Inwersja

W meteorologii inwersja jest odchyleniem od normalnej zmiany właściwości temperatury wraz z wysokością. Praktycznie zawsze odnosi się do inwersji współczynnika temperatury powietrza, w tym przypadku nazywana jest inwersją temperatury. Normalnie temperatura powietrza obniża się wraz ze wzrostem wysokości, ale podczas inwersji cieplejsze powietrze utrzymuje się nad chłodniejszym.

Inwersja zatrzymuje zanieczyszczenia powietrza, takie jak smog, blisko ziemi. Inwersja może również tłumić konwekcję poprzez działanie jako „czapka”. Jeśli czapka ta zostanie przerwana z jednego z kilku powodów, konwekcja obecnej w niej wilgoci może przerodzić się w gwałtowne burze. Inwersja temperatury może notorycznie powodować marznący deszcz w zimnym klimacie.

Rodzaje inwersji

• Inwersje z wypromieniowania
• z wypromieniowania górne (w atmosferze swobodnej)
• tropopauzy – zatrzymanie spadku temperatury z wysokością spowodowane kontaktem z cieplejszą stratosferą.
• z wypromieniowania dolne (przyziemne)
• radiacyjna – powstaje podczas bezwietrznych i bezchmurnych nocy, głównie po zachodzie słońca. Po dniu podłoże i powietrze przy ziemi jest ogrzane, podłoże wypromieniowuje (stąd nazwa radiacyjne) swoje ciepło do atmosfery, szybko ochładzając się, tymczasem powietrze traci ciepło znacznie wolniej. W warstwie tuż przy powierzchni, powietrze staje się wtedy chłodniejsze niż znajdujące się ponad nim powietrze uprzednio ogrzane.
• śniegowa – powstaje, gdy powietrze cieplejsze ochładza się od śniegu
• orograficzna – charakterystyczna dla dolin górskich. Jest to pewien wariant inwersji radiacyjnej, powietrze ochłodzone w wyniku wypromieniowania ciepła z ziemi spływa ze zbocz górskich, na dno doliny.
• Inwersje mechaniczne
• osiadania – powstaje w efekcie osiadania mas powietrza w wyżu. Górne warstwy powietrza przemieszczając się w dół (osiada), stopniowo sprężają się, a zatem, zwiększa się ich temperatura i w średnich wysokościach, powstaje warstwa powietrza cieplejszego niż powietrze poniżej.
• pasatowa – występuje w pobliżu zwrotników, gdzie zachodzą silne prądy zstępujące. Opadając, powietrze szybko się ogrzewa, co powoduje efekt analogiczny do inwersji osiadania.
• turbulencyjna – powstaje na skutek mieszania się powietrza wywołanego silnymi zawirowaniami powietrza. Zawirowania te mogą tworzyć się na nierównościach terenowych lub przy silnym wietrze.
• Inwersja frontowe
• frontowa – występuje we frontach atmosferycznych, zwłaszcza we froncie ciepłym, gdy masa ciepłego powietrza wślizguje się na masę powietrza zimnego. Na styku tych mas, obecna jest warstwa inwersji.
• adwekcyjna – powstaje, gdy nad wychłodzoną powierzchnię ziemi napływa cieplejsze powietrze. Warstwa powietrza granicząca z powierzchnią, ochładza się, a powietrze powyżej pozostaje ciepłe.

Zazwyczaj w obrębie dolnej atmosfery (troposfery) powietrze w pobliżu powierzchni Ziemi jest cieplejsze niż powietrze nad nią, głównie dlatego, że atmosfera jest ogrzewana od dołu, ponieważ promieniowanie słoneczne ogrzewa powierzchnię Ziemi, która z kolei ogrzewa warstwę atmosfery bezpośrednio nad nią, np. poprzez termikę (konwekcyjne przenoszenie ciepła). Temperatura powietrza zmniejsza się również wraz ze wzrostem wysokości, ponieważ wyżej położone powietrze ma niższe ciśnienie, a niższe ciśnienie powoduje niższą temperaturę, zgodnie z prawem gazu idealnego i współczynnikiem zapadalności adiabatycznej.

