Atmosfera

SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY

Atmosfera – najbardziej zewnętrza powłoka Ziemi. Składa się z mieszaniny gazów i aerozoli zwanej powietrzem atmosferycznym.

Skład atmosfery:
1. Składniki gazowe:
a) Stałe (w dolnej atmosferze ich proporcje pozostają stałe):
- azot – 78%
- tlen – 21%
- inne (argon, neon, hel, krypton, wodór) – 1%
b) Zmienne (zależą od wielu czynników naturalnych i antropogenicznych):
- para wodna – do 4%
- CO2 – 0,03%
- CO
- SO2
- SO3
- tlenki azotu
- ozon

2. Aerozole (drobne cząsteczki stałe i ciekłe rozproszone głównie w dolnych warstwach atmosfery):
- pyły pustynne
- pyły wulkaniczne
- pyłki roślin
- spory i zarodniki
- bakterie i przetrwalniki
- kryształki soli
- zanieczyszczenia przemysłowe.

Budowa atmosfery

Wraz z wysokością maleje gęstość powietrza oraz ciśnienie.

TROPOSFERA –17-18 km nad równikiem, 10-12 km w umiarkowanych szerokościach, 7 km nad biegunami. W troposferze znajduje się ok. 4/5 całkowitej masy atmosfery, niemal cała para wodna i aerozole. Zachodzą w niej najważniejsze procesy kształtujące pogodę i klimat. Temperatura spada wraz z wysokością.

TROPOPAUZA
STRATOSFERA – 50-55km. Zawiera warstwę ozonową. Temperatura rośnie wraz z wysokością.

STRATOPAUZA
MEZOSFERA – 55-85km. Temperatura spada wraz z wysokością.

MEZOPAUZA
TERMOSFERA – 85-800km. Występują zorze polarne. Temperatura wzrasta wraz z wysokością.

EGZOSGERA – zewnętrzna warstwa atmosfery. Temperatura spada wraz z wysokością.

OBIEG CIEPŁA Z ATMOSFERZE

Słońce źródłem energii:
Czynniki warunkujące dopływ energii:
- zróżnicowanie w charakterze skał,
- kąt padania promieni słonecznych,
- długość dnia,
- zawartość pary wodnej i aerozoli,
- przezroczystość atmosfery.

Promieniowanie krótkofalowe – 100%
- pochłonięte przez atmosferę – 14%
- pochłonięte przez chmury – 3%
- odbite od atmosfery – 6%
- odbite od chmur – 20%
- odbite od powierzchni Ziemi – 4%

Do Ziemi dociera 53%

Wypromieniowanie długofalowe z powierzchni Ziemi – 23%
- pochłonięte przez atmosferę – 17%
- ucieczka w przestrzeń kosmiczną – 6%

Wymiana ciepła na drodze konwekcji i turbulencji – 7%
Utajone ciepło parowania i kondensacji – 23%
Wypromieniowanie długofalowe z atmosfery – 38%
Wypromieniowanie długofalowe z chmur – 26%
Promieniowanie dociera do powierzchni Ziemi w postaci bezpośredniej i rozproszonej – suma tych dwóch rodzajów promieniowania to promieniowanie całkowite.
ALBEDO – stosunek ilości promieniowania odbitego do ilości promieniowania padającego.
Wymiana ciepła w atmosferze:

Uwarunkowanie wymiany ciepła w atmosferze:
- przemiany fazowe wody
- ruchy konwekcyjne
- turbulencje
- adwekcja
- promieniowanie
- przemiany adiabatyczne

TURBULENCJA – chaotyczne przemieszczanie się cząsteczek powietrza atmosferycznego, w skutek czego następuje szybkie przenoszenie ciepła między warstwami, zawsze w kierunku od warstw cieplejszych do chłodniejszych => kontrasty w przebiegu dobowym.

RUCHY KONWEKCYJNE – przenoszenie ciepła na duże wysokości w wyniku ruchów wznoszących.

ADWEKCJA – zmiany temperatury powietrza w danym miejscu pod wpływem napływającego powietrza o innej temperaturze.

PRZEMIANY FAZOWE WODY – dostarczenie ciepła Ziemi -> parowanie, skraplanie – oddanie ciepła atmosferze.

