Wykład 1 (12.10.2005)

Meteorologia - nauka zajmująca się badaniem zjawisk oraz procesów, które zachodzą w atmosferze ziemskiej (troposferze) oraz procesów na powierzchni ziemi, które mają bezpośredni wpływ na procesy atmosferyczne np. meteorom, nauka geofizyczna.

Rozróżnia się:

• meteorologie dynamiczną; obserwuje badania ruchów powietrza oraz związanych z nimi przemianami energii w atmosferze

• meteorologia synoptyczna- badania procesów atmosferycznych związanych z pogodą i jej przewidywaniami

• Meteorologia satelitarna - metoda obserwowania zjawisk atmosferycznych i przeprowadzanie pomiarów meteorologicznych wykonane sztuczne satelity ziemi, a także sposoby interpretacji uzyskanych informacji

Klimatologia – nauka o klimacie, nauka geograficzna

Początki nauki jako klimatologii jako nauki w 17 w

Prawa międzynarodowe sieć meteorologiczna w 18 w (Niemiecka Akademia Nauk, 39 lat 12 stacji. Największy przełom – wynalezienie telegrafu przez Morse’a. Powstanie Międzynarodowej Organizacji Meteorologicznej Wiedeń 1873 tworzenie krajowych stacji meteorologicznych)

Istotny postęp w prognozie pogody- lata 20 XX w opracowano teorii w powstania niżu barycznego i frontów atmosferycznych.

Tworzenie podstaw wieku teorii meteorologicznych (lata 20- 30 XX w)

Wczesne lata 50 pogoda opierała się na obliczeniach.

Pogoda – nazywamy aktualny stan atmosfery w danym miesiącu

Na pogodę składają się:

- temp. Powietrza

- ciśnienie

- wilgotność

- wiatr jego kierunek i prędkość

- zachmurzenie

- opady atmosferyczne

- nasłonecznienie

Czynniki środowiska geograficznego mające wpływ na pogodę:

- ukształtowanie terenu

-szata roślinna

- gleba (rodzaj podłoża)

- woda

- uprzemysłowienie

Klimat- całokształt stanów pogody właściwych danej miejscowości lub krainie i przeciętny przebieg rocznego rytmu ich zmian w obrębie dłuższego okresu czasu(10 lat)

Elementy pogody i klimatu: nasłonecznienie, temp.

Czynniki kształtujące klimat:

- obieg ciepła

- obieg wilgoci

- cyrkulacja atmosferycznego

Geograficzne czynniki klimatyczne:

- szerokość geograficzna wraz z którą zmienia się oświetlenie

- rozkład lądów i mórz

-wysokość nad poziomem morza

- ukształtowanie terenu

- prądy morskie

- szata roślinna

- pokrywa śnieżna i lodowa

Podsystemy systemu klimatycznego:

- atmosfera: gazowa otoczka ziem w której występują ruchy pionowe i poziome dążące do osiągnięcia jednorodnego pola temp.

- hydrosfera: zasoby wodne na powierzchni ziemi i pod jej powierzchnią

- kiosfera- globalne zasoby lodu i śniegu

- litosfera- kontynenty z masywami górskimi i basenami podmorskimi, także osady i gleba

- biosfera- roślinność lądowa i morska, zwierzęta i ludzie

Budowa atmosfery(powietrza atmosferycznego)

Jest to cienka warstwa w stosunku do promienia ziemi() powłoka gazowa otaczająca ziemie o ściśle określonych właściwościach fizycznych

Atmosfera utrzymywana jest dzięki sile grawitacji

Masa około 5300* 10¹² MG(mega grama)(ok. 1/1 mln masy Ziemi)

Gęstość atmosfery

- maksimum tuż nad powierzchnią ziemi

- gwałtownie maleje wraz ze wzrostem wysokości

- więcej niż połowa masy – poniżej

- około 90% jej masy w warstwie do

Około 99% masy poniżej

- na wysokości ponad 1/1mln całej masy atmosfery

Przeciętne skład powietrza atmosferycznego

Zawartość [% b.j]

Azot 78,085

Tlen 20,948

Argon 0,934

CO₂ 0,033

Pozostałe 0,003

Ne 18 p.p.m.

