Очень важную роль в атмосферных процессах играет то об­стоятельство, что температура воздуха может изменяться и ча­сто действительно изменяется адиабатически, т. е. без теплооб­мена с окружающей средой (с окружающей атмосферой, зем­ной поверхностью и мировым пространством). Вполне строго адиабатических процессов в атмосфере не бывает: никакая масса воздуха не может быть полностью изолирована от тепло­вого влияния окружающей среды. Однако если атмосферный процесс протекает достаточно быстро и теплообмен за это время мал, то изменение состояния можно с достаточным приближе­нием считать адиабатическим.

Если некоторая масса воздуха в атмосфере адиабатически расширяется, то давление в ней падает, а вместе с ним падает и температура. Напротив, при адиабатическом сжатии массы воздуха давление и температура в ней растут. Эти изменения температуры, не связанные с теплообменом, происходят вследст­вие преобразования внутренней энергии газа (энергии положе­ния и движения молекул) в работу или работы во внутреннюю энергию. При расширении массы воздуха производится работа против внешних сил давления, так называемая работа расши­рения, на которую затрачивается внутренняя энергия воздуха. Но внутренняя энергия газа пропорциональна его абсолютной температуре; поэтому температура воздуха при расширении па­дает. Напротив, при сжатии массы воздуха производится ра­бота сжатия. Внутренняя энергия рассматриваемой массы воз­духа вследствие этого возрастает, т. е. скорость молекулярных движений увеличивается. Следовательно, растет и температура воздуха.

Сухоадиабатические изменения температуры

Закон, по которому происходят адиабатические изменения состояния в идеальном газе, с достаточной точностью применим к сухому воздуху, а также к ненасыщенному влажному воздуху. Этот сухоадиабатический закон выражается уравнением сухоадиабатического процесса, или уравнением Пуассона:

где А — термический эквивалент ра­боты; показатель AR / c_p равен 0,286.

Для влажного ненасыщенного воздуха вместо температуры Т следует брать виртуальную температуру Т _v .

Смысл уравнения Пуассона состоит в следующем. Если дав­ление в массе сухого или ненасыщенного воздуха меняется от р₀ в начале процесса до р в конце процесса, то температура в этой массе меняется от Т₀ в начале до T в конце процесса; при этом значения температуры и давления связаны написан­ным выше уравнением.

Сухоадиабатические изменения температуры при

Вертикальных движениях

В атмосфере расширение воздуха и связанное с ним падение давления и температуры происходят в наибольшей степени при восходящем движении воздуха. Такой подъем воздуха может происходить разными способами: в виде восходящих токов конвекции; над поверхностью фронта — при движении обширных слоев воздушной массы вверх по пологому клину другой, более холодной воздушной массы; при подъеме воздуха по горному склону. Аналогичным образом сжатие воздуха, сопровождаю­щееся повышением давления и температуры, происходит при опускании, при нисходящем движении воздуха.

Отсюда важный вывод: восходящий воздух адиабатически охлаждается, нисхо­дящий воздух адиабатически нагревается.

Нетрудно подсчитать, на сколько метров должен подняться или опуститься воздух, чтобы температура в нем понизилась или повысилась на один градус.

Вер­тикально движущийся воздух мало отличается по абсолютной температуре от окружающего воздуха. В связи с этим, получим для изменения температуры в вертикально движущемся воздухе на единицу изменения высоты

Значком i здесь указано, что температура относится к инди­видуальной вертикально движущейся массе воздуха. Знак минус перед правой частью показывает, что при адиа­батическом подъеме воздуха температура его падает, а при адиабатическом опускании возрастает. Величина Ag / c_p  равна 0,98°/100 м.

Итак, при адиабатическом подъеме сухого или ненасыщенного воздуха температура на каждые 100 м подъема падает почти точно на один градус, а при адиабатическом опускании на 100 м температура растет на ту же величину.

Эта величина 1°/100 м называется сухоадиабатическим градиентом Г _d . Еще раз напомним, что речь идет об изменении температуры с высотой в вертикально движущейся индивидуальной частице воздуха. Не следует смешивать термин «градиент» в этом значении с вертикальным градиентом темпе­ратуры в атмосферном столбе, о котором пойдет речь ниже.