Адиабатические процессы в атмосфере

В атмосфере постоянно происходят перех од ы од них вид ов энергии в другие. Наиболее х арактерными являют ся переходы тепловой энергии в механическую и обратно, которые осуществляются при термодинамических процессах.

Адиабатическим процессом называется термодинамический процесс, при котором изменение температ ур ы в некотором объеме воздуха происх одит без теплообмена с окружающей средой. При адиабатических процессах расширение воздуха сопровожд ает ся его охлаждением, а сжатие - нагреванием. В атмосфере адиабатические процессы наблюдаются при вертикальных д вижениях воздуха.

При восходящих пот оках воздух , попадая из более плот ных слоев атмосферы в менее плотные, расширяет ся. На работу расширения трат ится внутр енняя тепловая энергия, вследствие чего поднимающ ийся воздух охлажд ается.

При д вижении вниз (нисх одящие пот оки) воздух попадает под большее давление и сжимает ся. Производ имая при эт ом работа внешних сил (д авление окр ужающей атмо сферы) переходит в тепловую энергию, поэтому опускающийся воздух нагревает ся.

Величина изменения температуры воздуха, в зависимости от изменения д авления,

определяется уравнением Пуассона

0 ,288

T æP ö

=ç ÷

, (5.1)

T 0 èP0 ø

где: Р0 и Т0 - начальные величины давления и т емперат уры;

Р и Т - давление и абсолютная температ ура массы воздуха при адиабат ическом изменении ее сост ояния.

Различают сухоадиабатические и влажноадиабат ические процессы. Сухоадиабат и- ческие процессы происходят в сухом или влажном, но ненасыщенном воздухе. Влажноадиабатические процессы - во влажном насыщ енном воздухе.

Количественной мерой изменения т емпературы сухого воздуха при адиабат ическом процессе являет ся сухоадиабатический градиент gα - изменение температуры в сухом или влажном ненасыщ енном воздухе при его подъеме или опускании на каждые 100 м высоты. Расчет показывает, что величина

g a = 0,98°С /100 м » 1°С /100 м = const .

При поднятии воздуха вверх на каждые 100м высоты происходит понижение его температ уры на 1°С, а при опускании воздуха вниз - повышение т емперат уры также на 1°С на 100 м высоты.

В воздухе, насыщ енном водяными парами, изменение температуры при подъеме

происходит по иному. Если вверх поднимается насыщенный воздух, то при понижении температуры за счет расширения, част ь вод яных паров конденсирует ся. В результате этого выделяется скрытая теплота конденсации (597 кал/г), кот орая существенно уменьшает охлаждение воздуха. Поэ тому насыщенный воздух при подъеме на 100 м охлаждается на величину меньш ую, чем 1°С. Эта величина называется влажноадиабатическим градиентом gвα .

Влажноадиабатический град иент величина непост оянная и зависит от температ уры и давления возд уха (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Значения влажноадиабатического град иента ( °С/100 м)

Дав ление, гПа	Температура
-30°	-20°	-10°	0°	+10°	+20°	+30°
	0,94	0,88	0,78	0,66	0,54	0,44	0,38
	0,87	0,75	0,60	0,47	0,38	0,31	0,27

Чем вы ше температ ура в поднимающемся насыщенном воздухе, тем меньше величина влажноадиабатического градиента. Это объ ясняется тем, что при б олее высокой температуре в насыщенном воздухе содержится большое количест во водяного пара, при конденсации которого выделяется б ольшое количество скрытого т епла, в результате чего поднимающ ийся воздух охлаждается не так сильно. Если насыщ енный воздух имеет низкую т емпературу, то в нем содержит ся очень небольшое количест во водяного пара, в связи с чем происходит незначительное выделение скрыт ой теплоты в период его конд енсации, и величина охлаждения воздуха при его поднятии приближается к сухоадиабатическому градиенту. С уменьшением д авл ения (при одной и т ой же температуре) влажноадиабатический градиент

уменьшается, так как воздух ст ановит ся менее плот ным и освобождающ аяся скрыт ая т еплот а конденсации идет на нагревание меньшей массы воздуха. В среднем

gвa =0,5°С /100 м . С высотой влажноадиабатический градиент увеличивается, и его

величина приближает ся к сухоадиабатическому градиент у.

При опускании насыщенного воздуха происход ит его адиабатическое нагревание, и он удаляется от состояния насыщ ения (т.е. ст ановится ненасыщенным). Следовательно, опускающийся воздух всегда б уд ет нагреваться по сухоадиабатическому закону, т.е. на 1°С на каждые 100 м.

Изменение т емпературы при адиабатических процессах можно изобразить графически при помощ и линий, называемых адиабатами.

Линия, которая показывает изменение т емпературы в поднимающемся или

опускающемся сух ом воздухе, называется сухой адиабатой (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Сухие адиабаты Рис. 5.10. Влажные адиабаты

Формула изменения температуры при сухоадиабат ическом процессе представляет собой уравнение прямой линии

tн =t0 -ga Н .

Если откладывать на осях координат в одинаковом масштабе температуру в 1°С и высоту

100 м, то прямая линия - сухая ад иабата - будет наклонена к оси т емператур под углом 45°.

Линия, характеризующ ая изменение температ уры в поднимающемся насыщ енном воздухе, называется влажной адиабатой (рис. 5.10). Влажные адиаб аты, в отличие от сухих, являются изогнутыми линиями, пот ому что gвa величина непост оянная, при поднят ии насы щенного возд уха gвa увеличивается, приближаясь к ga .

Адиабатические изменения т емпературы могут наблюдаться и непосредст венно у земной поверхности при изменении давления. Повыш ение или понижение д авления на 1 гПа (при давлении Р » 1000 гПа) вызывает соот ветст вующее повышение или понижение т емпературы на 0,08°С .