He 5

CH₄ 2

Kr 1,0

H₂ 0,5

N₂O 0,3

Xe 0,08

O₃ 0,02- 10 p.p.m.

NH₃ 0,04

I₂ 0,01

NO₂ 0,01

SO₂ 0,001

CO 0,05- 0,2

H₂O zmienna ilość

Podany skład powietrza atmosferycznego to skład powietrza czystego odnosi się do troposfery zalegającej do wysokości nad powierzchnia Ziemi i jest przyjmowany jako stały i jednolity za wyjątkiem zmiennych ilości pary wodnej oraz zanieczyszczeń sztucznych i naturalnych.

Główne składniki powietrza atmosferycznego:

-> azot i tlen- trwale składniki

Tlen pojawił się wtedy kiedy organizmy żywe. Ze wzrostem organizmów żywych tlen tez wzrastał. W procesie fotosyntezy wydziela się 20 mln ton O₂ rocznie

• CO₂ - 0,02-0,04% (może przyjmować znacznie wyższe udziały), gaz cieplarniany(spalanie paliw kopalnianych), zdolność zatrzymywania promieniowania ziemskiego

• gazy szklarniane (gazy obojętne, które nie cyrkulują i nie są aktywne chem.)

• para wodna- 3 fazy (stała- lód, ciekłe-krople deszczu, gazowa)zawartość pary wodnej 0,2 do 2,5 %(0 do 4,1% )powietrze suche(poziom morza temp 0^oC gęstość powietrza 1,275 kg/m³)Powietrze wilgotne (gęstość powietrza suchego

• ozon 5/100,000 masy całej atmosfery, nierównomierne rozłożenie (10% troposfera, 90% stratosfera), szkodliwość 30 ppb szkodliwy dla ludzi, zwierząt i roślin(system oddechowy, proces fotosyntezy) stężenie 1 ppm jest trujące

• drugorzędne skład. suchego powietrzaCH₄,CO,H₂, N₂O występuje w ilościach względnie stałych oraz H₂S, SO₂, NO₂,CH₂O krótko przebywające w atmosferze w ilościach zmiennych

• cząstki stałe- pyły wulkaniczne, meteoryty, sadze i cząstki węgla z poziomów lasu tzw”aerozole przemysłowe” zarodniki roślin

Pionowe uwarstwienie atmosfery

Atmosfera wykazuje niejednorodność pionowa i pozioma

1. kryterium termiczne niejednorodności atmosfery pionowy gradient temp.(γ)- zmiana temp. Powietrza przypadająca na jednostkę odległości w kierunku pionowym(czyli wysokości)

γ=-dT/dz (- warstwa powietrza w warstwie przyziemnej maleje)

Odnosimy to do 100m.spadek temp z wysokości

1. przygruntowa inwersja temp.

2. izotermia przygruntowa

3. inwersja temp. w swobodnej atmosferze

Zjawisko inwersji polega na wzroście temp. powietrza powietrza wraz ze wzrostem

wysokości

Wielkość charakteryzujące inwersje

-wysokość(2 pierwsze km. troposfery)

- grubość warstwy (dziesiątki do setek metrów)

-skok temp.tj. różnica temp. między górną i dolną granicą warstwy inwersyjnej(dziesiątki części stopnia do kilkunastu stopni)

G- grubość warstwy inwersyjnej

ΔT- skok temp.

H- wysok. warstwy inwersyjnej

Naturalna bariera w transporcie gazów i pyłów, wpływ zależy od wysok, temp i energii kinetycznej(prędkości wylotowej spalin)

Wpływ inwersji może być pozytywny lub negatywny.

Inwersja temp. jest częstym zjawiskiem, często może występować kilka inwersji naraz nie są zjawiskiem punktowym.

