|
Atmosferische stabiliteit
|
|
|
| De stratificatiestabiliteit van de atmosfeer van de aarde beschrijft de thermodynamische stabiliteit of labiliteit ervan met betrekking tot de verticale atmosferische temperatuurgradiënt op basis van verschillende evenwichtstoestanden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen onstabiele, stabiele en neutrale atmosferische stratificatie. |
| |
| De gelaagdheid van de atmosfeer bepaalt alle verticale luchtbewegingen en is daarom van fundamenteel belang voor alle convectieve processen in de atmosfeer van de aarde, evenals de daarmee samenhangende processen van wolkenvorming of luchtverontreiniging. Een onstabiele stratificatie is een voorwaarde voor de ontwikkeling van thermische opwaartse luchtstromen. Door de thermiek en de opwaartse wind kunnen zweefvliegers, deltavliegers en paragliders op grotere hoogte opstijgen en lange vluchten en langlaufvluchten maken. |
| Atmosferische temperatuurgradiënten |
| Er zijn in principe twee soorten atmosferische temperatuurgradiënten: de dynamische gradiënt van een luchtdeeltje en de statische gradiënt van de atmosfeer. De meetbare luchttemperatuur in de atmosfeer daalt vaak zeer inconsistent met de hoogte, maar meestal met een duidelijke trend. Meestal is er sprake van een temperatuurdaling: de lucht wordt kouder naarmate deze stijgt. Als de luchttemperatuur in plaats daarvan stijgt met de hoogte, wordt dit een inversie genoemd. Vergeleken met deze omgevingsgradiënt heeft een verticaal bewegend luchtdeeltje zijn eigen dynamische temperatuurverandering. |
| |
| Als men rekening houdt met een voldoende groot luchtdeeltje, kan de uitwisseling met de omgevingslucht en de aanpassing aan de omgevingstemperatuur verwaarloosd worden. Als de temperatuurverandering van het luchtdeeltje geïdealiseerd gezien geheel onafhankelijk van de omgeving en de daar heersende temperatuur plaatsvindt, spreekt men van een adiabatische toestandsverandering. Een stijgend of dalend luchtpakketje kan dan zijn temperatuur sneller, even snel of langzamer veranderen dan zou overeenkomen met zijn omgeving, dat wil zeggen de statische toestand van de atmosfeer van de aarde. |
| |
| Verticale beweging van een luchtdeeltje |
| De modelaanname is doorgaans een luchtdeeltje dat zich gedraagt volgens de droge adiabatische temperatuurgradiënt en dezelfde temperatuur en dichtheid heeft als de omringende lucht op een bepaalde hoogte. Vanaf deze begintemperatuur koelt het luchtpakketje af bij het stijgen en warmt het op met 9,8 graden Celsius per kilometer bij het dalen. Deze verandering is adiabatisch en omkeerbaar, wat betekent dat er geen warmte wordt toegevoegd of verwijderd uit het luchtpakket. Bovendien vindt er geen vermenging met de omgevingslucht plaats en vindt er geen condensatie van de waterdamp in de lucht plaats |
| |
| Wanneer er condensatie optreedt, spreekt men van de natte adiabatische stijging van het luchtdeeltje, die vaak volgt op een droge adiabatische stijging. Door de afkoeling die met de beklimming gepaard gaat, neemt de relatieve luchtvochtigheid toe totdat deze uiteindelijk het condensatieniveau op het dauwpunt bereikt. Op deze hoogte begint condensatie en dus wolkenvorming. De vrijkomende condensatie-enthalpie van de waterdamp reduceert de droge adiabatische naar de natte adiabatische gradiënt. Omdat alle overwegingen met betrekking tot de toestand van de atmosferische stratificatie in beide gevallen in gelijke mate van toepassing zijn, zullen we in het volgende in het algemeen spreken van een adiabatische gradiënt. |
| |
| Archimedisch principe |
| Lucht zet uit bij verhitting. Volgens het principe van Archimedes resulteert het verschil tussen de dichtheid van het luchtdeeltje in kwestie en die van het omringende medium in statische lift of neerwaartse kracht. Als het betreffende luchtdeeltje dezelfde dichtheid heeft als de omgeving, zal het niet verder stijgen. |
| |
| Neutrale atmosfeer |
