אינוורסיה (מטאורולוגיה)

אינוורסיה או היפוך טמפרטורות (באנגלית: Inversion) היא תופעה מטאורולוגית בה קיימת שכבת אוויר חמה מעל שכבת אוויר קרה, בניגוד למצב הנפוץ. המונח מתייחס לשכבות הנמוכות של האוויר בטרופוספירה.

רקע

בשכבות האטמוספירה הנמוכות, עד לגובה של 10 ק"מ לערך (הטרופוספירה), טמפרטורת האוויר יורדת (מתקררת) ככל שעולים בגובה. הדבר נובע בעיקר עקב התרחקות מקרקע כדור הארץ שמתחממת מקרינת השמש, וכן מפליטת קרינה ארוכת גל מכדור הארץ. חימום האטמוספירה ישירות מקרינת השמש הוא זניח יחסית.
מצב זה, בו טמפרטורת האוויר יורדת עם העלייה בגובה, הוא המצב הנפוץ בשכבת הטרופוספירה, בה מתקיימים החיים על פני כדור הארץ. בגבהים 10–15 ק"מ עולה ריכוז האוזון עם הגובה, אשר בולע קרינת קצרת גל UV-B, ומתחמם, בשונה מהמגמה הכללית בטרופוספירה. כאמור, שכבת אוויר חמה מעל שכבת אוויר קרה היא מצב "היפוך", אינוורסיה.

הגדרה

אינוורסיה מוגדרת כמצב אטמוספירי שבו הטמפרטורה עולה עם הגובה, המשליך על יציבות האוויר. זהו מצב נורמלי בטרופופאוזה ובסטרטוספירה (שכבות גבוהות באטמוספירה), אולם בטרופוספירה (שכבה נמוכה) מדובר בתופעה חריגה מהמצב הכללי, המתקיימת לרוב בשכבת אוויר מצומצמת יחסית. שמה של התופעה ("היפוך") ניתן לה משום היותה חריגה בשכבת הטרופוספירה, בה מתקיימים החיים.

אינוורסיה כמצב יציב

האינוורסיה מהווה מצב יציב, כיוון שאף אם באופן תאורטי חבילת אוויר קרה העולה אנכית לא תעבור התקררות אדיאבטית, עדיין היא תימצא בסביבה חמה ממנה ולכן תשקע.
חלק גדול ביותר מן השינויים האטמוספיריים נובע מתהליך הקרוי הסעה (או קונבקציה). בתהליך זה, הקרקע סופגת חום מן השמש ומחממת את גוש האוויר הצמוד לה. בהיותו חם מסביבתו, גוש האוויר קל ממנה ולכן מטפס במעלה האטמוספירה. ככל שהגוש עולה גבוה יותר סביבתו מתקררת בהתאם, שכן באופן רגיל הטמפרטורה יורדת עם העלייה בגובה. כתוצאה מהתקררות זו, גם גוש האוויר מאבד אנרגיה והטמפרטורה שלו יורדת. עם זאת, על-אף ירידת הטמפרטורה של גוש האויר, הוא לעולם ממשיך להיות חם מסביבתו בשל יתרון החום ההתחלתי שלו. כך, בכל שלב באטמוספירה יהיה גוש האוויר חם מסביבתו, ולפיכך קל ממנה ומסוגל להמשיך בעלייתו. תהליך זה של הסעת חום מן הקרקע לאטמוספירה קשור קשר הדוק עם תהליך יצירת העננים.
אם מתקיימת אינוורסיה בגובה מסוים, האוויר החם יטפס מעלה-מעלה עד אשר יתקל בשכבת האינוורסיה בה הטמפרטורה עולה עם הגובה וכך יחדל להיות חם מסביבתו, שהרי סביבתו הולכת ומתחממת עם העלייה בגובה. בשלב בו גוף האוויר החם שעולה מן הקרקע יהיה חם ברמה של האוויר שמעליו, הוא יעצר.

