Инверсионная температура. Температурная инверсия

С понятием “инверсия” у парапланеристов связанно очень много впечатлений и воспоминаний. Обычно об этом явлении говорят с сожалением, что-то типа “опять низкая инверсия не дала пролететь хороший маршрут” или “я уперся в инверсию и не смог набрать больше”. Давайте разберемся с этим явлением, с тем так ли оно плохо? И с обычными ошибками, которые допускают парапланеристы рассказывая об “инверсии”.

Итак обратимся для начала к Википедии:

Инверсия в метеорологии – означает аномальный характер изменения какого-либо параметра в атмосфере с увеличением высоты. Наиболее часто это относится к температурной инверсии , то есть к увеличению температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения.

Так что выходит, что говоря об “инверсии”, мы говорим именно о температурной инверсии. То есть об увеличении температуры с высотой в некотором слое воздуха. – Этот момент очень важно себе твердо уяснить, ведь говоря о состоянии атмосферы можно выделить что для нижней части атмосферы (до тропопаузы):

Нормальное состояние – когда температура воздуха с увеличением высоты – уменьшается . Например средняя скорость падения температуры с высотой для стандартной атмосферы принята ИКАО в 6.49 град К на км.

Не нормальное состояние остается постоянной (изотермия )

Так же не нормальное состояние – когда температура с увеличением высоты увеличивается (инверсия температуры )

Наличие изотермии или настоящей инверсии в каком-то слое воздуха – означает что атмосферный градиент тут равен нулю или даже отрицателен, и это явно свидетельствует о СТАБИЛЬНОСТИ атмосферы ().

Свободно поднимающийся объем воздуха, попадая в такой слой очень быстро теряет свою разницу в температуре между ним и окружающей средой.(Воздух поднимаясь охлаждается по сухо- или влажноадиабатическому градиенту, а воздух окружающий его среды – не меняет температуру или даже нагревается. Та разница температур, что являлась причиной превышения силы Архимеда, над силой тяжести быстро нивелируется и движение прекращается).

Приведем пример, предположим у нас есть некий объем воздуха, который перегрелся у поверхности земли, относительно окружающего его воздуха, на 3 градуса K. Этот объем воздуха, отрываясь от земли порождает термический пузырь (термик). На начальном этапе его температура на 3 градуса выше, а следовательно плотность для того же объема, по сравнению с окружающем его воздухом – ниже. Следовательно сила Архимеда будет превышать силу тяжести, и воздух начнет двигаться вверх с ускорением (всплывать). Всплывая вверх, атмосферное давление будет все время падать, всплывающий объем будет расширяться, и расширяясь охлаждаться по сухоадиабатическому закону (перемешивание воздуха обычно пренебрегают на больших объемах).

Долго ли он будет всплывать? – зависит от того как быстро по высотам, охлаждается окружающая среда вокруг него. Если закон изменения охлаждения окружающей среды такой же как сухоадиабатический закон – то начальная “перегретость относительно окружающей среды” все время будет сохраняться, и наш всплывающий пузырь все время будет разгоняться (сила трения будет увеличиваться со скоростью, и при значимых скоростях её уже нельзя будет пренебрегать, ускорение будет – уменьшаться).

Но такие условия – крайне редки, чаще всего мы имеем атмосферный градиент в районе 6.5 – 9 град К на км. Возьмем для примера 8 град К на км.

Разница между атмосферным градиентом и сухоадиабатическим = 10-8=2 град К на км, тогда на высоте 1 км от поверхности, от начальной перегретости в 3 градуса, осталась только 1. (наш пузырь охладился на 9.8=10 градусов, а окружающий воздух на 8). Еще 500м подъема и температуры сравняются. То есть на высоте 1.5 км,температура пузыря и температура окружающего воздуха будут одинаковы, сила Архимеда и сила тяжести уравновесятся. Что произойдет с пузырем? Во всех парапланерных книгах, пишут – что он останется на этом уровне. Да, в конечном счете, теоретически, именно это и произойдет. Но по динамика процесса нам летающим – тоже важна.

