Погода в данной местности оказывает сильное влияние на жизнедеятельность человека, поэтому информация о состоянии земной атмосферы всегда является полезной с экономических позиций и с точки зрения безопасности для здоровья. Температурная инверсия - это один из видов состояния нижних слоев атмосферы. Что она собой представляет и где проявляется, рассматривается в статье.
Что такое температурная инверсия?
Под этим понятием подразумевают рост температуры воздуха по мере увеличения высоты от земной поверхности. Это, казалось бы, безобидное определение влечет за собой достаточно серьезные последствия. Дело в том, что воздух можно считать идеальным газом, для которого давление при фиксированном объеме находится в обратной зависимости от температуры. Поскольку при температурной инверсии с увеличением высоты температура возрастает, значит, давление воздуха снижается и уменьшается его плотность.
Из школьного курса физики известно, что конвекционные процессы, которые обусловливают вертикальное перемешивание в объеме текучей субстанции, находящейся в гравитационном поле, происходят, если нижние слои являются менее плотными, чем верхние (горячий воздух всегда поднимается вверх). Таким образом, температурная инверсия препятствует конвекции в нижних слоях атмосферы.
Нормальные атмосферные условия
В результате многочисленных наблюдений и измерений было установлено, что в умеренной климатической зоне нашей планеты температура воздуха уменьшается на 6,5 °C на каждый километр высоты, то есть на 1 °C при увеличении высоты на 155 метров. Этот факт связан с тем, что нагрев атмосферы происходит не в результате прохождения через нее солнечных лучей (для видимого спектра электромагнитного излучения воздух является прозрачным), а в результате поглощения ею переизлученной энергии в инфракрасном диапазоне от поверхности земли и воды. Поэтому чем ближе воздушные слои к земле, тем они сильнее прогреваются в солнечный день.
В области тропической климатической зоны воздух с увеличением высоты охлаждается медленнее, чем указанные цифры (приблизительно на 1 °C за 180 м). Связано это с наличием в этих широтах ветров пассатов, которые переносят тепло из экваториальных областей в тропики. При этом тепло поступает из верхних слоев (1-1,5 км) в нижние, что препятствует быстрому падению температуры воздуха с увеличением высоты. Кроме того, толщина атмосферы в тропической зоне больше, чем в умеренной.
Таким образом, нормальное состояние атмосферных слоев заключается в их охлаждении с ростом высоты над уровнем моря. Такое состояние благоприятствует перемешиванию и циркуляции воздуха в вертикальном направлении за счет конвекционных процессов.
Почему верхние воздушные слои могут оказаться теплее нижних?
Иными словами, почему проявляется температурная инверсия? Происходит это по той же причине, что и существование нормальных атмосферных условий. Земля имеет большее значение теплопроводности, чем воздух. Это означает, что в ночное время суток, когда на небе нет туч и облаков, она быстро остывает и те атмосферные слои, которые находятся в непосредственном контакте с земной поверхностью, также охлаждаются. В результате получается следующая картина: холодная поверхность земли, холодный слой воздуха в непосредственной близости от нее и теплая атмосфера на некоторой высоте.
Что такое температурная инверсия и где она проявляется? Возникает описанная ситуация часто в низинах, в совершенно любой местности и любых широтах в утренние часы. Низменная местность защищена от горизонтальных перемещений воздушных масс, то есть от ветра, поэтому охлажденный за ночь воздух в ней создает локально стабильную атмосферу. Явление температурной инверсии можно наблюдать в горных долинах. Помимо описанного процесса ночного охлаждения, в горах ее образованию способствует также "сползание" холодного воздуха со склонов в равнины.
Время существования температурной инверсии может длиться от нескольких часов до нескольких дней. Нормальные атмосферные условия устанавливаются, как только земная поверхность нагревается.
Чем опасно рассматриваемое явление?
Состояние атмосферы, при котором существует температурная инверсия, является стабильным и безветренным. Это означает, что если на данной территории происходят какие-либо выбросы в атмосферу или испарение токсичных веществ, то они никуда не деваются, а остаются в воздухе над рассматриваемой местностью. Иными словами, явление температурной инверсии в атмосфере способствует многократному увеличению в ней концентрации отравляющих веществ, что представляет огромную опасность для здоровья человека.
Описанная ситуация часто возникает над крупными городами и мегаполисами. Например, от последствий температурной инверсии часто страдают такие города, как Токио, Нью-Йорк, Афины, Пекин, Лима, Куала-Лумпур, Лондон, Лос-Анджелес, Бомбей, столица Чили - Сантьяго и многие другие города по всему миру. Из-за большой концентрации людей промышленные выбросы в этих городах являются гигантскими, что приводит к появлению смога в воздухе, нарушающего видимость и создающего угрозу не только для здоровья, но и для жизни человека.
Так, в 1952 году в Лондоне и в 1962 году в Рурской долине (Германия) погибло несколько тысяч человек в результате длительного времени существования температурной инверсии и значительных выбросов в атмосферу оксидов серы.
