Meteorologia i klimatologia

Roczniki meteorologiczne- są podstawowym źródłem informacji meteorologicznej:

• Wyniki obserwacji ze stacji meteorologicznych IMGW odpowiednio zestawione i obliczone po kontroli, obecnie można uzyskać w postaci plików na magnetycznych lub optycznych nośnikach

• Przez wiele lat materiały takie były dostępne w postaci roczników, choć publikowanych z opóźnieniem

Źródła zanieczyszczenia atmosfery:

Zanieczyszczenia - domieszka, której stężenie w powietrzu przekracza znacząco przeciętną wartość w czystym powietrzu; domieszkę stanowiącą obcą substancję w atmosferze - niespotykaną w jej naturalnym składzie

Zanieczyszczeniami nazywane są również składniki atmosfery pochodzenia naturalnego o wyjątkowo dużej koncentracji, występujące lokalnie lub epizodycznie

Źródła zanieczyszczeń atmosfery

Procesy naturalne działalność antropogeniczna

Wybuchy wulkanów, spalanie paliw kopalnych i drewna

Pożary lasów wylesianie

Burze pyłowe wzrost liczby ludności

Proces spalania można zapisać, jako reakcję:

CH₄(gaz) lub C₂H_nS (zasiarczony węgiel, ropa) + O₂+n₂-> CO₂ + H₂O + NO_x + SO_x

Gdy spalanie jest niecałkowite, jego produktem są także wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, oznaczone symbolem WWA (lub PHA)

Ze spalenia 1 t benzyny powstaje ok. 23 kg węglowodorów. Niektóre węglowodory mają WYBITNIE TOKSYCZNY charakter

Produkcja węglowodorów:

• Silniki Diesla

• Paleniska domowe (spalanie drewna)

• Silniki benzynowe i elektrownie węglowe

Generalnie do najważniejszych antropogenicznych zanieczyszczeń atmosfery zalicza się:

• SO₂

• SO₃

• FH

• SiF₄

• HCL

• H₂S

• NH₃

• NO

• NO₂

• CO₂

• Węglowodory

• Popiół

• Sadza

Niekorzystne efekty działalności człowieka przejawiające się m.in. wzrostem stężenia zanieczyszczeń w atmosferze wywołują szczególne zjawiska, do których zaliczamy:

• Kwaśne deszcze

• Smog

• Dziura ozonowa

• Efekt cieplarniany

Kwaśne - po raz pierwszy użyty termin w 1872 przez Angusa Smitha; obecność w atmosferze CO₂, tlenków siarki, azotu, węglowodorów oraz wilgoci jest główną przyczyną tworzenia się, wtórnych kwaśnych zanieczyszczeń powietrza.

Kwasowość zależy od stężenia jonów wodoru H+, mierzymy ja w skali pH; pH = 7 odczyn obojętny, <7 odczyn kwaśny, >7 odczyn zasadowy

Kwasowość „czystych” opadów 5,6-6 pH

Średnia różnica pomiędzy niezanieczyszczonym i kwaśnym deszczem 1-1,5 pH

Przypadki skrajne:

• 1979 USA Zach. Wirginia 1,5 pH

• 1974 Szkocja 2,4 pH

Stężony kwas solny - 1pH, ocet stołowy- 2,5 ph

Kwaśne deszcze-skutki:

• Obumieranie drzew, odbarwienie liści i ich opadanie, wyniszczanie runa leśnego

• Niszczenie ochronnej warstwy wosku na liściach i igłach oraz uszkodzenie szparek oddechowych

• Zakłócenia w procesie fotosyntezy prowadzące do wzrostu wrażliwości roślin na czynniki klimatyczne - susze, niskie temperatury, wiatry

• Zakwaszenie gleby, zbiorników wodnych - niszczenie życia biologicznego

• Uszkodzenie korzeni roślin

• Uszkodzenia budowli (szczególnie z piaskowców i wapieni)

• Korozja metali

Smog - nazwa mieszaniny zanieczyszczeń atmosferycznych i mgły (ang. Fog intesified by smoke - mgła wzmocniona przez dym)

Smog - mieszanina aktywnych zanieczyszczeń antropogenicznych, współwystępujących z naturalnymi składnikami powietrza i tworzących w sprzyjających warunkach meteorologicznych toksyczne związki chemiczne o znacznym stężeniu

Jeżeli nie byłoby CO₂ w atmosferze średnia temperatura Ziemi wynosiłaby ok. (-3^o) - (-5^o) C

Efekt cieplarniany (efekt oranżeryjny, efekt szklarniowy) - promieniowanie słoneczne - krótkofalowe swobodnie przechodzi przez atmosferę. Pewna jego część jest odbita przez chmury, cząstki stałe w atmosferze i przede wszystkim jasne powierzchnie.

