3.8. Адыябатычныя працэсы ў атмасферы

Адыябатычныя працэсы ў атмасферы маюць першараднае значэнне ў фарміраванні надвор’я і клімату. Адыябатычнымі працэсамі называюцца такія, якія працякаюць усярэдзіне асобнай паветранай масы без прытока цяпла звонку і без аддачы яго ў навакольнае асяроддзе. Адыябатус – грэчаскае слова – непраходны, непранікальны. Пад навакольным асяроддзем разумеюцца суседнія слаі паветра, зямная паверхня і касмічная прастора.

Адыябатычныя працэсы ўзнікаюць пры вертыкальных рухах паветра (пры падняцці, ці апусканні), або пры змяненні знешняга ціску. Дапусцім, што нейкая ізаляваная маса паветра паднімаецца ці апускаецца. Тыя змяненні фізічных уласцівасцей (тэмпературы, шчыльнасці, ціску) паветранай масы, якая рухаецца ў вертыкальнай плоскасці, і называюцца адыябатычнымі.

Пры падняцці паветра ўверх яго тэмпература паніжаецца, а пры апусканні – павялічваецца. Гэта адбываецца не таму, што паветра ахалоджваецца ці награецца ад навакольнага паветра. Пры падняцці знізу ўверх ізаляваная маса паветра трапляе ў слаі з меншым ціскам, пашыраючы свой аб’ём. Адыябатычнае расшырэнне паветра суправаджаецца вытворчасцю работы, якая накіравана супраць сіл навакольнага ціску (работа расшырэння). Гэта работа ваконваецца за кошт унутранай энергіі паветранай масы – змяншэня кінетычнай энергіі малекул. У выніку страты энергіі на работу расшырэння пры падняцці паветра ўверх адбываецца адыябатычнае паніжэнне тэмпературы, ціску і шчыльнасці.

Пры апусканні масы паветра з’ява набывае адваротны характар, які заключаецца ў адыябатычным сцісканні паветра. У гэтым выпадку выконваецца работа сціскання пад уздзеяннем знешніх сіл атмасфернага ціску. На сцісканне масы паветра затрачвецца знешняя энергія, якая пераходзіць у цеплавую. За кошт гэтай энергіі маса паветра награецца – кінетычная энергія малекул расце. Гэта прыводзіць да росту тэмпературы і атмасфернага ціску паветранай масы, якая апускаецца.

У атмасферы заўжды працякаюць працэсы, блізкія да адыябатычных. Вертыкальныя рухі вялікіх аб’ёмаў паветра – характэрная з’ява дынамічнай атмасферы. Пры падняцці масы паветра адбываецца адыябатычнае расшырэнне гэтай масы, паніжэнне яе тэмпературы і атмасфернага ціску. У зямной атмасферы падняцце паветраных мас узнікае ў шэрагу выпадкаў: 1) пры цеплавой канвекцыі; 2) на франтальных падзелах; 3) на араграфічных перашкодах; 4) пры турбулентнасці паветра; 5) над цёплымі марскімі цячэннямі; 6) пры канвергенцыі (сыходжанні ліній тока); 7) у цыклонах; 8) ва ўнутрытрапічнай зоне.

Пры апусканні паветранай масы назіраецца яе адыябатычнае сцісканне, якое суправаджаецца павышэннем ціску і тэмпературы. Такія працэсы ў атмасферы развіваюцца ў наступных выпадках: 1) пры апусканні з горных схілаў і ўзвышшаў; 2) пры дывергенцыі (разыходжанні ліній тока); 3) у антыцыклонах; 4) над халоднымі марскімі цячэннямі.

Падкрэслім, што адыябатычныя працэсы адыгрываюць вызначальную ролю ў фарміраванні надвор’я і клімату. Напрыклад, працэсы кандэнсацыі вадзяной пары ў атмасферы, а гэта значыць утварэння воблакаў і ападкаў заўжды абумоўлена адыябатычным ахалоджваннем паветра. Наадварот, устойлівае надвор’е і засушлівасць клімату з’яўляюцца вынікам адыябатычнага награвання.

3.8.1. Сухаадыябатычныя змяненні тэмпературы паветра. Сухаадыябатычнымі называюцца працэсы, якія ўзнікаюць пры падняцці або апусканні сухога паветра. Гэтыя ж працэсы працякаюць і ў вільготным паветры, калі гэта паветра не дасягнула ўзроўня кандэнсацыі. Пад узроўнем кандэнсацыі разумеецца вышыня, на якой паветра становіцца насычаным вадзяной парай, а адносная вільготнасць раўняецца 100 %.

Сувязь паміж тэмпературай і атмасферным ціскам пры сухаадыябатычных працэсах выражаецца формулай Пуасона:

(3.28)

дзе Т₀ і Р₀ – пачатковая велічыня абсалютнай тэмпературы і атмасфернага ціску;

Т і Р – абсалютная тэмпература і ціск пры адыябатычным змяненні масы паветра.

