WYKŁAD 1 17.04.2007

Z greckiego `meteoros' - unoszący się w powietrzu; `logos' - nauka; meteorologia - nauka o zjawiskach zachodzących w powietrzu.

Podział meteorologii jako nauki za względu na:

• rodzaj badań

• meteorologia dynamiczna - dział zajmujący się teoretycznymi zagadnieniami z punktu widzenia termodynamiki i mechaniki.

• pogodoznawstwo - zajmuje się analizą zjawisk składających się na pogodę

pogoda - chwilowy stan atmosfery na pewnym obszarze określany przez układ powiązanych ze sobą składników zwanych elementami meteorologicznymi (temperatura powietrza, wilgotność, opady, ciśnienie, wiatr, zachmurzenie).

• klimatologia - bada zmiany pogodowe w zależności od środowiska. Wieloletnie obserwacje meteorologiczne wykazały, że typy pogody nad danym obszarem występują na ogół w seriach charakterystycznych dla poszczególnych pór roku oraz że powtarzają się z większą lub mniejszą regularnością z roku na rok. Ten wieloletni układ stanów pogody, charakterystyczny dla danego obszaru na kuli ziemskiej - to klimat, a nauka o klimacie to właśnie klimatologia. Materiałem wyjściowym są obserwacje elementów meteorologicznych. Przedmiot badań stanowią układy stanów pogody. Na chwilowe i wieloletnie układy pogody wpływ mają takie składniki środowiska geograficznego, jak wysokość nad poziomem morza, rzeźba ternu, gleby, woda i szata roślinna. Klimat jest zatem jedną z nauk meteorologicznych, której przedmiotem badań są wszystkie elementy środowiska przyrodniczego.

Gałęzie klimatologii:

• klimatologia ogólna - bada przyczyny powstawania różnych typów klimatu.

• klimatologia regionalna - przedstawia charakterystyczne cechy klimatu konkretnych obszarów, w tym regionalizację klimatów kuli ziemskiej.

• paleoklimatologia - bada klimaty minionych epok.

• klimatologia stosowana - realizuje konkretne zapotrzebowania związane z życiem i gospodarką człowieka.

Rozróżniamy tutaj:

- bioklimatologię

- bioklimatologię medyczną

- agroklimatologię

• synoptyka - analizuje zaobserwowane w konkretnym momencie stany pogody na dużym obszarze, a po ustaleniu zmian, jakie w nich zaszły w ciągu minionych godzin, stara się drogą ekstrapolacji przewidzieć spodziewany ich przebieg w najbliższym czasie.

• badaną przestrzeń

• aerologia - bada zjawiska i prawa fizyczne w górnych warstwach atmosfery do wysokości 30km. Badania te wykonywane są przez balony meteorologiczne, sondy meteorologiczne, sputniki.

• hydrometeorologia - część meteorologii, która zajmuje się wodą oraz przekształceniami azotu w wodzie.

• zastosowanie

• agrometeorologia - nauka, która bada meteorologiczne i klimatologiczne warunki mające znaczenie w rolnictwie.

• biometeorologia - bada klimatologiczny wpływ na organizmy żywe.

• meteorologia komunikacyjna - bada związki klimatu z transportem.

• meteorologia leśna - bada wzajemne oddziaływania lasu i atmosfery na zjawiska lokalne i hydrologiczne.

• meteorologia inżynierii środowiska - ma na celu udzielenie konkretnych odpowiedzi z punktu widzenia cech klimatu danego miejsca lub obszaru na zapotrzebowania techniki (urbanistyki, inżynierii sanitarnej).

Atmosfera ziemska

Wstęp. Atmosfera to gazowa powłoka Ziemi, która jest fizyczną mieszaniną gazów popularnie zwanych powietrzem, nie wchodzących ze sobą w związki chemiczne. w atmosferze znajdują się w stanie zawieszonym również cząstki ciekłe i stałe. Dolna granica atmosfery jest wyraźna - przebiega litosferą i hydrosferą. Górna granica jest trudna do określenia, ponieważ dyfuzyjnie przechodzi w przestrzeń kosmiczną. W przypadku meteorologii przyjęto za górną granicę wysokość 1000km.

Atmosfera chroni powierzchnię ziemi przed promieniowaniem korpuskularnym Słońca zwanym wiatrem słonecznym. Jest to emisja cząstek naładowanych elektrycznie, które tworzą strumień promieniowania korpuskularnego. Jednak przede wszystkim atmosfera łagodzi wpływ promieniowania elektromagnetycznego.

