Mgły i zachmurzenie

Zawartość pary wodnej w atmosferze nieustannie zmienia się. Ocenia się że do wysokości 1,5 km znajduje się około 50 % całej zawartości pary wodnej. Troposfera zawiera w sobie 99 % pary wodnej z całej atmosfery.

 

Kiedy powietrze zawierające parę wodną ochładza się, może ono osiągnąć temperaturę punktu rosy. Temperatura punktu rosy jest to temperatura przy którym może rozpocząć się proces skraplania gazu. Wilgotność względna powietrza wynosi wtedy 100 %, a para wodna ulega nasyceniu. Przechodzenie pary wodnej w kropelki to kondensacja pary wodnej. Czasami ma miejsce bezpośrednie przejście ze stanu gazowego w stały, wtedy następuje proces sublimacji. Obniżenie temperatury do punktu rosy jest najczęstszą przyczyną kondensacji pary wodnej. Przy dalszym spadku temperatury nadmiar pary wodnej skrapla się i powstają kropelki powietrza, lub kryształki lodu. Jednakże w idealnie czystym powietrzu nie zachodziłaby kondensacja nawet przy bardzo dużym przesyceniu powietrza parą wodną. Aby w powietrzu nasyconym parą wodną rozpoczął się proces skraplania konieczny jest jeszcze jeden warunek: w powietrzu muszą być obecne jądra kondensacji. Są to mikroskopijnych rozmiarów cząsteczki stałe, które są zawieszone w powietrzu. Na jądrach kondensacji osiadają produkty kondensacji pary wodnej w postaci kropelek wody, lub kryształków lodu. Jądrami kondensacji mogą być cząsteczki dymu, popiołu, bądź pyłu. Najbardziej aktywnymi cząsteczkami są jednak cząsteczki soli morskiej, które dostają się do powietrza na skutek rozbryzgiwania się fal morskich ponad powierzchnią wody. Bardzo dobrymi jądrami kondensacji są także związki chemiczne, wyzwalane w wyniku działalności człowieka podczas produkcji przemysłowej. Dużą rolę odgrywają także pyły pochodzenia organicznego, jak pyłki roślin, bakterie, czy pleśń. Ilość jąder kondensacji gwałtownie maleje w miarę wzrostu wysokości n.p.m. Podstawowymi przyczynami kondensacji pary wodnej są:

• Ochłodzenie powietrza wraz ze wzrostem wysokości (przemiany adiabatyczne)

• Ochładzanie się powietrza na skutek wypromieniowania cieplnego powierzchni Ziemi do wyższych warstw atmosfery, zetknięcia się ciepłych i wilgotnych mas powietrza z ochłodzoną powierzchnią Ziemi

• Nasycenie powietrza parą wodną, oraz temperatura punktu rosy

• Obecność jąder kondensacji

Produktami kondensacji pary wodnej są rosa, szron, mgły, i chmury. Mgły i chmury odznaczają się taką samą budową, jednakże ich przyczyny powstawania a także zasięg i wysokość na jakich występującą są odmienne. Mgła jest to zbiorowisko produktów kondensacji pary wodnej, zwieszonych w powietrzu sięgających w miejscu obserwacji do powierzchni Ziemi. Ze względu na przyczyny powstania można wyróżnić:

• mgły radiacyjne, które wywołane są silnym ochłodzeniem powierzchni Ziemi wskutek nocnego wypromieniowania ciepła. Mierzą one do kilkudziesięciu metrów wysokości. Mgły tego rodzaju tworzą się najczęściej w pogodne i słabo wietrzne noce i ranki. Po wschodzie Słońca mgły radiacyjne przeważnie zanikają. Najczęściej występują w jesieni, oraz w zimie. Nie spotyka się ich nad korytami dużych rzek, gdzie występują turbulencyjne  ruchy powietrza wobec cieplejszej powierzchni wody w nocy.

• mgły adwekcyjne wywołane są napływem ciepłego i wilgotnego powietrza nad wychłodzoną powierzchnię Ziemi. Swoją wysokością sięgają rzędu setek metrów. Tworzą się one najczęściej przy napływie wilgotnego powietrza z niższych do wyższych szerokości geograficznych w zimie znad ciepłego morza w kierunku chłodnego lądu, bądź w lecie znad ciepłego lądu nad chłodniejsze morze. Mgły adwekcyjne tworzą się także nad wodami oceanicznymi o różnych właściwościach termicznych, przy napływie mas powietrza znad obszarów wód cieplejszych nad chłodniejsze.

• mgły parowania powstają na skutek parowania z cieplejszej, swobodnej powierzchni wodnej, unoszeniem się pary wodnej, oraz jej kondensacją w chłodniejszym powietrzu. Ten typ mgieł charakterystyczny jest dla jesiennych wieczorów i nocy nad jeziorami i dużymi rzekami.

