Termodynamika vzduchu

Adiabatický děj Mezi daným termodynamickým systémem a a jeho okolím nedochází k výměně tepla (izolovaná soustava) Závěr: V průběhu adiabatického děje jsou změny vnitřní energie dU výlučně kompenzovány termodynamickou prací dW (tzn. konaná práce jde na úkor vnitřní energie)

Adiabatický děj Jinými slovy Částice vystupuje vzhůru z místa o vyšším tlaku do místa o nižším tlaku dW0 Za předpokladu, že nedochází k výměně tepla s okolím (dQ=0), teplota částice klesá T- T T P-p Tlakový rozdíl mezi částicí a okolím se vyrovná rozpínáním částice Při zvětšování objemu koná částice práci, čemuž spotřebovává teplo p

Adiabatický děj Většinu dějů v suchém i vlhkém vzduchu, spojených s vertikálními pohyby v atmosféře (pokud při nich nevypadávají srážky) můžeme přibližně považovat za adiabatické (např. termickou konvekci nebo frontální výstupy, při nichž nevypadávají srážky). V grafu děj popisuje křivka adiabáta: - suchá (v suchém vzduchu), - vlhká (ve vlhkém, ale nenasyceném vzduchu průběh suché a vlhké adiabáty se liší málo),  proto používáme v grafech suchou adiabátu), - nasycená ( v grafech příkřejší sklon).

Změny skupenství vody v atmosféře voda ve 3 skupenstvích: vodní pára, vodní kapičky, ledové krystalky; fázové změny: Plynná fáze kapalná fáze kondenzace vypařování Kapalná fáze tuhá fáze tuhnutí (mrznutí) tání Plynná fáze tuhá fáze depozice sublimace

Změny skupenství vody v atmosféře Latentní teplo teplo, které se spotřebovává či uvolňuje při změnách skupenství značný význam ve procesech v atmosféře několik čísel pro ilustraci: - 1 gram vody na 1 cm2 představuje vrstvička vody 1 cm vysoká, neboli 10 mm srážek. - k vypaření 1 g vody je třeba při teplotě 0°C 597cal. (1 cal ≈ 4,185 J) - k roztátí 1 g ledu je třeba 80cal. - na vypaření 1 g ledu je tedy třeba 80+597=677cal. (skupenské teplo výparné vody + skupenské teplo tání ledu) - pokud vodní pára kondenzuje, latentní teplo (oněch 597cal) se uvolňuje a ohřívá okolní vzduch

Změny skupenství vody v atmosféře Latentní teplo V průběhu právě zmíněných fázových přechodů vypařování, sublimace a tání je třeba danému termodynamickému systému kompenzovat spotřebované teplo, tzn. že uvedená latentní (skupenská) tepla jsou záporná (Lwv0, Liv0, Liw0). Při inverzních fázových přechodech páry na vodu, páry přímo v led a kapalné vody v led se stejná množství tepla uvolňují, tj.: Lvw0, Lvi0, Lwi0. Pro běžné praktické účely v meteorologii vystačujeme s hodnotami: Lvw = - Lwv = 2,500.106 J.kg-1, Lvi = - Liv = 2,834.106 J.kg-1. Lwi = - Liw = 0,334.106 J.kg-1.

Termodynamické diagramy

Termodynamické diagramy

Termodynamické diagramy

Stabilita v atmosféře Významný faktor ovlivňující vertikální přenos hybnosti, tepla, vodní páry apod. z T 1 2 3 4 1 instabilní zvrstvení 2 mírně stabilní zvrstvení 3 izotermie 4 teplotní inverze z0+d T´´ T´ T0 z0

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Stabilní zvrstvení (suchý vzduch) nenasycená částice vrací do původní rovnovážné (částice má nižší teplotu jako okolí ) polohy, přestane-li působit vnější síla, která ji z této polohy vychýlila křivka zvrstvení s vertikálním gradientem teploty 1 leží vpravo od suché adiabaty (1<d ) Plocha, vymezená na TD křivkou zvrstvení, suchou adiabátou a hladinou, do které částice vystoupila, určuje množství energie vynaložené na výstup částice do této hladiny (záporná plocha)