Inwersja osiadania widziana ze szczytowych partii gór z widokiem na doliny pokryte „podinwersyjnym morzem chmur i mgieł”

W odpowiednich warunkach normalny pionowy gradient temperatury ulega odwróceniu, tak że powietrze jest chłodniejsze przy powierzchni Ziemi. Może to nastąpić, gdy np. cieplejsza, mniej gęsta masa powietrza przesuwa się nad chłodniejszą, gęstszą masą powietrza. Ten rodzaj inwersji występuje w pobliżu frontów ciepłych, a także w obszarach oceanicznego upwellingu, jak np. wzdłuż wybrzeża Kalifornii w Stanach Zjednoczonych. Przy wystarczającej wilgotności w chłodniejszej warstwie, poniżej czapy inwersji zwykle występuje mgła i chmury stratus. Inwersja powstaje również wtedy, gdy promieniowanie z powierzchni ziemi przekracza ilość promieniowania otrzymywanego od słońca, co powszechnie występuje w nocy lub w zimie, gdy słońce znajduje się bardzo nisko na niebie. Efekt ten jest praktycznie ograniczony do obszarów lądowych, ponieważ ocean zatrzymuje ciepło znacznie dłużej. W regionach polarnych zimą inwersje są prawie zawsze obecne nad lądem.

Cieplejsza masa powietrza przemieszczająca się nad chłodniejszą może „wyłączyć” konwekcję, która może być obecna w chłodniejszej masie powietrza: jest to znane jako inwersja przykrywająca. Jednakże, jeśli ta pokrywa zostanie przerwana, albo przez ekstremalną konwekcję pokonującą pokrywę, albo przez efekt podnoszenia przez front lub pasmo górskie, nagłe uwolnienie skumulowanej energii konwekcyjnej – jak pęknięcie balonu – może skutkować silnymi burzami. Tego typu inwersje poprzedzają zwykle rozwój tornad na środkowym zachodzie Stanów Zjednoczonych. W tym przypadku „chłodniejsza” warstwa jest dość ciepła, ale nadal jest gęstsza i zwykle chłodniejsza niż dolna część przykrywającej ją warstwy inwersji.

Inwersja może rozwinąć się w powietrzu w wyniku stopniowego opadania powietrza na dużym obszarze i ogrzania go w wyniku kompresji adiabatycznej, zwykle związanej z podzwrotnikowymi obszarami wysokiego ciśnienia. W wyniku tego nad oceanem może rozwinąć się stabilna warstwa nad akwenem. Jednak w miarę przesuwania się tej warstwy nad coraz cieplejsze wody, turbulencje w obrębie warstwy morskiej mogą stopniowo unosić warstwę inwersyjną na większe wysokości, a w końcu nawet ją przebijać, wytwarzając burze, a w odpowiednich okolicznościach cyklony tropikalne. Nagromadzony pod inwersją smog i pył szybko zabarwia niebo na czerwono, co łatwo zauważyć w słoneczne dni. Często o smogu informujemy w naszych prognozach pogody.

Inwersje temperatury powstrzymują konwekcję atmosferyczną (która jest normalnie obecna) w dotkniętym obszarze i mogą prowadzić do wysokich stężeń zanieczyszczeń atmosferycznych. Miasta szczególnie odczuwają skutki inwersji temperatury, ponieważ zarówno produkują więcej zanieczyszczeń atmosferycznych, jak i mają większą masę termiczną niż obszary wiejskie, co skutkuje częstszymi inwersjami i wyższymi stężeniami zanieczyszczeń. Efekty te są jeszcze bardziej widoczne, gdy miasto jest otoczone wzgórzami lub górami, ponieważ stanowią one dodatkową barierę dla cyrkulacji powietrza. Podczas silnej inwersji, uwięzione zanieczyszczenia powietrza tworzą brązową mgłę, która może powodować problemy z oddychaniem. Wielki smog z 1952 roku w Londynie, w Anglii, jest jednym z najpoważniejszych przykładów takiej inwersji. Obwiniano go o szacowaną liczbę 10 000 do 12 000 zgonów.

