Введение

Отклонение от нормального изменения атмосферного свойства с высотой.

В метеорологии инверсия (или "температурная инверсия") – это слой теплого воздуха, удерживаемый над слоем холодного воздуха. Обычно температура воздуха постепенно понижается с увеличением высоты, но при инверсии эта закономерность нарушается. Инверсия способствует удержанию загрязнений воздуха, таких как смог, в приземном слое. Инверсия также может подавлять конвекцию, выступая в роли "крышки". Если эта крышка разрушается по каким-либо причинам, то конвекция содержащейся в воздухе влаги может привести к развитию сильных гроз. Температурная инверсия может вызывать гололед в холодных климатических зонах.

Нормальные атмосферные условия

Обычно в нижней атмосфере (тропосфере) воздух у поверхности Земли теплее, чем воздух выше, главным образом потому, что атмосфера нагревается снизу: солнечное излучение нагревает земную поверхность, которая, в свою очередь, нагревает непосредственно прилегающий слой атмосферы, например, за счет термиков (конвективного теплообмена). Температура воздуха также понижается с увеличением высоты, поскольку воздух на большей высоте находится под меньшим давлением, а более низкое давление приводит к снижению температуры в соответствии с законом идеального газа и адиабатическим градиентом температуры.

Описание

При правильных условиях нормальный вертикальный градиент температуры инвертируется, так что воздух становится холоднее у поверхности Земли. Это может произойти, например, когда более тёплая и менее плотная воздушная масса надвигается на более холодную и плотную воздушную массу. Этот тип инверсии наблюдается вблизи тёплых фронтов, а также в районах апвеллинга, таких как побережье Калифорнии в США. При достаточной влажности в нижнем, более прохладном слое, под инверсионным слоем обычно формируется туман. Инверсия также возникает, когда излучение, испускаемое поверхностью Земли, превышает количество солнечного излучения, что часто случается ночью или зимой, когда солнце находится низко над горизонтом. Этот эффект практически ограничивается сушей, поскольку океан дольше сохраняет тепло. В полярных регионах зимой инверсии почти всегда присутствуют над сушей. Тёплая воздушная масса, надвигаясь на более холодную, может подавлять конвекцию в последней – это явление известно как инверсия-крышка. Однако, если эта крышка разрушается, либо из-за сильной конвекции, преодолевающей её, либо под воздействием фронта или горного хребта, происходит резкий выброс накопленной конвективной энергии – подобно лопающемуся шару – что может привести к сильным грозам. Такие инверсии-крышки часто предшествуют образованию торнадо в Среднезападных штатах США. В этом случае "более холодный" слой достаточно тёплый, но всё же плотнее и обычно холоднее, чем нижняя часть инверсионного слоя, накрывающего его.

Инверсия оседания

Инверсия может формироваться на высоте в результате постепенного опускания воздуха над обширной территорией и его нагрева адиабатическим сжатием, что обычно связано с субтропическими областями высокого давления. В результате над океаном может образоваться устойчивый приземный слой. Однако, когда этот слой перемещается над прогревающимися водами, турбулентность внутри приземного слоя может постепенно поднимать инверсионный слой на большую высоту и в конечном итоге даже прорывать его, вызывая грозы, а при благоприятных условиях – тропические циклоны. Скопившаяся под инверсией смог и пыль быстро окрашивают небо в красноватый цвет, что хорошо видно в солнечные дни.

Атмосферные последствия

Инверсия температуры подавляет атмосферную конвекцию (которая обычно присутствует) в затронутом районе и может приводить к высокой концентрации атмосферных загрязнителей. Города особенно страдают от последствий температурных инверсий, поскольку они производят больше атмосферных загрязнителей и обладают большей теплоемкостью, чем сельская местность, что приводит к более частым инверсиям с более высокой концентрацией загрязняющих веществ. Эффект усиливается, когда город окружен холмами или горами, поскольку они создают дополнительный барьер для циркуляции воздуха. Во время сильной инверсии, запертые загрязнители воздуха образуют коричневую дымку, которая может вызывать респираторные заболевания. Одним из наиболее серьезных примеров такой инверсии является Великий смог 1952 года в Лондоне (Англия), который, по оценкам, привел к гибели от 10 000 до 12 000 человек. Иногда инверсионный слой находится на такой высоте, что кучевые облака могут конденсироваться, но распространяться лишь под инверсионным слоем. Это уменьшает количество солнечного света, достигающего земли, и препятствует образованию новых восходящих потоков воздуха. По мере рассеивания облаков солнечная погода сменяет облачность в цикле, который может повторяться несколько раз в день.

Свет

По мере повышения температуры воздуха индекс преломления воздуха уменьшается, что является побочным эффектом меньшей плотности более горячего воздуха. Обычно это приводит к вертикальному сжатию удалённых объектов, эффект, который легко заметить на закате, когда солнце видно в форме овала. При инверсии обычная картина меняется на противоположную: удалённые объекты вытягиваются или кажутся приподнятыми над горизонтом, что приводит к явлению, известному как Фата-Моргана или мираж. Инверсии могут усиливать так называемую "зелёную вспышку" – явление, наблюдаемое на восходе или закате солнца, обычно в течение нескольких секунд, когда зелёный свет солнца выделяется из-за дисперсии. Наибольшему преломлению подвергаются волны с меньшей длиной, при этом синяя составляющая солнечного света "полностью рассеивается рассеянием Рэлея", в результате чего зелёный цвет становится первым или последним светом, видимым с верхнего края солнечного диска.

Радиоволны

Радиоволны очень высокой частоты могут преломляться в слоях температурной инверсии, что позволяет принимать FM-радио и телевизионные передачи в диапазоне VHF низкой частоты на больших расстояниях в туманную погоду. Сигнал, который обычно преломлялся бы вверх и уходил в космос, вместо этого преломляется вниз к земле температурно-инверсионным слоем. Это явление называется тропосферным волноводом. Вдоль побережья осенью и весной, из-за одновременного присутствия множества станций и снижения потерь при распространении, многие FM-радиостанции испытывают серьезные помехи и ухудшение качества приема. На более высоких частотах, таких как микроволновый диапазон, подобное преломление вызывает многолучевое распространение и замирание сигнала.

Звук

Когда присутствует инверсионный слой, если на уровне земли происходит звук или взрыв, звуковая волна преломляется из-за градиента температуры (который влияет на скорость звука) и возвращается к земле. Таким образом, звук распространяется значительно лучше, чем обычно. Это особенно заметно в районах вокруг аэропортов, где звук взлетающих и приземляющихся самолетов часто можно услышать на большем расстоянии на рассвете, чем в другое время суток, а также проявляется в виде инверсионного грома, который значительно громче и распространяется дальше, чем гром от ударов молнии при обычных условиях.

Ударные волны

Ударная волна от взрыва может отражаться от слоя инверсии примерно так же, как она отражается от земли при воздушном взрыве, и в результате может причинить дополнительный ущерб. Этот феномен стал причиной гибели двух человек во время советского ядерного испытания РДС-37, когда произошло обрушение здания.