Зависание пузыря на новом, равновесном уровне будет не сразу. И если бы, не было тех явлений, которыми пренебрегают описывая подъем пузыря (сила трения, перемешивание с окружающим воздухом, теплообмен с окружающим воздухом) он бы и не завис никогда:).

Вначале он “по инерции” проскочит выше, равновесного уровня (он же разгонялся все время что поднимался и имеет уже приличную скорость, а значит и запас кинетической энергии. Поднимаясь над этим уровнем (1.5 км), градиент будет работать уже в противоположную сторону, то есть наш объем воздуха будет охлаждаться быстрее чем окружающий, сила тяжести будет превышать силу Архимеда, и результирующая сила будет действовать уже вниз, тормозя (вместе с силой трения) его движение. На какой-то высоте, их действие полностью остановит наш пузырь и он начнет движение вниз. Если полностью пренебречь силой трения и считать что воздух не смешивается с окружающим и не обменивается энергией, то он бы колебался вверх вниз от 0 до 3000м. Но в реальности этого конечно не происходит. Сила трения, теплообмен и смешивание – присутствуют и колебания быстро затухают. Особенно быстро их ограничивают слои с разными градиентами.

Рассмотрим теперь тот же пример, только со слоем инверсии, градиентом в -5 град К на км (помним что в метеорологии градиент с обратным знаком), на высоте 750м толщиной в 300м.

Тогда за первые 750м наш пузырь потеряет 1.5 градуса перегретости (10-8=2 град К на км. 2*0,75 = 1,5 град) , поднимаясь дальше он продолжит охлаждаться на 1 град на каждые 100м, а начиная с высоты 750м, окружающий воздух только повышает свою температуру. Значит разница между градиентами. 10–5=15 град К на км, или 1.5 град на 100м. И через следующие 100м (на высоте 850 метров), пузырь по температуре сравняется с окружающей средой.

Значит слой инверсии с градиентом -5град К на км быстро остановил пузырь. (Так же быстро он погасит инерцию пузыря, в идеале через 200м, а по факту, с учетом трения, перемешивания и теплообмена – существенно раньше).

Мы видим, что слой инверсии ограничивает колебания пузыря (если мы пренебрегаем трением, перемешиванием и теплообменом) с диапазона 0-3000м, до диапазона 0- 1050м.

Так ли плоха инверсия? Если она на низкой высоте, и замедляет наши термики – это плохо. Если она на достаточно большой высоте и защищает от подъема воздуха в зоны нестабильности в которых происходит конденсация, и где влажноадиабатический градиент меньше чем атмосферный, то инверсия – это хорошо.

Из-за чего возникает инверсия температуры?

Ведь строго говоря, для термодинамического равновесия атмосферы до уровня тропопаузы – это не нормальное состояние.

Выделяют 2 вида инверcии по месту проявления:

приземная (та которая начинает от поверхности земли)
инверсия на высоте (какой-то слой на высоте)

И можно выделить 4 типа инверсии, по видам ее возникновения. со всеми из них мы можем легко столкнутся в повседневной жизни и на полетах:

приземного радиационного выхолаживания
инверсия подтекания
инверсия адвективного переноса
инверсия оседания

С приземной инверсией все просто, её еще называют инверсией радиационного выхолаживания или ночной инверсией. Поверхность земли, при ослаблении поступления тепла от солнца быстро охлаждается (в том числе и из-за инфракрасного излучения). Охлажденная поверхность охлаждает и прилегающий к ней слой воздуха. Так как воздух – плохо переносит тепло, то выше определенной высоты это охлаждение уже не чувствуется.

Приземная инверсия

Толщина слоя интенсивность его переохлаждения зависят от:

длительности охлаждения, чем длиннее ночь тем больше выхолаживается поверхность и примыкающий к ней слой воздуха. Осенью и зимой приземные инверсии толще и имеют более выраженный градиент.
скорости охлаждения, например если есть облачность, то часть инфракрасного излучения, с которым уходит тепло – отражается обратно на землю, и интенсивность охлаждения – заметно снижается (облачные ночи – теплые).
теплоемкости подстилающей поверхности поверхности имеющие большую теплоемкость и накопившие тепло за день – дольше охлаждаются и меньше охлаждают воздух (например теплые водоемы).
наличия ветра у земли, ветер перемешивает воздух и он интенсивнее охлаждается, слой (толщина) инверсии – заметно больше.

