В чем заключается явление температурной инверсии. Инверсия
Погода в данной местности оказывает сильное влияние на жизнедеятельность человека, поэтому информация о состоянии земной атмосферы всегда является полезной с экономических позиций и с точки зрения безопасности для здоровья. Температурная инверсия - это один из видов состояния нижних слоев атмосферы. Что она собой представляет и где проявляется, рассматривается в статье.
Что такое температурная инверсия?
Под этим понятием подразумевают рост температуры воздуха по мере увеличения высоты от земной поверхности. Это, казалось бы, безобидное определение влечет за собой достаточно серьезные последствия. Дело в том, что воздух можно считать идеальным газом, для которого давление при фиксированном объеме находится в обратной зависимости от температуры. Поскольку при температурной инверсии с увеличением высоты температура возрастает, значит, давление воздуха снижается и уменьшается его плотность.
Из школьного курса физики известно, что конвекционные процессы, которые обусловливают вертикальное перемешивание в объеме текучей субстанции, находящейся в гравитационном поле, происходят, если нижние слои являются менее плотными, чем верхние (горячий воздух всегда поднимается вверх). Таким образом, температурная инверсия препятствует конвекции в нижних слоях атмосферы.
Нормальные атмосферные условия
В результате многочисленных наблюдений и измерений было установлено, что в умеренной климатической зоне нашей планеты температура воздуха уменьшается на 6,5 °C на каждый километр высоты, то есть на 1 °C при увеличении высоты на 155 метров. Этот факт связан с тем, что нагрев атмосферы происходит не в результате прохождения через нее солнечных лучей (для видимого спектра электромагнитного излучения воздух является прозрачным), а в результате поглощения ею переизлученной энергии в инфракрасном диапазоне от поверхности земли и воды. Поэтому чем ближе воздушные слои к земле, тем они сильнее прогреваются в солнечный день.
В области тропической климатической зоны воздух с увеличением высоты охлаждается медленнее, чем указанные цифры (приблизительно на 1 °C за 180 м). Связано это с наличием в этих широтах ветров пассатов, которые переносят тепло из экваториальных областей в тропики. При этом тепло поступает из верхних слоев (1-1,5 км) в нижние, что препятствует быстрому падению температуры воздуха с увеличением высоты. Кроме того, толщина атмосферы в тропической зоне больше, чем в умеренной.
Таким образом, нормальное состояние атмосферных слоев заключается в их охлаждении с ростом высоты над уровнем моря. Такое состояние благоприятствует перемешиванию и циркуляции воздуха в вертикальном направлении за счет конвекционных процессов.
Почему верхние воздушные слои могут оказаться теплее нижних?
Иными словами, почему проявляется температурная инверсия? Происходит это по той же причине, что и существование нормальных атмосферных условий. Земля имеет большее значение теплопроводности, чем воздух. Это означает, что в ночное время суток, когда на небе нет туч и облаков, она быстро остывает и те атмосферные слои, которые находятся в непосредственном контакте с земной поверхностью, также охлаждаются. В результате получается следующая картина: холодная поверхность земли, холодный слой воздуха в непосредственной близости от нее и теплая атмосфера на некоторой высоте.
Что такое температурная инверсия и где она проявляется? Возникает описанная ситуация часто в низинах, в совершенно любой местности и любых широтах в утренние часы. Низменная местность защищена от горизонтальных перемещений воздушных масс, то есть от ветра, поэтому охлажденный за ночь воздух в ней создает локально стабильную атмосферу. Явление температурной инверсии можно наблюдать в горных долинах. Помимо описанного процесса ночного охлаждения, в горах ее образованию способствует также "сползание" холодного воздуха со склонов в равнины.
Время существования температурной инверсии может длиться от нескольких часов до нескольких дней. Нормальные атмосферные условия устанавливаются, как только земная поверхность нагревается.
Чем опасно рассматриваемое явление?
Состояние атмосферы, при котором существует температурная инверсия, является стабильным и безветренным. Это означает, что если на данной территории происходят какие-либо выбросы в атмосферу или испарение токсичных веществ, то они никуда не деваются, а остаются в воздухе над рассматриваемой местностью. Иными словами, явление температурной инверсии в атмосфере способствует многократному увеличению в ней концентрации отравляющих веществ, что представляет огромную опасность для здоровья человека.
Описанная ситуация часто возникает над крупными городами и мегаполисами. Например, от последствий температурной инверсии часто страдают такие города, как Токио, Нью-Йорк, Афины, Пекин, Лима, Куала-Лумпур, Лондон, Лос-Анджелес, Бомбей, столица Чили - Сантьяго и многие другие города по всему миру. Из-за большой концентрации людей промышленные выбросы в этих городах являются гигантскими, что приводит к появлению смога в воздухе, нарушающего видимость и создающего угрозу не только для здоровья, но и для жизни человека.