Typowe zmiany pionowego rozkładu temp. w ciągu doby (ciepła pora roku, ładna pogoda)

- po zachodzie słońca tworzenie się inwersji przygruntowej

- w nocy potęgowanie się zjawiska, szczyt tuż przed wschodem słońca

- po wschodzie słońca w wyniku ogrzewania podłoża normalny rozkład temp. w warstwie przygruntowej oraz inwersja w swobodnej temp.

- około południa ruchy konwekcyjne niszczą inwersje temp.

W zimnej porze roku przy bezwietrznej pogodzie inwersja temp. może się utrzymać przez cały dzień głównie dlatego, że docierająca do powierzchni ziemi energia słoneczna jest niewystarczająca do wywołania ruchów konwekcyjnych i zniszczenia warstwy inwersyjnej.

Gradient temp. stał się podstawą wyróżnienia kilku warstw o wyraźnie odmiennych przebiegach temp.

1. warstwa troposfera

2. warstwa stratosfera

3. warstwa mezosfera

4. warstwa termosfera

Wykład 2 (19.10.2005)

Troposfera: wysokość (7- ) zmienia się zależnie os szerokości geograf.(mniejsza szerokość geograficzna-> większa wysokość), zmienia się również w zależności od pory roku i zawiera około 75% całkowitej masy atmosfery i prawie całą ilość pary wodnej i przebiegają tu wszystkie zjawiska związane z pogodą, tworzenie się chmur i opadów. Średnia temperatura na poziomie morza obniżanie się temperatury z wysokością średnio o 0,6 ⁰C/100m.

Górna granica troposfery –tropopauza, nieciągłość tropopauzy(pas między i szer.geogr.. w tej szer.geogr. dochodzi do wymiany powietrza.

Między troposferą i stratosferą nie ma wymiany powietrza- tak sądzono ale po czasie wykazano, że ta wymiana istnieje, ponieważ tropopauza jest nieciągła.

Tz- tropopauza zwrotnikowa

Tp- tropopauza polarna

Warstwa graniczna (warstwa mieszana)- cześć atmosf. Sięgająca , przylegająca bezpośrednio do powierzchni Ziemi, zmniejszona w stosunku do wyżej położonej części troposfery szybkość wiatru (szorstkość podłoża i intensywne ruchy pionowe).

• Warstwa szorstkości lub ruchu laminarnego – wysokość (z_o) zależna od rodzaju pokrycia powierzchni ( gładkie powierzchnie nie pokryte roślinnością:

10^-9 do 10^-3m ; pokryte roślinnością: do 3m teren zabudowany do )

• Wewnętrzna warstwa graniczna lub warstwa powierzchniowa- rozciąga się od górnego poziomu warstwy szorstkości do , łączenie z warstwą szorstkości zwana jest warstwą przyziemną, najsilniej przejawiający się wpływ podłoża ( różnokierunkowe zmiany temp. i wilgotności)

• Zewnętrzna warstwa graniczna lub warstwa skrętu wiatru albo warstwa Ekmana- na wysokości – , górna granica tej warstwy to wysokość występowania dolnej inwersji temp. lub najniższy poziom w atmosf., gdzie nie zaznacza się już wpływ powierzchni ziemi na stan atmosf.

Atmosfera swobodna – to część atmosfery leżąca powyżej warstwy mieszanej (granicznej), zanik możliwości przepływu powietrza, przepływ poziomy

Stratosfera-bardziej rozrzedzona, 100 razy mniej wody niż troposfera, stosunkowo czyste masy powietrza, dwie warstwy: dolna izotermiczna i górna inwersja,

(temp. wzrasta do~ , osiągając tę wartość na wysokości 50- 55 km)

Wzrost temp.- zwiększona koncentracja ozonu i reak. fotochemiczne z udziałem ozonu-> wydzielanie ciepła-> silny wzrost temp. w warstwie od 15 do , maksymalne stężenie ozonu na wysokości 25-(ozonosfera), najwyższa temp. na wysokości (mniejsza gęstość powietrza na tych wysokościach), przenoszenie ozonu wzdłuż południków, może dotrzeć do troposfery w wyniku mieszania turbulencyjnego w obszarach nieciągłości tropopauzy, ozonosfera chroni przed promieniami UV.

