Обычно в тропосфере температура в среднем убывает с высотой, но локально порядок может быть обратным: холодный воздух располагается под более тёплым. Это и есть температурная инверсия. Её следует отличать от смога: инверсия описывает состояние атмосферы, а смог — загрязнённый воздух. Инверсия способна существовать и там, где существенных выбросов нет.[1]
Поднятый из нижнего холодного слоя объём воздуха при расширении дополнительно охлаждается и оказывается плотнее окружения. Плавучесть препятствует дальнейшему подъёму. Образ «крышки» помогает представить этот эффект, но слой не является непроницаемой стеной: обмен зависит также от ветра, сдвига скорости, мощности инверсии и процессов у её границ.
Как образуется и разрушается инверсия
В ясную ночь поверхность теряет энергию излучением и охлаждает прилегающий воздух. При слабом перемешивании нижний слой остывает сильнее верхнего и возникает приземная радиационная инверсия. После восхода прогрев поверхности часто постепенно разрушает её снизу, однако снег, облака и слабое солнце способны замедлить этот процесс.[2]
Приподнятая инверсия может формироваться при оседании и адиабатическом нагревании воздуха наверху либо при переносе более тёплого воздуха над холодным слоем. В котловинах дополнительную роль играет стекание плотного холодного воздуха со склонов. Поэтому инверсии бывают не только ночными и не обязательно начинаются непосредственно у земли.
Имеют значение высота основания, толщина и температурный перепад. Условно, рост температуры на 3 °C между 100 и 400 м сообщает о перепаде в конкретном 300-метровом слое. Это не универсальный порог опасности. Две инверсии с одинаковым перепадом могут по-разному влиять на наземный транспорт и высокую промышленную трубу, поскольку источники расположены на разных уровнях.
Почему загрязнение накапливается не всегда одинаково
Если выбросы поступают под инверсию и ветер слаб, примеси распределяются в ограниченном объёме и могут накапливаться. Продолжительность эпизода тогда важна не меньше самого наличия инверсии. Влажность и химические реакции меняют состав смеси, а туман способен сосуществовать с ней, но ни туман, ни видимая дымка не являются достаточным доказательством температурного профиля.[1]
При разрушении ночного устойчивого слоя растущий перемешанный слой может вовлекать примеси, оставшиеся выше поверхности. Для приподнятого факела это иногда временно увеличивает приземное воздействие, хотя общий вертикальный обмен усиливается. Модели рассеивания учитывают положение факела относительно границы перемешивания, его подъём и неоднородность турбулентности.[3]
Инверсию устанавливают по вертикальному температурному профилю. Радиозондирование и другие профильные наблюдения помогают объяснить слабое перемешивание, а измерения примесей показывают фактическое накопление.