Budowa pionowa atmosfery

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
ikona stratosfera
dział STRATOSFERA: PODSTAWY - menu (rozwiń)



Poszczególne warstwy atmosfery są wydzielane na podstawie różnych cech fizycznych. Wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza temperatura powietrza spada, ciśnienie zmniejsza się, a wraz z nim gęstość powietrza. Im wyżej się wzniesiemy tym mniej cząsteczek znajdziemy w tej samej jego objętości (np. w 1 m3). Podobnie wilgotność powietrza i siła wiatru ulegają zmianie.

Wszystko to jest niewidoczne kiedy patrzymy na niebo z ziemi. Widzimy albo chmury albo czyste niebieskie niebo. Kolor niebieski jest efektem intensywniejszego rozpraszania przez cząsteczki powietrza krótkich fal światła widzialnego (docierających do Ziemi ze Słońca) niż dłuższych fal. To, że właściwości powietrza zmieniają się wraz ze zmianą wysokości nad poziomem morza jest zauważalne szczególnie kiedy lecimy samolotem. Niezależnie od warunków pogodowych panujących poniżej samolotu, my widzimy błękitne niebo bez chmur ponad nami jeśli osiągamy wysokość około 10-11 km. Jesteśmy bowiem wtedy w tropopauzie lub nawet w niższej stratosferze. Nie ma tam chmur ponieważ brak wystarczającej ilości wody do ich utworzenia.

Niebo z chmurami

1. Błękitne niebo ponad chmurami
źródło: www.freefoto.com

Dlaczego temperatura się zmienia?

Zmiany temperatury na niewielką skalę mają lokalne przyczyny np. ląd ochładza się szybciej niż morze. Podobnie zimne wiatry z gór mogą zmienić temperaturę w przypowierzchniowej warstwie atmosfery. Jeśli chodzi natomiast o globalną średnią temperaturę to są dwie przyczyny, które powodują jej zmiany:

a) powierzchnia Ziemi pochłania energię słoneczną i ogrzewa się. Im wyżej od ciepłej powierzchni Ziemi, tym zimniejsze staje się powietrze. Temperatura zmniejsza się wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza

b) ta ogólna zasada nie sprawdza się jeśli cząsteczki znajdujące się w powietrzu pochłaniają część promieniowania słonecznego i same podgrzewają powietrze. W tym przypadku obserwujemy wzrost temperatury. Tak właśnie jest w warstwie ozonowej w stratosferze (na wysokości ok. 30 km) gdzie ozon absorbuje promieniowanie UV (najwyższa temperatura występuje w stratopauzie na wysokości około 50 km). Podobnie jest w termosferze gdzie azot i tlen pochłaniają krótkofalowe promieniowanie słońca (UV), niosące bardzo dużo energii. Cząstki azotu i tlenu są tam często zjonizowane, dlatego też warstwa powyżej 60 km jest także nazywana jonosferą.

pionowy profil atmosfery

2. Profil zmian temperatury, ciśnienia i gęstości powietrza wraz ze wzrostem wysokości n.p.m.
Według: Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

Dlaczego ciśnienie się zmniejsza?

Różnica pomiędzy powietrzem i wodą jest taka, że powietrze jest ściśliwe, a woda nie. Jeśli nurkujesz w morzu i masz nad sobą 10 metrów wody, ciśnienie wynosi 1 bar, jeśli masz 20 metrów wody to wynosi ono 2 bary, ponieważ ilość wody uległa podwojeniu. Z powietrzem jest trochę jakbyś próbował ułożyć stos bardzo lekkich poduszek. Poduszki na dole stosu stałyby się płaskie ze względu na ciężar pozostałych, które znajdują się wyżej. Mogą ulec one ściśnięciu ponieważ wewnątrz nich jest dużo wolnego miejsca. W rezultacie, w pierwszej warstwie stosu znajduje się 10 poduszek o łącznej wysokości 30 cm, a w ósmej warstwie już tylko jedna, o tej samej wysokości, chociaż wszystkie mają ten sam ciężar. Tak samo jest w atmosferze. Dlatego tez klimatolodzy często stosują nie tylko miarę odległości (np. km) aby określić wysokość nad poziomem morza, ale także jednostki ciśnienia. Ściśliwość zależy nieco od temperatury, ale ogólnie możemy przyjąć, że ciśnienie zmniejsza się o połowę na każde 5,5 kilometra wysokości n.p.m., np. 1000 hPa na ziemi, 500 hPa na 5,5 kilometrze wysokości n.p.m. i tak dalej.

