Температурная стратификация атмосферы и инверсии температуры

Замечено, что атмосфера в данной местности может находиться в различном состоянии, что предопределяет различие условий рассеяния вредных выбросов (атмосферных загрязнителей). Можно показать, что если малый элемент воздушного столба под влиянием внешних причин (порыв или дуновение ветра) переместится на другую высоту и этот процесс произойдет адиабатически(без изменения обмена теплотой с внешней средой), то температура элемента изменится на величину T = -9,9·10^-3 · z, где z(м) – величина перемещения.

Величина gradT= T/ z = -9,9·10^-3 ≈ 10^-2 град/м называется адиабатическим градиентом температуры, и температурная стратификация атмосферы, то есть распределение температуры T по высоте z, T (z) = T_O – 10^-2·z, также называется адиабатической. Известно, что фактическая скорость падения температуры в тропосфере в зависимости от условий может быть как больше, так и меньше этой величины.

В первом случае температурная стратификация называется сверхадиабатической. При этом выброс загрязняющих веществ, например, в виде дымового факела, имеющего относительно более высокую температуру и меньшую плотность, чем окружающий воздух, поднимается вверх во все более холодном воздухе и эффективно рассеивается на большой высоте.

Во втором случае стратификация называется нададиабатической. Предположим, что температура воздуха имеет скорость изменения gradТ < 10^-2 град/м. Тогда малый элемент воздушного столба при случайном перемещении вверх на z в адиабатических условиях понизил бы свою температуру в соответствии с адиабатическим градиентом 10^-2 град/м, тогда как окружающий его воздух оказался бы более теплым. В этих условиях факел имеет меньшую подъемную силу и рассеивается на меньшей высоте, создавая более высокие концентрации вредных веществ в жизненно важном приземном слое воздуха. Меньшая скорость падения температуры имеет место, например, во время антициклона. Это наблюдается также ночью, при ясном небе, когда воздух приземного слоя охлаждается от поверхности земли. Состояние атмосферы с нададиабатической температурной стратификацией определяется как устойчивое. Оно вызвано отклонением от обычного характера температурной стратификации (обычно адиабатическая или сверхадиабатическая стратификации, характери-зующие состояние атмосферы как неустойчивое), называемым инверсией температуры. Это неблагоприятное состояние, так как оно препятствует перемешиванию слоев воздуха, подъему загрязненных нижних участков атмосферы вверх и их рассеиванию.

Состояния устойчивости или неустойчивости атмосферы, предопределяющие либо явление инверсии с малым эффектом рассеивания загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосфере, либо адиабатическую и нададиабатическую стратификации с высоким эффектом рассеивания ЗВ, во многом обусловлены атмосферной конвекцией, связанной с прогревом воздушных масс и поверхности земли в дневное время и охлаждением их в ночное время.

Так, приток тепла от Солнца может привести к повышению температуры приповерхностного слоя атмосферы при относительно низких температурах верхних слоев. На правой части рис. 4.3 представлена подобная температурная стратификация атмосферы. В этом случае, при наличии приземной инверсии, автомобильные выхлопы имеют относительно малую подъемную силу и распространяются непосредственно в приземном воздухе, создавая здесь опасные концентрации NO_X, SO₂, CO, твердых частиц и других ЗВ.

 

Рис. 4.3. Иллюстрация к явлению инверсии температуры:

слева - обычные условия; справа - условия инверсии; 1 - зона инверсии

Наоборот, выбросы источников с высокими трубами, превышающими высоту зоны инверсии, рассеиваются с высокой эффективностью. При сочетании определенных условий может сформироваться «приподнятая» инверсия, когда зона инверсии располагается на высоте, большей высоты трубы, и выбросы ЗВ не могут «пробить» инверсионную тепловую «подушку». При этом приземные концентрации ЗВ достигают, как правило, опасных величин.

Можно показать, что если grad T > 10^-2 град/м, то состояние атмосферы будет неустойчивым. При случайном перемещении малого элемента воздуха вверх окружающий его воздух будет более холодным, и этот элемент продолжит свое движение вверх.