Stabiilisuus

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Stabiilisuus on meteorologiassa ja yleisemminkin hydrostatiikassa käytetty määre, joka kuvaa ilmakehän (tai muiden fluidien) herkkyyttä pystysuuntaiseen sekoittumiseen.

Meteorologiassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Stabiilissa ilmakehässä liikahtamaan pakotettu ilmapaketti pyrkii palaamaan lähtötilaansa, kun taas instabiilissa eli labiilissa tilanteessa pieni pakotettu liike saa aikaan samansuuntaisen kiihtyvän liikkeen. Ilmakehän stabiilisuuden määrää sen lämpötilan pystyrakenne, koska kaasun tiheys riippuu sen lämpötilasta. Toisaalta kaasun kokema hydrostaattinen paine riippuu sen yläpuolella olevan kaasun massasta.[1]

Jos tietty määrä kuivaa ilmaa tuodaan ilmakehässä alaspäin kilometrin verran, sen kokema paine kasvaa (koska sen yläpuolella on kilometri enemmän ilmaa), se puristuu kokoon ja lämpenee 9,78 astetta. Tätä lämpötilanmuutosta sanotaan (kuiva)adiabaattiseksi lämpenemiseksi. Vastaavasti ilma, jota nostetaan, jäähtyy. Jos nostetaan kosteaa ilmaa, siinä oleva vesihöyry saattaa tiivistyä, ja tiivistyminen vapauttaa energiaa. Jos nostetaan ilmaa, jonka suhteellinen kosteus on 100 %, tiivistyminen kompensoi adiabaattista jäähtymistä ja lämpötila laskee vähemmän. Tiivistymisen vaikutus riippuu lämpötilasta, koska lämpimämpään ilman mahtuu enemmän vesihöyryä, ja se vaihtelee tyypillisesti lähes nollasta noin viiteen asteeseen kilometrillä.[2]

Ilmakehästä uhkaa tulla instabiili eli epävakaa, jos lämpötila laskee liian nopeasti korkeuden funktiona, eli jos liian alhaalla on liian lämmintä ilmaa. Tällöin syntyy nopeasti nostevoiman aiheuttamaa sekoittumista: turbulenssia tai konvektiota, ja epävakaus purkaantuu. Vain ilmakehän rajakerroksen alimmat metrit voivat lämmitä yliadiabaattisiksi tilanteessa jossa lämmitys on tehokkaampaa kuin sekoittuminen.

Ilmakehän stabiilisuuden tunteminen on tärkeää saasteiden leviämisen ennustamiselle, sekä sadekuurojen ja ukkosen sekä yleisemminkin konvektiivisten sääilmiöiden ennakoinnissa. Jälkimmäisen käyttöön on kehitetty joukko epävakaisuusindeksejä:

Limnologiassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Wilhelm Schmidt määritteli vuonna 1928 järven tai muun vesialtaan stabiilisuuden S sen pohjalta, paljonko tuulityöpinta-alayksikköä kohti on tehtävä sen vesikerrosten sekoittamiseksi homogeeniseen vakiotiheyteen[3].

Olkoon järven potentiaalienergia Birgen (1916) esittämään tapaan[4]

E_p = -\frac{g}{A_0} \int_0^h \rho A z\textrm{ d}z,

missä ρ(z) on syvyydellä z (> 0) olevan (infinitesimaalisen) vesikerroksen tiheys, A0 järven pinta-ala, A(z) syvyydellä z sijaitsevan, järven horisontaalisen poikkileikkauksen pinta-ala, g putoamiskiihtyvyys ja h järven suurin syvyys.

Jotta tällainen kerrostuneisuus voitaisiin saavuttaa vapaasti valitusta homogeenisestä alkutiheydestä ρ0 alkaen, on tehtävä tuulityö

W = E_p - E_{p,0} = \frac{g}{A_0}\int_0^h (\rho_0-\rho)Az\textrm{ d}z

Jos nyt määritellään järven keskitiheys

\langle\rho\rangle = \frac{1}{V}\int_0^h \rho A\textrm{ d}z,

missä V on vesitilavuus, sekä järven geometrisen keskipisteen syvyys

z_g = \frac{1}{V}\int_0^h zA\textrm{ d}z,

on Schmidtin stabiilisuus S ilmaistavissa keskitiheyttä vastaavan tuulityön ja alkutilaa vastaavan tuulityön erotuksena eli

\begin{align}S &= \frac{g}{A_0}\int_0^h (\rho_0-\langle\rho\rangle)Az\textrm{ d}z - \frac{g}{A_0}\int_0^h (\rho_0-\rho)Az\textrm{ d}z  \\ & =\frac{g}{A_0}\left[\rho_0 Vz_g - \int_0^h z_g \rho A\textrm{ d}z-\int_0^h(\rho_0-\rho)Az\textrm{ d}z \right] \\ &= \frac{g}{A_0}\int_0^h A(\rho_0z_g-\rho z_g - \rho_0 z + \rho z)\textrm{ d}z = \frac{g}{A_0} \int_0^h A(\rho_0-\rho)(z_g-z)\textrm{ d}z \end{align}

Vaikka stabiilisuuden lausekkeessa esiintyy alkutiheys ρ0, ei sen arvolla ole merkitystä tuloksen kannalta.

Edellisen määritelmän nojalla hyvin sekoittuneelle järvelle (esim. täyskierron aikana) S = 0, ja mitä voimakkaammin järven vesi on kerrostunut, sitä suurempi on myös S.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tasapainolajit yleisemmin statiikan kannalta

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Ritter, Michael E: Stability of Air The Physical Environment: an Introduction to Physical Geography.. Viitattu 2.6.2012.
  2. Why the Moist Air Laprse Rate is not a constant Jeff Haby
  3. Schmidt, W. (1928): Über Temperatur- und Stabilitätsverhältnisse von Seen. Geogr. Ann. 10: 145-177.
  4. Birge, E.A. (1916): The work of the wind in warming a lake. Trans. Wis. Acad. Sci. 18:341-391

Aiheesta enemmän[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Holton, 1979: Introduction to Dynamical Meteorology