Инверсии температурные. Инверсия Что такое температурная инверсия в географии

⁰

Плавное убывание температур с высотой следует считать только общим свойством тропосферы. Очень часто наблюдается такая стратификация воздуха, при которой в направлении вверх температура или не падает, или даже повышается. Возрастание температуры с высотой над земной поверхностью называется ее инверсией (лат. inversio - переворачивание).

По мощности слоя воздуха, в котором наблюдается повышение температуры, различают инверсии приземные, захватывающие несколько метров, и свободной атмосферы, простирающиеся до 3 км. Приращение температуры (или величина инверсии) может достигать 10° С и более. Тропосфера оказывается расслоенной: одна масса воздуха от другой отделяется слоем инверсии.

По происхождению приземные инверсии разделяются на радиационные, адвективные, орографические и снежные. Часто возникают смешанные типы, поскольку процессы, вызывающие инверсии, действуют совокупно.

Радиационная инверсия возникает летом при тихой и безоблачной погоде. После захода солнца поверхность, а от нее и нижние слои воздуха охлаждаются, а лежащие выше еще сохраняют дневной запас тепла. Образуется инверсия. Мощность таких инверсий колеблется от 10 до 300 м в зависимости от погоды. Радиационная инверсия бывает над ледяными поверхностями в ‘ любое время года при потере ими тепла лучеиспусканием.

Орографические инверсии формируются в пересеченной местности при безветренной погоде, когда холодный воздух стекает вниз, а на холмах и склонах гор удерживается более теплый.

Адвективная инверсия бывает при продвижении теплого воздуха в холодную местность. Причем нижние слои воздуха охлаждаются от соприкосновения с холодной поверхностью, а верхние на время остаются теплыми.

Снежные, или весенние, инверсии наблюдаются ранней весной над снежныМи поверхностями. Они вызываются затратой воздухом большого количества тепла на таяние снега.

В свободной атмосфере наиболее распространены анти-циклональные инверсии сжатия и циклонические фронтальные инверсии.

Инверсии сжатия образуются в антициклонах зимой и наблюдаются на высотах 1-2 км. Температура опускающегося воздуха в средней тропосфере повышается, но близ земной поверхности, где начинается горизонтальное растекание воздуха, она понижается. Это явление наблюдается на огромных площадях Арктики, Антарктиды, Восточной Сибири и др. Фронтальные инверсии образуются в циклонах вследствие натекания теплого воздуха на холодный.

Следовательно, инверсии температуры не исключение, а одно из постоянных свойств погоды и климата. В разные сезоны и в разных местностях они отмечены в 75-98% всех наблюдений.

Повышение температуры в тропосфере атмосферы с ростом высоты характеризуется как температурная инверсия (рис. 11.1, в). В этом случае атмосфера оказывается весьма устойчивой. Наличие инверсии в значительной степени замедляет вертикальное перемещение загрязняющих веществ и, как следствие, увеличивает их концентрацию в приземном слое.

Наиболее часто наблюдается инверсия, возникающая при опускании слоя воздуха в воздушную массу с более высоким давлением, либо при радиационной потере тепла земной поверхностью в ночное время. Первый тип инверсии обычно называют инверсией оседания . Инверсионный слой в этом случае обычно располагается на некотором расстоянии от земной поверхности, а формируется инверсия путем адиабатического сжатия и нагревания слоя воздуха в процессе его опускания вниз в область центра высокого давления.

Из уравнения (11.5) получаем:

Значение удельной изобарной теплоемкости С р для воздуха не значительно изменяется от температуры в достаточно большом температурном диапазоне. Однако в связи с изменением барометрического давления плотность на верхней границе слоя инверсии меньше, чем у его основания, т. е.

. (11.11)

Это означает, что верхняя граница слоя нагревается быстрее, чем нижняя. Если опускание продолжается в течение длительного времени, в слое будет создаваться положительный градиент температуры. Таким образом, опускающаяся воздушная масса является как бы гигантской крышкой для атмосферы, расположенной ниже слоя инверсии.

