Понять небо

Стабильность и нестабильность воздуха — это состояния атмосферы, которые мы должны изучить очень глубоко, чтобы понять, как возникают восходящие термические потоки. Но, во-первых, мы должны нарисовать профиль или градиент температуры воздуха. Как упоминалось ранее, воздух нагревается от земли. С высотой уменьшается плотность атмосферы. Комбинация этих двух факторов создает нормальную ситуацию с более теплым воздухом у поверхности и постепенно охлаждающимся с увеличением высоты. Посмотрите на рисунок 11. Кривая на графике А показывает идеальный профиль температуры или градиент "нормальной" атмосферы.

Атмосфера исключительно редко бывает нормальной, но это градиент, усредненный по всей поверхности земного шара. Это среднее значение градиента называется стандартным градиентом (СГ) и предполагает уменьшение температуры на 2 °C на каждые 300 м увеличения высоты.

Теперь посмотрите на график В. Это более реальная ситуация в ночное время. Здесь мы видим, что воздух более холодный у земли из-за контакта с охлажденной поверхностью. Это положение дел называется приземной инверсией и типично для ночи.

Рис. 11.Градиент температуры

Приземная инверсия может распространяться вверх до высот 300 м и даже более при наличии ветра и интенсивного перемешивания слоев. Слово инверсия обозначает тот факт, что температура воздуха увеличивается или, по крайней мере, не уменьшается с увеличением высоты, как на графике стандартной атмосферы. Воздух в инверсионном слое стабилен. С увеличением высоты, как показано на графике, температура уменьшается и, примерно, на 1500 м второй слой инверсии.

Дневная ситуация очень похожа на изображенную на графике С. Здесь мы видим, что у земли воздух более теплый, чем на стандартном распределении. Это связано с тем, что в течение дня земная поверхность прогревается и отдает свое тепло воздуху, который, поднимаясь, согревает верхние слои. Прерывистая линия на графиках В и С показывает уменьшение температуры по времени в течение ночи и увеличение ее в течение дня. Таким образом градиент, показанный в нижней части на графике С, известен как нестабильный и представляет для нас большой интерес.

СТАБИЛЬНОСТЬ И НЕСТАБИЛЬНОСТЬ

Стабильный воздух — это воздух, который не перемещается в вертикальной плоскости. Давайте рассмотрим этот процесс. Представьте себе пузырь воздуха, поднимающийся в атмосфере, как изображено на рисунке 12.

Рис. 12. Смысл стабильности

С подъемом он расширяется и давление в нем уменьшается. Это давление изменяется примерно линейно до высоты 3000 м и приводит к охлаждению воздушного пузыря, примерно на 1 °C через каждые 100 м. Такое же охлаждение имеет место у гелиевых или тепловых воздушных шаров, когда они поднимаются вверх, если их не греют.

Норма охлаждения поднимающегося воздуха — 1 °C/100 м — называется сухоадиабатическим градиентом (САГ). Сухой не потому что в воздухе отсутствуют водяные пары, а потому что эти пары не конденсируются. Адиабатический, потому что тепло не добавляется из окружающего воздуха и не отдается ему. В реальной жизни некоторый обмен тепла присутствует, но обычно ограничен и незначителен.

Как мы знаем, теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный даже при том же давлении. Это связано с большей энергией частиц теплого воздуха. Более теплый воздух стремится подняться вверх, как более легкий, а холодный опуститься вниз. По этой же причине дерево всплывает в воде, а камень тонет.

Если наш счастливый пузырек воздуха поднимается в атмосфере, которая остывает медленнее, чем 1 °C/100 м, тогда пузырек будет остывать быстрее, чем окружающий воздух и, следовательно, подниматься медленнее до тех пор, пока ситуация не будет соответствовать рисунку 12. Фактически пузырек воздуха достигает высоты, соответствующей уровню равновесия, после чего, поднимаясь вверх, он быстрее остывает и, следовательно, подъем прекращается и наоборот. Это условие стабильности.

Нестабильный воздух ведет себя наоборот. При остывании воздуха более чем 1 °C/100 м, пузырек воздуха поднимается быстрее, не остывая так сильно, как окружающий воздух, и подъем ускоряет (см. рис. 13).

Рис. 13.Смысл нестабильности

Нестабильность воздуха определяется его несбалансированностью. В более низких слоях он слишком теплый и спокоен в вертикальной плоскости (отметим, что горизонтальный ветер присутствует и в стабильной и в нестабильной атмосфере).

Мы можем теперь сформулировать краткое определение: условия стабильности наблюдаются, когда градиент меньше, чем 1 °C/100 м. В противном случае воздух нестабилен.