Przemiany adiabatyczne:
Procesy sprężania i rozprężania powietrza zachodzą podczas pionowych ruchów powietrza (podczas wznoszenia – spadek ciśnienia i rozprężania, podczas opadania – wzrost ciśnienia i sprężanie). Zależy do od zawartości pary wodnej.
1. Gradient suchoadiabatyczny – jeżeli jest mało pary wodnej - 1˚C/100m
2. Gradient wilgotnoadiabatyczny – jeżeli jest dużo pary wodnej – 0,6˚C/100m

WODA W ATMOSFERZE

Para wodna i wilgotność powietrza atmosferycznego:

Czynniki warunkujące wilgotność powietrza:
- napływ mas powietrza,
- występowanie lądów i mórz,
- temperatura,
- proces parowania,
- zanieczyszczenia,
- budowa terenu.

Zawartość pary wodnej w atmosferze podlega ciągłym zmianom przestrzennym i czasowym.

WILGOTNOŚĆ BEZWZGLĘDNA – ilościowy stosunek masy pary wodnej do objętości powietrza, w którym jest zawarta (wyrażana w g/m3).

WILGOTNOŚĆ WZGLĘDNA – stosunek prężności pary wodnej zawartej aktualnie w powietrzu do prężności pary wodnej nasycającej powietrza w danej temperaturze (wyrażana w %).

NIEDOSYT WILGOTNOŚCI – gdy wilgotność względna jest mniejsza niż 100%.

POWIETRZE NASYCONE – gdy wilgotność względna wynosi 100%.

PRĘŻNOŚĆ – ciśnienie powietrza wyrażana w hPa.

AKTUALNA PRĘŻNOŚĆ PARY WODNEJ - stan w danej chwili.

PRĘŻNOŚĆ W STANIE NASYCENIA - maksymalna prężność, jaka może wystąpić w danej temperaturze.

Kondensacja pary wodnej:
SUBLIMACJA – kryształki wody zamieniają się w parę wodną.
RESUBLIMACJA – para wodna zamienia się w kryształki wody.
TEMPERATURA PUNKTU ROSY – temperatura, w której aktualna prężność pracy wodnej staje się prężnością pary nasyconej.

Warunkiem koniecznym do kondensacji pary wodnej jest obecność jąder kondensacji (silnie pochłaniające wodę aerozole pochodzenia morskiego, antropogenicznego, zarodniki roślin i inne) oraz nasycone powietrze (tpr).

Produkty kondensacji pary wodnej:
1. Osady (produkty kondensacji osadzające się na powierzchni Ziemi):
a) Rosa (powstaje w wyniku skraplania się pary wodnej w warstwie powietrza stykającego się z wychłodzonym podłożem w dodatniej temperaturze)
b) Szron (tworzy się, gdy wilgoć skrapla się, a następnie zamarza)
c) Szadź (tworzy się, gdy wilgoć bezpośrednio zamarza)
d) Gołoledź (osad lodowy powstający wskutek zamarzania silnie przechłodzonych kropelek mgły, mżawki lub deszczu na powierzchniach ok. 0˚C)
e) Zamróz

2. Mgła (tworzą ją kropelki wody występujące w przyziemnej warstwie atmosfery)
a) radiacyjna (wywołane silnym ochłodzeniem powierzchni Ziemi)
b) adwekcyjna (powstają przez napływ na wychłodzone podłoże ciepłego i wilgotnego powietrza)

3. Chmury (powstają ze skupienia produktów kondensacji pary wodnej, czyli kropelek wody lub kryształków lodu albo obu tych produktów jednocześnie)
a) piętra wysokiego
- pierzaste (Cirrus) – Ci
- kłębiasto – pierzaste (Cirrocumulus) – Cc
- warstwowo – pierzaste (Cirrostratus) - Cs
b) piętra średniego
- średnie kłębiaste (Altocumulus) – Ac
- średnie warstwowe (Altostratus) – As
c) piętra niskiego
- warstwowo – deszczowe (Nimbostratus) – Ns
- kłębiasto – warstwowe (Stratocumulus) – Sc
- warstwowe (Status) – St
d) o budowie pionowej
- kłębiaste (Cumulus) – Cu
- kłębiasto – deszczowe (Cumulonimbus) – Cb

4. Opady (produkty kondensacji spadające na powierzchnię Ziemi – ich powstanie możliwe jest wtedy, gdy produkty kondensacji tworzącej chmurę pokonają opór powietrza):
a) ciekłe
- deszcz
- mżawka
b) stałe
- grad
- śnieg
- krupa śnieżna

OPADY KONWEKCYJNE – spowodowane są silnym ogrzaniem podłoża.

OPADY FRONTALNE – spowodowane zetknięciem się dwóch różnych pod względem temperatury i zawartości pary wodnej wycinków powietrza.

OPADY OROGRAFICZNE – spowodowane napotkaniem na przeszkodę terenową.

KOAGULACJA – wchłanianie kolejnych kropelek wilgoci do gradowiny.

Opady obfite:
- rejon Amazonki i Kongo
- Nowa Zelandia
- Europa
- Kanada

Opady skąpe:
- Sahara
- Antarktyda, Grenlandia,
- Australia,
- Himalaje,
- Płw. Arabski,
- płn. cz. Ameryki Pn.
- zach. cz. Ameryki Płd.

Klimat równikowy – 3000mm/rok
Klimat umiarkowany – 1000mm/rok

CYRKULACJA ATMOSFERY I RUCHY MAS POWIETRZA

Cyrkulacja planetarna:
Ogólna cyrkulacja atmosfery obejmuje wszystkie aspekty przemieszczania się mas powietrza oraz spowodowany tymi ruchami przepływ i wymianę różnych form energii w układzie planetarnym.

Uwarunkowanie cyrkulacji atmosfery:
- ilość energii słonecznej dochodzącej do powierzchni Ziemi,
- kształt Ziemi,
- rozmieszczenie lądów i mórz,
- ruch obiegowy oraz obrotowy.

1. Równikowy pas ciszy.
2. Strefa międzyzwrotnikowa – nad równikiem powietrze ogrzewa się i unosi do góry – powstaje wyż. Powietrza wędruje górą – tworzą się antypasaty, schładza się i obniża. Wiatry wiejące do równika to pasaty. Komórka Hadleya.
3. Strefa umiarkowana – ośrodek wyżowy, przeważają wiatry zachodnie. Komórki Farrela.
4. 35˚C – gwałtowne ruchy mas powietrza w górnych warstwach atmosfery – prądy strumieniowe.
5. Strefa okołobiegunowa – strefa wiatrów wschodnich. Komórki okołobiegunowe (planetarne).

Cyrkulacja monsunowa:
Jest ona charakterystyczna dla zwrotnikowej Azji Południowo – Wschodniej, a także dla Afryki i Ameryki Północnej. Polega ona na przemieszczaniu się ciepłych mas powietrza w dwóch kierunkach:
- zimą znad lądu nad morze (monsun zimowy – powietrza suche, nie niesie opadów),
- latem znad morza nad ląd (monsun letni – powietrze wilgotne z opadami)

Cyklony tropikalne:
Pojawiają się w wyniku dużego spadku ciśnienia atmosferycznego w masach powietrza bardzo ciepłego i wilgotnego. Poruszają się z bardzo dużą prędkością. Rodzą się w pasie powyżej 5˚ szerokości N i S. Wirowy ruch powietrza, oko cyklonu
- huragany (Antyle, Ameryka Środkowa i Północna)
- cyklony (Indie)
- tajfuny (Azja Południowo – Wschodnia)

Masy powietrza i fronty atmosferyczne
MASA POWIETRZA – wycinek troposfery, który charakteryzuje się jednorodnością stanu fizycznego (np. temperaturą, wilgotnością).

OBSZAR ŹRÓDŁOWY – obszar, nad którym formowane są dane masy powietrza.

Jeżeli proces wędrówki masy powietrza jest powolny, następuje starzenie się masy powietrza (utrata pierwotnych właściwości) i nabiera ona cech nowego podłoża.