| Bij neutrale of onverschillige atmosferische stratificatie komt de verticale temperatuurdaling van de atmosfeer overeen met die van het luchtdeeltje. In werkelijkheid zou een zeer goed gemengde atmosfeer deze toestand het dichtst benaderen. Het equivalent van mechanica is een onverschillig evenwicht. |
| |
| Door de neutrale gelaagdheid van de atmosfeer koelt een stijgend luchtpakket net zo snel af als de omringende atmosfeer. De punten A, B en C, die elk een luchtdeeltje vertegenwoordigen dat adiabatisch afkoelt of droog opwarmt (rode lijn), zijn daarom identiek aan de omstandigheden van de omgevingslucht, weergegeven als zwart. De opwaartse en neerwaartse kracht van het luchtdeeltje houden elkaar dus in evenwicht, omdat er geen verschil in dichtheid bestaat tussen het luchtdeeltje en de betreffende luchtlaag. Omdat er geen resulterende kracht is, verandert het luchtdeeltje niet zelfstandig van verticale positie en zodra het geforceerde optillen van B naar A of het neerlaten van B naar C stopt, blijft het luchtdeeltje stabiel in hoogte |
| |
| In een neutraal gelaagde atmosfeer treedt wolkenvorming zelden op vanwege het ontbreken van convectie. Neutrale stratificatie vormt noch een obstakel, noch een voordeel voor de verspreiding van stoffen en vooral verontreinigende stoffen. |
|
|
 |
| Stabiele atmosferische stratificatie verwijst naar de toestand van de atmosfeer van de aarde waarin de verticale temperatuurdaling van de atmosfeer kleiner is dan de temperatuurdaling van het stijgende luchtdeeltje, dat wil zeggen dat het een subadiabatische temperatuurgradiënt is. Als de temperatuur daalt in overeenstemming met de droge adiabatische gradiënt, wordt dit droogstabiele stratificatie genoemd. Dienovereenkomstig is een afname met de vochtige adiabatische gradiënt een vochtstabiele gelaagdheid. |
| |
| Omdat de omgeving van het luchtdeeltje langzamer afkoelt dan zichzelf, blijft het temperatuurverschil afnemen naarmate het stijgt van C naar B en van teken verandert bij B. Tijdens de verdere opstijging van B naar A is het luchtpakketje kouder dan de omringende lucht en heeft daardoor een hogere dichtheid. Als de gedwongen opwaartse beweging bij A stopt, zakt het luchtpakketje weer naar beneden volgens het principe van Archimedes. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe sneller de lucht zakt - er ontstaat een tijdelijke neerwaartse beweging. Het gevolg is dat het luchtpakketje niet alleen naar B zakt, maar door de traagheid ook iets verder dan dit punt beweegt. Dit betekent dat het luchtpakketje dan een iets lagere dichtheid heeft dan de omringende lucht en de bewegingsrichting omkeert, waardoor het pakketje weer omhoog gaat. Dit proces herhaalt zich en het luchtdeeltje beschrijft een harmonieuze oscillatie in de verticale richting. Door luchtwrijving neemt de amplitude van deze oscillatie in de loop van de tijd af. Zonder verdere verstoringen van buitenaf zou het luchtpakketje in een stabiele evenwichtstoestand bij B terechtkomen. Dezelfde overweging geldt ook voor een reductie van B naar C, behalve dat het luchtpakket zal stijgen nadat de geforceerde reductie is gestopt, omdat de temperatuur nu hoger is dan die van de omgeving. In een stabiele atmosfeer worden verticale bewegingen opgevangen via negatieve feedback, waardoor vermenging van de lucht wordt voorkomen. |
| |
| Dit is ook duidelijk in het geval van een inversie, dat wil zeggen een omgekeerde gradiënt met een temperatuurstijging naarmate de hoogte toeneemt. Dit is een bijzonder sterk speciaal geval van stabiele stratificatie, omdat elke opstijging van een luchtdeeltje wordt geblokkeerd als de inversielaag voldoende dik is. Dit wordt eenvoudigweg verklaard door het feit dat tijdens een inversie warme en dus lichte luchtmassa's boven koudere luchtmassa's liggen, wat betekent dat de atmosfeer zich in een ideaal evenwicht bevindt waarvoor geen natuurlijke luchtuitwisseling nodig is. |
| |
| In het geval van vochtige adiabatische opstijging in een stabiele, gelaagde atmosfeer zijn de boven het condensatieniveau gevormde wolken relatief stabiel in hoogte en meestal erg vlak. Door horizontale drukverschillen en de daarmee gepaard gaande wind verspreidden ze zich over het gebied, wat resulteerde in een typische gelaagde bewolking van het cirrus- of cirrostratus-type op grotere hoogte, altostratus op gemiddelde hoogte en stratus op lagere hoogte. |
