הדפסה יציבות האטמוספירה

כאשר אנחנו רוצים להטיס מטוס, חשוב מאוד לדעת האם האוויר יציב ורגוע או שיש בו זרמים שיגרמו לנו לטיסה מטולטלת. השאלה האם האטמופירה יציבה או לא יציבה, בהקשר המטאורולוגי, נבחנת על פי מדד מעשי מאוד. כדי להחליט אם האטמוספירה יציבה אנו בודקים מה קורה לחלקיק אוויר אשר מקבל "דחיפה" כלפי מעלה או כלפי מטה. האם הוא ימשיך את התנועה כלפי מעלה או מטה, או האם הוא יתאזן ויישאר בגובה ההתחלתי שלו או סמוך אליו. כאשר האטמוספירה מאיצה את הדחיפה הראשונית וגורמת לאותו חלקיק להמשיך ולצבור תנופה כלפי מעלה או מטה, האטמוספירה מוגדרת כבלתי יציבה ולהיפך.

 

גם בלי להיות חזאים מדופלמים אפשר להבין באופן אינטואיטיבי, שכאשר יש זרמים אנכיים כלפי מעלה או מטה, האטמוספירה גועשת ומייצרת תנועות ולכן נחשבת לא יציבה. לעומת זאת, כאשר יש כוחות הבולמים תנועות כאלה, והאטמוספירה מתנהגת בצורה "רגועה" יותר, אפשר לראות בכך מצב של אטמוספירה יציבה. אבל, צריך לשים לב שאנחנו מדברים רק על תנועה אנכית של גושי אוויר ולא על תנועה אופקית. רוח למשל היא תנועה אופקית של אוויר, והיא לא מפריעה לנו לראות אטמוספירה כיציבה. הסיבה לכך היא שרוח לכשעצמה לא גורמת למשקעים, ואילו תנועה אנכית של אוויר יכולה ליצור בסופו של דבר תהליך של הווצרות עננים שבסופו של דבר יולידו משקעים.

מה אם כן גורם לאטמוספירה ליצור זרם אנכי כלפי מעלה או מטה?

כדי לענות על שאלה זו אנו צריכים להכיר מושג בסיסי שנקרא "שינוי אדיאבטי" של האטמוספירה, או יותר נכון "קצב השינוי האדיאבטי של האטמוספירה".

"שינוי אדיאבטי" מוגדר מבחינה מדעית, כשנוי שמתבצע בחלקיק של חומר, ללא כניסה או יציאה של חום. כלומר שינוי המתבצע בתוך מעין "מערכת סגורה" שלא מאפשרת כניסה או יציאה של חום. אם לדוגמא אנחנו מדברים על חלקיק אוויר שדוחסים אותו והוא מתחמם כתוצאה מהדחיסה, אנחנו מצפים שהוא לא יפלוט את החום לסביבה כדי שהשינוי ייחשב "אדיאבטי". כנ"ל אם החלקיק מתפשט ולכן מתקרר. כמובן שהמשפטים הקודמים היו בהכללה ואינם מדוייקים מכיון שאם יש שינוי טמפרטורה של חלקיק האוויר ברור שהחום אינו נמצא בתוך החלקיק - ואם כך היכן הוא? מבלי להכנס כרגע לפרטים נציין שלחום יש אפשרות להישאר בגוש האוויר בצורה של "חום כמוס". לצורך הבנת האספקטים התעופתיים של התופעה אין צורך להכנס להסבר הפיסיקלי של התופעה.

בהקשר התעופתי, כאשר אנחנו מדברים על שינוי אדיאבטי של טמפרטורת גוש אוויר, אנחנו מתכוונים שהטמפרטורה של גוש האוויר עולה/יורדת עם שינויי הגובה, מבלי שהגוש מקבל או נותן חום לסביבה, אלא החום משפיע על הגוש עצמו בלבד (תוך שהגוש עולה או יורד בגובה).

