В метеорологии инверсия (или температурная инверсия ) — это явление, при котором слой более теплого воздуха покрывает более холодный воздух. Обычно температура воздуха постепенно понижается с увеличением высоты , но при инверсии это соотношение меняется на противоположное. [2]
Инверсия удерживает загрязнение воздуха , например смог , у земли. Инверсия также может подавлять конвекцию , действуя как «шапка». Если эта шапка сломается по любой из нескольких причин, конвекция любой влажности может затем вылиться в сильные грозы . Температурная инверсия может вызвать ледяной дождь в холодном климате .
Обычно в нижних слоях атмосферы ( тропосфере ) воздух у поверхности Земли теплее , чем воздух над ней, в основном потому, что атмосфера нагревается снизу, поскольку солнечное излучение нагревает поверхность Земли, которая, в свою очередь, нагревает слой атмосферы, расположенный непосредственно над ней, например, за счет термических процессов ( конвективный перенос тепла ). [3] Температура воздуха также уменьшается с увеличением высоты, поскольку более высокий воздух находится при более низком давлении, а более низкое давление приводит к более низкой температуре, следуя закону идеального газа и адиабатическому градиенту .
При правильных условиях нормальный вертикальный градиент температуры инвертируется, так что воздух становится холоднее вблизи поверхности Земли. Это может произойти, например, когда более теплая, менее плотная воздушная масса движется над более холодной, более плотной воздушной массой. Этот тип инверсии происходит вблизи теплых фронтов , а также в областях океанического апвеллинга , таких как вдоль побережья Калифорнии в Соединенных Штатах. При достаточной влажности в более холодном слое туман обычно присутствует под шапкой инверсии. Инверсия также возникает всякий раз, когда излучение с поверхности Земли превышает количество излучения, получаемого от солнца, что обычно происходит ночью или зимой, когда солнце находится очень низко в небе. Этот эффект фактически ограничивается регионами суши, поскольку океан сохраняет тепло гораздо дольше. В полярных регионах зимой инверсии почти всегда присутствуют над сушей.
Более теплая воздушная масса, движущаяся над более холодной, может «отключить» любую конвекцию, которая может присутствовать в более холодной воздушной массе: это известно как инверсия шапки . Однако, если эта шапка нарушается либо из-за экстремальной конвекции, преодолевающей шапку, либо из-за подъемного эффекта фронта или горного хребта, внезапное высвобождение закупоренной конвективной энергии — как при взрыве воздушного шара — может привести к сильным грозам. Такие инверсии шапки обычно предшествуют развитию торнадо на Среднем Западе США . В этом случае «более холодный» слой довольно теплый, но все еще плотнее и обычно холоднее, чем нижняя часть слоя инверсии, покрывающего его. [4]
Инверсия может развиться наверху в результате постепенного опускания воздуха на большой площади и нагревания его адиабатическим сжатием, обычно связанным с субтропическими областями высокого давления . [5] В результате этого над океаном может образоваться устойчивый морской слой . Однако по мере того, как этот слой движется над все более теплыми водами, турбулентность внутри морского слоя может постепенно поднять слой инверсии на большую высоту и в конечном итоге даже пронзить его, вызывая грозы, а при определенных обстоятельствах и тропические циклоны . Накопившийся смог и пыль под инверсией быстро окрашивают небо в красноватый цвет, который легко увидеть в солнечные дни.
Температурные инверсии останавливают атмосферную конвекцию (которая обычно присутствует) в пострадавшей области и могут привести к высоким концентрациям загрязняющих веществ в атмосфере. Города особенно страдают от последствий температурных инверсий, поскольку они производят больше загрязняющих веществ в атмосфере и имеют более высокие тепловые массы, чем сельские районы, что приводит к более частым инверсиям с более высокими концентрациями загрязняющих веществ. Эффекты еще более выражены, когда город окружен холмами или горами, поскольку они образуют дополнительный барьер для циркуляции воздуха. Во время сильной инверсии захваченные загрязняющие вещества воздуха образуют коричневатую дымку , которая может вызывать проблемы с дыханием. Великий смог 1952 года в Лондоне , Англия, является одним из самых серьезных примеров такой инверсии. По оценкам, он стал причиной от 10 000 до 12 000 смертей. [6]
Иногда инверсионный слой находится на достаточно большой высоте, чтобы кучевые облака могли конденсироваться, но могли только распространяться под инверсионным слоем. Это уменьшает количество солнечного света, достигающего земли, и препятствует образованию новых термиков . По мере рассеивания облаков солнечная погода сменяет облачность в цикле, который может повторяться чаще одного раза в день.
По мере повышения температуры воздуха показатель преломления воздуха уменьшается, побочный эффект того, что более горячий воздух становится менее плотным. Обычно это приводит к тому, что удаленные объекты укорачиваются по вертикали, эффект, который легко увидеть на закате, когда солнце видно как овал. При инверсии нормальная картина меняется на противоположную, и удаленные объекты вместо этого вытягиваются или кажутся находящимися над горизонтом, что приводит к явлению, известному как фата-моргана или мираж .
Инверсии могут усиливать так называемую « зеленую вспышку » — явление, происходящее на восходе или закате, обычно видимое в течение нескольких секунд, при котором зеленый свет солнца изолируется из-за дисперсии. [7] Более короткая длина волны преломляется сильнее всего, при этом синяя составляющая солнечного света «полностью рассеивается за счет рэлеевского рассеяния », делая зеленый цвет первым или последним видимым светом от верхнего края солнечного диска. [8]
Очень высокочастотные радиоволны могут преломляться инверсиями, что позволяет слышать FM-радио или смотреть VHF -вещание на больших расстояниях туманными ночами. Сигнал, который обычно преломляется вверх и в сторону космоса, вместо этого преломляется вниз к земле пограничным слоем температурной инверсии. Это явление называется тропосферным каналом . Вдоль береговых линий осенью и весной из-за одновременного присутствия нескольких станций из-за снижения потерь распространения многие FM-радиостанции страдают от серьезного ухудшения сигнала, нарушающего прием. На более высоких частотах, таких как микроволны , такая рефракция вызывает многолучевое распространение и замирание .
При наличии инверсионного слоя, если звук или взрыв происходят на уровне земли, звуковая волна преломляется градиентом температуры (который влияет на скорость звука) и возвращается к земле. Поэтому звук распространяется намного лучше, чем обычно. Это заметно в районах вокруг аэропортов, где звук взлетающих и приземляющихся самолетов часто можно услышать на большем расстоянии около рассвета, чем в другое время дня, и инверсионный гром, который значительно громче и распространяется дальше, чем когда он производится ударами молнии в обычных условиях. [9]
Ударная волна от взрыва может быть отражена инверсионным слоем примерно так же, как она отскакивает от земли при воздушном взрыве, и в результате может вызвать дополнительные повреждения. Это явление убило двух человек во время советского ядерного испытания РДС-37 , когда рухнуло здание. [10] [11]
Словарное определение температурной инверсии в Викисловаре
