Meteorologia i Klimatologia

Andrzej Olczak

Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej, Politechnika Łódzka,

gmach Wydziału Chemicznego, p.233,

e-mail: [e-mail]

Literatura:

• Alojzy Woś, Meteorologia dla geografów, PWN, 2000

• Jakub Tomanek, Meteorologia i klimatologia dla leśników, PWRL, 1966

• Jerzy Zwoźniak, Anna Zwoźniak, Andrzej Szczurek, Meteorologia w

ochronie atmosfery, OWPW, Wrocław 1998

• Stanisław Bac, Marian Rojek, Meteorologia i Klimatologia, PWN, 1979

• Danuta Martyn, Klimaty kuli ziemskiej, PWN, 1995

• Urszula Kossowska-Cezak, Danuta Martyn, Krzysztof Olszewski,

Maria Kopacz-Lembowicz, Meteorologia i klimatologia, pomiary, obser-

wacje, opracowania, PWN, 2000

Zaliczenie:

Pisemne colloquium

1

Atmosfera

• Pogoda, klimat i ich wpływ na nasze życie

–

meteorologia i klimatologia

–

spojrzenie na pogodę z satelity

–

wpływ pogody i klimatu na nasze życie

• Atmosfera

–

skład

–

powstanie atmosfery

• Pionowa struktura atmosfery

–

ciśnienie i gęstość

–

warstwy atmosfery

–

jonosfera

• Pytania powtórzeniowe

2

Meteorologia i klimatologia

Pogoda

— Stan atmosfery w określonym miejscu i czasie.

Najważniejsze parametry określające pogodę to: • tempe-
ratura, • ciśnienie, • wilgotność, • zachmurzenie, • opady,

• widzialność, • wiatr.

Klimat

— Układ charakterystycznych stanów pogody dla

danego obszaru w okresie wieloletnim. Jest on wynikiem współ-
działania • promieniowania słonecznego, • cyrkulacji atmos-
fery, • obiegu wody i • czynników geograficznych.
Przy charakterystyce klimatu wykorzystuje się wyniki po-
miarów i obserwacji meteorologicznych za okres wieloletni,
na ogół kilkudziesięcioletni, a okres 10-letni jest przyjmowa-
ny za najkrótszy w badaniach klimatu.

Klimatologia

— Nauka o klimacie. Zajmuje się następu-

jącymi zagadnieniami: • procesy klimatotwórcze, • wpływ
czynników geograficznych na przebieg tych procesów, • opi-
sywanie i klasyfikacja klimatów kuli ziemskiej, • zmiany kli-
matyczne w dziejach Ziemi.

Meteorologia

— nauka zajmująca się badaniem atmosfery

i zjawisk w niej zachodzących. Termin ten wywodzi się z
greckiego meteoros – wysoko w powietrzu. W tych czasach

3

wszystko co działo się w powietrzu lub spadało z nieba nosiło
nazwę – meteor.

• Meteorologia jako nauka zaczęła się rozwijać z chwilą

wynalezienia pierwszych instrumentów umożliwiających ba-
danie stanu atmosfery jak np. termometr (koniec XVIw.),
barometru (1643) i higrometru (początek XVIIIw.).

• Ulepszanie tych instrumentów przyczyniało się do rozwo-

ju meteorologii. W 1843 wynaleziono telegraf , co umożliwiło
szybkie przesyłanie wyników obserwacji. W 1869 powstały
pierwsze mapy pogody z naniesionymi izobarami.

• Około 1920 roku ukształtowały się pojęcia frontu atmos-

ferycznego i przemieszczających się mas powietrza.

• Dzięki obserwacjom za pomocą balonów w latach 40 XX

wieku uzyskano pierwsze pionowe rozkłady temperatury, wil-
gotności i ciśnienia, dzięki czemu poznaliśmy trójwymiarowy
obraz atmosfery.

• Po II wojnie światowej radary znalazły zastosowanie w

meteorologii do określania położenia chmur i opadów.

• W latach 50-tych XX wieku pojawienie się wydajnych

komputerów umożliwiło symulacje ruchów mas powietrza.

