Równowaga atmosfery

Żeby zrozumieć zagadnienie równowagi atmosfery należy poznać podstawową zasadę dotyczącą relacji pomiędzy powietrzem ciepłym a chłodnym.

• Powietrze cieplejsze jest mniej gęste od powietrza chłodniejszego, mniej gęste znaczy lżejsze - z tego faktu wynika że powietrze cieplejsze w otoczeniu powietrza chłodniejszego unosi się gdyż jest od niego lżejsze.
  Z drugiej strony, powietrze chłodniejsze jest bardziej gęste od powietrza cieplejszego, bardziej gęste znaczy cięższe - z tego faktu wynika że powietrze chłodniejsze w otoczeniu powietrza cieplejszego opada gdyż jest od niego cięższe.

• Normalnie powietrze ochładza się z wysokością, inaczej mówiąc im wyżej tym chłodniej. To jak szybko dana "paczka" powietrza ogrzanego od podłoża ochłodzi się zależy od jej wilgotności.

Powietrze suche (nienasycone) ochładza się o 1 st. C na 100 m wzniesienia - taki gradient termiczny nosi miano sucho adiabatycznego.
Powietrze wilgotne (nasycone) ochładza się wolniej bo o 0,5 st. C na 100 m wzniesienia - jest to wilgotno adiabatyczny gradient termiczny.

Posiadając przedstawione wyżej wiadomości można przejść do sedna sprawy.
Aby określić stan równowagi atmosfery musimy znać aktualny (pionowy) gradient termiczny - określa on jak szybko ochładza się atmosfera w danych warunkach.

Wyróżnia się trzy stany równowagi atmosfery:

• stan równowagi stałej (atmosfera stabilna)
  występuje kiedy aktualny gradient termiczny jest mniejszy od wilgotno adiabatycznego (0,5 st. C / 100 m), tzn. spadek temperatury wynosi np. 0,3 st. C na 100 m wzniesienia; w takich warunkach każda paczka powietrza i tego suchego i tego wilgotnego stanie się ostatecznie chłodniejsza od otoczenia i zacznie opadać (brak warunków do konwekcji).

• stan równowagi względnej
  występuje gdy aktualny gradient termiczny jest pośredni między sucho adiabatycznym (1 st. C / 100 m) a wilgotno adiabatycznym (0,5 st. C / 100 m) - wynosi np. 0,6 st. C / 100 m. Taki stan atmosfery jest najczęściej spotykany. Wnoszenie nienasyconego powietrza w tym stanie najczęściej powoduje front atmosferyczny lub topografia terenu (góry) jeśli powietrze to jest dostatecznie wilgotne, na pewnym poziomie staje się nasycone - dochodzi do kondensacji, powstają chmury (opady). Taki proces często powoduje letnie burze i opady.

• stan równowagi chwiejnej (atmosfera niestabilna)
  występuje jeśli aktualny gradient termiczny jest większy od sucho adiabatycznego (1 st. C / 100 m), tzn. spadek temperatury wynosi np. 1,2 st. C / 100 m. Każdy blok powietrza w tym stanie atmosfery będzie się stale unosić, gdyż zawsze będzie cieplejszy od otoczenia. Taki stan atmosfery najczęściej ma miejsce w warstwie atmosfery przy powierzchni ziemi w upalny i słoneczny dzień.

Rozpatrzmy poniższe przypadki. We wszystkich z nich aktualna temperatura powietrza wynosi 16,0 st. C, a temperatura warstwy powietrza zalegającego przy powierzchni ziemi równa jest 16,3 st. C. Zmienia się aktualny gradient termiczny oraz rodzaj unoszącego się powietrza - suche lub wilgotne. Na rysunkach kolorem zielonym zaznaczono temperaturę powietrza (pionowy rozkład temperatury). Prostokąty reprezentują warstwę wilgotnego / suchego powietrza unoszącego się do góry z zaznaczeniem jego temperatury. Pamiętamy, że powietrze suche ochładza się o 1 st. C / 100 m, a powietrze wilgotne o 0,5 st. C / 100

Przypadek 1

aktualny gradient termiczny: 0,4 st. C / 100 m (mniejszy od wilgotno adiabatycznego),

POWIETRZE WILGOTNE

Powietrze unosi się, ale tylko do wysokości 300 m - ma poziomie 400 m zacznie opadać gdyż stanie się chłodniejsze od otoczenia.



