Rozprężanie · chłodziSucha · 9,8°C/kmWilgotna · ~6°C/kmPaliwo · ciepło utajone
Rozdział 10 / Woda

Dlaczego powietrze stygnie, kiedy idzie w górę

Znamy to z pompki do roweru i z puszki dezodorantu — i dokładnie na tym stoi każda chmura na niebie.

TL;DR
Doświadczenie · dwie rzeczy z domu

Pompka grzeje, dezodorant ziębi

Zanim powiemy cokolwiek o atmosferze, zróbmy dwa doświadczenia, które prawdopodobnie już kiedyś zrobiliśmy przypadkiem.

Pierwsze. Napompujmy energicznie oponę roweru zwykłą pompką, a potem dotknijmy jej dolnej części. Będzie gorąca — czasem tak, że trudno utrzymać. Łatwo to zrzucić na tarcie tłoka o ściankę, ale tarcie odpowiada za mniejszość efektu. Główna przyczyna jest inna: sprężyliśmy powietrze i przez to je ogrzaliśmy.

Drugie. Przytrzymajmy dłużej przycisk puszki dezodorantu albo sprężonego powietrza do klawiatury. Puszka wyraźnie ziębnie, czasem aż do szronu. Znowu łatwo to wytłumaczyć czymś innym — na przykład parowaniem — ale zasadniczy mechanizm jest lustrzanym odbiciem poprzedniego: gaz się rozprężył i przez to ochłodził.

Dlaczego tak jest? Bez wzorów: temperatura gazu to miara tego, jak szybko biegają jego cząsteczki. Ściskając gaz tłokiem, uderzamy w te cząsteczki poruszającą się ścianką i odbijamy je szybsze — czyli podgrzewamy. Pozwalając gazowi się rozprężyć, każemy mu odepchnąć otoczenie; energia na to odpychanie musi skądś pochodzić, a jedyne, co jest pod ręką, to własny ruch cząsteczek. Więc zwalniają. Czyli stygną.

Kluczowe jest to, że nic nie zostało dodane ani zabrane z zewnątrz. Nie było kontaktu z lodówką ani z grzejnikiem. Gaz zmienił temperaturę wyłącznie dlatego, że zmienił objętość. Taką zmianę nazywa się adiabatyczną — od greckiego „nieprzepuszczalny", czyli bez wymiany ciepła z otoczeniem.

Przeniesienie · to samo w skali kilometrów

Wznoszące się powietrze rozpręża się samo

Teraz wystarczy zauważyć jedną rzecz, żeby cała atmosfera stała się zrozumiała. Wiemy z Rozdziału 1, że ciśnienie maleje z wysokością — bo słup powietrza nad nami jest coraz krótszy.

Więc jeśli jakaś porcja powietrza z jakiegokolwiek powodu ruszy w górę, trafia w otoczenie o niższym ciśnieniu. Otoczenie ściska ją słabiej, więc ona się rozszerza. A rozszerzając się, musi odepchnąć to otoczenie — i płaci za to własną energią. Stygnie.

To dzieje się bez żadnej lodówki, bez kontaktu z czymkolwiek zimnym i bez „bliskości kosmosu", którą odrzuciliśmy w Rozdziale 2. Wznoszące się powietrze stygnie samo z siebie, po prostu dlatego, że idzie w górę.

I to jest już pełna odpowiedź na pytanie z Rozdziału 2. Słońce grzeje ziemię, ziemia grzeje powietrze od spodu, ogrzane porcje ruszają w górę i po drodze stygną przez rozprężanie. Stąd temperatura maleje z wysokością — nie dlatego, że coś na górze chłodzi, tylko dlatego, że wszystko, co tam trafia, po drodze wystygło.

Tempo tego stygnięcia jest zaskakująco stałe i wynosi około 10 stopni na kilometr. Nazywa się to gradientem suchoadiabatycznym i jest to jedna z niewielu liczb w tej książce, którą naprawdę warto zapamiętać — bo z niej wynika reszta Części III.

Porcja powietrza idzie w góręprzesuń wysokość
0 m · 25°C · jeszcze przy ziemi
nagrzane pole 0 km1 km 2 km3 km4 km 25°C 1013 hPa ciśnienie otoczenia maleje ku górze — dlatego porcja rośnie objętość rośnie · temperatura spada
Kółko rośnie i blednie w tym samym tempie. To nie dwie rzeczy — to jedna i ta sama.
Zwrot akcji · ciepło, które wraca

Skraplanie oddaje energię i chmura sama się napędza

Do tej pory zakładaliśmy, że porcja powietrza jest sucha. Zobaczmy, co się zmienia, gdy jest w niej para wodna — a zawsze jakaś jest.