|
|
 |
| |
 |
| Stoommassa’s uit koeltorens breken door het wolkendek en slingeren vervolgens naar binnen. In het wolkenoppervlak zijn kleine golven te zien |
|
|
| Een onstabiele of onstabiele atmosferische stratificatie verwijst naar de toestand van de atmosfeer van de aarde waarin de verticale temperatuurdaling van de atmosfeer groter is dan de temperatuurdaling van het stijgende luchtdeeltje, dat wil zeggen dat het een overadiabatische temperatuurgradiënt is. Als de temperatuur van het luchtpakket daalt in overeenstemming met de droge adiabatische gradiënt, wordt dit droge onstabiele stratificatie genoemd. Bij vochtige adiabatische afkoeling spreekt men van vochtige instabiele stratificatie. |
| |
| Omdat in een onstabiele atmosfeer de temperatuur van het luchtdeeltje dat van B naar A stijgt altijd hoger is of de dichtheid ervan lager is dan die van de omgeving, ondervindt het een opwaartse herstellende kracht, het drijfvermogen. Het luchtpakketje zal blijven stijgen, zelfs zonder geforceerde opwaartse beweging, en aangezien het langzamer blijft afkoelen dan zijn omgeving, zal deze stijging blijven versnellen. Het luchtdeeltje beweegt zich dus via positieve feedback steeds verder weg van het evenwichtspunt bij B. Hetzelfde geldt voor de omgekeerde richting van B naar C, waarbij het luchtdeeltje zinkt en altijd kouder is dan zijn omgeving en dus een grotere dichtheid heeft. . Het zal dan steeds sneller zinken totdat het uiteindelijk met hoge snelheid het aardoppervlak raakt. Winden die op het aardoppervlak als bijzonder krachtig en plotseling worden waargenomen, de zogenaamde windstoten, zijn meestal niets anders dan luchtpakketten die zijn versneld en vervolgens horizontaal zijn afgebogen. |
|
|
 |
| |
Droge onstabiele gelaagdheid ontstaat bijvoorbeeld dichtbij de grond als er plaatselijk sprake is van sterke verwarming van de lucht via straling. Terwijl er bijvoorbeeld in de ochtend slechts een lichte opwarming was en er een overadiabatische temperatuurgradiënt werd vastgesteld, nam de zonnestraling toe naarmate de tijd van de dag toenam, wat echter de lucht nabij de grond op heel verschillende manieren zou kunnen opwarmen, afhankelijk van het type van het aardoppervlak. Als dit verschil groot genoeg is, komen er thermische belletjes vrij, die ervoor zorgen dat de
onderste luchtlagen zich vermengen. Het resultaat van een dergelijke vermenging, die in woestijnen en plateaus een hoogte van enkele kilometers kan bereiken, is uiteindelijk een neutrale gelaagdheid. Omdat onstabiele stratificatie zichzelf uiteindelijk verzwakt door vermenging, is deze doorgaans slechts van korte duur. |
| |
| Dynamische oorzaken kunnen ook onstabiele gelaagdheid veroorzaken, vooral als koude lucht tijdens een koufront op grote hoogte sneller beweegt dan dichtbij de grond. Het gevolg is vaak hevige onweersbuien in combinatie met sneeuw-, regen- en hagelbuien en hevige windstoten, ook wel buien genoemd. |
| |
| Op gematigde breedtegraden is de onstabiele stratificatie gewoonlijk beperkt tot een bepaald hoogtebereik en bereikt deze slechts in zeldzame uitzonderlijke gevallen een grotere omvang. Als onder- of bovenlaag zijn de omstandigheden doorgaans stabiel. Op grote hoogte leidt dit tot de vorming van cirruswolken bij horizontale wind en cirrocumuluswolken bij afwezigheid daarvan. Op gemiddelde hoogte daarentegen is er sprake van altocumulusbewolking, en op lage hoogte lijkt het meer op stratocumulus en cumulus. Cumulonimbus en Nimbostratus daarentegen zijn afhankelijk van een hoge labiliteit en komen daarom vaker voor nabij de evenaar. |
| |
| Voorwaardelijk onstabiele stratificatie |
Een voorwaardelijk onstabiele atmosferische stratificatie beschrijft een situatie waarin een droog, adiabatisch opstijgend luchtpakket resulteert in een stabiele of neutrale stratificatie, maar een adiabatisch opstijgend luchtpakket zou resulteren in een onstabiele atmosferische stratificatie.
