كليه پديده هايي كه آن را تغييرات وضع هوا مي ناميم ، از يك نسيم بسيار ملايم گرفته تا طوفانهاي شديد ، و يا از يك آسمان صاف تا هواي ابري و باراني ، همگي ناشي از توزيع نا مساوي گرما در جو است.
بيشتر حركات هوا و تغييراتي كه در آن به وجود مي آيد بر اين اصل ساده استوار است كه هواي گرم سبك بوده و به بالا صعود مي كند ، و بالعكس هواي سرد به علت سنگيني به پائين نزول مي نمايد.
گاهي اوقات ، جو زمين ، به يك ماشين حرارتي تشبيه مي شود كه از يك سو انرژي دريافت ، و از سوي ديگر آن را پس مي دهد . بنابراين در مطالعه علوم جوي قبل از هر چيز بايد به توصيف گرما در جو و فرايندهايي كه موجب كسب و يا از دست دادن گرما مي شود بپردازيم.
گرما و دما
گرما نوعي انرژي است به يك جسم داده مي شود تا دماي آن افزايش يابد.
دماي يك جسم را نبايد با مقدار گرمايي كه در آن جسم وجود دارد اشتباه كرد . دما معياري است كه از روي آن شدت گرما را حس مي كنيم جريان گرما هميشه از جايي كه دماي آن زيادتر است به طرف جايي كه دماي آن كمتر است مي باشد . همچنين مي توان گرما را مقدار كار انجام شده براي افزايش دماي يك جسم تعريف نمود . به طوري كه با توقف جريان گرما ، كار نيز متوقف مي گردد.
هنگامي كه جسم گرما جذب مي كند مولكولهاي آن كه انرژي بيشتري دريافت نموده اند سرعت ارتعاشاتشان افزايش مي يابد . مقدار گرمايي كه لازم است به واحد جرم يك جسم داده شود تا دماي آن به اندازه يك درجه افزايش يابد ، گرماي ويژه نام دارد . گرماي ويژه در اجسام مختلف متفاوت است.
فرايندهاي انتقال گرما
انتقال گرمايي به سه طريق :1- تابش (Radiation) ؛ 2- هدايت (Conduction) ؛ 3- همرفت يا جابجايي (Convection) صورت مي گيرد.
تابش: در اين فرايند انتقال گرما به صورت موج بوده و هيچ گونه ماده اي به عنوان هادي در آن نقشي ندارد . كليه اجسامي كه دماي آنها بالاتر از صفر مطلق باشد ( 273- درجه سانتيگراد ) قادرند از خود انرژي تابشي گسيل نمايند.
هدايت: در فرايند هدايت اتمهاي جسم هادي با دريافت گرما انرژيشان افزايش يافته و به ارتعاش در مي آيند ، سپس بدون آنكه خود نقل مكان كنند در اثر برخورد با اتمهاي مجاور ، انرژي خود را به آنها منتقل مي نمايند .
همرفت: در اين فرايند هم محيط مادي لازم است و هم خود ماده جابجا مي شود ، كه گرما نيز همراه با آن انتقال پيدا مي كند . جابجايي گرما با فرايند همرفت در گازها بهتر از مايعات صورت مي گيرد به همين دليل صعود و يا نزول گرما با فرايند همرفت توده هاي هواي گرم وسرد در جو مهمترين عامل انتقال گرما است .
تغييرات قائم دما (گراديان قائم دما)
هنگامي كه از سطح زمين به طرف بالا صعود مي كنيم هر چه بالاتر برويم دماي هوا كاهش پيدا مي كند . نسبت كاهش دما به ارتفاع را در جو ، گراديان عمودي دما گويند .كاهش دما در ارتفاعات بالاتر سه دليل عمده دارد :
1- منبع اصلي گرما براي هوا سطح زمين مي باشد . بديهي است با دور شدن از منبع گرما دماي هوا كاهش مي يابد.