Stratopauza- wysokość występowania ok. 50- .

Mezosfera- silnie pionowe obniżanie się od ok. 80 (80 – ),procentowy skład tlenu i azotu w mezosferze jest taki sam, jak na poziomie morza, ostatnia warstwa, w której skład powietrza jest jednolity

Mezopauza- wysokość występowania ok. .

Termosfera- temp. wzrasta z wysokością (absorpcja promieniowania UV przez molekuły tlenu i azotu), duże rozrzedzenie powietrza (10^-16 kg/m³)

Egzosfera-obszar przejściowy, bardzo duże prędkości atomów i cząsteczek -> uwalnianie się z atmosfery i rozprzestrzenianie się w przestrzeni międzyplanetarnej, bardzo mała gęstość materii (10^-187 kg/m³), cząstki i atomy praktycznie nie zderzają się, średnia droga swobodna cząsteczek: 10⁵m ( w troposferze ok. 10^-)

SKŁAD CHEMICZNY

Homosfera- obszar dobrze wymieszanego gazu z przewagą N₂,O_2,Ar średnia masa molowa 28,966 kg/kmol, sięga 80 – 100km

Heterosfera- niepełne zmieszanie składników, obecność atomowego tlenu(O) i azotu (N), wzrastająca zawartość wodoru (H) i helu(He), na wysokości przewaga O, He, N₂ wysokość He, H, O

Ozonosfera- warstwa o zwiększonej koncentracji ozonu(O₃), od tropopauzy do 70- , maksimum na poziomie , nie dopuszcza do powierzchni Ziemi zabójczego dla życia promieniowania UV.

POZIOM JONIZACJI GAZU

Jonosfera: 60 km- , koncentracja elektronów 10⁵-10⁶ elektronów/cm³

Magnosfera: nad jonosferą największa koncentracja elektronów mała gęstość materii, ruch cząsteczek naładowanych modyfikowany przez ziemskie pole magnetyczne.

GESTOŚĆ I CIŚNIENIE

Gęstość zmienia się ze wzrostem wysokości

Siła grawitacji ściąga je do powierzchni Ziemi, ale cząsteczki nie dają się ściągnąć bo działa między nimi siła oddziaływania

Ciśnienie i powietrze- siła równa ciężarowi pionowemu słupa powietrza o poziomej podstawie jednostkowej i wysokości równej wysokości atmosfery

SGC_pion + SG= 0

Δp/Δz + ρg= 0

Δp/Δz = - ρg

Δp =- ρgΔz

Zależność ciśnienie dρ = -ρgdz --- od gęstości, przyspieszenia ziemskiego i zmian wysokości

ciśnienie= const.

Ciśnienie będzie się zmieniać podobnie jak gęstość (do )

ENERGETYKA ATMOSFERY

Promieniowanie- strumień energii emitowanej przez układ materialny

Ważne jest promieniowanie elektromagnetyczne.

Promieniowanie elektromagnetyczne jest opisywane przez dwie wielkości:

• długość (λ)lub związana z nią częstotliwość fali (φ), c=λγ

• strumień energii E=1/λ jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali

Trzy zakresy promieniowania:

• podczerwone

• widzialne

• nadfioletowe

Tabela ( zakresy promieniowania elektromagnetycznego)

Promieniowanie ultrafioletowe(bliski nadfiolet)- 200 do 400nm, przenoszenie niedużej ilości energii słonecznej (γ,x), rozrywanie wiązań chemicznych (np. DNA), istotny wpływ na stan górnych warstw atmosfery i organizmy żyjące na Ziemi.

Podział promieniowania UV:

• nadfiolet A (UV-A) o dług.fal od 400-320 nm.

