Meteorologia i Klimatologia
Andrzej Olczak
Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej, Politechnika A
ódzka,
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 Zwoz
niak, Anna Zwoz
niak, 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 pogodÄ™ 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 siÄ™ 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 zajmujÄ…ca siÄ™ badaniem atmosfery
i zjawisk w niej zachodzÄ…cych. Termin ten wywodzi siÄ™ z
greckiego meteoros  wysoko w powietrzu. W tych czasach
3
wszystko co działo się w powietrzu lub spadało z nieba nosiło
nazwÄ™  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 (poczÄ…tek 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 przemieszczajÄ…cych siÄ™ 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 siÄ™ 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 bądz

klimatyzację, " paraliżuje komunikację, " susze, " powodzie
itd.
Burza lodowa  styczeń 1998, Kanada.
TrÄ…ba powietrzna (tornado).
6
Na całej ziemi pioruny pojawiają się z częstością około 100 na
sekundÄ™.
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-
Å‚oby dz
więków, 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 15ć%C, a wa-
chania temperatury przy powierzchni dochodzą od -85ć%C (w
czasie nocy antarktycznej) do ponad 50ć%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. PrÄ…dy wznoszÄ…ce 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 CO2 zachodzi podczas fotosyntezy i
rozpuszcznia w oceanach. Szacuje się, że w oceanach jest
zgromadzone 50 razy więcej CO2 niż w atmosferze.
Stężenie CO2 w ppm w Mauna Loa na Hawajach. Wyższe
wartości występują w zimie, kiedy obumarłe rośliny rozkładają
się. Niższe wartości występują latem, kiedy rośliny absorbują
CO2.
CO2 jest podobnie jak para wodna ważnym gazem cieplar-
nianym. Modele matematyczne wskazują, że wzrastający po-
ziom CO2 spowoduje ocieplenie o od 1.4ć%C do 5.8ć%C do roku
2100.
" Metan, N2O 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. N2O tworzy siÄ™ 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 NO2 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%), CO2 (10%) i azot.
" Para wodna formowała chmury, a z nich powstawały opa-
dy trwające wieleste tysięcy lat tworząc oceany jeziora i rzeki.
" CO2 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
FQ = mg
m
Á =
V
FQ
p =
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 z
ródłem 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 CO2
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-
dÄ… ?
" 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 powierzchniÄ™ ziemi
" Energia słoneczna
 światło rozproszone i odbite
 roczny bilans energetyczny ziemi
" Pytania powtórzeniowe