הבדלים בין גרסאות בדף "מפל הטמפרטורה באטמוספירה"

אין תקציר עריכה
ב[[מדעי האטמוספירה]], '''מפל טמפרטורה''' הוא מונח המתאר את רמת ירידת ה[[טמפרטורה]] עם עלייה בגובהב[[גובה]]. בדרך כלל הכוונה היא ל[[אטמוספירת כדור הארץ]], אך ניתן לעשות שימוש במונח דומה בכל כדור [[גז]] [[גרביטציה|גרביטציוני]]. באנגלית, נפוץ המונח "שיעור דעיכה" (lapse rate), שמוגדר כרמת הדעיכה של משתנה אטמוספרי ([[לחץ אטמוספירי]], למשל) מסוים עם העלייה בגובה. אם כי לרוב, וכשלא מצוין אחרת, המשתנה הוא טמפרטורה<ref name=":0">{{cite book|author=Mark Zachary Jacobson|title=Fundamentals of Atmospheric Modeling|publisher=Cambridge University Press|edition=2nd|year=2005|isbn=0-521-83970-X}}</ref><ref name=":1">{{cite book|author=C. Donald Ahrens|title=Meteorology Today|publisher=Brooks/Cole Publishing|edition=8th|year=2006|isbn=0-495-01162-2}}</ref>.
 
האטמוספירה מתחממת ממגע עם [[קרקע]] כדור הארץ באמצעות [[הולכה]], ולכן, בחלקה התחתון של האטמוספירה, עד גובה של כ-12 [[ק"מ]], הטמפרטורה יורדת עם הגובה, באורח אחיד פחות או יותר - עם ההתרחקות ממקור הולכה. מפל הטמפרטורה באטמוספירה משתנה ממקום למקום, אולם בתנאים אטמוספריים נורמליים, מפל הטמפרטורה הממוצע הוא ירידה של 6.4°C לק"מ. מפל הטמפרטורה המדיד מושפע מה[[לחות]] באוויר. מפל טמפרטורה יבש עומד על ירידה של 10°C לק"מ, ונעשה בו שימוש לחישוב השינוי בטמפרטורה באוויר עם [[לחות יחסית]] של פחות מ-100%. מפל טמפרטורה לח עומד על ירידה של 5.5°C לק"מ, ונעשה בו שימוש לחישוב השינוי בטמפרטורה של אוויר רווי, כלומר בלחותב[[לחות יחסית]] של 100%. המפל בפועל לרוב אינו בדיוק על פי שני מדדים אלה, אך הם מהווים מדד שחוזה באופן מדויק מספיק את שינויי הטמפרטורה הכרוכים בתנועת האוויר כלפי מעלה ומטה. מפל הטמפרטורה האטמוספרי, יחד עם עיקרון ההתקררות וההתחממות האדיאבטית של האוויר, הקשור בדחיסת האוויר והתרחבותו, מהווה מודל אחיד המסביר את התקררות האוויר הנע מעלה, והתחממות האוויר היורד מטה.
 
==הגדרה מתמטית==
 
==הקשר ליציבות האוויר==
ניתן להסביר את [[יציבות האוויר]] במונחי מפל טמפרטורה. האטמוספירה נחשבת לא יציבה על תנאי כאשר מפל הטמפרטורה של הסביבה קטן ממפל הטמפרטורה האדיאבטי היבש, אך גדול ממפל הטמפרטורה האדיאבטי הלח. המפל של הסביבה אינו חייב להיות אדיאבטי לח או רטוב, מסיבות שונות - ערבוליות באטמוספירה או זרימת אוויר למשל. אולם, חבילת אוויר שעולה מעלה מתקררת אדיאבטית, מעצם הגדרתה ככזו, אינה מחליפה חום עם הסביבה. ייתכן מצב, שחבילת אוויר יבשה עולה בגובה ומתקררת לפי המפל האדיאבטי היבש, וממשיכה לעלות כל עוד הטמפרטורה שלה גבוה ביחס לסביבתה. מצב זה נחשב לא יציב, כיוון שהוא מעודד [[קונבקציה]] - זרימת אוויר כלפי מעלה. בשלב מסוים, עם ירידת הטמפרטורה והגעה לנקודתל[[נקודת הטל]], תתרחש [[התעבות]], וההתקררות תיעשה לפי המפל האדיאבטי הלח - פעמים רבות זהו המישור התחתון של [[ענן]]. גם במקרה זה, כל עוד הטמפרטורה של חבילת האוויר גבוהה מהטמפרטורה של הסביבה תהיה קונבקציה, אך בשלב מסוים הטמפרטורה תשתווה עם זו של הסביבה, והעלייה תיעצר - פעמים רבות זהו המישור העליון של ענן.
 
