സ്റ്റാറ്റിക് സ്റ്റെബിലിറ്റി

എന്താണ് സ്റ്റാറ്റിക് സ്റ്റെബിലിറ്റി ?

 

എന്താണ് സ്റ്റെബിലിറ്റി ? ചുരുക്കി പറഞ്ഞാൽ, എനർജി ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ അവസ്ഥ. അതാണ്‌ സ്ടേബിൾഎന്നതുകൊണ്ട്‌ ഉദ്ദേശിക്കുന്നത്. ഇനി ഈ സ്റ്റെബിലിറ്റി എങ്ങിനെ fluid parcel ന്റെ കേസിൽ work ചെയ്യുന്നു ? നമുക്കറിയാം, atmosphere ആയാലും ocean ആയാലും hydrostatic ബാലൻസിൽ ആണ്. അതായത്, upward pressure gradient ഫോഴ്സും പാഴ്സലിന്റെ weight (mg) ഉം ഏതാണ്ട് ബാലൻസിൽ ആണ് (ie. PGF = m*g). ഇവിടെ ശ്രദ്ധിക്കേണ്ട ഒരുകാര്യം, LHS ലും RHS ലും ഫോഴ്സ് ആണ്. സാധാരണ ജനറലൈസ് ചെയ്തു പറയുമ്പോൾ നമ്മൾ force/ unit mass ആണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. അപ്പോൾ രണ്ടിടത്തും ഒരു acceleration ആയിമാറും. അതായത്, upward acceleration due to pressure gradient = downward acceleration due to gravity. അപ്പോൾ ഇവിടെ ഒരു net acceleration ഇല്ലാത്ത അവസ്ഥയേയാണ് hydrostatic balance എന്നതുകൊണ്ട്‌ ഉദ്ദേശിക്കുന്നത്. മറ്റൊന്ന്, acceleration ഇല്ല എന്നേ ഉദ്ദേശിക്കുന്നുള്ളൂ…. ഒരു constant vertical velocity ഉണ്ടാകാം (എങ്കിലും അത് വളരെ ചെറുതായിരിക്കും). എന്നാൽ നമ്മടെ വീട്ടിൽ measurement എടുത്ത് , vertical acceleration zero അല്ലല്ലോ എന്ന് പറഞ്ഞാൽ കാര്യമില്ല. ഇത് ഒരു ലാർജ് സ്കെയിലിൽ വാലിഡ്‌ ആയ approximation ആണ്.

ഇനി ഒരു air parcel consider ചെയ്യുക. അത് നേരത്തെ പറഞ്ഞതുപോലെ hydrostatic balance –ൽ ആണെന്ന് വിചാരിക്കുക. parcel നെ പതുക്കെ ഒന്ന് മുകളിലേക്ക് തട്ടുക (give an upward impulsive force). ഇവിടെ ഒരു assumption എടുക്കുന്നുണ്ട്, parcel മൂവ് ചെയ്യുന്നത് adiabatic ആയിട്ടാണ്. അതായത് പോകുന്ന വഴിയിൽ heat energy environment-മായി transfer ചെയ്യുന്നില്ല. അങ്ങിനെ അത് മുകളിലേക്ക് പോകുന്നു. പക്ഷെ, എവിടെവരെ പോകും ? ചിലപ്പോൾ അതങ്ങു പോകും, അല്ലെങ്കിൽ പോയതുപോലെ തിരിച്ചുവരും. അതുമല്ലെങ്കിൽ കുറച്ചുദൂരം പോയി അവിടെ തന്നെ നില്ക്കും. ഇതെല്ലാം ആ parcel ന്റെ environment ലെ lapse rate അനുസച്ചിരിക്കും. പക്ഷെ എന്താണീ lapse rate ?

