Meteorologia 24.3.2010

Woda w atmosferze ziemskiej

Obieg wody w przyrodzie

Zasoby wodne ziemi uczestniczą w procesie krążenia, który polega na nieustannej wymianie wody pomiędzy hydrosferą i atmosferą. W wymianie tej bierze udział litosfera i biosfera.

Woda jest substancją najbardziej rozpowszechnioną (71% powierzchni ziemi). Zasoby: 1 359 700 000 km3(100%), 97,2% zasobów w oceanach i morzach, 2, 15% lądolody i lodowce, 0,64% wody powierzchniowe i podziemne, 0,001% para wodna w atmosferze.

Woda występuje w trzech stanach skupienia

Stałym: kryształki lodu, płatki śniegu w atmosferze, śnieg, firn, lód

Ciekłym: kropelki wody

Gazowym (do 4% w troposferze)

Obserwuje się też zjawisko przechłodzenia wody, tzn. rozproszone w powietrzu kropelki wody mimo ujemnej temperatury wody pozostają w stanie ciekłym (do -40*)

Temperatura powietrza i dominujące stany skupienia

<-4o lód

Od -40 do -10 lód + woda przechłodzona

-10 do 0 woda przechłodzona

+0 woda

Powyżej temperatury punktu rosy - para wodna

Woda ze względu na właściwości fizyczne jest substancją niepospolitą.

Duża pojemność cieplna

Duże ciepło utajone parowania i skraplania - 2500 Jxg^-1 oraz topnienia i krzepnięcia - 335 Jxg^-1. ciepło utajone sublimacji i resublimacji - 2834 Jxg^-1

Największą gęstość woda osiąga w temperaturze 4*c

Wilgotność powietrza

Zawartość pary wodnej w atmosferze a więc jej wilgotność określa się za pomocą wielu wskaźników. Ogólnie biorąc, w głównym stopniu zależy ona od temperatury atmosfery. Im wyższa t* powietrza tym więcej pary wodnej może się zmieścić w powietrzu.

Para wodna jak i pozostałe gazy, które wchodzą w skład atmosfery wywiera ciśnienie. Zgodnie z prawem Daltona: ciśnieniem które wywiera para wodna jest niezależne od obecności pozostałych gazów. Można więc je zmierzyć. Jest to tzw. prężność pary wodnej.

Parametry wilgotności powietrza

Prężność aktualna (e) - ciśnienie wywierane przez aktualnie zawartą parę wodną w powietrzu (mm Hg lub hPa)

Prężność maksymalna (E) - największe ciśnienie wywierane przez parę wodną względem płaskiej powierzchni wody w danej temperaturze, prężności pary nasyconej (mm Hg lub Pa)

Wilgotność względna powietrza (f) - jest to stosunek prężności pary wodnej znajdującej się aktualnie w powietrzu do pężno0ści pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze.

F=exE-1x100%

Niedosyt wilgotności powietrza Δ- różnica pomiędzy prężnością pary nasyconej i prężnością pary wodnej znajdującej się aktualni w powietrzu (mm Hg, hPa)

Δ=E-e

temperatura punktu rosy t_d - oznacza temperaturę do której należy ochłodzić powietrze przy stałej prężności pary wodnej, aby prężność aktualna pary wodnej stała się równa prężności maksymalnej (e+E), [*c].

prężność pary nasyconej E w zależności od temperatury T nad płaską powierzchnią czystej wody i nad lodem (linia przerywana) Td temperatura punktu rosy dla prężności e = x

- szybciej zachodzi nad lodem.

Zróżnicowanie prężności pary nasyconej w zależności od skupienia wody, krzywizny kropli i stężenia roztworu wodnego sprawia, że zawarta w powietrzu o danej temperaturze para może być zarazem nasyconą i nienasyconą.

Parowanie wody

Parowaniem nazywamy proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego do stanu gazowego. Parowanie jest procesem fizycznym, zachodzi z powierzchni wody, gleby i szaty roślinnej (intercepcja)

W procesie parowania wody poszczególne cząsteczki opuszczają jej powierzchnię i przenikają do atmosfery. Od powierzchni wody odrywają się cząsteczki które mają b. małą energię kinetyczną. Takie cząsteczki przestają być cząsteczkami cieczy a stają się cząsteczkami pary wodnej. Odrywanie cząsteczek wody od środowiska odbywa się kosztem energii kinetycznej.

Do wyparowania 1 grama wody niezbędna jest ilość energii cieplnej ok. 2500J, jest to tak zwane utajone ciepło parowania.

Parowanie z powierzchni zbiorników wodnych jego intensywność określają warunki meteorologiczne.

Parowanie z powierzchni gleby ponadto uzależniona jest od fizycznych i chemicznych cech podłoża.

Jeszcze bardziej złożone jest określenie ilościowe przechodzenia wody z gleby odo atmosfery za pośrednictwem roślin - transpiracja.

Transpiracja - proces przechodzenia wody w postaci pary do atmosfery za pośrednictwem roślin (parowanie biologiczne)

Wyróżnia się par0owanie potencjalne, czyli możliwe i parowanie rzeczywiste czyli terenowe

Parowanie potencjalne- maksymalne parowanie, nie ograniczone zapasami wilgoci.

Parowanie rzeczywiste - to faktyczna ilość wyparowanej wody na danym obszarze w określonych warunkach meteorologicznych.

Kondensacja pary wodnej zawartej w atmosferze

Kondensacja pary wodnej jest jednym z najważniejszych ogniw łańcucha krążenia wody w atmosferze.

