Miten ilmassa oleva vesihöyry muuttuu nestemäisiksi tai kiinteiksi hiukkasiksi, jotka voivat pudota maahan? Vastaus on, että ilmaa jäähdytetään luonnollisesti. Kun ilma jäähtyy kastepisteeseen asti, ilma kyllästyy vedellä. Ajattele veden ottamista kosteasta sienestä. Veden irrottamiseksi sieni on puristettava eli sen kykyä pidättää vettä on vähennettävä. Ilmakehässä ilman jäähdyttäminen kastepisteen yläpuolelle on samanlaista kuin sienen puristaminen – se vähentää ilmassa olevan vesihöyryn määrää ja pakottaa osan vesihöyrymolekyyleistä muuttamaan olomuotoaan muodostaen vesipisaroita tai jääkiteitä.
Yksi mekanismi, jolla ilmaa jäähdytetään, on yöaikainen jäähdytys. Kirkkaana yönä maanpinta voi muuttua varsin kylmäksi, kun se menettää pitkäaaltoista säteilyä. Jos ilma on kosteaa, pakkasta voi muodostua, kun vesihöyry muodostaa jääkiteitä. Tämä jäähtyminen ei kuitenkaan riitä sateen muodostumiseen. Sademäärä muodostuu vasta, kun ilman lämpötila laskee tasaisesti kastepisteen alapuolelle. Näin tapahtuu, kun ilmapaketti kohoaa ilmakehässä yhä korkeammalle.
KASTEPISTE
Jos olet joskus pumpannut polkupyöränrengasta käsipumpulla, olet ehkä huomannut, että pumppu kuumenee. Jos näin on, olet havainnut adiabaattisen periaatteen. Tämä tärkeä laki sanoo, että jos kaasuun ei lisätä energiaa, sen lämpötila nousee, kun sitä puristetaan. Kun pumppaat voimakkaasti ja puristat ilmaa, metallinen polkupyörän pumppu lämpenee. Kääntäen, kun kaasu laajenee, sen lämpötila laskee saman periaatteen mukaisesti. Fyysikot käyttävät termiä adiabaattinen prosessi tarkoittamaan lämmitys- tai jäähdytysprosessia, joka tapahtuu pelkästään paineen muutoksen seurauksena, eikä lämpöä virtaa ilmatilavuuteen tai siitä pois.
Miten adiabaattinen periaate liittyy ilman kohoamiseen ja sademäärään? Puuttuva linkki on yksinkertaisesti se, että ilmanpaine laskee korkeuden kasvaessa. Kun ilmapaketti kohoaa ylöspäin, ilmakehän paine paketin kohdalla laskee, ja ilma laajenee ja jäähtyy, kuten kuvassa 4.9 on esitetty. Kun ilmapaketti laskeutuu, ilmakehän paine nousee korkeammaksi, ja ilma puristuu ja lämpenee.
Kuvaamme tätä ilmakehän käyttäytymistä kuivan adiabaattisen virtausnopeuden avulla, kuten kuvan 4.10 alaosassa on esitetty. Sitä sovelletaan nousevaan ilmapakettiin, jota ei ole vielä jäähdytetty kyllästymiseen asti. Kuivan adiabaattisen virtausnopeuden arvo on noin 10 °C/1000 m (5,5 °F/1000 ft) pystysuoraa nousua kohti. Toisin sanoen, jos ilmapaketti nousee 1 km, sen lämpötila laskee 10 °C. Päinvastoin, ilmapaketti, joka laskeutuu, lämpenee 10 °C:lla 1000 m:n korkeudessa. Tämä on kuiva nopeus, koska prosessin aikana ei tapahdu tiivistymistä.
Kuivan adiabaattisen laskunopeuden ja ympäristölämpötilan laskunopeuden välillä on tärkeä ero. Ympäristön lämpötilaeronopeus on yksinkertaisesti ilmaus siitä, miten liikkumattoman ilman lämpötila vaihtelee korkeuden mukaan. Tämä nopeus vaihtelee ajoittain ja paikasta toiseen riippuen ilmakehän tilasta. Se on aivan erilainen kuin kuiva adiabaattinen virtausnopeus. Kuivaa adiabaattista virtausnopeutta sovelletaan pystysuoraan liikkuvaan ilmamassaan. Se ei vaihtele ajan ja paikan mukaan, ja se määräytyy fysikaalisten lakien, ei paikallisen ilmakehän tilan mukaan.
KOSTEAN ADIABAATTINEN LÄPIVIRTAUSNOPEUS
Jatketaan ilmakehässä ylöspäin liikkuvan ilmapaketin kohtalon tarkastelua (kuva 4.10). Kun paketti liikkuu ylöspäin, sen lämpötila laskee kuivalla adiabaattisella nopeudella 10 °C/1000 m (5,5 °F/1000 ft). Huomaa kuitenkin, että kastepistelämpötila muuttuu hieman korkeuden myötä. Sen sijaan, että se pysyisi vakiona, se laskee kastepisteen kulumisnopeudella 1,8 °C/1000 m (1,0 °F/1000 ft).
Kun nousuprosessi jatkuu, ilma jäähtyy lopulta kastepistelämpötilaansa, ja tiivistymistä alkaa tapahtua. Tämä näkyy kuvassa 4.10 nostavana kondenssitasona. Nostavan kondensoitumisen taso määräytyy siis ilman alkulämpötilan ja sen alkukastepisteen mukaan
ja voi poiketa tässä esitetystä esimerkistä. Jos kylläisen ilmapaketin nousu jatkuu, uusi periaate astuu voimaan – latentin lämmön vapautuminen.
Tämä tarkoittaa, että kondensoitumisen tapahtuessa kondensoivista vesimolekyyleistä vapautuu latenttia lämpöä, joka lämmittää ympäröiviä ilmamolekyylejä.
Muilla sanoilla, kaksi vaikutusta tapahtuu samanaikaisesti. Ensinnäkin kohonnut ilma jäähtyy ilmakehän paineen alenemisen vuoksi. Toiseksi sitä lämmittää kondensoitumisesta vapautuva latentti lämpö.
Kumpi vaikutus on voimakkaampi? Kävi ilmi, että jäähdytysvaikutus on voimakkaampi, joten ilma viilenee edelleen, kun se kohoaa ylöspäin. Latentin lämmön vapautumisen vuoksi jäähtyminen tapahtuu kuitenkin pienemmällä nopeudella. Tätä tyydyttyneen ilman jäähtymisnopeutta kutsutaan kostean adiabaattiseksi jäähtymisnopeudeksi, ja se vaihtelee 4-9 °C:n välillä 1000 metrissä (2,2-4,9 °F 1000 jalassa). Toisin kuin kuiva adiabaattinen virtausnopeus, joka pysyy vakiona, kostea adiabaattinen virtausnopeus vaihtelee, koska se riippuu ilman lämpötilasta, paineesta ja kosteuspitoisuudesta. Useimmissa tilanteissa voidaan kuitenkin käyttää arvoa 5 °C/1000 m (2,7 °F/1000 ft). Kuvassa 4.10 kostea adiabaattinen nopeus on esitetty hieman kaarevana viivana osoituksena siitä, että sen arvo muuttuu korkeuden mukaan.
Pitäkää mielessä, että kun ilmapaketti kyllästyy ja jatkaa nousuaan, tapahtuu tiivistymistä. Tämä tiivistyminen tuottaa nestepisaroita ja kiinteitä jäähiukkasia, jotka muodostavat pilviä ja lopulta sadetta.