Ce face ca vaporii de apă din aer să se transforme în particule lichide sau solide care pot cădea pe Pământ? Răspunsul este că aerul este răcit în mod natural. Atunci când aerul se răcește până la punctul de rouă, aerul este saturat cu apă. Gândiți-vă la extragerea apei dintr-un burete umed. Pentru a elibera apa, trebuie să stoarceți buretele – adică să îi reduceți capacitatea de a reține apa. În atmosferă, răcirea aerului dincolo de punctul de rouă este ca și cum ai stoarce buretele – reduce cantitatea de vapori de apă pe care aerul o poate conține, forțând unele molecule de vapori de apă să își schimbe starea pentru a forma picături de apă sau cristale de gheață.
Un mecanism de răcire a aerului este răcirea nocturnă. Într-o noapte senină, suprafața solului poate deveni destul de rece pe măsură ce pierde radiația de unde lungi. Dacă aerul este umed, se poate depune îngheț pe măsură ce vaporii de apă formează cristale de gheață. Totuși, această răcire nu este suficientă pentru a forma precipitații. Precipitațiile se formează numai atunci când o masă substanțială de aer înregistrează o scădere constantă a temperaturii sub punctul de rouă. Acest lucru se întâmplă atunci când o parcelă de aer este ridicată la niveluri din ce în ce mai înalte în atmosferă.
RATAJUL ADIABASTIC DE RIDICARE
Dacă ați umflat vreodată o anvelopă de bicicletă folosind o pompă manuală, ați observat probabil că pompa se încălzește. Dacă da, ați observat principiul adiabatic. Această lege importantă afirmă că, dacă nu se adaugă energie la un gaz, temperatura acestuia va crește pe măsură ce este comprimat. Pe măsură ce pompați energic, comprimând aerul, pompa metalică de bicicletă se încălzește. Invers, atunci când un gaz se dilată, temperatura sa scade prin același principiu. Fizicienii folosesc termenul de proces adiabatic pentru a se referi la un proces de încălzire sau răcire care are loc numai ca rezultat al schimbării presiunii, fără ca căldura să intre sau să iasă dintr-un volum de aer.
Cum se leagă principiul adiabatic de ridicarea aerului și de precipitații? Legătura lipsă este pur și simplu faptul că presiunea atmosferică scade pe măsură ce crește altitudinea. Pe măsură ce o parcelă de aer este înălțată, presiunea atmosferică asupra parcelei devine mai mică, iar aerul se dilată și se răcește, așa cum se arată în figura 4.9. Pe măsură ce o parcelă de aer coboară, presiunea atmosferică devine mai mare, iar aerul se comprimă și se încălzește.
Descriem acest comportament în atmosferă cu ajutorul ratei de variație adiabatică uscată (dry adiabatic lapse rate), așa cum se arată în partea de jos a figurii 4.10. Aceasta se aplică la o parcelă de aer în creștere care nu a fost încă răcită până la saturație. Rata de rotație adiabatică uscată are o valoare de aproximativ 10°C la 1000 m (5,5°F la 1000 ft) de creștere verticală. Altfel spus, dacă un pachet de aer este ridicat cu 1 km, temperatura sa va scădea cu 10°C. Invers, o parcelă de aer care coboară se va încălzi cu 10°C la 1000 m. Aceasta este rata uscată, deoarece în timpul acestui proces nu are loc condensare.
Există o diferență importantă de remarcat între rata de variație adiabatică uscată și rata de variație a temperaturii mediului. Rata de variație a temperaturii mediului este pur și simplu o expresie a modului în care temperatura aerului liniștit variază cu altitudinea. Această rată va varia de la un moment la altul și de la un loc la altul, în funcție de starea atmosferei. Este foarte diferită de rata de rotație adiabatică uscată. Rata de rotație adiabatică uscată se aplică unei mase de aer care se deplasează pe verticală. Ea nu variază în funcție de timp și de loc și este determinată de legile fizice, nu de starea locală a atmosferei.
Rata ADIABATICĂ MODERNĂ
Să continuăm să examinăm soarta unei parcele de aer care se deplasează în sus în atmosferă (figura 4.10). Pe măsură ce parcela se deplasează în sus, temperatura sa scade cu rata adiabatică uscată, 10°C/1000 m (5,5°F/1000 ft). Rețineți, totuși, că temperatura punctului de rouă se modifică ușor odată cu înălțimea. În loc să rămână constantă, aceasta scade cu rata de variație a punctului de rouă de 1,8°C/1000 m (1,0°F/1000 ft).
Pe măsură ce procesul de ascensiune continuă, aerul este în cele din urmă răcit până la temperatura punctului de rouă și începe să se producă condensarea. Acest lucru este prezentat în figura 4.10 ca nivel de condensare de ridicare. Nivelul de condensare prin ridicare este astfel determinat de temperatura inițială a aerului și de punctul de rouă inițial al acestuia
și poate fi diferit de exemplul prezentat aici. Dacă pachetul de aer saturat continuă să se ridice, un nou principiu intră în vigoare – eliberarea de căldură latentă.
Atunci când are loc condensarea, căldura latentă este eliberată de moleculele de apă care se condensează și încălzește moleculele de aer din jur.
Cu alte cuvinte, au loc două efecte în același timp. În primul rând, aerul înălțat este răcit de reducerea presiunii atmosferice. În al doilea rând, este încălzit prin eliberarea căldurii latente din condensare.
Care efect este mai puternic? Se pare că efectul de răcire este mai puternic, așa că aerul va continua să se răcească pe măsură ce este înălțat. Cu toate acestea, din cauza degajării căldurii latente, răcirea se va produce într-un ritm mai mic. Această rată de răcire pentru aerul saturat se numește rata de rotație adiabatică umedă și variază între 4 și 9°C la 1000 m (2,2-4,9°F la 1000 ft). Spre deosebire de rata de rotație adiabatică uscată, care rămâne constantă, rata de rotație adiabatică umedă este variabilă, deoarece depinde de temperatura și presiunea aerului și de conținutul său de umiditate. Totuși, pentru majoritatea situațiilor, putem folosi o valoare de 5°C/1000 m (2,7°F/1000 ft). În figura 4.10, rata adiabatică umedă este prezentată ca o linie ușor curbată pentru a indica faptul că valoarea sa se modifică odată cu altitudinea.
Rețineți că, pe măsură ce pachetul de aer devine saturat și continuă să se ridice, are loc condensarea. Această condensare produce picături de lichid și particule solide de gheață care formează nori și, în cele din urmă, precipitații.
.