منظور از پایداری و ناپایداری جو چیست؟

قبل از تشریح پایداری چند تعریف اساسی در اینجا عنوان می‌شود. بسته هوا به یک تکه از جو اطلاق می‌شود. فرآیند بی‌درو ، فرآیندی است که طی آن هیچگونه تبادل گرمایی با محیط انجام نمی‌شود. مثلا تغییر حجم یا فشار هوا و یا دمای آن ممکن است بدون آنکه تبادل گرمایی صورت گرفته باشد، انجام شود. بسیاری از تغییرات فشاری و دمایی در جو بی‌درو هستند، به همین دلیل هوا هادی ضعیف گرما است و آمیختگی هوا با محیط اطرافش به آرامی صورت می‌گیرد. فرآیندهای تابشی فقط تغییرات کوچک را طی زمانهای کوتاه ایجاد می‌کنند. اگر یخ بسته هوای خشک صعود یا نزول نماید، به صورت بی‌درو منبسط یا منقبض خواهد شد و بنابراین به منطقه با فشار کمتر یا بیشتر وارد می‌شود. همانطوری که بسته هوا منبسط یا منقبض می‌شود به اندازه ْc/km 8/9 یا c/km 10ْ سرد یا گرم خواهد شد. این میزان تغییر دما را Dry adiabatic laps rate یا (DALR) می‌گویند.

در مورد هوای مرطوب ، اگر به میزان DALR سرد شود بایستی غیر اشباع باقی بماند. سرمایش بی‌درو هوای اشباع یا هوایی با رطوبت ۱۰۰% منجر به تراکم (Condensation) رطوبت آن هوا و عاقبت ابر تشکیل خواهد شد. فرآیند تراکم مقداری گرمای نهان آزاد می‌شود و این گرما سرمایش آدیاباتیکی را جبران خواهد کرد. در نتیجه میزان سرمایش هوای اشباع کمتر از هوای غیر اشباع است. به همین دلیل (Saturated adiabatic lapse rate (SALR کمتر از DALR است. اندازه SALR بستگی به دمای هوا دارد زیرا هوای گرم قادر به نگهداری مقدار بیشتری از رطوبت نسبت به هوای سرد می‌باشد.

دمای بالاتر هوای مرطوب و SALR کمتر به دلیل آزاد شدن گرمای بیشتر طی فرآیند تراکم است. مثلا SALR در مناطق استوایی ۴ درجه سانتیگراد بر کیلومتر با دمای هوای حدودا 30Cْ می‌باشد، در حالی که که در عرضهای بالاتر با دمای هوای حول و حوش 0Cْ ، SALR حدود 7Cْ بر کیلومتر می‌باشد. به دلیل آنکه جو همیشه خشک یا اشباع نیست،لپس ریت محیطی ELR) Environmental Laps (rate اغلب کمتر از DALR و SALR است. میانگین جهانی آن Global average) c/km 5.6 Cْ) می‌باشد. بعضی مواقع ELR ممکن است بیشتر یا کمتر از SALR برای بسته هوای خشک یا اشباع باشد. اختلاف بین ELR و دولپس ریت آدیاباتیکی دیگر تعیین کننده پایداری یا ناپایداری جوی است.

بسته هوای غیر اشباعی با دمای ۲۰ درجه سانتیگراد در سطح زمین به ارتفاع یک کیلومتری صعود می‌کند و دمای آن با مقدار DALR کاهش پیدا کرده و به 30Cْ می‌رسد. اگر ELR مقدار 8Cْ بر کیلومتر را داشته باشد، بنابراین هوای محیط در ارتفاع یک کیلومتری دارای دمای ۱۲ درجه سانتیگراد است، بنابراین دمای بسته هوا کمتر از محیط اطرافش است. بنابراین چگالتر و سنگینتر و در نتیجه سطح زمین سقوط می‌کند. این حقیقت برای بسته هوای غیر اشباعی با دمای ۴- درجه سانتیگراد صدق می‌کند و اگر از ۳ کیلومتری به ۲ کیلومتری نزول کند با مقدار DALR گرم شده و دمای آن در ارتفاع ۲ کیلومتری بر 6Cْ خواهد رسید و بنابراین از محیط اطرافش گرمتر و سبکتر و بنابراین صعود خواهد کرد و به مبدأ اولیه‌اش بر می‌گردد. در هر دو مورد جو را پایدار گویند و هیچ حرکت خالصی برای بسته هوا وجود نخواهد داشت. این موقعیت برای پخش قائم آلاینده‌ها مناسب نیست.

بسته هوا به ارتفاع یک کیلومتری صعود کرده و دمای ۱۰ درجه سانتیگراد را بدست خواهد آورد و این دما بیشتر از دمای محیط (۹ درجه سانتیگراد) است، بنابراین دارای چگالی کمتر از محیط اطراف سبکتر از آن و به صعود خود ادامه خواهد داد. حال اگر بسته هوا تحت اثر نیرویی از ارتفاع ۳ کیلومتری با دمای ۱۳- درجه سانتیگراد به ارتفاع ۲ کیلومتری سقوط کند دمایش ۳- درجه سانتیگراد و بنابراین سردتر و چگالتر از محیط اطراف خواهد بود و به سقوط خود ادامه خواهد داد. در هر دو مورد هوا ناپایدار خواهد بود و بسته هوا پیوسته از مبدأ خود دور خواهد شد و بنابراین پراکندگی قائم آلاینده‌ها را خواهیم داشت. این مثالها برای هوای اشباع نیز بکار می رود. در مورد صعود ، سرمایش با مقدار SALR اتفاق می‌افتند و این SALR کمتر (بزرگتر از) محیط اطراف خواهد بود و بنابراین پایدار (ناپایدار) خواهد بود. حالت SALR< ELR < DALR را حالت پایداری شرطی یا ناپایداری می‌گویند، زیرا حرکت نهایی بستگی به محتوای رطوبت بسته هوای در حال صعود دارد. اما راه بهترین برای بیان مسئله پایداری با استفاده از سرعت باد ، شدت تابش (روز) و پوشش ابر در شب وجود دارد.