Porcja idzie w górę, rozpręża się, stygnie po dziesięć stopni na kilometr. W pewnym momencie schładza się do punktu rosy z poprzedniego rozdziału. I wtedy zaczyna się skraplanie.

A skraplanie oddaje ciepło. Żeby wodę odparować, trzeba było włożyć energię — i ta energia siedziała w parze przez cały czas, niewidoczna, nie podnosząc temperatury. Nazywa się ciepłem utajonym właśnie dlatego, że się ukrywa: cząsteczki wody, mające dodatni i ujemny koniec, przyciągają się nawzajem i trzeba włożyć energię, żeby je od siebie oderwać (więcej w Rozdziale 3). Przy skraplaniu wraca do powietrza.

Skutek jest taki, że porcja stygnie wolniej — już nie dziesięć stopni na kilometr, tylko jakieś sześć, a w bardzo wilgotnym powietrzu nawet cztery. Dokładna wartość zależy od tego, ile wody się skrapla.

I tu dochodzimy do zdania, które jest kluczem do całej Części IV i do burz w Części VI. Skoro porcja stygnie wolniej niż wcześniej, to szybciej staje się cieplejsza od otoczenia. A cieplejsza od otoczenia znaczy lżejsza. A lżejsza znaczy, że przyspiesza w górę.

Chmura nie jest więc biernym skutkiem wznoszenia. Jest silnikiem: raz uruchomione skraplanie dostarcza ciepła, ciepło podtrzymuje wznoszenie, wznoszenie podtrzymuje skraplanie. To sprzężenie zwrotne odpowiada za to, że kłębiaste chmury rosną, a nie po prostu stoją — i za to, że Cumulonimbus potrafi wystrzelić na dwanaście kilometrów.

Dwa gradientyzmiana nachylenia to poziom kondensacji
temperatura porcji → wysokość → sucha · −10°C/km POZIOM KONDENSACJI — tu powstaje dno chmury wilgotna · −6°C/km, bo skraplanie dogrzewa gdyby nie było wody poniżej: zwykłe rozprężanie powyżej: rozprężanie minus ciepło ze skraplania
Załamanie linii w punkcie kondensacji to moment, w którym chmura przestaje być skutkiem, a staje się przyczyną.
↓ Dodatek B — adiabaty, emagram i CAPE, z liczbami
Dowód w terenie · wiatr, który grzeje

Halny, czyli mechanizm działający w drugą stronę

Jeśli rozprężanie chłodzi, to sprężanie musi grzać — i w atmosferze też. Najlepszym polskim dowodem jest wiatr halny.

Historia wygląda tak. Wilgotne powietrze napiera na Tatry od południa i musi się przez nie przedostać, więc idzie w górę. Po drodze stygnie: najpierw po dziesięć stopni na kilometr, a od poziomu kondensacji już tylko po sześć — bo powstaje chmura i zaczyna oddawać ciepło utajone. Po stronie słowackiej pada, a chmura zostawia tam swoją wodę.

Potem powietrze przechodzi grzbiet i schodzi po naszej stronie. Ale teraz jest już suche — wodę zostawiło. Więc schodząc, spręża się i grzeje po pełne dziesięć stopni na kilometr, bez żadnego hamowania.

W górę stygło po sześć, w dół grzeje się po dziesięć. Bilans wychodzi na plus i powietrze schodzi do Zakopanego cieplejsze, niż wystartowało po drugiej stronie — czasem o kilkanaście stopni. Stąd zimowe odwilże w Tatrach, śnieg znikający w jeden dzień, charakterystyczne bóle głowy i ta specyficzna przejrzystość powietrza, przy której widać każdy szczegół grani.

Warto docenić, co się właśnie stało: cały halny wyjaśniliśmy dwiema liczbami z tego rozdziału i jedną z poprzedniego. Nie potrzeba było żadnego nowego pojęcia.

Halny przez Tatrybilans: −6 w górę, +10 w dół
Tatry tu pada — woda zostaje 10°C stygnie −10°C/km potem −6°C/km na grzbiecie: −2°C grzeje się +10°C/km 18°C to samo powietrze, o osiem stopni cieplejsze — bo zostawiło wodę po drugiej stronie
Liczby są przykładowe, ale mechanizm dokładny. Halny to ciepło utajone przeniesione przez górę.
Liczby · dwie stałe, które warto poznać

Sucho dziesięć, mokro sześć

Tempo, w jakim wznoszące się powietrze stygnie, nie jest dowolne. Jest to stała fizyczna — taka sama nad Warszawą, nad Saharą i nad Antarktydą, bo wynika wyłącznie z tego, jak powietrze reaguje na spadek ciśnienia.

