عدم الاستقرار المتماثل المشروط

تكون جزيئات الهواء على ارتفاع معين مستقرة إذا كانت درجة حرارتها المعدلة أديباتياً أثناء الصعود مساوية أو أقل من درجة حرارة البيئة المحيطة. وبالمثل، تكون مستقرة إذا كانت درجة حرارتها مساوية أو أعلى أثناء الهبوط. في حالة تساوي درجة الحرارة، تبقى الجزيئات على الارتفاع الجديد، بينما في الحالات الأخرى، تعود إلى مستواها الأصلي.

في الرسم البياني على اليمين، يمثل الخط الأسود جسيمًا مرتفعًا تبقى درجة حرارته في البداية أقل من درجة حرارة البيئة المحيطة (الهواء المستقر)، مما يعني عدم وجود تيارات حمل حراري. ثم في الرسوم المتحركة، يتم تسخين السطح بواسطة الإشعاع الشمسي، ويبقى الجسيم المرتفع أكثر دفئًا من البيئة المحيطة (الهواء غير المستقر). ويُقاس الاستقرار الهيدروستاتيكي بتسجيل التغير مع الاتجاه الرأسي لدرجة الحرارة الكامنة المكافئة .${\displaystyle \theta _{e}}$): ^{[ 3 ]}

• لو${\displaystyle \theta _{e}}$يؤدي انخفاض الكتلة الهوائية مع الارتفاع إلى عدم استقرارها.
• لو${\displaystyle \theta _{e}}$يبقى ثابتًا مع الارتفاع مما يؤدي إلى كتلة هوائية محايدة
• لو${\displaystyle \theta _{e}}$يؤدي ازدياد الضغط مع الارتفاع إلى استقرار الكتلة الهوائية.

وبالمثل، فإن الإزاحة الجانبية لجزيء الهواء تغير دواميته المطلقة${\displaystyle \eta }$وهذا يُعطى بمجموع الدوامة الكوكبية،${\displaystyle f}$، و${\displaystyle \zeta }$، الدوامة الجيوستروفية (أو النسبية) للكتلة: ^{[ 3 ] [ 4 ]}

${\displaystyle \eta =\left[{\frac {\partial v}{\partial x}}-{\frac {\partial u}{\partial y}}\right]+f=\zeta +f\qquad \qquad }$

أين  :

• ${\displaystyle v}$و${\displaystyle u}$تمثل هذه السرعات الجيوستروفية الزوالية والقطرية على التوالي.
• ${\displaystyle x}$و${\displaystyle y}$تتوافق مع الإحداثيات المدارية والزوالية.
• ${\displaystyle f}$هو معامل كوريوليس ، الذي يصف مكون الدوامة حول العمودي المحلي الناتج عن دوران الإطار المرجعي.
• ${\displaystyle \zeta }$تمثل هذه القيمة الدوامة النسبية حول الخط الرأسي المحلي. ويتم إيجادها بأخذ المركبة الرأسية لدوران السرعة الجيوستروفية.

${\displaystyle \eta }$يمكن أن تكون قيمة الدوامة موجبة أو معدومة أو سالبة تبعًا للظروف التي تتم فيها الحركة. وبما أن الدوامة المطلقة تكون موجبة دائمًا تقريبًا على النطاق الجوي ، فيمكن اعتبار أن الغلاف الجوي مستقر عمومًا للحركة الجانبية. ويكون الاستقرار الذاتي منخفضًا فقط عندما${\displaystyle \eta }$يقترب من الصفر. بما أن${\displaystyle f}$إيجابي دائماً،${\displaystyle \eta \leq 0}$لا يمكن تحقيق ذلك إلا على الجانب المضاد للإعصار من ذروة قوية للتيار النفاث أو في مرتفع جوي على ارتفاع معين، حيث تعطي سرعات المشتقة في اتجاه الإزاحة في المعادلة قيمة سالبة كبيرة. ^{[ 5 ]}

يشير تغير الزخم الزاوي إلى الاستقرار: ^{[ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]}

• ${\displaystyle \Delta M_{g}=0}$ثم يبقى الجسيم في الموضع الجديد لأن زخمه لم يتغير
• ${\displaystyle \Delta M_{g}>0}$يعود الجسيم إلى موضعه الأصلي لأن زخمه أكبر من زخم البيئة المحيطة.
• ${\displaystyle \Delta M_{g}<0}$، يستمر الجسيم في إزاحته لأن زخمه أصغر من زخم البيئة المحيطة.

في ظل ظروف هيدروستاتيكية وقصورية مستقرة معينة، قد يكون الإزاحة المائلة غير مستقرة عندما يتغير نظام كتلة الهواء أو الرياح. يوضح الشكل على اليمين مثل هذه الحالة. تتم إزاحة جسيم الهواء بالنسبة لخطوط العزم الحركي (${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$) التي تزداد من اليسار إلى اليمين ودرجة الحرارة الكامنة المكافئة (${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$) التي تزداد مع الارتفاع.

