פיזיקה (תרמודינמיקה) של מזג אוויר: למה קר יותר במקומות גבוהים?
כולל חישוב מפל הטמפרטורה האדיאבטי והסבר על אי יציבות ודיאגרמת Skew-T
השרשור הזה עוסק באחת התופעות שהן הבסיס למטאורולוגיה כולה, ואני מקווה שאחרי הקריאה תהיו קרובים יותר להבנה של איך פועל מזג האוויר, והאקלים.
אל תירתעו, תמשיכו לקרוא גם אם אתם לא מבינים הכל.
עשיתי מאמץ להסביר במילים פשוטות כדי שגם מי שאין לו רקע, יוכל לדלות תובנות
עבור מי שלמד מדעי הטבע/הנדסה ולמרות זאת מתקשה להבין את המשוואות, או מבין אבל רוצה להרחיב את הידע שלו – יש פירוט בקישורים המצורפים:
נסתכל קודם על לחץ האוויר:
על כל שכבת אוויר דקה, פועל לחץ של השכבה שמתחתיה, ושל השכבה שמעליה.
ובנוסף, על השכבה פועל כח הגרביטציה.
כדי שהשכבה האמצעית תשאר במקומה, הלחץ שמופעל ע"י השכבה שמתחתיה חייב להיות גדול מלחץ השכבה שמעליה, וההפרש הוא משקל השכבה האמצעית. מאזן כוחות פשוט.
אם dp הוא הפרש הלחץ בין השכבה התחתונה לעליונה, אז אפשר לראות שמגיעים למשוואה בתמונה המצורפת.
המשוואה התחתונה נקראת המשוואה ההידרוסטטית. והמשמעות שלה היא שככל ששכבת אוויר היא נמוכה יותר, כך יש עליה משקל גדול יותר של כל שכבות האוויר שמעליה, ולכן לחץ האוויר בה הוא גדול יותר.
זו גם הסיבה שהאוויר דליל על הרים גבוהים.
בקנה מידה סינופטי (1000+ ק"מ), יכולים להיות הפרשי לחץ גדולים בין מקומות שונים, לרוב בגלל חימום לא אחיד של הקרקע ע"י השמש שיוצר סירקולציות אוויר. אבל עבור מקומות שהמרחק בינהם הוא עד ~10ק"מ, המשוו' ההידרוסטטית היא בד"כ קירוב טוב של המציאות.
נניח שיש לנו חבילת אוויר שנמצאת בתוך בלון. אבל בלון מחומר קסום 😄, שמצאתי במרתפים של הפקולטה לפיזיקה - אין לבלון משקל, לא צריך להפעיל כח כדי למתוח אותו, והוא מבודד חום מושלם.
אם האוויר בבלון חם מהסביבה, אז גם הצפיפות שלו תהיה קטנה מהסביבה (חוק הגזים), והוא יתחיל לצוף כלפי מעלה.
כשחבילת האוויר בבלון עולה, אז לחץ האוויר סביבה יורד, ולכן בגלל חוק הגזים, הנפח שלה גדל, והטמפ' שלה יורדת
אין מעבר חום לסביבה, אבל מבוצעת עבודה ע"י החבילה על הסביבה כדי להתפשט - תהליך אדיאבטי הפיך.
הבלון הוא קירוב סביר למציאות, כי גם במציאות יש מעט מאוד הולכת חום בין גושי אוויר.
ירידת הטמפ' הזו עם הגובה נקראת "מפל הטמפרטורה האדיאבטי היבש", וגודלה הוא 9.8°C לק"מ בערך עבור אוויר יבש.
אלא שבניגוד ללחץ האוויר, שמשתנה עם הגובה עפ"י המשוואה ההידרוסטטית, טמפרטורת הסביבה לא תמיד משתנה עם הגובה בקצב המפל האדיאבטי. למה?
למשל כי אל הרום הגבוה זורם אוויר קר מקווי רוחב צפוניים אל מעל הים, בזמן שהים והאוויר קרוב לים חמים בהרבה. כמו שקורה בזמן סערות בחורף.
