Et spørgsmål om temperaturfald i atmosfæren
Hej Spørg om Fysik
Et spørgsmål om temperaturfald i atmosfæren: Min særdeles kvikke geovidenskabselev Katrine har stillet et spørgsmål, som jeg ikke helt kan svare på: ”Hvorfor falder temperaturen i fx en mængde varm opadstigende luft i takt med, at trykket falder?”
Spørgsmålet faldt i forbindelse med undervisningen om adiabatisk temperaturfald i en luftmasse, som stiger op gennem troposfæren. Adiabatisk afkøling kan delvist forklare afkølingen, men når vi så ser på et temperaturprofil af atmosfæren, kan vi se en temperaturstigning i ozonlaget i stratosfæren… og så kan min fysikkollega og jeg ikke lige finde på en god sammenhængende forklaring.
Kan I hjælpe?
Luft, der stiger op igennem atmosfæren, som en boble eller en ballon, møder hele tiden et lavere tryk, som lufttrykket i boblen indstiller sig efter. Derfor udvider en luftboble sig på vej opad.
Forudsat at der ikke sker blanding med omgivelserne, hverken masse eller energi, vil temperaturen falde ca. 9,8 °C/km inde i boblen. Afkølingen skyldes naturligvis, at det koster energi at udvide sig. Og den tages fra den indre energi (adiabatisk proces).
Opstigningen vil hele tiden få tilført ekstra impuls, så længe boblen er varmere end omgivelserne. Når luftboblen er kommet op, hvor den er koldere, sættes en opbremsning af opstigningen igang, og på et eller andet tidspunkt stopper opstigningen helt.
Ud fra denne model af opstigende luft kan luft aldrig nå op i de øvre lag af atmosfæren. Det kan man forstå ud fra den kendsgerning, at temperaturen er konstant eller stiger i stratosfæren. Hvis temperaturen stiger kraftigt med højden i luftlagene som sådan, vil en opstigende luftboble bremses hurtigt.
Sætningen Adiabatisk afkøling kan delvist forklare afkølingen er derfor ikke umiddelbart nem at sætte i sammenhæng. Adiabatisk afkøling er jo netop forklaringen på en opstigende lufts temperaturfald. Men dette må ikke blandes sammen med temperaturforløbet i omgivelserne.
Det generelle temperaturforløb er bestemt af raten, hvorved der sker vertikal omblanding, og styrken af eventuelle diabatiske processer på stedet. I ozonlaget er der absorption af UV-lys, hvilket giver et stort input til den indre energi, så temperaturen rent faktisk stiger med højden. Og derved formindskes chancerne for at en opstigende luftboble kan trænge ind i laget. Ja faktisk sker det slet ikke. Dvs. så bliver temperaturen i laget rent strålingsbestemt.
Længere nede, i troposfæren, falder temperaturen stort set med den fugtadiabatiske temperaturgradient, ca. 6-7 °C/km. Dette skyldes, at troposfæren nemt kan blande luft vertikalt, og derved bliver forløbet konvektivt bestemt. At det er 6-7 °C/km og ikke knap 10 °C/km skyldes, at den opstigende luft udkondenserer vanddamp, som giver et temperaturbidrag, der modvirker den udvidelsesbetingede adiabatiske afkøling
Med venlig hilsen
Aksel Walløe Hansen