อัตราเปลี่ยนของอุณหภูมิตามความสูง

อัตราเปลี่ยนของอุณหภูมิตามความสูง

เราคงเคยเห็นอยู่เสมอว่า เมื่อเราปล่อยลูกโป่งขึ้นไปสูงๆ ลูกโป่งจะขยายตัวใหญ่ขึ้นเมื่อลอยสูงขึ้น ทั้งนี้ เพราะความกดของอากาศในระดับสูงมีน้อยกว่าระดับต่ำ ในที่สุด เมื่อลูกโป่งลอยสูงขึ้นไปมากๆ ก็จะแตก มวลของอากาศก็เช่นเดียวกัน เมื่อเคลื่อนตัวไปตามบริเวณที่มีความกดของอากาศต่ำกว่าก็จะขยายตัวออก การขยายตัวของอากาศนี้ จะทำให้อุณหภูมิลดลง เมื่ออากาศแห้งเคลื่อนตัวสูงขึ้น ๑ กิโลเมตร อุณหภูมิจะลดลงประมาณ ๑๐°ซ.ในทำนองเดียวกัน เมื่ออากาศแห้งเลื่อนต่ำลง ๑ กิโลเมตร อุณหภูมิจะร้อนขึ้น ๑๐°ซ. ซึ่งค่านี้ก็คือ อัตราการเปลี่ยนของอุณหภูมิตามความสูงของอากาศแห้ง (dry adiabatic lapse rate) การขยายตัวของอากาศในลักษณะ ซึ่งไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างมวลอากาศนั้นกับสิ่งแวดล้อมนี้ เรียกว่า "การขยายตัวแบบเอเดียแบติค" (adiabatic expansion) การขยายตัวหรือหดตัวดังกล่าวมานี้ เรากล่าวถึงเฉพาะอากาศแห้งซึ่งไม่มีไอน้ำปนอยู่ด้วยเท่านั้น

ตามธรรมดาแล้ว บรรยากาศของเราย่อมมีไอน้ำปนอยู่ด้วยเสมอ เมื่ออากาศอิ่มตัวด้วยไอน้ำ (หมายถึงค วามชื้นสัมพัทธ์มีค่าเท่ากับ ร้อยละ ๑๐๐) อากาศที่ลอยขึ้น และขยายตัวจะเย็นลง แต่อัตราเปลี่ยนของอุณหภูมิตามความสูง จะมีค่าไม่เท่ากับ ๑๐°ซ. ต่อ ๑ กิโลเมตร หรือไม่เท่ากับอัตราเปลี่ยนเอเดียแบติคของอากาศแห้ง แต่จะมีค่าเฉลี่ยประมาณ ๖.๕°ซ. ต่อ ๑ กิโลเมตร ทั้งนี้เป็นเพราะว่า เมื่ออากาศซึ่งอิ่มตัวด้วยไอน้ำลอยขึ้นจะขยายตัวและเย็นลง ไอน้ำในอากาศจะกลั่นตัวรวมตัวกันเป็นเมฆ การรวมตัวเป็นเมฆ นี้จะคายความร้อนแฝงออกมา (ประมาณ ๖๐๐ แคลอรี่ต่อไอน้ำ ๑ กรัม) ความร้อนแฝงนี้ ก็จะทำให้อุณหภูมิอุ่นขึ้นและทำให้อัตราเปลี่ยนเอเดียแบติคของอากาศลดน้อยลง ซึ่งเป็นอัตราเปลี่ยนของอุณหภูมิของอากาศชื้น (moist adiabatic lapse rate) 

อัตราเปลี่ยนของอุณหภูมิตามความสูงนี้ มีความสำคัญเกี่ยวกับเสถียรภาพ หรือการทรงตัวของบรรยากาศ คำว่า เสถียรภาพของบรรยากาศ หมายถึง อากาศเมื่อถูกทำให้เคลื่อนตัวแล้ว จะพยายามกลับมาที่เดิม ไม่ทำให้การเคลื่อนตัวแผ่ขยายเพิ่มขึ้น การไม่มีเสถียรภาพ หรือไร้เสถียรภาพของอากาศ หมายถึง อากาศเมื่อถูกเคลื่อนตัวแล้ว การเคลื่อนตัวแผ่ ขยายเพิ่มมากขึ้นอีก เช่น อากาศที่จะเกิดพายุฟ้าคะนองได้จะต้องเป็นอากาศชื้น และไร้เสถียรภาพ 

ในภาพข้างล่าง เราจะเห็นได้ว่า เมื่ออากาศพัดผ่านภูเขา และลอยตัวขึ้น เมฆที่เกิดจากอากาศซึ่งมีเสถียรภาพ มักจะเป็นเมฆชนิดชั้นตามแนวนอน และไม่ก่อตัวตามแนวตั้งมาก แต่มวลอากาศชนิดไร้เสถียรภาพ หรือไม่มีการทรงตัว เมฆที่เกิดขึ้นจะก่อตัวสูงในแนวตั้ง และเป็นเมฆชนิดที่ทำให้เกิดฝน 

แสดงลักษณะของเมฆซึ่งเกิดขึ้นจากมวลอากาศ