26. Вертикальное распределение температуры

Выше было указано, как меняется температура в опреде­ленной массе воздуха, которая адиабатически поднимается или опускается. Ни в коем случае не следует смешивать эти инди­видуальные изменения с вертикальным распределением темпе­ратуры в атмосфере.

Температура в атмосферном столбе может распределяться по высоте различным образом. Это распределение не подчинено никакой простой закономерности, и кривая, представляющая это распределение в более или менее толстом слое атмосферы, не является простой геометрической кривой. В некоторых случаях ее можно только приближенно приравнять такой кривой. Пред­ставление о распределении температуры с высотой дает вертикальный градиент температуры –dT/dz, т. е. изменение темпера­туры в атмосфере на единицу высоты, обычно на 100 м. Так как перед производной ставится знак минус, то в обычном слу­чае падения температуры с высотой, т. е. при отрицательном dТ и положительном dz, градиент имеет положительную вели­чину.

Вертикальный градиент температуры может меняться в довольно широких пределах. В нижних 10 км в умеренных широтах и в нижних 15 км в тропиках он в среднем равен 0,6°/100 м. В нижних сотнях метров над нагретой подстилаю­щей поверхностью он может повышаться до 1^o/100 м или не­много больше, а в тонком приземном слое над перегретой почвой может быть во много раз больше. Бывают и такие случаи, когда температура воздуха с высотой не падает, а растет. Такое рас­пределение температуры называют инверсией температуры, а вертикальный градиент температуры будет при этом, очевидно, отрицательным. Инверсии особенно часты по ночам в призем­ном слое, но встречаются на разных высотах и в свободной ат­мосфере. Если температура в воздушном слое не меняется с вы­сотой, т. е. вертикальный градиент ее равен нулю, то такое состояние слоя называют изотермией. Выше 10—15 км и до вы­сот около 50 км вертикальное распределение температуры даже в среднем является изотермическим или инверсионным.

Если молекулярная температура с высотой меняется, то, вообще говоря, меняется также и потенциальная температура. Однако в случае, если молекулярная температура падает с вы­сотой на 1^o/100 м, то потенциальная температура остается с вы­сотой неизменной. Это легко видеть из самых простых сообра­жений. При указанном градиенте молекулярной температуры, с какого бы уровня ни была опущена воздушная частица на уровень моря, она, адиабатически нагревшись, получит на уровне моря одну и ту же температуру. Это и значит, что потен­циальная температура на всех уровнях одинакова.

В случае же, если вертикальный градиент молекулярной тем­пературы меньше 1^o/100 м, что как раз является обычным, по­тенциальная температура с высотой растет, причем растет тем быстрее, чем он меньше. И только в тех редких случаях, когда вертикальный градиент молекулярной температуры больше 1^o/100 м, потенциальная температура с высотой убывает, причем убывает тем быстрее, чем больше градиент молекулярной тем­пературы превышает 1^o/100 м.

В изотермическом слое потенциальная температура растет с высотой на Г на 100 м. Еще быстрее растет она в слое инвер­сии, т. е. при возрастании молекулярной температуры с вы­сотой.

27. Ветер и турбулентность

В зависимости от распределения атмосферного давления воздух постоянно перемещается в горизонтальном направлении. Это горизонтальное перемещение называется ветром. Скорость и направление ветра все время меняются. Средние скорости ветра у земной поверхности близки к 5—10 м/сек. Но иногда, в сильных атмосферных вихрях, скорости ветра у земной по­верхности могут достигать и превышать 50 м/сек. В высоких

слоях атмосферы, в так называемых струйных течениях, регу­лярно наблюдаются скорости ветра до 100 м/сек и более.

К горизонтальному переносу воздуха присоединяются и вер­тикальные составляющие. Они обычно малы по сравнению с го­ризонтальным переносом, порядка сантиметров или десятых до­лей сантиметра в секунду. Только в особых условиях, при так называемой конвекции (см. ниже), в небольших участках атмо­сферы вертикальные составляющие скорости движения воздуха могут достигать нескольких метров в секунду.

Ветер всегда обладает турбулентностью. Это значит, что отдельные количества воздуха в потоке ветра перемещаются не по параллельным путям. В воздухе возникают многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров. От­дельные количества воздуха, увлекаемые этими вихрями и стру­ями, так называемые элементы турбулентности, движутся по всем направлениям, в том числе и перпендикулярно к общему или среднему направлению ветра и даже против него. Эти эле­менты турбулентности — не молекулы, а крупные объемы воз­духа, линейные размеры которых измеряются сантиметрами, метрами, десятками метров. Таким образом, на общий перенос воздуха в определенном направлении и с определенной ско­ростью налагается система хаотических, беспорядочных движе­ний отдельных элементов турбулентности по сложным перепле­тающимся траекториям.

Турбулентный характер движения воздуха можно хорошо видеть, наблюдая за падением снежинок при ветре. Снежинки падают не вертикально вниз и не под одним и тем же углом к вертикали. Они беспорядочно пляшут в воздухе, то взлетая вверх, то опускаясь, описывая сложные петли. Это объясняется именно тем, что снежинки участвуют в движении элементов тур­булентности, тем самым делая это движение видимым. Турбу­лентный характер ветра обнаруживается и при наблюдениях над распространением дыма в атмосфере.

Турбулентность возникает вследствие различия скоростей ветра в смежных слоях воздуха. Особенно велика она в нижних слоях атмосферы, где скорость ветра быстро растет с высо­той. Но в развитии турбулентности принимает участие и так на­зываемая архимедова, или гидростатическая, сила. Отдельные количества воздуха поднимаются вверх, если их температура выше, а, стало быть, плотность меньше, чем температура и плот­ность окружающего воздуха. Напротив, количества воздуха бо­лее холодные и плотные, чем окружающий воздух, опускаются вниз. Такое перемешивание воздуха за счет различий плотности происходит тем интенсивнее, чем быстрее падает температура с высотой, т. е. чем больше вертикальный градиент темпера-туры. Поэтому можно условно говорить о динамической турбу­лентности, возникающей независимо от температурных условий, и о термической турбулентности (или конвекции), определяемой температурными условиями. Однако в действительности турбу­лентность всегда имеет комплексную природу, и правильнее го­ворить о большей или меньшей роли термического фактора в ее возникновении и развитии.

Турбулентность с преобладанием термических причин при определенных условиях более или менее резко меняет свой «масштаб»: превращается в упорядоченную конвекцию. Вместо мелких хаотически движущихся турбулентных вихрей, в ней начинают преобладать мощные восходящие движения воздуха типа струй или токов, со скоростями порядка нескольких метров в секунду, иногда свыше 20 м/сек. Такие мощные восходящие токи воздуха называют термиками. Ими широко пользуются планеристы. Наряду с ними наблюдаются и нисходящие движе­ния, менее интенсивные, но захватывающие большие площади.

С такой упорядоченной конвекцией связано образование мощных облаков вертикального развития — кучевых и кучево-дождевых (ливневых). Для возникновения конвекции такого рода необходимо, чтобы вертикальный градиент температуры был очень велик, а именно близок к 1°/100 м или еще больше, по крайней мере до того уровня, начиная с которого возникают облака. Об условиях конвекции будет подробнее сказано в главе четвертой.