Энергия неустойчивости воздушных масс

Устойчивость равновесия атмосферы имеет большое значение, поэтому представляет интерес оценка энергии неустойчивости воздушных масс, которая является потенциальной энергией гидростатического (аэростатического) равновесия. Оценка этой энергии позволяет судить о наличии или отсутствии восходящих токов со всеми вытекающими из этого факта последствиями.

Допустим, что масса воздуха под влиянием какого-то импульса начала подниматься; если при этом окружающий воздух имеет неустойчивую стратификацию, тогда происходит выделение энергии, эквивалентное работе, совершаемой поднимающейся массой воздуха в результате преодоления силы тяжести; Здесь мы имеем дело с положительным запасом энергии неустойчивости. Если же окружающий воздух: имеет устойчивую стратификацию, то энергия неустойчивости будет эквивалентна работе, затраченной на поднятие массы воздуха до данного уровня. Здесь уже запас энергии неустойчивости отрицателен.

При большом положительном запасе энергии неустойчивости наблюдается интенсивное развитие восходящих токов и, как следствие, возникновение облаков вертикального развития, ливней и гроз. Если запас энергии неустойчивости отрицателен, то восходящие токи не развиваются, наблюдается устойчивая погода, без облаков или с облаками слоистых форм.

Расчет энергии неустойчивости обычно производится по специальным так называемым термодинамическим графикам, которые строятся по материалам зондирования атмосферы.

Зондирования атмосферы позволяют характеризовать термическую структуру атмосферы, т. е. температуру и влажность как функцию высоты, а результат, нанесенный на графики, позволяет выявить кривую состояния атмосферы.

По графикам путем довольно простых операций можно определить:
а) температуру, относительную влажность, удельную влажность, вертикальный градиент температуры и точку росы на разных уровнях;
б) потенциальную, эквивалентно-потенциальную и виртуальную температуру;

в) термические инверсии, о которых сказано ниже;
г) условия равновесия (по значениям вертикального градиента температуры на разных уровнях);

д) температуру, до которой должны быть доведены массы воздуха на данном уровне для того, чтобы они сами поднялись до своего уровня конденсации;
е) высоту, на которую надо поднять массу воздуха с данного уровня, чтобы она продолжала восходящее движение и дальше;
ж) энергию неустойчивости.

Определение указанных выше характеристик имеет большое значение в практике службы погоды. Так, если обнаруживаются разрывы по высоте в поле температуры и влажности, то это указывает на возможность того, что имеется фронтальная поверхность, разделяющая разные по свойствам воздушные массы. Резкое повышение температуры воздуха на некоторой высоте, сопровождаемое понижением относительной влажности, говорит о возможности оседания воздуха на этой высоте.

Особо следует остановиться на вычислении энергии неустойчивости. В основу вычисления энергии неустойчивости положена простая формула

Из формулы видно, что работа (тоже энергия) единицы массы выражаются через площадь параллелограмма с основанием Т—Т' и высотой, равной приращению логарифма давления (рис. 83). Могут встречаться случаи, когда кривая фактического распределения температуры (кривая стратификации) несколько pas пересекает адиабаты. Это значит, что для различных слоев знаки энергии неустойчивости разные и для получения общего запаса энергии спланиметрированные площади надо алгебраически сложить.

Обычно масштаб берется таким, чтобы 1 см² площади поля графика был эквивалентен работе 26,4 дж/кг.