Ευστάθεια αστάθεια στην ατμόσφαιρα Αναστροφή θερμοκρασίας - μελέτη των αναστροφών, τα είδη τους και η ταξινόμηση τους 1
Η αδιαβατική θερμοβαθμίδα dt dz. g c p d ξηρή ατμόσφαιρα Γ d ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα dry adiabatic lapse rate Γ d 10 K Km -1 Ποια είναι η πραγματική θερμοβαθμίδα; Γ 6.5 K Km -1 (-6.5 K Km -1, μέση τιμή στην τροπόσφαιρα!) 2
Ευστάθεια της ατμόσφαιρας τι είναι σημείο αστάθειας ; σημείο ευστάθειας ; Ποια είναι η πραγματική θερμοβαθμίδα ; κλίση μικρότερη -> υποαδιαβατική (subadiabatic) ατμόσφαιρα -> ευσταθής. μεγαλύτερη κλίση -> υπεραδιαβατική (superadiabatic) ατμόσφαιρα, αστάθεια Γ γ Γ: ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα γ : πραγματική θερμοβαθμίδα Ύψος γ ευστάθεια αστάθεια Θερμοκρασία 3
Γιατί η πραγματική θερμοβαθμίδα διαφέρει από την ξηρή αδιαβατική; Υδρατμοί: -> διόρθωση του c p w (αναλογία μίγματος της μάζας των υδρατμών προς τη μάζα του ξηρού αέρα σε δεδομένο όγκο) wc p ώ c' p (1 w)c p έ και επειδή το w<1 => c p > c p. 4
Πακέτο αέρα ή Μικρή αέρια μάζα (air parcel) Τέσσερις βασικές παραδοχές: 1. Η αέρια μάζα είναι απολύτως διαχωρισμένη από τον αέρα που την περιβάλλει (σφραγισμένη)- Δεν έχουμε ανάμιξη, και η μάζα της είναι σταθερή 2. Το μέγεθος της δεν μας απασχολεί 3. Η αέρια μάζα είναι θερμικά μονωμένη από το περιβάλλον δεν έχουμε ανταλλαγή θερμότητας δηλ έχουμε Αδιαβατικές διεργασίες 4. Το «τοίχωμα» της είναι εύκαμπτο όταν μεταβάλλεται η εξωτερική πίεση, η εσωτερική προσαρμόζεται ανάλογα 5
Το πακέτο αέρα μας κινείται πάνω στην ξηρή αδιαβατική: Συγκρίνουμε με την πραγματική θερμοβαθμίδα: εάν η αέρια μάζα είναι θερμότερη η πυκνότητα της είναι μικρότερη, δηλ. είναι αραιότερη επομένως, εάν η θερμοκρασία της αέριας μάζας είναι μεγαλύτερη από του αέρα που την περιβάλλει, η αέρια μάζα ανεβαίνει Εάν η θερμοκρασία της είναι μικρότερη δηλ. είναι ψυχρότερη θα είναι πυκνότερη, και κατεβαίνει 6
ΘΕΡΜΟΒΑΘΜΙΔΑ Ξηρή αδιαβατική Γd Υγρή αδιαβατική Γs Θερμοβαθμίδα του περιβάλλοντος Γα απόλυτη ευστάθεια (absolute stability) Γα < Γs < Γd Υγρή ουδετερότητα (saturated neutrality) Γα = Γs < Γd Αστάθεια υπό συνθήκες (conditional instability) Γs < Γα < Γd Ξηρή αδιάφορη ισορροπία (dry neutrality) Γs < Γα = Γd Απόλυτη αστάθεια (absolute instability) Γs < Γd < Γα 7
ΑΣΤΑΘΕΙΑ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ 8
ΟΥΔΕΤΕΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ 9
ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΕΣ ΑΝΑΣΤΡΟΦΕΣ Τι είναι θερμοκρασιακή αναστροφή; Η απόκλιση από τη συνηθισμένη μεταβολή θερμοκρασίας με το ύψος. της ατμοσφαιρικής αύξηση της θερμοκρασίας με το ύψος Στο στρώμα αναστροφής, όπου η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος επικρατούν συνθήκες πολύ μεγάλης ευστάθειας οι οποίες εμποδίζουν την κατακόρυφη ανάμιξη. Χαρακτηριστικά της αναστροφής Ένταση Πάχος Ύψος της βάσης της κορυφής 10
Τύπος αναστροφής (α) στο έδαφος (β) υπερυψωμένη 11
