Ջերմաստիճանային ինվերսիա․ երբ մթնոլորտը «խելագարվում է»․ Լևոն Ազիզյան

ՇՄՆ Հիդրոօոդերևութաբանության և մոնիթորինգի կենտրոն ՊՈԱԿ-ի տնորեն Լևոն Ազիզյանը գրում է․

«Ջերմաստիճանային ինվերսիա․ երբ մթնոլորտը «խելագարվում է»

Անշուշտ նկատել եք, որ պարզ ու սառն օրերին ծխնելույզներից ելնող ծուխը ոչ թե բարձրանում է վեր, այլ տարածվում է գետնին մոտ։ Սակայն քչերն են մտածում, որ այդ պահին՝ թռչնի թռիչքի բարձրության վրա, օդը կարող է զգալիորեն ավելի տաք լինել, քան երկրի մակերևույթին։ Ջերմաստիճանային ինվերսիան մթնոլորտային մի պարադոքս է, որը քաղաքները փակում է սմոգի թակարդում և ստիպում օդին «վարել իրեն» սովորական տրամաբանությանը հակառակ։ Այս նյութում կփորձենք պարզաբանել, թե ինչպես են անտիցիկլոնները ստեղծում այս անտեսանելի ջերմային գմբեթը և ինչու անգամ լավագույն թվային մոդելները պարբերաբար սխալվում են նման պայմաններում մերձերկրյա օդի ջերմաստիճանը հաշվարկելիս։

Երբ մթնոլորտը «շուռ է գալիս գլխիվայր»

Մենք սովոր ենք մի պարզ ճշմարտության, որը յուրացնում ենք դեռ դպրոցում աշխարհագրության դասերին կամ լեռներ բարձրանալիս․ որքան բարձրանում ենք, այնքան օդը սառչում է։ Ստանդարտ մթնոլորտում ջերմաստիճանը միջինում նվազում է մոտ 0.6–1°C յուրաքանչյուր 100 մետր բարձրության վրա։ Սա տրամաբանական է թվում, քանի որ հեռանում ենք Արեգակի կողմից տաքացվող Երկրի մակերևույթից։ Սակայն մթնոլորտը դինամիկ ու քմահաճ միջավայր է, և երբեմն այս հիմնարար օրենքը խախտվում է ամենաանսպասելի ձևով։

Առաջանում է մի երևույթ, որը օդերևութաբանները անվանում են ջերմաստիճանային ինվերսիա։ Պատկերացրեք շերտավոր մի տորթ, որը սխալ են հավաքել․ բարձրության հետ սառչելու փոխարեն օդը սկսում է տաքանալ։ Սառը և խիտ օդի շերտը մնում է գետնին սեղմված, իսկ դրա վերևում՝ տաք վերմակի պես, տեղավորվում է ավելի թեթև և տաք օդի շերտը։ Այս «շրջված» կառուցվածքը ամբողջովին արգելափակում է մթնոլորտի ուղղահայաց խառնուրդը՝ ստեղծելով յուրահատուկ, երբեմն էլ վտանգավոր եղանակային պայմաններ։

Գիշերային սառեցման մեխանիզմը

Ինվերսիայի էությունը հասկանալու համար պետք է պատկերացնել, թե ինչպես է մեր մոլորակը վարվում ջերմության հետ։ Ցերեկը Երկրի մակերևույթը կլանում է արևային ճառագայթումը, իսկ գիշերը այն վերադարձնում է տիեզերք՝ ինֆրակարմիր ճառագայթման տեսքով։ Եթե երկինքը ամպամած է, ամպերը գործում են որպես վերմակ՝ ջերմության մի մասը հետ վերադարձնելով։ Բայց եթե գիշերը պարզ է և անհողմ, ջերմությունը հեռանում է շատ արագ։ Հողը, ասֆալտը կամ ձյունը կտրուկ սառչում են և սկսում սառեցնել իրենց հարակից օդի շերտը։

Օդը լավ ջերմամեկուսիչ է, ուստի սառչում է միայն ամենացածր շերտը՝ մի քանի մետրից մինչև մի քանի հարյուր մետր հաստությամբ։ Իսկ ավելի վեր գտնվող օդը չի շփվում սառը մակերևույթի հետ և պահպանում է իր ցերեկային ջերմությունը։ Այսպես է ձևավորվում դասական մերձերկրյա ճառագայթային ինվերսիան, երբ ձեր ոտքերի մոտ կարող է լինել -10°C, իսկ բարձրահարկ շենքի տանիքի մակարդակում՝ 0°C կամ նույնիսկ թույլ դրական ջերմաստիճան։

