meteorologia.pdf

Ryszard Lutosþawski

( ryszard@vossnet.de )

METEOROLOGIA

Wykþad 1

BUDOWA ATMOSFERY

Nasza miþa planeta skþada siħ z trzech zasadniczych czħĻci:

1. Litosfery - wszystkiego, co twarde - skorupy ziemskiej, poszczeglnych warstw i

jĢdra.

2. Hydrosfery - wszystkiego, co pþynne - oceanw, mrz, jezior, zbiornikw wodnych

i rzek.

3. Atmosfery - wszystkiego, co gazowe - czyli tego, gdzie mamy do czynienia z

pojħciem pogody, (ktra wystħpuje w dolnych warstwach atmosfery, ale mocno

zaleŇy rwnieŇ od pozostaþych wyŇej wymienionych czħĻci).

Przyjrzyjmy siħ bliŇej atmosferze:

Jest ona mieszaninĢ gazw potocznie nazywanĢ powietrzem. Skþada siħ ono z

ponad 78% azotu i nieco poniŇej 21% tlenu (þĢcznie 99,03% skþadu powietrza). W

pozostaþych 0,97% argon zajmuje 0,934%, a dwutlenek wħgla 0,033%. Inne gazy -

neon, hel, krypton, ksenon, wodr, ozon, jod, radon, metan, amoniak, nadtlenek

wodoru podtlenek azotu itd. wystħpujĢ w iloĻciach rzħdu tysiħcznych i mniejszych

czħĻci procentu.

Do wysokoĻci okoþo 100 km, liczĢc od powierzchni Ziemi, procentowa zawartoĻę

gþwnych gazw tworzĢcych powietrze praktycznie siħ nie zmienia. IloĻci zaĻ

dwutlenku wħgla, ozonu i pary wodnej nie sĢ staþe.

Szczeglnie duŇĢ zmiennoĻę wykazuje zawartoĻę w powietrzu dwutlenku wħgla,

ktrego iloĻę zaleŇy od pory doby, rodzaju podþoŇa, a takŇe wielu warunkw

lokalnych - powyŇej podana jego zawartoĻę w powietrzu jest zawartoĻciĢ przeciħtnĢ.

Dwutlenek wħgla, przepuszczajĢc przewaŇajĢcĢ czħĻę promieniowania sþonecznego

docierajĢcego do Ziemi, jednoczeĻnie pochþania promieniowanie cieplne

(podczerwone) wracajĢce od Ziemi w przestrzeı. Jest on wiħc niezwykle waŇnym

czynnikiem dla bilansu cieplnego atmosfery.

Koncentracja ozonu roĻnie ze wzrostem wysokoĻci, przy czym iloĻę tego gazu ulega

powaŇnym wahaniom. Ozon tworzy siħ gþwnie w warstwie od 15 do 55 tysiħcy

metrw od powierzchni Ziemi i powstaje tam z tlenu, ktrego czĢsteczki (O 2 ) pod

wpþywem promieniowania sþonecznego o dþugoĻci fali mniejszej niŇ 0,24 um

(nadfiolet) rozpadajĢ siħ na pojedyncze atomy (O), a te z kolei þĢczĢ siħ w

trjatomowe czĢsteczki (O 3 ) zwane ozonem. NajwiħkszĢ iloĻę ozonu spotykamy w

warstwie od 20 do 35 tysiħcy metrw ponad powierzchniĢ ziemi. PowyŇej 55 do 60

tysiħcy metrw nie stwierdza siħ istnienia ozonu. W pobliŇu ziemi powstaje on w

maþych iloĻciach podczas wyþadowaı elektrycznych, a takŇe w procesach utleniania

niektrych ciaþ. Znaczenie ozonu wynika z jego zdolnoĻci pochþaniania

promieniowania w trzech obszarach widma (nadfioletowym, Ňþto-zielonym i

podczerwonym). PochþaniajĢc prawie caþkowicie nadfioletowĢ czħĻę promieniowania

sþonecznego w zakresie dþugoĻci fal 0,15-0,29 um, ozon stanowi naturalnĢ osþonħ

organizmw Ňywych przed szkodliwym wpþywem tej czħĻci promieniowania. W

paĻmie Ňþto-zielonym widma przypada maksimum energii sþonecznej i tu ozon peþni

rolħ sþonecznego parasola ochronnego - abyĻmy nie zostali za bardzo przypieczeni, i

wreszcie w podczerwonym paĻmie widma chroni ziemiħ przed zbytnim

wypromieniowaniem ciepþa w przestrzeı. Te same wþasnoĻci co ozon, majĢ jeszcze

amoniak, jod i radon jednak ze wzglħdu na ich znikomĢ koncentracjħ w powietrzu nie

majĢ one dla procesw atmosferycznych wiħkszego znaczenia.

