Meteorologia_1

 

Meteorologia jako nauka

Meteorologia jest nauką zaliczaną do nauk geofizycznych, a przedmiotem jej badań jest budowa, właściwości oraz procesy zachodzące w atmosferze ziemskiej. Meteorologia obejmuje wiele dyscyplin naukowych, które zajmują się badaniem poszczególnych zjawisk atmosfery. W związku z tym, że przedmiotem badań meteorologii jest pogoda, czyli chwilowy stan atmosfery, można zaplanować i przewidzieć, jaką działalność można prowadzić w danym dniu, czy też tygodniu itd.

Atmosfera ziemska

Atmosfera ziemska jest mieszaniną gazów i dzieli się na kilka warstw o różnych właściwościach fizycznych.

Budowa atmosfery

  • troposfera: do ok. 11 km
  • stratosfera: 11 - 50 km
  • mezosfera: 50 - 90 km
  • termosfera: 90 - 800 km
  • egzosfera: 800 - 2000 km

Pomiędzy poszczególnymi warstwami występują warstwy przejściowe np. tropopauza, stratopauza itp.
Prawie wszystkie zjawiska atmosferyczne zachodzą w najniższej warstwie atmosfery tj. troposferze, dlatego zajmiemy się jej szczegółowym omówieniem.

Skład atmosfery

Atmosfera jest mieszaniną gazów i pary wodnej. Powietrze zalegające przy powierzchni ziemi ma następujący skład:

  • 78,09 % azot
  • 20,95 % tlen
  • ok. 1 % inne gazy np. wodór, dwutlenek węgla, hel itd.
  • Zawartość pary wodnej waha się od 0 do 4 %.

Troposfera dzieli się na dwie warstwy:

  • warstwę tarciową do 1500 m
  • atmosferę swobodną powyżej 1500 m.

Dzięki swojemu składowi gazowemu w troposferze możliwy jest rozwój i życie roślin oraz zwierząt, w tym również ludzi. Wobec tego, że troposfera zalega w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią ziemi, wszelkie zjawiska w niej zachodzące, wynikają z tego kontaktu. Również powierzchnia ziemi ma duży wpływ na masy powietrza np. temperaturę, wiatr itp.

Temperatura

Temperatura powietrza ma ścisły związek z porą roku, podłożem, nad którym zalega dana masa powietrza oraz wysokością, nasłonecznieniem, wilgotnością itp. Badania wykazały, że temperatura powietrza obniża się wraz ze wzrostem wysokości. Zjawisko to nazwano pionowym gradientem temperatury i określa się go w o C na 100 m. Przyjmuje się, że temperatura powietrza spada średnio 0,6o na 100 m. Może zaistnieć takie zjawisko, że mimo wzrostu wysokości, temperatura powietrza nie ulegnie zmianie. Utrzymywanie się stałej temperatury mimo wzrostu wysokości nazywamy izotermią. Może zaistnieć również zjawisko, które nazywamy inwersją. Jest to sytuacja, gdy wraz ze wzrostem wysokości następuje jednocześnie wzrost temperatury powietrza.
Oba omówione zjawiska występują w dolnych partiach troposfery na wysokości 300 - 700 m.

Ciśnienie

Ciśnieniem atmosferycznym nazywamy siłę, jaką wywiera powietrze na powierzchnię ziemi. Warunkuje je gęstość powietrza, zawartość pary wodnej i temperatura. Ciśnienie atmosferyczne spada wraz ze wzrostem wysokości. Jest to związane z rozrzedzaniem się powietrza w górnych warstwach atmosfery. Rozkład wartości ciśnienia na powierzchni ziemi, również nie jest jednakowy. Obszar o obniżonym ciśnieniu nazywamy niżem (cyklonem), a obszar o podwyższonym ciśnieniu nazywamy wyżem (antycyklonem). Ciśnienie na obszarze o niskim ciśnieniu rozkłada się w ten sposób, że na jego obrzeżu ciśnienie jest wyższe obniżające się ku środkowi, natomiast na obszarze wyżu jest odwrotnie - najwyższe ciśnienie jest wewnątrz układu, malejąc na zewnątrz.
Obszarem o obniżonym ciśnieniu jest również tzw. zatoka, czyli wydłużona część niżu, a klin jest wyciągniętą częścią wyżu. Obszarem przejściowym między dwoma krzyżującymi się niżami i wyżami jest tzw. siodło baryczne.