או למשל, כמו בתמונה המצורפת ממרילנד,זרם אוויר קריר ולח זרם קרוב לקרקע מהים אל החוף (בריזה),בזמן שבשכבת אוויר גבוהה יותר האוויר נשאר חם (אינברסיה)
[למתקדמים].
(מי שאין לו רקע מספיק שידלג על החלק למתקדמים)
חישוב גודל מפל הטמפ' האדיאבטי:
למי ששכח תרמודינמיקה:
משוואה 13 היא רק החוק הראשון של התרמו' U=Q-W
מהגדרת הטמפ': Q=Tds
נפח סגולי מסומן ב α
ו h – זו האנתלפיה
אנחנו מחשבים עבור תהליך אדיאבטי הפיך, לכן dq=Tds=0
[למתקדמים]
והשוויון הימני במשוו' הוא רק חוק הגזים.
רואים למה האנתלפיה היא שימושית במטאורולוגיה? היא מאפשרת לחשב בקלות את הקשר בין הטמפ' ללחץ עבור תהליך אדיאבטי בלי להתעסק עם אנתרופיה. כשמנתחים תצפיות רום (בלון מטאורלוגי), אז משרטטים את העקומות שמקשרות בין הטמפ' ללחץ על דיאגרמה
[למתקדמים]
העקומות האלה נקראות גם "אדיאבטים". משרטטים על הדיאגרמה גם את מדידות הטמפ'/לחץ בכל גובה שמדד הבלון, משווים לאדיאבטים – ויודעים האם חבילת אוויר שמתחילה לעלות מגובה מסוים תוכל להמשיך לעלות, תואץ עקב כח ציפה, או תתקע תחת אינברסיה.
[למתקדמים אחרון]
בתמונה בציוץ הקודם, אדיאבט לח הוא אוויר ברוויה שמתחמם עקב שחרור חום כמוס בהתעבות מים (~5°C לק"מ קרוב לקרקע)
כדי להשלים את ההחישוב עבור מפל יבש, רק נציב ב (26) את המשוואה ההידרוסטטית:
dp/dz=-row*g = g/α
ונקבל:
dT/dz=-g/cp = 9.8 Kelvin/km
* לקהל הרחב *
כשחבילת אוויר (לא רווי במים) עולה מהקרקע כלפי מעלה, היא מתקררת בקצב המפל האדיאבטי (9.8°C לק"מ). אבל אם טמפרטורת הסביבה מתקררת מהר אפילו יותר (superadiabatic rate), למשל בגלל חדירת אוויר קר מרוסיה לאזורנו בשכבות הגבוהות, אז החבילה שלנו תמשיך להיות חמה מהסביבה שלה,
ולכן גם תהיה צפופה פחות מהסביבה שלה, יפעל עליה כח ציפה והיא להמשיך לעלות. זה נקרא "מזג אוויר לא יציב", ואם אותה חבילה עולה הכילה מספיק לחות, אז עם העליה בגובה, הלחות הזו יכולה להתעבות לענן ולפעמים להמטיר.
לעומת זאת, אם טמפרטורת הסביבה מתקררת לאט מ 9.8°C לק"מ (subadiabatic), או
אפילו מתחממת עם העליה בגובה (inversion), אז חבילת האוויר העולה שהתקררה מהר יותר מהסביבה שלה, תגיע למצב שבו סביבת האוויר מעליה צפופה פחות וקלה יותר, ולכן החבילה תפסיק לעלות/לצוף ולא יתפתחו עננים. זה נקרא "מזג אוויר יציב", וזו גם הסיבה שכמעט ואין גשם בישראל בקיץ.
לסיכום:
-ככל ששכבת האוויר נמוכה יותר, כך לחץ האוויר בה גדול יותר, בגלל משקל כל שכבות האוויר שמעליה.
-כשאוויר עולה הוא מתפשט ומתקרר, ולכן בד"כ במקומות גבוהים קר יותר.
-כדי לחזות מטאורולוגים מסתכלים איך בדיוק טמפ' הסביבה משתנה עם הגובה יחסית למפל הטמפ' האדיאבטי
(התמונה מויקיפדיה)
Share this Scrolly Tale with your friends.
A Scrolly Tale is a new way to read Twitter threads with a more visually immersive experience.
Discover more beautiful Scrolly Tales like this.