poduszki pod wplywem cisnienia

3. Jak stos z poduszek, czyli co to znaczy, że powietrze jest ściśliwe.
Autor: Elmar Uherek

Na przekrojach atmosfery widać temperatury 500-1000°C na wysokości 200-500 km n.p.m., w termosferze. Czy naprawdę jest tam tak gorąco? Problemem w tym przypadku jest definicja temperatury. Cząsteczki powietrza mają pewną energię. Jeśli mierzymy to termometrem to cząsteczki przekazują swoją energię podczas uderzania w powierzchnię termometru. Na znacznych wysokościach n.p.m., w termosferze, cząsteczki mają bardzo dużą energię więc temperatura jest bardzo wysoka, ale ilość cząsteczek w jednostce objętości wynosi około jedną milionową tego co jest blisko powierzchni ziemi. W związku z tym prawdopodobieństwo uderzenia danej cząsteczki w termometr i przekazania swojej energii jest bardzo niskie. Temperatura w termosferze jest miarą energii cząsteczek, ale nie jest w prosty sposób porównywalna do temperatury na ziemi.

mapa pogoda na 1000hPa

4 a. Mapa pogody pokazująca warunki pogodowe na poziomie ziemi (tzw. dolna mapa pogody)
Źródło: Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

mapa pogodowa na 300hPa

4 b. Ta sama mapa pogody pokazująca warunki panujące na poziomie 300 hPa (wysokość ok. 9 km n.p.m., tzw. górna mapa pogody). Proszę zwrócić uwagę na symbole określające prędkość wiatru!
Źródło: Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

Popatrz na powiększone fragmenty map i porównaj prędkości wiatru, które wystąpiły w pobliżu powierzchni ziemi (kolor ciemnoniebieski) i na wysokości 9 km (kolor jasnoniebieski) w tych samych miejscach. Jaka jest prędkość wiatru w km/godz. w trzech zaznaczonych miejscach?

powiększona mapa prędkości

Jak zmienia się wiatr?

Dwie powyższe mapy pogody (300 hPa = ok. 9 km i 1000 hPa) pokazują, że prędkości wiatru i gradienty ciśnienia blisko ziemi i w wyższej troposferze bardzo różnią się od siebie. W związku z tym dla ruchu lotniczego wymagany jest specjalny system prognoz pogody. Prędkość wiatru zwiększa się wraz ze wzrostem wysokości n.p.m. Te prędkości wiatru, które zazwyczaj występują w tropopauzie są tak duże, że gdyby wystąpiły one przy powierzchni ziemi spowodowałyby silne huragany. W stratosferze natomiast nie tylko temperatura ulega zmianie, ale i prędkość wiatru obniża się w znaczący sposób.

symbole prędkości wiatru

5. Tradycyjnie prędkość wiatru jest mierzona w węzłach (kn {węzeł} = mila morska/godz.) lub w km/godz., a bardziej poprawnie w m/s.
1 m/s = 3,6 km/h
1 węzeł = 1,852 km/h
Symbole na mapie pogody pokazują nam kierunek wiatru (skąd wieje wiatr) oraz prędkość wiatru w węzłach.

Pionowy profil prędkości wiatru

6. Pionowy profil prędkości wiatru.
Dane pochodzą z eksperymentu przeprowadzonego przez Amerykańską Służbę Meteorologiczną przy użyciu balonu.

Porównanie prędkości wiatru i temperatury

Porównanie prędkości wiatru i temperatury.

O tej stronie:

Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzja: Dr John Crowley, Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy - 2004-05-04
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg, Niemcy, Dr. Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Norwegia, Yvonne Schleicher - Univ. of Erlangen-Nürnberg, Niemcy
Ostatnia aktualizacja: 2004-05-05
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Redakcja techniczna: Kamil Bodziony, Wojciech Pudło

Остання зміна: Wednesday 8 June 2022 11:21 AM