基本介紹
- 中文名：絕熱冷卻
- 外文名：adiabatic cooling
- 影響：形成水汽凝結物和凝華物
- 所屬學科：氣象學
- 原理：空氣上升氣壓降低，氣塊作功耗能
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簡介
空氣從地面上升，在上升過程中氣壓降低，體積膨脹，如果上升空氣與周圍沒有熱量交換，由於膨脹消耗能量，空氣溫度就要降低，這種溫度變化稱為絕熱冷卻。根據計算，在大氣中空氣每上升100米，因絕熱變化會使溫度降低1度左右。這種絕熱冷卻是引起水汽凝結或凝華的最重要的過程，大氣中很多水汽凝結物和凝華物如雲、雨等大都是由此而形成的。
空氣-水蒸氣體系的絕熱飽和溫度稱為絕熱冷卻溫度。
背景知識
絕熱過程
絕熱就是隔絕、阻止熱量的傳遞、散失、對流，使得某個密閉區域內溫度或者熱量不受外界影響或者外界不能夠影響而保持內部自身穩定或者獨立發生變化的過程和作用。絕熱的作用包括保溫和保冷兩個方面。
絕熱過程（adiabatic process）是指任一氣體與外界無熱量交換時的狀態變化過程，是在和周圍環境之間沒有熱量交換或者沒有質量交換的情況下，一個系統的狀態的變化。大氣層中的許多重要現象都和絕熱變化有關。例如，在大氣層的下層通常存在著溫度隨高度而遞減，主要就是由於空氣絕熱混合的結果。導致水蒸汽凝結、雲和雨形成的降溫作用，主要是由於空氣上升時溫度下降的結果；晴朗的、乾燥的天氣通常是與空氣下沉引起的增溫變乾作用有關。上升空氣的降溫作用和下沉空氣的增溫作用主要是由於空氣的絕熱膨脹和絕熱壓縮的結果。
如果一個受到增溫作用或降溫作用的系統通過輻射和傳導與周圍發生熱量交換，那么就稱之為非絕熱過程（diabatic process）。
空氣冷卻
使空氣飽和之一是降低空氣容納水汽的限額，在大氣中，主要靠空氣的冷卻。空氣冷卻有三種方式：輻射冷卻(radiational cooling)、平流冷卻(advectional cooling)、絕熱冷卻(adiabatic cooling) 。
形成原理
絕熱冷卻，從地面向上，氣壓迅速遞減，原因如下：
(1)地面氣壓表整個氣柱的重力，較高面的氣壓只代表上面氣柱的壓力
(2)空氣具有壓縮性，所以地面附近的空氣密度很大，向上遞減得很快
由此可見，假設有一塊空氣基於某種原因而上升，由於周圍空氣壓力較低，它的體積勢必要膨脹。為方便討論，假設氣場在升降過程中，不會與外界發生能量的交換，這種過程稱為絕熱過程(adiabatic process)。當氣塊因外面壓力低而膨脹時，此種抵抗外壓力，必須作功而消耗能量。但既然外界沒有熱量供應，自然只有減低自己的溫度了。這就是絕熱冷卻的原理。
根據計算，氣場未飽和前，空氣每上升100米，因絕熱變化會使溫度降低1度左右。我們稱它為乾絕熱直減率(dry adiabatic lapserate)。相反來說，氣場下降時，周圍壓力升高，所以氣溫亦會升高，我們稱為絕熱增暖，即是每下降一百米氣溫會上升一度。
大氣現象
冷卻絕熱與雲
在大氣中空氣每上升100米，因絕熱變化會使溫度降低1度左右。在一定溫度下，空氣容納水汽有一定限度，達到這個限度就稱為“飽和”，溫度降低後，空氣中可能容納的水汽量就要降低。因此，原來沒有飽和的空氣在上升運動中由於絕熱冷卻可能達到飽和，空氣達到飽和之後過剩的水汽便附著在漂浮於空中的凝結核上，形成水滴。當溫度低於零攝氏度時，過剩的水汽便會凝結成細小的冰晶。這些水滴和冰晶聚集在一起，漂浮於空中便成了雲。
冰雹雲是由水滴、冰晶和雪花組成。一般分為三層：最下面一層溫度為0℃以上，由水滴組成；中間溫度為0℃至零下20℃，由過冷卻水滴、冰晶和雪花組成；最上面一層溫度在零下20℃以下，基本由冰晶和雪花組成。
冷卻絕熱與重力波
大氣重力波是因靜力穩定大氣受到干擾而產生的一種波動。當氣塊受到擾動離開平衡位置向上移動時發生絕熱冷卻，在重力作用下回到平衡位置。同樣向下移動時發生絕熱增溫，浮力使其回到平衡位置。這種振動向外轉播形成的波動由於恢復力為重力和浮力因此稱為重力波，如果考慮科氏力的影響就稱為慣性重力波。重力波在暴雨等中尺度對流天氣發生髮展中可以起到一種觸發機制的作用，還可以起到傳輸能量和動量的作用。
與絕熱增溫的區別
大氣中作垂直運動的氣塊的狀態變化通常接近於絕熱過程。
當空氣塊上升過程中，因外界氣壓逐漸降低，氣塊體積膨脹，對外作功，在絕熱條件下，作功所需的能量，只能由其本身能量來負擔，消耗內能而氣塊溫度下降，這種因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現象，稱為“絕熱冷卻”；
當空氣塊下降過程中，因外界氣壓增大，外界對氣塊作功，在絕熱條件下，作功的功，只能用於增加氣塊的內能，因而氣塊溫度升高，這種因氣塊下沉而使溫度上升的現象，稱為“絕熱增溫”。