• W latach 60-tych rozpoczął działanie pierwszy satelita

meteorologiczny Tiros I.

• W latach 90-tych ubiegłego wieku radary dopplerowskie

zostały zastosowane do zbadania wnętrznejstruktury hura-
ganów.

4

Widok z satelity

Zdjęcie satelitarne w widmie światła widzialnego.

Uproszczona mapa pogody korelująca z poprzednim zdjęciem.
Zielony obszar wskazuje na występowanie opadów.

5

Pogoda i życie

• Pogoda determinuje sposób ubierania się, • wpływa na
samopoczucie, a czasem życie (w 1995 długotrwałe upały
połączone z wysoką wilgotnością spowodowały śmierć 500
osób w Chicago), • determinuje wydatki na ogrzewanie bądź
klimatyzację, • paraliżuje komunikację, • susze, • powodzie
itd.

Burza lodowa – styczeń 1998, Kanada.

Trąba powietrzna (tornado).

6

Na całej ziemi pioruny pojawiają się z częstością około 100 na
sekundę.

7

Donald Ahrens, Meteorology Today

Atmosfera jest jak delikatny życiodajny koc otulający Zie-

mię. W taki lub inny sposób wpływa na wszystko co widzimy
i słyszymy — jest nierozerwalnie związana z naszym życiem.

Na powierzchni ziemi możemy podróżować tysiące kilome-

trów, ale jeśli tylko przeniesiemy się około 8km wzwyż, za-
czniemy się dusić. Bez żywności możemy przeżyć kilkanaście
dni, bez wody — kilka, ale bez powietrza — zaledwie kilka
minut.

Ziemia bez atmosfery nie miałaby jezior i oceanów, nie by-

łoby dźwięków, chmur, niebieskiego nieba i czerwonych za-
chodów słońca. Byłoby by bardzo zimno w nocy i nieznośnie
upalnie w dzień.

Jesteśmy tak zaadaptowani do warunków panujący na Zie-

mi, że czasami zapominamy jak ważną dla życia substancją
jest powietrze, że chroni nas przed śmiercionośnym promie-
niowaniem, umożliwia istnienie i rozwój życia.

Ponieważ jest bez zapachu i smaku, niewidoczne dla oczu,

może wydawać się zaskakujące, że w tym pomieszczeniu znaj-
dują się miliardy miliardów cząsteczek. Niektóre z nich jesz-
cze wczoraj mogły znajdować się wysoko na ziemią tworząc
chmurę, albo być nad innym kontynentem tydzień temu, al-
bo stanowić łyk powietrza zaczerpnięty przez kogoś wieleset
lat temu.

8

Względne rozmiary i położenia planet w układzie słonecznym.
Średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi 15

◦

C, a wa-

chania temperatury przy powierzchni dochodzą od -85

◦

C (w

czasie nocy antarktycznej) do ponad 50

◦

C na gorącej subtro-

pikalnej pustyni.

Atmosfera ziemska widziana z przestrzeni kosmicznej w czasie
wschodu słońca. Około 90% atmosfery ziemskiej znajduje się
w widocznym jasnym obszarze, a około 70% znajduje się po-
niżej szcztów najwyższych chmur. 99% atmosfery zawiera się
w płaszczu o grubości około 30km.

9

Skład atmosfery

Procentowa zawartość tlenu i azotu pozostaje stała do około
80-tego kilometra. Na powierzchni ziemi istnieje dynamicz-
na równowaga między wytwarzaniem i zużywaniem azotu i
tlenu.

•

Azot

jest głównie usuwany z atmosfery przez bakterie

glebowe, jak również przez plankton w oceanach. Natomiast
rozkład organizmów prowadzi do wydzielania azotu do at-
mosfery.

•

Tlen

na odwrót — jest zużywany podczas rozkładu ma-

terii organicznej, ale również podczas oddychania. Jest nato-
miast wytwarzany w procesie fotosyntezy.

• Udział objętościowy

pary wodnej

może ulegać dużym

zmianom. Woda jest jedynyą substancją, która w normal-
nych warunkach ziemskich może przechodzić do trzech róż-
nych stanów skupienia.