Инверсия подтекания – возникает когда холодный воздух стекает со склонов в долину, вытесняя более теплый воздух вверх. Воздух может стекать как с охлажденных склонов ночью, так и днем, например с ледников.

Инверсия подтекания

Инверсия адвективного переноса возникает при горизонтальном переносе воздуха. Например теплых воздушных масс на холодные поверхности. Или просто разных воздушных масс. Ярким примером – являются атмосферные фронты, на границе фронта будет наблюдаться инверсия. Другой пример, адвекция теплого (ночью) воздуха с водной поверхности на холодную сушу. Осенью такая адвекция часто визуализируется туманами. (их так и называют, адвективные туманы, когда влажный теплый воздух с воды переноситься на холодную сушу, или на более холодную воду и т.д.)

Возникает если внешние силы заставляют какой-то слой воздуха опускаться вниз. При опускании воздух будет сжиматься (так как атмосферное давление увеличивается) и адиабатически нагреваться, и может оказаться что нижележащие слои – имеют температуры ниже – возникнет инверсия. Этот процесс может происходить в разных условиях и масштабах, такая инверсия возникает например при оседании воздуха в антициклонах, при опускании воздуха в горно-долинной циркуляции, между облаком с осадками и окружающем воздухом рядом, или, например при фёне. Для ее возникновения нужно постоянное внешнее воздействие которое осуществляет перенос и опускание воздуха.

Вернемся теперь к мифам об инверсии.

Очень часто, парапланеристы говорят об инверсии там, где ее нет. Связанно это с тем, что мы привыкли любой слой который заметно тормозит и задерживает вертикальное перемещение воздуха называть инверсией хотя это – не так. Просто слой с маленьким градиентом, или изотермия – тоже быстро блокируют перемещение воздуха, но при этом не являются настоящей инверсией.

Второй момент возник благодаря тому, что в книгах, на иллюстрациях обычно для наглядности рисуют атмосферные градиенты или аэрологическую диаграмму в ПРЯМОУГОЛЬНЫХ СИСТЕМАХ КООРДИНАТ (АДП), где изотермы (линии постоянных температур) направлены снизу вверх перпендикулярно изобарам (или линиям одинаковой высоты). На таких рисунках инверсия, это любой участок кривой стратификации наклонённый ВПРАВО от вертикали снизу-вверх. Инверсия в таких координатах – легко видна.

Пример из книги Д. Пегана “Понять небо”.

На практике же, большинство пользуются , например с сайта meteo.paraplan.ru и тут уже, изотермы сами наклонены вправо, так что для того чтобы увидеть инверсию, нужно сравнить КРУТИЗНУ наклона кривой стратификации с изотермой! А сделать это на глазок при беглом просмотре – намного сложнее чем с диаграммной в АДП. Посмотрите на диаграмму внизу, у земли видна приземная небольшая инверсия. В слое 400м температура чуть выросла, (на высоте 600 метров она примерно на градус теплее чем у земли) градиент порядка -2.5 градуса К на км. А вверху, НЕ инверсия, а просто очень небольшой градиент, примерно +3.5 градусов К на км.

Инверсия и Не инверсия

Из-за того что не любой наклон вправо будет инверсия на АДК, пилоты часто употребляют это слово не там где надо, чем раздражают истинных метеорологов 🙂

В то же время расчетные, модельные аэрологические диаграммы могут не прогнозировать тонкие слои инверсии, так как усредняют температуру по слою, вместо того чтобы учесть 2 слоя, слой инверсии толщиной, например 100м с разницей температур на нижней и верхней границе в -1град, прилежащий слой в 900 метров с разницей температур +8 градусов. они просто нарисуют более толстый слой, 1 км – с о средним градиентом 7 градусов на этот километр. В то время как в реальности там будет несколько разных слоев.