2- مقدار بخار آب به تدريج كه بالا مي رويم كم مي شود ، لذا در ارتفاعات بالا تر هوا نمي تواند گرماي زيادي در خود نگهدارد .
هوا در نتيجه گرم شدن زمين به طرف بالا صعود مي كند و در هنگام صعود منبسط شده و در جه حرارت آن كم مي شود .
تأثير حركات عمودي هوا بر دما
1-گرم يا سرد شدن موضعي هوا (در داخل يك توده)
چنانچه قسمتي از سطح زمين نسبت به ديگر نقاط مجاور خيلي گرم شود هوايي كه روي آن قسمت قرار گرفته است نيز گرم تر خواهد شد . هوا بعد از گرم شدن منبسط شده و چون از هواي مجاورخود سبك تر است به بالا صعود مي كند ، و بر عكس هواي بالاتر چون نسبت به آن سرد وسنگين است به سمت پائين كشيده مي شود.
2- صعود هوا به دليل برخورد با كوه
هنگامي كه يك توده هوا در مسير حركت افقي خود به كوه ياسلسله جبال برخورد كند مجبور به صعود و عبور از كوه شده سپس در پشت كوه به طرف پائين سرازير مي گردد . در عبور از بالاي كوه هوا مجبور به صعود مي شود و پس از عبوراز آن چون به اندازه كافي سرد و خشك شده است سنگين مي شود و تمايل به نزول پيدا مي كند .
3-صعود هوا به علت برخورد جبهه ها
جبهه سطح مرزي بين دو توده هواي مختلف مي باشد . سطح برخورد دو توده هوا را سطح جبهه مي گويند. محل تلاقي سطح جبهه با سطح زمين را خط جبهه نامند . جبهه يك سطح قائم نيست ، بلكه داراي شيب مي باشد به طوري كه هواي سرد كه سنگين تر است به صورت زبانه اي (تيغه اي) در زير هواي گرم قرار مي گيرد و هواي گرم را به طرف بالا جاري مي سازد . در نتيجه جرياني از هواي گرم از پائين به بالا به وجود مي آيد.
همگرايي و واگرايي
هوا ممكن است در حركات افقي خود همگرايي (convergence) ، يا واگرايي (divergence) داشته باشد . واگرايي يعني جريان هوا از يك نقطه به اطراف، و همگرايي يعني جريان يافتن هواي اطراف به سمت يك نقطه . در صورتي كه در يك نقطه حالت همگرايي ايجاد شود هوا به سمت بالا صعود مي كند ، و در حالت واگرايي يك نوع فرونشيني هوا به وجود مي آيد. زيرا هوا نمي تواند در اثر همگرايي در يك نقطه تجمع پيدا كند و يا در اثر واگرايي خلا دائمي در آن بوجود آيد .
اثر گلخانه اي
اتمسفر زمين با داشتن تركيباتي نظير گاز كربنيك و بخار آب قادر است تابش با طول موج بلند را جذب كند . در حالي كه جذب تابش طول موج كوتاه خورشيد توسط اين دو گاز به مقياس بسيار اندكي صورت مي گيرد . بنابراين در جو زمين درست همان فرايندي رخ مي دهد كه در يك گلخانه مي توان مشاهده كرد . زيرا شيشه تمام تابش طول موج كوتاه خورشيد را عبور مي دهد ، در حالي كه مانع خروج تابش طول موج بلند زمين مي شود . به همين دليل فضاي گلخانه ها در طول روز به سرعت گرم مي شود . نتيجه چنين فرايندي در اتمسفر ، گرم شدن تدريجي آن در فرايند تبادلات حراراتي است.