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Stabilní zvrstvení (suchý vzduch) 1<d

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Instabilní zvrstvení (suchý vzduch) nenasycená částice bude stoupat sama i nadále a to i přesto, přestane-li působit vnější síla (impuls), která částici vychýlila (částice má vyšší teplotu jako okolí ) křivka zvrstvení s vertikálním gradientem teploty 2 leží vlevo od suché adiabaty ( 2>d ) Plocha, vymezená na TD křivkou zvrstvení, suchou adiabátou a hladinou, do které částice vystoupila, určuje množství uvolněné energie při výstupu částice do této hladiny (kladná plocha)

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Instabilní zvrstvení (suchý vzduch)  2>d

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Indiferentní zvrstvení (suchý vzduch) nenasycená částice vychýlena ze své původní polohy, zůstává v hladině, do které byla vnější silou dopravena křivka zvrstvení je shodná se suchou adiabátou ( 3=d ) v TD se křivka zvrstvení a suchá adiabáta navzájem kryjí, teplotní rozdíl mezi částicí a okolím je ve všech hladinách nulový

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Indiferentní zvrstvení (suchý vzduch)  3=d

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Stabilní zvrstvení (nasycený vzduch) nasycená částice vrací do původní rovnovážné (částice má nižší teplotu jako okolí ) polohy, přestane-li působit vnější síla, která ji z této polohy vychýlila křivka zvrstvení leží vpravo od nasycené adiabáty, platí 4 < v

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Stabilní zvrstvení (nasycený vzduch) 4 < v

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Instabilní zvrstvení (nasycený vzduch) nasycená částice bude stoupat sama i nadále a to i přesto, přestane-li působit vnější síla (impuls), která částici vychýlila (částice má vyšší teplotu jako okolí ) křivka zvrstvení leží vlevo od nasycené adiabáty, platí 5> v

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Instabilní zvrstvení (nasycený vzduch) 5> v

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Indiferentní zvrstvení (nasycený vzduch) křivka zvrstvení a nasycená adiabáta se kryjí, platí 6 =v

Podmínky rovnováhy a vertikální pohyby Indiferentní zvrstvení (nasycený vzduch) 6 =v

Stabilita a instabilita Stoupající částice zpravidla je zprvu nenasycená a teprve po dosažení určité výšky vystupuje dále jako nasycená. Výstup bývá způsobený vnější silou, nebo se děje samovolně po udělení počátečního impulsu: Absolutní stabilita Absolutní instabilita Podmíněná instabilita

Stabilita a instabilita Absolutní stabilita Rozdíl mezi teplotou částice a teplotou jejího okolí je záporný suchá i nasycená adiabáta leží vlevo od křivky zvrstvení, Částice může vystupovat jedině působením vnější síly, přestane-li tato síla působit, vrátí se částice do původní polohy. Případ nastává při proudění stabilní vzduchové hmoty přes horský hřeben. Dojde-li při výstupu k nasycení, tvoří se na návětrné straně vrstevnatá oblačnost.

Stabilita a instabilita Absolutní stabilita

Stabilita a instabilita Absolutní instabilita Rozdíl mezi teplotou částice a teplotou jejího okolí je kladný. Nasycená i suchá adiabáta leží vpravo od křivky zvrstvení. Částice, která je vnější silou vychýlena ze své rovnovážné polohy bude ve všech hladinách teplejší než okolí a stoupá do výšky samovolně. Vzniká při silném ohřívání zemského povrchu slunečním zářením. Pohyb částice je zrychlený (rozdíl teplot se s výškou zvětšuje) zvláště nad KH, kde se uvolňováním latentního tepla při kondenzaci dodává vystupující částici nová energie. Vertikální pohyby vedou při dostatečné vlhkosti vzduchu k vývoji oblačnosti od Cu až k Cb.