Например как на приведенной ниже натурной диаграмме (АДП). На ней видно и приземной слой инверсии толщиной 200м + слой изотермии. И тонкий слой инверсии на высоте 2045м, и слой изотермии на высоте 3120м. Эти тонкие слои не рассчитываются модельно, но фактически – оказывают сильное влияние на термики.

Натурная АДП с шара- зонда

Резюме.

Не каждая часть кривой стратификации наклоненная вправо на АДК – является инверсией, будьте внимательны! Настоящую инверсию можно увидеть только на аэрологической диаграмме снятой по фактическим данным зондирования атмосферы. На “модельных” диаграммах, они могут быть не просчитаны, а лишь учтены в уменьшении градиента на каком-то слое. Однако в этом случае, об их существовании можно догадаться, если принимать во внимания возможные факторы возникновения инверсий.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Инверсия в метеорологии означает аномальный характер изменения какого-либо параметра в атмосфере с увеличением высоты. Наиболее часто это относится к температурной инверсии, то есть к увеличению температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения.

Различают два типа инверсии:

Приземные инверсии температуры, начинающиеся непосредственно от земной поверхности (толщина слоя инверсии - десятки метров)

Инверсии температуры в свободной атмосфере (толщина слоя инверсии достигает сотни метров)

Инверсия температуры препятствует вертикальным перемещениям воздуха и способствует образованию дымки, тумана, смога, облаков, миражей. Инверсия сильно зависит от местных особенностей рельефа. Увеличение температуры в инверсионном слое колеблется от десятых долей градусов до 15-20 °C и более. Наибольшей мощностью обладают приземные инверсии температуры в Восточной Сибири и в Антарктиде в зимний период.

Нормальные атмосферные условия

Как правило, в нижних слоях атмосферы (тропосфера) воздух около поверхности Земли теплее чем воздух, расположенный выше, поскольку атмосфера в основном нагревается от солнечного излучения через земную поверхность. С изменением высоты температура воздуха понижается, средняя скорость уменьшения составляет 1 °C на каждые 160 м.

Причины и механизмы возникновения инверсии

При определённых условиях нормальный вертикальный градиент температуры изменяется таким образом, что более холодный воздух оказывается у поверхности Земли. Это может произойти, например, при движении тёплой, менее плотной воздушной массы над холодным, более плотным слоем. Этот тип инверсии возникает в близости тёплых фронтов, а также в областях океанического апвеллинга (Апвеллинг (англ. upwelling) или подъём - это процесс, при котором глубинные воды океана поднимаются к поверхности), например у берегов Калифорнии. При достаточной влажности более холодного слоя, типично образование тумана под инверсионной «крышкой».
Ясной, тихой ночью при антициклоне холодный воздух может спускаться по склонам гор и собираться в долинах, где в результате температура воздуха будет ниже, чем на 100 или 200 м выше. Над холодным слоем там будет более тёплый воздух, который, вероятно, образует облако или лёгкий туман. Температурная инверсия наглядно демонстрируется на примере дыма от костра. Дым будет подниматься вертикально, а затем, когда достигнет «слоя инверсии», изогнётся горизонтально. Если эта ситуация создаётся в больших масштабах, пыль и грязь (смог), поднимающиеся в атмосферу, остаются там и, накапливаясь, приводят к серьёзному загрязнению.

Инверсия опускания

Инверсия температуры может возникнуть в свободной атмосфере при опускании широкого слоя воздуха, и нагреве его вследствие адиабатического сжатия, что обычно связывается с субтропическими областями высокого давления. Турбулентность может постепенно поднять инверсионный слой на большую высоту и «проколоть» его, в результате чего образуются грозы и даже (при определённых обстоятельствах) тропические циклоны.

