Физика атмосферных аэрозольных систем. Довгалюк Ю.А - 86 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

СПбГУ | Санкт-Петербург

Составители: 

Рубрика: 

атмосферы; 2) «частица» после прекращения действия силы возвращается в первоначальное
положение — состояние атмосферы устойчивое; 3) «частица» воздуха, выведенная из положения
равновесия, продолжает движение — состояние атмосферы неустойчивое. Условия вертикальной
устойчивости атмосферы определяются только величиной вертикального градиента температуры:
если γ<γ
a
, то «частица» при поднятии оказывается холоднее окружающего воздуха и состояние
атмосферы устойчиво; если γ=γ
a
, то вертикальное смещение не приводит к разности температур, и
состояние атмосферы безразличное; если γ<γ
a
, то «частица» оказывается теплее окружающего
воздуха, и состояние атмосферы неустойчиво. Эти же условия устойчивости можно выразить через
потенциальную температуру частицы: при устойчивом состоянии ∂ϑ/∂z>0 (ϑ растет с высотой); при
безразличном состоянии ∂ϑ/∂z=0 (ϑ постоянна); при неустойчивом состоянии ∂ϑ/∂z<0 (ϑ убывает с
высотой). Отсюда следует, что наибольшей устойчивостью обладают инверсионные и
изотермические слои.
В случае влажного ненасыщенного воздуха температуру (T
′
) следует заменить
виртуальной температурой (T
v
′
), равной T
v
′
=T
′
(1+0,6q). Уравнение (5.15) примет вид
При адиабатическом движении влажной частицы ниже уровня конденсации γ
v
=γ
a
, поэтому
условия устойчивости остаются прежними. При движении «частицы» выше уровня конденсации
γ
v
=γ
va
(γ
va
— влажно-адиабатический градиент температуры, причем, γ
va
<γ
a
). Тогда условия
устойчивости атмосферы при наличии сухо- и влажно-адиабатических процессов можно
сформулировать следующим образом:
1. При γ>γ
va
температура в атмосфере падает быстрее, чем по влажной адиабате, — такая
стратификация называется влажно-неустойчивой; при γ=γ
va
температура в атмосфере падает с
высотой по влажной адиабате, — такая стратификация называется влажно-безразличной; при γ<γ
va
температура в атмосфере падает медленнее, чем по влажной адиабате, — такая стратификация
называется влажно-устойчивой.
2. При γ>γ
a
>γ
va
стратификация сухо- и влажно-неустойчивая, или абсолютно неустойчивая;
при γ=γ
a
>γ
va
стратификация сухо-безразличная и влажно-неустойчивая; при γ
a
=γ>γ
va
стратификация
сухо-устойчивая и влажно-неустойчивая, или условно неустойчивая; при γ<γ
a
и γ=γ
va
стратификация
сухо-устойчивая, влажно-безразличная; при γ<γ
va
<γ
a
стратификация сухо- и влажно-устойчивая, или
абсолютно устойчивая.
Наиболее интересным для физики облаков представляется ситуация условно неустойчивой
атмосферы, так как она порождает всплывание влажной насыщенной «частицы» в ненасыщенном
окружающем воздухе, — в результате чего происходит зарождение облаков. Переходя в (5.15) к
производной по z и интегрируя по высоте от z
0
до z, получаем
(5.16)
где ∆(w
2
/2) — изменение кинетической энергии всплывающей «частицы» единичной массы в слое
между начальным уровнем подъема z
0
и произвольным уровнем z выше или ниже начального. Из
(5.16) видно, что рост кинетической энергии «частицы» происходит до тех пор, пока ∆T>0, а затем
частица начинает расходовать энергию, приобретенную в нижнем неустойчивом слое. Максимальная
высота поднятия «частицы» при отсутствии трения может быть определена из условия
т.е. «частица» движется вверх, пока не исчерпает всю свою кинетическую энергию. Отметим, что в
такой постановке задачи мы находим верхний предел высоты поднятия «частицы» и максимальную
скорость ее вертикального подъема.
Метод слоя. Так как атмосфера представляет собой сплошную среду, то восходящие потоки
всегда вызывают появление компенсирующих нисходящих потоков. Оседание окружающего воздуха
приводит к его нагреванию, а значит и к уменьшению сил плавучести. В результате условия
устойчивости атмосферы изменяются. Выделим в атмосфере некоторый слой, достаточно

Страницы