الحركة الجانبية أ

التسارعات الأفقية (إلى يسار أو يمين سطح ما)${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$) يرجع ذلك إلى زيادة/نقصان في${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$في البيئة التي يتحرك فيها الجسيم، يتسارع أو يتباطأ الجسيم للتكيف مع بيئته الجديدة. يخضع الجسيم (أ) لتسارع أفقي يمنحه قوة طفو موجبة أثناء تحركه نحو هواء أبرد، ويتباطأ أثناء تحركه نحو منطقة ذات هواء أبرد.${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$ترتفع الجسيمات وتصبح في النهاية أبرد من بيئتها الجديدة. عند هذه النقطة، تصبح قوة الطفو سالبة وتبدأ بالهبوط.${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$تزداد قيمة ويعود الجسيم إلى موضعه الأصلي. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

الإزاحة الرأسية ب

تؤدي الحركات الرأسية في هذه الحالة إلى طفو سلبي عندما تصطدم الجسيمات بهواء أكثر دفئًا (${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$يزداد مع الارتفاع) والتسارع الأفقي أثناء انتقاله إلى أسطح أكبر${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$أثناء هبوط الجسيم،${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$يتناقص ليتناسب مع البيئة وتعود الجسيمات إلى النقطة B. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

الإزاحة المائلة ج

الحالة ج فقط هي غير مستقرة. يتحد التسارع الأفقي مع اضطراب رأسي صاعد، مما يسمح بإزاحة مائلة. في الواقع،${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$حجم الجسيم أكبر من${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$في حين أن زخم الجسيم أقل من زخم البيئة المحيطة، فإن الإزاحة المائلة تُنتج بالتالي قوة طفو موجبة وتسارعًا في اتجاه الإزاحة المائلة مما يعززها. ^{[ 5 ]}

وبالتالي فإن شرط وجود عدم استقرار متماثل مشروط في حالة مستقرة هو: ^{[ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]}

• ميل${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$أكبر من ذلك الخاص بـ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$
• الهواء المزاح جانبياً يكون مشبعاً تقريباً.

إذا صعدت جسيمات في منطقة CSI، فإنها ستبرد ويتكثف بخار الماء عند تشبعه، مما يؤدي إلى تشكل السحب والهطول بفعل الحمل الحراري المائل. على سبيل المثال، أمام جبهة دافئة، تكون الكتلة الهوائية مستقرة لأن الهواء المعتدل يتغلب على كتلة باردة. ويعيد التوازن الجيوستروفي أي جسيم يتحرك عموديًا من مركز المنخفض الجوي نحوه. مع ذلك، فإن الإزاحة المائلة للأعلى بفعل التسارع الصاعد على نطاق واسع في طبقة CSI تُنتج نطاقات متوازية من الأمطار الغزيرة. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يؤثر عدم الاستقرار المتناظر المشروط على طبقة قد تكون رقيقة أو سميكة جدًا في الاتجاه الرأسي، على غرار الحمل الحراري الهيدروستاتيكي. ويحدد سمك هذه الطبقة مدى تعزيز الهطول الحملي داخل منطقة تتكون في الأصل من سحب طبقية . ^{[ 6 ]} ونظرًا لأن الحركة تحدث في منطقة قريبة من التشبع، تبقى الجسيمات قريبة جدًا من معدل التدرج الحراري الرطب الأديباتي، مما يمنحها طاقة كامنة متاحة محدودة للحمل الحراري (CAPE). ويتراوح معدل الصعود في منطقة الحمل الحراري المائل من بضعة عشرات من السنتيمترات في الثانية إلى بضعة أمتار في الثانية. ^{[ 6 ]} وعادةً ما يكون هذا المعدل أقل من حد سرعة الصعود في السحب الركامية المزنية ، أي 5  م/ث، مما يؤدي إلى حدوث البرق ويحد من حدوثه مع عدم الاستقرار المتناظر المشروط. ^{[ 6 ]} ومع ذلك، فإنه ممكن في: ^{[ 6 ]}

• منطقة الهطول اللاحقة لأنظمة الحمل الحراري متوسطة النطاق .
• الحمل الحراري في فصل الشتاء لأن طبقة التروبوبوز المنخفضة والباردة تساعد في تأين بلورات الجليد المتحركة لأعلى.
• في جدار العين خلال مرحلة التعمق للأعاصير الناضجة، على الرغم من ندرة حدوث ذلك لأنها منطقة محايدة بشكل متناظر وخالية عمومًا من نشاط البرق.

تتميز نطاقات الحمل الحراري المائلة بعدة خصائص: ^{[ 6 ]}

1. إنها متوازية
2. وهي موازية للرياح الحرارية
3. تتحرك مع حركة المرور العامة
4. المسافة بين الحزم تتناسب مع سمك طبقة CSI

على النقيض، إذا انزلقت الجسيمات إلى الأسفل، فإنها ستسخن وتصبح أقل تشبعًا نسبيًا، مما يؤدي إلى تبدد السحب. كما أن الثلج المتكون على ارتفاعات أعلى بفعل الحمل الحراري المائل سيتسامى أيضًا في التيار الهابط ويتسارع. وقد يمنحه ذلك سرعة هبوط تصل إلى 20  مترًا في الثانية. ^{[ 6 ]} يرتبط هذا التأثير بهبوط طائرة ستينغ النفاثة إلى الأرض . ^{[ 8 ]}