«در جو ، رفت و برگشت و مبادله انرژي بين سطح زمين و جو ، هوا را گرم تر از آنچه از تابش مستقيم و بازتاب آن انتظار مي رود نگه مي دارد . در واقع گرماي ذخيره شده در لايه تروپوسفر جو ، بيشتر از مقدار ي است كه فقط در اثر جذب حرارت و تابش آن به خارج از اين طبقه به وجود مي آيد. »
ادوكسيون چيست ؟
ادوكسيون عبارت است از انتقال بعضي از عوامل جوي به وسيله حركت افقي هوا . بدين ترتيب كه وقتي هواي گرم از يك منطقه صعود مي كند هواي سرد اطراف ناگزير جايگزين هواي گرم مذكور مي شود در نتيجه در سطح زمين ايجاد يك حركت افقي نموده كه بوسيله همين حركت افقي مقداري حرارت از محلي به محل ديگر منتقل مي شود .
درجه حرارت
بر طبق تئوري مولكولي ماده تمام اجسام از مولكولهاي بسيار كوچك تشكيل شده اند كه اين ذرات در داخل جسم به سرعت حركت مي كند و هر چه سرعت حركت مولكولها زيادتر باشد ، درجه حرارت جسم بالاتر خواهد رفت . به اين پديده ايجاد انرژي بر اثر حركت مولكولي گرما مي گويند . گرما يك كميت قابل سنجش است كه توسط دو مقياس سانتيگراد (C) و يا فارنهايت (f) اندازه گيري مي شود . به طور تقريبي هر 5 درجه سانتيگراد برابر 9 درجه فارنهايت است.
ميزان تغيير درجه حرارت نسبت به ارتفاع را لاپس ريت LAPSE RATE مي نامند . يعني ميزان كم شدن درجه حرارت با ارتفاع از يك روز به روز ديگر و از يك مكان به مكان ديگر وكه در هواهاي مختلف متغير مي باشد و بستگي به مقدار انرژي گرمايي گرفته شده و يا از دست رفته زمين داشته و همچنين بستگي به حركات قائم و افقي هوا دارد .
اينورژن INVERSION
همه روزه لايه اي از جو را مي توان ديد كه در آن درجه حرارت نسبت به ارتفاع تغيير فاحشي دارد كه فقط در يك ضخامت كمي از جو مشاهده مي شود ؛ اين حالت استثنائي را حالت معكوس يا اينورژن علل پيدايش اينورژن عبارتند از :
الف) جريان افقي هواي گرم در بالاي سطح زمين ، كه اين جريان ، هواي سطوح بالاتر را گرم تر از هواي نزديك سطح زمين مي نمايد به اين حالت معكوس اغلب «اينورژن جبهه اي» مي گويند .
ب) خشكي ها در شب گرماي خود را با امواج بلند منتشر كرده ، در نتيجه صبح زود زمين كاملاً سرد مي شود . گرماي منتشر شده به چند صد پايي سطح زمين منتقل گرديده كه به آن «اينورژن تشعشعي» گفته مي شود .
ج) اينورژن ها در اثر حركت هواي سرد در زير هواي گرم (مانند يك جبهه سرد) نيز تشكيل مي شوند در اين حالت باز هم اينورژن از نوع جبهه اي مي باشد .
د) اگر باد گرم روي زمين به آب سرد بوزد تا چند پايي حالت اينورژن به وجود مي آوردكه به «اينورژن توربولانسي» يا اختشاشي معروف است .
و) نوع ديگر اينورژن كه با موراد فوق متفاوت است عبارت است از اين كه در يك لايه جو درجه حرارت نسبت به ارتفاع تغيير نكرده بلكه ثابت مي ماند اين لايه را همان طور كه قبلاً اشاره شد لايه «هم درجه حرارت» با سطح مي نامند از خصوصيات سطح اينورژن و سطح هم درجه حرارت آن است كه در داخل اين سطوح معمولاً توربولانس مشاهده نمي شود . اينورژن ها معمولاً در طبقه تروپوسفر و گاهي بالاتر تشكيل مي شوند و اين به سبب جريان هواي گرم روي هواي سرد و يا به علت فرو نشيني هوا مي باشد.