W atmosferze znajduje siħ zawsze pewna iloĻę pary wodnej, ktra dostaje siħ tam w

wyniku parowania wody z powierzchni oceanw, mrz, i innych powierzchni

wodnych, a takŇe z lodowcw i obszarw zaĻnieŇonych (þĢcznie okoþo 86%) oraz z

powierzchni lĢdw (okoþo 14%). Najwiħksze iloĻci pary wodnej zawiera warstwa

powietrza przylegajĢca bezpoĻrednio do powierzchni parujĢcej. W miarħ wzrostu

wysokoĻci, a takŇe w miarħ wzrostu odlegþoĻci od zbiornikw wodnych iloĻę pary

wodnej maleje. W powietrzu przy powierzchni ziemi Ļrednia zawartoĻę pary wodnej

waha siħ od 0,2% w szerokoĻciach polarnych do 2,5% w pobliŇu rwnika. W

przypadkach skrajnych zawartoĻę pary wodnej w powietrzu waha siħ w granicach 0%

do okoþo 4% (w stosunku do objħtoĻci powietrza suchego). Para wodna zawarta w

atmosferze speþnia niezwykle waŇnĢ rolħ w procesach wymiany ciepþa. Proces

parowania zwiĢzany jest z pobieraniem wielkich iloĻci ciepþa (na wyparowanie 1

grama wody potrzeba blisko 600 kalorii - taka sama iloĻę ciepþa zostaje zwrcona

atmosferze w procesie skraplania pary wodnej). Produkty kondensacji pary wodnej

zawieszone w atmosferze (np. chmury) odbijajĢ, rozpraszajĢ i pochþaniajĢ

promieniowanie biegnĢce zarwno od sþoıca, jak i od powierzchni ziemi. Para

wodna, podobnie jak dwutlenek wħgla pochþania silnie promieniowanie podczerwone,

gþwnie w obszarze widma od 3 do 7 i powyŇej 14 um. Wszystkie te cechy majĢ

kolosalne znaczenie dla bilansu cieplnego atmosfery i powierzchni ziemi.

Oprcz wymienionych poprzednio skþadnikw powietrza mogĢ w nim siħ znajdowaę

inne gazy oraz czĢsteczki w stanie ciekþym czy staþym (zawiesiny). Te gazy to

najczħĻciej tlenki siarki, azotu czy fosforu powstajĢce w procesach spalania.

Zawiesiny zaĻ to przede wszystkim czĢsteczki dymu, sadzy, popioþu oraz kropelki

roztworw kwasw powstajĢce podczas spalania paliw, poŇarw leĻnych i wybuchw

wulkanw, czĢsteczki soli morskich dostajĢce siħ do atmosfery w wyniku rozpylania

grzbietw fal przez wiatr, kropelki wody i krysztaþki lodu jako produkty kondensacji

pary wodnej, mikroorganizmy (bakterie), pyþ kosmiczny, produkty rozpadu

pierwiastkw promieniotwrczych. WiħkszoĻę tych domieszek wystħpuje gþwnie w

pobliŇu powierzchni Ziemi. Szczeglnie wiele jest w pobliŇu wielkich przemysþowych

miast. Nad morzami i oceanami spotyka siħ gþwnie czĢsteczki soli i maleıkie

kropelki roztworw tych soli.

Szczeglne znaczenie dla procesw pogodowych majĢ zawiesiny noszĢce nazwħ

jĢder kondensacji. UmoŇliwiajĢ one i przyspieszajĢ kondensacjħ pary wodnej, w

wyniku czego powstajĢ jej rozmaite produkty - chmury, mgþy, opady, osady

atmosferyczne. Te jĢdra kondensacji uþatwiajĢ rwnieŇ utrzymanie siħ czĢsteczek

wody lub lodu w pierwszej fazie ich powstawania. JĢdrami kondensacji sĢ np.

czĢsteczki dymu, pyþy, krysztaþki soli, lodu, zarodniki roĻlin, bakterie itp.

