A konvekció alapjai I. - Felhőképződés

Kategória: 

ismerettejesztő anyagok

1. Bevezetés  - a felhajtóerő

A felhajtóerő (pozitív előjellel) olyan felfelé ható erő, mely egy légrész és a környező levegő közti sűrűségkülönbség révén alakul ki. Ez az erő a légrészek függőleges gyorsulását idézi elő, ily módon alapvető szerepet játszik a konvektív fel- és leáramlások létrejöttében. Számos tényező növelheti, ill. csökkentheti a légrészekre ható felhajtóerőt. A hőmérséklet és a páratartalom emelkedése fokozza, míg a kondenzáció során megjelenő (lebegő) felhőcseppek és a hulló csapadék csökkenti a felhajtóerőt.

A nagyskálájú mozgások esetében a felhajtóerő és (a nagyobb nyomás felől a kisebb felé mutató) függőleges nyomási gradiens erő összemérhető egymással, az ilyen mozgások hidrosztatikus egyensúlyban vannak. Kisléptékű folyamatoknál azonban - mint pl. a konvekció esetében - a felhajtóerő lényegesen meghaladhatja a függőleges nyomási gradiens erőt. Ennek eredményeképpen a függőleges gyorsulás sokkal nagyobb lehet, mint ami a nagyskálájú mozgásokra jellemző. Ezeket a mozgásokat nem-hidrosztatikusnak nevezzük.

Amennyiben a vertikális szélnyírás gyenge, a konvektív fel- és leáramlások kialakításában a felhajtóerő a meghatározó. Erősebb szélnyírás esetében a feláramlás és a szélnyírás kölcsönhatása erősítheti ill. gyengítheti is a vertikális gyorsulásokat. Ezt a kölcsönhatást "A konvekció alapjai III. - A szélnyírás és a konvekció kapcsolata" című anyagban mutatjuk be részletesebben.

2. Felhajtóerővel kapcsolatos folyamatok

A felhajtóerővel kapcsolatos alapvető folyamatokat egy szélnyírásmentes környezetben kifejlődő, egycellás zivatarfelhő jellemző életciklusán keresztül mutatjuk be (1. ábra).

2.1. 1.Szakasz: fejlődő stádium

Azt a magasságot, ahol az emelkedő légrész először válik melegebbé (kevésbé sűrűvé) a környező levegőnél, szabad konvekciós szintnek (LFC - level of free convection) hívjuk. Instabil légköri feltételek mellett az LFC-t elérő légrész addig emelkedik tovább szabadon (2. ábra), amíg olyan hideg (sűrű) nem lesz, mint a környező levegő. Az a magasban elhelyezkedő szint az egyensúlyi szint (EL - equilibrium level), mely fölött a környező levegő már végig melegebb az emelkedő légrésznél. 2.2. 2. Szakasz: érett stádium Elérve az EL magasságát, a légrész hőmérséklete éppen a környező levegőével fog megegyezni. Mivel azonban a légrész bizonyos mennyiségű momentummal rendelkezik, némileg még az EL felett is folytatja emelkedését, noha ekkor már hidegebb a környezeténél. Ez a járulékos emelkedés hozza létre az üllőből kitüremkedő ún. túlnyúló csúcsot. A környezeténél hidegebb légrész végül az EL felé kezd süllyedni. A légrész azután még - egyre kisebb mértékben - tovább oszcillálhat az EL körül. A folyamat ismétlődésével ezen a szinten egyre inkább felhalmozódnak a légrészek, és kénytelenek oldalirányban szétterjedni, létrehozva a zivatarfelhő üllőjét (3. ábra). Mialatt mindez lezajlik, a feláramlásban kondenzálódik a nedvesség. A kicsapódott vízcseppek súlya aztán túl nagy lesz ahhoz, hogy a feláramlás fenntartsa, így a csapadék a feláramláson keresztül hullani kezd lefelé.  2.3. 3. Szakasz A csapadékképződés jelentősen csökkenti a pozitív felhajtóerőt, a lefelé hulló csapadék magával ragadja a levegőt, kialakítva ezzel a leáramlást (4. ábra). Kezdetben a leáramlás erősségét leginkább ez a tényező határozza meg. A másik összetevő a leáramlás lehűléséhez járul hozzá, mely egyrészt a középszintű szárazabb levegő bekeveredéséből fakad, másrészt a csapadék felhőalap alatti párolgásából származik. Mindkét részfolyamat hűtő hatása növeli a leáramlás és a környezet közötti hőmérsékletkülönbséget, ezáltal fokozva a lefelé irányuló gyorsulást. Esettanulmányok alapján elmondható, hogy a zivatarokban leáramló levegő nagy része középszintről származik, általában 3-5 km magasságból. 2.4. 4. Szakasz: Feloszló stádium A leáramlás a felszínt elérve sugárirányban szétterül, hideg légtestet képezve. A terjeszkedő hideg levegő hatására zivataros kifutószél jön létre, melynek vezető éle a kifutó(szél)front (gust front). A zivatarcella végső életstádiumát az jelenti, amikor a le- és kiáramlás válik meghatározóvá (5. ábra). Ekkorra a felhajtóerő már mindenütt negatívvá válik, a cella alól kifutó hideg levegő elvágja a felhő meleg levegővel történő utánpótlását. Forrás/ Szemléltető videó:

http://szupercella.hu/node/284