STAN ATMOSFERY: równowaga stała

POWIETRZE SUCHE

W tym przypadku powietrze uniesie się tylko na wysokość ok. 100 m i zacznie opadać, gdyż na tym poziomie jest już chłodniejsze od otoczenia. I tutaj powstanie chmur jest raczej nikłe.

STAN ATMOSFERY: równowaga stała

Przypadek 2

aktualny gradient termiczny: 0,6 st. C / 100 m (większy od wilgotno adiabatycznego, ale mniejszy od sucho adiabatycznego)

POWIETRZE WILGOTNE

W tym przypadku warstwa powietrza będzie się stale unosić, gdyż zawsze będzie cieplejsza od otoczenia. Taki stan prowadzi do powstawania chmur i opadów.


STAN ATMOSFERY: równowaga względna (dla powietrza wilgotnego - równowaga chwiejna)

POWIETRZE SUCHE

Podobnie jak w Przypadku 1 powietrze już na wysokości 100 m zacznie opadać. Jeśli jednak istnieje jakiś mechanizm wznoszący czy to w postaci frontu, czy w postaci gór, może tutaj dojść do dalszego wznoszenia tego suchego powietrza, co w rezultacie może doprowadzić do kondensacji i powstania chmur często z opadami.

STAN ATMOSFERY: równowaga względna (dla powietrza suchego - równowaga stała)

Przypadek 3

aktualny gradient termiczny: 1,2 st. C / 100 m (większy od wilgotno adiabatycznego),

POWIETRZE WILGOTNE

W tym przypadku warstwa powietrza będzie się stale unosić, gdyż zawsze będzie cieplejsza od otoczenia. Taki stan prowadzi do powstawania chmur i opadów.



STAN ATMOSFERY: równowaga chwiejna

POWIETRZE SUCHE

Podobnie jak w przypadku powietrza wilgotnego w tym stanie atmosfery powietrze będzie się stale unosić. Jednakże warto zauważyć, że różnica temperatur pomiędzy otoczeniem a unoszącą się masą powietrza jest mniejsza niż w przypadku powietrza wilgotnego - objawia się to słabszą zdolnością do wnoszenia się tej masy powietrza.

STAN ATMOSFERY: równowaga chwiejna

Procesy prowadzące do powstania równowagi chwiejnej

Każdy proces, który powoduje powstawanie chłodniejszego powietrza na większych wysokościach i cieplejszego na mniejszych przyczynia się do zmniejszenia stabilności atmosfery.

• ogrzewanie powietrza od gruntu - słońce ogrzewając grunt ogrzewa powietrze przy nim zalegające, a to powoduje, że powietrze ciepłe znajduje się w dolnej warstwie atmosfery poniżej chłodnego.

• ciepła adwekcja przy gruncie - napływ ciepłego powietrza nad dany obszar powoduje podwyższenie temperatury przy powierzchni ziemi.

• chłodna adwekcja w wyższych warstwach atmosfery - napływ chłodnego powietrza w górne warstwy atmosfery powoduje, że powietrze jest tam chłodniejsze od tego poniżej.

Procesy prowadzące do powstania równowagi stałej

Każdy proces, który powoduje powstawanie cieplejszego powietrza na większych wysokościach i chłodniejszego na mniejszych przyczynia się do zwiększenia stabilności atmosfery.

• ochłodzenie z wypromieniowania - występuje podczas spokojnych i bezchmurnych nocy, kiedy powietrze przy gruncie ochładza się szybciej niż warstwy powyżej (na skutek wypromieniowania ciepła) i w rezultacie chłodniejsze powietrze zalega przy gruncie.

• chłodna adwekcja przy gruncie - napływające zimne powietrze powoduje szybszy spadek temperatury przy gruncie niż na większych wysokościach.

• ciepła adwekcja w górnych warstwach atmosfery - kiedy ciepłe powietrze napływa na wyższe warstwy atmosfery i powoduje podwyższenie temperatury na większych wysokościach (podczas gdy poniżej temperatura jest niższa).

---