• nadfiolet B (UV-B) o dług fal od 320-280 nm

• Nadfiolet C (UV-C) o dług fal od 280-200 nm najkrótszy najwięcej energii

WADY:

• UV- C niszczenie białka i chlorofilu (253- 25 nm),

• UV-C ostry odczyn rumieniowy lub pęcherzowy

• UV-B silne własności rumieniotwórcze ( zmiany pigmentacji skóry, rumień, oparzenia, stany zapalne), silne oddziaływania na oczy(katarakta)

Rys, rozkład prom. UV-B

• UV-A najmniej rumieniotwórcze, przyczyna przedwczesnego starzenia, alergie słoneczne, wzmacnianie odczynu rumieniowego i zwiększenie niekorzystnych efektów biologicznych prom. UV-B, zwiększanie prawdopodobieństwa zachorowania na raka skóry, przenika przez szyby, słabo pochłaniane przez chmury.

• UV-A- osłabienie wzrostu roślin (320 – 350 nm)

ZALETY:

• niszczenie grzybów i bakterii (dezynfekcje)- fale poniżej 280 nm

• wytwarzanie witaminy D w org. (UV-B)

Promieniowanie widzialne- negatywne oddziaływanie na produkty spożywcze, procesy fotosyntezy, proces widzenia

Promieniowanie podczerwone- (najdłuższe), pośrednik w wymianie ciepła (przekazywanie ciepła na odległość)

Wykład 3 (26.10.2005)

Słońce jest podstawowym źródłem energii. Zachodzą na nim reak. termojądrowe.

Emitowane jest promieniowanie elektromagnetyczne, które dominuje i promieniowanie korpuskularne.

Promieniowanie korpuskularne-(wiatr słoneczny); to strumień protonów, elektronów i innych cząstek, które są uwalniane ze słońca z ogromnymi prędkościami~ 1500 km/s. Fale są dłuższe. Energia jest mniejsza od energii niesionej przez promieniowanie elektromagnetyczne.. Nie dociera do powierzchni Ziemi. Dzięki niemu są zorze polarne, jonizacja powietrza oraz ma wpływ na pole magnetyczne Ziemi.

E_k<E_e E_k=E_e/10⁷

Stała słoneczna- (I_o)- ilość energii przenoszona przez powierzchnię , ustawioną prostopadle do kierunku padania promieni ponad górna granicę atmosfery.

Wartość:1380 W/m² (1325-1396), nie zależy od zjawisk zachodzących w atmosferze ziemskiej. Na wartość stałej słonecznej ma wpływ wyłącznie ilość energii wysyłanej przez słońce w kosmos oraz odległość Słońca od Ziemi(wzajemne położenie).

Aktywność słońca będzie powodowała 3-4% zmiany wartości stałej słonecznej.

Zmiany wartości stałej słonecznej sięgają 7% w wyniku tego że zmienia się odległość Ziemi od Słońca.

Słońce emituje w kosmos prom. O długości fal 0,1- 100 m:

• max zdolność emisyjna- fale o długości ok. 500 nm:

• 99% energii widma słonecznego zawarte jest w przedziale 100- 4000 nm

• największy procent stanowi prom. Od 350 do 900 nm(61,6%) oraz od 900 do 2500 nm(30,4%), fale o pozostałych długościach stanowią ułamki procentowe.

Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem krótko falowym, głównie w paśmie widzialnym i tzw. bliskiej podczerwieni(idealne czarne ciało o 6000 K)

Na energię dopływającą ze Słońca do górnej granicy atmosfery składa się prom.

• UV (7%)

• VIS(45%)

• IR(48%)

Średnia temp. Ziemi (288 K)

Prom. Ziemi do ciała idealnie czarnego (288 K)

Ziemia emituje prom. długofalowe, podczerwone (λ=4 do 120μm)max energia przypada na przedział 10- 15μ

Wpływ atmosfery na dopływ energii słonecznej do pow. Ziemi.

Dzięki procesom w atmosferze do pow. Ziemi dopływa

43%prom.