Promieniowanie słoneczne. Bilans promieniowania i bilans cieplny

Usłonecznienie - liczba godzin, podczas których tarcza słoneczna nie jest zasłonięta przez chmury, czyli czas występowania promieniowania bezpośredniego ; do pomiaru usłonecznienia służy heliograf.

Usłonecznienie możliwe - czas od wschodu do zachodu Słońca, uwarunkowany położeniem geograficznym (z uwzględnieniem topografii) i porą roku. Czasami przez termin usłonecznienie możliwe rozumie się maksymalne usłonecznienie, jakie mogłoby wystąpic w przypadku braku chmur

Usłonecznienie rzeczywiste - liczba godzin w określonym przedziale czasu (dniu, miesiącu, roku), w którym do powierzchni Ziemi w danym punkcie docierają promienie słoneczne

Usłonecznienie względne - stosunek czasu trwania usłonecznienia rzeczywistego do usłonecznienia możliwego wyrażonego w procentach.

Heliograf - przyrząd służący do rejestracji usłonecznienia; najczęściej używany heliograf Campbell-Stokes'a; zasadnicza jego częścią jest szklana kula spełniająca funkcję soczewki skupiającej promienie słoneczne na umieszczonym w odległości ogniskowej ciemnym pasku ze skalą godzinną. Słońce wypala ślad na pasku wtedy, gdy nie jest zasłonięte przez chmury.

Heliogram - zapis czasu trwania usłonecznienia przez heliograf

Promieniowanie słoneczne - energia emitowana przez słońce w postaci fal elektromagnetycznych lub strumienia cząstek (promieniowanie korpuskularne); promieniowanie słonecznee jest zbliżone do promieniowania ciała czarnego o temperaturze powierzchni rzędu 5700-6100K. Strumień promieniowania słonecznego padającego na powierzchnie doń prostopadłą, na górnej granicy atmosfery Ziemi wynosi ok. 1373 +- 20 W m^-2 (stała słoneczna). Praktycznie niemal całe promieniowanie słoneczne docierające do atmosfery ziemskiej zawiera się w zakresie długości fal 0,17 -4,0 mikrometrów, z maksimum przy wartości 0,475 mikrometrów.

Promieniowanie słoneczne:

• Ok. 48% emitowanej energii przypada na (krótkotrwałe):

• Promieniowanie widzialne (0,38-0,78 mikrometra)

• 45% na cieplne

• Promieniowanie podczerwone (>0,78 mikrometra)

• 7% na promieniowanie nad fioletowe (<0,38 mikrometra)

Promieniowanie słoneczne do powierzchni Ziemi dociera silnie rozproszone i osłabione, zwłaszcza przez chmury, parę wodną, CO2 i NO2.

Promieniowanie korpuskularne Słońca składa się głównie z protonów o prędkości 500 - 1500 km*s^-1 i o gęstości w pobliżu Ziemi ok. 100 jonó*cm³.

Wat (W):

• J. Watt (1736-1819) inżynier i wynalzca angielski

• Jednostka w układzie Si (1W= 1 J*s = 14,35 cal*min)

• W meteorologii używana do określenia natężenia strumienia promieniowania

Dżul (J):

• J.P. Joule (1818-1889) fizyk ang

• Jednostka pracy i energii. Jest to energia równa pracy wykonywanej przez siłe 1 N w kierunku jej działania, na drodze długości 1 m, czyli 1 J = 1N*m = 1m²*kg*s^-2 (dawniej watosekunda)

• 1 J = 0,2388 cal = 1 W*s

• W meteorologii J stosowany jest do podawania sum składników bilansu promieniowania powierzchni czynnej lub bilansu cieplnego

Stare jednostki, kaloria:

• 1 cal*cm²*min = 697,8 W*m²

• 1 cal = 4,1868 J

• 1 kWh = 3,6 MW

Bezpośrednie promieniowanie słoneczne:

• S₀ - stała słoneczna = 1373 W*m²

• S - promieniowanie bezpośrednie na powierzchnię prostopadłą

• S' - promieniowanie bezpośrednie na powierzchnie pozioma:

• S' = S sin h_s

Promieniowanie rozproszone i całkowite oraz odbite

• D - promieniowanie rozproszone

• 
  K - promieniowanie całkowite:

• 
  K = S' + D

• 
  K - promieniowanie odbite od powierzchni czynnej (Ziemi)

Bilans promieniowania krótkofalowego - różnica miedzy strumieniem promieniowania słonecznego całkowitego, a strumieniem słonecznym promieniowania odbitego w zakresie krótkofalowym.

K* = K - K (W/m²)

Gdzie: K* - saldo promieniowania powierzchni czynnej w zakresie krótkofalowym

Bilans promieniowania długofalowego - różnica między promieniowaniem zwrotnym atmosfery w zakresie długofalowym L a promieniowaniem cieplnym emitowanym przez powierzchnie Ziemi (promieniowanie powierzchni Ziemi) L (w danym przedziale czasu), stosownie do równania:

L* = L - L (W/m²)

Gdzie: L* - saldo promieniowania długofalowego

Bilans promieniowania powierzchni czynnej

Q* = K* + L*

Gdzie:

Q* - saldo promieniowania powierzchni czynnej

K* - saldo promieniowania krótkofalowego

L* - saldo promieniowania długofalowego

Bilans cieplny powierzchni Ziemi - suma wszystkich strumieni energii dochodzących do powierzchni czynnej i od niej uchodzących w danym przedziale czasu:

Q* + LE + H + G = 0 (W/m²)

Gdzie:

Q* - saldo promieniowania pow. Czynnej

LE - turbulencyjny strumień ciepła utajonego

H - turbulencyjny stumień ciepła jawnego

G - strumień ciepła w glebie (przewodzonego w podłożu)

Sturmień ciepła utajonego (LE) - ciepło pobierane z otoczenia podczas parowania wody lub wydzielanie przy kondesacji pary wodnej. Przeciwieństwo: strumień ciepła jawnego

Ciepło parowania - ciepło pochłaniane podczas przejścia substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy przy stałej temperaturze; utajone ciepło parowania wody w temperaturze 15*C wynosi 2462 J/g (przeciwieństwo ciepło kondesacji).

Sturmień ciepła w glebie - strumień ciepła wywowałny różnicami temperatury w glebie; jego przenoszenie odbywa się przez przewodzenie. Określa wymianę ciepła między powierzchnią czynną a

Strumień ciepła jawnego - strumień ciepła, którego transport spowodowany jest przez ruch turbulencyjny powietrza (przenoszenie turbulencyjne) i przewodnictwo molekularne).

Bilans cieplny ciała człowieka - stan równowagi między ilościaciepła otrzymanego i traconego przez organizm człowieka. Gdy temperatura wewnętrzna ciała człowieka nie zmienia się w czasie, wówczas wg M.I. Budyki rówanienie bilansu cieplnego przybiera następującą postać:

Q + M = LE + H + B (W/m2)

Gdzie:

Q - saldfo promieniowanie pwoerzchni ciała człowieka

M - ciepło wytwarzane w procesach metabolicznyc

LE - turbyulencyjna wymiana strumienia ciepła utajonego między powierzchnią ciała człowieka a przyziemną atmosferą

H - turbulencyjna wymiana strumienia ciepła jawnego miedzy powierzchnia ciała człowieka a przyziemną atmosfera

B - strata ciepła w wyniku oddychania

wodny - różnica między ilością wody zasilającej dany obszar a ilością wody z niego uchodzącej ( w danym przedziale czasowym)Bilans z uwzględnieniem zmian ilości wody akumulowanej (retencjonowanej) w tym obszarze i w jego pobliżu

P = E + H + DR

Gdzie:

P - opady atmosferyczne na analizowanym obszarze

E - parowanie terenowe (ewapotranspiracje)

H - odpływ z danego obszaru

DR - zmiany retencji na rozpatrywanym obszarze i w podłożu w danym okresie

Klimatyczny bilans wodny - różnica między sumą opadów atmosferycznych za dany okres a sumą parowania potencjalnego.

Dobson (D lub DU):

• G.M.B. Dobson

• Jednostak całkowitej zawartości ozonu w atmosferze

• 1 dobson odpowiada warstewce ozonu o gurbości 0,01 mm (przy ciśnieniu 1013 hPa i temperaturze 298 K)

1

---