Столица Перу, Лима
Раскрывая вопрос, что такое температурная инверсия в географии, интересно привести ситуацию в столице Перу. Она расположена на берегу Тихого океана и у подножия гор Анд. Побережье недалеко от города омывается Гумбольдта, что приводит к сильному охлаждению земной поверхности. Последняя, в свою очередь, способствует охлаждению самых нижних воздушных слоев и образованию туманов (при уменьшении температуры воздуха снижается растворимость в нем водяных паров, последнее проявляется в выпадении росы и образовании тумана).
В результате описанных процессов возникает парадоксальная ситуация: побережье Лимы покрыто туманом, который мешает лучам солнца нагревать земную поверхность. Поэтому состояние температурной инверсии является настолько стабильным (горизонтальной циркуляции воздуха мешают горы), что здесь практически никогда не идут дожди. Последний факт объясняет, почему побережье Лимы представляет собой практически пустыню.
Как себя вести в случае получения информации о неблагоприятном состоянии атмосферы?
Если человек живет в крупном городе и он получил информацию о существовании в атмосфере температурной инверсии, то рекомендуется по возможности не выходить на улицу в утренние часы, а подождать, пока земля прогреется. Если же возникает такая необходимость, тогда следует использовать индивидуальные средства защиты дыхательных органов (марлевая повязка, шарф) и не оставаться длительное время на открытом воздухе.
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.
Температурный градиент атмосферы может изменяться в широких пределах. В среднем он равен 0,6°/100 м. Но в тропической пустыне вблизи поверхности земли он может достигать 20°/100 м. При температурной инверсии температура с высотой увеличивается и температурный градиент становится отрицательным, т. е. может быть равен, например, -0,6°/100 м. Если температура воздуха одинакова на всех высотах, то температурный градиент равен нулю. В этом случае говорят, что атмосфера изотермична.[ ...]
Температурные инверсии определяют во многих горных системах континентальных областей обратное расположение вертикальных почвенных зон. Так, в Восточной Сибири у подножия и в нижних частях склонов некоторых гор располагаются инверсионные тундры, далее идут горные таежные леса и выше снова горные тундры. Инверсионные тундры охлаждаются только в определенные сезоны, а в остальное время года они значительно теплее «верхних» тундр и используются в земледелии.[ ...]
Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300-400 м от поверхности Земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода достигают опасных для здоровья человека уровней, приводят к расстройству кровообращения, дыхания, а нередко и к смерти. В 1952 г. в Лондоне от смога с 3 по 9 декабря погибло более четырех тысяч человек, до десяти тысяч человек тяжело заболели. В конце 1962 г. в Руре (ФРГ) смог убил за три дня 156 человек. Рассеять смог может только ветер, а сгладить смогоопасную ситуацию - сокращение выбросов загрязняющих веществ.[ ...]
Инверсии температурные 12 Иод, определение в воздухе 30 сл.[ ...]
С температурными инверсиями связаны случаи массовых отравлений населения в периоды токсических туманов (долина р. Мане в Бельгии, не- ■¿однократно в Лондоне, Лос-Анджелесе и др.).[ ...]
Иногда температурные ¡инверсии распространяются на большие площади земной (поверхности. Область их распространения ¡обычно совпадает с областью распространения антициклонов, ¡которые возникают ¡в зонах высоких ¡барометрических (Давлений.[ ...]
Синоним: температурная инверсия. ИНВЕРСИЯ ТРЕНИЯ. См. турбулентная инверсия.[ ...]
Радиационная инверсия и инверсия оседания могут иметь место в атмосфере одновременно. Такая ситуация показана типичным температурным профилем на рис. 3.10, в. Одновременное наличие двух типов инверсии приводит к явлению, называемому ограниченной струей, которое будет рассмотрено в последующих разделах. Интенсивность и продолжительность инверсии зависят от сезона. Осенью и зимой, как правило, имеют место продолжительные инверсии, и число их велико. На инверсии оказывает влияние и топография. Например, холодный воздух, оказавшийся ночью между гор, может быть заперт в долине теплым воздухом, расположенным над ним. До тех пор пока Солнце на следующий день не окажется непосредственно над долиной, воздух в ней не сможет получить достаточно тепла, чтобы разрушить инверсию. Колорадо) зимой, например, около половины всех инверсий держится весь день .[ ...]
А - при отсутствии инверсии температура воздуха с высотой снижается; Б - расположение температурной инверсии, когда холодный воздух захвачен под теплым слоем. В инверсионном слое обычный градиент температуры изменен в обратном направлении; В - ночные минимальные; Г - ссорошее местоположение для с ада; Д - теплый участок склона, образовавшийся в результате характера цирпуляции воздуха.[ ...]
Под влиянием холодных зим и температурных инверсий почвы зимой глубоко промерзают, весной - медленно прогреваются. По этой причине слабо протекают микробиологические процессы, и несмотря на высокое содержание гумуса в почве, необходимо внесение повышенных норм органических удобрений (навоза, торфа и компостов) и легкодоступных растениям минеральных удобрений.[ ...]
