6.5.1. Адиабатические изменения состояния в атмосфере

Очень важную роль в атмосферных процессах играет то обстоя­тельство, что температура воздуха обычно меняется адиабатически, т. е. без теплообмена с окружающей средой (с окружающей атмосферой, земной по­верхностью и мировым пространством). Строго адиабатических процессов в атмосфере не бывает: никакая масса воздуха не мо­жет быть полностью изолирована от теплового влияния окру­жающей среды. Однако если атмосферный процесс протекает достаточно быстро и теплообмен за это время мал, то изменение состояния можно с достаточным приближением считать адиаба­тическим.

Если некоторая масса воздуха в атмосфере адиабатически расширяется, то давление в ней падает, а вместе с ним падает и температура. Напротив, при адиабатическом сжатии массы воздуха давление и температура в ней растут. Эти изменения температуры, не связанные с теплообменом, происходят вслед­ствие преобразования внутренней энергии газа в работу или же работы во внутрен­нюю энергию. При расширении массы воздуха производится работа против внешних сил давления, так называемая работа расширения, на которую затрачивается внутренняя энергия воз­духа, поэтому температура воздуха при расши­рении падает. Напротив, при сжатии массы воздуха произво­дится работа сжатия. Внутренняя энергия рассматриваемой массы воздуха вследствие этого возрастает, т.е. скорость моле­кулярных движений увеличивается. Следовательно, растет и температура воздуха.

Закон, по которому происходят адиабатические изменения со­стояния в идеальном газе, с достаточной точностью применим к сухому воздуху, а также к ненасыщенному влажному воздуху. Этот сухоадиабатический закон выражается уравнением сухо-адиабатического процесса (уравнением Пуассона). Смысл уравнения Пуассона состоит в следующем. Если давление в массе сухого или ненасыщенного воздуха изменя­ется от p_о в начале процесса до р в конце, то температура в этой массе изменяется от Т₀ в начале процесса до Т в конце; при этом значения температуры и давления связаны уравнением.

В атмосфере расширение воздуха и связанное с ним падение давления и температуры происходят в наибольшей степени при восходящем движении воздуха. Такой подъем воздуха мо­жет происходить разными способами: в виде восходящих то­ков конвекции; над поверхностью фронта - при движении об­ширных слоев воздушной массы вверх по пологому клину другой, более холодной воздушной массы; при подъеме воз­духа по горному склону. Аналогичным образом сжатие воз­духа, сопровождающееся повышением давления и температуры, происходит при опускании, при нисходящем движении воздуха. Отсюда важный вывод: поднимающийся воздух адиабатически охлаждается, опускающийся - адиабатически нагревается. Нетрудно подсчитать, например, на сколько метров должен подняться или опуститься воздух, чтобы температура в нем понизилась или повысилась на один градус.

При адиабати­ческом подъеме сухого или ненасыщенного воздуха темпера­тура на каждые 100 м подъема падает почти на один градус, а при адиабатическом опускании на 100 м температура растет на то же значение. Эта величина называется сухоадиабатическим градиентом. Еще раз напомним, что речь идет об из­менении температуры с высотой в движущейся по вертикали индивидуальной частице воздуха. Не следует смешивать тер­мин «градиент» в этом значении с вертикальным градиентом температуры в атмосферном столбе.

С адиабатическим подъемом влажного ненасыщенного воз­духа связано такое важное изменение, как приближение его к состоянию насыщения. Температура воздуха при его подъ­еме понижается, поэтому на какой-то высоте достигается на­сыщение. Эта высота называется уровнем конденсации.

При дальнейшем подъеме влажный насыщенный воздух охлаждается иначе, чем ненасыщенный. В нем происходит кон­денсация и выделяется в значительных количествах теплота парообразования, или теплота конденсации (2,501 • 10⁶ Дж/кг). Выделение этой теплоты замедляет понижение температуры воздуха при подъеме. Поэтому в поднимающемся насыщенном воздухе температура падает уже не сухоадиабатически, а по влажноадиабатическому закону. Она падает тем медленнее, чем больше влагосодержание воздуха в состоянии насыщения (что в свою очередь зависит от температуры и давления). На каждые 100 м подъема насыщенный воздух при давлении 1000 гПа и температуре 0°С охлаждается на 0.66°С, при тем­пературе 20 °С - на 0.44 °С и при температуре -20 °С - на 0.88°С. При более низком давлении падение температуры со­ответственно меньше.

Падение температуры в насыщенном воздухе при подъеме его на единицу высоты (100 м) называют влажноадиабатическим градиентом.

При опускании насыщенного воздуха процесс может происходить по-разному в зависимости от того, содержит ли воздух продукты конденсации (капли и кристаллы) или они уже целиком выпали из воздуха в виде осадков.

Если в воздухе нет продуктов конденсации, то воздух, как только температура в нем начнет при опускании расти, сразу станет ненасыщенным. Поэтому воздух, опускаясь, будет на­греваться сухоадиабатически, т. е. на 1 °С/100 м. Если же в воздухе есть капли и кристаллы, то они при опускании и нагревании воздуха будут постепенно испаряться. При этом часть тепла воздушной массы перейдет в теплоту парообразо­вания, и потому повышение температуры при опускании за­медлится. В результате воздух останется насыщенным до тех пор, пока все продукты конденсации не перейдут в газообраз­ное состояние. А температура в нем будет в это время повы­шаться влажноадиабатически: не на 1°С/100 м, а на меньшее значение - именно на такое, на какое понизилась бы темпера­тура в восходящем насыщенном воздухе при тех же значениях температуры и давления.