Pogoda i klimat. Różnorodność jednorodności.

Woda posiada pewne właściwości, które mają zasadnicze znaczenie dla kształtowania cech fizycznych powietrza w otoczeniu zbiorników wodnych, a są to własności inne od tych jakie mają tereny lądowe. Przede wszystkim woda może przechodzić ze stanu ciekłego w stan stały, czyli zamarzać i tworzyć lód, albo przechodzić ze stanu ciekłego w gazowy, czyli parować i dostarczać do powietrza pary wodnej. Mogą też zachodzić procesy odwrotne, czyli para wodna może skraplać się (podlegać kondensacji), a lód może topnieć. Te procesy angażują ogromne ilości energii, którą nazywamy ciepłem utajonym przemian fazowych wody. Przykładowo, wyparowanie 1 g wody pochłania 2500 J, a przy kondensacji tyle samo się uwalnia. Energia potrzebna do tych procesów jest pobierana lub oddawana z/do otoczenia, czyli przede wszystkim z/do powietrza. Zatem przemiany fazowe wody powodują znaczące ogrzanie lub ochłodzenie powietrza nad zbiornikiem i w najbliższym jego otoczeniu.

Ryc. 2. Woda może przechodzić ze stanu ciekłego (a) w stan stały (b), czyli zamarzać i tworzyć lód, a może też przechodzić ze stanu gazowego w ciekły, czyli skraplać się i tworzyć np. rosę (c)

Dla objaśnienia klimatu lokalnego zbiorników wodnych istotne jest porównanie pewnych własności wody, powietrza i obszarów lądowych. Określamy je używając następujących wskaźników:

1. gęstość – informuje nas jak blisko siebie są cząsteczki budujące daną substancję, np. woda ma większą gęstość niż powietrze, dlatego zakreślenie koła ręką w powietrzu jest znacznie łatwiejsze niż w wodzie, a w glebie, o znacznie większej gęstości niż woda, jest niemożliwe,
2. pojemność cieplna – pokazuje ile potrzeba energii cieplnej aby ogrzać 1 gram albo 1 cm3 czy 1 m3 danej substancji o 1°C (lub 1 K [kelvin]); jeśli dana substancja ma dużą pojemność cieplną to znaczy, że potrzeba dużo energii żeby jej temperatura wzrosła choćby o 1ºC, zatem substancja taka nagrzewa się wolno, ale z drugiej strony: kiedy dopływ energii ustanie, substancja taka ochładza się wolno, czyli dużo energii jest oddawane do otoczenia zanim taka substancja ochłodzi się choćby o 1ºC,
3. przewodność cieplna - pokazuje ile energii cieplnej przenika w ciągu jednej sekundy warstwę danej substancji o grubości 1 m w przypadku, gdy różnica temperatury między górną i dolną powierzchnią wynosi 1°C (lub 1 K); jest powiązana z gęstością danej substancji: im większa gęstość, tym przewodnictwo jest bardziej efektywne, bo cząsteczki substancji są bliżej siebie i łatwiej może następować przekaz energii od cząsteczki, która otrzymała energię z zewnątrz (np. poprzez promieniowanie słoneczne) do cząsteczek sąsiednich.

Tabela 1. Gęstość, pojemność cieplna i przewodność cieplna wybranych substancji

Wskaźnik	Woda	Powietrze	Gleba gliniasta sucha	Kamienie
Gęstość [kg * m-3]	997	1,29	1 600	2 680
Pojemność cieplna [J * m-3 * K-1]	4 163 472	1 295	1 428 000	2 251 200
Przewodność cieplna [W * m-1 * K-1]	0,57	0,025	0,25	1,44

Objaśnienia: Wartości dla temperatury 298 K (25ºC) i ciśnienia 1 atm; gleba gliniasta sucha: 40% porów glebowych
Źródło danych: Kędziora 1995
Zdjęcia: Corel

Porównanie danych pokazanych w tabeli pokazuje, że:

• pojemność cieplna wody jest ok. 3000 razy większy niż powietrza i ok. 3 razy większa niż gleby, co oznacza, że woda potrzebuje 3000 razy więcej energii niż powietrze i 3 razy więcej energii niż gleba aby jej temperatura wzrosła o 1°C,
• dlatego woda ogrzewa się i ochładza znacznie wolniej niż powietrze czy grunt,
• porcja wody w danej temperaturze zawiera znacznie więcej energii niż taka sama porcja gleby o takiej samej temperaturze,
• powietrze jest znacznie gorszym przewodnikiem ciepła niż woda czy gleba, co wynika przede wszystkim ze znacznych różnic gęstości.