Типичный дневной ¡цикл изменения температурного градиента над открытой местностью в безоблачный день начинается с образования неустойчивой скорости падения температуры, усиливающейся днем благодаря интенсивному тепловому излучению солнца, что приводит,к возникновению сильной турбулентности. Непосредственно перед или вскоре после захода солнца приземный слой воздуха быстро охлаждается и возникает устойчивая скорость падения температуры (повышение температуры ¡с высотой). В течение ночи интенсивность и глубина этой инверсии возрастают, достигая максимума между полуночью и тем временем суток, когда земная поверхность имеет минимальную температуру. В течение этого периода атмосферные загрязнения эффективно задерживаются внутри слоя инверсий или ниже его благодаря слабому или полному отсутствию рассеивания загрязнений по вертикали. Следует отметить, что,в условиях застоя загрязнители, сбрасываемые у поверхности земли, не распространяются в верхние слои воздуха и, наоборот, выбросы из высоких труб в этих условиях большей частью не проникают в ближайшие к земле слои воздуха (Church, 1949). С наступлением дня земля начинает нагреваться и инверсия постепенно ликвидируется. Это может привести к «фумигации» (Hewso n a. Gill, 1944) благодаря тому, что загрязнения, попавшие в течение ночи в верхние слои воздуха, начинают быстро перемешиваться и устремляются вниз. Поэтому в ранние предполуденные часы, предшествующие полному развитию турбулентности, заканчивающей дневной цикл и обеспечивающей мощное перемешивание, часто возникают высокие концентрации атмосферных загрязнений. Этот цикл может быть нарушен или изменен при наличии облаков или осадков, препятствующих интенсивной конвекции в дневные часы, но могущих также препятствовать и возникновению сильной инверсии в ночное время.[ ...]
Возможны два других типа локальных инверсий. Одна из них связана с морским бризом, упомянутым выше. Нагревание воздуха в утренние часы над сушей приводит к потоку более холодного воздуха по направлению к суше от океана или достаточно большого озера. В результате более теплый воздух поднимается вверх, а холодный занимает его место, создавая инверсионные условия. Инверсионные условия создаются также при прохождении теплого фронта над большим континентальным участком суши. Теплый фронт часто имеет тенденцию «подминать под себя» более плотный и более холодный воздух, расположенный перед ним, создавая таким образом локальную температурную инверсию. Прохождение холодного фронта, перед которым расположена область теплого воздуха, приводит к такой же ситуации.[ ...]
Веерообразная форма струн возникает при температурной инверсии. Ее форма напоминает извивающуюся реку, которая постепенно расширяется с удалением от трубы.[ ...]
В небольшом американском городе Доноре такая температурная инверсия вызвала заболевания около 6000 человек (42,7% от всего населения), причем у некоторых (10%) проявились симптомы, свидетельствующие о необходимости госпитализации этих людей. Иногда последствия длительной температурной инверсии можно сравнить с эпидемией: в Лондоне во время одной из таких длительных инверсий умерли 4000 человек.[ ...]
Веерообразная струя (рис. 3.2, в, г) образуется при температурной инверсии или при температурном градиенте, близком к изотермическому, что характеризует очень слабое вертикальное перемешивание. Образованию веерообразной струи благоприятствуют слабые ветры, чистое небо и снежный покров. Такая струя наиболее часто наблюдается в ночное время.[ ...]
Веерообразная форма дымового облака существует при инверсиях и при температурных градиентах, близких к изотермическим. Такая структура атмосферы наблюдается в ночное время, когда температура земной поверхности ниже температуры воздуха. Веерообразное облако совсем не касается земной поверхности. Несмотря на эт о, веерообразная структура представляет опасность с точки зрения загрязнения атмосферы, так как рассеивание идет главным образом в горизонтальном направлении и поллюанты сохраняются в нижних слоях атмосферы, не поднимаясь вверх. При выбросах из невысоких дымовых труб максимальная концентрация поллюантов наблюдается в этих случаях далеко от источников загрязнения.[ ...]
При неблагоприятных метеорологических ситуациях, таких как температурная инверсия, повышенная влажность воздуха и атмосферные осадки, накопление загрязнения может происходить особенно интенсивно. Обычно в приземном слое температура воздуха уменьшается с высотой, при этом происходит вертикальное перемешивание атмосферы, уменьшающее концентрацию загрязнения в приземном слое. Однако при некоторых метеорологических условиях (например при интенсивном охлаждении поверхности земли в ночное время) происходит так называемая температурная инверсия, т. е. изменение хода температуры в приземном слое на обратный- с увеличением высоты температура увеличивается. Обычно такое состояние сохраняется короткое время, однако в ряде случаев температурная инверсия может наблюдаться в течение нескольких дней. При температурной инверсии воздух вблизи от поверхности земли оказывается как бы заключенным в ограниченный объем, и могут возникать весьма высокие концентрации загрязнения вблизи земной поверхности, способствующие повышенному загрязнению изоляторов .[ ...]