Przykład inwersji osiadania w górach podczas jesieni o wschodzie słońca

Czasami warstwa inwersji znajduje się na wystarczająco dużej wysokości, że chmury cumulus mogą się skraplać, ale mogą rozprzestrzeniać się tylko pod warstwą inwersji. Zmniejsza to ilość światła słonecznego docierającego do ziemi i zapobiega tworzeniu się nowych termik. Gdy chmury się rozpraszają, słoneczna pogoda zastępuje zachmurzenie w cyklu, który może występować więcej niż raz dziennie.

Światło
Wraz ze wzrostem temperatury powietrza zmniejsza się jego indeks załamania, co jest efektem ubocznym tego, że cieplejsze powietrze ma mniejszą gęstość. Normalnie powoduje to, że odległe obiekty są skracane w pionie, efekt ten jest łatwy do zaobserwowania o zachodzie słońca, kiedy słońce jest widoczne jako owal. W inwersji normalny wzorzec jest odwrócony, a odległe obiekty są zamiast tego rozciągnięte lub wydają się być ponad horyzontem, co prowadzi do zjawiska znanego jako Fata Morgana lub miraż.

Inwersje mogą powiększyć tak zwany „zielony błysk” – zjawisko występujące o wschodzie lub zachodzie Słońca, zwykle widoczne przez kilka sekund, w którym zielone światło Słońca jest izolowane z powodu rozproszenia. Krótsza długość fali jest najbardziej załamana, a niebieski składnik światła słonecznego „całkowicie rozproszony przez Rayleigh scattering”, co sprawia, że zielone światło jest pierwszym lub ostatnim światłem z górnej krawędzi dysku słonecznego, które można zobaczyć.

Fale radiowe
Fale radiowe o bardzo wysokiej częstotliwości mogą być załamywane przez inwersje, dzięki czemu możliwe jest słyszenie radia FM lub oglądanie audycji telewizyjnych o niskim paśmie VHF z dużych odległości w mgliste noce. Sygnał, który normalnie byłby załamany w górę i daleko w przestrzeń, jest zamiast tego załamany w dół w kierunku Ziemi przez warstwę graniczną inwersji temperatury. Zjawisko to nazywane jest kanałowaniem troposferycznym. Wzdłuż linii brzegowych w okresie jesieni i wiosny, z powodu jednoczesnej obecności wielu stacji z powodu zmniejszonych strat propagacyjnych, wiele stacji radiowych FM jest nękanych przez poważną degradację sygnału zakłócającą odbiór. W wyższych częstotliwościach, takich jak mikrofale, taka refrakcja powoduje propagację wielodrogową i zanikanie sygnału.

Dźwięk
W przypadku obecności warstwy inwersyjnej, jeśli dźwięk lub eksplozja wystąpi na poziomie gruntu, fala dźwiękowa jest załamywana przez gradient temperatury (który wpływa na prędkość dźwięku) i powraca do ziemi. W związku z tym dźwięk przemieszcza się znacznie lepiej niż normalnie. Jest to zauważalne na obszarach wokół lotnisk, gdzie dźwięk startujących i lądujących samolotów często słychać w większych odległościach o świcie niż o innych porach dnia, a także grzmoty inwersyjne, które są znacznie głośniejsze i podróżują dalej niż wtedy, gdy są wytwarzane przez uderzenia piorunów w normalnych warunkach.

Fale uderzeniowe
Fala uderzeniowa z wybuchu może być odbita przez warstwę inwersyjną w podobny sposób, jak odbija się od ziemi w wybuchu powietrza i w rezultacie może spowodować dodatkowe szkody. Zjawisko to zabiło dwie osoby podczas radzieckiej próby jądrowej RDS-37, gdy zawalił się budynek.