• Smog (ang. smoke- dym, oraz fog- mgła). Jest to powszechnie przyjęte angielskie określenie specyficznego rodzaju mgły miejskiej, powstałej wskutek zmieszania się zwykłej mgły z dymem i spalinami. Tworzy się w wielkich ośrodkach przemysłowych przy niesprzyjających warunkach meteorologicznych. Nad obszarami zurbanizowanymi ulega zmianie skład chemiczny powietrza. Przemysł i energetyka występujące w wielkich miastach produkują ogromne ilości zanieczyszczeń. Pyły obecne w powietrzu mogą stać się jądrami kondensacji dla chmur, stąd nad obszarami zurbanizowanymi istnieją również korzystniejsze warunki do zwiększonego zachmurzenia. Często z tego powodu nad miastem powstaje właśnie smog. Największe rozmiary zjawisko to przyjmuje w Londynie, Zagłębiu Ruhry, Los Angeles, oraz innych wielkich metropoliach z dominującą funkcją przemysłową.

Obszarem najbardziej obfitującym w mgły jest Arktyka. Występują one tam średnio 80 dni w roku. Regionami, gdzie często występują mgły są także: okolice Nowej Finlandii, Kalifornia, Zachodnia Europa, oraz północno- zachodnia Afryka. Stosunkowo mało mgieł odnotowuje się we wnętrzu wielkich kontynentów np. w Kanadzie czy na Syberii. Latem masy powietrza formujące się w głębi kontynentów są ubogie w parę wodną. W podzwrotnikowych szerokościach geograficznych półkuli południowej istnieją miejsca, gdzie liczba dni z występującymi mgłami przekracza 80. Są to tzw. pustynie mgliste takie jak Atakama w Ameryce Południowej, czy Namib w południowej Afryce.

Innym produktem kondensacji pary wodnej są chmury. Są one ogromnymi zbiorowiskami drobnych kropelek wody, lub kryształków lodu unoszące się w atmosferze. Rozmiary cząsteczek wody w chmurach są tak niewielkie że praktycznie nie oddziałuje na nie siła grawitacji. Te cząsteczki nie opadają na powierzchnię Ziemi a swobodnie przemieszczają się wykonując bezładne ruchy. Chmury na skutek poziomych ruchów przedostają się do obszarów o różnej wilgotności. Dlatego parują i zanikają, bądź też zwiększają swoją objętość.

Chmury występują w troposferze na różnych wysokościach, tworząc określone piętra. Chmury można podzielić:

 

Ze względu na wysokość występowania na:

• chmury piętra wysokiego

• chmury piętra średniego

• chmury piętra niskiego

 

Ze względu na kształt dzieli się chmury na  4 typy :

• chmury pierzaste- cirrus

• chmury warstwowe- stratus

• chmury kłębiaste- cumulus

• chmury deszczowe- nimbus

 

Ze względu na kształt chmury zostały podzielone na 10 rodzajów. Rodzaje te są kombinacją powyższych typów.

 

Klasyfikacja chmur

 

Biorąc pod uwagę genezę chmur można je podzielić na:

 

• chmury konwekcyjne: powstają one w wyniku chwiejnej równowagi termicznej, która doprowadza do wytworzenia się silnych prądów wstępujących o prędkości średnio 3-6 m/s. Powietrze wznoszące ochładza się i po przekroczeniu poziomu kondensacji zaczynają się tworzyć chmury Cumulus. Jeżeli w dalszym ciągu utrzymuje się równowaga chwiejna wówczas chmury te rosną w pionie i rozwijają się nadal często przekształcając się w chmury Cumulonimbus. Chmury tego typu rozwijają się najintensywniej w półroczu letnim nad lądami.

• Chmury o budowie falowej: powstają w masach o równowadze stałej. Chmury tego typu tworzą się przy intensywnym przepływie powietrza nad pasmami górskimi tworząc tzw. chmury orograficzne. Chmury tego typu to Stratus, Stratocumulus, oraz Altocumulus. Najwięcej tego typu chmur można zaobserwować nocą i nad ranem.

• Chmury związane z przejściem frontu: na skutek wślizgiwania się powietrza ciepłego ponad powietrze chłodne następuje ochłodzenie jego masy i kondensacja zawartej w nim pary wodnej, co doprowadza do powstawania rozbudowanych chmur w różnych piętrach.

Stopień zachmurzenia oceniany jest bez specjalistycznych przyrządów, a więc „na oko” w skali od 0 do 10 gdzie 0 oznacza całkowity brak zachmurzenia, a 10 pełne pokrycie chmurami. Określa się także na stacjach meteorologicznych typy, rodzaje, oraz gatunki chmur. Średnie roczne zachmurzenie całej kuli ziemskiej za pomocą tej skali ocenia się na 5,4 stopnia. Nad lądami wynosi ono 4,9 nad morzami natomiast 5,8. W Polsce średnie roczne zachmurzenie wynosi 6,4. Za dzień pogodny uważa się taki, którego zachmurzenie wynosi poniżej 2, średni stopień zachmurzenia dnia chmurnego wynosi od 2 do 8, podczas gdy dzień pochmurny to taki, w którym średnie zachmurzenie oceania się powyżej 8 stopni.