуры окружающей среды, важно знать его начальную скорость, влажность и закон изменения температуры окружающей среды (Кривую стратификации).

Про непосредственный анализ аэрологических диаграмм мы поговорим в следующий раз, но понимание явлений стабильности и нестабильности и термодинамических законов по которым происходит изменение состояние воздуха (градиентов), – это база, без которой нельзя двигаться дальше.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться статьей в социальных сетях

Line Para2000.ru

Добавить комментарий

Ближайшая лекция. (не назначено)