Так, в 1952 году в Лондоне и в 1962 году в Рурской долине (Германия) погибло несколько тысяч человек в результате длительного времени существования температурной инверсии и значительных выбросов в атмосферу оксидов серы.
Столица Перу, Лима
Раскрывая вопрос, что такое температурная инверсия в географии, интересно привести ситуацию в столице Перу. Она расположена на берегу Тихого океана и у подножия гор Анд. Побережье недалеко от города омывается Гумбольдта, что приводит к сильному охлаждению земной поверхности. Последняя, в свою очередь, способствует охлаждению самых нижних воздушных слоев и образованию туманов (при уменьшении температуры воздуха снижается растворимость в нем водяных паров, последнее проявляется в выпадении росы и образовании тумана).
В результате описанных процессов возникает парадоксальная ситуация: побережье Лимы покрыто туманом, который мешает лучам солнца нагревать земную поверхность. Поэтому состояние температурной инверсии является настолько стабильным (горизонтальной циркуляции воздуха мешают горы), что здесь практически никогда не идут дожди. Последний факт объясняет, почему побережье Лимы представляет собой практически пустыню.
Как себя вести в случае получения информации о неблагоприятном состоянии атмосферы?
Если человек живет в крупном городе и он получил информацию о существовании в атмосфере температурной инверсии, то рекомендуется по возможности не выходить на улицу в утренние часы, а подождать, пока земля прогреется. Если же возникает такая необходимость, тогда следует использовать индивидуальные средства защиты дыхательных органов (марлевая повязка, шарф) и не оставаться длительное время на открытом воздухе.
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.
С увеличением высоты. Наиболее часто это относится к температурной инверсии , то есть к увеличению температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения (см. атмосфера Земли).
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 , например у берегов Калифорнии . При достаточной влажности более холодного слоя, типично образование тумана под инверсионной «крышкой».
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
ИНВЕРСИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. В океане инверсия температуры - повышение температуры с глубиной вместо её понижения, характерного для большей части Мирового океана. Инверсия температуры в разных слоях океана возникает под влиянием различных физических процессов: у поверхности это тепломассообмен океана и атмосферы, в толще стратифицированных вод - адвекция, в придонном слое - геотермальные процессы. Вертикальный масштаб слоёв с инверсией температуры (так называемых инверсионных слоёв) изменяется от нескольких миллиметров (вблизи границы с атмосферой) до нескольких сотен метров и более в толще океана. Инверсионные слои вблизи поверхности и дна часто имеют неустойчивое распределение плотности, что порождает конвективное перемешивание вод; в толще океана эти слои, как правило, характеризуются устойчивым распределением плотности, связанным с увеличением солёности вод с глубиной. Инверсии температуры, достигающие нескольких градусов Цельсия, обусловлены водообменом открытого океана с морями. Например, сток более тёплых и солёных вод (из Средиземного моря в Атлантический океан или из Красного моря в Индийский океан) и распространение этих вод на уровне равной плотности на расстояния до нескольких тысяч километров вызывают крупномасштабные инверсии температуры.
Лит.: Федоров К. Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л., 1976; Галеркин Л. И. и др. О климатических инверсиях температуры в океане // Океанология. 1998. Т. 38. Вып. 6.
А. Г. Зацепин.
В атмосфере инверсия температуры (повышение температуры с высотой) типична для стратосферы и термосферы, в то время как в тропосфере температура обычно понижается с высотой. Приземные инверсии температуры характеризуются толщиной инверсионного слоя, которая может достигать десятков и сотен метров, и скачком температуры между нижней и верхней границами слоя (до 15-20 °С). Приподнятые инверсии температуры в пограничном слое атмосферы и в свободной атмосфере описываются также высотой нижней границы инверсионного слоя. Встречаются и многослойные инверсии температуры.
В тропосфере различают несколько видов инверсии температуры. В приземном слое атмосферы может наблюдаться радиационная инверсия температуры, причиной которой является радиационное выхолаживание (тепловое излучение земной поверхности). В антициклонах возникает инверсия оседания. При натекании тёплой воздушной массы на более холодную подстилающую поверхность образуются адвективные инверсии температуры. Выделяют также инверсии температуры, генетически связанные с жизненным циклом облака (подоблачные и надоблачные инверсии температуры). В стратосфере и термосфере инверсии температуры возникают за счёт поглощения солнечной радиации. Например, инверсия температуры на высотах от 20-30 до 50-60 км связана с поглощением УФ-излучения Солнца озоном.
Инверсионные слои воздуха препятствуют развитию вертикальных движений, способствуют накоплению газовых и аэрозольных примесей, образованию дымок и туманов, возникновению верхних миражей, влияют на распространение внутренних гравитационных волн в атмосфере и радиоволн.
Лит.: Хромов С. М., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. 7-е изд. М., 2006.
