Co způsobuje, že se vodní pára ve vzduchu mění na kapalné nebo pevné částice, které mohou padat na Zemi? Odpověď zní, že vzduch se přirozeně ochlazuje. Když se vzduch ochladí na rosný bod, je nasycen vodou. Představte si získávání vody z vlhké houby. Chcete-li vodu uvolnit, musíte houbu zmáčknout – to znamená snížit její schopnost zadržovat vodu. V atmosféře je ochlazování vzduchu nad rosný bod podobné mačkání houby – snižuje množství vodní páry, kterou může vzduch pojmout, a nutí některé molekuly vodní páry změnit stav a vytvořit vodní kapky nebo ledové krystalky.
Jedním z mechanismů ochlazování vzduchu je noční ochlazování. Za jasné noci může být zemský povrch poměrně chladný, protože ztrácí dlouhovlnné záření. Pokud je vzduch vlhký, může se ukládat námraza, protože vodní pára vytváří ledové krystalky. Toto ochlazení však nestačí k vytvoření srážek. Srážky se vytvoří pouze tehdy, když ve značném množství vzduchu dojde k trvalému poklesu teploty pod rosný bod. K tomu dochází, když je balík vzduchu vynášen do vyšších a vyšších hladin atmosféry.
DRY ADIABATIC RATE
Pokud jste někdy pumpovali pneumatiku jízdního kola pomocí ruční pumpičky, možná jste si všimli, že se pumpička zahřívá. Pokud ano, pozorovali jste adiabatický princip. Tento důležitý zákon říká, že pokud se do plynu nepřidává žádná energie, jeho teplota se při stlačování zvyšuje. Když intenzivně pumpujete a stlačujete vzduch, kovová pumpička na kolo se zahřívá. A naopak, když se plyn rozpíná, jeho teplota podle stejného principu klesá. Fyzikové používají termín adiabatický proces pro označení procesu ohřívání nebo ochlazování, ke kterému dochází výhradně v důsledku změny tlaku, přičemž do objemu vzduchu ani z něj neproudí žádné teplo.
Jak souvisí adiabatický princip se vztlakem vzduchu a se srážkami? Chybějícím článkem je jednoduše to, že atmosférický tlak s rostoucí nadmořskou výškou klesá. Když balík vzduchu stoupá vzhůru, atmosférický tlak na balík se snižuje a vzduch se rozpíná a ochlazuje, jak je znázorněno na obrázku 4.9. Vzduch se rozpíná a ochlazuje. Jak balík vzduchu klesá, atmosférický tlak se stává vyšším a vzduch se stlačuje a ohřívá.
Toto chování atmosféry popisujeme pomocí suché adiabatické lapse rate, jak je znázorněno v dolní části obrázku 4.10. Platí pro stoupající balík vzduchu, který ještě nebyl ochlazen na nasycení. Suchá adiabatická lapse rate má hodnotu přibližně 10 °C na 1000 m (5,5 °F na 1000 stop) vertikálního stoupání. To znamená, že pokud balík vzduchu stoupne o 1 km, jeho teplota klesne o 10 °C. A naopak, balík vzduchu, který klesá, se ohřeje o 10 °C na 1000 m. Jedná se o suchou rychlost, protože během tohoto procesu nedochází ke kondenzaci.
Mezi suchou adiabatickou lapse rate a teplotní lapse rate prostředí je důležitý rozdíl. Environmentální lapse rate je jednoduše vyjádřením toho, jak se teplota nehybného vzduchu mění s nadmořskou výškou. Tato rychlost se mění v čase a na různých místech v závislosti na stavu atmosféry. Je zcela odlišná od suché adiabatické lapse rate. Suchá adiabatická lapse rate platí pro masu vzduchu, která se pohybuje vertikálně. Nemění se v závislosti na čase a místě a je určena fyzikálními zákony, nikoli místním stavem atmosféry.
MOIST ADIABATIC RATE
Pokračujme ve zkoumání osudu balíku vzduchu, který se v atmosféře pohybuje vzhůru (obrázek 4.10). Jak se balík pohybuje vzhůru, jeho teplota klesá suchou adiabatickou rychlostí, 10 °C/1000 m (5,5 °F/1000 stop). Všimněte si však, že teplota rosného bodu se s výškou mírně mění. Místo toho, aby zůstala konstantní, klesá rychlostí lapsusu rosného bodu 1,8°C/1000 m (1,0°F/1000 ft).
Při stoupání se vzduch nakonec ochladí na teplotu rosného bodu a začne docházet ke kondenzaci. To je znázorněno na obrázku 4.10 jako stoupající kondenzační hladina. Zdvihová kondenzační hladina je tedy určena počáteční teplotou vzduchu a jeho počátečním rosným bodem
a může se lišit od zde uvedeného příkladu. Pokud balík nasyceného vzduchu nadále stoupá, vstupuje v platnost nový princip – uvolňování latentního tepla.
To znamená, že při kondenzaci se latentní teplo uvolňuje z molekul kondenzující vody a ohřívá okolní molekuly vzduchu.
Jinými slovy, dochází ke dvěma efektům najednou. Zaprvé se vystupující vzduch ochlazuje snížením atmosférického tlaku. Za druhé se ohřívá uvolňováním latentního tepla z kondenzace.
Který efekt je silnější? Ukázalo se, že silnější je chladicí účinek, takže vzduch se bude při zvedání dále ochlazovat. Kvůli uvolňování latentního tepla však bude ochlazování probíhat méně rychle. Tato rychlost ochlazování nasyceného vzduchu se nazývá vlhkostní adiabatická lapse rate a pohybuje se mezi 4 a 9 °C na 1000 m (2,2-4,9 °F na 1000 stop). Na rozdíl od suché adiabatické lapse rate, která zůstává konstantní, je vlhká adiabatická lapse rate proměnlivá, protože závisí na teplotě a tlaku vzduchu a jeho vlhkosti. Pro většinu situací však můžeme použít hodnotu 5°C/1000 m (2,7°F/1000 stop). Na obrázku 4.10 je vlhkostní adiabatická rychlost znázorněna jako mírně zakřivená čára, která naznačuje, že se její hodnota mění s nadmořskou výškou.
Mějte na paměti, že jak se balík vzduchu nasycuje a dále stoupá, dochází ke kondenzaci. Při této kondenzaci vznikají kapičky kapaliny a pevné ledové částice, které tvoří oblaka a nakonec srážky.