A ściślej: są dwie takie stałe, bo powietrze zachowuje się inaczej przed skropleniem i po nim.

Dwa tempa stygnięcia
Powietrze bez chmury (nienasycone): stygnie o 10°C na każdy kilometr w górę
Powietrze w chmurze (nasycone): stygnie o około 6°C na kilometr
Różnica: około 4°C na kilometr — to ciepło oddane przy skraplaniu
Wartość dla powietrza w chmurze jest podana z zaokrągleniem, bo nie jest stała — zależy od temperatury. W ciepłym, wilgotnym powietrzu skrapla się dużo wody, więc ciepła wraca dużo i tempo spada nawet do 4°C na kilometr. W zimnym powietrza wilgoci jest mało, więc wartość zbliża się do suchych dziesięciu. Innymi słowy: im cieplej, tym silniej chmura sama siebie napędza.

Te dwie liczby wystarczają, żeby policzyć całkiem sporo rzeczy o niebie — i właśnie dlatego meteorolog rysuje profil temperatury na wykresie, zamiast go zgadywać.

Stygnięcie przed i po skropleniustart: 22°C przy ziemi
0 km1 km2 km 3 km4 km poziom kondensacji 22°C 12°C 6°C 0°C −6°C −18°C gdyby nie było skraplania Poniżej poziomu kondensacji: 10°C na km. Powyżej: około 6°C na km.
Załamanie linii na wysokości poziomu kondensacji jest całą treścią tego rozdziału. Od tego punktu powietrze stygnie wolniej, bo skraplająca się para oddaje mu ciepło z powrotem — i właśnie ta różnica pozwala chmurze piąć się dalej w górę.

Warto zobaczyć, jak duża to różnica. Bez skraplania powietrze wyniesione na 4 km miałoby −18°C. Ze skraplaniem ma −6°C — czyli jest o dwanaście stopni cieplejsze od wersji suchej. A ponieważ cieplejsze znaczy lżejsze od otoczenia, znaczy też: dalej się wznosi.

To jest właściwy sens zdania „chmura sama się napędza”. Nie chodzi o metaforę, tylko o dwanaście stopni przewagi nad powietrzem, które wilgoci nie miało.

Sprawdzenie · dlaczego to nie jest ogrzewanie od Słońca

Trzy sposoby, żeby coś ostygło — i tylko jeden z nich tu działa

Naturalne wyjaśnienie, dlaczego w górach jest zimniej, brzmi: „bo dalej od nagrzanej ziemi”. Brzmi rozsądnie i jest błędne. Warto zobaczyć dlaczego, bo przy okazji porządkuje to całą resztę.

Ciało może stracić ciepło na trzy sposoby. Przez przewodzenie — oddając je czemuś, czego dotyka. Przez promieniowanie — wypromieniowując energię w przestrzeń. I przez rozprężanie — wykonując pracę przeciw otoczeniu, które na nie napiera.

Wznoszące się powietrze traci ciepło wyłącznie trzecim sposobem. Nie oddaje go otaczającemu powietrzu, bo powietrze fatalnie przewodzi ciepło — na tyle fatalnie, że robi się z niego izolację ścian. Nie wypromieniowuje go też — azot i tlen, jako cząsteczki symetryczne, w podczerwieni prawie nie świecą, a para wodna i dwutlenek węgla świecą, ale zbyt słabo (Rozdział 3) — w żadnej znaczącej ilości w ciągu kilkunastu minut, jakie zajmuje mu wzniesienie się o kilometr.

Zostaje rozprężanie. Bąbel idący w górę wchodzi w powietrze o coraz niższym ciśnieniu, więc puchnie. Puchnąc, rozpycha otoczenie — a rozpychanie to praca, a praca kosztuje energię. Energia bierze się z jedynego dostępnego źródła, czyli z ruchu własnych cząsteczek. Wolniejsze cząsteczki to niższa temperatura.

Dlaczego to nie jest „oddawanie ciepła w górę”
Bąbel nie stracił ani jednej cząsteczki ani jednego dżula na rzecz otoczenia
Energia nie zniknęła: zamieniła się w pracę rozpychania
Dowód: sprowadzony z powrotem w dół, ogrzewa się dokładnie tak samo
Ta odwracalność jest najmocniejszym argumentem. Gdyby powietrze stygło, oddając ciepło otoczeniu, sprowadzenie go na dół nic by nie odzyskało — ciepło już by uciekło. A ono odzyskuje wszystko co do stopnia. To znaczy, że nic nie uciekło, tylko zostało zamienione w pracę i z powrotem.

