8. OPADY ATMOSFERYCZNE
Kondensacja pary wodnej najintensywniej zachodzi w średniej troposferze, a więc chmury, zwłaszcza te o dużej wodności powstają i rozwijają się głównie w warstwie leżącej 2-5 km nad powierzchnią Ziemi [8]. Opad jest wynikiem opuszczenia chmury przez tworzące ją cząsteczki ciekłe lub stałe i grawitacyjne ich przemieszczenie w kierunku podłoża.
8.1. PRZYCZYNY POWSTAWANIA OPADÓW
Opady powstają w tym przypadku, gdy przynajmniej część elementów, z których składa się chmura, tj. kropelki wody lub kryształki lodu z jakichkolwiek przyczyn zaczyna rosnąć. Z chwilą, gdy stają się już one na tyle ciężkie, że opór powietrza i jego ruchy wstępujące nie mogą dłużej utrzymać ich w stanie zawieszonym, zaczynają wypadać z chmur w postaci opadów. Istnieją dwie drogi prowadzące do powstania opadu z chmury. Pierwsza z nich wiedzie za pośrednictwem zarodników lodowych, druga - przez łączenie się kropel.
Powietrze wznosząc się ulega ochłodzeniu wskutek rozprężenia, wówczas jego wilgotność względna wzrasta i z chwilą osiągnięcia stanu nasycenia pojawiają się kropelki chmurowe. Nie zamarzają one nawet wtedy, gdy temperatura jest niższa od 0º. W przedziale temperatur od -12ºC do -29ºC chmury stanowią jeszcze mieszaninę kropel wody i kryształków lodowych. W takich sytuacjach - skutkiem różnicy prężności nasycającej dla różnych stanów skupienia, powietrze zazwyczaj nie jest jeszcze nasycone dla wody, natomiast jest nieco przesycone dla lodu. Powoduje to parowanie kropelek wody, przy równoczesnej kondensacji (resublimacji) pary wodnej na kryształkach lodu, powodując wzrost ich rozmiarów. Proces ten nosi nazwę efektu Bergerona, zaś sam mechanizm jest znany w literaturze jako proces Bergerona-Findeisena.
Jeżeli kropla jest już dostatecznie duża zaczyna opadać w dół, przyłączając inne, mniejsze krople skutkiem zderzeń. W jednym przypadku większa kropla dogania mniejszą, znajdującą się na jej drodze, ponieważ ta opada wolniej. Zjawisko to nazywamy wychwytywaniem bezpośrednim. W innym przypadku wskutek rozrzedzenia powietrza za opadającą kroplą opór powietrza jest mniejszy, tak, że druga kropla, o wymiarach zbliżonych do pierwszej, wpada szybko w rozrzedzoną strugę, dogania wyprzedzającą ją kroplę i łączy się z nią. Jest to wychwytywanie pośrednie.
Rys. 8 - Wychwytywanie bezpośrednie i pośrednie
Łączeniu się kropel sprzyja ponadto turbulencja powietrza w obrębie chmury o dostatecznie dużej miąższości, a także przyciąganie się elementów, gdy posiadają one różnoimienny ładunek elektryczny. Dlatego z silnie wypiętrzonych chmur kłębiastych Cumulonimbus, pada zwykle deszcz lub śnieg o znacznych wymiarach kropel czy płatków, w przeciwieństwie do nisko położonych i zazwyczaj cienkich chmur warstwowych Stratus, które przynoszą jedynie opady mżawki lub drobnego, ziarnistego śniegu.
Zależność rodzajów opadu od rodzajów chmur - na ćwiczeniach
Jak widać, opady mogą występować w stanie ciekłym lub stałym (śnieżne, lodowe), a postać jaką przyjmują zależy od warunków fizycznych, w których się tworzą - rodzaju chmury, wysokości, temperatury powietrza itp. Zdarza się też, że drobne krople wyparowują po drodze, nie dochodząc do powierzchni Ziemi.
8.2. KLASYFIKACJA I WŁAŚCIWOŚCI OPADÓW
Najbardziej są znane i mają największe znaczenie deszcz i śnieg. Jednak istnieje jeszcze kilka rodzajów opadów, które różnią się od typowych postaci deszczu i śniegu. W zależności od tego będzie się różnił również i charakter opadów.
Chmury o wznoszeniu wślizgowym Nimbostratus i Altostratus, związane najczęściej z niżami i ciepłymi frontami atmosferycznymi, dają opady jednostajne. Największy procent w ogólnej ilości opadów w szerokościach umiarkowanych stanowią właśnie opady o charakterze jednostajnym, choć nie przynoszą wcale największej ilości wody.
Chmury kłębiaste deszczowe - Cumulonimbus związane są z silną konwekcją (często chłodnymi frontami atmosferycznymi), dają opady przelotne, niekiedy ulewne i nawalne, intensywne, na ogół krótkotrwałe, co tłumaczy się tym, że są one związane z oddzielnymi chmurami albo z wąskimi strefami chmur frontu chłodnego. Charakterystyczną cechą opadów przelotnych są zmiany jego natężenia.
Rodzaje opadów: ciekłe - deszcz, mżawka, lodowe - śnieg, śnieg ziarnisty, krupa śnieżna, krupa lodowa, deszcz lodowy (ziarna lodowe), grad, pył diamentowy (słupki lodowe).
Opady (i inne meteory) - definicje i charakterystyka - na ćwiczeniach.
Wzrost kropli niezbędny do wywołania wiąże się ponadto z procesami: koagulacji (koalescencji) grawitacyjnej oraz koagulacji turbulencyjnej i elektrostatycznej.