Cyrkulacja Atmosfery, Wilgotność Powietrza i Retencja Wody w Lodowcach i Śniegu
- Szczegóły
Na co dzień nie uświadamiamy sobie, w jakim stopniu prądy oceaniczne sterują klimatem na Ziemi. Żeby zrozumieć tą zależność wystarczy porównać klimat Polski z klimatem innych miejsc leżących na tej samej szerokości geograficznej, np. Kamczatki w Rosji i Labradoru w Kanadzie. Wszystkie te regiony leżą na tej samej szerokości geograficznej, niedaleko oceanu, ale klimat w obu miejscach jest drastycznie różny.
Średnia temp. roczna w Polsce to 7-8°C, podczas gdy na Labradorze i Kamczatce jest to - 1°C. Kamczatka i Labrador nie są miłymi miejscami do zamieszkania. Na Kamczatce obszar większy od Polski zamieszkuje ponad stukrotnie mniejsza populacja, na Labradorze podobnie. Częściowo jest to zasługą dominujących wiatrów zachodnich i związanego z tym oceanicznego klimatu Europy Zachodniej i kontynentalnego Kamczatki i Labradoru, szczególnie zimą.
Porównanie klimatu Alaski i Norwegii, obu leżących na zachodnich wybrzeżach kontynentów również pokazuje, że Europa jest wyraźnie cieplejsza. W styczniu w Bodo w Norwegii jest -1°C, a w Nome na Alasce -15°C. Ta różnica wynika głównie z wpływu prądów oceanicznych - w rejonie Kamczatki płyną zimne prądy oceaniczne z północy: Kamczacki i Oya Siwo, podobnie w przypadku Labradoru i Alaski. Klimat Europy jest z kolei izolowany od chłodów Arktyki i ogrzewany przez ciepły Golfsztrom.
To właśnie prądom oceanicznym i zachodnim wiatrom znad oceanu zawdzięczamy przyjemny klimat Europy. Golfsztrom niesie ciepłą wodę z rejonów Brazylii i gorącej Zatoki Meksykańskiej w stronę Europy północnej. Zgromadzone ciepło oddaje docierając do Oceanu Arktycznego na północ od Europy, zimą dostarczając do Europy zachodniej więcej ciepła, niż promieniowanie słoneczne. Zimą powietrze nad oceanem położonym na zachód od wybrzeży Norwegii jest średnio o ponad 22°C cieplejsze niż powietrze na podobnych szerokościach geograficznych. Jest to jedna z największych anomalii tego typu na Ziemi.
Mechanizm Cyrkulacji Oceanicznej
Uwagę zwraca fakt, że w wielu miejscach następuje przecięcie prądów oceanicznych. Jaki jest mechanizm tego zjawiska? Woda w rejonach równikowych i podzwrotnikowych nagrzewa się. Ciepła woda jest lekka i ma tendencję do trzymania się przy powierzchni. Płynąc w kierunku biegunów, woda oddaje swoje ciepło do atmosfery. Powierzchniowa warstwa wody, zbliżając się do biegunów wytrąca sól. Warstwa schłodzonej wody pod lodem staje się bardziej słona i gęstsza, wystarczająco gęsta, aby opaść na dno i odpłynąć w kierunku równnika.
Przeczytaj także: El Niño: Definicja i przyczyny
Cyrkulacja prądów oceanicznych to jednocześnie efektywny mechanizm usuwania dwutlenku węgla z atmosfery. Gaz ten jest intensywnie pochłaniany z atmosfery przez zimne powierzchniowe warstwy wody, a następnie transportowany do głębinowych warstw oceanu.
Zmienność Cyrkulacji Oceanicznej
Nasuwa się pytanie - czy ten schemat cyrkulacji oceanicznej, niewątpliwie kształtującej klimat na ogromnych obszarach globu, jest dany raz na zawsze, jest czy też jest zmienny i za chwilę może stać się zupełnie inny? Aby odpowiedzieć na to bardzo istotne pytanie wybierzemy się w podróż w przeszłość, kilkanaście tysięcy lat temu, a później w podróż w przestrzeni, na drugą stronę globu. Kiedy lód morski i lodowce topnieją, uwalniają słodką wodę do oceanu. Woda słodka ma jednak mniejszą gęstość od wody słonej - nie jest dość gęsta, aby zatonąć.
