Procesa apraksts

Jūras effekts ir meteoroloģisks process, kad aukstas gaisa massas pārvievotojas pāri siltam ūdenim (ezers, jūra u.t.t).
Vispārīgs procesa skaidrojums:

• Ūdens piezemes gaisa massas sasilda un tās kļūst vieglākas par apkārtējo gaisu un tādēļ sāk celties augšup.
• Ceļoties augšup gaiss adiabātiski(nav siltuma apmainas ar apkārtējo vidi) izplešas (jo samazinās spiediens) un atdziest.
• Atdziestot palielinās gaisa mitrums, līdz tas saniedz augstumu (Lifted Condensation Level (LCL)), kad relatīvais gaisa mitrums sasniedz 100 %. (Vairāk ūdens tvaiku gais nevar saturēt)
• Vēl vairāk ceļoties augšup daļa ūdens kondensējas.
  
• Kondensējoties izdalās latentais siltums, kurš vēl vairāk pastiprina nestabilitāti.
• Process turpinās tik ilgi, kamēr gais kurš ceļas augšup neatdziest līdz apkārtējai temperatūrai.

Padziļināta analīze

Padziļināta analīze - nestabilitātes analītiska noteikšana:

Kad gaisa daļiņa adiabātiski (bez siltumapmaiņas ar apkārtējo vidi) paceļas, tā izplešas un atdziest. Ja gaisa temperatūra atkarībā no augstuma samazinās straujāk kā gaisa daļiņai paceļoties, tad uz to sāk darboties spēks, kurš vērsts uz augšu. Citiem vārdiem rodas nestabilitāte. Viens no šādas nestabilitātes kvantitatīvajiem mēriem ir tā saucamais pacelšanās indeks („Lifted Index”):

kur

- gaisa daļiņas gala augstums, - gaisa daļiņas temperatūra pēc pacelšanās un - apkārtējās vides temperatūra augstumā , kuru bieži nosaka no novērojumiem (zondes, satelīti u.t.t), savukārt ir hipotētiska temperatūra, kuru noteiksim analītiski.

Gaisa daļiņas, kura adiabātiski paceļas, temperatūras izmaiņu var sadalīt 2 daļās: paceļoties no sākotnējā augstuma līdz LCL („Lifted Condensation Level”) un no LCL līdz mērķa augstumam (skat 1.shēma).

1.shēma

Matemātiski to var pierakstīt sekojoši:

(1)

kur - adiabātiskas atdzišanas koeficients sausai gaisa daļiņai paceļoties savukārt - adiabātiskas atdzišanas koeficients piesātināta gaisa daļiņai paceļoties, H_LCL- augstums, kura paceļoties gaisa daļiņai sākas kondensācija, H_dst – interesējošais augstums, bet H₀ – gaisa daļiņas sākotnējais augstums.

Var parādīt, ka līdz dažu kilometru augstumam ar pietiekami precizitāti var pieņemt, ka . To ievērojot (1) var pierakstīt formā:

(2)

Savukārt kondensēšanās līmeni tuvināti var izteikt sekojoši:

un T₀ un T_d ir attiecīgi gaisa daļiņas temperatūra un rasas punkts sākotnējā augstumā.

To ievērojot (2) var pārrakstīt formā:

(3)

Spiediena atkarība no augstuma ir tuvu eksponenciāla un var tikt pierakstīta formā:

(4)

M- vidējā gaisa molekulas masa(apmēram kg), k – Bolcmana konstante (apmēram 1.38*10^-23 J/K), bet g – brīvās krišanas paātrinājums (apmēram 9,8 m/s²)

To ievērojot:

(5)

Rēķinot atmosfēras nestabilitāti līdz 850hPa ar mazāk kā 4% kļūdu var uzskatīt, ka H_dst nav atkarīgs no temperatūras izmaiņas dažādos augstumos un ir vienāds ar T₀

To ievērojot (3) var pārrakstīt formā:

(6)

Tagad jāiegūst piesātināta gaisa adiabātiskas atdzišanas koeficients

Piesātināta gaisa adiabātiska atdzišana paceļoties var izteikt forma:

(7)

kur r_s- piesātināta tvaika “mixing ratio” (gaisa daļiņas ūdens tvaika masas attiecība pret tās pašas gaisa daļiņas masu, ja tur nebūtu ūdens tvaika.), a=8711 K, un

Savukārt “mixing ratio” , kur , kur R_d – Sausa gaisa gāzes konstante(287 J/(K*kg)), bet R_v ūdens tvaika gāzes konstante(461 J/(K*kg)), P – gaisa spiediens, un e ūdens tvaika daļiņu spiediens.

Piesātināta tvaika “mixing ratio”:

(8)

No Klausiusa-Klapeirona vienādojuma iegūst:

(9)

kur e₀=611 Pa, L – īpatnējais iztvaikošanas siltums. Virs ūdens L=2.5*10⁶ J/kg, savukārt virs ledus L=2.83*10⁶ J/kg. T0 - ūdens sasalšanas temperatūra jūras līmenī kelvinos.

No (8) un (9) iegūst:

(10)

No (10) un (7) iegūst:

To ievērojot:

Ievietojot zināmās konstantes:

Šis tad arī ir meklētais vienādojums, ar ko rēķināt atmosfēras nestabilitāti.

Šo integrālvienādojumu var risināt skaitliski. Proti, sadalot intervālu starp LCL un mērķa augstumu n daļās, un katrā daļā pieņemt, ka zem integrāļa izteiksme ir konstanta.