Последствия температурной инверсии

При прекращении нормального процесса конвекции происходит загрязнение нижнего слоя атмосферы. Это вызывает проблемы в городах с большими объёмами выбросов. Инверсионные эффекты часто возникают в таких больших городах, как Мумбаи (Индия), Лос-Анджелес (США), Мехико (Мексика), Сан-Паулу (Бразилия), Сантьяго (Чили) и Тегеран (Иран). Небольшие города, такие как Осло (Норвегия) и Солт-Лейк-Сити (США), расположенные в долинах холмов и гор, также испытывают влияние запирающего инверсионного слоя. При сильной инверсии загрязнения воздуха могут стать причиной респираторных заболеваний. Великий смог в 1952 году в Лондоне является одним из самых серьёзных подобных событий - из-за него умерло более 10 тысяч человек.
Температурная инверсия представляет опасность для взлетающих самолётов, так как при входе воздушного судна в вышележащие слои более теплого воздуха снижается тяга двигателей.
Зимой инверсия может привести к опасным явлениям природы. Очень сильным морозам в антициклоне. Ледяному дождю при выходе атлантических и южных циклонов(особенно при прохождение их тёплых фронтов).

С увеличением высоты. Наиболее часто это относится к температурной инверсии , то есть к увеличению температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения.

Различают два типа инверсии:

приземные инверсии температуры, начинающиеся непосредственно от земной поверхности (толщина слоя инверсии - десятки метров)
инверсии температуры в свободной атмосфере (толщина слоя инверсии достигает сотни метров)

Инверсия температуры препятствует вертикальным перемещениям воздуха и способствует образованию дымки , тумана , смога , облаков , миражей . Инверсия сильно зависит от местных особенностей рельефа. Увеличение температуры в инверсионном слое колеблется от десятых долей градусов до 15-20°С и более. Наибольшей мощностью обладают приземные инверсии температуры в Восточной Сибири и в Антарктиде в зимний период.

Нормальные атмосферные условия

Причины и механизмы возникновения инверсии

Инверсия опускания

Последствия температурной инверсии

Ссылки

Инверсия температуры - статья из Большой советской энциклопедии
Хргиан А. Х., Физика атмосферы, М., 1969.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Инверсия температуры" в других словарях:

Явление, наблюдаемое в тех случаях, когда температура возрастает с высотой, вместо того чтобы убывать, т. е. когда в атмосфере имеется отрицательный температурный градиент. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское… … Морской словарь

инверсия температуры - Повышение температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного ее понижения. Syn.: температурная инверсия … Словарь по географии

Большой Энциклопедический словарь

инверсия температуры - 3.37 инверсия температуры: Повышение температуры воздуха с высотой вместо обычного понижения в некотором слое атмосферы. Инверсии температуры встречаются как в приземном слое воздуха, начиная от поверхности почвы (приземная инверсия), так и в… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Повышение температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения. Различают приземные инверсии температуры, начинающиеся непосредственно от земной поверхности, и инверсии температуры в свободной атмосфере; первые чаще… … Энциклопедический словарь

инверсия температуры - temperatūros apgrąža statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. temperature inversion vok. Temperatururmkehr, f rus. инверсия температуры, f pranc. inversion de température, f … Radioelektronikos terminų žodynas

Повышение темп ры воздуха с высотой в нек ром слое атмосферы вместо обычного понижения. Различают приземные И. т., начинающиеся непосредственно от земной поверхности, и И. т. в свободной атмосфере; первые чаще всего связаны с охлаждением воздуха… … Естествознание. Энциклопедический словарь

У этого термина существуют и другие значения, см. Инверсия. Поднимающийся дым сдерживается вышележащим слоем более тёплого воздуха (Шо … Википедия

- (лат.). Превращение вообще и особенно превр. сахара в глюкозы и фруктозы. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ИНВЕРСИЯ [лат. inversio переворачивание, перестановка] 1) лингв. изменение обычного порядка… … Словарь иностранных слов русского языка

Одно из фундаментальных понятий физики и статистической механики, используемое для описания принципов функционирования лазеров. Содержание 1 Распределение Больцмана и термодинамическое равновесие … Википедия

Подобно тому, как в почве или в воде нагревание и охлаждение передаются от поверхности в глубину, так и в воздухе нагревание и охлаждение передаются из нижнего слоя в более высокие слои. Следовательно, суточные колебания температуры должны наблюдаться не только у земной поверхности, но и в высоких слоях атмосферы. При этом, подобно тому как в почве и в воде суточное колебание температуры убывает и запаздывает с глубиной, в атмосфере оно должно убывать и запаздывать с высотой.

