ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ Κεφ. 3: ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΘΕΡΜΟΒΑΘΜΙ Α Κεφ. 5: ΣΤΑΤΙΚΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Θερµές ευχαριστίες στον: Επ. Καθ. Π. Ζάνη ρ. Ιωάννης Πυθαρούλης Τοµέαςοµέας Μετεωρολοίας και Κλιµατολοίας, Τµήµα Γεωλοίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης 1
Κατακόρυφη θερµοβαθµίδα Η θερµοκρασία του αέρα στην Τροπόσφαιρα ελαττώνεται µε το ύψος ενώ αντίθετα στην υπερκείµενη Στρατόσφαιρα αυξάνεται. Κατακόρυφη θερµοβαθµίδα, : = Τ z 0. 6 = 6 100m 1km Τις τιµές του της υπολοίζουµε καθηµερινά από τις ραδιοβολίσεις. T = T + ( z z) 2
Κατακόρυφη αδιαβατική θερµοβαθµίδα Για µια κατακόρυφη αδιαβατική αντιστρεπτή µεταβολή του ξηρού ατµοσφαιρικού αέρα το πρώτο θερµοδυναµικό αξίωµα ράφεται: 0 = pa dt adp padt = adp dp = ρgdz pa dt = aρgdz = gdz dt dz = g pa dt dz g = Εξίσωση της κατακόρυφης αδιαβατικής θερµοβαθµίδας του ξηρού αέρα ( pa d ) dt g 9. 81 m s d = = = = 0. 00982 = 0. 982 = 9. dz 1005 J kg grad m 100m 82 1 1 pa 2 km 3
Κατακόρυφη αδιαβατική θερµοβαθµίδα Όταν ο θεωρούµενος αέρας είναι υρός αλλά ακόρεστος από υδρατµούς: dt g g d m = = = = d ( 1 0. 83r dz ( 1+ 0. 83r ) ( 1+ 0. 83r ) pm pa ) m = d ( 1 0. 83r ) Εξίσωση της κατακόρυφης αδιαβατικής θερµοβαθµίδας του υρού ακόρεστου αέρα ( m ) Αφού πάντοτε r>0 τότε: m < d Συνήθως: d m 1. 5 150m 1 150m 0. 9 150m 4
Κατακόρυφη αδιαβατική θερµοβαθµίδα Όταν ο θεωρούµενος αέρας είναι υρός αλλά κορεσµένος από υδρατµούς: s = d 1+ 0. 622Lve 1+ T P R 0. 622 pa T 2 2 L a 2 v s e s P R a Εξίσωση της κατακόρυφης αδιαβατικής θερµοβαθµίδας του υρού κορεσµένου αέρα ( s ) Συνήθως: s 0. 75 150m < < < s m d 5
Η ισορροπία στην ατµόσφαιρα Η ισορροπία ενός στερεού σώµατος µπορεί να είναι: Α) Ευσταθής Β) Ασταθής Γ) Αδιάφορος - Ουδέτερη ανάλοα µε το αν στην προσπάθεια µετακίνησης του στερεού αυτού σώµατος αναπτύσσεται ή όχι ροπή επαναφοράς Στη Μετεωρολοία εξετάζουµε την ισορροπία του σώµατος (ρευστού) που λέεται δείµα ατµοσφαιρικού αέρα 6
Η ισορροπία στην ατµόσφαιρα Α) Ευσταθής ατµόσφαιρα Όταν στην προσπάθεια µετακίνησης ενός δείµατος αέρα, κατακόρυφα, µέσα στην ατµόσφαιρα αναπτύσσεται ροπή επαναφοράς ή απλά ευνοούνται οι επιβραδυνόµενες κινήσεις Γενικά: εν παρατηρούνται κατακόρυφες κινήσεις είτε όταν αυτές παρατηρούνται είναι περιορισµένες Β) Ασταθής ατµόσφαιρα Όταν στην προσπάθεια µετακίνησης ενός δείµατος αέρα, κατακόρυφα, µέσα στην ατµόσφαιρα ευνοούνται οι επιταχυνόµενες κινήσεις Γενικά: Παρατηρούνται έντονες ανοδικές κινήσεις. Συµπύκνωση υδρατµών, νέφη, βροχή, χιόνι κλπ. Γ) Ουδέτερη ισορροπία Όταν δεν συµβαίνει µία από τις παραπάνω καταστάσεις Α ή Β 7
Η ισορροπία στην ατµόσφαιρα Κατηορίες αστάθειας στην ατµόσφαιρα: Α) υνητική αστάθεια (ptential instability) Αναφέρεται στην αστάθεια κινούµενων ατµοσφαιρικών στρωµάτων. Ο όρος υνητική Ευστάθεια ή Αστάθεια αναφέρεται κυρίως στην ευστάθεια ή αστάθεια ενός στρώµατος αέρα µετά τον κορεσµό του. Εκδηλώνεται µε ενίσχυση ή εξασθένηση κυµατοειδών διαταραχών ή εκτροπών µικρών τµηµάτων του ρευστού (ατµόσφαιρας) από τη βασική τους ροή. Η ελάττωση της δυνητικής θερµοκρασίας του υρού θερµοµέτρου µε το ύψος (dθ w /dz<0) σηµαίνει ενίσχυση της δυνητικής αστάθειας της ατµόσφαιρας. 8
Η ισορροπία στην ατµόσφαιρα Κατηορίες αστάθειας στην ατµόσφαιρα: Β) Στατική αστάθεια (static instability) Αναφέρεται κυρίως στις κατακόρυφες κινήσεις δείµατος του αέρα µέσα στην ατµόσφαιρα. Η εκτίµηση της στατικής αστάθειας µπορεί να ίνει: Με βάση τη µελέτη της κατακόρυφης θερµοβαθµίδας δείµατος αέρα Με βάση τα «ενερειακά εµβαδά» που προκύπτουν από τη χρήση κατάλληλων θερµοδυναµικών διαραµµάτων Με βάση κατάλληλους εµπειρικούς δείκτες 9
Μέθοδος του δείµατος αέρα που µετατοπίζεται κατακόρυφα 1) Με κριτήριο την πυκνότητα ρ>ρ : αστάθεια ρ<ρ : ευστάθεια ρ=ρ : ουδέτερη ισορροπία 2) Με κριτήριο τη θερµοκρασία Τ >Τ : αστάθεια Τ <Τ : ευστάθεια Τ=Τ : ουδέτερη ισορροπία 3) Με κριτήριο την κατακόρυφη θερµοβαθµίδα > d : αστάθεια < d : ευστάθεια = d : ουδέτερη ισορροπία Εδώ, d είναι οι ρυθµοί µείωσης της θερµοκρασίας καθ ύψος 10
Ποιοτική διερεύνηση της ισορροπίας στην ατµόσφαιρα Μέθοδος του δείµατος αέρα που µετατοπίζεται κατακόρυφα Τ = θερµοκρασία δείµατος, Τ = θερµοκρασία περιβάλλοντος lnp T T T T E (1) (3) (2) Τ (1) Ευστάθεια (2) Αστάθεια (3) Αδιάφορη ισορροπία 11
υνητική θερµοκρασία θ και ισορροπία της ατµόσφαιρας θ = T 1000 P R c a p Τ d θ θ dz = d Αν dθ/dz>0 : ευστάθεια Αν dθ/dz<0 : αστάθεια Αν dθ/dz=0 : αδιάφορη ισορροπία αφού < d : ευστάθεια > d : αστάθεια = d : αδιάφορη ισορροπία 12