Mitől válik a levegőben lévő vízgőz folyékony vagy szilárd részecskékké, amelyek a Földre hullhatnak? A válasz az, hogy a levegő természetes módon lehűl. Amikor a levegő a harmatpontig lehűl, a levegő vízzel telítődik. Gondoljunk arra, hogy egy nedves szivacsból vizet vonunk ki. A víz kiszabadításához össze kell szorítani a szivacsot – vagyis csökkenteni kell a víztartó képességét. A légkörben a levegő harmatpont feletti lehűlése olyan, mint a szivacs összenyomása – csökkenti a levegőben lévő vízgőz mennyiségét, ami arra kényszerít néhány vízgőzmolekulát, hogy állapotot változtasson, és vízcseppeket vagy jégkristályokat képezzen.
A levegő lehűlésének egyik mechanizmusa az éjszakai lehűlés. Tiszta éjszakán a talajfelszín a hosszúhullámú sugárzás elvesztésével igen hideggé válhat. Ha a levegő nedves, a vízgőz jégkristályokat alkotva fagyot képezhet. Ez a lehűlés azonban nem elegendő a csapadék kialakulásához. Csapadék csak akkor képződik, ha egy jelentős légtömeg hőmérséklete tartósan a harmatpont alá csökken. Ez akkor következik be, amikor egy légtömeg egyre magasabbra emelkedik a légkörben.
SZÁRNYAS ADIABATIKUS SZINT
Ha valaha is pumpált már fel kerékpárgumit kézi pumpával, észrevehette, hogy a pumpa felforrósodik. Ha igen, akkor megfigyelte az adiabatikus elvet. Ez a fontos törvény kimondja, hogy ha egy gázhoz nem adunk energiát, akkor a hőmérséklete a sűrítés során nőni fog. Ahogy erőteljesen pumpálod, összenyomva a levegőt, a fém biciklipumpa felmelegszik. Ezzel szemben, amikor egy gáz kitágul, a hőmérséklete ugyanezen elv alapján csökken. A fizikusok az adiabatikus folyamat kifejezést olyan fűtési vagy hűtési folyamatra használják, amely kizárólag a nyomásváltozás eredményeként következik be, és nem áramlik hő egy légtérfogatba vagy abból ki.
Hogyan kapcsolódik az adiabatikus elv a levegő felemelkedéséhez és a csapadékhoz? A hiányzó láncszem egyszerűen az, hogy a légköri nyomás a magasság növekedésével csökken. Ahogy egy légtömeg felemelkedik, a légköri nyomás a légtömegre alacsonyabb lesz, a levegő kitágul és lehűl, ahogy a 4.9. ábrán látható. Ahogy egy légtömeg lefelé száll, a légköri nyomás magasabb lesz, a levegő összenyomódik és felmelegszik.
A légkörnek ezt a viselkedését a 4.10. ábra alsó részén látható száraz adiabatikus elhaladási sebességgel írjuk le. Ez olyan emelkedő légtömegre vonatkozik, amely még nem hűlt le telítődésig. A száraz adiabatikus elhaladási sebesség értéke körülbelül 10°C 1000 méterenként (5,5 °F 1000 lábonként) függőleges emelkedésenként. Ez azt jelenti, hogy ha egy légtömeget 1 km-rel feljebb emelünk, a hőmérséklete 10°C-kal csökken. Ezzel szemben egy süllyedő légtömeg 1000 méterenként 10°C-kal melegszik. Ez a száraz sebesség, mivel e folyamat során nem történik kondenzáció.
Egy fontos különbség van a száraz adiabatikus elhaladási sebesség és a környezeti hőmérséklet elhaladási sebessége között. A környezeti elhaladási ráta egyszerűen azt fejezi ki, hogy a nyugalmi levegő hőmérséklete hogyan változik a magassággal. Ez a sebesség időnként és helyenként változik, a légkör állapotától függően. Teljesen különbözik a száraz adiabatikus elhaladási sebességtől. A száraz adiabatikus eloszlási sebesség egy függőlegesen mozgó légtömegre vonatkozik. Nem változik az idővel és a hellyel, és fizikai törvények határozzák meg, nem pedig a légkör helyi állapota.
NEDVES ADIABATIKUS LEVÁLÁSI RÁTA
Vizsgáljuk tovább a légkörben felfelé mozgó légtömeg sorsát (4.10. ábra). Ahogy a csomag felfelé halad, hőmérséklete a száraz adiabatikus sebességgel, 10°C/1000 m (5,5°F/1000 ft) csökken. Figyeljük meg azonban, hogy a harmatponti hőmérséklet a magassággal kissé változik. Ahelyett, hogy állandó maradna, a harmatpont-elmaradási sebességgel, 1,8°C/1000 m (1,0°F/1000 ft) csökken.
Az emelkedési folyamat folytatódásával a levegő végül a harmatponti hőmérsékletre hűl, és kondenzáció lép fel. Ezt mutatja a 4.10. ábra az emelő kondenzációs szintként. Az emelő kondenzációs szintet tehát a levegő kezdeti hőmérséklete és kezdeti harmatpontja határozza meg
és eltérhet az itt bemutatott példától. Ha a telített levegőcsomag tovább emelkedik, egy új elv lép életbe – a látens hőfelszabadulás.
Azaz, amikor a kondenzáció bekövetkezik, a kondenzálódó vízmolekulák látens hőt szabadítanak fel, és felmelegítik a környező levegőmolekulákat.
Más szóval, egyszerre két hatás játszódik le. Először is, a felszálló levegő lehűl a légköri nyomás csökkenése miatt. Másodszor, felmelegszik a kondenzációból származó látens hő felszabadulása miatt.
Melyik hatás az erősebb? Mint kiderült, a hűtő hatás az erősebb, így a levegő tovább hűl, ahogy felemelkedik. A látens hő felszabadulása miatt azonban a lehűlés kisebb mértékben fog bekövetkezni. Ezt a telített levegőre vonatkozó lehűlési sebességet nedves adiabatikus elhaladási sebességnek nevezzük, és 1000 méterenként 4 és 9 °C között mozog (2,2-4,9 °F 1000 lábonként). A száraz adiabatikus elhaladási sebességgel ellentétben, amely állandó, a nedves adiabatikus elhaladási sebesség változó, mivel a levegő hőmérsékletétől és nyomásától, valamint nedvességtartalmától függ. A legtöbb helyzetben azonban 5°C/1000 m (2,7°F/1000 ft) értéket használhatunk. A 4.10. ábrán a nedves adiabatikus sebességet enyhén görbülő vonalként ábrázoljuk, hogy jelezzük, hogy értéke a magassággal változik.
Ne feledjük, hogy ahogy a légtömeg telítődik és tovább emelkedik, kondenzáció következik be. Ez a kondenzáció folyékony cseppeket és szilárd jégszemcséket hoz létre, amelyek felhőket és végül csapadékot képeznek.