Нерадиационная передача тепла в атмосфере происходит, как и в воде, преимущественно путем турбулентной теплопроводности, т. е. при перемешивании воздуха. Но воздух более подвижен, чем вода, и турбулентная теплопроводность в нем значительно больше. В результате суточные колебания температуры в атмосфере распространяются на более мощный слой, чем суточные колебания в океане.

На высоте 300 м над сушей амплитуда суточного хода температуры около 50% амплитуды у земной поверхности, а крайние значения температуры наступают на 1,5--2 часа позже. На высоте 1 км суточная амплитуда температуры над сушей 1--2°, на высоте 2--5 км 0,5--1°, а дневной максимум смещается на вечер. Над морем суточная амплитуда температуры несколько растет с высотой в нижних километрах, но все же остается малой.

Небольшие суточные колебания температуры обнаруживаются даже в верхней тропосфере и в нижней стратосфере. Но там они определяются уже процессами поглощения и излучения радиации воздухом, а не влияниями земной поверхности.

В горах, где влияние подстилающей поверхности больше, чем на соответствующих высотах в свободной атмосфере, суточная амплитуда убывает с высотой медленнее. На отдельных горных вершинах, на высотах 3000 м и больше, суточная амплитуда еще может равняться 3--4°. На высоких обширных плато суточная амплитуда температуры воздуха того же порядка, что и в низинах: поглощенная радиация и эффективное излучение здесь велики, так же как и поверхность соприкосновения воздуха с почвой. Суточная амплитуда температуры воздуха на станции Мургаб на Памире в среднем годовом 15,5°, тогда как в Ташкенте 12°.

Инверсии температуры

В предыдущих параграфах мы неоднократно упоминали об инверсиях температуры. Теперь остановимся на них несколько подробнее, поскольку с ними связаны важные особенности в состоянии атмосферы.

Падение температуры с высотой можно считать нормальным положением вещей для тропосферы, а инверсии температуры -- отклонениями от нормального состояния. Правда, инверсии температуры в тропосфере -- частое, почти повседневное явление. Но они захватывают воздушные слои достаточно тонкие в сравнении со всей толщей тропосферы.

Инверсию температуры можно характеризовать высотой, на которой она наблюдается, толщиной слоя, в котором имеется повышение температуры с высотой, и разностью температур на верхней и нижней границах инверсионного слоя -- скачком температуры. В качестве переходного случая между нормальным падением температуры с высотой и инверсией наблюдается еще явление вертикальной изотермии, когда температура в некотором слое с высотой не меняется.

По высоте все тропосферные инверсии можно разделить на инверсии приземные и инверсии в свободной атмосфере.

Приземная инверсия начинается от самой подстилающей поверхности (почвы, снега или льда). Над открытой водой такие инверсии наблюдаются редко и не так значительны. У подстилающей поверхности температура самая низкая; с высотой она растет, причем этот рост может распространяться на слой в несколько десятков и даже сотен метров. Затем инверсия сменяется нормальным падением температуры с высотой.

Инверсия в свободной атмосфере наблюдается в некотором слое воздуха, лежащем на той или иной высоте над земной поверхностью (рис.5.20). Основание инверсии может находиться на любом уровне в тропосфере; однако наиболее часты инверсии в пределах нижних 2 км (если не говорить об инверсиях на тропопаузе, собственно уже не тропосферных). Толщина инверсионного слоя также может быть самой различной -- от немногих десятков до многих сотен метров. Наконец, скачок температуры на инверсии, т. е. разность температур на верхней и нижней границах инверсионного слоя, может колебаться от 1° и меньше до 10--15° и больше.

Заморозки

Важное в практическом отношении явление заморозков связано как с суточным ходом температуры, так и с непериодическими ее понижениями, причем обе эти причины обычно действуют совместно.

Заморозками называют понижения температуры воздуха ночью до нуля градусов и ниже в то время, когда средние суточные температуры уже держатся выше нуля, т. е. весной и осенью.