השפעה על זיהום האוויר

מפני יציבותו, מועד בסיס האינוורסיה להצטברות זיהום אוויר אשר מתקשה להתפזר אופקית. שכבת האינוורסיה, בכל גובה שתהא, מתפקדת למעשה כ"מחסום" או "תקרה", ולכן השכבות שמעל שכבת האינוורסיה אינן משמעותיות ברמה המטאורולוגית. בשל עובדה זו, לאינוורסיה חשיבות אדירה בהיבט של זיהום האוויר.
האוויר הקיים על פני הקרקע הוא בדרך כלל מזוהם על ידי מקורות שונים כמו מפעלים, כלי רכב ותחנות כח. באופן רגיל מתקיים תהליך הסעה המסייע לגוף האוויר המזוהם לטפס במעלה האטמוספירה, וכך מתרחק האוויר המזוהם מפני הקרקע. אך כאשר שכבת האינוורסיה היא נמוכה, גוף האוויר המזוהם מסוגל לטפס רק עד לנקודה בה מתחיל בסיס שכבת האינוורסיה, ובשלב זה נכלא האוויר המזוהם בין הקרקע לבסיס שכבת האינוורסיה ולא מאפשר לזיהום להתפזר.
רום (גובה) שכבת האינוורסיה משפיע בצורה שונה על מקומות בעלי גובה שונה. לשם דוגמה, בסיס שכבת האינוורסיה המצוי בגובה של כ-1,000 מטרים מעל פני הקרקע, מאפשר באופן רגיל את פיזור זיהום האוויר המופק בקרקע בצורה נסבלת. אך מצב זה נכון עבור ערים או יישובים השוכנים בגובה נמוך, כמו ערי מישור החוף, בהם לאוויר המזוהם תהיה האפשרות לעלות 1,000 מטרים באטמוספירה ובכך יורחק הזיהום בצורה משמעותית מפני הקרקע. לעומת זאת, בערים או יישובים השוכנים בגובה רב, ייתכן כי ישרור זיהום אוויר כבד על אף ששכבת האינוורסיה תהיה באותו הגובה. למשל, העיר ירושלים שוכנת ברום ממוצע של 800 מטרים מעל פני הקרקע, ועל כן, כאשר בסיס שכבת האינוורסיה נמצא ברום של 1000 מטרים בלבד, הרי כי זיהום המופק בירושלים יוכל לטפס כ-200 מטרים בלבד עד שיעצר בשכבת האינוורסיה. ביום מעין זה, צפוי להימדד בירושלים זיהום אוויר גבוה משמעותית מזה הנמדד במישור החוף.
באופן דומה, כאשר שכבת האינוורסיה נמוכה יחסית, תהיה ההשפעה שונה בתכלית עבור מקומות בעלי גובה שונה. לדוגמה, כאשר שכבת האינוורסיה נמצאת ברום של 300 מטרים, תהיה רמת זיהום האוויר במישור החוף גבוהה יחסית, שכן האוויר המזוהם מסוגל לטפס כ-300 מטרים בלבד. לעומת זאת, בירושלים השוכנת מעל שכבת האינוורסיה, יוכל האוויר המזוהם לטפס מעלה ללא הפרעה ולפיכך לא תהיה חריגה בשיעור זיהום האוויר.
בערים ובישובים בעלי גיוון טופוגרפי, יכול רום שכבת האינוורסיה להשפיע בצורה שונה לחלוטין על אזורים שונים באותה העיר, כשם שהוא משפיע בצורה שונה על יישובים בגובה שונה. לדוגמה, בחיפה קיימות שכונות שונות בגובה פני הים, לצד שכונות בגבהים של מעל 400 מטרים מעל פני הים. בהינתן שכבת אינוורסיה שבסיסה בגובה של 500 מטרים, הרי שכל הזיהום המופק באזור המפרץ ובתי הזיקוק יטפס כ-500 מטרים מעל החוף, וזיהום האוויר יהיה ממוצע. לעומת זאת, בשכונות הגבוהות יתקיים זיהום אוויר חמור במיוחד בגלל היווצרותו של "כלוב" אוויר, כך שכל הזיהום שטיפס מן המפרץ יהיה כלוא כמעט בגובה פני הקרקע. בדומה לכך, שכבת אינוורסיה ברום של כ-250 מטרים תגרום לזיהום אוויר קשה בשכונות הנמוכות, אך בשכונות הגבוהות לא יירשמו חריגות בזיהום האוויר.

השפעה על גלים בטרופוספירה

בעת היפוך טמפרטורות נוצרת מגמת אינוורסיה במקדם השבירה של האוויר לגלי קול וגלי רדיו בתדר גבוה מאוד. הדבר יוצר החזרות של גלים אלה משכבת האינוורסיה.
גלי רדיו בתדר גבוה מאוד עשויים להיות מולכים בתוך שכבת האינוורסיה למרחק מאות קילומטרים. תופעה זו נקראת תיעול טרופוספרי (Tropospheric ducting).