Θερμοκρασιακές Αναστροφές Φυσικοί μηχανισμοί εμφάνισης 1. Αναστροφές λόγω ακτινοβολίας συναντάμε κοντά στο έδαφος Τη νύχτα η επιφάνεια εκπέμπει ακτινοβολία και ψύχεται, ψύχοντας και τον αέρα. Είναι ισχυρότερες στις καθαρές νύχτες. (τα νέφη εκπέμπουν ακτινοβολία προς την επιφάνεια της Γης, κρατώντας την πιο θερμή) Οι καθαρές νύχτες συνδέονται και με αντικυκλώνες. Στη διάρκεια της ημέρας, τα χαμηλά νέφη και η ομίχλη βοηθούν στη διατήρηση επιφανειακής ανατροφής εμποδίζοντας την ηλιακή ακτινοβολία να θερμάνει το έδαφος. 2.Αναστροφές από κατάπτωση συναντάμε σε αντικυκλωνικά συστήματα (υψηλά, μεγάλη πίεση στο έδαφος). Οι αντικυκλώνες συνδέονται με καταβατικές κινήσεις του αέρα. Καθώς ο αέρας κατέρχεται και θερμαίνεται αδιαβατικά γίνεται θερμότεροςαπό τις αέριες μάζες πουβρίσκονται από κάτω. 3. Αναστροφές που οφείλονται σε οριζόντια μεταφορά αέρα Κυκλωνικά συστήματα (χαμηλή πίεση) Ο αέρας συγκλίνει προς περιοχές χαμηλής πίεσης και εξαναγκάζει τον αέρα που βρίσκεται εκεί να ανέβει ψηλότερα Εμφανίζονται κυρίως σε συνδυασμό με μέτωπα 4.Τοπικά συστήματα ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας 12
Αναστροφή λόγω ακτινοβολίας Τη νύχτα η επιφάνεια εκπέμπει ακτινοβολία και ψύχεται, ψύχοντας και τον αέρα. Είναι ισχυρότερες στις καθαρές νύχτες. (τα νέφη εκπέμπουν ακτινοβολία προς την επιφάνεια της Γης, κρατώντας την πιο θερμή) Οι καθαρές νύχτες συνδέονται και με αντικυκλώνες. Στη διάρκεια της ημέρας, τα χαμηλά νέφη και η ομίχλη βοηθούν στη διατήρηση επιφανειακής ανατροφής εμποδίζοντας την ηλιακή ακτινοβολία να θερμάνει το έδαφος. 13
Αναστροφή από κατάπτωση Αντικυκλώνες Υπήνεμη πλευρά εμποδίων (πχ βουνών) Κύτταρο κατακόρυφης μεταφοράς μεταξύ νεφών Οριζόντια μεταφορά 14
Ημερήσια πορεία της αναστροφής λόγω ακτινοβολίας 15
ΑΣΤΑΘΕΙΑ Θύσανος βρόχου (looping) ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ Θύσανος που ανεμίζει (fanning) ΟΥΔΕΤΕΡΗ Κωνικός θύσανος (coning) 16
ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΥΠΕΡΥΨΩΜΕΝΗ Ευσταθής πάνω και ουδέτερη κάτω Θύσανος που θυμιάζει (fumigation) 17
ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ Ευσταθής κάτω και ουδέτερη πάνω Υπερυψωμένος θύσανος (lofting) 18
Πως μπορούμε να αυξήσουμε τη διασπορά; 19
Προσαρμογή από: LaGrega et al. "Hazardous Waste Management"1994. McGraw-Hill. ΩΡΑ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΤΥΠΟΣ ΘΥΣΑΝΟΥ ΝΥΧΤΑ Το έδαφος ψύχεται με ακτινοβολία. Οι ρύποι είναι εγκλωβισμένοι κάτω από την αναστροφή ΑΝΕΜΙΖΕΙ (βεντάλια) FANNING ΝΩΡΙΣ ΤΟ ΠΡΩΙ ΠΡΩΙ ΜΕΣΗΜΕΡΙ και ΝΩΡΙΣ ΤΟ ΑΠΟΓΕΥΜΑ ΑΡΓΑ ΤΟ ΑΠΟΓΕΥΜΑ και ΠΡΩΤΕΣ ΒΡΑΔΙΝΕΣ ΩΡΕΣ Το έδαφος θερμαίνεται από τον ήλιο και η αναστροφή ανυψώνεται. Οι στρόβιλοι από την τυρβώδη ροή μεταφέρουν ρύπους στο έδαφος Οι στρόβιλοι εισέρχονται στην αναστροφή και την καταστρέφουν ουδέτερη ατμόσφαιρα Η συνεχιζόμενη θέρμανση δημιουργεί πολύ μεγαλύτερους στροβίλους -η τυρβώδης ροή και ο σχηματισμός στροβίλων επιβραδύνονται -νέο στρώμα αναστροφής σχηματίζεται από την επιφάνεια. -οι ρύποι μεταφέρονται προς τα πάνω. -Ιδανικές συνθήκες για την έκλυση ρύπων μια και δεν φτάνουν στο έδαφος ΘΥΜΙΑΖΕΙ FUMIGATION ΚΩΝΙΚΟΣ CONING ΒΡΟΧΟΥ LOOPING ΑΝΥΨΩΜΕΝΟΣ LOFTING 20
Πηγές Κ. Τούρπαλη, Τμήμα Φυσικής, ΑΠΘ Χρ. Ζερεφός, Ακαδημία Αθηνών Δ. Ασημακόπουλος και Κ. Καρτάλης, Υποστηρικτικές σημειώσεις, Παν/μιο Αθηνών Αν. Καζαντζίδης, Παν/μιο Πατρών