Masa atmosfery stanowi 1/10⁶ masy Ziemi. W warstwach od powierzchni ziemi do 5km skoncentrowane jest 50% masy powietrza tworzącego całą atmosferę. W warstwie do 35km skoncentrowane jest 99% masy powietrza.

Gęstość powietrza atmosferycznego w umiarkowanych szerokościach geograficznych przy powierzchni ziemi wynosi średnio 1250g/m³. Ta wartość bardzo szybko ulega zmianie i na wysokości 20km wynosi 87g/m³, a na wysokości 500km - jedynie ułamek g/m³.

Skład atmosfery. Atmosfera jest mieszaniną gazów, głównie azotu i tlenu, które występują w następujących procentowych ilościach:

Azot 78,08%

Tlen 20,95%

Argon 0,93%

Dwutlenek węgla 0,03%

Pozostałe to: Ksenon, Krypton, Hel, metan.

Tlen jest pierwiastkiem niezbędnym w procesie oddychania, utleniania i palenia.

Tlen atomowy - O

Tlen cząsteczkowy - O₂

Tlen potrójny (ozon) - O₃

Tlen w stosunku do azotu stanowi 1/4. Oddychanie czystym tlenem powodowałoby gwałtowne procesy spalania, co w efekcie skróciłoby życie na Ziemi.

Azot stanowi pożywienie dla bakterii i dla glonów, które przerabiają go na związki organiczne, mineralne, które stanowią pożywienie dla roślin wyższych.

CO₂ - bezwonny, bezbarwny gaz powstały na skutek spalania węgla. Dla roślin jest po tlenie najważniejszym składnikiem, ponieważ stanowi około 50% suchej masy roślin. Zawartość CO₂ może być zróżnicowana, w obszarach uprzemysłowionych jest go dużo więcej, niż w obszarach bez przemysłu. Jego zawartość waha się od 0,02 do 0,04%. Dla człowieka niebezpieczny jest w ilości 0,2%. CO₂ jest odpowiedzialny za 20% efektu cieplarnianego. Jest drugim po parze wodnej gazem cieplarnianym. Przedostaje się do atmosfery w czasie spalania surowców energetycznych, rozkładu materii organicznej, a także w czasie wybuchów wulkanicznych. Przepuszcza promieniowanie krótkie. Nie wypuszcza jednak promieniowania długiego ziemi - odbija je z powrotem, przyczyniając się tym samym do podwyższenia temperatury ziemi.

Ozon - ta trójatomowa odmiana tlenu o bardzo charakterystycznym orzeźwiającym zapachu przy powierzchni ziemi występuje wyłącznie po wyładowaniach elektrycznych. Występuje w największych ilościach na wysokości 20-25km (stratosfera). Powstaje on pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego Słońca. Średnia warstwa ozonu to około 3-4mm. Pod wpływem promieniowania długiego zostaje on rozbity na O i O₂. Chlor, brom powodują

6-krotnie szybsze rozbicie ozonu niż następuje to pod wpływem samego promieniowania słonecznego.

Inne składniki suchego powietrza to: związki węgla, siarki, azotu.

Pochodzenia biologicznego - związane z rozkładem materii organicznej przez bakterie, spalanie, oddychanie i fotosyntezę. Dostają się do atmosfery w czasie erupcji wulkanicznych. Cząstki stałe dostające się do powietrza to pary, pyły wulkaniczne, sadze i cząstki drewna z pożarów lasu, cząsteczki unoszące się w związku z erozją skał,

Z powierzchni oceanów unosi się do atmosfery bardzo duża ilość kryształków soli morskiej oraz para wodna.

Do 80km atmosfera zachowuje prawie stały skład chemiczny. Składniki gazowe atmosfery są dość dobrze wymieszane. Mieszanina tych składników bez pary wodnej nosi nazwę powietrza suchego.

Para wodna należy do jednego z najważniejszych składników atmosfery, jest też jednak najważniejszym gazem cieplarnianym. Jest odpowiedzialna za 60% efektu cieplarnianego. Zawartość pary wodnej w powietrzu może wahać się od 0 do 4%. Największe zawartości są na równiku - prężność pary wodnej na wysokości 2m wynosi tam 30hPa, a najmniejsze na biegunach zimna, gdzie prężność pary wodnej wynosi 0,03hPa. Zawartość pary wodnej w atmosferze to 3700km³. Po skropleniu pary wodnej otrzymalibyśmy 25mm warstwę wody na całej kuli ziemskiej.

Zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego:

• substancje gazowe

• substancje ciekłe

• substancje stałe

Powietrze atmosferyczne wraz z zawartymi w nim zanieczyszczeniami oraz produktami kondensacji pary wodnej przypomina roztwór koloidalny. Zawieszone w atmosferze zanieczyszczenia w postaci ciekłej lub stałej nazywamy aerozolami. Mogą one być pochodzenia:

- naturalnego: pyły kosmiczne, aerozole pochodzenia morskiego, pyły litologiczne, gazy wulkaniczne, mikroorganizmy, zarodniki roślin, martwe okruchy organizmów roślinnych i zwierzęcych.

-sztucznego - są skutkiem działalności człowieka.

Około 1% przerabianego surowca przekształca się w zanieczyszczenia. Te wszystkie zanieczyszczenia to przede wszystkim jądra kondesacji, które są niesłychanie ważne w procesie kondensacji pary wodnej. Nad morzami w 1cm³ powietrza znajduje się 1-40 tysięcy jąder kondensacji, natomiast nad lądami jest ich 5tys - kilku mln. Czas utrzymywania się jąder kondensacji w powietrzu jest bardzo różny (zależy od wysokości warstwy); w niższych warstwach jest to kilka tygodni, a w wyższych - kilkanaście miesięcy.

Budowa atmosfery.

Troposfera

Grubość warstwy zmienia się wraz z szerokością geograficzną (nad biegunami - 6km; nad równikiem - 18km), jak również w ciągu roku.

Ciśnienie w troposferze zmienia się wraz z wysokością od ciśnienia normalnego na poziomie morza - 1013hPa do ciśnienia występującego na poziomie tropopauzy - 1hPa.

Średnia temperatura na powierzchni ziemi to 15-16°C. Temperatura wraz z wysokością będzie spadać. Na każde 100m spada ona o 0,65°C aż do temperatury -50°C na górnej granicy troposfery.

Podział troposfery ze względu na ruch powietrza:

- do 1,5km - warstwa tarciowa - maksymalna zawartość zanieczyszczeń w powietrzu (dymy), występuje tutaj inwersja temperatury oraz turbulencje

- do 6km - warstwa głównych procesów pogodowych

- powyżej 6km - warstwa uzupełniających procesów pogodowych

Podział troposfery ze względu na ruch powietrza w pionie:

- do 20m - warstwa przypowierzchniowa - własny mikroklimat

- do 250m - warstwa przyziemna niższa - duży wpływ tarcia na wiatr

- do 750m - warstwa przyziemna wyższa - zachodzą tutaj procesy kondensacji

- do 5,5km - warstwa konwekcji nieuporządkowanej

- powyżej 5,5km - warstwa konwekcji uporządkowanej

Warstwą przejściową pomiędzy troposferą i stratosferą jest tropopauza.

Stratosfera

• Brak ruchów pionowych ze względu na temperaturę brak zmian, później temperatura gwałtownie rośnie nawet powyżej 0°C.

• Bardzo niewielka ilość pary wodnej

• Odbijanie się promieni słonecznych na kryształkach lodu lub ochłodzonych kropelkach

• Ciśnienie - 1hPa i mniej

Warstwą przejściową pomiędzy stratosferą i mezosferą jest stratopauza.

Mezosfera 50-80km

Ponowny spadek temperatury do -110°C.

Warstwą przejściową pomiędzy mezosferą i stratosferą jest mezopauza.

Termosfera

Bardzo rozrzedzona warstwa powietrza atmosferycznego.

Temperatura na wysokości 800km przekracza 1000°C. Tak wysoka temperatura jest rezultatem pochłaniania promieniowania słonecznego o bardzo małych długościach fal przez tlen i azot. Nie zagraża ona przemieszczaniu się statków kosmicznych, ponieważ panujące tam ciśnienie nie pozwala na przekazywanie temperatury.

Występuje tutaj zjawisko zorzy polarnej - świecenie zjonizowanych atomów tlenu i azotu.

Podział atmosfery ze względu na skład chemiczny:

- homosfera - obszar dobrze wymieszanego tlenu, azotu i argonu - od powierzchni ziemi do wysokości 80-100km.

- heterosfera - powyżej 100km - charakteryzuje się niepełnym zmieszaniem oraz obecnością atomowego tlenu i azotu. Wzrasta zawartość wodoru i helu.

- ozonosfera - warstwa o zwiększonej koncentracji ozonu. Rozciąga się od tropopauzy do wysokości 70-80km.

Podział atmosfery ze względu na poziom jonizacji gazu:

- jonosfera - około 60-400km - występuje koncentracja jonów.

- magnetosfera - od 180km do końca atmosfery - charakteryzuje się największą koncentracją elektronów oraz małą gęstością materii.

- egzosfera - strefa rozproszona, która rozciąga się Pd 450 do 770km.

---