Proces ten polega na przejściu znajdującej się powietrzu wody ze stanu8 gazowego w stan ciekły, czasem ma przejście bezpośrednie ze stanu gazowego w stan stały (resublimacja)

Warunki konieczne do zapoczątkowania kondensacji:

Całkowite nasycenie powietrza parą wodną e = E, t = t

Spadek temperatury poniżej temperatury punktu rosy

Obecność jąder kondensacji (higroskopijne aerozole pochodzenia morskiego, antropogenicznego, organicznego. Wielkość jąder kondensacji poniżej 0,4 mikrometra (jądra Aitkena) do ponad 2 mikrometrów (jądra olbrzymy)

Jądra zamarzania: kryształki lodu, które po wchłonięciu przez kroplę wody powodują jej natychmiastowe zamarzanie. Ziarenka glinu i miki w temperaturze -13*, -25* spełniają podobną rolę.

Dobrymi jądrami zamarzania są kryształki jodku srebra oraz zestalonego dwutlenku węgla -suchy śnieg. Związki te służą do sztucznego wywoływania opadów atmosferycznych.

Przyczyny kondensacji

1. Adiabatyczne ochładzanie powietrza

1. przy turbulencyjnym i konwekcyjnym wznoszeniu się powietrza wilgotnego.

2. Przy wślizgiwaniu się powietrza wzdłuż powierzchni frontowych, także przy wznoszeniu się powietrza po zboczach gór i innych wzniesień terenowych.

3. Na grzbietach fal atmosferycznych powstających na granicy dwóch wilgotnych mas o różnej temp. (także fale wymuszone przy przepływie powietrza nad pasmami górskimi.

2. Ochłodzenie się powietrza na skutek:

1. wypromieniowanie ciepła (długofalowego) powierzchni Ziemi do wyższych chłodnych warstw atmosfery. Szron nalot ciekły/stały

2. Zetknięcia się ciepłych wilgotnych mas powietrza z ochłodzoną powierzchnią ziemi i przedmiotami znajdującymi się na niej. szadź

3. Parowanie z powierzchni cieplejszej do środowiska chłodniejszego.

*Pierwotnymi produktami kondensacji i resublimacji są kropelki wody i kryształki lodu

Osady atmosferyczne czyli produkty kondensacji resublimacji osadzające się na ziemi i przedmiotach

*Produkty powstałe w atmosferze i unoszące się w powietrzu czyli zamglenia i mgły 2a2b2c oraz chmury 1a1b1c

Wielkość produktów kondensacji 0,001-0,1 mm

Mgły stanowią zbiorowiska produktów kondensacji zawieszone w powietrzu, sięgające w miejscu obserwacji do powierzchni ziemi i ograniczają widoczność poziomą poniżej kilometra (nie dostrzegamy już przedmiotów oddalonych od nas o 1 kom)

Powstawanie chmur i ich klasyfikacja

Chmura jest to widzialny zbiór małych kropelek wody lub kryształków lodu, lub też kropelek wody i kryształków lodu jednocześnie, zawieszonych w swobodnej atmosferze.

Zbiór ten może zawierać również kropelki wody lub kryształki lodu o większych wymiarach oraz tego rodzaju cząsteczki jakie występują w wyziewach fabrycznych, dymach lub pyłach.

Pod względem budowy fizycznej wyróżniamy trzy rodzaje chmur.

Wodne istnieją przy temperaturze - 0*c część kropelek przechłodzonych

Mieszane złożone z kropelek przechłodzonych i kryształków lodowych przy temp - 10*c

Lodowe istnieją przy temperaturach niższych od -15*c

Wygląd zewnętrzny i budowa chmury związania jest z jej genezą (sposobem powstania). Z uwagi na wygląd zewnętrzny opracowano międzynarodową klasyfikację chmur. Uwzględnia ona 10 rodzajów chmur, 14 gatunków i 9 odmian.

Rodzaje chmur w troposferze

Ze względu na wysokość występowania na jakiej notuje się występowanie chmur wyróżnia się

Strefa klimatyczna
Rodzina	Rodzaje chmury	polarna	umiarkowana	ciepłą
Niskie	cirrus, cirrocumulus, cirrostratus	3-8	5-13	6-18
Średnie	altocumulus, altostratus, nimbostratus	2-4	2-7	2-8
Wysokie	stratus, stratocumulus	0-2	0-2	0-2
O budowie pionowej	cumulus, cumulonimbus

Nazwy chmur - cirrus, stratus i cumulus oraz nimbus zaproponował Luke Howard (1803)

Wiedza o chmurach i ich genezie i formach oraz obserwacja chmur nazywa się nefologią

Klasyfikacja chmur (z książki). (rodzina, rodzaj, gatunek, odmiana, zjawiska szczególne i chmury towarzyszące.)

Meteory właściwe rodzajom chmur (z książki)

Typy genetyczne chmur

Chmury konwekcyjne

Cu i Cb, w wyniku konwekcji termicznej lub gdy masy chłodne powietrza przemieszczają się nad ciepłą powierzchnią ziemi, powstaje stratyfikacja chwiejna.

Wysokość poziomu kondensacji można w przybliżeniu obliczyć stosując wzór Ferrela

h = 120(t-td) h - poziom kondensacji. t,td- temp powietrza i temp punktu rosy na wysokości 2m n.p.g

Chmury wznoszenia ślizgowego o budowie warstwowej Ci Cs As Ns (ST) równowaga stała, powietrze ciepłe nasuwa się na powietrze chłdne.

Chmury falowe Cc Ac i Sc powstają w masach powietrza o równowadze stałej, często na górnej granicy warstwy inwersyjnej, gdzie stykają się dwie warstwy powietrza o różnej temperaturze. Na początkowo poziomej powierzchni powstają fale powietrza o odległości 50-2000m.

(Dorota Matuszko from nasz instytut)

---