Stabilita a instabilita Absolutní instabilita

Stabilita a instabilita Podmíněná instabilita Stav, kdy skutečný vertikální teplotní gradient leží mezi hodnotami suchoadiabatického a nasyceně adiabatického teplotního gradientu (tj. mezi cca 0,6 až 1,0°C/100m). Typická oblačnost, která se tvoří při podmíněné instabilitě, je vrstevnatá oblačnost, ze které místy do výšky vyrůstají věže Cu

Stabilita a instabilita Podmíněná instabilita

Stabilita a instabilita Podmíněná instabilita - reálně latentní typ

Stabilita a instabilita Podmíněná instabilita - pseudo-latentní typ

Stabilita a instabilita potenciální (konvekční) instabilita Instabilní zvrstvení vyvolané vynuceným výstupem původně stabilní vrstvy na návětrné straně hor, frontálních ploch. K vyhodnocování stability atmosféry slouží termodynamické diagramy – u nás Stüvegram

Vertikální pohyby Termická konvence Orografický výstup vzduch se tedy nad více ohřátými prostory otepluje a tím rozpíná, zvětšuje svůj objem, jeho hustota se zmenšuje, stává se lehčím než okolní vzduch a stoupá do výšky Orografický výstup je způsoben terénní překážkou, nejčastěji pohořím Na zadní straně překážky (ve směru proudění) pozorujeme sestupný proud vzduchu Frontální pohyb podobný orografickému (překážkou je zde klín studeného vzduchu v oblasti atmosférické fronty

Vertikální pohyby Konvergence v oblasti nízkého tlaku vzduchu vane vítr při zemi přes izobary do středu oblasti. Nahromadění vzduchu v nižších hladinách systému má za následek výstupný pohyb „přebytečného“ vzduchu. Tření mezi vzduchem a zemí tříští nejnižší část vzdušného proudu do série vírů - mechanická turbulence. vzniklé vertikální pohyby jsou omezeny na přízemní vrstvu atmosféry. Jejich vertikální rozsah závisí na charakteru zvrstvení atmosféry, charakteru zemského povrchu a rychlosti přízemního větru

Hodnocení stability atmosféry Indexy instability Faustův index Showalterův index Total-total index Slavinův index CAPE MOCON a další …

Hodnocení stability atmosféry Faustův index: Faustův index je založen na předpokladu neadiabatičnosti atmosférických procesů, zahrnuje v sobě vliv vypařování oblačných kapek do okolního nenasyceného vzduchu: kde: teplota nulového vypařování - TV, teplota v hladině 500 hPa - T500. Obecně platí: kladná hodnota iF  instabilita atmosféry záporná hodnota iF  stabilita tamosféry

Hodnocení stability atmosféry Faustův index:

Hodnocení stability atmosféry Showalterův index: Je dán rozdílem mezi skutečnou teplotou v hladině 500 hPa (T500) a teplotou (T/500), kterou dosáhne vzduchová částice po suchoadiabatickém výstupu z hladiny 850 hPa do kondenzační hladiny, a odtud po nasyceněadiabatickém výstupu do hladiny 500 hPa:

Hodnocení stability atmosféry Showalterův index:

Hodnocení stability atmosféry CAPE (Convective Available Potential Energy): Ukazatel CAPE počítá možnou energii, která se může v důsledku výstupu vzduchu do výšky uvolnit při tvorbě bouřkové oblačnosti (na 1 kg vzduchu). Výpočet CAPE spočívá ve výpočtu určitého integrálu reprezentujícího plochu, kterou vymezují křivka zvrstvení a stavová křivka na termodynamickém diagramu od výšky hladiny volné konvekce až do výšky, kde se opět teplota vystupující částice rovná okolnímu vzduchu. Proto se počítá jako určitý integrál podle následujícího vzorce:

Hodnocení stability atmosféry CAPE (Convective Available Potential Energy):