W dolnej warstwie powietrza liczba jĢder kondensacji jest najwiħksza. Nad oceanami

w 1 cm 3 powietrza jest ich od okoþo 1000 do 40000. Nad lĢdem liczba ich znacznie

wiħksza i wynosi od 15000 do kilku milionw. Od ich liczby i rodzaju domieszek

zaleŇy stopieı przepuszczalnoĻci promieniowania w atmosferze (przezroczystoĻę).

ObecnoĻę zawiesin w powietrzu jest powodem powstawania wielu procesw

optycznych (rozpraszania, dyfrakcji, refrakcji, polaryzacji i innych).

W tej mieszaninie rozmaitych skþadnikw, bħdĢcej w stanie sporego rozrzedzenia,

niektre czĢsteczki tracĢ lub przyþĢczajĢ wolne elektrony, zyskujĢc przy tym þadunki

elektryczne. Naþadowane w ten sposb czĢsteczki nazywa siħ jonami, a proces ich

powstawania - jonizacjĢ. Proces ten zachodzi w atmosferze pod wpþywem

krtkofalowego i korpuskularnego promieniowania Sþoıca, promieni kosmicznych

oraz promieniowania ciaþ promieniotwrczych znajdujĢcych siħ w obrħbie skorupy

ziemskiej i w powietrzu. JednoczeĻnie z jonizacjĢ nastħpuje proces odwrotny -

rekombinacja - pomiħdzy tymi procesami zachodzi w powietrzu stan rwnowagi w

wyniku tych procesw w kaŇdym centymetrze szeĻciennym powietrza nad

powierzchniĢ ziemi znajduje siħ Ļrednio 500 do 900 jonw. Wraz z wzrostem

wysokoĻci zawartoĻę jonw wzrasta i jest najwiħksza w obszarze wysokoĻci

pomiħdzy 80 a 400 tysiħcy metrw - ten obszar nazywamy nawet jonosferĢ. Dziħki

obecnoĻci jonw powietrze wykazuje nieznaczne przewodnictwo elektryczne.

Poprzednio juŇ wspomniaþem, Ňe zawartoĻę procentowa skþadnikw powietrza do

wysokoĻci kilkudziesiħciu tysiħcy metrw nie zmienia siħ w widoczny sposb, czemu

sprzyja intensywne mieszanie siħ powietrza w kierunku pionowym. Azot i tlen

pozostajĢ gþwnymi skþadnikami powietrza do bardzo wielkich wysokoĻci.

Jednak powyŇej 80-100 tysiħcy metrw krtkofalowe promieniowanie sþoıca sprawia,

Ňe tlen znajduje siħ tam wyþĢcznie w stanie atomowym, z tego teŇ powodu rwnieŇ

inne czĢsteczki powietrza ulegajĢ rozpadowi na jony. W bardzo wysokich warstwach

atmosfery (500-1000 kilometrw) obserwuje siħ Ļlady sodu, powyŇej 1000 kilometrw

gþwnym gazem jest hel, a powyŇej 2000 kilometrw - wodr. W odrŇnieniu od

gþwnych skþadnikw powietrza zawartoĻę procentowa pary wodnej zmienia siħ z

wysokoĻciĢ bardzo wyraŅnie. Poþowa zagħszczenia pary wodnej przy ziemi

nastħpuje juŇ na wysokoĻci 1500 metrw.

Na wysokoĻci 5000 metrw zawartoĻę pary wodnej jest juŇ 10 razy mniejsza niŇ przy

ziemi, a na wysokoĻci 8000 metrw juŇ 100 razy. W warstwie powietrza do

wysokoĻci u nas 12 000 metrw (na biegunie 7000 - na rwniku 18000) zawiera siħ

99% oglnej iloĻci pary wodnej.