10

Woda paruje z powierzchni oceanu. Prądy wznoszące w po-
wietrzu przekształcają niewidzialną parę w miliardy maleńkich
kropelek wody, które są widoczne jako chmury o nazwie cu-
mulus. Jeżeli prądy powietrza uniosą te kropelki na większe
wysokości, gdzie temperatura jest niska, kropelki zamarzną
tworząc małe kryształki lodu.

Rola pary wodnej w funkcjonowaniu atmosfery jest ogrom-

na: polega nie tylko na formowaniu chmur i powodowaniu
opadów, ale również wyzwala ogromne ilości ciepła podczas
skraplania i resublimacji, co jest bardzo istotne w formowa-
niu się burz i huraganów. Dodatkowo pełni rolę gazu cieplar-
nianego ponieważ pochłania emitowane przez powierzchnię
ziemi promieniowanie cieplne.

•

Dwutlenek węgla

pochodzi głównie z rozkładu materii oży-

wionej, erupcji wulkanicznych, oddychania organizmów, spa-

11

lania paliw. Usuwanie CO

2

zachodzi podczas fotosyntezy i

rozpuszcznia w oceanach. Szacuje się, że w oceanach jest
zgromadzone 50 razy więcej CO

2

niż w atmosferze.

Stężenie CO

2

w ppm w Mauna Loa na Hawajach. Wyższe

wartości występują w zimie, kiedy obumarłe rośliny rozkładają
się. Niższe wartości występują latem, kiedy rośliny absorbują
CO

2

.

CO

2

jest podobnie jak para wodna ważnym gazem cieplar-

nianym. Modele matematyczne wskazują, że wzrastający po-
ziom CO

2

spowoduje ocieplenie o od 1.4

◦

C do 5.8

◦

C do roku

2100.

•

Metan

,

N

2

O

i

freony

pełnią również rolę gazów cieplar-

nianych.

12

Globalne średnie stężenie metanu.

Nie są w pełni znane przyczyny szybkiego wzrostu koncen-

tracji metanu w atmosferze. N

2

O tworzy się w glebie i jego

stężenie również rośnie (około 0.25% rocznie). Freony oprócz
własności absorpcyjnych promieniowania cieplnego wykazują
dużą zdolność niszczenia ozonu.

•

Ozon

przy powierzchni ziemi ma raczej własności destruk-

cyjne: podrażnia oczy, gardło i niszczy wegetację, w stratosfe-
rze natomiast spełnia niezmiernie ważną rolę ochronną przed
promieniowaniem ultrafiloteowym.

• Zanieczyszczenia w atmosferze pochodzenia naturalnego i
sztucznego noszą miano

aerozoli

. Mogą to być unoszone przez

wiatr ziarna piasku czy gleby, drobiny soli pochodzenia oce-
anicznego, dymy z pożarów lasów, popioły pochodzenia wul-
kanicznego itp.

13

Z wybuchem wulkanu przedostają się do atmosfery tony pyłu,
pary wodnej, dwutlenku węgla i dwutlenku siarki.

Niektóre z tych aerozoli pełnią ważną rolę jako zarodki

kondensacji w procesie tworzenia chmur.

Jednakże większość zanieczyszczeń pochodzenia industrial-

nego jest szkodliwa dla środowiska i człowieka. Do tych nale-
żą:

dwutlenek azotu

,

tlenek węgla

,

węglowodory

. W świetle

słonecznym NO

2

reaguje z węglowodorami i innymi gazami

tworząc ozon. 75% tlenku węgla w rejonach zurbanizowa-
nych pochodzi ze spalania paliw w silnikach pojazdów. Innym
szkodliwym gazem jest

dwutlenek siarki

.

14

Powstanie atmosfery

• 4.6 miliarda lat temu atmosfera Ziemi składała się naj-

prawdopodobniej głównie z wodoru i helu, metanu i amonia-
ku. Prawdopodobnie ta wczesna atmosfera uciekła w prze-
strzeń z gorącej powierzchni ziemi.

• Druga atmosfera została uformowana przez gazy pocho-

dzenia wulkanicznego: para wodna (80%), CO

2

(10%) i azot.