Dit probleem, dat zich vaak in de zomer voordoet, roept de vraag op of zich wolken vormen of niet. Als de waterdamp in het luchtdeeltje niet condenseert, gebeurt er verder niets. Wanneer er echter condensatie optreedt, groeien de wolken snel uit tot onweersbuien. |
| |
| Invloeden op stratificatie |
| Extreme stratificatie, d.w.z. onstabiele en stabiele stratificatie, wordt bevorderd door lage windsnelheden, terwijl hoge windsnelheden tot een meer neutrale stratificatie leiden. Bovendien leidt bewolking, d.w.z. lage mondiale straling overdag en sterke atmosferische tegenstraling 's nachts, tot een meer neutrale stratificatie, terwijl een wolkenloze hemel overdag met sterke mondiale straling onstabiele stratificatie veroorzaakt, maar 's nachts stabiele stratificatie. |
| |
| Stratificatie en luchtvervuiling |
| |
| Stratificatiestabiliteit heeft een grote impact op de luchtverontreiniging, aangezien de verspreiding van uitlaatgassen als identiek kan worden beschouwd aan de verspreiding van een luchtdeeltje. Er wordt een aantal specifieke stratificatierelaties onderscheiden. |
| |
| De basis voor de beschrijvingen is een fabriek die via een schoorsteen uitlaatgassen in de atmosfeer uitstoot. De windrichting is westelijk van links naar rechts, waardoor de uitlaatgassen na een zekere verticale verspreiding horizontaal draaien. Deze initiële gradiëntfase is te wijten aan de doorgaans hogere temperatuur van de uitlaatgassen. De uiteindelijk bereikte hoogte wordt de effectieve schoorsteenhoogte genoemd. In de figuren vertegenwoordigt de rode lijn de temperatuurgradiënt van de atmosfeer en de zwarte lijn de adiabatische gradiënt van het luchtdeeltje |
 |
| Looping - onstabiel van de grond tot schoorsteen |
|
|
 |
| Coning - neutraal van grond tot schoorsteen opening |
|
| |
| Looping |
| Er is sprake van een lichte tot matig sterke onstabiele stratificatie, de luchtverontreinigende stoffen verspreiden zich in een lus naar het oosten. Door turbulentie en convectieve processen kunnen de emissies al na korte tijd de grond raken, zodat de vuilbelasting in relatief korte tijd in de nabijheid van de schoorsteen vrij hoog is. Het neemt echter ook snel af en is op middellange afstanden vrij laag. De situatie is typisch voor middagen op zonnige zomerdagen. |
| |
| Coning |
| Er is een neutrale tot enigszins stabiele gelaagdheid en de luchtverontreinigende stoffen verspreiden zich conisch, waarbij de verticale uitzetting van de steeds breder wordende uitlaatgaskegel vrij uniform is. De verdunning van de uitlaatgassen is vrij laag, maar de rookpluim raakt de grond niet direct. Een situatie vooraf bij bewolkt weer. |
| |
 |
| Fanning - stabiel van grond tot boven de schoorsteen |
|
|
 |
| Lofting - stabiel onder, neutraal boven schoorsteen opneing |
|
| |
| Fanning |
| Bij het Fanning-type is de stabiele gelaagdheid versterkt om een enorme bodeminversie te vormen die zich uitstrekt tot boven de effectieve schoorsteenhoogte. Na de initiële stijging tot de effectieve schoorsteenhoogte is er vrijwel geen verticale verspreiding meer en dus ook geen dunner worden van de rookpluim. De hoge uitlaatgasconcentraties blijven zelfs op aanzienlijke afstand van de schoorsteen bestaan. De belasting is hier laag bij de grond, maar hoog als het terrein in de voortplantingsrichting stijgt. uiterlijk v. A. 's nachts en onder lage druk, wat vaak de voorloper is van begassing (zie hieronder). |
