Co sprawia, że para wodna w powietrzu zamienia się w cząsteczki ciekłe lub stałe, które mogą spaść na Ziemię? Odpowiedź jest taka, że powietrze jest naturalnie schładzane. Kiedy powietrze ochładza się do punktu rosy, jest ono nasycone wodą. Pomyśl o wyciąganiu wody z wilgotnej gąbki. Aby uwolnić wodę, musisz ścisnąć gąbkę – to znaczy zmniejszyć jej zdolność do zatrzymywania wody. W atmosferze, schładzanie powietrza poza punktem rosy jest jak ściskanie gąbki – zmniejsza ilość pary wodnej, którą powietrze może pomieścić, zmuszając niektóre cząsteczki pary wodnej do zmiany stanu, tworząc kropelki wody lub kryształki lodu.
Jednym z mechanizmów schładzania powietrza jest chłodzenie nocne. W pogodną noc, powierzchnia ziemi może stać się całkiem zimna, ponieważ traci promieniowanie długofalowe. Jeśli powietrze jest wilgotne, szron może się osadzać, ponieważ para wodna tworzy kryształki lodu. To ochłodzenie nie jest jednak wystarczające do powstania opadów. Opady tworzą się tylko wtedy, gdy znaczna masa powietrza doświadcza stałego spadku temperatury poniżej punktu rosy. Dzieje się tak, gdy paczka powietrza jest unoszona na coraz wyższe poziomy w atmosferze.
PRĘDKOŚĆ SUCHA ADIABATYCZNA
Jeśli kiedykolwiek pompowałeś oponę rowerową za pomocą ręcznej pompki, mogłeś zauważyć, że pompka robi się gorąca. Jeśli tak, to zaobserwowałeś zasadę adiabatyczną. To ważne prawo mówi, że jeśli do gazu nie zostanie dodana żadna energia, jego temperatura będzie rosła w miarę sprężania. Gdy energicznie pompujesz, sprężając powietrze, metalowa pompka rowerowa nagrzewa się. I odwrotnie, kiedy gaz się rozszerza, jego temperatura spada zgodnie z tą samą zasadą. Fizycy używają terminu proces adiabatyczny w odniesieniu do procesu ogrzewania lub chłodzenia, który zachodzi wyłącznie w wyniku zmiany ciśnienia, bez przepływu ciepła do lub od objętości powietrza.
Jak zasada adiabatyczna odnosi się do unoszenia się powietrza i opadów? Brakującym ogniwem jest po prostu to, że ciśnienie atmosferyczne maleje wraz ze wzrostem wysokości. Gdy paczka powietrza jest unoszona w górę, ciśnienie atmosferyczne na paczce staje się niższe, a powietrze rozszerza się i ochładza, jak pokazano na rysunku 4.9. Gdy paczka powietrza opada, ciśnienie atmosferyczne staje się wyższe, a powietrze jest sprężane i ogrzewane.
Opisujemy to zachowanie w atmosferze za pomocą suchego współczynnika zbieżności adiabatycznej, jak pokazano w dolnej części rysunku 4.10. Odnosi się on do wznoszącej się paczki powietrza, która nie została jeszcze schłodzona do nasycenia. Suchy współczynnik szybkości opadania adiabatycznego ma wartość około 10°C na 1000 m (5,5°F na 1000 stóp) pionowego wznoszenia. Oznacza to, że jeśli paczka powietrza zostanie podniesiona na wysokość 1 km, jej temperatura spadnie o 10°C. I odwrotnie, paczka powietrza, która opada ogrzeje się o 10°C na 1000 m. Jest to suchy współczynnik, ponieważ podczas tego procesu nie zachodzi kondensacja.
Jest ważna różnica, którą należy zauważyć pomiędzy suchym adiabatycznym współczynnikiem szybkości opadania a środowiskowym temperaturowym współczynnikiem szybkości opadania. Środowiskowy współczynnik szybkości opadania jest po prostu wyrażeniem tego, jak temperatura nieruchomego powietrza zmienia się wraz z wysokością. Współczynnik ten będzie się różnił w zależności od czasu i miejsca, w zależności od stanu atmosfery. Jest on zupełnie inny od suchego adiabatycznego współczynnika szybkości opadania. Suchy adiabatyczny współczynnik szybkości opadania odnosi się do masy powietrza poruszającej się pionowo. Nie zmienia się on w czasie i miejscu i jest określany przez prawa fizyczne, a nie lokalny stan atmosfery.
SUCHY ADIABATYCZNY WSPÓŁCZYNNIK UPŁYWU
Kontynuujmy badanie losu paczki powietrza, która porusza się w górę atmosfery (rysunek 4.10). W miarę jak paczka porusza się w górę, jej temperatura spada w tempie suchej adiabatycznej temperatury, 10°C/1000 m (5,5°F/1000 stóp). Należy jednak zauważyć, że temperatura punktu rosy zmienia się nieznacznie wraz z wysokością. Zamiast pozostawać na stałym poziomie, spada ona z szybkością opadania punktu rosy wynoszącą 1,8°C/1000 m (1,0°F/1000 stóp).
Podczas kontynuacji procesu wznoszenia powietrze zostaje w końcu schłodzone do temperatury punktu rosy i zaczyna występować kondensacja. Jest to przedstawione na rysunku 4.10 jako podnoszący się poziom kondensacji. Podnoszący się poziom kondensacji zależy zatem od początkowej temperatury powietrza i jego początkowego punktu rosy
i może różnić się od przedstawionego tutaj przykładu. Jeśli paczka nasyconego powietrza nadal się unosi, zaczyna działać nowa zasada, która polega na uwalnianiu ciepła utajonego.
To znaczy, że kiedy następuje kondensacja, ciepło utajone jest uwalniane przez skraplające się cząsteczki wody i ogrzewa otaczające je cząsteczki powietrza.
Innymi słowy, zachodzą dwa efekty jednocześnie. Po pierwsze, unoszące się powietrze jest chłodzone przez obniżenie ciśnienia atmosferycznego. Po drugie, jest ono ogrzewane przez uwalnianie ciepła utajonego z kondensacji.
Który efekt jest silniejszy? Jak się okazuje, efekt chłodzenia jest silniejszy, więc powietrze będzie nadal się ochładzać, gdy zostanie uniesione w górę. Jednakże, z powodu uwalniania ciepła utajonego, chłodzenie będzie następowało w mniejszym tempie. Ta szybkość chłodzenia dla powietrza nasyconego nazywana jest wilgotnym współczynnikiem adiabatycznym i wynosi od 4 do 9°C na 1000 m (2,2-4,9°F na 1000 stóp). W przeciwieństwie do suchego adiabatycznego współczynnika szybkości opadania, który pozostaje stały, wilgotny adiabatyczny współczynnik szybkości opadania jest zmienny, ponieważ zależy od temperatury i ciśnienia powietrza oraz jego zawartości wilgoci. W większości sytuacji można jednak przyjąć wartość 5°C/1000 m (2,7°F/1000 stóp). Na rysunku 4.10 wilgotny współczynnik adiabatyczny jest pokazany jako lekko zakrzywiona linia, aby wskazać, że jego wartość zmienia się wraz z wysokością.
Należy pamiętać, że w miarę jak paczka powietrza staje się nasycona i nadal się wznosi, następuje kondensacja. W wyniku kondensacji powstają kropelki cieczy i stałe cząsteczki lodu, które tworzą chmury, a w końcu opady.
.