R_d / C_p = 0,286 (3.29)

дзе R_d – удзельная газавая пастаянная сухога паветра (287 Дж/(кг·К)=287 м²/(С²·К)), С_р – удзельная цеплаёмістасць сухога паветра (1005 Дж/(кг·К)=1005 м²/(С²·К)).

Пры дапамозе ўраўнення Пуасона вызначаюць велічыню тэмпературы, якую атрымае паветра пры сухаадыябатычных працэсах, калі вядома пачатковая тэмпература Т₀ і змяненні ціску ад р₀ да р у канцы працэса. Ураўненне Пуасона носіць назву ўраўнення сухой адыябаты.

Падлікі Пуасона паказваюць, што пры адыябатычных працэсах, якія ўзнікаюць пры падняцці ці апусканні сухога і вільготнага (ненасычанага) паветра ніжэй узроўня кандэнсацыі яго ахалоджванне складае 1ºС на кожныя 100 м вышыні. Гэта велічыня змянення тэмпературы называецца сухаадыябатычным градыентам γ_a:

γ_a=1ºС/100 м

Маючы пачатковую тэмпературу паветра і вышыню, на якую падняўся ці апусціўся пэўны аб’ём паветра, можна вызначыць тэмпературу гэтага паветра. Тэмпература разлічваецца пры дапамозе формулы:

Т=Т₀ ± γ_a ·Z (3.30)

дзе Т₀ – пачатковая тэмпература; Т – тэмпература на дадзенай вышыні; γ_a – сухаадыябатычны градыент; Z – вышыня ў сотнях метраў.

Звернем увагу на наступную акалічнасць. Сухаадыябатычны градыент паказвае велічыню змянення тэмпературы на кожныя 100 м падняцця (апускання) масы паветра. Яго не трэба блытаць з вертыкальным градыентам тэмпературы, які характарызуе змяненні тэмпературы з вышынёй у нерухомай (статычнай) атмасферы.

Сухаадыябатычныя змяненні тэмпературы ў залежнасці ад вышыні можна адлюстраваць графічна. У каардынатных восях тэмпература – вышыня гэтыя змяненні характаразуюцца прамой лініяй (рыс. 3.2). Калі выбраць аднолькавы маштаб і на восі ардынат адкласці вышыню, а на восі абсцыс – тэмпературу, то прамая лінія будзе нахілена да восей пад вуглом 45º. Прамая лінія сувязі тэмпературы і вышыні называецца сухой адыябатай.

3.8.2. Вільгацеадыябатычныя змяненні тэмпературы паветра. Пры падняцці вільготнага ненасычанага паветра яго тэмпература паніжаецца па сухаадыябатычнаму закону. Пры гэтым у працэсе падняцця вадзяная пара паступова набліжаецца да стану насычэння, а адносная вільготнасць павялічваецца. На ўзроўні кандэнсацыі тэмпература паветра дасягае тэмпературы кропкі расы, а вадзяная пара – стану насычэння, пры якім адносная вільготнасць роўная 100 %. У гэты момант у паветры ўтвараюцца прадукты кандэнсацыі ў выглядзе вадзяных кропель, ці ледзяных крышталяў. У працэсе кандэнсацыі вадзяной пары ў атмасферу вылучаецца скрытая цеплата параўтварэння або цеплата кандэнсацыі (2,501·10⁶ Дж/кг), якая ўдзельнічае ў фарміраванні цеплавога рэжыма паветра.

Цеплата параўтварэння расходуецца на награванне паветра і тым самым часткова кампенсуе затраты цяпла, якое ідзе на выкананне работы расшырэння паветра ў час падняцця. Пры гэтым запавольваецца паніжэнне тэмпературы і яна памяншаецца не па сухаадыябатычнаму, а па вільгацеадыябатычнаму закону. Так як цеплата кандэнсацыі змяншае адыябатычнае падзенне тэмпературы, то вільгацеадыябатычны градыент γ_a´ заўжды меньш сухаадыябатычнага γ_a. Вільгацеадыябатычным градыентам называецца паніжэнне тэмпературы ў насычаным паветры пры падняцці яго на 100 м.

Вільгацеадыябатычны градыент з’яўляецца пераменнай велічынёй і можа змяняцца ад 0 да 1 ºС. Яго зменлівасць залежыць ад тэмпературы паветра і ад ціску (табл. 3.3).

