Температурна інверсія в атмосфері
Підвищення температури в тропосфері атмосфери з ростом висоти характеризується як температурна інверсія (рис. 11.1, в). В цьому випадку атмосфера виявляється досить стійкою. Наявність інверсії в значній мірі уповільнює вертикальне переміщення забруднюючих речовин і, як наслідок, збільшує їх концентрацію в приземному шарі.
Найбільш часто спостерігається інверсія, що виникає при опусканні шару повітря в повітряну масу з більш високим тиском, або при радіаційної втрати тепла земною поверхнею в нічний час. Перший тип інверсії зазвичай називають інверсією осідання. Інверсійний шар в цьому випадку зазвичай розташовується на деякій відстані від земної поверхні, а формується інверсія шляхом адіабатичного стиснення і нагрівання шару повітря в процесі його опускання вниз в область центру високого тиску.
З рівняння (11.5) отримуємо:
Значення питомої ізобарно теплоємності Ср для повітря не значно змінюється від температури в досить великому діапазоні температур. Однак у зв'язку зі зміною барометричного тиску щільність на верхній межі шару інверсії менше, ніж у його заснування, тобто. Е.
Це означає, що верхня межа шару нагрівається швидше, ніж нижня. Якщо опускання триває протягом тривалого часу, в шарі буде створюватися позитивний градієнт температури. Таким чином, опускається повітряна маса є як би гігантської кришкою для атмосфери, розташованої нижче шару інверсії.
Шари інверсії осідання зазвичай виявляються вищими джерел викидів і, таким чином, не роблять істотного впливу на явища короткопериодной забруднення атмосферного повітря. Однак така інверсія може проіснувати кілька днів, що позначається на довготривалому накопиченні забруднюючих речовин. Випадки забруднення з небезпечними наслідками для здоров'я людей, що спостерігалися в міських районах в минулому, часто були пов'язані з інверсіями осідання.
Розглянемо причини, що призводять до виникнення радіаційної інверсії. В цьому випадку шари атмосфери, розташовані над поверхнею Землі, протягом дня отримують тепло за рахунок теплопровідності, конвекції і випромінювання від земної поверхні і в підсумку нагріваються. В результаті температурний профіль нижніх шарів атмосфери зазвичай характеризується негативним температурним градієнтом. Якщо потім слід ясна ніч, то земна поверхня випромінює тепло і швидко остигає. Шари повітря, прилеглі до земної поверхні, охолоджуються до температури розташованих вище шарів. В результаті денний температурний профіль перетворюється в профіль зворотного знака, і шари атмосфери, прилеглі до земної поверхні, прикриваються стійким інверсійним шаром. Цей тип інверсії спостерігається в ранні години і характерний для періодів ясного неба і безвітряної погоди. Інверсійний шар руйнується висхідними потоками теплого повітря, що виникають при нагріванні поверхні землі променями ранкового сонця.
Радіаційна інверсія грає важливу роль в забрудненні атмосфери, так як в цьому випадку інверсійний шар розташовується всередині шару, який містить джерела забруднення (на відміну від інверсії осідання). Крім того, радіаційна інверсія найбільш часто відбувається в умовах безхмарних і тихих ночей, коли мала ймовірність очищення повітря від забруднення опадами або бічними вітрами.
Інтенсивність і тривалість інверсії залежать від сезону. Восени і взимку, як правило, мають місце тривалі інверсії, їх число велике. На інверсії впливає і топографія місцевості. Наприклад, холодне повітря, що скупчилося вночі в міжгірській улоговині, може бути «замкнений» там теплим повітрям, які опинилися над ним.
Можливо і інші типи локальних інверсій, наприклад інверсії, пов'язані з морським бризом при проходженні теплого повітряного фронту над великим континентальним ділянкою суші. Проходження холодного фронту, перед яким розташована область теплого повітря, також призводить до інверсії.
Інверсії - звичайне явище для багатьох районів. Наприклад, на західному узбережжі США вони спостерігаються протягом майже 340 днів на рік.
Ступінь стійкості атмосфери можна визначити за величиною градієнта «потенційної» температури:
де
Негативне значення градієнта «потенційної» температури (Гпот <0) свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере. В случае, когдаГпот> 0, атмосфера стійка. У разі, якщо градієнт «потенційної» температури наближається до нуля (Гпот 0), атмосфера характеризується як байдужа.
Крім розглянутих випадків температурної інверсії, які носять локальний характер, в атмосфері Землі спостерігаються дві інверсійні зони глобального характеру. Перша зона глобальної інверсії від поверхні Землі починається з нижньої межі тропопаузи (11 км для стандартної атмосфери) і закінчується на верхній межі стратопауза (приблизно 50 км). Ця інверсійна зона перешкоджає поширенню домішок, що утворилися в тропосфері або виділяються з поверхні Землі, в інші області атмосфери. Друга зона глобальної інверсії, розташована в термосфере, певною мірою перешкоджає розсіюванню атмосфери в космічний простір.
Розглянемо на прикладі порядок визначення градієнта «потенційної» температури. Температура на поверхні Землі на висоті 1,6 м складає -10 ° С, на висоті 1800 м - -50 ° С, -12 ° С, -22 ° С.
Метою розрахунку є оцінка стану атмосфери за величиною градієнта «потенційної» температури.
Для розрахунку градієнта «потенційної» температури скористаємося рівнянням (11.12)
Тут Г = 0,00645 град. / М - стандартний, або нормальний адіабатичний вертикальний, температурний градієнт.
Проаналізуємо розраховані значення градієнта «потенційної» температури. Характер зміни температури для розглянутих випадків стану атмосфери представлений на рис. 11.2.
Гпот 1 <0 свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере.
Гпот 2> 0 - атмосфера стійка.
Гпот 3 ≈ 0 - атмосфера характеризується як байдужа.