Весенние и осенние заморозки могут иметь самые неблагоприятные последствия для садовых и огородных культур. При этом необязательно, чтобы температура опускалась ниже нуля в метеорологической будке. Здесь, на высоте 2 м, она может остаться несколько выше нуля; но в самом нижнем, при почвенном слое воздуха она в это же время падает до нуля и ниже, и огородные или ягодные культуры повреждаются. Бывает и так, что температура воздуха даже и на небольшой высоте над почвой остается выше нуля, но сама почва или растения на ней охлаждаются путем излучения до отрицательной температуры и на них появляется иней. Это явление называется заморозком на почве и также может погубить молодые растения.

Заморозки чаще всего бывают, когда в данный район приходит достаточно холодная воздушная масса, например арктического воздуха. Температура в нижних слоях этой массы днем все-таки выше нуля. Ночью же температура воздуха падает в суточном ходе ниже нуля, т. е. наблюдается заморозок.

Для заморозка нужна ясная и тихая ночь, когда эффективное излучение с поверхности почвы велико, а турбулентность мала и воздух, охлаждающийся от почвы, не переносится в более высокие слои, а подвергается длительному охлаждению. Такая ясная и тихая погода обычно наблюдается во внутренних частях областей высокого атмосферного давления, антициклонов.

Сильное ночное охлаждение воздуха у земной поверхности приводит к тому, что с высотой температура повышается. Другими словами, при заморозке имеет место приземная инверсия температуры.

Заморозки чаще происходят в низинах, чем в возвышенных местах или на склонах, так как в вогнутых формах рельефа ночное понижение температуры усилено. В низких местах холодный воздух больше застаивается и длительнее охлаждается.

Поэтому заморозок нередко поражает сады, огороды или виноградники в низкой местности, в то время как на склонах холма они остаются неповрежденными.

Последние весенние заморозки наблюдаются в центральных областях Европейской территории СНГ в конце мая -- начале июня, а уже в начале сентября возможны первые осенние заморозки (карты VII, VIII).

В настоящее время разработаны достаточно эффективные средства для защиты садов и огородов от ночных заморозков. Огород или сад укутывается дымовой завесой, которая понижает эффективное излучение и уменьшает ночное падение температуры. Грелками разного рода можно подогревать нижние слои воздуха, накопляющегося в приземном слое. Участки с садовыми или огородными культурами можно закрывать на ночь особой пленкой, расставлять над ними соломенные или пластикатовые навесы, также уменьшающие эффективное излучение с почвы и растений, и т. д. Все такие меры следует принимать, когда уже с вечера температура достаточно низка и, согласно прогнозу погоды, предстоит ясная и тихая ночь.

Повышение температуры в тропосфере атмосферы с ростом высоты характеризуется как температурная инверсия (рис. 11.1, в). В этом случае атмосфера оказывается весьма устойчивой. Наличие инверсии в значительной степени замедляет вертикальное перемещение загрязняющих веществ и, как следствие, увеличивает их концентрацию в приземном слое.

Наиболее часто наблюдается инверсия, возникающая при опускании слоя воздуха в воздушную массу с более высоким давлением, либо при радиационной потере тепла земной поверхностью в ночное время. Первый тип инверсии обычно называют инверсией оседания . Инверсионный слой в этом случае обычно располагается на некотором расстоянии от земной поверхности, а формируется инверсия путем адиабатического сжатия и нагревания слоя воздуха в процессе его опускания вниз в область центра высокого давления.

Из уравнения (11.5) получаем:

Значение удельной изобарной теплоемкости С р для воздуха не значительно изменяется от температуры в достаточно большом температурном диапазоне. Однако в связи с изменением барометрического давления плотность на верхней границе слоя инверсии меньше, чем у его основания, т. е.

. (11.11)

Это означает, что верхняя граница слоя нагревается быстрее, чем нижняя. Если опускание продолжается в течение длительного времени, в слое будет создаваться положительный градиент температуры. Таким образом, опускающаяся воздушная масса является как бы гигантской крышкой для атмосферы, расположенной ниже слоя инверсии.

Слои инверсии оседания обычно оказываются выше источников выбросов и, таким образом, не оказывают существенного влияния на явления короткопериодного загрязнения атмосферного воздуха. Однако такая инверсия может просуществовать несколько дней, что сказывается на долговременном накоплении загрязняющих веществ. Случаи загрязнения с опасными последствиями для здоровья людей, наблюдавшиеся в городских районах в прошлом, часто были связаны с инверсиями оседания.