സൂര്യനിൽ നിന്നും ഭൂമിയിലേക്കെത്തുന്ന ഭൂരിഭാഗം എനർജിയും (mainly shortwaves) ഭൂമി absorb ചെയ്യുന്നു. അങ്ങിനെ earth surface warm ആകുന്നു. അതുകൊണ്ട് atmosphere നു heat source, sun അല്ല, earth ആണ്. അതിനാൽ surface –ൽ നിന്ന് മുകളിലേക്ക് പോകും തോറും atmosphere –ൽ ഏതാണ്ട് 6.5 K/ km എന്ന റേറ്റിൽ temperature കുറയുന്നു (in troposphere). rate-നെയാണ് Environmental Lapse Rate(ELR) എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. എന്നാൽ ഇത് ഒരു constant value അല്ല. Time, season, region എന്നിവ അനുസരിച്ച് ഇത് മാറിക്കൊണ്ടിരിക്കും. ഇവിടെ ശ്രദ്ധിക്കേണ്ട ഒരു കാര്യം lapse rate എന്നത് temperature കുറയുന്നതിന്റെ റേറ്റ് ആണ്. അതുകൊണ്ട് അവിടെ പ്രത്യേകിച്ച് ഒരു -ve sign ന്റെ ആവശ്യമില്ല. അതായത് lapse rate -5K/km എന്നുപറഞ്ഞാൽ temperature height അനുസരിച്ച് കൂടുന്നു എന്നാണു അർത്ഥമാക്കുന്നത്.

ഇനി ഒരു dry air parcel ന്റെ കാര്യമെടുക്കുക. air parcel-നെ adiabatic ആയി മുകളിലേക്ക് ഉയർത്തുക. അതായത് പോകുന്ന വഴിയിൽ heat energy, environment-മായി transfer ചെയ്യുന്നില്ല. ഇങ്ങനെ മുകളിലേക്കുപോകുന്ന parcel അവിടെ pressure കുറവായതുകൊണ്ട് expand ചെയ്യുന്നു. പക്ഷെ ഇങ്ങനെ parcel expand ചെയ്യണമെങ്കിൽ ആരെങ്കിലും ഒരു work ചെയ്യണ്ടേ ? അതിനു energy യും വേണമല്ലോ. അതെവിടെനിന്നു ലഭിക്കുന്നു ? Parcel നു ഒരു internal energy ഉണ്ടാകുമല്ലോ (which is essentially its heat energy). internal energy കുറച്ചെടുത്തു ഈ expansion നു വേണ്ട work ചെയ്യും. ഫലമോ ? parcel ന്റെ temperature കുറയുന്നു. അതുകൊണ്ട് മുകളിലേക്ക് പോകും തോറും parcel ന്റെ temperature കുറഞ്ഞുകൊണ്ടേയിരിക്കും. ഇങ്ങനെ temperature കുറയുന്നത് ELR ലും കൂടിയ rateൽ ആണ്. ഇതാണ് dry adiabatic lapse rate (DALR = 9.8 K/km).

