Вертикальное распределение температуры

 

В отличие от индивидуальных изменений температуры в массе воздуха существует вертикальное распределение температуры в атмосфере. Температура в атмосферном столбе может распределяться по высоте различным образом. Это распределение не подчиняется никакой простой закономерности.

Представление о распределении температуры относительно высоты дает вертикальный градиент температуры:

DT

-------

DZ, то есть изменение температуры в атмосфере на единицу высоты (обычно на 100м).

В обычном случае температура с увеличением высоты падает. Вертикальный градиент меняется в широких пределах: в нижних 10 км в среднем по 0, 6° на 100 м,; в нижних слоях над нагретой поверхностью по 1 ° на 100 м.; в приземном слое – по несколько градусов на 100 м.

Если температура воздуха с увеличением высоты не падает, а растет, такое ее распределение называется инверсией температуры. Происходит это обычно в ночные часы в приземном слое.

 

Если температура воздуха не изменяется с увеличением высоты, то в данном случае вертикальный градиент равен 0, и такое состояние называется изотермией.

На высоте от 10 до 50 км вертикальное распределение температуры является изотермическим или инверсионным.

Вообще, характер распределения температуры воздуха в каком-то слое атмосферы называется термической стратификацией атмосферы, и, в зависимости от вертикального распределения температуры, слой находится в состоянии устойчивого, безразличного или неустойчивого равновесия.

Турбулентность

 

В зависимости от распределения атмосферного давления воздух постепенно перемещается в горизонтальном направлении. Это горизонтальное перемещение масс воздуха называется ветром. Скорость и направление ветра постоянно меняются. Средняя скорость ветра у земной поверхности составляет 5-10 м/сек, но она может достигать и 50 м/сек.

В высоких слоях атмосферы возникают так называемые струйные течения, скорость ветра в которых достигает 100 м/сек и более.

Кроме горизонтального существует и вертикальное перемещение воздуха. По сравнению с горизонтальными вертикальные переносы воздуха обычно малы – доли см в секунду. И только в условиях конвекции вертикальная скорость воздуха достигает нескольких м/сек.

Ветер всегда обладает турбулентностью, то есть отдельные количества воздуха в общем потоке ветра перемещаются не по параллельным путям. В результате возникают многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров. Отдельные количества воздуха, увлекаемые этими вихрями и струями, называются элементами турбулентности. Это не молекулы, а достаточно крупные массы воздуха, линейные размеры которых измеряются в см, м, десятках метров.

Таким образом, на общий перенос воздуха в определенных направлениях и с определенной скоростью налагается система хаотических, беспорядочных движений отдельных элементов турбулентности по сложным переплетающимся траекториям.

Турбулентность возникает вследствие различия скоростей ветра в смежных слоях воздуха. Особенно велика турбулентность в нижних слоях атмосферы. В развитии турбулентности принимает участие гидростатическая сила (Архимедова сила). Отдельные количества воздуха поднимаются вверх, если их температура выше, а плотность меньше, чем температура и плотность окружающего воздуха. Более холодные и более плотные количества воздуха напротив опускаются вниз. Такое перемешивание воздуха происходит тем интенсивнее, чем быстрее температура падает с увеличением высоты.

Выделяют динамическую турбулентность (возникает независимо от температурных условий) и термическую (конвекцию, обусловленную температурой). Как правило, турбулентность имеет комплексную природу.

Турбулентность с преобладанием термических причин может превращаться в упорядоченную конвекцию. В результате вместо мелких турбулентных вихрей начинают преобладать мощные восходящие потоки воздуха со скоростью до 20 м/сек. Такие мощные восходящие потоки воздуха называются термиками.

Наряду с термиками наблюдаются и нисходящие потоки воздуха, менее интенсивные, но захватывающие большую площадь.

С упорядоченной конвекцией связано образование мощных облаков вертикального развития – кучевых и кучево-дождевых (ливневых).

Турбулентный обмен

 

Турбулентность приводит к сильному перемешиванию воздуха, особенно в вертикальном направлении. Это перемешивание в десятки тысяч раз сильнее, чем движение при молекулярной диффузии. Перемешивание воздуха при турбулентности (турбулентная диффузия) приводит к распространению в атмосфере тепла и влаги, особенно их обмену по вертикали. Происходит также выравнивание скоростей по вертикали. В процессе турбулентной диффузии каждая переносимая субстанция распространяется в том направлении, в котором она убывает, то есть в направлении своего вертикального градиента.

 

Условия турбулентного обмена описывают формулой:

 

dS

S = - A ----

dZ, где

 

 

S – вертикальный поток субстанции на единицу площади, то есть количество субстанции, переносимых за единицу времени через единицу площади;

А - коэффициент турбулентного обмена, общий для всех субстанций, зависящий от атмосферных условий и характера земной поверхности;

dS: dZ – вертикальный градиент субстанции, то есть ее изменение на единицу расстояния по вертикали в сторону убывания.

Вопросы к разделу об атмосферном давлении и плотности воздуха:

 

1.В каких единицах выражается атмосферное давление?

2. Отличие плотности влажного воздуха от сухого.

3. Как изменяется плотность воздуха с высотой?

4. Как и почему изменяется атмосферное давление с высотой?

5. Что такое вертикальный градиент давления?

6. Турбулентность и турбулентный обмен.

7.Что такое термики?

14. Адиабатическое состояние атмосферы.

15. Где возникают струйные течения?