Слои инверсии оседания обычно оказываются выше источников выбросов и, таким образом, не оказывают существенного влияния на явления короткопериодного загрязнения атмосферного воздуха. Однако такая инверсия может просуществовать несколько дней, что сказывается на долговременном накоплении загрязняющих веществ. Случаи загрязнения с опасными последствиями для здоровья людей, наблюдавшиеся в городских районах в прошлом, часто были связаны с инверсиями оседания.

Рассмотрим причины, приводящие к возникновению радиационной инверсии . В этом случае слои атмосферы, расположенные над поверхностью Земли, в течение дня получают тепло за счет теплопроводности, конвекции и излучения от земной поверхности и в итоге нагреваются. В результате температурный профиль нижних слоев атмосферы обычно характеризуется отрицательным температурным градиентом. Если затем следует ясная ночь, то земная поверхность излучает тепло и быстро остывает. Слои воздуха, прилегающие к земной поверхности, охлаждаются до температуры расположенных выше слоев. В результате дневной температурный профиль преобразуется в профиль обратного знака, и слои атмосферы, прилегающие к земной поверхности, прикрываются устойчивым инверсионным слоем. Этот тип инверсии наблюдается в ранние часы и характерен для периодов ясного неба и безветренной погоды. Инверсионный слой разрушается восходящими потоками теплого воздуха, возникающими при нагревании поверхности земли лучами утреннего солнца.

Радиационная инверсия играет важную роль в загрязнении атмосферы, так как в этом случае инверсионный слой располагается внутри слоя, который содержит источники загрязнения (в отличие от инверсии оседания). Кроме того, радиационная инверсия наиболее часто происходит в условиях безоблачных и безветренных ночей, когда мала вероятность очищения воздуха от загрязнения осадками или боковыми ветрами.

Интенсивность и продолжительность инверсии зависят от сезона. Осенью и зимой, как правило, имеют место продолжительные инверсии, их число велико. На инверсии оказывает влияние и топография местности. Например, холодный воздух, скопившийся ночью в межгорной котловине, может быть «заперт» там теплым воздухом, оказавшимся над ним.

Возможно и другие типы локальных инверсий, например инверсии, связанные с морским бризом при прохождении теплого воздушного фронта над большим континентальным участком суши. Прохождение холодного фронта, перед которым расположена область теплого воздуха, также приводит к инверсии.

Инверсии – обычное явление для многих районов. Например, на западном побережье США они наблюдаются в течение почти 340 дней в году.

Степень устойчивости атмосферы можно определить по величине градиента «потенциальной» температуры:

. (11.12)

где
– градиент температуры, наблюдаемый в окружающем воздухе.

Отрицательное значение градиента «потенциальной» температуры (Г пот < 0) свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере. В случае, когдаГ пот > 0, атмосфера устойчива. В случае, если градиент «потенциальной» температуры приближается к нулю (Г пот  0), атмосфера характеризуется как безразличная.

Кроме рассмотренных случаев температурной инверсии, которые носят локальный характер, в атмосфере Земли наблюдаются две инверсионные зоны глобального характера. Первая зона глобальной инверсии от поверхности Земли начинается с нижней границы тропопаузы (11 км для стандартной атмосферы) и заканчивается на верхней границы стратопаузы (примерно 50 км). Эта инверсионная зона препятствует распространению примесей, образовавшихся в тропосфере или выделяющихся с поверхности Земли, в другие области атмосферы. Вторая зона глобальной инверсии, расположенная в термосфере, в определенной степени препятствует рассеянию атмосферы в космическое пространство.

Рассмотрим на примере порядок определения градиента «потенциальной» температуры. Температура у поверхности Земли на высоте 1,6 м составляет –10 °С, на высоте 1800 м – –50 °С, –12 °С, –22 °С.

Целью расчета является оценка состояния атмосферы по величине градиента «потенциальной» температуры.

Для расчета градиента «потенциальной» температуры воспользуемся уравнением (11.12)

Здесь Г = 0,00645 град./м – стандартный, или нормальный адиабатический вертикальный, температурный градиент.

Проанализируем рассчитанные значения градиента «потенциальной» температуры. Характер изменения температуры для рассматриваемых случаев состояния атмосферы представлен на рис. 11.2.

Г пот 1 < 0 свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере.

Г пот 2 > 0 – атмосфера устойчива.