Promieniowanie słoneczne i ziemskie przechodząc w atmosferę oddziaływuje z jej składnikami w wyniku czego zmienia się natężenie, widmo i kierunek propagacji tego promieniowania .

Zmiany te zachodzą w wyniku trzech procesów

1. absorpcja prom.

2. rozpraszanie prom.

3. odbicie prom.

ABSORPCJA PROMIENIOWANIA

1. gazy jednoatomowe(szlachetne)- w wyniku absorpcji określanych kwantów promieniowania ulegają one wzbudzeniu lub dysocjacji a energia tracona w atmosferze na skutek absorpcji promieniowania przez te gazy jest nieznaczna i nie mają one znaczącego wpływu na procesy meteorologiczne.

2. Gazy wieloatomowe- cząsteczkowa budowa tych gazów sprawia że absorbuj one duże ilości energii z określonych przedziałów energetycznych.

Atmosfera Ziemska pochłania średnio 17-25% prom. Słonecznego

Główne absorbenty:

• cząsteczki pary wodnej

• CO₂

• krople wody w chmurach

• cząsteczki pyłu

• ozon i tlen molekularny

Widmo absorpcyjne podaje się w procentach lub w niemianowanych albo 0 lub 1 (0- fala nie będzie absorbowana)

H₂O O₂ i O₃

CO₂ NO₂

CH₄

Podstawowe strefy pochłaniania:

• para wodna; 0,7 do 3,2 μm (pasma wąskie); 5,5- 7,0 μm (silne pasmo); od λ>17 μm (szereg pasm rozmytych)

• dwutlenek węgla: 2,3 do 3,0 μm;4,2 do 4,4 oraz powyżej 12,5 μm

Do 0,3 μm przez ozon prom. Jest całkowicie absorbowane:

• ozon: widmo ostro ograniczone o strony krótkofalowej(ok. 0,3 μm), max absorpcji 9,6 μm

Sumujemy wszystkie widma

Podsumowanie:

• największa absorpcja w paśmie fal o długościach(λ>20 μm) oraz bardzo krótkich (λ<0,3 μm)

• absorpcja fal o długościach między 0,8 μm jest bardzo mała. Zatem atmosfera jest prawie całkowicie przeźroczysta dla fal tego pasma, w którym natężenie prom. Słonecznego jest największe

• dla fal o długości większej niż 0,8 μm absorpcja wzrasta

• prom. Długofalowe w zakresie od 4 do 100 μm nie jest przepuszczane przez atmosferę, wyjątek stanowi przedział 8,5 - 12 μm, gdzie atmosfera jest przeźroczysta dla prom.

Przedział ten zwany jest oknem atmosferycznym

ROZPRASZANIE PROMIENIOWANIA

Rozpraszanie promieniowania czyli zmiana kierunku biegu promieni ze ściśle określonego na dowolny zachodzi podczas prom.przez ośrodek niejednorodny optycznie.tzn. charakteryzujący się różnymi współczynnikami załamania światła do różnych punktów ośrodka.

Atmosfera- ośrodek mętny rozpraszają pyły, krople wody i kryształy lodowe zawarte w powietrzu, ale także pojedyncze molekuły czy ich kompleksy.

Rozproszenie zależy od:

• dług. fali

• charakteru ośrodka rozpraszającego

• wielkości, kształtu i przestrzennego rozkładu cząstek rozpraszających

Natężenie prom. rozproszonego jest:

->odwrotnie proporcjonalne do λ⁴ dla małych cząstek rozpraszających silne rozproszenie prom.fioletowego

d<0,1λ rozproszenie Rayleigha

• odwrotnie proporcjonalne do λ dla średniej wielkości cząstek- barwa nieba biała

• praktycznie nie zależy od długości fal dla dostatecznie dużych cząstek rozpraszających (d<1,2 μm) -niebo szare

W atmosf. Rozproszone jest k. 26% prom. dochodzącego ze słońca (chmury śred. 15%, pyły i inne skł. Powietrz. 1%)Znaczna cześć (2/3) prom. rozproszonego ociera do pow. Ziemi