Температура повітря може змінюватися не лише завдяки його нагріванню чи охолодженню від земної поверхні, або в результаті засвоєння чи випромінювання радіації. Вона часто також змінюється завдяки адіабатичним процесам. Адіабатичними називаються процеси, які відбуваються без обміну теплом з навколишнім середовищем, тобто без обміну теплом із земною поверхнею, найближчими шарами атмосфери чи космічним середовищем. В атмосфері дійсно часто діють процеси, близькі до адіабатичних.
Якщо деякий об’єм повітря переноситься угору, то він потрапляє в шари з меншим атмосферним тиском і розширюється. На роботу розширення витрачається внутрішня енергія об’єму повітря. А внутрішня енергія пропорційна його абсолютній температурі. Тому температура повітря знижується. При опусканні повітря потрапляє в шари з більшим атмосферним тиском, воно стискається, робота зовнішніх сил переходить до внутрішньої енергії об’єму повітря і його температура
підвищується, тобто збільшується швидкість руху молекул.
У дійсності в атмосфері чисто адіабатичних процесів не буває. Ніякий об’єм повітря не може бути повністю ізольованим від теплового впливу навколишнього середовища. Але коли атмосферний процес відбувається досить швидко, то його із достатнім наближенням вважають адіабатичним. Залежно від вмісту водяної пари у повітрі процеси поділяють на сухоадіабатичні та вологоадіабатичні.
Сухоадіабатичні зміни температури повітря
Стан атмосфери характеризується значенням трьох її параметрів: температури, тиску та густини або питомого об’єму. Ми вже згадували, що вони пов’язані між собою рівнянням стану газів(PV=RсT). Закон, за яким відбуваються адіабатичні зміни стану в ідеальному газі, з достатньою точністю застосовується до сухого повітря, а також до ненасиченого водяною парою повітря. Це сухоадіабатичний закон і він визначається рівнянням сухоабатичного процесу або рівнянням Пуасона
Т / Т0 = (Р/Р0) R/Ср ; Т / Т0 = (Р/Р0) 0,286,
де R – газова стала, Ср – теплоємність повітря, R/Ср=0,286.
Зміст рівняння Пуасона полягає в тому, що коли тиск в сухому чи ненасиченому повітрі змінюється від Ро на початку процесу до Р в кінці, то температура цього повітря змінюється від То на початку процесу до Т в кінці його. При цьому значення температури і тиску змінюється у відповідності з написаним вище рівнянням.
Зменшення атмосферного тиску і пов’язане з ним розширення повітря і зниження температури в атмосфері спостерігається при висхідних рухах повітря. Таке піднесення повітря вгору має місце при конвекції, при русі повітря вздовж похилої поверхні холоднішої повітряної маси, тобто над фронтальною поверхнею, при вимушеному русі повітря вздовж гірського схилу. За цією ж схемою відбувається стискання повітря при низхідних рухах: повітря надходить у шари атмосфери з меншим тиском і його температура підвищується. Отже, при піднесенні сухого або ненасичено водяною парою повітря адіабатично охолоджується, а при опусканні – адіабіотично нагрівається. Розрахунки і практика показують, що температура цього повітря на кожні 100 м висоти змінюється на 0,980С або наближено на 10С: при піднесені температура знижується, при опусканні – підвищується на 10С. Ця зміна називається сухоадіабатичним градієнтом: γа =10С. Тут слово градієнт вживається умовно, адже не йде мова про різницю температури на верхній і нижній межі шару, а йде мова про зміну температури повітря, яке рухається у вертикальному напрямку.
Вологоадіабатичні зміни температури повітря
Коли ненасичене водяною парою повітря підноситься угору і адіабатично охолоджується, то воно наближається до насичення і на якійсь висоті воно стає насиченим. Ця висота називається рівнем конденсації водяної пари.
При подальшому піднесенні насиченого повітря вверх у ньому починається конденсація водяної пари і при цьому виділяється приховане тепло, яке було витрачене на випаровування води. Це величезна кількість тепла − 2501? 103 Дж/кг. Тому температура повітря змінюється за іншими закономірностями. Звільнене тепло затримує зниження температури повітря при його піднесені. Тому температура повітря знижується за вологоадіабатичним, а не сухоадіабатичним градієнтом. Вона знижується тим повільніше, чим більше вологи є в повітрі в стані насичення, а це у свою чергу залежить від температури.
Зниження температури насиченого повітря при його піднесенні на кожні 100 м називається вологоадіабатичним градієнтом γa′. Ця величина змінна. Так, при атмосферному тиску 1000гПа і температурі 00С повітря охолоджується на 0,660С, при температурі 200С – на 0,440С, при температурі -200С – на 0,880С. За дуже низької температури повітря у високих шарах атмосфери водяної пари залишається зовсім мало, тому й мало виділяється тепла конденсації. У зв’язку з цим на великих висотах вологоадіабатичний градієнт наближається до сухоадіабатичного. Для наближених розрахунків для засвоєння цих процесів вологоадіабатичний градієнт беруть рівним 0,50С.
Коли насичене водяною парою повітря після піднесення почне опускатись, то його температура змінюватиметься за різними правилами, залежно від того чи всі крапельки і кристалики випали з повітря у вигляді атмосферних опадів, чи вони залишились у повітрі. Якщо у повітрі немає крапель та кристалів, то при опусканні повітря буде нагріватись за сухоадіабатичним градієнтом, тобто на 10С на кожні 100 м. Якщо у повітрі є крапельки і кристалики, то при опусканні повітря і його нагріванні, вони будуть випаровуватись і на випаровування витрачається тепло, що затримує підвищення температури. Вона буде підвищуватись за вологоадіабатичним градієнтом, тобто настільки, наскільки б вона знизилась при піднесенні насиченого повітря при тій же температурі і атмосферному тиску. Як тільки вся вода у повітрі випарується, то подальше підвищення температури буде за сухоадіабатичним градієнтом. Оскільки при опусканні повітря вода випаровується дуже швидко, то для наближених розрахунків температури повітря, яке опускається, завжди можна брати сухоадіабатичний градієнт.
Отже, коли ненасичене повітря підноситься вверх і не досягши рівня конденсації опуститься вниз, то його температура повернеться до початкової величини, вона не зміниться. Коли повітря досягши рівня конденсації продовжує рухатись угору, то його температура знижується за вологоадіабатичним градієнтом і з повітря випадають опади. Якщо в подальшому повітря опуститься до початкового рівня, то його температура виявиться вищою, ніж була на початку процесу. У повітрі відбулись незворотні зміни. Такий процес називається псевдоадіабатичним. Зміни температури повітря при його піднесенні та опусканні можна прослідкувати за спеціальним графіком, який називається аерологічною діаграмою.