| |
| Lofting |
Er is ook een inversie op de grond, meestal een nachtelijke stralingsinversie, maar de bovengrens ligt nu op of zelfs onder de effectieve schoorsteenhoogte. Dit wordt gevolgd door een adiabatische temperatuurdaling met neutrale stratificatie. Voor de verticale verspreiding van de rookkolom blijkt de inversie wederom een barrière te zijn, maar in dit geval naar beneden. Omdat de emissies boven de inversie plaatsvinden
(anders zou er opnieuw sprake zijn van een Fanning-situatie), kunnen de verontreinigingen maximaal dalen tot aan de bovengrens van de inversie. Daar is doorgaans een hogere uitlaatgasconcentratie aanwezig. De verticale uitzetting naar boven wordt echter niet belemmerd. Voor luchtverontreiniging is dit een zeer wenselijke situatie: de rookpluim verdunt maar bereikt het aardoppervlak niet. uiterlijk v. A. in de vroege avond onder een wolkenloze hemel, in de meeste gevallen van kortere duur. |
| Fumigation |
| Vanuit luchtverontreinigingsperspectief vertegenwoordigt het begassingtype de meest schadelijke situatie: er is sprake van een onstabiele gelaagdheid op de grond, gevolgd door een hoogte-inversie boven de effectieve schoorsteenhoogte. Onder de inversie kunnen de uitlaatgassen zich door de onstabiele gelaagdheid zeer goed verspreiden, maar worden door de inversie naar boven geblokkeerd. Het mengen vindt dus alleen dichtbij de grond plaats. |
| |
| Als deze situatie gedurende een langere periode aanhoudt, kan er een drastische accumulatie van verontreinigende stoffen optreden. Als de mengzone vrij klein is, bijvoorbeeld vanwege de ligging in een vallei of zelfs een bekken, is ook de resolutie van de inversie door wind ernstig |
|
|
 |
| Fumigation - stabiel boven, onstabiel onder schoorsteen opening |
|
| |
| beperkt, wat dienovereenkomstig de verrijking van de uitlaatgassen bevordert. Een dergelijke ligging in de vallei en de hoge niveaus van verontreinigende emissies zijn bijzonder kenmerkend voor grootstedelijke gebieden. Zoals de stedelijke klimatologie aantoont, zijn dit ook belangrijke warmtebronnen, zodat ze de neiging hebben om inversies dichtbij de grond om te zetten in hoogte-inversies, wat dan de belangrijkste oorzaak is van het ontstaan van begassingsituaties. |
| |
| Combinaties |
| De vijf gepresenteerde gevallen zijn slechts afzonderlijk bekeken, maar dit komt nauwelijks overeen met reële omstandigheden over een grotere horizontale afstand. De gelaagdheid van de atmosfeer kan dus veranderen met de afstand tot de schoorsteen, wat vooral het geval is bij orografische verhogingen en een verandering in de thermische eigenschappen van het aardoppervlak. Als je je nu meerdere lagen achter elkaar voorstelt, kunnen er specifieke combinaties ontstaan die de verspreiding van verontreinigende stoffen helpen of belemmeren. |
|
|
|
|
|
|