Wiatr

Wiatrem nazywamy poziome przemieszczanie się powietrza z obszarów o podwyższonym ciśnieniu nad obszary o niższym ciśnieniu. Ten poziomy ruch powietrza spowodowany jest nierównomiernym rozkładem ciśnienia. Prędkość wiatru określa się w metrach na sekundę lub kilometrach na godzinę. Aby przeliczyć prędkość wiatru z m/s na km/h należy pomnożyć liczbę m/s przez 3,6 i odwrotnie np.:

2 m/s x 3,6 = 7,2 km/h
20 km/h: 3,6 = 5,5 m/s

Kierunek wiatru przy ziemi nie jest stały. Nagłe zmiany kierunku i prędkości przemieszczania się powietrza wynikają z różnorodnego podłoża. Wiatr może natrafiać na wiele przeszkód w postaci gór, lasów, pustyń, budynków i zbiorników wodnych itp. Jest jeszcze siła zwana siłą Coriolisa. Powoduje ona odchylanie ruchu, który odbywa się w kierunku południkowym w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej. Siła Coriolisa jest wynikiem ruchu obrotowego ziemi.
Wiatr towarzyszy zmianom pogody, nadchodzącym frontom atmosferycznym, burzom. Ale może występować również lokalnie. Lokalnym wiatrem jest np. halny wiejący w górach.

Chmury

W wyniku przejścia pary wodnej ze stanu gazowego w stan ciekły (kondensacji) tworzą się chmury. Jest to możliwe dzięki tzw. jądrom kondensacji, którymi są różnego rodzaju pyły, ziarnka piasku, itp. Aby powstały chmury musi być spełniony jeszcze jeden warunek. Otóż oprócz jąder kondensacji w powietrzu, temperatura powietrza musi spaść do temperatury punktu rosy, czyli do temperatury, gdy para wodna ulega skropleniu. Chmury zostały podzielone na gatunki i odmiany, co przedstawia tabelka.
 

Rodzina Rodzaj Symbol Nazwa polska Średnia
wys.
podstawy
Średnia
wys.
wierzchołka
Chmury wysokie „baranki”, białe i przejrzyste. Zbudowane z igiełek lodowych. Pojawienie się ich poprzedza pogorszenie pogody. Cirrus Ci pierzaste 6000 granica
troposfery
CirroCumulus Cc kłębiasto-pierzaste 6000
Cirrostratus Cs warstwowe-pierzaste 6000
Chmury średnie zwarte, zbudowane z lodu i przechłodzonej wody. Niebieskawo szare, czasem dają opady gradu. AltoCumulus Ac średnie-kłębiaste 2000 6000
Altostratus As średnie-warstwowe
Chmury niskie szare i bardzo gęste, zbudowane z kropelek wody, zimą z lodu. StratoCumulus Sc kłębiasto-warstwowe 600 2000
Stratus St niskie-warstwowe 300 600
Nimbostratus Ns warstwowe-deszczowe 300 600
Chmury o budowie pionowej płaska podstawa, kłębami wznoszą się w górę. Cumulus Cu kłębiaste 800 2500
Cumulonimbus Cb kłębiaste-deszczowe 300 8000

 

W wyniku kondensacji pary wodnej nie powstają jedynie chmury. Podczas skraplania pary wodnej tworzą się na powierzchni ziemi: rosa, szadź i szron oraz gołoledź, a w swobodnej atmosferze powstaje zamglenie i mgła.

  • Rosa - jest to skroplona para wodna tworząca się na poziomych powierzchniach wskutek ochładzania się podłoża i spadania temperatury powietrza do temperatury punktu rosy.
     
  • Szron - jest to zamarzająca rosa, gdyż szron tworzy się w ten sposób, co rosa, lecz przy temperaturze poniżej 0 st C.
     
  • Szadź - powstaje, gdy przechłodzone kropelki mgły zetkną się z przedmiotami np. drzewem, budynkiem i zamarzają po ich zawietrznej stronie. Taki nalot nazywamy szadzią miękką. Szadź twarda powstaje najczęściej przy ociepleniu podczas zimy. Krople mgły w zetknięciu się z wychłodzonymi przedmiotami, zamarzają tworząc nie nalot, lecz lodowaty osad bardziej zwarty niż szadź miękka.
     
  • Gołoledź - powstaje w wyniku zetknięcia się przechłodzonych kropelek mgły z powierzchnią w temperaturze poniżej 0 st C.
     
  • Zamglenie - powstaje w przygruntowej warstwie powietrza i mimo kondensacji pary wodnej widzialność nie zmniejsza się poniżej 1 km.
     
  • Mgła - powstaje w wyniku ochłodzenia przyziemnej warstwy powietrza do temperatury punktu rosy - osiągnięcia stanu nasycenia parą wodną. Rodzaje mgieł klasyfikuje się wg sposobu ochładzania się powietrza, a więc mamy mgły: frontowe, z wyparowania, radiacyjne (z wypromieniowania), adwekcyjne (napływowe) i adwekcyjno-radiacyjne.

Fronty atmosferyczne

itp. Skupiska powietrza o podobnych parametrach tych właściwości tworzą masy np. masa powietrza ciepłego, chłodnego, wilgotnego itd.
Przemieszczającą się masę ciepłego powietrza w kierunku masy powietrza chłodnego nazywamy frontem ciepłym. Front ten przynosi ocieplenie. Ciepłe powietrze doganiając chłodne, wślizguje się po klinie do góry i ulega ochłodzeniu. Doprowadza to do procesu kondensacji i powstania chmur. Zbliżanie się frontu ciepłego można przewidzieć po rodzaju tworzących się chmur.