Величина 1 /л/Б увеличивается с уменьшением устойчивости. Для инверсии с у -6,5 К/км 1/1 5 = 41 с, хотя для нормального температурного градиента с V = +6,5 К/км 1/л/ 5 = 91 с. Таким образом, при II = 10 м/с и нормальных температурных градиентах воздушный поток может преодолеть препятствие высотой 545 м, а для соответствующих условий инверсии - только 245 м. Если же воздушный поток не обладает необходимой кинетической энергией, чтобы подняться над препятствием, то он отклоняется и течет поперек изобар по направлению к более низкому давлению, приобретая тем самым кинетическую энергию . По прошествии некоторого времени это отклонение может распространиться достаточно далеко вверх по течению и обеспечить воздушный поток энергией, необходимой для подъема над препятствием. Это означает, что изэнтропические поверхности (поверхности равной потенциальной температуры) поднимаются над препятствием так, что воздух может течь параллельно им. На подветренной стороне хребта избыток энергии может проявляться в виде волн в воздушном потоке (кинетическая энергия) или переходить в потенциальную энергию вследствие отклонения воздуха по направлению к более высокому давлению.[ ...]
Бурназян А. И. и др. Загрязнение приземного слоя атмосферы при температурных инверсиях.[ ...]
ГОРИЗОНТ ПЫЛИ. Верхняя граница слоя пыли (или дыма), лежащего под температурной инверсией. При наблюдении с высоты создается впечатление горизонта.[ ...]
При некоторых неблагоприятных метеорологических условиях (слабый ветер, температурная инверсия) выброс вредных веществ в атмосферу приводит к массовым отравлениям. Примером массовых отравлений населения являются катастрофы в долине реки Маас (Бельгия, 1930 г.), в г. Доноре (штат Пенсильвания, США, 1948 г.). В Лондоне массовые отравления населения во время катастрофического загрязнения атмосферы наблюдались неоднократно - в 1948, 1952, 1956, 1957, 1962 гг.; в результате этих событий погибло несколько тысяч человек, многие получили тяжелые отравления.[ ...]
Лондонский (зимний) смог образуется зимой в крупных промышленных центрах при неблагоприятных погодных условиях: отсутствии ветра и температурной инверсии. Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой (в слое 300-400 м) вместо обычного понижения.[ ...]
Особенно неблагоприятны для рассеивания вредных веществ в воздухе местности с преобладанием слабых ветров или штилей. В этих условиях возникают температурные инверсии, при которых наблюдается избыточное накопление вредных веществ в атмосфере. Примером такого неблагоприятного расположения является Лос-Анджелес, зажатый между горным хребтом, который ослабляет ветер и мешает оттоку загрязненного городского воздуха, и Тихим океаном. В этом городе температурные инверсии случаются в среднем 270 раз в год, причем 60 из них сопровождаются очень высокими концентрациями вредных веществ в воздухе .[ ...]
Способность земной поверхности поглощать или излучать теплоту влияет на вертикальное распределение температуры в приземном слое атмосферы и приводит к температурной инверсии (отклонение от адиабатности). Повышение температуры воздуха с высотой приводит к тому, что вредные выбросы не могут подниматься выше определенного потолка. В инверсионных условиях ослабляется турбулентный обмен, ухудшаются условия рассеивания вредных выбросов в приземном слое атмосферы. Для приземной инверсии особое значение имеет повторяемость высот верхней границы, для приподнятой инверсии - повторяемость нижней границы.[ ...]
Необходимо избегать строительства предприятий со значительными выбросами вредных веществ на площадках, где может происходить длительный застой примеси при сочетании слабых ветров с температурными инверсиями (например, в глубоких котловинах, в районах частого образования туманов, в частности в районах с суровой зимой, ниже плотин гидроэлектрических станций, а также в районах возможного возникновения смогов).[ ...]
Условиями, способствующими образованию фотохимического тумана при высоком уровне загрязнения атмосферного воздуха реактивными органическими соединениями и оксидами азота, являются обилие солнечной радиации, температурные инверсии и малая скорость ветра.[ ...]
Типичным примером острого провоцирующего влияния атмосферных загрязнений являются случаи токсических туманов, возникавших в разное время в городах разных континентов мира. Токсические туманы появляются в периоды температурных инверсий с низкой ветровой активностью, т. е. в условиях, способствующих накоплению промышленных выбросов в приземном слое атмосферы. В периоды токсических туманов регистрировалось увеличение загрязнения, тем более значительное, чем длительнее сохранялись условия для воздушного застоя (3-5 суток). В периоды токсических туманов увеличивалась смертность лиц, страдающих хроническими сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями, а среди обратившихся за медицинской помощью регистрировались обострения этих заболеваний и появление новых случаев. Вспышки бронхиальной астмы описаны в ряде населенных мест при появлении специфических загрязнений. Можно предположить появление острых случаев аллергических заболеваний при загрязнении воздуха такими биологическими продуктами, как белковая пыль, дрожжи, плесени и продукты их жизнедеятельности. Примером острого воздействия загрязнения атмосферного воздуха являются случаи фотохимического тумана при сочетании факторов: выбросы автотранспорта, высокая влажность, штилевая погода, интенсивное ультрафиолетовое излучение. Клинические проявления: раздражение слизистой глаз, носа, верхних дыхательных путей.[ ...]
