Stabiilius eli ilman tasapainotila

Ilmakehän stabiilisuudella kuvataan ilmakehän herkkyyttä sekoittumiselle. Stabiilisuutta voidaan kuvata ilmapaketilla joka sysätään pystysuuntaiseen liikkeeseen. Stabiilissa tilanteessa tämä ilmapaketti pyrkii palaamaan takaisin lähtöasemaansa. Neutraalissa tilassa ilmapaketti jää siihen mihin se on sysätty. Epästabiilissa eli labiilissa tilassa oleva ilmapaketti puolestaan jatkaa nousuaan/laskuaan. Neutraali tai labiili tila ovatkin otollisimmat olotilat ilmamassan sekoittumiselle.

Ilmakehän lämpötilan pystysuuntainen tasapainotila, eli hydrostaatinen stabiilius, liittyy oleellisesti rajakerroksessa vallitseviin tuulioloihin. Stabiilius vaikuttaa tuulen nopeuden pystysuoran muutoksen suuruuteen, maaston vaikutukseen yläpuoliseen tuuleen sekä virtauksen pyörteisyyteen, turbulenttisuuteen, ja puuskaisuuteen. Stabiilius on ensisijainen tekijä, joka aiheuttaa tuulen nopeuden pystysuoran muutoksen poikkeamisen logaritmisesta tuuliprofiilista.

Tuuliprofiili pintakerroksessa ilmaistaan seuraavasti:

ks. Yhtälö 1.

jossa stabiilus ilmenee nk Monin-Obkhov-pituuden (dimensio metreissa) avulla ja:

ks. Yhtälö 2.

u* on ns. kitkanopeus (kinemaattinen pintastressi) siten, että liikemäärän vuo on τ = ρ u* 2, jossa ρ on ilman tiheys (kg/m3);

k on von Kármán´in vakio, joka tuulimittaustenperusteella on suuruusluokkaa 0,4;
Ψ on empiirinen funktio stabiiliusparametrista z/L, joka kuvaa ilmakehän stabiiliuden vaikutusta vertikaaliseen tuuliprofiiliin;
z0 on maaston rosoisuutta kuvaava parametri (m);
L on ns. Monin-Obukhovin pituus, joka kuvaa ilman stabiiliutta;
on keskimääräinen virtuaalinen potentiaalilämpötila (Kelvineinä):
on lämmön vuo pinnan tasolla (s), joka laskennallisesti on kovarianssi turbulenttisten virtuaalisen potentiaalilämpötilan ' poikkeamien ja vertikaalisen tuulen nopeus komponentin w' poikkeamien (m/s) välillä; Poikkeamat määritetään tietyn näytteenoton keskiarvosta (yleensä 30 min).

g on gravitaatiokiihtyvyys;
Koska L edellyttää turbulenttisia mittauksia (esim. akustisella anenometrilla) ja niiden käsittelyä oikealla ohjelmistolla, voidaan arvioida stabiiliutta myös toisella indeksilla, joka tarvitsee vain kahdella korkeudella tehtyjä tavanomaisia lämpötila- ja tuulimittauksia. Tällöin käytetään ns. Bulk-Richardsonin lukua RiB, jossa otetaan huomioon sekä lämpötilan pystysuoramuutosta ΔT/Δz että vastaavaa tuulen nopeuden pystysuora muutosta:

ks. Yhtälö 3.

missä Θ on ilman potentiaalilämpötila alimmalla tasolla, eli lämpötila, josta on poistettu ilmanpaineen vaikutus, ja g on gravitaatiokiihtyvyys, jolloin g/θ on ns. nostetermi.

Ilman stabiiliuden aste on laskettavissa esimerkiksi mastoissa mitattujen lämpötilojen ja tuulen nopeuksien perusteella. Onkin suositeltavaa, että tehtäessä tuulivoimalan sijoituspaikan tuulimittauksia ilman lämpötilaa mitataan ainakin kahdelta korkeudelta. Mittaukset tulee tehdä pintakerroksessa eli ei liian korkealla, koska vertikaaliset muutokset pienenevät huomattavasti ylöspäin mennessä; alimman mittauskorkeuden on oltava vähän rosoisuuselementtien yläpuolella (esimerkiksi 1-2 m nurmikon yläpuolella) ja ylin taso noin 10-20 m alemmasta tasosta ylöspäin..

Kun jossakin ilmakerroksessa RiB=z/L=0 on se neutraalisti kerrostunut, eli lämpötila laskee korkeuden kasvaessa 9,8 ºC/km. Tällöin lämpötilan muutos korkeuden kasvaessa on kuiva-adiabaattinen ja potentiaalilämpötila on korkeuden suhteen vakio. Tällainen tilanne esiintyy mm kun taivas on täysin pilvinen ja/tai tuuli on voimakas.

Jos ilman kerrostuneisuus on vakaa eli stabiili (RiB, z/L >0), lämpötila laskee korkeuden mukana vähemmän kuin 9.8 °C/km, eli potentiaalilämpötila kasvaa ylöspäin mentäessä. Tällainen tilanne on tyypillinen pilvettöminä öinä, kun pinta jäähtyy ulossäteilyn vaikutuksesta.

Epävakaan eli labiilin ilmakerroksen lämpötila laskee korkeuden mukana enemmän kuin 9.8 °C/km, eli potentiaalilämpötila pienenee ylöspäin mentäessä (RiB, z/L <0).

Ilmakehässä on yleensä kosteutta, jonka tiivistyminen vapauttaa lämpöä, joten ilmakehän keskimääräinen viileneminen ylöspäin noustessa on noin 6,4 ºC/km. Tämä otetaan huomioon käyttämällä virtuaalilämpötilaa lämpötilan asemesta (tai virtuaalipotentiaalilämpötila potentiaalilämpötilan sijasta).

Etenkin rannikolla stabiiliuserot rantaviivan kahta puolta voivat olla huomattavan suuret. Esimerkiksi aurinkoisena kevätpäivänä, jolloin merenpinta on edelleen kylmempi kuin ilma ja maanpinta, merialueella on tyypillisesti vakaa ja maan yllä epävakaa tilanne.



Yhtälö 1.



Yhtälö 2.



 



Kuva havainnollistaa eri stabiiliustilanteita kuvaamalla savuvanan käyttäytymistä sekä tyypillistä vertikaalista tuuliprofiilia eri tilanteissa.



Yhtälö 3.