Atmosfera ziemska jest na skutek obrotu Ziemi znacznie bardziej od niej spþaszczonĢ

geoidĢ. Zilustrowaę to najlepiej moŇe fakt, Ňe dolna jej warstwa - troposfera ma w

rejonie biegunw tylko 7000 metrw gruboĻci, a w rejonie rwnika 18000 metrw. Na

naszej szerokoĻci geograficznej okoþo 12000 metrw - podziaþ atmosfery na warstwy

bħdziemy zatem dopasowywaę do naszej szerokoĻci geograficznej i podane niŇej

granice zasiħgu poszczeglnych warstw dotyczĢ tej wþaĻnie szerokoĻci.

Na podstawie wþaĻciwoĻci fizycznych i stosownie do rozwoju rozmaitych zjawisk

przyjħto podziaþ atmosfery na piħę zasadniczych warstw:

1. Troposfera 0-12 km - tylko w niej mamy do czynienia z produktami kondensacji

pary wodnej (chmury, mgþy, opady), wraz ze wzrostem wysokoĻci temperatura i

ciĻnienie powietrza malejĢ - tylko w tej warstwie mamy do czynienia z pionowymi

ruchami powietrza.

2. Stratosfera 12-50 km - ciĻnienie spada dalej wraz z wysokoĻciĢ, nie ma zjawisk

zwiĢzanych z wystħpowaniem pary wodnej, a temperatura jest staþa na granicy z

tropopauzĢ i niezaleŇnie od pory dnia i pory roku wynosi zawsze -54 o C w naszej

szerokoĻci geograficznej (ostatnie badania dowodzĢ, Ňe nastħpujĢ tam takŇe pewne

wahania temperatury, ale nie bħdziemy tu wchodzili w szczegþy - to sprawa dla

badaczy zjawiska powstawania dziur ozonowych). Nad biegunami temperatura

wynosi okoþo -45 o C, zaĻ w rejonie rwnika -80 o C i dalej wzrasta, aŇ do osiĢgniħcia

wartoĻci powyŇej zera. Pomiħdzy troposferĢ a stratosferĢ wyrŇniamy warstwħ

granicznĢ - tropopauzħ, ktrej gruboĻę wynosi okoþo 2000 m. W warstwie tej zanika

spadek temperatury i mogĢ w niej wyjĢtkowo rwnieŇ zachodzię zjawiska zwiĢzane z

wystħpowaniem pary wodnej - czyli warstwa ta moŇe przyjmowaę cechy tak

troposfery jak i stratosfery. Nie jest ona warstwĢ jednolitĢ i tam, gdzie nastħpujĢ jej

przerwania, powstajĢ niezwykle silne wiatry zwane prĢdami strumieniowymi lub z

angielska jet-stream. Wiatry te majĢ bardzo duŇy wpþyw na ruch wielkich mas

powietrza i peþniĢ waŇnĢ rolħ przy analizie prognoz pogodowych. Wzrost temperatury

w stratosferze powstaje dlatego, Ňe najwiħksze iloĻci ozonu znajdujĢ siħ na jej grnej

powierzchni, a ozon pochþania, jak juŇ wczeĻniej wyjaĻniaþem, promieniowanie w

Ňþto-zielonym paĻmie widma - w ktrym jest przekazywane najwiħcej energii. Ta

warstwa, jak i powierzchnia Ziemi, sĢ najwiħkszymi Ņrdþami ciepþa dla atmosfery i

wþaĻnie tropopauza jest najchþodniejsza, jako najdalej od obu tych Ņrdeþ poþoŇona

warstwa.

3. Mezosfera - 50-85 km - warstwa powyŇej stratosfery w ktrej temperatura znowu

spada, aŇ do wartoĻci okoþo -80 o C. W potocznym jħzyku meteorologw nazywa siħ

tĢ warstwħ rwnieŇ troposferĢ grnĢ, bo w niej wþaĻnie zachodzĢ zjawiska zwane

zorzĢ polarnĢ - czyli zjawiska Ļwiecenia czĢsteczek pod wpþywem przepþywu prĢdu

elektrycznego (jako asocjacja dla zjawisk chmurowych, no i ten spadek temperatury).

W tej warstwie jest najwiħksza liczba jonw i w niej rwnieŇ wyrŇnia siħ rozmaite

podwarstwy, o czym juŇ radiowcy lepiej wiedzĢ, gdyŇ dla nich majĢ one waŇne

znaczenie propagacyjne.

