Hogyan jelenik meg a sűrűség a meteorológiában?

Az emberiség számára a levegő mindig is egy érdekes jelenség lehetett, hiszen mindenhol ott van, viszont mégse látjuk teljes egészében. Lényegében por, szmog és légköri aeroszol részecskék nélkül láthatatlan lenne. Ennek ellenére mégis ez a láthatatlan levegő mozgatja a Földön lévő összes anyagot, mint például egy egyszerű falevelet is. Természetesen ezen, folyamat lejátszódásához szükség van számos más tényezőre, mint például a légnyomásra, sűrűségre és a hőmérsékletre. Egy régebbi tudásfelhő cikkben már kifejtésre került a légnyomás szerepe, aminek változása szoros kapcsolatban áll a sűrűség megváltozásával.

A levegő sűrűségét úgy lehet a legegyszerűbben meghatározni, hogy megmérjük az adott levegőminta tömegét, majd összehasonlítjuk az általa lefoglalt térfogattal. A problémát azt nehezíti, hogy a sűrűségnek nincs egy beállított értéke, hiszen állandóan változik a magasság és az időjárás hatására. Függ a levegő nyomásától, hőmérsékletétől és nedvességtaralmától is. Ezért a meteorológusoknak szüksége volt egy szabvány bevezetésére, ami a standard atmoszféra fogalmának megjelenésével történt meg. Ebben az alaphelyzetben, a tengerszinti légnyomás 1013,25 hPa és 15 °C a hőmérséklet.

Így, normál nyomáson és hőmérsékleten a levegő sűrűsége 1,275 kg/m3, aminél a víz sűrűsége közel 800x nagyobb. Az előbbi érték birtokában pedig már lesz viszonyítási alapunk, ha nem egy standard körülmények közötti állapotot szeretnénk megvizsgálni.

A sűrűség változása a magassággal

Két fő változó befolyásolja közvetett módon a levegő sűrűségét, a hőmérséklet és a nyomás. Elsőnek vizsgáljuk meg a nyomás szerepét. Az ábrán láthatunk egy légrészt (a levegőből egy kivágatot) adott tömeggel és térfogattal.

Ha elkezdjük növelni a légrész körüli nyomást, akkor légrész összetömörödik (csökkentettük a térfogatot), viszont a tömeg megmarad, így a légrész sűrűsége elkezd növekedni. Lényegében ugyanannyi tömeg helyezkedik el kisebb térfogatban, így a részecskék közelebb helyezkednek el egymáshoz és ennek hatására sűrűbb lesz a légrész.

Fordított esetben a légész körüli nyomást elkezdjük csökkenteni, így a légrész térfogata megnő, de a tömeg, továbbra is megmarad, így a benne található részecskék ritkábban helyezkednek el. A sűrűség csökken.

Abban az esetben, ha az adott légrészben a hőmérséklet elkezd nőni, akkor a levegő kitágul (a térfogata nő) és a sűrűség elkezd csökkenni. Hűtés hatására a levegő elkezd süllyedni (a térfogata csökken), így a sűrűség is megnövekszik.

Most nézzük a sűrűség változását valóságos esetben. A hőmérséklet a magasság növekedésével csökken, így tehát a sűrűségnek növekednie kell. A nyomás a magasság növekedésével szintén csökken, de ebben az esetben sűrűségnek csökkennie kell. Akkor mégis mi fog történni a sűrűséggel?

Kizárólag csak a felületi viszonyokat vizsgálva a pólusok és az egyenlítő esetében, azt láthatjuk, hogy a pólusokon, ahol a nyomás magasabb (nő a sűrűség) és a hőmérséklet alacsonyabb (nő a sűrűség), mint az egyenlítő területén, ott a sűrűség nagyobb a felszínen. Tehát ebben az esetben mindkét paraméter egyszerre tölt be döntő szerepet.

A magasság emelkedésével, viszont már csak a nyomás tölti be a domináns szerepet. A hideg levegőben a nyomás gyorsabban csökken a magassággal, így pedig a hideg területek felett a sűrűség is gyorsabban csökken a magassággal.

Ennek eredményeképp a felszíni sűrűség a hidegebb területeken nagyobb, mint a melegebb területeken, de sokkal gyorsabban csökken a sűrűség a magassággal egy hideg terület felett, mint egy melegebb terület felett.

A fent említett eseteken kívül a vízgőz is befolyásolni tudja még a levegő sűrűségét. Ha vízgőzt adunk egy adott levegőmennyiséghez, akkor annyi száraz levegő molekula fog kikerülni a légrészből, mint amennyi vízgőz molekula került a légrészünkbe. Ez azért szükséges, hogy a nyomás és a hőmérséklet állandó maradjon. Azonban mivel a vízgőz kevésbé sűrű, mint a száraz levegő, így a levegőbe kerülő vízgőz hatására a levegő sűrűsége csökken.

lead kép: nationalgeographic.org