Skutki inwersji temperatury w atmosferze wahają się od łagodnych do ekstremalnych. Warunki inwersji mogą powodować interesujące wzorce pogodowe, takie jak mgła lub marznący deszcz, lub mogą powodować śmiertelne stężenia smogu.
Największa warstwa inwersji temperatury w atmosferze stabilizuje troposferę Ziemi.
Co to jest inwersja temperatury?
Zwykle temperatura atmosfery spada wraz ze wzrostem wysokości. Energia słoneczna ogrzewa powierzchnię Ziemi i przenosi ciepło do atmosfery w kontakcie z Ziemią. Energia cieplna przemieszcza się w górę w kolumnie powietrza, ale rozprzestrzenia się wraz ze wzrostem wysokości i rozrzedzeniem atmosfery.
Meteorolodzy, którzy są naukowcami badającymi pogodę, definiują inwersję jako „warstwę atmosfery w która temperatura powietrza wzrasta wraz z wysokością”. Dotyczy to zarówno powierzchni, jak i wysokości powyżej powierzchnia.
Definicja inwersji wyjaśnia również, że gdy podstawa warstwy inwersyjnej leży na powierzchni, inwersja nazywana jest inwersją temperaturową opartą na powierzchni. Gdy podstawa warstwy inwersyjnej znajduje się nad powierzchnią, warstwa inwersyjna nazywana jest inwersją w podwyższonej temperaturze.
Cyrkulacja komórek konwekcyjnych
W bezchmurne, spokojne poranki energia słoneczna stopniowo ogrzewa powierzchnię. Ogrzana powierzchnia ogrzewa powietrze w bezpośrednim kontakcie. Ciepłe, mniej gęste powietrze unosi się, a gęstsze zimne powietrze opada na swoje miejsce. Chłodniejsze powietrze ogrzewa się i unosi, a chłodniejsze opada na ziemię, by z kolei zostać ogrzane. Wraz ze wschodem Słońca rozwija się cykliczny wzorzec wznoszenia się i opadania powietrza, zwany komórkami konwekcyjnymi.
Wraz ze wzrostem temperatury gruntu komórki konwekcyjne podnoszą się wyżej i wczesnym popołudniem mogą osiągnąć 5000 lub więcej stóp. Późnym rankiem ruch powietrza w komórkach konwekcyjnych może powodować wzgórki chmury tworzą i lekkie, porywiste wiatry o zmiennej prędkości i kierunku wiania.
Później w ciągu dnia, gdy energia słoneczna spada, a powierzchnia się ochładza, komórki konwekcyjne stają się mniejsze. Kropelki wody tworzące chmury odparowują, a bryza stopniowo słabnie.
W ciągu dnia temperatura powietrza jest najwyższa na powierzchni i spada wraz z wysokością. Jednak po zachodzie Słońca może wystąpić inwersja temperatury na powierzchni, zwłaszcza jeśli powietrze jest spokojne, niebo czyste, a noc długa.
Nocne warstwy inwersji
Gdy słońce zachodzi, powierzchnia się ochładza. Powietrze w kontakcie z powierzchnią również się ochładza. Powietrze z trudem przenosi ciepło, a cieplejsze powietrze na górze nie ogrzewa zimniejszego powietrza na dole. Bez wiatru poruszającego powietrze, chłodniejsze powietrze pozostaje na powierzchni.
Bez chmur ciepło powierzchniowe szybciej ucieka. Im dłuższa noc, tym zimniejsza staje się powierzchnia. Jeśli temperatura powierzchni spadnie poniżej punktu rosy (temperatury, do której powietrze musi zostać schłodzone, aby osiągnąć nasycenie), może powstać mgła gruntowa.
Gdy powietrze na powierzchni ochładza się, a powietrze nad nim pozostaje cieplejsze, powstaje inwersja temperatury na powierzchni. Im większa różnica temperatur, tym silniejsza inwersja. Silniejsze inwersje powierzchni tworzą się zimą, ponieważ noce są dłuższe. Jeśli warunki pogodowe pozostają takie same, inwersja temperatury na powierzchni załamuje się, gdy Słońce wschodzi i ponownie ogrzewa powierzchnię.
Systemy wysokociśnieniowe i pogoda inwersyjna
Jeśli jednak wprowadzi się system wysokiego ciśnienia, inwersja może pozostać na miejscu przez kilka dni (i nocy). Gdy warstwa zimniejszego powietrza staje się grubsza, inwersja staje się podwyższoną warstwą inwersyjną. Powietrze uwięzione pod inwersją zawiera wilgoć, dym i zanieczyszczenia uwalniane do masy powietrza. Jakość powietrza pod warstwą inwersyjną pogarsza się wraz z gromadzeniem się zanieczyszczeń.
Gdy dym i chemikalia mieszają się z parą wodną, powstaje smog. Mgła ze smogu zmniejsza energię słoneczną, a ziemia nie zyskuje tak dużo energii. Powierzchnia i masa powietrza pomiędzy powierzchnią a warstwą inwersyjną pozostają zimne i mogą stać się jeszcze zimniejsze.
Błędne koło może się rozwinąć, gdy ludzie zużywają więcej ciepła, czy to z kominków, czy z elektrowni opalanych paliwami kopalnymi. uwalnianie większej ilości dymu i chemikaliów do uwięzionej masy zimnego powietrza i zwiększanie mgły smogowej, która zmniejsza promieniowanie słoneczne energia. Silne zdarzenia smogowe w 1948 r. w Donorze w Pensylwanii (USA) iw 1952 r. w Londynie w Anglii spowodowane były warstwami inwersji podwyższonej temperatury.
Warstwy odwrócone i marznący deszcz
Gdy warstwa inwersji o podwyższonej temperaturze jest powyżej temperatury zamarzania, a temperatura zimnego powietrza pod nią jest równa lub niższa od temperatury zamarzania, pojawia się marznący deszcz.
Deszcz pada w postaci cieczy przez stosunkowo cieplejszą masę powietrza warstwy inwersyjnej. Kiedy ciekły deszcz wnika w chłodniejszą masę powietrza poniżej warstwy inwersyjnej, krople deszczu zamarzają, tworząc deszcz marznący.
Warstwy topografii i inwersji
Topografia odgrywa ważną rolę w opracowywaniu i utrzymywaniu warstw inwersyjnych na miejscu. Zimne powietrze ze zbiorników położonych na wyższych wysokościach i basenów w dolinach i na niskich obszarach, takich jak wybrzeża.
Zimne powietrze chłodzi powierzchnię i oddziela ją od cieplejszego powietrza. Otaczające grzbiety i wzgórza chronią doliny przed wiatrami, które mogłyby mieszać masy powietrza i zakłócać wzorzec inwersji.
Największa inwersja temperatury na Ziemi
W dolnej warstwie atmosfery, troposferze, występują wzorce pogodowe. Nad troposferą leży stratosfera. W stratosferze energia słoneczna reaguje z atmosferą, tworząc globalną warstwę ozonową.
Ta warstwa ozonowa pochłania część energii słonecznej, powodując globalnie podwyższoną warstwę inwersyjną nad troposferą. Ta warstwa inwersji pomaga utrzymać ciepło powierzchni Ziemi w troposferze.