אי יציבות מוחלטת תהא כאשר המפל האדיאבטי היבש קטן יותר ממפל הסביבה, וחבילת האוויר ממשיכה לעלות עד שמגיעה לאזור שווה טמפרטורה. במצב של יציבות מוחלטת, המפל האדיאבטי הלח גדול ממפל הסביבה, אוויר מתקרר מהר יותר מהסביבה, וחוזר למקומו המקורי.
==סוגי מפלי טמפרטורה==
קיימים שני סוגים של מפל טמפרטורה:
* '''מפל הסביבה''' - מתאר את שינוי הטמפרטורה הריאלי באטמוספרהבאטמוספירה עם הגובה, גרדיאנט הטמפרטורה.
* '''מפל הטמפרטורה האדיאבטי''' - מתאר את שינוי הטמפרטורה של חבילת אוויר עולה או יורדת, ללא חילוף חום עם הסביבה. השינוי בטמפרטורה בתוך חבילת האוויר משקף את היחס בין [[אנרגיה פוטנציאלית|האנרגיה הפוטנציאלית]] ובין [[אנרגיה קינטית|האנרגיה הקינטית]] של [[מולקולה|מולקולות]] הגז המרכיבות את האוויר בחבילה. ישנם שני מפלים אדיאבטיים:
** מפל טמפרטורה אדיאבטי יבש
** מפל טמפרטורה אדיאבטי לח (רווי)
 
===מפל הסביבה===
מפל הטמפרטורה של הסביבה (ELR - environmental lapse rate) מבטא את שינוי הטמפרטורה של האטמוספירה עם הגובה בזמן ובמקום נתונים. [[הארגון הבינלאומי לתעופה אזרחית]] מגדיר סטנדרט אטמוספירה בינלאומי (international standart atmosphere - ISA) של מפל טמפרטורה סביבתי בשיעור 6.49°C ל-1000 מטרים עד גובה של 11 ק"מ. מ-11 ק"מ עד 20 ק"מ, הטמפרטורה קבועה פחות או יותר ועומדת על 56.5°C. סטנדרט אטמוספירי זה אינו מתייחס ללחות. בפועל, מפל הטמפרטורה אינו תמיד עקבי ויורד עם הגובה. למשל, עשויה להיות שכבת [[אינוורסיה (מטאורולוגיה)|אינוורסיה]], שבה הטמפרטורה עולה עם הגובה.
=== מפל טמפרטורה אדיאבטי יבש ===
מפל טמפרטורה אדיאבטי יבש מתאר את ירידת הטמפרטורה עם הגובה של חבילת אוויר יבש או אוויר שאינו רווי (כלומר מתחת ל-100% לחות, כאשר הטמפרטורה גבוהה מנקודת הטל) בתנאים אדיאבטיים. תהליך אדיאבטי הוא תהליך שבו אין חילוף חום בין חבילת האוויר לסביבה. ניתן להניח שתהליך אדיאבטי אכן מתרחש, מאחר שמוליכות החום של האוויר נמוכה, וגופי האוויר גדולים מאוד, כך שמעבר החום באמצעות הולכה קטן מאוד, וניתן להזנחה.
:<math>P dV = -V dP / \gamma</math>
 
את [[החוק הראשון של התרמודינמיקה]] יכולניתן להירשםלהציג בצורה הבאה:
:<math>n c_v dT - V dp/ \gamma = 0</math>
כיוון ש <math>\alpha = V/n</math> וגם <math>\gamma = c_p/c_v</math> ניתן להראות ש:
<math>c_p dT - \alpha dP = 0</math>
 
כאשר ''<math>c_p</math> ''הוא החום הסגולי בלחץ קבוע ו-''<math>\alpha</math> ''הוא הנפחה[[נפח]] הסגולי (הגודל ההפכי לצפיפותל[[צפיפות]]).
 