• Para wodna formowała chmury, a z nich powstawały opa-

dy trwające wieleste tysięcy lat tworząc oceany jeziora i rzeki.

• CO

2

rozpuszczał się w wodzie i poprzez różnego rodzaju

procesy chemiczne i biologiczne został uwięziony w skałach
wapiennych. Spowodowało to względny wzrost udziału azotu
w atmosferze.

• Tlen prawdopodobnie zaczął powstawać w procesie foto-

dysocjacji wody. To mogło spowodować pojawienie się pierw-
szych prymitywnych roślin około 2-3 miliardów lat temu, co
spowodowało szybszy przyrost zawartości tlenu w procesie
fotosyntezy.

• Swój dzisiejszy skład atmosfera osiągnęła prawdopodob-

nie kilkaset milinów lat temu.

15

Pionowa struktura

atmosfery

Ciśnienie i gęstość

F

Q

= mg

ρ

=

m

V

p

=

F

Q

S

Ciśnienie i gęstość maleją wraz ze wzrostem wysokości.

1013.25 mb = 1013.25 hPa

16

Ciśnienie maleje szybko z wysokością. Na wysokości 5.5km
wynosi około 500hPa; dla tej wysokości połowa cząsteczek
powietrza znajduje się poniżej tego poziomu.

17

Warstwy atmosfery

Temperatura ma bardziej skomplikowany profil pinowy niż

ciśnienie i gęstość.

Zależność średniej temperatury od wysokości na poziomem
morza.

18

Warstwy atmosfery na podstawie temperatury (czerwona li-
nia), składu (zielona linia) i własności elektrycznych (niebieska
linia).

W nocy wyższy region jonosfery silnie odbija fale AM pozwa-
lając na ich propagację na znaczne odległości. W dzień dolny
region silnie absorbuje fale znacznie ograniczając ich zasięg.

19

Pytania powtórzeniowe

• Co jest najważniejszym źródłem energii dla atmosfery

ziemskiej ?

• Wymień cztery najbardziej rozpowszechnione gazy w at-

mosferze.

• Spośród tych czterech który wykazuje największą zmien-

ność koncentracji przy powierzchni ziemi ?

• Wymień najważniejsze role pełnione przez wodę w at-

mosferze.

• Wyjaśnij w jaki sposób powstaje i jest zużywany CO

2

w pobliżu powierzchni ziemi oraz podaj przyczyny wzrostu
jego zawartości w ostatnich stu latach.

• Wymień dwa najważniejsze gazy cieplarniane i co ozna-

cza termin gaz cieplarniany ?

• Co to są aerozole ? Wymień kilka przykładów.

• Jak skład atmosfery zmieniał się w dziejach Ziemi ?

• Opisz zmiany temperatury atmosfery z zależności od wy-

sokości i podział atmosfery na warstwy.

• W której warstwie zachodzą zjawiska związane z pogo-

dą ?

• Która warstwa ma najniższą średnią temperaturę, która

najwyższą, a która zawiera najwięcej ozonu ?

• W jaki sposób jonosfera wpływa na propagację fal radio-

wych ?

20

• Dlaczego w startosferze pomimo 21%-owej koncentracji

tlenu nie dałoby się przeżyć ?

• W którym kierunku wieje wiatr wokół niżu, a w którym

wokół wyżu na półkuli północnej ?

• Czym pogoda różni się od klimatu ?

• Opisz w jaki sposób pogoda wpływa na codzienne życie.

21

Energia i ciepło w atmosferze

• Energia, temperatura, ciepło

–

skale temperaturowe

–

ciepło właściwe

–

ciepło utajone

• Przepływ ciepła w atmosferze

–

przewodzenie

–

konwekcja

• Promieniowanie

–

promieniowanie i temperatura

–

promieniowanie Słońca i Ziemi

• Absorpcja, emisja, równowaga

–

efekt cieplarniany

–

ogrzewanie poietrze przez powierzchnię ziemi

• Energia słoneczna

–

światło rozproszone i odbite

–

roczny bilans energetyczny ziemi

• Pytania powtórzeniowe