ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ

Με τον όρο «θερμότητα» εννοούμε μια μορφή ενέργειας που εξαρτάται από τη δομή της ύλης και που είναι δυνατό να μεταδοθεί σε διάφορα συστήματα ή σώματα με διάφορους τρόπους ή να μετατραπεί σ' άλλες μορφές ενέργειας. Σα «θερμοκρασία» ενός υλικού χαρακτηρίζεται ο βαθμός της μοριακής δράσης ή της θερμότητας αυτού. Αυτή καθορίζεται από τη ροή θερμότητας από ένα σύστημα ή σώμα σ' ένα άλλο και γίνεται αισθητή ή μετριέται με τη βοήθεια ενός οργάνου.
Οι μορφές με τις οποίες η θερμική ενέργεια (θερμότητα) γίνεται αντιληπτή στο σύστημα γη-ατμόσφαιρα είναι α) η αισθητή θερμότητα της οποίας το αποτέλεσμα (αισθητή θερμοκρασία) μπορεί να μετρηθεί απευθείας με τη βοήθεια ενός οργάνου και β) η λανθάνουσα θερμότητα (αντίστοιχο αποτέλεσμα: λανθάνουσα θερμοκρασία) που διακινείται κατά τη διάρκεια ορισμένων φυσικών διεργασιών (εξάτμιση, συμπύκνωση, κ.ά.).
Όπως ήδη ειπώθηκε, η μοναδική, ουσιαστικά, πηγή θερμότητας για τον πλανήτη μας είναι ο Ήλιος, γιατί η ενέργεια τόσο από το εσωτερικό της γης όσο και από τους απλανείς θεωρείται αμελητέα. Μάλιστα υπολογίστηκε ότι, αν εξέλιπαν εντελώς τα ποσά θερμότητας που φτάνουν από το εσωτερικό του πλανήτη μας στην επιφάνεια του, η μέση θερμοκρασία στην επιφάνεια της γης θα ελαττωνόταν λιγότερο από 0.1 °C. Συνεπώς, μόνο η ηλιακή ακτινοβολία είναι εκείνη που ρυθμίζει άμεσα και έμμεσα τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας και ιδιαίτερα τη θερμοκρασία των κατωτέρων στρωμάτων της διατηρώντας έτσι σε συνεχή δράση την τεράστια θερμική μηχανή γη-ατμόσφαιρα. Σαν άμεση επίδραση θεωρείται η μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία και σαν έμμεση η αντίστοιχη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (γήινη ακτινοβολία) που και πάλι εξαρτάται από την ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του εδάφους.
Οι διάφοροι μηχανισμοί μετάδοσης της θερμότητας στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα τη θέρμανση του αέρα, κυρίως, των κατωτέρων ατμοσφαιρικών στρωμάτων είναι: α) μετάδοση δι' αγωγιμότητας, β) μετάδοση δια μεταφοράς (δια μέσου μεταφοράς στροβίλων και μάζας) και γ) μετάδοση δι' ακτινοβολίας. Οι τρεις αυτοί μηχανισμοί αποδίδονται, εποπτικά, στο σχήμα 6.1

Σχήμα 6.1 Τρόποι θέρμανσης του αέρα από την ηλιακή ακτινοβολία
Μεταφορά θερμότητας