Г пот 3 ≈ 0 – атмосфера характеризуется как безразличная.

ИНВЕРСИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. В океане инверсия температуры - повышение температуры с глубиной вместо её понижения, характерного для большей части Мирового океана. Инверсия температуры в разных слоях океана возникает под влиянием различных физических процессов: у поверхности это тепломассообмен океана и атмосферы, в толще стратифицированных вод - адвекция, в придонном слое - геотермальные процессы. Вертикальный масштаб слоёв с инверсией температуры (так называемых инверсионных слоёв) изменяется от нескольких миллиметров (вблизи границы с атмосферой) до нескольких сотен метров и более в толще океана. Инверсионные слои вблизи поверхности и дна часто имеют неустойчивое распределение плотности, что порождает конвективное перемешивание вод; в толще океана эти слои, как правило, характеризуются устойчивым распределением плотности, связанным с увеличением солёности вод с глубиной. Инверсии температуры, достигающие нескольких градусов Цельсия, обусловлены водообменом открытого океана с морями. Например, сток более тёплых и солёных вод (из Средиземного моря в Атлантический океан или из Красного моря в Индийский океан) и распространение этих вод на уровне равной плотности на расстояния до нескольких тысяч километров вызывают крупномасштабные инверсии температуры.

Лит.: Федоров К. Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л., 1976; Галеркин Л. И. и др. О климатических инверсиях температуры в океане // Океанология. 1998. Т. 38. Вып. 6.

А. Г. Зацепин.

В атмосфере инверсия температуры (повышение температуры с высотой) типична для стратосферы и термосферы, в то время как в тропосфере температура обычно понижается с высотой. Приземные инверсии температуры характеризуются толщиной инверсионного слоя, которая может достигать десятков и сотен метров, и скачком температуры между нижней и верхней границами слоя (до 15-20 °С). Приподнятые инверсии температуры в пограничном слое атмосферы и в свободной атмосфере описываются также высотой нижней границы инверсионного слоя. Встречаются и многослойные инверсии температуры.

В тропосфере различают несколько видов инверсии температуры. В приземном слое атмосферы может наблюдаться радиационная инверсия температуры, причиной которой является радиационное выхолаживание (тепловое излучение земной поверхности). В антициклонах возникает инверсия оседания. При натекании тёплой воздушной массы на более холодную подстилающую поверхность образуются адвективные инверсии температуры. Выделяют также инверсии температуры, генетически связанные с жизненным циклом облака (подоблачные и надоблачные инверсии температуры). В стратосфере и термосфере инверсии температуры возникают за счёт поглощения солнечной радиации. Например, инверсия температуры на высотах от 20-30 до 50-60 км связана с поглощением УФ-излучения Солнца озоном.

Инверсионные слои воздуха препятствуют развитию вертикальных движений, способствуют накоплению газовых и аэрозольных примесей, образованию дымок и туманов, возникновению верхних миражей, влияют на распространение внутренних гравитационных волн в атмосфере и радиоволн.

Лит.: Хромов С. М., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. 7-е изд. М., 2006.

Относятся:

1. Резкое изменение климата.

Существует две стороны проблемы изменения климата:

резкое изменение погоды или климата в результате антропогенного фактора (вырубка и выжигание леса, распахивание земель, создание новых водохранилищ, изменение русел рек, осушение болот – все это влияет на изменение теплового баланса и на газовый обмен с атмосферой);
процесс изменения климата как эволюционный, происходящий в весьма медленном темпе.

По данным Национального агентства США по аэронавтике и исследованию космического пространства, на планете стало теплее за столетие на 0,8 0С. Температура подледной воды в районе Северного полюса возросла почти на 20С, вследствие чего началось таяние льда снизу и происходит постепенное повышение уровня Мирового океана. По оценкам ученых, средний уровень океана к 2100 году может повыситься на 20-90 см. Все это может вызвать катастрофические последствия для стран с территориями на уровне моря (Австралия, Нидерланды, Япония, отдельные районы США).

2 . Превышение ПДК вредных примесей в атмосфере (выбросы промышленные, ТЭЦ, автотранспорта приводит к непрерывному повышению среднего содержания двуокиси углерода в атмосфере.