Рассмотрим причины, приводящие к возникновению радиационной инверсии . В этом случае слои атмосферы, расположенные над поверхностью Земли, в течение дня получают тепло за счет теплопроводности, конвекции и излучения от земной поверхности и в итоге нагреваются. В результате температурный профиль нижних слоев атмосферы обычно характеризуется отрицательным температурным градиентом. Если затем следует ясная ночь, то земная поверхность излучает тепло и быстро остывает. Слои воздуха, прилегающие к земной поверхности, охлаждаются до температуры расположенных выше слоев. В результате дневной температурный профиль преобразуется в профиль обратного знака, и слои атмосферы, прилегающие к земной поверхности, прикрываются устойчивым инверсионным слоем. Этот тип инверсии наблюдается в ранние часы и характерен для периодов ясного неба и безветренной погоды. Инверсионный слой разрушается восходящими потоками теплого воздуха, возникающими при нагревании поверхности земли лучами утреннего солнца.

Радиационная инверсия играет важную роль в загрязнении атмосферы, так как в этом случае инверсионный слой располагается внутри слоя, который содержит источники загрязнения (в отличие от инверсии оседания). Кроме того, радиационная инверсия наиболее часто происходит в условиях безоблачных и безветренных ночей, когда мала вероятность очищения воздуха от загрязнения осадками или боковыми ветрами.

Интенсивность и продолжительность инверсии зависят от сезона. Осенью и зимой, как правило, имеют место продолжительные инверсии, их число велико. На инверсии оказывает влияние и топография местности. Например, холодный воздух, скопившийся ночью в межгорной котловине, может быть «заперт» там теплым воздухом, оказавшимся над ним.

Возможно и другие типы локальных инверсий, например инверсии, связанные с морским бризом при прохождении теплого воздушного фронта над большим континентальным участком суши. Прохождение холодного фронта, перед которым расположена область теплого воздуха, также приводит к инверсии.

Инверсии – обычное явление для многих районов. Например, на западном побережье США они наблюдаются в течение почти 340 дней в году.

Степень устойчивости атмосферы можно определить по величине градиента «потенциальной» температуры:

. (11.12)

где
– градиент температуры, наблюдаемый в окружающем воздухе.

Отрицательное значение градиента «потенциальной» температуры (Г пот < 0) свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере. В случае, когдаГ пот > 0, атмосфера устойчива. В случае, если градиент «потенциальной» температуры приближается к нулю (Г пот  0), атмосфера характеризуется как безразличная.

Кроме рассмотренных случаев температурной инверсии, которые носят локальный характер, в атмосфере Земли наблюдаются две инверсионные зоны глобального характера. Первая зона глобальной инверсии от поверхности Земли начинается с нижней границы тропопаузы (11 км для стандартной атмосферы) и заканчивается на верхней границы стратопаузы (примерно 50 км). Эта инверсионная зона препятствует распространению примесей, образовавшихся в тропосфере или выделяющихся с поверхности Земли, в другие области атмосферы. Вторая зона глобальной инверсии, расположенная в термосфере, в определенной степени препятствует рассеянию атмосферы в космическое пространство.

Рассмотрим на примере порядок определения градиента «потенциальной» температуры. Температура у поверхности Земли на высоте 1,6 м составляет –10 °С, на высоте 1800 м – –50 °С, –12 °С, –22 °С.

Целью расчета является оценка состояния атмосферы по величине градиента «потенциальной» температуры.

Для расчета градиента «потенциальной» температуры воспользуемся уравнением (11.12)

Здесь Г = 0,00645 град./м – стандартный, или нормальный адиабатический вертикальный, температурный градиент.

Проанализируем рассчитанные значения градиента «потенциальной» температуры. Характер изменения температуры для рассматриваемых случаев состояния атмосферы представлен на рис. 11.2.

Г пот 1 < 0 свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере.

Г пот 2 > 0 – атмосфера устойчива.

Г пот 3 ≈ 0 – атмосфера характеризуется как безразличная.