STABIELE EN ONSTABIELE ATMOSFEER

Temperatuurverschil bij hoogteverschil

De atmosfeer in de hogere luchtlagen is lager dan de temperatuur dichter bij het aardoppervlak. Dat is merkbaar bij het beklimmen van bergen, de vegetatie veranderd, de boomgrens wordt gepasseerd, er kunnen nog gletsjers en besneeuwde bergtoppen zijn. Terwijl er aan de voet van de berg een aangename temperatuur is. Een vliegtuig op grote hoogte zal beduidend lagere temperaturen meten. De temperatuurdaling bij hoogteklimming heeft als eerste reden de daling van de luchtdruk. Wanneer lucht samen wordt gecomprimeerd (zoals in een fietspomp of in een dieselmotor) stijgen zowel de druk en de de temperatuur van de lucht. Wanneer er vacuüm wordt getrokken dalen de druk en de temperatuur van de lucht. Een luchtlaag hoger in de atmosfeer ondervindt een lagere druk. Van het aardoppervlak opstijgende lucht creëert een vacuüm in zichzelf, de luchtdruk en de temperatuur nemen af.

De lucht in de atmosfeer heeft ook een luchtvochtigheidsgraad. Er kan sprake zijn van droge maar ook van natte lucht. De atmosfeer boven woestijnen zal per definitie bestaan uit droge lucht. Boven de oceanen zal de lucht beduidend natter zijn, een hoge luchtvochtigheidsgraad ofwel natte lucht. Het volgende geldt dan ook voor droge lucht:

Gemiddeld koelt de atmosfeer af met 1° Celsius per 100 meter stijging.
Per kilometer stijging zal er een temperatuurverschil zijn van 10 °C.

Temperatuurdaling in hogere luchtlagen

Inversie

In het algemeen daalt de temperatuur van de atmosfeer naarmate de hoogte toeneemt. Bij droge lucht is de afname ongeveer 1° Celcius per 100 meter en bij vochtige lucht is dat ongeveer 0,6° Celcius. Na of aan het eind van een heldere nacht met weinig wind kan de temperatuur tot een bepaalde hoogte ook toenemen met de hoogte. Dit doet zich voor wanneer de zon de bovenste lagen van de atmosfeer al begint te verwarmen maar het aardoppervlak nog niet bereikt. Dit verschijnsel wordt een ‘inversie’ genoemd. De hoogte tot waar de temperatuur afneemt heet de ‘inversiehoogte’. Na het passeren van de ‘inversiehoogte’ is er sprake van een oplopende temperatuur.

Stijgende droge lucht

Wanneer zich een luchtbel in de atmosfeer bevindt van een hogere temperatuur dan de omgeving, dan zal deze luchtbel in de atmosfeer gaan stijgen. De soortelijke massa van de warmere lucht is lager dan die van de omgeving. Is er sprake van droge lucht, dan zal deze tijdens het stijgen in temperatuur afnemen met 1° Celsius per 100 meter ofwel 10° Celsius per kilometer. Het temperatuurverschil ten opzichte van de omgevende lucht blijft gelijk, de warmere luchtbel blijft stijgen. Dit wordt de ‘droog-adiabaat’ genoemd. Er is geen onderlinge uitwisseling van warmte.

Stijgende natte lucht

Wanneer er sprake is van natte lucht, dan blijkt dat natte lucht afkoelt met 0,6° Celsius per 100 meter stijging. De temperatuur daalt met 6° Celsius per kilometer stijging. Wanneer natte luchtbel zich bevindt in een droge atmosfeer vindt er uitwisseling plaats van warmte met de omgeving. Dit wordt het ‘nat-adiabaat’ genoemd. Droge lucht geleid van nature minder goed dan natte lucht, droge lucht koelt daardoor sneller af en warmt ook gemakkelijker op. Dit kan worden verklaard doordat er in droge lucht minder moleculen aanwezig zijn dan in natte lucht waarin waterdamp wordt gevormd. Natte lucht daarentegen is verzadigd van waterdamp, er zijn meer moleculen.

