रुद्धोष्म प्रक्रियाएँ: उठती हवा ठंडी क्यों होती है
हवा के एक बड़े बुलबुले की कल्पना करो, इसे पार्सल कहते हैं। यह आसपास की हवा से ज़्यादा नहीं मिलता।
- ऊँचाई के साथ वायुदाब घटता है। उठते पार्सल पर कम हवा दबाव डालती है, तो यह फैलता है।
- फैलने के लिए यह आसपास की हवा को धकेलता है। इसमें इसकी अपनी ऊर्जा खर्च होती है, तो तापमान गिरता है।
- कोई ऊष्मा अंदर या बाहर नहीं जाती। ऐसे बदलाव को रुद्धोष्म (adiabatic) कहते हैं।
नीचे आती हवा दबती (संपीडित होती) है और इसी तरह गर्म होती है। इसलिए पहाड़ से नीचे आती हवा गर्म और सूखी लगती है।
ह्रास दर
ह्रास दर (lapse rate) बताती है कि ऊपर जाने पर तापमान कितनी तेज़ी से गिरता है, °C प्रति km में।
शुष्क, आर्द्र और पर्यावरणीय ह्रास दर
| ह्रास दर | मान | किसकी बात |
|---|---|---|
| शुष्क रुद्धोष्म (DALR) | 10 °C/km (9.8) | उठता असंतृप्त पार्सल |
| संतृप्त/आर्द्र रुद्धोष्म (SALR) | लगभग 4 से 7 °C/km (हम 6 लेते हैं) | उठता बादल वाला पार्सल |
| पर्यावरणीय (ELR), सामान्य ह्रास दर | औसत 6.5 °C/km, रोज़ बदलती | पार्सल के आसपास की स्थिर हवा |
आर्द्र दर छोटी क्यों?
पार्सल जब ओसांक तक ठंडा होता है, जलवाष्प बूँदों में संघनित होती है। संघनन से गुप्त ऊष्मा निकलती है (वही ऊष्मा जो पानी को भाप बनाने में लगी थी)। यह ऊष्मा ठंडक को कुछ कम कर देती है, इसलिए बादल वाला पार्सल धीरे ठंडा होता है। बहुत गर्म-नम हवा में दर लगभग 4 °C/km, ठंडी हवा में 7 से 9 के पास।
बादल का आधार
जिस ऊँचाई पर पार्सल ओसांक तक पहुँचता है, वह संघनन तल है, कपासी बादलों का चपटा तला। आसान नियम: बादल का आधार (m) ≈ 125 × (तापमान - ओसांक)।
स्थिरता: स्थिर, अस्थिर और सशर्त अस्थिर हवा
स्थिरता बताती है कि उठाया गया पार्सल आगे क्या करेगा। उसी ऊँचाई की हवा से तुलना करो:
- पार्सल आसपास से ठंडा → घना → वापस नीचे। स्थिर।
- पार्सल गर्म → हल्का → उठता रहता है। अस्थिर।
| स्थिति | नाम | मौसम |
|---|---|---|
| ELR, SALR से कम (लगभग 6 °C/km से कम) | पूर्ण स्थिर | साफ़ आसमान या परतदार बादल (स्तरी), बूँदा-बाँदी, कोहरा |
| ELR, SALR और DALR के बीच (6 से 10) | सशर्त अस्थिर | सूखी हवा में स्थिर; संतृप्त होने पर अस्थिर, इसलिए नम हवा बड़े कपासी बादल बना सकती है |
| ELR, DALR से ज़्यादा (10 से ऊपर) | पूर्ण अस्थिर | तेज़ ऊपर उठती धाराएँ, अक्सर गर्म ज़मीन के पास |
| ऊँचाई के साथ तापमान बढ़े | प्रतिलोमन (बहुत स्थिर) | कोहरा, धुंध, स्मॉग ज़मीन के पास फँसे |
स्थिरता से बादलों का आकार
स्थिर हवा बादलों को बगल में चपटी परतों में फैलाती है (स्तरी, स्तरी-कपासी)। अस्थिर हवा बादलों को ऊपर बढ़ाती है: कपासी, फिर ऊँचे कपासी-वर्षी (cumulonimbus) बादल, भारी वर्षा, ओले और बिजली के साथ। हवा को ज़मीन की गर्मी (संवहन), पहाड़ (पर्वतीय उठान), वाताग्र और मिलती हवाएँ ऊपर उठाती हैं।
उपयोग: तूफ़ान, पहाड़ों की गर्म हवाएँ और स्मॉग
- दोपहर की आँधी तब बनती है जब गर्म ज़मीन और नम हवा निचले वायुमंडल को अस्थिर बना देती हैं।
