Tri tipa nestabilnosti atmosfere

• uvjetna nestabilnost

• latentna nestabilnost

• potencijalna (konvektivna) nestabilnost

  Prije opisa svakog tipa, ukratko moramo objasniti stopu opadanja temperature dižuće česti s visinom. Označavamo ju sa Γ, a ona kaže koliko Celzijevih stupnjeva (Kelvina) se snizi temperatura česti pri promjeni visine za 1km. Za nezasićenu čest, ona iznosi okruglo 10 ºC/km, preciznije 9,8 ºC/km, dok je za zasićenu manja, zbog ukapljivanja vodene pare i oslobađanja latentne topline ukapljivanja pri dizanju česti – tada iznosi između 4 ºC/km na malim i 7 ºC/km na velikim visinama. γ je vertikalni gradijent temperature s visinom.

Prvi tip nestabilnosti je uvjetna nestabilnost. Zamislimo sloj zraka sa lineranim opadanjem temperature s visinom γ. Pretpostavimo zasićenu čest zraka u sredini toga sloja, temperature koja odgovara temperaturi okoline. Podignemo li tu čest unutar sloja na veću visinu, čest će se hladiti po pseudoadijabatskoj stopi Γs (~ 4 do 7 ºC/km). Ako je Γs > γ, čest postaje hladnija od okoline (njezina stopa hlađenja je veća od stope opadanja temperature okoline s visinom). Zbog toga što postaje hladnija od okoline, nastaje negativan uzgon, te se ona nastoji vratiti u početan položaj. Da je čest pak bila nezasićena, ona bi se hladila po adijabatskoj stopi Γd (10 ºC/1km), znači još brže, budući da se ne bi oslobađala latentna toplina pri ukapljivanju vodene pare. Zbog toga bi bila još teža pa bi se još brže vraćala u početni položaj. Situacija u opisanom sloju zraka, naziva se apsolutna stabilnost.

Ukoliko je Γd > γ, ali Γs < γ, kažemo da je sloj zraka uvjetno nestabilan. Uvjetno je nestabilan zato, jer njegova stabilnost ovisi o zasićenosti vodenom parom; ukoliko je zrak nezasićen, sloj će biti stabilan, no ukoliko je zasićen, sloj će postati nestabilan! Podižemo li zasićenu čest kroz takav sloj na veću visinu, zbog toga što je njezina stopa hlađenja Γs manja od stope opadanja temperature s visinom γ, ona će postajati sve toplija od okoline, pa će joj uzgon sve više rasti. Sloj zraka je tada nestabilan ako je u zasićenom stanju.

Ukoliko je zrak u sloju daleko od zasićenja (ima malu relativnu vlažnost), uvjetna nestabilnost sloja se još uvijek može osloboditi podizanjem vlažnije česti zraka ispod sloja, i dovođenjem u područje uvjetno nestabilnog sloja.

Svojstvo česti zraka da pseudoadijabatskim dizanjem na nekoj visini postane nestabilna (toplija od okoline), naziva se latentna nestabilnost. Visina na kojoj se to događa zove se razina slobodne konvekcije (Level of Free Convection – LFC) za tu čest zraka. Jednom kada čest u uvjetno nestabilnom sloju dosegne LFC, nastaviti će vertikalno ubrzanje zbog vlastitoga uzgona. Ubrzanje će se nastaviti sve dok postoji sila uzgona, tj. dok god je čest toplija od okoline kojom prolazi. U trenutku kada postane ponovo hladnija od okoline, kaže se da je dostigla Equilibrium Level (EL), visinu koja u pravilu odgovara vrhu konvektivnih oblaka. Kod jako razvijenih olujnih sustava, ova visina se nalazi na samom vrhu troposfere, ili čak u tropopauzi.

Posljednji tip nestabilnosti je potencijalna nestabilnost. Još se naziva i konvektivnom nestabilnošću. Za objasniti taj tip nestabilnosti, valja upotrijebiti pojam ekvivalentne potencijalne temperature Θe. Ekvivalentna potencijalna temperatura je temperatura koju bi imala čest zraka kada bi se ukapljila sva vodena para koju ona sadrži, a oslobođena latentna energija iskoristila za grijanje česti. Čest zadržava svoju Θe ako je podignemo pseudoadijabatski do vrha atmosfere, te spustimo adijabatski do tla. Zamislimo sada stupac zraka koji dižemo pseudoadijabatski, sve dok ne postane zasićen po cijeloj svojoj visini. Ukoliko donji dio stupca prvi počne ukapljivanje, daljnje dizanje stupca dovesti će do njegove nagle destabilizacije, s obzirom da se donji dio (zasićen) hladi po pseudoadijabatskoj stopi Γs (sporije), a gornji, još uvijek nezasićeni, po adijabatskoj stopi Γd (brže). Zbog toga što se gornji dio stupca hladi brže od donjeg, dolazi do porasta vertikalnog gradijenta temperature u stupcu, pa on postaje jače nestabilan. Ovaj tip nestabilnosti zove se potencijalna, odnosno konvektivna nestabilnost. Može se pokazati, kako će do nestabilnog stanja γ > Γs doći onda, ako potencijalna temperatura slojeva Θe opada s visinom.

Podižemo li čest kroz slojeve zraka, te ona u jednom trenutku postane toplija od okoline, rekli smo da se takvo stanje (svojstvo) naziva latentna nestabilnost. Prođe li takva čest sve slojeve i njezina temperatura nigdje ne prijeđe temperaturu okoline, latentne nestabilnosti nema, međutim, čak i u tom slučaju, može postojati potencijalna nestabilnost, koja će se javiti ako umjesto jedne česti iz prizemlja, podižemo čitav stupac zraka, pod uvjetom da njegova ekvivalentna potencijalna temperatura Θe dovoljno opada s visinom! S obzirom da se ekvivalentna potencijalna temperatura "sastoji" iz temperature i količine vlage, do potencijalne nestabilnosti može doći i u slučaju da umjesto temperature, s visinom znatno opada vlažnost zraka (jako vlažan prizemni sloj, a suhi srednji i viši slojevi troposfere). Obratno, ukoliko je atmosfera latentno nestabilna, uvijek je istovremeno – i potencijalno nestabilna.