Измерения на теле- и радиомачтах, а также специальные аэрологические наблюдения, проведенные в последние годы, позволяют сделать ряд выводов о строении пограничного слоя атмосферы над городом. Анализ опытных данных показывает, что в периоды, когда за городом наблюдается инверсия при наличии острова тепла температурная стратификация среди застройки до высоты нескольких десятков метров близка к равновесной или слегка неустойчивой. Следовательно, над городом более вероятно образование приподнятых слоев инверсии. Остров тепла, как отмечено Секигути в книге «Климаты городов» (Urban climates, 1970), распространяется в ночное время до уровня, примерно равного 3-4 высотам зданий.[ ...]
При разработке вязких нефтей и битумов скважинами термических методов происходит локальное нарушение естественного термического градиента по разрезу, которое приводит к изменению химического состава подземных вод вышележащих горизонтов и ухудшению их качества. Такие инверсии температурного режима недр также являются слабоизученными, а регламентация этого вида антропогенных воздействий остается за рамками нормативных документов.[ ...]
Таким образом, нигде на территории СССР не создаются столь неблагоприятные метеорологические условия для переноса и рассеивания выбросов от низких источников выбросов, как на территории БАМ. Расчеты показывают, что за счет, высокой повторяемости застойных условий в большом слое атмосферы и мощных температурных инверсий при одинаковых параметрах выбросов уровень загрязнения атмосферы в городах и поселках БАМ может быть в 2-3 раза выше, чем на Европейской территории страны. В связи с этим охрана воздушного бассейна от загрязнения вновь осваиваемой территории, прилегающей к БАМ, является особенно важной.[ ...]
Вероятно, самым печально известным районом смогов в мире является Лос-Анжелос. Дымовых труб в этом городе хватает с избытком. Кроме того, здесь имеется огромное число автомобилей. Заодно с этими щедрыми поставщиками дыма и копоти действуют оба элемента образования смога, которые сыграли такую важную роль в Доноре: температурные инверсии и гористый характер местности.[ ...]
Промышленные предприятия, городской транспорт и теплогенерирующие установки являются причиной возникновения (в основном, в городах) смога: недопустимого загрязнения обитаемой человеком наружной воздушной среды вследствие выделения в нее указанными источниками вредных веществ при неблагоприятных погодных условиях (отсутствие ветра, температурная инверсия и др.).[ ...]
Важнейшим элементом климата горных районов, несомненно, является температура. В большинстве горных областей мира ведутся подробные наблюдения температуры и имеется множество статистических исследований изменения температуры с высотой. Это изменение представляет собой сложную проблему при составлении климатических атласов в силу резких температурных градиентов на небольших расстояниях и их сезонной изменчивости . В некоторых недавно проведенных исследованиях температур в горах, например в и , для того чтобы связать температуры с высотой и отделить влияние инверсий от эффектов, обусловленных крутизной склонов, применяется регрессионный анализ. Пильке и Меринг , пытаясь уточнить пространственное распределение температуры для одной из областей в северо-западной Виргинии, использовали линейный регрессионный анализ средних месячных температур как функции высоты. Они показали, что корреляции максимальны (г=-0,95) летом, как это обычно бывает на средних высотах. Зимой инверсии на низких уровнях вкосят большую изменчивость, и, если подобрать подходящие полиномиальные функции или же использовать потенциальные температуры, можно получить лучшие оценки . С целью составления топоклиматических карт для Западных Карпат был аналогичным образом разработан ряд уравнений регрессии . Для этого, как описано в п. ,2В4, используются отдельные уравнения регрессии для различных профилей склона. Заметим, что имеется мало попыток описать изменения горной температурь) при. помощи какой-либо более общей статистической модели.[ ...]
Проводимые за рубежом комплексные эксперименты характеризуются хорошей инструментальной оснащенностью, применением - оптимального набора анализаторов и пробоотборных систем, определением наряду,с концентрацией компонентов-загрязнителей метеорологических параметров, наличием информации об уровне солнечно! ? радиации, а также о показателях устойчивости атмосферы в пограничном слое: температурной.стратификации, профиле скорости ветра, высоте границы инверсий и т. д.[ ...]
Основной причиной образования фотохимического тумана является сильное загрязнение городского воздуха газовыми выбросами предприятий химической промышленности и транспорта и главным образом выхлопными газами автомобилей. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 г окиси азота. В Лос-Анджелесе, где скопилось свыше 4 млн. автомобилей, они выбрасывают в воздух около 1 тыс. т этого газа в сутки. Кроме того, здесь часты температурные инверсии (до 260 дней в году), способствующие застою воздуха над городом. Фотохимический туман возникает в загрязненном воздухе в результате фотохимических реакций, протекающих под действием коротковолновой (ультрафиолетовой) солнечной радиации на газовые выбросы. Многие из этих реакций создают вещества, значительно превосходящие исходные по своей токсичности. Основные компоненты фотохимического смога - фотооксиданты (озон, органические перекиси, нитраты, нитриты, пероксилацетилнитрат), окислы азота, окись и двуокись углерода, углеводороды, альдегиды, кетоны, фенолы, метанол и т. д. Эти вещества в меньших количествах всегда присутствуют в воздухе больших городов, в фотохимическом смоге их концентрация часто намного превышает предельно допустимые нормы.[ ...]