ഇത് dry air ന്റെ കാര്യമാണ്. പക്ഷെ എപ്പോഴും അങ്ങിനെയാവണമെന്നില്ലല്ലോ. Water vapour content lapse rate-നെ ബാധിക്കുമോ ? തീർച്ചയായും. കാരണം നമുക്കറിയാം, air ന്റെ water holding capacity temperature അനുസരിച്ച് മാറും. Temperature കൂടുതൽ ആണെങ്കിൽ കൂടുതൽ water vapour hold ചെയ്യാം. അതായത്, temperature കുറയുന്നതിന് അനുസരിച്ച് അതിനു hold ചെയ്യാവുന്ന water vapour ന്റെ capacity കുറയും. അപ്പോൾ നമ്മൾ ആദ്യം എടുക്കുന്ന air parcel 30 degree Celsius-ൽ ആണെന്ന് കരുതുക. temperature-ൽ അതിനു 1g water vapour hold ചെയ്യാം എന്ന് വിചാരിക്കുക. പക്ഷെ നമ്മുടെ parcel-0.7g മാത്രമേ ഉള്ളൂ എങ്കിൽ അത് saturated അല്ലല്ലോ. ഇനി അത് adiabatic ആയി മുകളിലേക്ക് ഉയർത്തുന്നു. അപ്പോൾ നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചതുപോലെ ഓരോ kilo meter ലും 9.8 ഡിഗ്രി എന്ന കണക്കിൽ temperature കുറയുമല്ലോ (at DALR). അപ്പോൾ 1km height ൽ എത്തുമ്പോൾ parcel നു 20.2 ഡിഗ്രി temperature ആയിരിക്കുമല്ലോ. Temperature കുറഞ്ഞ സ്ഥിതിക്ക് അതിന്റെ water holding capacity യും കുറഞ്ഞ് 0.7g ആയി എന്ന് കരുതുക. അതായത് ആ temperature parcel നു hold ചെയ്യാവുന്നതിന്റെ maximum നമ്മുടെ parcel ൽ ഉണ്ട് – parcel saturated ആയി എന്നർത്ഥം. ഇനി എന്ത് സംഭവിക്കും ? ഇനി parcel ഉയർത്തുമ്പോൾ ഉടനെതന്നെ കുറച്ചു water vapour condense ചെയ്യും (liquid water ആയി മാറും). അതായത് energy കൂടിയ vapour state ൽ നിന്ന് energy കുറഞ്ഞ liquid state ലേക്ക് വരുന്നു. ഈ എനർജി difference ആണ് latent heat. അതുകൊണ്ട്, ഇങ്ങനെ phase change നടക്കുമ്പോൾ അതിന്റെ കൂടെ കുറച്ചു heat energy കൂടി പുറത്തുവരുന്നു. ഈ പുറത്തുവരുന്ന heat energy parcel ന്റെ temperature വർധിപ്പിക്കുന്നു. അതായത് മുകളിലേക്ക് പോകുന്നതുകൊണ്ട്‌ temperature കുറഞ്ഞുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന parcel ലേക്ക് അല്പം heat energy വരുന്നു. അതിനാൽ rate of cooling കുറയുന്നു. അപ്പോൾ , parcel saturated ആണെങ്കിൽ അതിനെ adiabatic ആയി ഉയർത്തുമ്പോൾ അതിന്റെ cooling rate വ്യത്യസ്തമായിരിക്കും. ഇതാണ് saturated adiabatic lapse rate (SALR, = nearly 5K/km). SALR ഒരു constant വാല്യൂ അല്ല, it depends on the saturation vapour pressure (see Salby,1996 page 132 for derivation).

DALR = 9.8 K/km

SALR = 5 K/km (may vary slightly)

ELR = not a constant, but normal value is 6-7 K/km (in troposphere)

നമ്മൾ പറഞ്ഞുതുടങ്ങിയത്‌ stability യെക്കുറിച്ചാണ്. ഇപ്പൊ lapse rate ൽ എത്തിനില്ക്കുന്നു. ഒരു air parcel ന് മുകളിലേക്ക് ഒരു impulsive force കൊടുക്കുന്ന കാര്യമാണല്ലോ പറഞ്ഞുതുടങ്ങിയത്. അങ്ങിനെ ഈ parcel DALR ൽ മുകളിലേക്ക് പോകും. പക്ഷെ parcel നു പുറത്തുള്ള സ്ഥിതി അതല്ല. അവിടെ ELR ലാണ് temperature കുറയുന്നത്. താഴെ ചേർത്തിരിക്കുന്ന ചിത്രം ശ്രദ്ധിക്കുക.

                                            stable

ഇവിടെ 30 ഡിഗ്രി യിലുള്ള ഒരു parcel 1 km വരെ adiabatic ആയി ഉയർത്തുന്നു. adiabatic ആയതുകൊണ്ട് DALR –ൽ അതിന്റെ temperature കുറയും. പക്ഷെ ELR 6.5 deg/km ആയതുകൊണ്ട് 1 km –ൽ എത്തുമ്പോൾ parcel environment നേക്കാൾ cooler ആയിരിക്കും. അതായത് denser ആയിരിക്കും. അപ്പോൾ എന്ത് സംഭവിക്കും ? സ്വാഭാവികമായും അത് താഴേക്കു വരും. ഇത്തരം atmosphere നെ ആണ് stable എന്ന് പറയുന്നത്. എന്നാൽ parcel ഇങ്ങനെ താഴേക്കു വരുന്നതുകൊണ്ട് വേറെ എന്തെങ്കിലും പ്രശ്നമുണ്ടോ ? നോക്കാം.

