מפל הטמפרטורה באטמוספירה

במדעי האטמוספירה, מפל טמפרטורה הוא מונח המתאר את רמת ירידת הטמפרטורה עם עלייה בגובה. בדרך כלל הכוונה היא לאטמוספירת כדור הארץ, אך ניתן לעשות שימוש במונח דומה בכל כדור גז גרביטציוני. באנגלית, נפוץ המונח "שיעור דעיכה" (lapse rate), שמוגדר כרמת הדעיכה של משתנה אטמוספירי (לחץ אטמוספירי, למשל) מסוים עם העלייה בגובה. אם כי לרוב, וכשלא מצוין אחרת, המשתנה הוא טמפרטורה. 
האטמוספירה מתחממת ממגע עם קרקע כדור הארץ באמצעות הולכה, ולכן, בחלקה התחתון של האטמוספירה, עד גובה של כ-12 ק"מ, הטמפרטורה יורדת עם הגובה, באורח אחיד פחות או יותר - עם ההתרחקות ממקור הולכה. מפל הטמפרטורה באטמוספירה משתנה ממקום למקום, אולם בתנאים אטמוספיריים נורמליים, מפל הטמפרטורה הממוצע הוא ירידה של 6.4°C לק"מ. מפל הטמפרטורה המדיד מושפע מהלחות באוויר. מפל טמפרטורה יבש עומד על ירידה של 10°C לק"מ, ונעשה בו שימוש לחישוב השינוי בטמפרטורה באוויר עם לחות יחסית של פחות מ-100%. מפל טמפרטורה לח עומד על ירידה של 5.5°C לק"מ, ונעשה בו שימוש לחישוב השינוי בטמפרטורה של אוויר רווי, כלומר בלחות יחסית של 100%. המפל בפועל לרוב אינו בדיוק על פי שני מדדים אלה, אך הם מהווים מדד שחוזה באופן מדויק מספיק את שינויי הטמפרטורה הכרוכים בתנועת האוויר כלפי מעלה ומטה. מפל הטמפרטורה האטמוספירי, יחד עם עיקרון ההתקררות וההתחממות האדיאבטית של האוויר, הקשור בדחיסת האוויר והתרחבותו, מהווה מודל אחיד המסביר את התקררות האוויר הנע מעלה, והתחממות האוויר היורד מטה.

הקשר ליציבות האוויר

ניתן להסביר את יציבות האוויר במונחי מפל טמפרטורה. האטמוספירה נחשבת לא יציבה על תנאי כאשר מפל הטמפרטורה של הסביבה קטן ממפל הטמפרטורה האדיאבטי היבש, אך גדול ממפל הטמפרטורה האדיאבטי הלח. המפל של הסביבה אינו חייב להיות אדיאבטי לח או רטוב, מסיבות שונות - ערבוליות באטמוספירה או זרימת אוויר למשל. אולם, חבילת אוויר שעולה מעלה מתקררת אדיאבטית, מעצם הגדרתה ככזו, אינה מחליפה חום עם הסביבה. ייתכן מצב, שחבילת אוויר יבשה עולה בגובה ומתקררת לפי המפל האדיאבטי היבש, וממשיכה לעלות כל עוד הטמפרטורה שלה גבוהה ביחס לסביבתה. מצב זה נחשב לא יציב, כיוון שהוא מעודד קונבקציה - זרימת אוויר כלפי מעלה. בשלב מסוים, עם ירידת הטמפרטורה והגעה לנקודת הטל, תתרחש התעבות, וההתקררות תיעשה לפי המפל האדיאבטי הלח - פעמים רבות זהו המישור התחתון של ענן. גם במקרה זה, כל עוד הטמפרטורה של חבילת האוויר גבוהה מהטמפרטורה של הסביבה תהיה קונבקציה, אך בשלב מסוים הטמפרטורה תשתווה עם זו של הסביבה, והעלייה תיעצר - פעמים רבות זהו המישור העליון של ענן.
אי יציבות מוחלטת תהא כאשר המפל האדיאבטי היבש קטן יותר ממפל הסביבה, וחבילת האוויר ממשיכה לעלות עד שמגיעה לאזור שווה טמפרטורה. במצב של יציבות מוחלטת, המפל האדיאבטי הלח גדול ממפל הסביבה, אוויר מתקרר מהר יותר מהסביבה, וחוזר למקומו המקורי.

מפל הסביבה

מפל הטמפרטורה של הסביבה (ELR - environmental lapse rate) מבטא את שינוי הטמפרטורה של האטמוספירה עם הגובה בזמן ובמקום נתונים. הארגון הבינלאומי לתעופה אזרחית מגדיר סטנדרט אטמוספירה בינלאומי (international standart atmosphere - ISA) של מפל טמפרטורה סביבתי בשיעור 6.49°C ל-1000 מטרים עד גובה של 11 ק"מ. מ-11 ק"מ עד 20 ק"מ, הטמפרטורה קבועה פחות או יותר ועומדת על 56.5°C-. סטנדרט אטמוספירי זה אינו מתייחס ללחות. בפועל, מפל הטמפרטורה אינו תמיד עקבי ויורד עם הגובה. למשל, עשויה להיות שכבת אינוורסיה, שבה הטמפרטורה עולה עם הגובה.

קרינה, גזי חממה ומודל תרמודינמי

פרופסור רוברט ה. אסנהיי (Robert H. Essenhigh), מאוניברסיטת קיימברידג' פיתח מודל תרמודינמי מקיף של מפל טמפרטורה המבוסס על משוואות שוסטר שוורצשילד (S-S), המתארות דרך מעבר קרינה באטמוספירה, בהתחשב גם בספיגת הקרינה על ידי גזי חממה. "הפתרון חוזה, יחד עם המידע הנסיוני של הסטנדרט האטמוספירי, דעיכה ליניארית של הטמפרטורה ברביעית עם הלחץ. בקירוב ראשון, דעיכה ליניארית של הטמפרטורה עם הגובה עד הטרופוספירה (שכבת הטרופוספירה הנמוכה, כ-10 ק"מ". הצפיפות והלחץ המנורמלים החזויים מתאמים לתוצאות הניסיוניות. סריקאנת' קולן (Sreekanth Kolan) במהלך מחקרו באוניברסיטת המדינה של אוהיו, הרחיב את המודל לתאר גם את מאזן האנרגיה בשכבות האטמוספירה.

חשיבות במטאורולוגיה

למפלי טמפרטורה המגוונים באטמוספירת כדור הארץ, בעיקר בטרופוספירה, חשיבות רבה במטארולוגיה. באמצעותם ניתן לבדוק אם חבילת אוויר נוסקת תעלה מספיק עד שהמים בה יתעבו לעננים, ואם האוויר ימשיך לעלות ליצירת ענני גשם ואף ענני סערה, קומולונימבוס.
כאשר אוויר בלתי רווי עולה מעלה, הטמפרטורה שלו יורדת לפי המפל האדיאבטי היבש. נקודת הטל גם היא יורדת, כתוצאה מירידה בלחץ האוויר עם הגובה, אך לאט הרבה יותר - ירדה של כ-2°C ל-1000 מטרים. אם אוויר בלתי רווי עולה גבוה מספיק, הטמפרטורה שלו תגיע לנקודת הטל שלו, ותחל התעבות. גובה זה ידוע כרום ההתעבות, או מפלס ההתעבות, בקיצור גם LCL, מאנגלית -lifting condensation level, כאשר ההרמה היא מכנית, ו-CCL, מאנגלית - convective condensation level כאשר ההרמה אינה מכנית, אלא נובעת מחימום תחתי מספיק כדי להגיע לטמפרטורת הקונבקציה, הטמפרטורה הדרושה כדי לגרום לאוויר לעלות. בסיס הענן יהיה בשכבה הנתחמת בפרמטרים האלה.
ההפרש בין המפל האדיאבטי היבש ובין מפל נקודת הטל הוא כ-8°C ל-1000 מטרים. הטמפרטורה ונקודת הטל שונות מאלו על הקרקע. ניתן למצוא בקלות את ה-LCL על ידי הכפלה ב-125m/°C.
אם מפל הסביבה קטן מהמפל האדיאבטי הלח, האוויר ביציבות מוחלטת - אוויר נוסק מתקרר מהר יותר מהאוויר שבסביבתו, ולא יהיה קל יותר, כלומר יפסיד את יכולת הציפה. מצב זה מתרחש לעיתים קרובות בבוקר המוקדם, כאשר האוויר הקרוב אל הקרקע מתקרר במהלך הלילה. היווצרות ענן באוויר יציב אינה סבירה.
אם מפל הסביבה נמצא בין המפל האדיאבטי היבש ובין המפל האדיאבטי הלח, האוויר אינו יציב על תנאי -  חבילת אוויר בלתי רוויה לא תהא בעלת יכולת ציפה מספקת כדי לעלות ל-LCL או ל-CCL, והיא יציבה מכדי להביא לחילוף אוויר אנכי. אם חבילת האוויר רוויה היא אינה יציבה והיא תטפס עד ל-LCL או ל-CCL, שם היא תיעצר על ידי שכבת אינוורסיה, או על ידי מעצור קונבקציה (convective inhibition), או שהעלייה תימשך כאשר חבילת האוויר תגיע למפלס הקונבקציה החופשית, גם LFC, באנגלית - level of free convection. לאחריה, החבילה נכנסת לשכבת הקונבקציה החופשית (FCL), ומשום עולה לרוב עד לשכבת שיווי המשקל, EL, באנגלית - equilibrium level.
אם מפל הסביבה גדול יותר מהמפל האדיאבטי היבש, הוא נקרא מפל "סופראדיאבטי" והאוויר אינו יציב באופן מוחלט - חבילת אוויר תצבור ציפה כשהיא עולה מבעד ל-LCL ול-CCL. מצב זה מתרחש לרוב אחרי הצהריים מעל פני יבשות. בתאנים אלא יש סבירות גבוהה להיווצרות ענני קומולוס ואף קומולונימבוס.
מטאורולוגים משתמשים ברדיוסנדה כדי למדוד את מפל הסביבה ומשווים אותה למפלים האדיאבטיים, כדי לחשב את הסבירות לעליית האוויר. טבלאות של מפל הסביבה נקראות דיאגרמות תרמודינמיות, למשל טפיגרמה ואמגרמה.
ההבדל בין המפל האדיאבטי הלח ובין המפל האדיאבטי היבש הוא הגורם לרוח פן, הידועה כרוח צ'ינוק בצפון אמריקה.