בהנחה שהאטמוספירה מצויה בשיוויב[[שיווי משקל הידרוסטטי]]:<ref name="LL">Landau and Lifshitz, ''Fluid Mechanics'', Pergamon, 1979</ref>
 
:<math> dP = - \rho g dz</math>
כאשר g היא [[תאוצת הגרביטציההכובד]] ו-''<math>\rho</math>'' היא הצפיפות. בשילוב שתי המשוואות, בדחיקת הלחץ, מגיעים לתוצאה:<ref>Kittel and Kroemer, ''Thermal Physics'', Freeman, 1980; [http://books.google.com/books?id=c0R79nyOoNMC&lpg=PP1&dq=Kittel%20and%20Kroemer%2C%20Thermal%20Physics%2C&pg=PA179#v=onepage&q&f=false chapter 6, problem 11]</ref>
<math>\Gamma_d = -\frac{dT}{dz}= \frac{g}{c_p} = 9.8 \ ^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}</math>.
 
=== מפל טמפרטורה אדיאבטי לח ===
כאשר אוויר רווי באדי מים (בנקודת הטל), הטמפרטורה יורדת על פי המפל האדיאבטי הלח. מפל זה משתנה משמעותית עם הטמפרטורה. ערך אופייני הוא 5°C לק"מ. הסיבה להבדל בין המפל היבש למפל הלח נעוצה בחוםב[[חום כמוס|חום הכמוס]] המשתחרר שמים מתעבים, כך ירידת הטמפרטורה עם הגובה מרוסנת. החום המשוחרר בתהליך הוא מקור חשוב של [[אנרגיה]] בהתפתחות [[סופת רעמים|סופות רעמים]]. חבילת אוויר בלתי רוויה בהינתן טמפרטורה, לחות וגובה, מתחת לנקודת הטל המתאימה, מתקררת בהתאם למפל האדיאבטי היבש. ברגע שתעלה מספיק בגובה, תתקרר, ותגיע לנקודת הטל, יחלו אדי מים להתעבות, ולכן מרגע זה היא תתקרר לאט יותר, לפי המפל האדיאבטי הלח.
 
מפל הטמפרטורה האדיאבטי הלח, נתון בקירוב על ידי המשוואה (לפי המונחון למטאורולוגיה של האגודה האמריקאית למטאורולוגיה):<ref>[http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?p=1&query=moist-adiabatic+lapse&submit=Search Glossary of Meteorology]</ref>
|-
|align=right|<span style="vertical-align:-10%;"><math>\Gamma_w</math></span>
| align="right" |מפל הטמפרטורה האדיאבטי הלח, ביחידות של [[קלווין|K]]/[[מטר|m]]
|-
|align=right|<span style="vertical-align:-55%;"><math>g</math></span>
| align="right" |תאוצת הגרביטציההכובד 9.8076&nbsp;m/s<sup>2</sup>
|-
|align=right|<span style="vertical-align:-10%;"><math>H_v</math></span>
| align="right" |[[אנתלפיה|אנתלפיית]] [[אידוי]] של [[מים]] 2260000 J/kg
|-
|align=right|<span style="vertical-align:-15%;"><math>r</math></span>
| align="right" |היחס בין [[מסה|מסת]] אדי המים ליחס האוויר היבש 6219897 kg/kg
|-
|align=right|<span style="vertical-align:+15%;"><math>R</math></span>
| align="right" |[[קבוע הגז האוניברסליהגזים]] 8,314 J mol<sup>−1</sup> K<sup>−1</sup>
|-
|align=right|<span style="vertical-align:+20%;"><math>M</math></span>