ADIABATICKÉ PROCESY V ATMOSFÉŘE
Základem adiabatického děje je předpoklad, že v důsledku platnosti stavové rovnice se teplota může měnit v závislosti na změně tlaku a hustoty, a to bez závislosti předávání energie mezi vzduchovou částicí a prostředím. V atmosféře se podmínky pro fungování adiabatických procesů odehrávají tehdy, předpokládáme-li, že vzduchové částice jsou z určitých důvodů donuceny k vzestupu či poklesu. V reálu tento jev nastane při působení termické konvekce (vzduchové valounky), při pohybech na frontálním rozhraní mezi studeným a teplým vzduchem (teplá fronta je charakterizována jako nakloněné rozhraní) nebo když vzduchové částice překonávají hradbu hor. Probíhají-li ji tyto procesy dostatečně rychle, tak se již adiabatickým nerovnají, mohou se jim pouze blížit.
Poznámky: Jestliže se částice přesune vzhůru, tj. do oblasti s nižším tlakem, rozepne se a její teplota klesne. Naopak klesne-li částice, tj. dostane se oblasti s vyšším tlakem, smrští se a zvýší se její teplota.
Intenzita adiabatického ochlazení je mnohem vyšší než intenzita ochlazování při změně tlaku s výškou.
Při adiabatických procesech existuje rozdíl mezi vzduchem, který nemá nasycené vodní páry, a vzduchem s nasycenými vodními parami. Ve vzduchu, který nemá nasycené vodní páry, nedochází k fázovým přeměnám a hovoříme o suchoadiabatickém procesu. Jestliže však dochází k pohybu vzduchu, který má nasycené vodní páry, hovoříme o vlhkoadiabatickém procesu.
Pro suchoadiabatické procesy platí podmínky charakterizované stavovou rovnicí plynů. Změny u suchoadiabatických procesů vyjadřuje Poissonova rovnice
T2/T1 = (p2/p1)AR/CP ,
kde A je termický ekvivalent práce, R plynová konstanta, CP specifické teplo při stálém tlaku. Celý exponent se rovná 0,288. Výsledkem rovnice je, že změna teploty na 100 m výšky je u suchoadiabatického procesu konstantní. Tuto změnu popisujeme suchoadiabatickým gradientem g = 0,976 °C (či K) * * 100 m-1. V praxi g zaokrouhlujeme na celý stupeň.
Vlhkoadiabatické procesy se odehrávají v podmínkách, kdy jsou vodní páry nasycené. Při výstupných pohybech vlhkého vzduchu, dochází ke kondenzaci vodní páry a uvolňuje se velké množství skupenského tepla. Skupenské teplo je spojené s přechodem mezi plynným a kapalným skupenstvím, resp. mezi plynným a pevným. Pro vznik 1 kg vody procesem kondenzace se musí uvolnit energie 2 550 J pro přechod plyn - kapalina, resp. 2 870 J v případě desublimace. Částice, která se při výstupu ochlazuje adiabaticky s procesem kondenzace či desublimace, se ochlazuje pomaleji než suchý vzduch.
Vlhkoadiabatický gradient g’ £ g . Při – 40 °C se g’ skoro rovná g, avšak se vzrůstající teplotou se g vzdaluje.
Pro matematické úlohy je střední hodnota obou adiabatických gradientů rovna 0,65 °C * 100 m-1.
Adiabatické procesy jsou pro vzduch vratné, pokud nenastaly srážky. Při horkých dnech vlivem termické konvekce vzniknou bouřková oblaka a dojde ke srážkám. Vzduch, který se pak vrátí k zemskému povrchu má jinou teplotu.
Pokud vzduch přetéká horské překážky, tak jeho vlastnosti v místě výstupu a místě poklesu nejsou shodné. V takových případech hovoříme o pseudoadiabatickém procesu.
Poznámka: Důsledky pseudoadiabatických efektů jsou patrné i v České republice, a to např. v pásmu mezi Horažďovicemi a Českými Budějovicemi, v Poohří či v severním podhůří Jeseníku. Teplota těchto oblastí je o 1 °C vyšší než v místech, kde přechod vzduchu přes překážky není příznivý (resp. pseudoadiabatické procesy nejsou příznivé).
V souvislosti s adiabatickými procesy užívají meteorologové pojem potenciální teplota vzduchu. Tu lze vyjádřit vzorcem
Q = T0 + gz ,
kde z je stometrový rozdíl výšky. Potenciální teplota Q označuje teplotu, jakou by měla částice suchého vzduchu, kdybychom ji adiabaticky přivedli do tlakové hladiny 1 000 hPa. Pomocí Q můžeme porovnávat energetické potenciály různých vzduchových hmot v různých výškách.
Poznámka: V meteorologických grafech se objevuje linie adiabata, která udává změnu teploty odpovídající příslušnému adiabatickému procesu ochlazování.
Adiabatické procesy mají vliv na vznik a vývoj kupovité oblačnosti, dalším jejich významem je předávání tepla mezi zemským povrchem a atmosférou.
Z hlediska stavu okamžitých jevů v atmosféře, které charakterizujeme pomocí g, g’ můžeme vyvodit závěry týkající se stability či lability atmosféry. V zásadě vycházíme z porovnání 3 gradientů, a to G, g, g’. Z hlediska různých vzduchových hmot se nám mění G, avšak oba adiabatické gradienty jsou stálé. Nechť platí že:
· G > g ³ g’, tj. vertikální teplotní gradient je nadadiabatický
Na počátku výstupu má částice stejnou teplotu jako okolní atmosféra, avšak při výstupu je k okolní atmosféře teplejší. Sestupující částice je naopak těžší než okolní atmosféra.
Takový stav zveme absolutní labilita atmosféry. Z hlediska znečištění ovzduší jsou tyto situace charakterizovány příznivými hodnotami. Labilita je charakteristická pro jaro a léto.
· g ³ g’ > G
Stoupající částice je při výstupu chladnější než okolní vzduch. Naopak klesající částice je v porovnání s okolní atmosférou teplejší.
Teplota v okolní atmosféře s výškou ubývá pomaleji, než je suchoadiabatické či vlhkoadiabatické ochlazování stoupajícího vzduchu. Směrem vertikálním se teplota vzduchu nemění nebo dokonce stoupá. V takových případech hovoříme o absolutní stabilitě atmosféry. Krajními případy tohoto stavu jsou teplotní inverze, kdy teplota atmosféry s výškou roste, nebo izotermie, kdy teplota atmosféry se s výškou nemění.
Při stabilitě atmosféry se oblačnost nevyvíjí a při zemi se vytváří zvrstvená nízká oblačnost. Jak se vzduch nepromíchává, je stabilita charakterizována zvýšeným znečištěním vzduchu.
· g > G > g’
Takovéto zvrstvení atmosféry je stabilní pro suchý (nenasycený) vzduch a labilní pro vlhký (nasycený) vzduch. Jedná se o tzv. vlhkolabilní zvrstvení, které je středním stavem a je nejčastější. Vlhkolabilní zvrstvení je typické pro atmosférické vrstvy, kde se tvoří oblaky. Z hlediska znečištění hovoříme o zhoršených podmínkách.
· G = g, resp. G = g’
Zvláštní typy vlhkolabilního zvrstvení. Jde o stavy neurčitého (indiferentního) zvrstvení. Vzduch se pohybuje pouze tehdy, když má příčinu.