താഴേക്കു വരും തോറും അത് pressure കൂടിയ സ്ഥലത്തേക്കാണല്ലോ വരുന്നത്. അപ്പോൾ, മുകളിലേക്ക് പോകുമ്പോൾ expand ചെയ്തതുപോലെ താഴേക്കു വരുമ്പോൾ compress ആവുന്നു. Expand ചെയ്തപ്പോൾ parcel cool ആയി. അപ്പോൾ compress ചെയ്യുമ്പോൾ temperature കൂടുമല്ലോ? അങ്ങിനെ parcel താഴേക്കെത്തുന്നു. പക്ഷെ അതിന് ഒരു inertia ഉള്ളതുകൊണ്ട് അല്പം കൂടി താഴേക്കു പോകും. അപ്പോൾ അത് കൂടുതൽ warm ആകുമല്ലോ ? അതായത് parcel environment നേക്കാളും warm ആവും അഥവാ lighter ആവും. തീർച്ചയായും മുകളിലേക്ക് പോകും. ഇങ്ങനെ മുകളിലേക്ക് പോകുന്നത് വീണ്ടും താഴേക്കു വരും. അതായത് ഇവിടെ air parcel oscillate ചെയ്യും. oscillation നെ Brunt – Vaisala oscillation എന്നും ഇതിന്റെ frequency യെ Brunt – Vaisala frequency എന്നും പറയുന്നു. തീർച്ചയായും stable atmosphere ൽ മാത്രമേ ഇത്തരം oscillation ഉണ്ടാവൂ.

ഇനി മറ്റൊരു situation നോക്കാം, where, ELR = DALR, അതായത് രണ്ടും 9.8 deg. Cel /km

ചിത്രം ശ്രദ്ധിക്കൂ

                              neutral

ഇവിടെ 1 km height air parcel നും environment നും ഒരേ temperature ആണല്ലോ. അതുകൊണ്ട് അത് അവിടെ തന്നെ നില്ക്കും. മുകളിലേക്കുമില്ല താഴേക്കുമില്ല !!!! ഇതിനെ neutral atmosphere എന്ന് വിളിക്കുന്നു.

ഇനി ഒരു case കൂടിയുണ്ട്, ELR, DALR നേക്കാൾ കൂടിയ അവസ്ഥ. അങ്ങിനെ വന്നാൽ എന്താ സംഭവിക്കുക ?             

മൂന്നാമത്തെ ചിത്രം നോക്കൂ

                                unstable

ഇവിടെ, മുകളിൽ എത്തുന്ന parcel environment നേക്കാൾ warm ആണല്ലോ. അതായത് lighter ആണെന്നർത്ഥം. അങ്ങിനെ വന്നാൽ ? അത് വീണ്ടും മുകളികേക്ക് പോകും. ഈ അവസ്ഥയിൽ atmosphere unstable ആണ് എന്ന് പറയും. ഇങ്ങനെ atmosphere unstable ആയ സമയങ്ങളിൽ vertically growing clouds ആയ cumulonimbus clouds ഉണ്ടാവാറുണ്ട് (provided enough moisture is present in the air).

Earth ന്റെ surface വളരെയധികം ചൂടു പിടിക്കുന്ന അവസ്ഥയിൽ മാത്രമേ ഇത്തരം ഒരു സന്ദർഭം വരുകയുള്ളൂ. ഏപ്രിൽ മെയ് മാസങ്ങളിൽ ലഭിക്കുന്ന വേനൽ മഴ (summer rain) ഇതിനു നല്ല ഉദാഹരണമാണ്.

അപ്പോൾ ഒരു സംശയം അത്രമേൽ unstable ആണെങ്കിൽ ഈ air parcel നു തനിയെ മുകളിലേക്ക് പോകാൻ പറ്റില്ലേ ? എന്താ ഒരു ഫോഴ്സിന്റെ ആവശ്യം ? താഴെ കാണിച്ചിരിക്കുന്ന ചിത്രം ശ്രദ്ധിക്കൂ

unstable_ball

മുകളിലിരിക്കുന്ന ഒരു ball unstable ആണ്. പക്ഷെ ആരെങ്കിലും ഒന്ന് തട്ടിയിടുന്നത് വരെ അത് അവിടെ തന്നെയിരിക്കും. അതുപോലെ തന്നെയാണ് unstable atmosphere ന്റെ കാര്യത്തിലും. Orographic lifting, frontal lifting, strong surface heating, low level convergence  മുതലായ ഏതെങ്കിലും triggering ഇല്ലാതെ അത് മുകളിലേക്ക് പോകില്ല !!!