באופן כללי ישנם שלושה סוגים של שינויים אדיאבטיים באטמוספירה, אבל כדי להבין אותם צריך להגדיר קודם כל מושג בסיסי נוסף הנקרא "קצב שינוי הטמפרטורה".

באופן כללי, כאשר חלקיק אוויר עולה בגובה, כלומר איכשהו מגיע מגובה נמוך לגובה גבוה, הוא יתפשט, כי הלחץ בגובה גבוה נמוך יותר מהלחץ בקרבת הקרקע. אם איכשהו נגרום לחלקיק קרקע לרדת לגובה נמוך יותר, הוא יתכווץ/יידחס ולכן יתחמם.

כבר הזכרתי, במאמר "האטמוספירה הסטנדרטית", שיש שינוי ממוצע של 2 מעלות צלזיוס (למעשה 1.98) לכל 1,000 רגל בגובה (או בשיטה המטרית 6.5 מעלות צלזיוס לכל קילומטר בגובה). כלומר, אם נמדוד את הטמפרטורה של האוויר בגובה 1,000 רגל ונמצא שהיא 13 מעלות צלזיוס, הרי שבגובה 2,000 רגל, בתנאים של אטמוספירה סטנדרטית ובאופן ממוצע אנחנו מצפים לראות טמפרטורה של 11 מעלות צלזיוס. לתופעה זו, אנו קוראים "קצב שינוי טמפרטורה אדיאבטי סביבתי".

ישנו הבדל בין קצב השינוי האדיאבטי במצב שבו האוויר לח או יותר נכון רווי בלחות, לבין מצב שבו האוויר יבש (אין הכוונה דווקא לאוויר שהוא 100% יבש, אלא שהוא אינו רווי בלחות).

במצב שהאוויר יבש, קצב שנוי הטמפרטורה האדיאבטי הוא הגבוה ביותר, והוא בערך, ובאופן ממוצע בלבד, כ- 3 מעלות צלזיוס לכל 1,000 רגל. למצב זה אנחנו קוראים "קצב אדיאבטי יבש" או "קצב שינוי אדיאבטי של טמפרטורה באוויר יבש".

כאשר האוויר רווי בלחות או אדי מים, קצב שינוי הטמפרטורה הוא הנמוך ביותר והוא 1.5 מעלות צלזיוס לכל 1,000 רגל (גם כאן מדובר על קצב ממוצע ועל "בערך"). למצב זה אנחנו קוראים "קצב אדיאבטי רווי" או "קצב שינוי אדיאבטי של טמפרטורה באוויר רווי".

אחרי שלמדנו את מושגי היסוד, נחזור לרגע להגדרה של "אטמוספירה יציבה". הפיסיקאים מגדירים אטמוספירה יציבה באופן מוחלט, כמצב שבו "הקצב האדיאבטי הסביבתי של שינוי הטמפרטורה יהיה נמוך יותר מקצב אדיאבטי רווי. כלומר כאשר קצב שינוי הטמפרטורה של גוש אוויר יהיה נמוך יותר מ-1.5 מעלות צלזיוס לכל 1,000 רגל של שינוי גובה.

הסיבה לכך שהאטמוספירה תהפוך להיות יציבה באופן מוחלט דווקא בתחום שהגדרנו בפיסקה הקודמת היא, שקצב השנוי הנמוך ידכא כל תנועה אנכית של גוש האוויר. כיון שלא תהיה תנועה אנכית, האטמוספירה תיחשב כ"יציבה".

זאת אומרת שכדי שתיווצר תנועה אנכית של גושי אוויר שבסופו של דבר תוליד עננים שאולי יגרמו למשקעים, צריך לפחות קצב שנוי אדיאבטי של מעל 1.5 מעלות צלזיוס לכל 1,000 רגל. למעשה בדרך כלל יהיה צורך בקצב של יותר מ-3 מעלות, והתחום שבין 1.5 לבין 3 הוא תחום הדורש קיומם של תנאים נוספים, שלא ניכנס אליהם במאמר זה.

 

 

spacer.png, 0 kB