4. Termosfera - 85-800 km - to warstwa, w ktrej znowu temperatura roĻnie i

przekracza nawet wartoĻci 1000 o C - jest to wynikiem absorpcji promieniowania

sþonecznego w zakresie najmniejszych dþugoĻci fal. OczywiĻcie pojħcie tych

temperatur odzwierciedla jedynie energiħ prħdkoĻci ruchu czĢsteczek gazu, ale ich

rozproszenie jest tak ogromne, Ňe naturalnie lecĢcy tam pojazd kosmiczny nie moŇe

siħ nagrzaę w drodze przewodnictwa cieplnego i nic mu nie grozi.

5. Egzosfera - ponad 800 km - podejrzewa siħ, Ňe tam dochodzi juŇ wpþyw dziaþania

korony sþonecznej - w kaŇdym razie prħdkoĻci czĢsteczek gazu sĢ tam ogromne i

osiĢgajĢ 11,2 km/s, co pozwala im na rozpraszanie siħ w przestrzeni kosmicznej.

Tak, jak pomiħdzy troposferĢ i stratosferĢ mamy warstwħ rozdziaþu - tropopauzħ, to

pomiħdzy stratosferĢ i mezosferĢ jest warstwa rozdziaþu zwana stratopauzĢ,

pomiħdzy mezosferĢ i termosferĢ - mezopauza, a pomiħdzy termosferĢ i egzosferĢ -

termopauza.

Wykþad 2

TROPOSFERA

Z poprzednich rozwaŇaı widaę, Ňe troposfera - przyziemna warstwa atmosfery - to w

zasadzie ponad 80% caþej atmosfery - powyŇej rozrzedzenie jest tak duŇe, Ňe na

ogromne przestrzenie przypada niewiele masy.

Dla peþnej informacji podam, Ňe masa caþej atmosfery to 5,136 x 1021 gramw - to

ogromna masa, ale trudno to sobie dobrze wyobrazię, wiħc powiem inaczej - masa

caþej atmosfery jest okoþo 250 razy mniejsza od masy hydrosfery - czyli gdybyĻmy

wlali do jednego naczynia wszystkie morza i oceany, jeziora i rzeki oraz inne zbiorniki

wodne i odkroili 1/250 czħĻę tego naczynia to to, co w nim zostanie, miaþoby masħ

zbliŇonĢ do masy caþej atmosfery.

Od powierzchni ziemi do wysokoĻci 5000 metrw znajduje siħ poþowa caþej masy, do

wysokoĻci 10000 metrw 75%, a do 35000 metrw 99% - to pokazuje jak praktycznie

przebiega wzrost rozrzedzenia wraz z wysokoĻciĢ. Oddaje to rwnieŇ wyczuwalnie,

jak maleje ciĻnienie wraz ze wzrostem wysokoĻci. Przy okazji waŇna informacja - do

wysokoĻci 4000 metrw wolno przebywaę czþowiekowi bez dodatkowego

wyposaŇenia w tlen - powyŇej nie naleŇy tego prbowaę - chociaŇ ludzki organizm

poprzez dþugotrwaþy trening jest w stanie bez szkody dla zdrowia wytrzymaę i

wiħksze wysokoĻci (np. Mount Everest byþ juŇ zdobyty bez uŇycia tlenu - 8848 m, ale

to wynik dþugotrwaþych treningw przystosowawczych i nie kaŇdy organizm siħ do

takiego przystosowania nadaje).

Wszystko to, co ma bezpoĻredni wpþyw na warunki latania, odbywa siħ w zasadzie

wyþĢcznie w troposferze i dlatego w dalszych rozwaŇaniach bħdziemy siħ zajmowaę

prawie wyþĢcznie tĢ warstwĢ atmosfery.

Dla lepszego zrozumienia zachodzĢcych w troposferze zjawisk musimy sobie kilka

spraw zdefiniowaę i przyjĢę za prawdħ, bez gþħbszego wchodzenia w istotħ

zagadnienia - oczywiĻcie szczeglne wĢtpliwoĻci chħtnie bħdħ wyjaĻniaþ, ale dla

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: