CIEŚNIENIE ATMOSFERYCZNE

• Atmosfera ziemska - gazowa powłoka otaczająca kule ziemską złożona z mieszaniny gazów. Poza składnikami gazowymi atmosfera zawiera zmienną ilość składników mineralnych i organicznych (pyły, sole, bakterie itd.).

Bierze udział w ruchu obrotowym Ziemi. Jest ściśliwa, wraz z wysokością jej gęstość maleje. Zanika bez wyraźnej górnej granicy. Połowa całej masy koncentruje się w dolnych 5 km.

Procesy zachodzące w dolnych warstwach atmosfery, szczególnie do wysokości 10-20 km decydują o stanach pogody obserwowanych przy powierzchni Ziemi.

Atmosfera nie jest jednorodna, dzieli się w przekroju pionowym na warstwy różniące się właściwościami fizycznymi i występującymi w nich zjawiskach.

• Ciśnienie atmosferyczne - jest to ciężar (nacisk) warstwy (słupa) powietrza leżącej nad daną powierzchnią i sięgającej do górnej granicy atmosfery. Wartość ciśnienia atmosferycznego jest największa na poziomie morza i maleje wraz ze wzrostem wysokości.
  Na poziomie morza wynosi średnio 1,033 kg/cm², co odpowiada ciężarowi słupa rtęci o przekroju 1 cm² i wysokości 760 mm w temperaturze 0ºC, czyli 1013,25 hPa.

• Za normalne ciśnienie atmosferyczne przyjmuje się takie ciśnienie, które równoważy słup rtęci o wysokości 760 mm Hg w temp. 0ºC, na poziomie morza i szerokości geograficznej φ = 45º.

• p = V · ρ · g · S^-1

1 mbar = 1 hPa czyli 760 mm Hg = 1013,25 hPa

1 mm Hg = 1,33 hPa

1 hPa = 0,75 mm Hg

• Zależność ciśnienia od wysokości nad poziomem morza:

Ciśnienie powietrza maleje wraz ze wzrostem wysokości. Wielkość spadku zależy od siły ciężkości i od gęstości powietrza, ta zaś związana jest z temperaturą i wilgotnością.

Zależność zmian ciśnienia od wysokości n.p.m. wyraża się wzorem:

p₁ - ciśnienie u podstawy słupa powietrza

p₂ - ciśnienie na szczycie słupa powietrza

S - powierzchnia

z₁, z­₂ - wysokość n.p.m.

Wzór na niwelacją barometryczną (Babineta):

z₁, z₂ - wysokość n.p.m.;

p₁, p₂ - wielkość ciśnienia na wysokościach z₁, z₂;

t_śr - średnia temperatura słupa powietrza pomiędzy z₁, z₂;

α - współczynnik rozszerzalności gazów (α = 0,004).

• Stopień baryczny: wysokość na którą trzeba się wznieść lub obniżyć aby ciśnienie powietrza zmalało lub wzrosło o jednostkę (o 1 hPa lub o 1 mm Hg).

Przykład:

Stacja meteorologiczna leży na wysokości 300 m.n.p.m. Ciśnienie zmierzone o godz. 13:00 wynosiło 1000 hPa a temperatura 15ºC. Jakie będzie ciśnienie zredukowane do poziomu morza?

Stopień baryczny wynosi 8,48 m. Liczymy przybliżoną wartość ciśnienia na poziomie morza:

Liczymy średnie ciśnienie dla warstwy pomiędzy poziomem morza a stacją:

Szukamy średniej temperatury dla warstwy powietrza. Pionowy gradient temperatury wynosi ok. 0,6ºC na 100 m, co znaczy, że na poziomie morza temperatura wynosi 15 + 1,8 = 16,8ºC.

Obliczamy dokładny stopień baryczny i ciśnienie zredukowane:

• Gradient pionowy ciśnienia atmosferycznego - nazywamy zmianę ciśnienia na jednostkę wyskości, za którą przyjmujemy 100 m.

- odwrotność stopnia barycznego.

• Gradient poziomy ciśnienia atmosferycznego - nazywamy zmianę na jednostkę odległości (100 km) w kierunku prostopadłym do izobar w stronę ciśnienia malejącego.

• Zmiany ciśnienia w czasie:

Tendencja ciśnienia to wielkość zmiany ciśnienia w ciągu trzech godzin poprzedzających termin jego pomiaru.

• Przyrządy do mierzenia ciśnienia:

• barometr rtęciowy naczyniowy;

• barometr kompensacyjny;

• barograf.

ZADANIA:

1. Wykonano jednocześnie pomiar ciśnienia i temperatury u podnóża i na szczycie wzniesienia. Otrzymano następujące wyniki:

U podnóża - ciśnienie p₁=1015,2 hPa; temperatura t₁=12,2ºC.

Na górze - ciśnienie p₂=1002,4 hPa; temperatura t₂=9,8ºC.

Jaka jest wysokość tego wzniesienia?

2. Na szczycie wieży o wysokości 80m temperatura (t₂) wynosi 23,4ºC gdy u podnóża t₁=26,6ºC; ciśnienie p₁=1011,2 hPa.

Jakie jest ciśnienie na szczycie tej wieży?

3. Na wysokości 200 m.n.p.m. ciśnienie (p₂) wynosi 985,4 hPa przy temperaturze t₁=11,9ºC.

Zredukować to ciśnienie do poziomu morza.

TEMPERATURA

• Każde ciało posiada pewien zasób energii cieplnej, który określa jego temperaturę.

Temperaturą nazywamy średni poziom tej energii w poszczególnych cząsteczkach, miarę szybkości poruszania się cząsteczek, z których jest dane ciało. Ruch ustaje całkowicie w temperaturze zera absolutnego (-273,15ºC = 0 K).

Punkt potrójny wody - punkt w którym woda może występować w trzech stanach skupienia.

• Skale termometryczne:

	skala Fahrenheita	skala Réaumura	skala Celsjusza	skala Kelwina
punkt zamarzania wody bez minerałów	32ºF	0ºR	0ºC	273 K
punkt wrzenia wody bez minerałów	212ºF	80ºR	100ºC	373 K




Zmiana stopni w skali F na stopnie w skali C:




• Rodzaje termometrów:

• cieczowe

• deformacyjne

• elektryczne.

• Termometry cieczowe

Termometry najczęściej używane na stacjach meteorologicznych, wykorzystuje się zjawisko objętościowej rozszerzalności cieplnej cieczy (alkoholu lub rtęci).

Jeśli wielkość współczynnika rozszerzalności objętościowej cieczy jest stała i średnica kapilary jest stała, to zmiany długości słupka cieczy znajdującej się w termometrze są proporcjonalne do zmian temperatury. Ciecz wznosi się w kapilarze na taką wysokość, jaka wynika z aktualnej temperatury cieczy.

termometr stacyjny - służy do pomiaru aktualnej temperatury powietrza. Ustawiony pionowo w klatce meteorologicznej jest jednocześnie elementem składowym psychrometru Augusta.

termometr maksymalny - służy do pomiaru najwyższej temperatury pomiędzy obserwacjami. Połączenie kapilary ze zbiorniczkiem jest wyraźnie zwężone. Zwężenie to jest spowodowane umieszczeniem w kapilarze cienkiego pręcika szklanego. Podczas wzrostu temperatury ciecz termometryczna rozszerza się, wytwarzając ciśnienie umożliwiające przemieszczenie się cieczy przez przewężenie i wędrówkę do kapilary. Podczas obniżania się temperatury następuje przerwanie słupka cieczy w miejscu przewężenia, a w kapilarze pozostaje tyle cieczy termometrycznej, ile jej wydostało się ze zbiorniczka w czasie wystąpienia najwyższej temperatury.

Termometr do pomiaru maksymalnej temperatury umieszcza się w klatce meteorologicznej ze zbiorniczkiem w dół pod kątem ok. 5ºC względem poziomu.

termometr minimalny - służy do pomiaru najniższej temperatury powietrza na stacji meteorologicznej. Funkcję cieczy termometrycznej pełni w nim alkohol. Płyn ten wolno reaguje na zmiany temperatury, stąd zbiorniczek tego termometru ma specyficzny kształt, widełkowaty i wydłużony, zapewniający większą powierzchnię. W zbiorniczku jest zanurzony oznakowany kontrastową barwą pręcik. Termometr ustawiony jest w pozycji poziomej. Wzrost temperatury i związane z nim przemieszczanie się cieczy termometrycznej w górę skali nie wywiera wpływu na położenie pręcika. Spadek temperatury natomiast powoduje, że pręcik przesuwa się wraz z meniskiem cieczy w dół kapilary (w kierunku zbiorniczka). Pręcik zatrzymuje się w miejscu wskazanym przez najniższą temperaturę. Bliższy menisku koniec pręcika wskazuje minimalną temperaturę jaka wystąpiła w okresie pomiaru.

termometry gruntowe - posiadają takie same cechy jak termometr stacyjny; służą do mierzenia temperatury gruntu na głębokościach 5,10,20 i 50 cm.

katatermometr Hilla - termometr cieczowy używany do pomiarów wielkości ochładzania przy średniej temperaturze ciała człowieka 36,5ºC.

• termometry deformacyjne

Do ciągłej rejestracji temperatury powietrza używa się termografu. Zasadniczą częścią, reagującą na zmiany temperatury, jest płytka bimetaliczna. Składa się ona z dwóch spokojnych płytek metalowych o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Wskutek zmian temperatury płytka bimetaliczna odkształca się, wyciągając się w stronę metalu o mniejszej rozszerzalności cieplnej.

• termometry elektryczne

• oporowe (metaliczne) - wymagają zasilania;

• termoelektryczne (termostosy) - nie wymagają zasilania.

• Klatka meteorologiczna:

• zapewnia równowagę termodynamiczną;

• chroni przed deszczem i bezpośrednim promieniowaniem słonecznym (drzwi ustawione dokładnie na północ);

• ścianki żaluzyjne - zapewniają cyrkulację powietrza.

• termometry w klatce meteorologicznej:

• termometr suchy stacyjny;

• termometr stacyjny zwilżony

• termometr maksymalny

• termometr minimalny

• Charakterystyki klimatologiczne:

• wartości średnie (6,12,18 UTC);

• wartości skrajne (absolutnie z datami);

• zakres wahań (amplitudy) - różnica między temperaturą maksymalną i minimalną;

• dni charakterystyczne - biorą wartości maksymalne i minimalne z danego dnia;

• częstość występowania temperatury o określonych wartościach;

• termiczne pory roku.

Dni charakterystyczne:

bardzo upalne	tmax > 35ºC
upalne	tmax > 30ºC
gorące	t­max > 25ºC
przymrozkowe	tmin <0ºC tmax>0ºC
mroźne	tmax < -10ºC
bardzo mroźne	tmax < -10ºC tmin < -10ºC

Termiczne pory roku:

Okresy z ustaloną średnią temperaturą dobową.

przedwiośnie	0,0ºC < tśr ≤ 5,0ºC
wiosna	5,0ºC < tśr ≤ 15ºC
lato	tśr > 15ºC
jesień	5,0ºC < tśr ≤ 15ºC
przedzimie	0,0ºC < tśr ≤ 5,0ºC
zima	tśr ≤ 0,0ºC

okres wegetacyjny: t_śt > 5,0ºC

okres gospodarczy: t_śr > 2,5ºC.

Wyznaczanie termicznych pór roku:





przy wzroście temperatury;


przy spadku temperatury.

Założenia:

- każdy miesiąc ma 30 dni;

- temperatura średnia jest 15 dnia miesiąca;

- spadek i wzrost temperatury jest stały.

WILGOTNOŚĆ POWIETRZA

• Zawartość pary wodnej w powietrzu nazywamy wilgotnością. Można ją określić za pomocą kilku wskaźników. Ogólnie biorąc, w głównym stopniu zależy od temperatury powietrza. Im wyższa temperatura powietrza, tym więcej pary wodnej może się zmieścić.

Parametry wilgotności powietrza:

• prężność aktualna (e) - ciśnienie wywierane przez aktualnie zawartą parę wodną w powietrzu [mmHg lub hPa].

• prężność maksymalna (E) - największe ciśnienie wywierane przez parę wodną względem płaskiej powierzchni wody w danej temperaturze, prężność pary nasyconej [mmHg lub hPa].

• wilgotność względna powietrza (f) - jest to stosunek prężności pary wodnej znajdującej się aktualnie w powietrzu w danej temperaturze do prężności pary wodnej nasyconej w tej temperaturze.




• niedosyt wilgotności powietrza (Δ) - różnica pomiędzy prężnością pary wodnej nasyconej i prężności pary wodnej znajdującej się aktualnie w powietrzu [mmHg lub hPa].




• temperatura punktu rosy (t_d) - oznacza temperaturę, do której należy ochłodzić powietrze przy stałej prężności pary wodnej, aby prężność aktualna pary wodnej stała się równa prężności maksymalnej. (e=E) [ºC].

• wilgotność bezwzględna;

• wilgotność właściwa;

• stosunek zmieszania.

Parowanie:

• W wyniku dopływu energii cieplnej z otoczenia następuje odrywanie się cząsteczek od powierzchni parującej i przedostawanie się ich do powietrzna atmosferycznego. Jednocześnie trwa zjawisko przechodzenia cząsteczek cieczy parującej z atmosfery do powierzchni parującej.

• Do wyparowania 1 g wody potrzeba 2500 J - jest to ciepło utajone parowania.

• Prawo Daltona:




Q - wielkość parowania

A - współczynnik proporcjonalności;

E' - prężność pary nasyconej;

e - aktualna prężność pary wodnej w temperaturze;

p - ciśnienie

f(v) -funkcja prędkości wiatru.

Prędkość parowania zależy od temperatury powierzchni parującej, od aktualnego nasycenia powietrza przez parę wodną, od ruchu powietrza nad powierzchnią parującą i ciśnienia atmosferycznego.

Metody i przyrządy pomiarowe parowania:

• 
  ewaporometr Piche'a

• ewaporometr Wilda;

• lizymetry;

• ewaporometry glebowe.

Pomiary parowania na stacjach i posterunkach meteorologicznych wykonuje się tylko za pomocą ewaporometru Piche'a.

Badania w szerszym zakresie są prowadzone w ramach rozszerzonego programu obserwacji, np. na stacjach agrometeorologicznych.

Metody i przyrządy do wyznaczania wilgotności powietrza:

• absorpcyjna - w której wykonuje się zjawisko zmiany objętości przy pochłanianiu pary wodnej przez różne ciała.

Przyrządy: higrometr włosowy; higrograf włosowy.

• psychrometryczna - w której wykorzystuje się zawartość intensywności parowania od niedosytu wilgotności; intensywność parowania wpływa na mierzoną w tej metodzie różnicę temperatury, miedzy termometrami suchym i wilgotnym.




Przyrządy: psychrometr Assmanna - przyrząd meteorologiczny złożony z dwóch termometrów: jeden suchy mierzy temperaturę powietrza, drugi zwilżony owiniety batystem- wskazuje temperaturę równowagi miedzy dopływem ciepła z otoczenia i jego stratami.

Ciepło zużyte na parowanie jest proporcjonalne do niedosytu wilgotności, określonego przez prężność pary nasyconej E'. Jeśli temperatura termometru zwilżonego ustali się, to oba strumienie ciepła są sobie równe:







A - stała psychrometryczna dla prędkości wiatru 0,8 m/s

A = 0,0007946 gdy jest woda na batyście;

A = 0,0007060 gdy jest lód na batyście

p - ciśnienie.

Metody pomiaru temperatury punktu rosy:

• elektryczne - w których wykorzystuje się zależności przewodnictwa elektrycznego elektrolitu (np. rozkładu chlorku litu) od wilgotności powietrza (higrometr elektrolityczny).

Charakterystyki klimatyczne:

Stosuje się charakterystyki tj. średnie dobowe, miesięczne, sezonowe,. Przy analizie zwraca się uwagę na najniższą wilgotność powietrza , najwyższe ciśnienie pary wodnej, najwyższy niedosyt wilgotności powietrza.

Liczba dni charakterystycznych:

• z wilgotnością powyżej 70% w długim terminie obserwacji;

• z wilgotnością względną powyżej 30%;

• z ciśnieniem pary wodnej powyżej 18,8 hPa tzw. dni parne.

ZACHMURZENIE

• Chmura jest to zbiór małych kropli wody lub kryształów lodu, albo ich mieszanina, zawieszona w swobodnej atmosferze, utrzymująca się w powietrzu dzięki sile tarcia i ruchom turbulencyjnym.

• Wyróżnia się dziesięć głównych rodzajów chmur wykluczających się nawzajem, które z kolei jeszcze dzielą się na gatunki, których jest czternaście, oraz odmiany.

• Oceny stopnia pokrycia nieba przez chmury dokonuje się wizualnie, tzn. szczuje się najczęściej, ile dziesiętnych części nieba pokrywają chmury (0 oznacza niebo bezchmurne, 10 oznacza, że całe sklepienie pokryte jest chmurami).

Od 1966 roku na stacjach meteorologicznych ocenia się, ile części ósmych (oktanów) sklepienia nieba pokryłyby wszystkie widoczne chmury, gdyby zostały zsunięte szczelnie do siebie bez luk.

• Podstawową charakterystyką zachmurzenia jest jego średnia wielkość. Oblicza się średnią wielkość zachmurzenia w terminach obserwacyjnych i średnią dobową, miesięczną, sezonową, roczną z pojedynczych lat i wieloletnią.

• Dni pogodne: dni o wielkości zachmurzenia < 2/8;

Dni pochmurne: dni o wielkości zachmurzenia > 6/8.

• całkowite zachmurzenie / chmury niskie i średnie / chmury niskie; np. 4 / 2 / 0.

OPADY ATMOSFERYCZNE

• Opadem atmosferycznym nazywamy wodę w stanie ciekłym lub stałym wypadającą z chmur i dochodzącą do powierzchni Ziemi. Opady należą do grupy zjawisk atmosferycznych zwanych hydrometeorami.

• Opady atmosferyczne charakteryzujemy przez określenie rodzaju (postaci) opadów, ilości spadłej (lub uzyskanej ze śniegu, gradu) wody, czasu ich trwania i natężenia.

• Ze względu na czas trwania opady dzielimy na:

• jednostajne - trwając kilkanaście lub kilkadziesiąt lub więcej godzin (z chmur nimbostratus).

• z przerwami o małym natężeniu (z chmur warstwowych).

• przelotne - o zmiennym natężeniu, z chmur Cumulonimbus: towarzyszy im silny porywisty wiatr, czasem burza.

• Ilość spadłej wody określa się wysokością (grubością) warstwy wody, która utworzyła by się na powierzchni poziomej, gdyby woda nie parowała, nie wsiąkała i nie spływała.

Właściwości opadów określa się w mm z dokładnością do 0,1 mm.

Wysokość opadów równa 1 mm odpowiada jednemu litrowi wody, która spadła na powierzchnię 1m².

• Deszczomierz Hellmanna:

• pierścień o powierzchni 200 cm³;

• odbiornik opadu;

• podstawa przyrządu;

• zbiornik na wodę opadową

• menzurka (miarka);

• wkładka umieszczona w porze zimowej mająca zapobiegać wywiewaniu śniegu z odbiornika opadu.

• Pluwiograf - przyrząd samopiszący: ciągła rejestracja opadów atmosferycznych. Woda wpływa do zbiornika z pływakiem i wskazówką.

• Totalizator - pomiar wysokości opadów w miejscach trudno dostępnych odbywa się za pomocą totalizatora.







Charakterystyki klimatologiczne:

• suma opadów atmosferycznych z okresu: pentady, dekady, miesiąca, pory roku, półrocza, okresu wegetacyjnego, całego roku.

• skrajne wartości;

• odchylenia od wartości średniej;

• prawdopodobieństwo wystąpienia sumy opadów w odpowiednio ustalonych przedziałach;

• najwyższa suma opadów (podając datę ich wystąpienia).

• izohiety - linie równych sum opadów.

WIATR

• Wiatr to poziomy ruch powietrza względem powierzchni Ziemi, spowodowany różnicą ciśnienia atmosferycznego. Określa się dwie jego cechy, prędkość i kierunek.

• Kierunek wiatru (skąd wieje) wyznacza się w stopniach miary kątowej według 16-stopniowej skali lub w rumbach, a jego prędkość w metrach na sekundę lub w kilometrach na godzinę.




• Wyróżniamy prędkość chwilową i prędkość średnią.

• Obok prędkości wiatru często używa się pojęcia siły wiatru, która oznacza parcie przemieszczających się cząsteczek powietrza na napotkaną przeszkodę i wyrażona jest w kg/m².

Siła wiatru jest proporcjonalna do prędkości wiatru i wysokości ciśnienia powietrza:


zależność miedzy siła wiatru a prędkością.

Skala Beauforta (ºB): 0-12.


Podanym przeliczeniem można posłużyć się dla wiatru o sile do 7ºB.

USŁONECZNIENIE I OŚWIETLENIE

• Usłonecznienie - jest to czas bezpośredniego dopływu promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi. Zależy ono długości dnia, stopnia zakrycia horyzontu i zachmurzenia.





• Usłonecznienie możliwe - określa czas upływający od wschodu do zachodu Słońca. Czas trwania usłonecznienia rzeczywistego w wyniku oddziaływania zachmurzenia jest krótszy, obejmuje mniejszą liczbę godzin od usłonecznienia możliwego.

• Oświetlenie jest to promieniowanie słoneczne, które dociera do powierzchni Ziemi w przedziale 0,4 - 0,76 μm.

• Pomiary promieniowania słonecznego nie wchodzą w zakres standardowego pomiaru stacji meteorologicznych, stanowi bowiem badania specjalne. Obejmuje wszystkie rodzaje promieniowania.




S - dobowa suma promieniowania całkowitego;

l_o - dobowa suma promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery;

S_w - usłonecznienie względne.

1

t₁ - temperatura średnia w miesiącu poprzedzającym temperaturę progu;

t₂ - temperatura średnia w miesiącu następującym po temperaturze progu;

t_p - temperatura progu;

x - liczba dni dzieląca dzień z temperaturą progu od 15 dnia miesiące poprzedzającego.

USŁONECZNIENIE

możliwe

rzeczywiste

---