Влажноадиабатические процессы

Влажноадиабатические процессы в атмосфере

Физическая природа влажноадиабатических процессов

В атмосфере под влажноадиабатическим процессом понимается термодинамическое превращение, происходящее с влажным воздухом без теплообмена с окружающей средой, но с учётом фазовых превращений водяного пара (конденсации или испарения). Это принципиальное отличие от сухоадиабатических процессов, где влага и её фазы не рассматриваются. Влажноадиабатические процессы критически важны для понимания образования облаков, осадков, устойчивости атмосферы и развития вертикальных движений.

При подъёме насыщенного влажного воздуха его температура уменьшается медленнее, чем у сухого воздуха, за счёт выделения скрытой теплоты при конденсации водяного пара. Эта скрытая теплота частично компенсирует адиабатическое охлаждение.

Условия насыщения и начало конденсации

Пока восходящий воздух ненасыщен, он подчиняется сухоадиабатическому градиенту (примерно 9,8 К/км). Однако по мере охлаждения температура достигает точки росы, и начинается насыщение. Дальнейшее поднятие приводит к конденсации водяного пара на конденсационных ядрах, образуя облака. Именно с этого момента начинается влажноадиабатический процесс. Конденсация сопровождается выделением скрытой теплоты, которая тормозит дальнейшее охлаждение.

Влажноадиабатический градиент

Влажноадиабатический градиент температуры — это скорость изменения температуры насыщенного восходящего воздуха. Его численное значение меньше сухоадиабатического и не является постоянным: оно зависит от температуры и содержания влаги в воздухе.

Приближённые значения:

  • при температуре воздуха около +30 °C: 4,0–4,5 К/км,
  • при температуре около 0 °C: 5,0–6,0 К/км,
  • при температуре ниже –20 °C: ~7,0 К/км.

Таким образом, влажноадиабатический градиент приближается к сухоадиабатическому при низких температурах и уменьшается при высоких, поскольку при более высокой температуре в воздухе может содержаться больше водяного пара, а значит, больше скрытой теплоты выделяется при конденсации.

Математическое описание процесса

Рассмотрим первый закон термодинамики для влажного насыщенного воздуха:

dQ = dU + pdV

Поскольку процесс адиабатический (dQ = 0), а учитывается выделение теплоты при фазовом переходе, вводится поправка на скрытую теплоту конденсации. Тогда уравнение можно записать как:

$$ 0 = c_p dT - \frac{L_v}{R_v T} dq_s + g dz $$

где:

  • cp — удельная теплоёмкость влажного воздуха при постоянном давлении,
  • Lv — удельная теплота парообразования воды (около 2,5·10⁶ Дж/кг при 0 °C),
  • Rv — газовая постоянная для водяного пара,
  • qs — удельная влажность насыщенного воздуха,
  • T — температура воздуха,
  • z — высота.

В реальных расчётах часто используют приближённые формулы для оценки влажноадиабатического градиента Γw:

$$ \Gamma_w = \frac{g}{c_p} \cdot \frac{1 + \frac{L_v q_s}{R_d T}}{1 + \frac{L_v^2 q_s}{c_p R_v T^2}} $$

Это выражение показывает, как градиент зависит от температуры, содержания водяного пара и параметров газа. При малых значениях qs влага оказывает незначительное влияние, и градиент приближается к сухоадиабатическому.

Влажноадиабатические линии (псевдоадиабаты)

На термодинамических диаграммах (например, диаграмме Скирмау, тефиграмме или эманграмме) влажноадиабатические процессы отображаются как кривые, называемые псевдоадиабатами. Они не являются строго адиабатическими в классическом смысле, поскольку происходит выделение или поглощение теплоты, но с точки зрения термодинамики системы (воздух + конденсат) считаются адиабатическими.

Псевдоадиабаты резко отклоняются от сухоадиабатических линий, особенно при высоких температурах и содержании влаги, где скрытая теплота оказывает максимальное влияние.

Роль в атмосферной стратификации

Влажноадиабатические процессы являются определяющим фактором устойчивости атмосферного слоя. Сравнение реального вертикального градиента температуры с влажноадиабатическим позволяет определить условия устойчивости:

  • Если реальный градиент превышает влажноадиабатический, но меньше сухоадиабатического — атмосферный слой условно неустойчив: насыщенный воздух будет подниматься, ненасыщенный — нет.
  • Если реальный градиент меньше влажноадиабатического — атмосфера устойчива для всех восходящих движений.
  • Если реальный градиент больше сухоадиабатического — атмосфера абсолютно неустойчива, движения возможны при любых условиях.

Таким образом, влажноадиабатический градиент определяет границу между устойчивой и неустойчивой стратификацией для насыщенного воздуха.

Связь с образованием облаков и осадков

При восходящем влажном движении воздуха, когда достигается уровень конденсации, начинается образование облаков. Этот уровень называют уровнем конденсации по поднятию (LCL — lifting condensation level). Если восходящие движения продолжаются, а воздух остаётся насыщенным, то облако разрастается вверх, сопровождаясь интенсивным теплообменом, выделением скрытой теплоты и возможным развитием конвективных явлений (грозы, ливни).

Высота, до которой может подниматься воздух по влажноадиабатической траектории, ограничивается уровнем равновесия (EL — equilibrium level), выше которого восходящее движение становится невыгодным с термодинамической точки зрения.

Псевдоадиабатический и насыщенноадиабатический процесс

Важно отличать два режима:

  • Сатурированно-адиабатический (насущенный адиабатический) — условный процесс, в котором конденсат сохраняется в восходящем потоке, участвует в теплообмене, и система замкнута.
  • Псевдоадиабатический — более реалистичный процесс, в котором образовавшийся при конденсации жидкий водяной пар удаляется из системы (например, выпадает в виде осадков), а значит не участвует в дальнейшем теплообмене. Именно этот процесс обычно используется в синоптической метеорологии при анализе подъёмов воздуха в облаках.

Значение в климатических и погодных процессах

Влажноадиабатические процессы критически важны для:

  • формирования кучево-дождевых облаков,
  • развития грозовых систем и тропических циклонов,
  • вертикального переноса тепла и влаги,
  • формирования устойчивости атмосферы и инверсий,
  • расчёта параметров конвективной энергии (CAPE, CIN).

Они также являются ключевыми в численных моделях атмосферы, где для прогноза используются аппроксимации влажноадиабатического подъёма.

Особенности на разных широтах и высотах

  • В тропиках, где влажность высока, влажноадиабатические процессы играют доминирующую роль в формировании мощной конвекции.
  • В умеренных широтах важны при циклогенезе и развитии фронтальных систем.
  • В верхней тропосфере содержание влаги значительно снижается, и градиент приближается к сухоадиабатическому.

Таким образом, пространственная и высотная изменчивость влажноадиабатического градиента отражает сложную динамику и термодинамику атмосферы.

Оглавление