Углеводороды, диоксид серы, оксид азота, сероводород и другие газообразные вещества, попадая в атмосферу, относительно быстро из нее удаляются. Углеводороды удаляются из атмосферы за счет растворения в воде морей и океанов и последующих фотохимических и биологических процессов, происходящих при участии микроорганизмов в воде и почве. Диоксид серы и сероводород, окисляясь до сульфатов, осаждаются на поверхности земли. Обладая кислотными свойствами, они являются источниками коррозии различных сооружений из бетона и металла, разрушают также изделия из пластических масс, искусственных волокон, тканей, кожи и т. д. Значительное количество диоксида серы поглощается растительностью и растворяется в воде морей и океанов. Оксид углерода доокисляется до диоксида углерода, который интенсивно поглощается растительностью в процессе фотохимического синтеза. Оксиды азота удаляются за счет восстановительных и окислительных реакций (при сильной солнечной радиации и температурной инверсии они образуют опасные для, дыхания смоги).[ ...]
Иосино выделил четыре синоптических типа распределения давления, которые вызывают бору. Зимой она большей частью связана с циклоном над Средиземным морем или антициклоном над Европой. Летом циклонические системы бывают реже и антициклон может располагаться дальше к западу. При любой системе градиентный ветер должен быть от восточного до северо-восточного. Для развития и сохранения боры требуются одновременно подходящий градиент давления, застой холодного воздуха восточнее гор и его перетекание через горы, преобразующее потенциальную энергию в кинетическую . Бора лучше всего развивается там, где Динарские горы узкие и близко подходят к побережью, как, например, в Сплите. Это увеличивает температурный градиент между прибрежной и внутренней частями страны и усиливает эффект нисходящего ветра. Динарские горы имеют высоту более 1000 м, и низкие перевалы, такие, как перевал у Синя, также благоприятствуют местному усилению боры. В дни, когда есть бора, слой инверсии обычно расположен между 1500- 2000 м на наветренной стороне гор и на том же или более низком уровне на подветренной стороне .
С понятием “инверсия” у парапланеристов связанно очень много впечатлений и воспоминаний. Обычно об этом явлении говорят с сожалением, что-то типа “опять низкая инверсия не дала пролететь хороший маршрут” или “я уперся в инверсию и не смог набрать больше”. Давайте разберемся с этим явлением, с тем так ли оно плохо? И с обычными ошибками, которые допускают парапланеристы рассказывая об “инверсии”.
Итак обратимся для начала к Википедии:
Инверсия в метеорологии – означает аномальный характер изменения какого-либо параметра в атмосфере с увеличением высоты. Наиболее часто это относится к температурной инверсии , то есть к увеличению температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения.
Так что выходит, что говоря об “инверсии”, мы говорим именно о температурной инверсии. То есть об увеличении температуры с высотой в некотором слое воздуха. – Этот момент очень важно себе твердо уяснить, ведь говоря о состоянии атмосферы можно выделить что для нижней части атмосферы (до тропопаузы):
- Нормальное состояние – когда температура воздуха с увеличением высоты – уменьшается . Например средняя скорость падения температуры с высотой для стандартной атмосферы принята ИКАО в 6.49 град К на км.
- Не нормальное состояние остается постоянной (изотермия )
- Так же не нормальное состояние – когда температура с увеличением высоты увеличивается (инверсия температуры )
Наличие изотермии или настоящей инверсии в каком-то слое воздуха – означает что атмосферный градиент тут равен нулю или даже отрицателен, и это явно свидетельствует о СТАБИЛЬНОСТИ атмосферы ().
Свободно поднимающийся объем воздуха, попадая в такой слой очень быстро теряет свою разницу в температуре между ним и окружающей средой.(Воздух поднимаясь охлаждается по сухо- или влажноадиабатическому градиенту, а воздух окружающий его среды – не меняет температуру или даже нагревается. Та разница температур, что являлась причиной превышения силы Архимеда, над силой тяжести быстро нивелируется и движение прекращается).
Приведем пример, предположим у нас есть некий объем воздуха, который перегрелся у поверхности земли, относительно окружающего его воздуха, на 3 градуса K. Этот объем воздуха, отрываясь от земли порождает термический пузырь (термик). На начальном этапе его температура на 3 градуса выше, а следовательно плотность для того же объема, по сравнению с окружающем его воздухом – ниже. Следовательно сила Архимеда будет превышать силу тяжести, и воздух начнет двигаться вверх с ускорением (всплывать). Всплывая вверх, атмосферное давление будет все время падать, всплывающий объем будет расширяться, и расширяясь охлаждаться по сухоадиабатическому закону (перемешивание воздуха обычно пренебрегают на больших объемах).