So, we have,

                                                    DALR > ELR, stable

                                                    DALR = ELR, neutral

                                                    DALR < ELR, unstable

മുകളിൽ പറഞ്ഞത് ഒരു dry air parcel ന്റെ case ആണ്. ഇനി parcel saturated ആണെങ്കിലോ ? നേരത്തേ സൂചിപ്പിച്ചിരുന്നല്ലോ air saturated ആയാൽ അവിടെ cooling rate SALR –ൽ ആയിരിക്കുമെന്ന്. അപ്പോൾ മുകളിൽ കൊടുത്തിരിക്കുന്ന ഈ condition മാറും. DALR നു പകരം SALR കൊടുക്കുക.

That is,

                                                     SALR > ELR, stable

                                                     SALR = ELR, neutral

                                                     SALR < ELR, unstable

ഇനി ഇതുരണ്ടും അല്ലാത്ത ഒരു situation ഉണ്ട്. Water vapour ഉണ്ട്, പക്ഷെ saturated അല്ല. ഇങ്ങനെ, ഒരു unsaturated parcel consider ചെയ്യുക. അവിടെ ELR 6.5 deg. Cel /km ആണെന്ന് വിചാരിക്കുക. അതായത് DALR നും SALR നും ഇടയിൽ. ഇനി parcel ഉയർത്തുക. Saturated ആകുന്നതുവരെ അത് DALR –ൽ ആയിരിക്കും മുകളിലേക്ക് പോവുക. ആ സമയത്ത് parcel stable ആയിരിക്കും. കാരണം ELR 7 ആയതുകൊണ്ട്, DALR ലും കുറവാണല്ലോ. ഇനി പോകുന്ന വഴിയിൽ saturated ആയി എന്ന് കരുതുക. ഉടനെ തന്നെ parcel cool ചെയ്യുന്ന rate മാറും. DALR ൽ നിന്നും SALR ആകും. അപ്പോൾ ? ഇവിടെ ELR 7 ആണ്, SALR 5 ഉം. അതിനാൽ തുടർന്നും മുകളിലേക്ക് പോകുമ്പോൾ parcel environment ലും warm ആയി, unstable ആയേക്കാംഇതിനെയാണ് conditional instability എന്നുപറയുന്നത് (ie, when ELR lies between DALR and SALR). Weather systems ന്റെ  formation   atmosphere ന്റെ stability വളരെ പ്രധാനമാണ്. അതോടൊപ്പം, atmosphere ലെ water vapour content ഉം.

 

For further reading:

  • Atmospheric Science: An Introductory Survey, Wallace and Hobbs, 2006.

  • Fundamentals of Atmospheric Physics, Murry L Salby, 1996

  • Thermal Physics of the Atmosphere, Maarten H. P. Ambaum , 2010

Advertisements

13 thoughts on “സ്റ്റാറ്റിക് സ്റ്റെബിലിറ്റി

    1. 🙂 നന്നായോ എന്നല്ല, മനസ്സിലായോ എന്ന് പറഞ്ഞാൽ മതി… 🙂

  1. da kalakki deepu 🙂

    ini oru doubt juz asking (may be stupid question)

    ” atmosphere നു heat source, sun അല്ല, earth ആണ് ” really is it so … angane parayaan pattuo ??? may be 70% or so…..

    Atmospheric Heat Gains
    Short-wave radiation from the sun……………11.9%
    Heat to atmosphere from condensation…………14.4%
    Heat to atmosphere from convection/conduction… 4.4%
    Long-wave radiation from earth………………69.4%
    (“Meterorology Today,” (4th Ed.) by C. Donald Ahrens. )

    anyway move on good luck brother
    nice work
    waiting for more from u

    1. OK… it is the direct contribution. Thats all. Except the short-wave radiation part (which is 11.9% as given) rest of all essentially results from earth only. Because conduction part comes when air in contact with the warmer earth is getting heat as sensible heat. Condensational heating results from the phase change of water vapour to liquid water. But clouds are forming when water vapour evaporate from earth. So, Again I think the short-wave part is due to the absorption of short wave radiation in the ionosphere and also by the ozone in staosphere (Not sure!!).

      Thanks for your interest.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s