Συνεπώς οι σπουδαιότεροι παράγοντες που σε τελική φάση διαμορφώνουν τις θερμομετρικές συνθήκες πάνω από ένα τόπο, μπορούμε να πούμε ότι είναι:
1. Το ισοζύγιο ακτινοβολιών στο σύστημα γης-ατμόσφαιρας που υπάρχει στον τόπο αυτό.
2. Η δυνατότητα και η συχνότητα μεταφοράς στον τόπο αυτό ποσοτήτων θερμότητας με οριζόντιες και κατακόρυφες κινήσεις (θερμές ή ψυχρές αέριες μάζες).
3. Τα ποσά θερμότητας που εκλύονται ή προσλαμβάνονται κατά τους μηχανισμούς της συμπύκνωσης των υδρατμών ή της εξάτμισης του νερού.
4. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του εδάφους που συνδέονται και με την ανακλαστικότητα του εδάφους και τη φυτοκάλυψή του και
5. Τα θαλάσσια ρεύματα που τυχόν περνούν κοντά από τον τόπο.
Επίσης στο προηγούμενο κεφάλαιο λέχτηκε ότι ο ατμοσφαιρικός αέρας, από την ηλιακή ακτινοβολία που διέρχεται απ' αυτόν, απορροφά πολύ μικρά ποσά θερμότητας και έτσι, η επιφάνεια του εδάφους θερμαίνεται πολύ περισσότερο. Τα επιφανειακά στρώματα του αέρα επομένως, θερμαίνονται ισχυρότερα από τα ανώτερα τους. Γίνονται γι αυτό ελαφρότερα και ανέρχονται, μεταφέροντας θερμότητα σ' ανώτερο στρώματα της ατμόσφαιρας. Έχουμε δηλαδή ανάμιξη θερμών και ψυχρών αέριων μαζών. Ανάμιξη θερμών και ψυχρών αέριων μαζών και. γενικά, μεταβολές θερμότητας δημιουργούνται και από την ανομοιόμορφη και άνιση θέρμανση της γήινης επιφάνειας εξαιτίας των οποίων προκαλούνται οριζόντιες και κατακόρυφες κινήσεις του αέρα.
Είναι γνωστό ότι, αν ένα αέριο θερμικά απομονωμένο από το περιβάλλον του υποστεί εκτόνωση, τότε αυτό ψύχεται, γιατί κατά τη διεργασία αυτή το αέριο παράγει έργο, χωρίς την προσφορά σ' αυτό θερμότητας. Αντίθετα, αν το αέριο συμπιεστεί, τότε αυτό θερμαίνεται. Τις καταστατικές αυτές μεταβολές, σύμφωνα με τις οποίες ούτε προσφέρεται ούτε αφαιρείται από το αέριο ποσότητα θερμότητας, ονομάζουμε αδιαβατικές μεταβολές.
Αρχικά φαίνεται ότι δεν είναι δυνατή η ύπαρξη αδιαβατικών μεταβολών μέσα στην ατμόσφαιρα, γιατί οι μετακινούμενες αέριες μάζες δεν είναι θερμικά απομονωμένες από το περιβάλλον τους. Όμως, λαμβάνοντας υπόψη ότι μέσα στην ατμόσφαιρα και σ' αρκετή απόσταση από την επιφάνεια του εδάφους, αφενός, παρατηρούνται ταχείες μετακινήσεις αερίων μαζών και, αφετέρου, η θέρμανση και η ψύξη των αερίων μαζών δι' ακτινοβολίας ή δια μοριακής αγωγιμότητας είναι εξαιρετικά βραδείες, μπορούμε να δεχτούμε ότι συμβαίνουν αδιαβατικές μεταβολές λόγω ελάττωσης της πίεσης. Πράγματι, τόσο η θεωρία όσο και η παρατήρηση αποδεικνύουν την ύπαρξη ισχυρών αδιαβατικών μεταβολών μέσα στην ατμόσφαιρα που παίζουν σπουδαιότατο ρόλο στη θερμοκρασιακή διαφοροποίηση των διάφορων μερών της και, γενικά, στην καιρική και κλιματική λειτουργικότητα της.
Τέλος, στην παράγραφο 1.6 μελετήθηκε η ελάττωση της θερμοκρασίας του αέρα με το ύψος και δόθηκε η έννοια της κατακόρυφης θερμοβαθμίδας (γ). Η ελάττωση αυτή οφείλεται:
α) Στην αραίωση του αέρα που έχει ως φυσικό αποτέλεσμα ν' ελαττώνεται, κατά πολύ, η δυνατότητα απορρόφησης της ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα.
β) Στην, κατά κύριο λόγο, θέρμανση της ατμόσφαιρας από την επιφάνεια της γης και όχι άμεσα από τον ήλιο. Η θέρμανση αυτή από την επιφάνεια του εδάφους γίνεται: 1) δι' ακτινοβολίας (γήινη ακτινοβολία), 2) δια μοριακής αγωγιμότητας, 3) δια των αναταρακτικών κινήσεων και 4) δια μεταφοράς λανθάνουσας θερμότητας από τους υδρατμούς.
γ) Στην ελάττωση των υδρατμών με την αύξηση του ύψους. Έτσι, εξασθενεί με το ύψος το «φαινόμενο του θερμοκηπίου» και
δ) Στην ελάττωση της θερμοκρασίας του ανερχόμενου αέρα εξαιτίας της διαστολής του, γιατί, ως γνωστό, για την εκτόνωση απαιτείται να δαπανηθεί ενέργεια.
Αν μια αέρια μάζα, που δεν είναι κορεσμένη από υδρατμούς, ανέρχεται στην ατμόσφαιρα και ψύχεται μόνον αδιαβατικά, τότε η θερμοκρασία της θα ελαττώνεται κατά 0.98 °C (1 °C περίπου) ανά 100 m. Η ελάττωση αυτή (κατ' αναλογία με την κατακόρυφη θερμοβαθμίδα) λέγεται ξηρή κατακόρυφη αδιαβατική θερμοβαθμίδα και συμβολίζεται με γd [γd=-(dT/dz)].
Στην περίπτωση που η αέρια μάζα είναι κορεσμένη από υδρατμούς, τότε η πτώση της θερμοκρασίας δεν είναι σταθερή. Η μέση τιμή της ελάττωσης της θερμοκρασίας της αέριας μάζας είναι περίπου 0.5 °C και ονομάζεται υγρή κατακόρυφη αδιαβατική θερμοβαθμίδα και συμβολίζεται με γs.
Η ευστάθεια και αστάθεια της ατμοσφαίρας εξαρτάται άμεσα από την κατακόρυφη θερμοβαθμίδα. Αν η κατακόρυφη θερμοβαθμίδα συμβεί να είναι μικρότερη από την ξηρή και υγρή κατακόρυφη αδιαβατική θερμοβαθμίδα, τότε η ατμόσφαιρα είναι σταθερή, ενώ αν είναι μεγαλύτερη, τότε η ατμόσφαιρα δεν είναι σταθερή.
Για τον ελλαδικό χώρο οι μέσες τιμές της κατακόρυφης θερμοβαθμίδας, που είναι αποτέλεσμα θεωρητικών υπολογισμών, δίνονται στον πίνακα 6.1.

Πίνακας 6.1. Μέσες τιμές της κατακόρυφης θερμοβαθμίδας (° C ανά 100m) πάνω από τον ελλαδικό χώρο.

Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Σ Ο Ν Δ
0,7 0,64 0,59 0,50 0,47 0,55 0,67 0,70 0,63 0,64 0,66 0,64