Równowaga atmosfery

procesy prowadzące do powstania równowagi stałej / chwiejnej
zobacz także: gęstość powietrza, powstawanie chmur, adwekcja

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.

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 temperaurę 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 m.

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. Jenakże 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).