Долго ли он будет всплывать? – зависит от того как быстро по высотам, охлаждается окружающая среда вокруг него. Если закон изменения охлаждения окружающей среды такой же как сухоадиабатический закон – то начальная “перегретость относительно окружающей среды” все время будет сохраняться, и наш всплывающий пузырь все время будет разгоняться (сила трения будет увеличиваться со скоростью, и при значимых скоростях её уже нельзя будет пренебрегать, ускорение будет – уменьшаться).
Но такие условия – крайне редки, чаще всего мы имеем атмосферный градиент в районе 6.5 – 9 град К на км. Возьмем для примера 8 град К на км.
Разница между атмосферным градиентом и сухоадиабатическим = 10-8=2 град К на км, тогда на высоте 1 км от поверхности, от начальной перегретости в 3 градуса, осталась только 1. (наш пузырь охладился на 9.8=10 градусов, а окружающий воздух на 8). Еще 500м подъема и температуры сравняются. То есть на высоте 1.5 км,температура пузыря и температура окружающего воздуха будут одинаковы, сила Архимеда и сила тяжести уравновесятся. Что произойдет с пузырем? Во всех парапланерных книгах, пишут – что он останется на этом уровне. Да, в конечном счете, теоретически, именно это и произойдет. Но по динамика процесса нам летающим – тоже важна.
Зависание пузыря на новом, равновесном уровне будет не сразу. И если бы, не было тех явлений, которыми пренебрегают описывая подъем пузыря (сила трения, перемешивание с окружающим воздухом, теплообмен с окружающим воздухом) он бы и не завис никогда:).
Вначале он “по инерции” проскочит выше, равновесного уровня (он же разгонялся все время что поднимался и имеет уже приличную скорость, а значит и запас кинетической энергии. Поднимаясь над этим уровнем (1.5 км), градиент будет работать уже в противоположную сторону, то есть наш объем воздуха будет охлаждаться быстрее чем окружающий, сила тяжести будет превышать силу Архимеда, и результирующая сила будет действовать уже вниз, тормозя (вместе с силой трения) его движение. На какой-то высоте, их действие полностью остановит наш пузырь и он начнет движение вниз. Если полностью пренебречь силой трения и считать что воздух не смешивается с окружающим и не обменивается энергией, то он бы колебался вверх вниз от 0 до 3000м. Но в реальности этого конечно не происходит. Сила трения, теплообмен и смешивание – присутствуют и колебания быстро затухают. Особенно быстро их ограничивают слои с разными градиентами.
Рассмотрим теперь тот же пример, только со слоем инверсии, градиентом в -5 град К на км (помним что в метеорологии градиент с обратным знаком), на высоте 750м толщиной в 300м.
Тогда за первые 750м наш пузырь потеряет 1.5 градуса перегретости (10-8=2 град К на км. 2*0,75 = 1,5 град) , поднимаясь дальше он продолжит охлаждаться на 1 град на каждые 100м, а начиная с высоты 750м, окружающий воздух только повышает свою температуру. Значит разница между градиентами. 10–5=15 град К на км, или 1.5 град на 100м. И через следующие 100м (на высоте 850 метров), пузырь по температуре сравняется с окружающей средой.
Значит слой инверсии с градиентом -5град К на км быстро остановил пузырь. (Так же быстро он погасит инерцию пузыря, в идеале через 200м, а по факту, с учетом трения, перемешивания и теплообмена – существенно раньше).
Мы видим, что слой инверсии ограничивает колебания пузыря (если мы пренебрегаем трением, перемешиванием и теплообменом) с диапазона 0-3000м, до диапазона 0- 1050м.
Так ли плоха инверсия? Если она на низкой высоте, и замедляет наши термики – это плохо. Если она на достаточно большой высоте и защищает от подъема воздуха в зоны нестабильности в которых происходит конденсация, и где влажноадиабатический градиент меньше чем атмосферный, то инверсия – это хорошо.
Из-за чего возникает инверсия температуры?
Ведь строго говоря, для термодинамического равновесия атмосферы до уровня тропопаузы – это не нормальное состояние.
Выделяют 2 вида инверcии по месту проявления:
- приземная (та которая начинает от поверхности земли)
- инверсия на высоте (какой-то слой на высоте)
И можно выделить 4 типа инверсии, по видам ее возникновения. со всеми из них мы можем легко столкнутся в повседневной жизни и на полетах:
- приземного радиационного выхолаживания
- инверсия подтекания
- инверсия адвективного переноса
- инверсия оседания
С приземной инверсией все просто, её еще называют инверсией радиационного выхолаживания или ночной инверсией. Поверхность земли, при ослаблении поступления тепла от солнца быстро охлаждается (в том числе и из-за инфракрасного излучения). Охлажденная поверхность охлаждает и прилегающий к ней слой воздуха. Так как воздух – плохо переносит тепло, то выше определенной высоты это охлаждение уже не чувствуется.
Приземная инверсия
Толщина слоя интенсивность его переохлаждения зависят от:
- длительности охлаждения, чем длиннее ночь тем больше выхолаживается поверхность и примыкающий к ней слой воздуха. Осенью и зимой приземные инверсии толще и имеют более выраженный градиент.
