5.3. A légkör instabilitása

A horizontális áramlások mellett a Föld-légkör rendszer energiaháztartása szempontjából a függőleges irányú légmozgások is kiemelkedő fontosságúak. A vertikális mozgásokat a nehézségi erő, a nyomási gradiens erő, valamint ez utóbbiból származtatható felhajtó erő határozza meg.

Az 5.1 alfejezetben már láttuk (lásd 5.11. egyenlet), hogy a felfelé irányuló gyorsulást a vizsgált légrészecske és a környezet hőmérséklet-különbsége határozza meg. Ha az elemi légrészecske hőmérséklete magasabb, mint a környező levegő hőmérséklete, akkor a légrészecske felfelé fog mozogni, s a levegőt instabilnak mondjuk. Általános értelemben instabil (labilis) az adott légtér, ha egy kiválasztott részecskéjét eredeti magasságából kitérítünk, s az folytatja mozgását a kitérítés irányába. Stabil légtérben viszont a kimozdított légrészecske visszatér az eredeti magasságába. A kétféle egyensúlyi helyzetet (stabil, instabil) szemlélteti az 5.16. és 5.17. ábra.

 

Stabil egyensúlyi helyzet

5.16. ábra: Stabil egyensúlyi helyzet

 

Instabil egyensúlyi helyzet

5.17. ábra: Instabil egyensúlyi helyzet

Az előző fejezetben láttuk, hogy egy adiabatikusan felfelé emelkedő levegőrészecske hőmérséklete 100 méterenként csaknem 1 °C-kal csökken egészen addig, amíg a vízgőztartalom nem éri el a telítési értéket. A száraz levegőre jellemző adiabatikus hőmérsékleti gradiens állandó, pontos értéke –0,975 °C/ 100 m. Amennyiben az emelkedés során a levegő vízgőztartalma meghaladja a 100%-os telítettséget, a vízgőz kondenzálódni fog. A kondenzáció során felszabaduló hő melegíti a légrészecskét, s ezért hőmérséklete lassabban fog csökkenni. Ezt a hőmérséklet-változást nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiensnek nevezzük, amely nem adható meg egyetlen számértékkel, mivel nagyságát a hőmérséklet és a légnyomás egyaránt befolyásolja.

 

A száraz és a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiensek alakulása a hőmérséklet és a légnyomás függvényében

5.18. ábra: A száraz és a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiensek alakulása a hőmérséklet és a légnyomás függvényében

A száraz adiabatikus hőmérsékleti gradienst és a nedves adiabatikus gradienseket hasonlítjuk össze az 5.18. ábrán. Látható, hogy alacsony hőmérsékleteken nincs jelentős különbség köztük, míg a meleg és nedves levegő vertikális hőmérsékleti gradiense abszolút értékben sokkal kisebb, mint a száraz levegőé. A felszín közelében a nedves adiabatikus gradiens közel –0,45 °C/100 m, s csak nagyobb magasságokban – ahol a telítési vízgőztartalom már nagyon alacsony – közelíti meg a –0,9 °C/100 m-t.

Adott légoszlop stabilitását úgy határozzuk meg, ha összevetjük az aktuális függőleges menti hőmérsékleti gradienst a száraz adiabatikus hőmérsékleti gradienssel, valamint a nedves adiabatikus gradienssel (5.19. ábra). Amennyiben a földfelszíntől felfelé haladva a hőmérséklet erősebben csökken, mint száraz adiabatikus esetben, akkor a vizsgált légoszlop abszolút instabil. Ha viszont a nedves adiabatikusnál is kisebb mértékben csökken, vagy esetleg növekszik a léghőmérséklet a troposzférában (pl. inverziós időjárási helyzetben), akkor a légkör abszolút stabil. Végül abban az esetben, ha ezen két feltétel egyike sem teljesül, feltételes instabilitásról beszélhetünk. Ekkor a stabilitás vagy instabilitás attól függ, hogy az adott légtömeg telítetlen vagy telített-e. Vagyis ha egy telítetlen légrész valamilyen okból olyan magasságba kerül, ahol telítetté válik, akkor instabil lesz. Tekintettel a troposzféra átlagos vertikális hőmérsékleti gradiensére – mely –0,65 °C/100 m nagyságú, vagyis ha függőlegesen felfelé tartunk, akkor 100 méterenként átlagosan 0,65 °C-kal csökken a levegő hőmérséklete – a földi légkör legtöbbször feltételesen instabil állapotú.

 

Adott légoszlop stabilitásának meghatározása a száraz és a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiensek segítségével

5.19. ábra: Adott légoszlop stabilitásának meghatározása a száraz és a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiensek segítségével

A légkörben lezajló komplex folyamatok hatására az is előfordulhat, hogy egy kezdetben rendkívül stabil légelem a magasba emelkedve abszolút instabillá válik. Ez abban az esetben lép fel, amikor egy olyan stabil légrész emelkedik fel, amelynek az alja vízgőzzel telített, a teteje viszont száraz. Az instabilitásnak ez a fajtája (az ún. konvektív instabilitás) felelős az erős, heves zivatarok, s a tornádók kialakulásáért, melyekről a későbbi fejezetekben még lesz szó.