  • Frontem chłodnym nazywamy masę powietrza przemieszczającą się w kierunku masy powietrza ciepłego. Chłodniejsze powietrze (cięższe) wklinowuje się pod ciepłe i wypiera je do góry. Ciężkie, chłodne powietrze hamowane jest tarciem o podłoże. Wyróżniamy dwa rodzaje frontu chłodnego (w zależności od prędkości przemieszczania się i gwałtowności zachodzących zjawisk atmosferycznych).
     
  • Front chłodny opóźniony - przemieszcza się powoli. Przyczyną jest to, że wypierane ciepłe powietrze najpierw wznosi się gwałtownie w przedniej, stromo pochylonej powierzchni frontowej, po czym płynnie wznosi się nadal wzdłuż górnej części tej powierzchni. W przypadku tego frontu najpierw tworzą się chmury niskie.
     
  • Front chłodny przyspieszony - przemieszcza się szybciej od frontu chłodnego opóźnionego. Jego cechą charakterystyczną jest występowanie zachmurzenia typu pionowego (Cumulonimbus). Fronty tego typu występują najczęściej latem i towarzysza im gwałtowne ulewy, burze i silne wiatry.
    W przypadku, gdy jeden front chłodny dogania drugi, wypierając zalegający pomiędzy nimi ciepły front, odrywając go od podłoża - mamy do czynienia z frontem okluzji.

W zależności od rodzaju masy powietrza, która dogania poprzedzającą rozróżniamy: okluzję ciepłą i chłodną.

  • Okluzja ciepła - występuje, gdy front chłodny cieplejszy dogania front chłodny zimniejszy, wypierając zalegający pomiędzy nimi front ciepły.
     
  • Okluzja chłodna - występuje, gdy front chłodny zimniejszy napływa na front chłodny cieplejszy, wypierając zalegający pomiędzy nimi front ciepły.

Niebezpieczne zjawiska atmosferyczne

Najbardziej niebezpiecznym zjawiskiem atmosferycznym jest burza. Burza związana jest z rozbudowywaniem się chmur o budowie pionowej - Cumulonimbus. Towarzyszą jej wyładowania elektryczne między chmurami lub między chmurą a ziemią oraz. Wewnątrz chmury burzowej temperatura powietrza jest wyższa niż na zewnątrz. Różnica temperatur powoduje, że wewnątrz chmury burzowej występują bardzo silne prądy wznoszące. Dzięki temu chmura zasysa powietrze przez podstawę i przez boczne ściany.
Wciągnięte powietrze wznosi się do szczytu chmury gdzie temperatura spada poniżej 0 st C, para wodna skrapla się, z czasem zmienia się w płatki śniegu i kryształki lodu. Dopóki prądy wewnątrz chmury uniemożliwiają wypadanie wody w postaci deszczu, chmurze burzowej nie towarzyszą opady tylko wyładowania elektryczne. Powstają one również w wyniku cyrkulacji w górę i w dół kropel wody, kryształków lodu i śniegu wewnątrz chmury. Krople wody i kryształki lodu w miarę rozrastania się chmury burzowej, osiągają coraz większe rozmiary. W momencie, gdy są już one tak duże, że prądy wewnątrz chmury nie mogą ich utrzymać, zaczynają wypadać w postaci deszczu lub gradu. Chmura burzowa zaczyna się rozpadać.
Jest to najprostszy opis budowy chmury burzowej i samego zjawiska burzy. Jednak najczęściej burz to kilka chmur burzowych, w których zachodzą te same zjawiska lecz w różnym stopniu rozwoju.
Burzy towarzyszą bardzo silne wiatry, gwałtownie zmieniające kierunek. Dla prowadzonych lotów i skoków burza jest niebezpieczna właśnie ze względu na silne wiatry, dużą turbulencję (zmiany kierunku wiatru), a przede wszystkim na bardzo silne opady deszczu i gradu.
Oprócz burzy duże znaczenie dla bezpieczeństwa lotów i skoków ma siła wiatru i turbulencja. Gwałtowne porywy wiatru z różną siłą i w różnych kierunkach, mogą stwarzać sytuacje niebezpieczne. Zjawisko zwane termiką, występujące zarówno przy pogodzie bezchmurnej, jak i przy występowaniu chmur kłębiastych, to nic innego jak prądy wznoszące i wstępujące, które mogą stwarzać groźne sytuacje, szczególnie dla lądującego skoczka. Opady również mają wpływ na bezpieczeństwo lotów i skoków. Mogą w znacznym stopniu obniżyć zdolności lotne np. spadochronu.

 


 

front cieply front chlodny nadchodzacy front zimny izobary izobary mgla sadz rosa tropopauza