Masy powietrza
- powietrze arktyczne i antarktyczne (PA)
- powietrza polarne (PP)
- powietrza zwrotnikowe (PZ)
- powietrza równikowe (PR)

Wszystkie masy powietrza (poza równikowym) można podzielić jeszcze ze względu na charakter podłoża, nad którym się tworzy,
- suche (teren lądowy)
- wilgotne (tereny morskie)
i temperaturę:
- ciepłe
- zimne

FRONT ATMOSFERYCZNY – powierzchnia ścierania się mas powietrza.
- front arktyczny (rozdziela masy powietrza arktycznego od polarnego)
- front antarktyczny (rozdziela masy powietrza antarktycznego od polarnego)
- fronty polarne (rozdzielają masy powietrza polarnego od zwrotnikowego)

WTÓRNE FRONTY ATMOSFERYCZNE - rozdzielają różne części tej samej masy powietrza, mające jednak inne właściwości fizyczne spowodowane oddziaływaniem podłoża.
- front ciepły (przemieszcza się w stronę chłodnej masy powietrza)
- front chłodny (przemieszcza się w kierunku ciepłej masy powietrza)
- front okluzji (powstaje wtedy, gdy szybciej przemieszczający się front chłodny dogadania wolniejszy front ciepły)
- front stacjonarny (utrzymuje się w tym samym miejscu, nie przesuwa się w żadną stronę).
Nadejście frontu atmosferycznego powoduje zmianę pogody.

ELEMENTY KLIMATU: TEMPERATURA, CIŚNIENIE, WIATRY I OPADY

POGODA – stan zjawisk atmosferycznych w danym czasie na danym terenie.

KLIMAT – wieloletni układ pogód badany przez długi czas (minimum 10 lat) na danym terenie.

Temperatura:
Czynniki warunkujące temperaturę:
- ukształtowanie terenu,
- pokrycie terenu,
- prądy morskie,
- kąt padania promieni słonecznych,
- odległość od zbiorników wodnych.

Średnia roczna temperatura powietrza maleje od równika (20-28˚C), przez strefę zwrotnikową (8-20˚C), strefę umiarkowaną (4-8˚C) ku biegunom (-20-4˚C).
AMPLITUDA POWIETRZA – różnica między maksymalną a minimalną temperaturą powietrza w danym czasie na danym terenie.
- dobowa amplituda powietrza - wpływ na nią ma szerokość geograficzna, rodzaj podłoża, zachmurzenie, odległość od zbiorników wodnych, ukształtowanie powierzchni i inne – największa na gorących pustyniach strefy równikowej, nad oceanami mniejsza niż nad lądami,
- roczna amplituda powietrza – różnica między średnią temperaturą najcieplejszego i najchłodniejszego miesiąca danego miejsca. Rośnie ona od równika (2-3˚C), strefa zwrotnikowa (3-15˚C), strefa umiarkowana (20-40˚C) ku biegunom (40˚C).
ANOMALIE TERMICZNE – odchylenia od średnich wartości temperatury dla poszczególnych szerokości geograficznych. Mogą być dodatnie i ujemne. Zależą przede wszystkim od przebiegu prądów morskich, oddalenia od zbiorników wodnych i rzeźby terenu.
1. Zima
a) dodatnie (Islandia, płn. Atlantyk)
b) ujemne (Jakucja, śr. Kanada, Grenlandia)
2. Lato
a) dodatnie (Afryka, Eurazja)
b) ujemne (Grenlandia, Zatoka Hudsona)

Ciśnienie atmosferyczne:
CIŚNIENIE ATMOSFERYCZNE – nacisk masy powietrza na jednostkę powierzchni wyrażony w hPa (hektopaskalach).
Ciśnienie maleje wraz z wysokością – średnio o i 1 hPa na 8m. Za normalnie przyjmuje się 1013hPa.

STOPIEŃ BARYCZNY – przyrost wysokości odpowiadający zmianie ciśnienia o 1 hPa.

Podstawowe układy baryczne:
- wyż (układ zamkniętych izobar z ciśnieniem wzrastającym do cenrtum)
- niż (układ zamkniętych izobar z ciśnieniem malejącym do centrum)
- klin wysokiego ciśnienia (peryferyjna część wyżu, w której izobary przyjmują kształt litery „U”)
- zatoka niskiego ciśnienia (peryferyjna część niżu, w której izobary przyjmują kształt litery „V”).

