Стратификация атмосферы и вертикальное равновесие для сухого воздуха
1. Итак, для развития конвекции необходимо такое распределение
температуры в атмосфере, при котором разность температур Ti-Та
сохранялась бы или, еще лучше, увеличивалась бы при смещении
частицы.
Представим сначала, что мы имеем дело с сухим воздухом (те же выводы
действительны и для влажного ненасыщенного воздуха). Сухая воздушная
частица, как известно из главы второй, адиабатически охлаждается на
1 °С на каждые 100 м подъема и нагревается на 1 °С на каждые 100 м
спуска. Если между частицей и окружающим воздухом есть какая-то
начальная разность температур Ti - Та, то для сохранения этой
разности при движении частицы и, следовательно, для сохранения
конвекции необходимо, чтобы в окружающей атмосфере температура
изменялась по вертикали на ту же величину, т. е. на
1 °С на каждые 100 м. Иными словами, должен существовать
вертикальный градиент температуры у =-dTа/dz,
равный сухоадиабатическому градиенту уа, т. е. 1 °С/100 м.
Существующая конвекция при нем сохраняется, но не усиливается с
высотой.
Если вертикальный градиент температуры в атмосфере меньше 1 °С/100 м
(у<уа), т°. какова бы ни была первоначальная разность температур
77-Та, при движении частицы вверх или вниз она будет уменьшаться.
Следовательно, ускорение конвекции будет убывать и в конце концов на
уровне, где Г,- станет равной Та, дойдет до нуля, а вертикальное
движение частицы прекратится.
Если вертикальный градиент температуры в атмосфере
сверхадиабатический, т. е. больше 1 °С/100 м (y>Ya), то при
вертикальном движении частицы вверх или вниз разность температур
этой частицы и окружающего воздуха будет возрастать и ускорение
конвекции будет увеличиваться.
Итак, для развития конвекции в сухом или ненасыщенном воздухе нужно,
чтобы вертикальные градиенты температуры в воздушном столбе были
больше сухоадиабатического. В этом случае говорят, что атмосфера
обладает неустойчивой стратификацией. При вертикальных градиентах
температуры, меньших сухоадиабатического, условия для развития
конвекции неблагоприятны. Говорят, что атмосфера обладает устойчивой
стратификацией. Наконец, в промежуточном случае, при вертикальном
градиенте, равном сухоадиабатическому, существующая конвекция
сохраняется, но не усиливается. Говорят, что атмосфера обладает
безразличной стратификацией.
Рис. 32. Схематические примеры неустойчивой
(а), устойчивой (б) и безразличной (в) стратификации в сухом
воздухе.
Первоначальная разность температур восходящего и окружающего
воздуха в первом случае возрастает, во втором - убывает, в третьем -
не меняется.
Описанные условия представлены на схематических примерах на рис. 32.
2. Вместо терминов устойчивая, неустойчивая и безразличная
стратификация употребляют еще термины устойчивое, неустойчивое и
безразличное равновесие. Смысл термина равновесие состоит здесь в
следующем. Допустим, что никаких разностей температур по
горизонтальному направлению не существует и, следовательно, никакой
конвекции нет. Возьмем теперь частицу воздуха на некотором уровне.
Предположим, что, приложив какую-то внешнюю силу, мы подняли или
опустили эту частицу на какой-то новый уровень, хотя бы и очень
близкий к начальному. Как она будет вести себя дальше, если будет
предоставлена самой себе. При безразличной стратификации, т. е. при
вертикальном градиенте в атмосферном столбе 1 °С/100
м (y=Ya)> эта частица на любом новом
уровне будет иметь ту же температуру, что и окружающий воздух на
этом уровне. Она охладится или нагреется на 1 °С
на каждые 100 м смещения по вертикали; но и в окружающем воздухе
температура будет на ту же величину ниже или выше, чем на начальном
уровне. Следовательно, в новом положении разность температур Ti-Та
останется равной нулю и частица останется в равновесии на новом
уровне. Этот случай и называется безразличным равновесием по
вертикали.
При устойчивой стратификации, т. е. при
вертикальном градиенте меньше 1 °С/100 м (y<уа), частица, смещенная
из первоначального положения, ер0 адиабатически охладившись или
нагревшись при смещении, станет холоднее окружающего воздуха, если
она поднята вверх, и теплее, если опущена вниз. Поэтому
предоставленная самой себе, частица вернется в начальное положение,
где разность Г,-Та снова превратится в нуль. В этом случае говорят
об устойчивом равновесии по вертикали.
Наконец, при неустойчивой стратификации, т. е. при вертикальном
градиенте температуры больше 1 °С/ 100 м (у>уа), смещенная вверх
частица окажется теплее, чем окружающий воздух, а смещенная вниз -
холоднее. Предоставленная самой себе, она будет продолжать удаляться
от начального положения. В этом случае говорят о неустойчивом
равновесии.
В п. 26 главы второй мы уже выясняли, как изменяется с высотой
потенциальная температура в зависимости от вертикального градиента
температуры. Теперь можно сформулировать, что в случае безразличной
стратификации потенциальная температура в воздушном столбе не
изменяется с высотой, в случае неустойчивой стратификации падает с
высотой, в случае устойчивой стратификации растет с высотой.
3. Описанные выше соотношения удобно представить графически на
аэрологической диаграмме (см. п. 24 главы второй). Изменение
температуры в вертикально движущейся частице сухого воздуха
представлено на диаграмме (рис. 33) сухой адиабатой. Распределение
температуры в окружающем воздухе, полученное из наблюдений,
наносится на диаграмму кривой стратификации. Если кривая
стратификации на диаграмме больше наклонена к оси температур, чем
сухие адиабаты, то стратификация неустойчивая. В противном случче
стратификация устойчивая. Если кривая стратификации совпадает с
сухой адиабатой, то стратификация безразличная.
Чем больше площадь, заключенная между кривой стратификации и
адиабатой, проходящей через начальную точку кривой стратификации,
тем больше энергия неустойчивости в данном случае и тем сильнее
развита конвекция.