- फ़ॉन (Foehn) / चिनूक हवाएँ: नम हवा पहाड़ की एक ओर चढ़ती है (आर्द्र दर से ठंडी, वर्षा करती), फिर दूसरी ओर सूखी उतरती है (शुष्क दर से गर्म), इसलिए ज़्यादा गर्म और सूखी पहुँचती है।
- साफ़ शांत रातों में प्रतिलोमन घाटियों और शहरों में प्रदूषण फँसा देता है।
- मौसम विभाग दिन में दो बार गुब्बारों (रेडियोसोंड) से ELR मापता है ताकि तूफ़ान का पूर्वानुमान हो सके।
करके देखो: पार्सल का अनुमान
- 3D का आख़िरी कदम खोलो। आसपास की ह्रास दर 4 °C/km करो। अनुमान: ऊँचा या नीचे? जाँचो।
- 9 °C/km और ओसांक 22 °C करो। अनुमान लगाओ, फिर बादल बढ़ता देखो।
- 9 °C/km रखो पर ओसांक 8 °C करो। अब पार्सल क्यों रुकता है? (संकेत: बादल नहीं बनता, तो यह 10 °C/km से ठंडा होता रहता है।)
- घर पर: साइकिल के टायर में पंप करो, पंप गर्म लगेगा (दबने से हवा गर्म)। वाल्व से हवा निकालो, ठंडी लगेगी (फैलने से हवा ठंडी)।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- बादल के आधार से नीचे पार्सल: T = T₀ - 10 × h (h km में)
- बादल के आधार से ऊपर: T = T_आधार - 6 × (h - h_आधार)
- आसपास की हवा: T = T₀ - ELR × h
- बादल के आधार की ऊँचाई (m) ≈ 125 × (T - ओसांक)
- पार्सल आसपास से ठंडा = स्थिर; गर्म = अस्थिर
हल किए गए उदाहरण
1. 25 °C की सूखी हवा 2 km ऊपर उठती है। उसका तापमान?
शुष्क दर से: 25 - 10 × 2 = 5 °C।
2. ज़मीन की हवा 30 °C, ओसांक 22 °C। बादल के आधार की ऊँचाई निकालो।
अंतर = 8 °C। आधार ≈ 125 × 8 = 1000 m = 1 km।
3. पिछले उदाहरण में 3 km पर पार्सल का तापमान?
1 km तक (शुष्क): 30 - 10 = 20 °C। फिर 2 km लगभग 6 °C/km से: 20 - 12 = 8 °C।
4. 3 km पर आसपास की हवा (ELR 9 °C/km, ज़मीन 30 °C) कितनी गर्म है? वहाँ पार्सल स्थिर है या अस्थिर?
आसपास: 30 - 27 = 3 °C। पार्सल 8 °C, यानी 5 °C ज़्यादा गर्म और हल्का, तो उठता रहेगा: अस्थिर। ऊँचे कपासी-वर्षी बादल बनेंगे।
5. फ़ॉन: समुद्र तल पर 20 °C की हवा 3 km ऊँचे पहाड़ पर चढ़ती है। बादल का आधार 1 km पर। वर्षा के बाद दूसरी ओर सूखी उतरती है। अंतिम तापमान?
1 km तक शुष्क: 10 °C। 1 से 3 km आर्द्र: 10 - 12 = -2 °C। 3 km नीचे शुष्क: -2 + 30 = 28 °C। 8 °C ज़्यादा गर्म और बहुत सूखी।
6. गुब्बारा ज़मीन पर 15 °C और 300 m पर 18 °C मापता है। यह क्या है, मौसम कैसा होगा?
ऊँचाई के साथ तापमान बढ़ा: प्रतिलोमन, बहुत स्थिर हवा। धुआँ और कोहरा नीचे फँसे रहेंगे; धुंध या स्मॉग और शांत हवा।
आम गलतियाँ
- यह सोचना कि उठती हवा 'अंतरिक्ष के पास' जाने या ठंडी हवा से मिलने से ठंडी होती है। वह फैलने से ठंडी होती है; ऊष्मा बाहर नहीं जाती।
- पर्यावरणीय ह्रास दर (आसपास की स्थिर हवा) और रुद्धोष्म दरों (चलता पार्सल) को एक समझना।
- कहना कि नम हवा तेज़ी से ठंडी होती है। वह धीरे ठंडी होती है, क्योंकि संघनन गुप्त ऊष्मा छोड़ता है।
- सिर्फ़ पार्सल देखकर स्थिरता तय करना। स्थिरता हमेशा तुलना है: उसी ऊँचाई पर पार्सल बनाम आसपास।