1. Zimaa) Wyże- kanadyjski- płn. amerykański- hawajski- południowo - pacyficzny- południowo - atlantycki- południowo - indyjski- grenlandzki- wschodnioazjatyckib) Niże- aleucki- płd. amerykański- płd. afrykański- islandzki- australijski 2. Latoa) Wyże- hawajski- grenlandzki- azorski- południowo – pacyficzny- południowo – atlantycki- południowo – indyjski- australijskib) Niże- północno – kanadyjski- południowo - azjatycki

Stały biegun zimna – Antarktyda
Zimowy biegun zimna – Azja płd. – wsch.

Wiatry:
WIATRY – poziome ruchy powietrza spowodowane zróżnicowaniem ciśnienia atmosferycznego w dolnej troposferze. Wiatr wieje zawsze od wyżu do niżu.

Siły warunkujące wiatr:
- siła Coriolisa
- siła tarcia
- siła odśrodkowa

Wiatry lokalne:
Występują w dolnej troposferze i wywołane są przez czynniki miejscowe.
1. Wiatry cyklonalne
- cyklony tropikalne
- huragany
- tajfuny
- tornada
- trąby powietrzne
- szkwały
- wiry powietrzne

2. Wiatry antycyklonalne
- monsuny (zimowe i letnie)
- bryza (dzienna wieje znad zbiornika wodnego nad ląd przynosząc chłodne powietrze, nocna wieje znad lądu nad morze – jej powstanie uwarunkowane jest różnicą temperatury podłoża)

3. Wiatry lokalne
- fenowe (ciepłe i suche wiatry występujące po zawietrznej stronie pasma górskiego)
- górskie i dolinne (spowodowane różnicami temperatury wynikającymi z ekspozycji terenu)
- bory (wiatry chłodne występujące na obszarach, gdzie wyżyny lub góry sąsiadują bezpośrednio z dużym obszarem wodnym)
- mistrale.

Opady atmosferyczne:
Strefa równikowa – dwa maksima opadów związane z równonocą wiosenną i jesienną.
Strefa zwrotnikowa – jedno maksimum związane z najwyższym położeniem słońca.
Strefa monsunów – maksimum związane z występowaniem opadów w porze letniej.
Strefa podzwrotnikowa – maksimum przypada na okres zimowy.
Strefa umiarkowana (kontynentalna) – maksimum przypada na okres letni.
Strefa umiarkowana (morska) – opady równomiernie rozłożone.
Strefa polarna – niewielkie maksimum w porze letniej.

Najmniejsze opady:
- pas pustyń zwrotnikowych
- podzwrotnikowe obszary środkowej Azji
- obszary polarne

Największe opady:
- obszary występowania monsunów
Maksimum opadowe – Czerapundżi w Indiach – 16000-18000mm/rok.

CZYNNIKI KLIMATOTWÓRCZE

Geograficzne czynniki kształtujące klimat:
- szerokość geograficzna (zróżnicowanie ilości promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi),
- rozkład lądów o mórz (różnice w pochłanianiu promieniowania słonecznego kształtują masy powietrza o odmiennych właściwościach -> klimat morski i kontynentalny),
- prący morskie (biorą udział w przenoszeniu ciepła między niskimi a wysokimi szerokościami geograficznymi),
- ukształtowanie terenu (wraz ze wzrostem wysokości spada temperatura -> maleje dobowa i roczna amplituda)
- pokrycie terenu (od rodzaju podłoża uzależniony jest przebieg wielu procesów wpływających na temperaturę i wilgotność powietrza).

Antropogeniczne czynniki kształtujące klimat:
- emisja zanieczyszczeń,
- przemysł (produkty spalania paliw oraz inne substancje emitowane do atmosfery zmniejszają jej przezroczystość i ograniczają ilość promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni),
- komunikacja,
- zabudowa terenu (zwarta zabudowa osłabia siłę wiatru – efekt kurtynowy, lub wzmaga go – efekt tunelowy).

STREFY KLIMATYCZNE ŚWIATA

1. Strefa klimatów równikowych (>20˚C, małe amplitudy, pory roku wyznaczone przez opady, największe przy zenitalnym położeniu słońca):
a) równikowy – wybitnie wilgotny (opady >2000mm – Amazonka, zach. cz. Wyż. Brazylijskiej, Kongo, Zat. Gwinejska, w-py Indonezji),
b) podróżnikowy – suchy i wilgotny (opady 500-2000mm – Ameryka Środkowa, Wyż. Brazylijska, Afryka środkowa, płn. wybrzeże Australii).