Происходит потепление климата вследствие так называемого «парникового эффекта». Уплотненный слой двуокиси углерода будет свободно пропускать солнечную радиацию к поверхности земли и в то же время задерживать излучение земного тепла в космос.

На основе расчетов с использованием компьютерных моделей установлено, что если сохранится нынешняя скорость поступления парниковых газов в атмосферу, то за 30 лет температура в среднем по земному шару повысится примерно на 10С. При этом глобальное потепление будет сопровождаться увеличением количества осадков (к 2030 году на несколько процентов) и повышением уровня Мирового океана (к 2030 году – на 20 см., к концу столетия – на 65 см).

Опасные последствия глобального потепления климата:

повышение уровня Мирового океана создаст опасную ситуацию для жизнедеятельности около 800 млн. человек.
овышение среднегодовых температур вызовет сдвиг всех климатических зон от экватора к полюсам, что может лишить сотни миллионов людей привычного ведения хозяйства.
рост температуры приведет к ускорению размножения кровососущих насекомых и вредителей леса, и они выйдут из под контроля своих естественных врагов (птиц, лягушек и т.п.), тропические и субтропические виды кровососов будут распространяться на север, а вместе с ними в умеренные широты придут такие болезни, как малярия, тропические вирусные лихорадки и др.

Глобальное потепление на планете неизбежно вызовет оттаивание больших участков вечной мерзлоты. К концу ХХI века южная граница вечной мерзлоты в Сибири может тогда отодвинуться к северу до 55-й параллели, в результате ее таяния будет нарушаться хозяйственная инфраструктура. Наиболее уязвимыми окажутся объекты добывающей промышленности, энергетических и транспортных систем, коммунального хозяйства. Значительно возрастут в этих районах риски возникновения ЧС техногенного характера.

Возможное глобальное потепление климата отрицательно скажется на здоровье человека, усилит факторы воздействия окружающей среды на него, повлияет на временной и сезонный ход заболеваний во многих странах.

3. Температурные инверсии над городами .

Температура в тропосфере, начиная от земли, по высоте снижается на 5-6 градусов на каждый километр. Теплые нижележащие слои воздуха, как более легкие, движутся к верху, обеспечивая циркуляцию воздуха над землей, образуя восходящие вертикальные, а так же горизонтальные потоки воздуха, ощущаемые нами как ветер. Однако иногда при антициклонах и при штилевой погоде может произойти так называемая температурная инверсия, при которой расположенные выше слои атмосферы окажутся более нагретыми, чем нижележащие. Тогда прекращается нормальная циркуляция воздуха и слой теплого воздуха как одеялом покрывает участки земли. Если это происходит над городом, то вредные выбросы от промышленных предприятий, автотранспорта задерживаются под этим «воздушным одеялом» и создают опасные для населения загрязнения атмосферы, вызывающие заболевания.

4. Острый недостаток кислорода над городами

В крупных городах наземная растительность в процессе фотосинтеза выделяет в атмосферу меньше кислорода, чем его потребляется промышленность, транспортом, людьми и животными. В связи с этим общее количество кислорода в околоземной оболочке биосферы ежегодно уменьшается.
Недостаток кислорода в воздушной среде городов способствует распространению легочных и сердечнососудистых заболеваний.

5. Значительное превышение предельно допустимого уровня городского шума.

Основные источники шума в городах:
- транспорт. Удельный вес транспортного шума города составляет не менее 60-80% (Пример: Москва – днем и ночью транспортный шум...)
- внутриквартальные источники шума,- возникают в жилых кварталах (игры спортивные, детские на площадках; хозяйственная деятельность людей…)
- шумы в зданиях. Шумовой режим в жилых кварталах складывается из проникающего внешнего шума и шума, образующего при эксплуатации инженерно и санитарно-технического оборудования зданий: лифтов, насосов подкачки воды, мусоропроводов и т.д.
Высокие уровни шума способствуют развитию заболеваний неврологического, сердечнососудистого характера и других.

6. Образование зон кислотных дождей.