Як вядома, вільгацеўтрыманне паветра вызначаецца яго тэмпературай. Пры паніжэнні тэмпературы вільгацеўтрыманне паветра памяншаецца, а вільгацеадыябатычны градыент набліжаецца да адзінкі. Пры высокай тэмпературы і вялікім утрыманні вадзяной пары больш вылучаецца цеплаты кандэнсацыі і павольней паніжаецца тэмпература паветра. З паніжэннем ціску вільгацеадыябатычны градыент тэмпературы памяншаецца, таму што памяншаецца шчыльнасць паветра і звязаная з ім цеплаёмістасць.

Пры апусканні насычанага паветра, калі ў паветры не засталіся прадукты кандэнсацыі (кроплі і крышталі), змяненні тэмпературы ідуць паводле сухаадыябатычнага закону. Калі ж у паветры захаваліся прадукты кандэнсацыі, то пры яго апусканні частка цяпла ідзе на выпарэнне кропель і крышталяў, пераходзячы ў скрытую цеплату параўтварэння. Тэмпература ў такім паветры будзе павышацца паводле вільгацеадыябатычнага закона (менш 1 ºС на 100 м), пакуль усе прадукты кандэнсацыі не выпарацца. Пасля чаго будзе адбывацца павышэнне тэмпературы па сухаадыябатычнаму закону.

Узровень кандэнсацыі h, на якім пачынаюцца вільгацеадыябатычныя працэсы, можа быць разлічаны пры дапамозе наступных формул:

h=122 (t – t_d) (3.31)

h=22 (100 – f) (3.32)

дзе t – тэмпература паветра; t_d – кропка расы; f – адносная вільготнасць.

Змяненні тэмпературы паветра з вышынёю пры вільгацеадыябатычных працэсах таксама адлюстроўваюць графічна (рыс. 3.3). Лініі сувязі тэмпературы з вышынёю называюцца вільготнымі адыябатамі. У адрозненне ад сухіх, вільготныя адыябаты ўяўляюць сабой крывыя лініі. Гэта тлумачыцца тым, што вільгацеадыябатычны градыент тэмпературы, ад якога залежыць нахіл вільготных адыябат, з’яўляецца зменлівай велічынёй. Звычайна каля зямной паверхні паветра знаходзіцца ў ненасычаным стане. Таму пры падняцці такога паветра яго стан змяняецца спачатку па сухаадыябатычнаму закону ўздоўж сухой адыябаты (рыс. 3.4). Вышэй узроўня кандэнсацыі змяненні тэмпературы ідуць па вільгацеадыябатычнаму закону – уздоўж вільготнай адыябаты. Вертыкальны профіль змянення тэмпературы пры адыябатычных працэсах называецца крывой змянення фізічнага стану паветра.

Змяненні стану паветра пры адыябатычных працэсах вызначаюць пры дапамозе аэралагічнай дыяграмы (рыс. 3.5). Такая дыяграма ўяўляе графік, на які нанесены сухія і вільготныя адыябаты пры розных значэннях тэмпературы і вышыні. Ведаючы пачатковую тэмпературу, ціск і вільготнасць паветра на аэралагічнай дыяграме вызначаюць узровень кандэнсацыі, магутнасць воблачнага покрыва і г.д.

Аэралагічная дыяграма, якая дазваляе вызначаць шматлікія фізічныя характарыстыкі паветра, шырока выкарыстоўваецца ў службе надвор’я пры сінаптычным аналізе.

3.8.3. Псеўдаадыябатычныя працэсы. Яны працякаюць пры паслядоўным падняцці і апусканні паветранай масы. Пры гэтым прадукты кандэнсацыі поўнасцю выпадаюць у выглядзе ападкаў. Разгледзім змяненні фізічнага стану паветра пры псеўдаадыябатычных працэсах на аэралагічнай дыяграме (рыс. 3.6).

Дапусцім, з кропкі А паднімаецца ненасычанае парай паветра, тэмпература якога паніжаецца з удзелам сухаадыябатычнага працэса на 1ºС /100 м да ўзроўня кандэнсацыі (кропка В). Вышэй узроўня кандэнсацыі (ад кропкі В да кропкі С) тэмпература паветра будзе працягваць паніжацца ўжо па вільгацеадыябатычнаму закону ў сярэднім на 0,5 – 0,7ºС/100 м. Пры гэтым выдзяляецца скрытая цеплата параўтварэння, якая і запавольвае паніжэнне тэмпературы.

Дапусцім, што прадукты кандэнсацыі выпалі ў выглядзе ападкаў, і паветра стала зусім сухім. Калі гэта паветра пачне апускацца з кропкі С, то яго награванне будзе адбывацца ўжо па сухаадыябатычнаму закону, г. зн. на 1ºС/100 м. На першапачатковы ўзровень (кропка D) паветра вернецца па сухой адыябаце з больш высокай тэмпературай, чым у кропцы А. Псеўдаадыябатычныя працэсы з’яўляюцца ўмовай утварэння мясцовага ветру – фёна.