2. Strefa klimatów zwrotnikowych (>20˚C, duże dobowe amplitudy, opady głównie w lecie, pory roku wyznacza w klimatach morskich i monsunowych reżim opadów, a w suchych przebieg temperatury, dominują układy wysokiego ciśnienia):
a) wilgotny i pośredni (1000-2000mm – Zatoka Meksykańska, cz. Wyż. Brazylijskiej, Indie, Płw. Indochiński, Góry Wododziałowe),
b) kontynentalny i wybitnie kontynentalny (b. małe opady lub ich brak – cz. Meksyku, Andy, Sahara, Płw. Arabski, śr. cz. Australii).
3. Strefa klimatów podzwrotnikowych (10-20˚C, w okresie letnim dominują wyże, zimą rozwój układów cyklonalnych, pory roku wyznacza przebieg temperatury i opadów):
a) morski (opady prawie wyłącznie w zimie – basen Morza Śródziemnego, pas na Nizinie Atlantyckiej, wybrzeża Ameryki Płd., Afryka Płn., Australia Płn.),
b) przejściowy (opady prawie wyłącznie w zimie – śr. cz. Ameryki Pn., pas w Azji Środkowej, cz. Ameryki Płd),
c) kontynentalny suchy i wybitnie kontynentalny (opady niskie – zach. wybrzeże USA, pustynia Lota w Azji).

4. Strefa klimatów umiarkowanych:
a) ciepłych (0-10˚C, pory roku wyznacza przebieg zmian temperatury):
- morski (opady przez cały rok – Apallachy, W-py Brytyjskie, płn. cz. Francji, Belgia, Holandia, Dania, płd. cz. Norwegii, płn. cz. Ameryki Płd)
- przejściowy (rejon Wielkich Jezior w Ameryce Płn., płn. wybrzeża Europy, Polska, płn. cz. Ameryki Płd.)
- kontynentalny (opady małe głównie w lecie – śr. cz. Ameryki Płn., pas ziemi ciągnący się od Europy Środkowej do Oceanu Spokojnego),
b) chłodnych (0-10˚C)
- morski (opady całoroczne – wybrzeża Zatoki Alaski, Nowa Funlandia, płn. cz. Płw. Skandynawskiego),
- przejściowy (płd. cz. Szwecji, Finlandia, wsch. wybrzeże Azji),
- kontynentalny (małe opady – płn. cz. Kanady, Azja środkowa)
5. Strefa klimatów okołobiegunowych (opady małe, głównie śnieżne, pory roku wyznacza długość dnia i nocy, <0˚C):
a) subpolarny (opady prawie wyłącznie śnieżne – Alaska, Syberia, wybrzeża Grenlandii, Ziemia Ognista),
b) polarny (opady wyłącznie śnieżne i b. niskie – Antarktyda, Arktyka, Grenlandia, W-py Królowej Elżbiety)

KLIMAT POLSKI

Polska leży w strefie klimatu przejściowego strefy umiarkowanej.

Czynniki niemeteorologiczne kształtujące klimat Polski:
- szerokość geograficzna,
- ukształtowanie terenu,
- odległość od zbiorników wodnych,
- prądy morskie.

Czynniki meteorologiczne kształtujące klimat Polski:
- masy powietrza,
- układy baryczne,
- fronty atmosferyczne.
Rozkład elementów klimatu:

Temperatura powietrza:
zima – południkowy przebieg izoterm,
lato – różnoleżnikowy przebieg izoterm
śr. roczna temperatura – 6-8,3˚C
śr. rocza amplituda – 15-23˚C
okres wegetacyjny (liczba dni ze śr. temp. dobową >5˚C) – do 230 dni (zachód Polski)

Opady atmosferyczne:
śr. roczna suma opadów maleje ku centralnej Polsce – od 500 do 700mm

Wiatry:
przeważają wiatry zachodnie ze średnią prędkością 5m/s

Cechy klimatu Polski:
- 6 pór roku
- anomalie pogodowe
- zmienność i kapryśność pogód