Кислотные дожди – результат промышленного загрязнения воздуха. Большая доза в загрязнении воздуха принадлежит окислам азота, источниками образования которых являются выхлопные газы двигателей, а также сжигания всех видов топлива. 40% всех окислов азота выбрасывают в атмосферу тепловые электростанции. Эти окислы преобразуются в азот и нитраты, а последние взаимодействуя с водой, дают азотную кислоту.
Кислотные осадки представляют серьезную опасность для растительного и живого мира на земле.

7. Разрушение озонового слоя атмосферы .

Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовые излучения солнца и, следовательно, предохранять от их губительного воздействия все живые организмы на Земле.

Количество озона в атмосфере не велико. Наиболее существенное влияние на разрушение озона оказывают реакции с соединениями водорода, азота, хлора. В результате деятельности человека резко возрастает поступление веществ, содержащие такие соединения.

Огромные масштабы разрушения озонового слоя наблюдаются в отдельные периоды. Так, например, в весенние месяцы над Антарктидой наблюдалось постепенное разрушение стратосферного слоя озона, иногда достигающее 50 % от его общего количества в атмосфере региона наблюдения.

Разрыв озоносферы диаметром, превышающим 1000 км, возникающий над Антарктидой и перемещающийся к населенным районам Австралии, называли «озоновой дырой».

Сокращение озонового слоя на 25% и повышенное воздействие доз коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца приводит к:

Уменьшению биологической продуктивности многих растений, снижается урожайность сельскохозяйственных культур;
- болезням человека: резко возрастает вероятность заболеванием рака кожи, ослабляется иммунная система, увеличивается количество заболеваний катарактой глаз, возможна частичная или полная потеря зрения.

8. Значительные изменения прозрачности атмосферы.

Прозрачность атмосферы в значительной степени зависит от процентного содержания в ней аэрозолей (понятие «аэрозоль» в данном случае включает пыль, дым, туман).

Увеличение содержания аэрозолей в атмосфере уменьшает количество приходящей к поверхности Земли солнечной энергии. В результате этого возможно охлаждения поверхности Земли, что вызывает понижение средней планетной температуры и, в конечном счете, начало нового ледникового периода.

В самом общем смысле инверсия – это нарушение привычного хода вещей или порядка. Инверсия температуры – это повышение температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения.

Известно, что плавное убывание температур с высотой следует считать только общим свойством тропосферы. Очень часто наблюдается такая стратификация воздуха, при которой в направлении вверх температура или не понижается, или даже повышается. Возрастание температуры с высотой над земной поверхностью называется его инверсией.

По мощности слоя воздуха, в котором наблюдается повышение температуры, различают а) инверсии приземные , захватывающие несколько метров, и б) инверсии свободной атмосферы , простирающиеся до трех километров.

Приращение температуры (или величина инверсии) может достигать 10 0 С и более. При этом атмосфера оказывается как бы расслоенной: одна масса воздуха от другой массы отделяется слоем инверсии.

По происхождению приземные инверсии разделяются на радиационные, адвективные, орографические и снежные.

Радиационные инверсии возникают летом при тихой и безоблачной погоде. После захода Солнца поверхность, а от нее и нижние слои воздуха охлаждаются, а лежащие выше еще сохраняют дневной запас тепла. Мощность таких инверсий колеблется от 10 до 300 м в зависимости от погоды. Радиационные инверсии бывают над ледяными поверхностями в любое время года при потере ими тепла лучеиспусканием.

Адвективные инверсии бывают при движении теплого воздуха в холодную местность. Причем нижние слои воздуха охлаждаются от соприкосновения с холодной поверхностью, а верхние на время остаются теплыми.

Снежные (весенние) инверсии наблюдаются ранней весной над снежными поверхностями. Они вызываются затратой воздухом большого количества тепла на таяние снега.

В свободной атмосфере наиболее распространены антициклональные инверсии сжатия и циклонические фронтальные инверсии .

Антициклональные инверсии сжатия образуются в антициклонах зимой и наблюдаются на высоте 1-2 км. Температура опускающегося воздуха в средней тропосфере повышается, но близ земной поверхности, где начинается горизонтальное растекание воздуха, она повышается. Это явление наблюдается на огромных территориях Арктики, Антарктики, Восточной Сибири и т.д.

Циклонические фронтальные инверсии образуются в циклонах вследствие натекания теплого воздуха на холодный.