Neerslag

Wanneer lucht afkoelt verliezen moleculen aan onderlinge bewegingssnelheid. Daardoor neemt het volume van lucht af en neemt de dichtheid toe. Per eenheid bevinden zich dezelfde aantal moleculen in een kleiner volume, de minder bewegende moleculen bevinden zich dichter bij elkaar. De moleculen die zich eerst als damp in de lucht bevonden komen bijeen tot nevel, minuscule waterdruppels die samensmelten en die tot regen, sneeuw of hagel kunnen worden, te zwaar ten opzichte van de omgevende lucht.

Adiabatische afkoeling

Onder adiabetische processen in de meteorologie wordt verstaan dat er geen of nauwelijks uitwisseling van warmte plaats vindt vanuit een luchtbel of luchtmassa met de omgevende atmosfeer. Bij het afkoelen van droge of natte lucht binnen een luchtbel in de atmosfeer wordt er energie omgezet, gezien de moleculaire beweging en snelheid ‘kinetische energie’, gelijk aan het begrip ‘warmte’ als gevolg van verandering van luchtdruk en volume. Tijdens het afkoelen als gevolg van luchtdrukverlaging van droge en natte lucht wordt er warmte ofwel energie onttrokken. Om vochtige lucht in temperatuur te laten dalen is meer energie nodig dan bij droge lucht met een lage luchtvochtigheidsgraad. Dit verklaard het verschil tussen de 0,6° Celsius,  (het nat-adiabaat) en de 1° Celsius, (het droog-adiabaat) per 100 meter stijging of daling bij hoogteverschillen.

Stabiele atmosfeer

Wanneer het temperatuurverloop van de atmosfeer zo is dat deze  1° Celsius per 100 meter stijging afneemt, met daarin een stijgende luchtbel die eveneens droog-adiabatisch afkoelt met 1° Celsius per 100 meter, dan blijven de onderlinge verhoudingen van temperatuur,  volume en massa gelijk. De stijgende luchtbel blijft gelijk opdrijven met de atmosfeer, wanneer deze verder zou stijgen koelt de luchtbel sterker dan de atmosfeer af,  neemt af in volume, neemt toe in zwaarte, ondervindt minder opwaartse kracht, het evenwicht tussen atmosfeer en luchtbel wordt hersteld. Een stabiel atmosfeer.

Nat en droog adiabaat (Stabiel)

Wanneer een natte luchtbel (rood) in de grafiek in B zich op ongeveer 800 meter bevindt, is de temperatuur van de luchtbel volgens de grafiek -4° Celcius, en daarmee warmer dan de grafiek volgens het droog adiabaat (blauw). Warme lucht stijgt op wat in B plaats vindt. De natte luchtbel (rood) C bereikt is deze -22° Celcius op een hoogte van 1600 meter, kouder dan de grafiek van de droge adiabaat. Koude lucht is zwaarder, de lucht bij C zakt naar A waar de luchtmassa stabiel wordt.

Onstabiele atmosfeer

Wanneer de luchttemperatuur in de atmosfeer afneemt met 1° Celsius per 100 meter stijging, met daarin een opstijgende luchtbel met minder dan 1° Celsius temperatuurafname per 100 meter stijging, dan zal het volume van de luchtbel in verhouding tot de atmosfeer groter worden, de dichtheid van de luchtbel neemt verhoudingsgewijs af, de luchtbel blijft lichter dan die van de atmosferische omgeving, blijft verder sopstijgen. Een onstabiele atmosfeer.

Nat en droog adiabaat (Instabiel)

Wanneer een natte luchtbel (rood) zich in B bevindt is deze kouder dan de lucht op gelijke hoogte van de droge grafiek. Bij B is de temperatuur -8° Celsius , in de blauwe grafiek -6° Celsius, er bevindt zich koude lucht in een relatie warmere omgeving, deze luchtlaag is zwaarder en zal naar de laagte willen zakken. Bij C is er sprake van warmere lucht op gelijke hoogte als de blauwe grafiek. Deze warmere lucht zal op willen drijven. Er is sprake van instabiliteit.

Onstabiele lucht boven de Atlantische Oceaan