Устойчивая стратификация атмосферы и температурная инверсия

Годовой ход скорости ветра в тропосфере в большой степени определяется годовым ходом горизонтальных градиентов давления. По характеру движения воздушных масс тропосферу делят на слои:

  • 1) приземный слой (высота 50-100 м, турбулентность ограничивается процессами трения о поверхность Земли, зависит от ее состава, рельефа и застройки);
  • 2) пограничный слой высотой до 1000-1500 м;
  • 3) свободная атмосфера.

Наибольший вертикальный градиент скорости ветра наблюдается в нижнем 200-метровом слое (1-1,5 м/с на каждые 100 м высоты).

Самопроизвольное развитие турбулентности в атмосфере связано с гравитационной устойчивостью атмосферы. Процессы стратификации атмосферы характеризуются величиной критерия Ричардсона (R,)

где g - ускорение силы тяжести; р - плотность среды, кг/м3; др / дг- градиент плотности по вертикали, кг/м4; ди/ dz- градиент скорости и в направлении Z, С1.

Вертикальные пульсации переносят вниз более теплый воздух (против сил всплывания) а вверх - холодный воздух (против сил тяжести). Более обычной является именно такая стратификация (структура) атмосферы, когда по мере набора высоты температура воздуха уменьшается. Она соответствует так называемым сверхадиабатическим условиям, когда R, > 0 или неустойчивой температурной (плотностной) стратификации.

Гравитационная устойчивость атмосферы достигается тогда, когда более легкие (менее плотные) слои воздуха располагаются над более тяжелыми (плотными). Поскольку между плотностью и температурой имеется прямая связь, выражаемая уравнением Клаузиуса - Клапейрона, то можно ожидать, что устойчивая стратификация атмосферы соответствует условиям, когда на всех высотах температура воздуха оказывается выше, чем по закону адиабатического расширения.

Это означает, что по каким-то причинам расширяющийся при поднятии вверх воздух теряет температуру медленнее, чем по закону адиабатического расширения. Экологическим следствием является то, что новые возмущения, появляющиеся по каким-то причинам в потоке газа, не развиваются, а наоборот гаснут. Поэтому процесс рассеяния выбросов загрязняющих веществ (из высоких труб стационарных источников, самолетов и т. п.) происходит медленнее, в результате чего дольше сохраняется более концентрированный шлейф газа.

Критерий R, является показателем возможности образования в атмосфере состояний, которые называются инверсиями температуры. Инверсия температуры - это повышение температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения. Различают приземные инверсии, начинающиеся непосредственно от поверхности Земли, и инверсии температуры в свободной атмосфере. Первые чаще всего связаны с охлаждением приземного слоя воздуха от холодной земной поверхности и проявляются в виде смога, а вторые - с нисходящими движениями воздуха, адиабатически повышающими его температуру. Как было отмечено выше, инверсия температуры соответствует гравитационной устойчивости атмосферы. При инверсии температуры величина др/dz принимает отрицательное значение и R, < 0. Такой ход плотности и, соответственно, температура называется нададиабатическмч.

Наконец, при R, = 0 осуществляется нейтральная стратификация, когда плотность при подъеме потока воздуха уменьшается не больше и не меньше, чем на др / dz, т. е. в полном соответствии с адиабатическим градиентом плотности.

При нейтральной стратификации (безразличном состоянии) атмосфера характеризуется снижением температуры воздуха каждые 100 м высоты на 1 °С (сухоадиабатический градиент). Температура любого слоя воздуха определяется только его высотой и, что весьма существенно, она постоянно одинакова с окружающей его атмосферой. В результате не будет перемещения этого объема воздуха ни вверх, ни вниз (безразличное состояние атмосферы). С точки зрения рассеяния загрязняющих веществ, такое состояние не самое худшее, но и особо благоприятным оно не является. Рассеяние примесей происходит с равной вероятностью как по вертикали, так и по горизонтали (рис. 9.5, б). Отсюда следует еще один важный вывод. Утверждения о более теплых или холодных слоях нельзя понимать буквально. Нужно осознать, что в общем случае речь идет о сравнении с температурой, которая была бы при адиабатическом расширении воздуха при его подъеме на данную высоту.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >