I fjor vinter ble flere områder i USA og Canada rammet av en "polar vortex". Jeg bodde tilfeldigvis i et av disse områdene og ble overrasket over hvor mye temperaturen så ut til å endre seg så plutselig bare fordi en haug med "luft" hadde endret sted.
Hvorfor kan lufttemperatur påvirke overflatetemperaturen så radikalt?
Overflatetemperaturen er temperaturen til luften ved overflaten (i stedet for selve bakken). Denne temperaturen blir vanligvis tatt mellom 1 og 2 m fra bakken, og dette er temperaturen vi føler når vi er ute. Enkelt sagt, årsaken til at luft påvirker denne temperaturen, noen ganger radikalt, er at temperaturen er en egenskap til luften (den er relatert til den gjennomsnittlige kinetiske energien til molekylene som omfatter luften).
Hvis vi er nysgjerrige på temperaturendringen vi opplever, kan vi skrive $ \ frac {DT} {Dt} $, hvor $ \ frac {D} {Dt} $ er et materialderivat og $ T $ er temperatur. Denne temperaturendringen er Lagrangian, eller med andre ord temperaturen på en pakke luft når den beveger seg rundt. Vi kan utvide dette som $$ \ frac {DT} {Dt} = \ frac {\ partial T} {\ partial t} + \ mathbf {u} \ cdot \ nabla T $$ Hva denne ligningen sier til oss er at endringen i temperatur kan være relatert til to effekter:
Det første punktet kommer til å bli endret av energioverføring mellom bakken og luften (ledning) og strålingstap (stråling) . Disse endringene er på skalaen til hvordan temperaturen endres mellom morgen og ettermiddag - ingenting er for radikalt.
Det andre punktet er hvor de radikale endringene kan finne sted. Temperatur er en luftegenskap, så hvis ny luft beveger seg inn til stedet med en annen temperatur, vil det sterkt bestemme den lokale overflatetemperaturen.
Du nevner polarhvirvelen, som er et ofte misbrukt begrep som nylig har kommet inn i populært ordforråd. Polarvirvelen er hovedsakelig en midt-øvre atmosfæriske sirkulasjon over polene. Når du hører det på TV, hører du mest sannsynlig det misbrukt, og generelt betyr det bare en veldig sterk kaldfront med en (kanskje usannsynlig) kald, arktisk kontinental luftmasse bak. En front er i enkle termer en forbedret overflatetemperaturgradient som skiller luftmasser med forskjellige egenskaper. Nøkkelfunksjonen er en sterk temperaturgradient - en relativt stor endring i overflatetemperatur over en relativt liten avstand.
Dette går tilbake til den tidligere diskusjonen om det primære bidraget til at radikale temperaturendringer er vinden i luft med en annen temperatur. Når en kald front ankommer, blir den drevet av vinden, og dette er et eksempel på transport av temperatur med vinden (kaldluftadveksjon).
Oppsummert påvirker luft lokale overflatetemperaturer så sterkt fordi temperatur er en egenskap til luften. Hvis luften for tiden rundt byen din erstattes av ny luft, vil luften ha sin egen temperatur, og du vil oppleve en temperaturendring. Hvis den nye luften er radikalt kaldere, vil du oppleve en radikal temperaturendring.