Praktyczny wniosek jest taki, że powietrze nie ma pamięci o tym, jak wysoko było — ma tylko pamięć o tym, ile wody straciło po drodze. Jeżeli po drodze nic się nie skropliło, powrót w dół przywraca dokładnie stan wyjściowy. Jeżeli skropliło się i spadło jako deszcz, wraca cieplejsze i suchsze, niż wyruszyło. To dokładnie mechanizm halnego z poprzedniej sekcji, opisany od strony bilansu energii.

Obraz · to samo na jednym rysunku

Bąbel, który rośnie, bo nikt go już nie ściska

Cały mechanizm da się narysować jednym obrazkiem, a warto go mieć w głowie, bo wraca w tej książce jeszcze kilkanaście razy.

Ten sam bąbel na czterech wysokościachta sama liczba cząsteczek
0 km · 1013 hPa1 km · 900 hPa 2 km · 795 hPa3 km · 700 hPa 22°C12°C6°C0°C sześć cząsteczek w każdym bąblu — zmienia się objętość, nie zawartość
W każdym z czterech bąbli jest tyle samo powietrza. Zmienia się tylko to, jak mocno otoczenie je ściska — a im mniej ściska, tym bardziej bąbel się rozpycha i tym więcej energii na to zużywa. Temperatura jest miarą tego, co zostało.

Widać na nim jedną rzecz, którą łatwo przeoczyć w opisie słownym: bąbel nie rozrzedza się dlatego, że coś z niego ucieka. Liczba cząsteczek jest stała przez cały czas. Rozrzedza się dlatego, że te same cząsteczki zajmują coraz więcej miejsca — a zajmują go coraz więcej, bo z zewnątrz coraz mniej je ściska.

I stąd bierze się jeszcze jeden wniosek, przydatny w Rozdziale 11: tempo stygnięcia zależy tylko od tego, jak szybko spada ciśnienie. A ciśnienie spada z wysokością mniej więcej tak samo wszędzie na Ziemi. Dlatego dziesięć stopni na kilometr jest liczbą uniwersalną, a nie regułą kciuka dopasowaną do Polski.

Z praktyki

Reguła kciuka dla wysokości chmur. Weźmy z prognozy temperaturę i punkt rosy przy ziemi. Różnicę podzielmy przez dwa i pomnóżmy przez cztery — wyjdzie mniej więcej wysokość podstawy chmur w setkach metrów. Przy 25°C i punkcie rosy 13°C: różnica 12, dzielone przez 2 to 6, razy 4 to 24 — czyli podstawa około 2400 metrów. Reguła działa zaskakująco dobrze i wyjaśnimy ją w Rozdziale 12.

Halny da się zobaczyć w prognozie. Szuka się różnicy ciśnień między południową a północną stroną Tatr oraz silnego wiatru z południa na wysokości grzbietu. W samym Zakopanem objawem jest gwałtowny wzrost temperatury, spadek wilgotności i charakterystyczna chmura stojąca nad graniami — o niej będzie w Rozdziale 15.

Gdzie jeszcze widać ten mechanizm. Sprężarka lodówki jest gorąca z tyłu, a parownik zimny w środku — to ta sama zasada, wykorzystana celowo. Pompka do materaca grzeje się tak samo jak rowerowa. A odkurzacz wydmuchuje powietrze cieplejsze, niż wciągnął, i nie chodzi tylko o silnik.

Słowniczek
przemiana adiabatyczna
Zmiana temperatury gazu wynikająca wyłącznie ze zmiany objętości, bez wymiany ciepła z otoczeniem.
gradient suchoadiabatyczny
Tempo stygnięcia wznoszącego się powietrza, w którym nie zachodzi skraplanie: około 10°C na kilometr. Stała, niezależna od pogody.
gradient wilgotnoadiabatyczny
Tempo stygnięcia po rozpoczęciu skraplania: około 4–7°C na kilometr, zależnie od ilości wody.
ciepło utajone
Energia włożona w odparowanie wody, przechowywana w parze bez podnoszenia temperatury i oddawana z powrotem przy skraplaniu.
poziom kondensacji
Wysokość, na której wznosząca się porcja osiąga punkt rosy i zaczyna tworzyć chmurę. Stąd płaskie dna chmur kłębiastych.
halny (fen)
Ciepły, suchy wiatr schodzący po zawietrznej stronie gór. Skutek zostawienia wody po stronie nawietrznej i sprężania w drodze w dół.
Idź głębiej
Dodatek B — Adiabaty, emagram i CAPE