- скорости охлаждения, например если есть облачность, то часть инфракрасного излучения, с которым уходит тепло – отражается обратно на землю, и интенсивность охлаждения – заметно снижается (облачные ночи – теплые).
- теплоемкости подстилающей поверхности поверхности имеющие большую теплоемкость и накопившие тепло за день – дольше охлаждаются и меньше охлаждают воздух (например теплые водоемы).
- наличия ветра у земли, ветер перемешивает воздух и он интенсивнее охлаждается, слой (толщина) инверсии – заметно больше.
Инверсия подтекания – возникает когда холодный воздух стекает со склонов в долину, вытесняя более теплый воздух вверх. Воздух может стекать как с охлажденных склонов ночью, так и днем, например с ледников.
Инверсия подтекания
Инверсия адвективного переноса возникает при горизонтальном переносе воздуха. Например теплых воздушных масс на холодные поверхности. Или просто разных воздушных масс. Ярким примером – являются атмосферные фронты, на границе фронта будет наблюдаться инверсия. Другой пример, адвекция теплого (ночью) воздуха с водной поверхности на холодную сушу. Осенью такая адвекция часто визуализируется туманами. (их так и называют, адвективные туманы, когда влажный теплый воздух с воды переноситься на холодную сушу, или на более холодную воду и т.д.)
Возникает если внешние силы заставляют какой-то слой воздуха опускаться вниз. При опускании воздух будет сжиматься (так как атмосферное давление увеличивается) и адиабатически нагреваться, и может оказаться что нижележащие слои – имеют температуры ниже – возникнет инверсия. Этот процесс может происходить в разных условиях и масштабах, такая инверсия возникает например при оседании воздуха в антициклонах, при опускании воздуха в горно-долинной циркуляции, между облаком с осадками и окружающем воздухом рядом, или, например при фёне. Для ее возникновения нужно постоянное внешнее воздействие которое осуществляет перенос и опускание воздуха.
Вернемся теперь к мифам об инверсии.
Очень часто, парапланеристы говорят об инверсии там, где ее нет. Связанно это с тем, что мы привыкли любой слой который заметно тормозит и задерживает вертикальное перемещение воздуха называть инверсией хотя это – не так. Просто слой с маленьким градиентом, или изотермия – тоже быстро блокируют перемещение воздуха, но при этом не являются настоящей инверсией.
Второй момент возник благодаря тому, что в книгах, на иллюстрациях обычно для наглядности рисуют атмосферные градиенты или аэрологическую диаграмму в ПРЯМОУГОЛЬНЫХ СИСТЕМАХ КООРДИНАТ (АДП), где изотермы (линии постоянных температур) направлены снизу вверх перпендикулярно изобарам (или линиям одинаковой высоты). На таких рисунках инверсия, это любой участок кривой стратификации наклонённый ВПРАВО от вертикали снизу-вверх. Инверсия в таких координатах – легко видна.
Пример из книги Д. Пегана “Понять небо”.
На практике же, большинство пользуются , например с сайта meteo.paraplan.ru и тут уже, изотермы сами наклонены вправо, так что для того чтобы увидеть инверсию, нужно сравнить КРУТИЗНУ наклона кривой стратификации с изотермой! А сделать это на глазок при беглом просмотре – намного сложнее чем с диаграммной в АДП. Посмотрите на диаграмму внизу, у земли видна приземная небольшая инверсия. В слое 400м температура чуть выросла, (на высоте 600 метров она примерно на градус теплее чем у земли) градиент порядка -2.5 градуса К на км. А вверху, НЕ инверсия, а просто очень небольшой градиент, примерно +3.5 градусов К на км.
Инверсия и Не инверсия
Из-за того что не любой наклон вправо будет инверсия на АДК, пилоты часто употребляют это слово не там где надо, чем раздражают истинных метеорологов 🙂
В то же время расчетные, модельные аэрологические диаграммы могут не прогнозировать тонкие слои инверсии, так как усредняют температуру по слою, вместо того чтобы учесть 2 слоя, слой инверсии толщиной, например 100м с разницей температур на нижней и верхней границе в -1град, прилежащий слой в 900 метров с разницей температур +8 градусов. они просто нарисуют более толстый слой, 1 км – с о средним градиентом 7 градусов на этот километр. В то время как в реальности там будет несколько разных слоев.
Например как на приведенной ниже натурной диаграмме (АДП). На ней видно и приземной слой инверсии толщиной 200м + слой изотермии. И тонкий слой инверсии на высоте 2045м, и слой изотермии на высоте 3120м. Эти тонкие слои не рассчитываются модельно, но фактически – оказывают сильное влияние на термики.
Натурная АДП с шара- зонда
Резюме.
Не каждая часть кривой стратификации наклоненная вправо на АДК – является инверсией, будьте внимательны! Настоящую инверсию можно увидеть только на аэрологической диаграмме снятой по фактическим данным зондирования атмосферы. На “модельных” диаграммах, они могут быть не просчитаны, а лишь учтены в уменьшении градиента на каком-то слое. Однако в этом случае, об их существовании можно догадаться, если принимать во внимания возможные факторы возникновения инверсий.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