 Անռիցիկլոնի գմբեթը և նստեցման ինվերսիան

Ամենահզոր և կայուն ինվերսիաները ձևավորվում են ոչ միայն պարզ գիշերներին, այլ հատկապես հզոր անտիցիկլոնների՝ բարձր մթնոլորտային ճնշման մարզերի պայմաններում։ Անտիցիկլոնը գործում է որպես հսկայական մթնոլորտային մամլիչ։ Նրա կենտրոնում օդը դանդաղ իջնում է ներքնոլորտի վերին շերտերից դեպի ներքև։ Այդ պրոցեսը կոչվում է սուբսիդենցիա։ Ֆիզիկայի օրենքներով՝ իջնելիս օդը սեղմվում է, իսկ սեղմվելիս գազը անխուսափելիորեն տաքանում է (հիշեք ինչպես է տաքանում հեծանվի պոմպը)։

Այդ իջնող տաք օդը ծածկում է գետնին մոտ սառած օդի շերտը՝ ինչպես հսկայական կափարիչ։ Այն թույլ չի տալիս, որ սառը օդը վեր բարձրանա և ցրվի, իսկ տաք օդը՝ իջնի ավելի ներքև։ Արդյունքում ստացվում է կատարյալ թակարդ․ ներքևում՝ մերձերկրյա շերտում, տիրում են սառնություն, անհողմություն և բարձր ճնշում, մինչդեռ բառացիորեն մեկ կիլոմետր վեր կարող է լինել 10–15 աստիճանով ավելի տաք։

Կյանքը «կափարիչի» տակ․ մառախուղ և սմոգ

Մեգապոլիսների և արդյունաբերական կենտրոնների բնակիչների համար ինվերսիան լուրջ վտանգի ազդանշան է։ Քանի որ սառը օդը ավելի ծանր է, այն մնում է գետնին մոտ։ Ուղղահայաց կոնվեկցիան՝ մթնոլորտի բնական ինքնամաքրման գործընթացը, երբ տաք և աղտոտված օդը բարձրանում է վեր, դադարում է։ Ինվերսիոն շերտը գործում է որպես անթափանց առաստաղ։ Ավտոմեքենաների արտանետումները, գործարանների և ՋԷԿ-երի ծուխը, փոշին՝ բոլորը «հենվում» են այս տաք շերտին և չեն կարողանում հեռանալ վերին շերտեր։

Վնասակար նյութերի խտությունը կտրուկ աճում է՝ առաջացնելով սմոգ։ Տեսողականորեն սա դրսևորվում է որպես մոխրագույն կամ դարչնագույն մշուշ, որը ծածկում է քաղաքը, մինչդեռ դրա վերևում փայլում է մաքուր կապույտ երկինքը։ Բացի այդ, բարձր խոնավության պայմաններում մերձերկրյա շերտի սառեցումը բերում է ջրային գոլորշու խտացման և խիտ, երկարատև մառախուղների ձևավորման, որոնք մեքենա վարելը վերածում են իրական ռիսկի։

Ինչու են մոդելները սխալվում

Կարծես թե արհեստական բանականության և հզոր հաշվարկային կլաստերների դարում ջերմաստիճանի կանխատեսումը պետք է լինի գրեթե իդեալական։ Սակայն հենց անտիցիկլոնային ինվերսիաներն են դառնում եղանակի կանխատեսման թվային մոդելների իսկական մղձավանջը։ Խնդիրը մոդելների այսպես կոչված ուղղահայաց լուծաչափի մեջ է։ Համակարգիչը մթնոլորտը բաժանում է բջիջների։ Մերձերկրյա շերտում փոփոխությունները չափազանց կտրուկ են․ 2 մետր բարձրության վրա կարող է լինել -20°C, իսկ 50 մետր բարձրության վրա՝ արդեն -15°C։

Եթե մոդելի «բջիջը» ուղղահայաց չափով շատ հաստ է, այն այս արժեքները միջինացնում է՝ տալով սխալ արդյունք մարդու բարձրության մակարդակի համար։ Մոդելները հաճախ թերագնահատում են գիշերային սառեցման ուժգնությունը՝ կանխատեսելով իրականից ավելի տաք եղանակ, քանի որ դժվարանում են ճիշտ հաշվարկել տուրբուլենտ խառնուրդը այն բարակ, բայց չափազանց կարևոր շերտում, որը գտնվում է սառը գետնի և վերևի տաք օդի միջև։ Քամու արագության կամ ամպամածության հաշվարկի նույնիսկ փոքր սխալը կարող է հանգեցնել ջերմաստիճանի 5–10 աստիճան շեղման, ինչը ժամանակակից օդերևութաբանության համար արդեն լուրջ ձախողում է»։