Może to przerwać cyrkulację oceaniczną i wpłynąć na wymianę ciepła między biegunami i równikiem, a w konsekwencji zmienić klimat w Europie. Bardzo podobne zdarzenie, stadium klimatyczne o nazwie Młodszy Dryas, miało miejsce w latach 10 850 do 9 570 r. p.n.e., kiedy nastąpiło gwałtowne, w przeciągu roku lub kilku lat, obniżenie temperatury na półkuli północnej, a szczególnie w rejonach północnego Atlantyku i Europy.
Narzuca się pytanie: jak na Golfsztrom wpłynie ocieplenie wody i stopienie lodów Oceanu Arktycznego? Czy Golfsztrom zaniknie? A może tylko osłabnie? Niektóre badania wskazują na 30% zmniejszenie się aktywności Golfsztromu w ciągu ostatnich 10 lat. W takiej sytuacji za kilkadziesiąt lat prąd mógłby ustać całkowicie i wówczas w Europie Zachodniej w środku globalnego ocieplenia zagościłyby bardzo niskie temperatury. Wielka Brytania, Irlandia, Islandia czy Norwegia doświadczyłyby temperatur, które normalnie powinny występować na tej szerokości geograficznej.
W środku zimy zamiast +5°C w ciągu dnia byłoby -5°C, a zamiast 0°C nocami byłoby 10 stopni mrozu. Prąd Zatokowy jest zjawiskiem dość stabilnym, ale nie wszystkie prądy oceaniczne charakteryzują się taką stabilnością.
Przeczytaj także: Wszystko, co musisz wiedzieć o smugach kondensacyjnych
Zjawisko El Niño i La Niña
Normalnie wzdłuż zachodnich wybrzeży Ameryki Południowej płynie zimny i bogaty w składniki odżywcze prąd Humboldta. W tych warunkach ławice ryb znajdują korzystne warunki do rozwoju. Następnie, pchany wschodnim wiatrem, jako Prąd Południoworównikowy kieruje się w stronę Filipin i Australii. Woda po drodze nagrzewa się. W rejonie Filipin i Australii wilgotne powietrze nad nagrzaną wodą unosi się w górę, powodując silne opady. Zjawisko takie nazywa się La Niña (hiszp.
Rybacy peruwiańscy zauważyli, że czasem pod koniec roku, prąd wody ciepłej i ubogiej w składniki odżywcze zastępuje wody chłodne. Ponieważ zachodzi to często w okolicy świąt Bożego Narodzenia, stąd nazwa El Niño (hiszp. chłopiec, dzieciątko - nazwa odnosi się do Dzieciątka Jezus). Zjawisko El Niño powoduje odwrócenie się kierunku wiatru wiejącego nad Pacyfikiem. Wiatry wpływają na krążenie wody w oceanie. Normalnie woda płynie na zachód, od brzegów Ameryki Południowej w stronę Australii, podczas El Niño woda płynie na wschód. La Niña to „wzmocniona” cyrkulacja zachodnia.
Nagrzewająca się po drodze woda dociera do wybrzeży Ameryki Południowej, przynosząc tam katastrofalne opady. A ponieważ opady zazwyczaj nakładają się na porę deszczową powodują powodzie oraz spływanie lawin błota, szczególnie w Peru i Argentynie. Dodatkowo podnosi się temperatura powietrza, co powoduje topnienie wiecznych śniegów w Andach i zanikanie lodowców zapewniających dopływ wody do rzek w ciągu całego roku. Z kolei opady nad Australią zanikają, powodując tam katastrofalne susze.
El Niño, choć obserwowany głównie na Pacyfiku, ma wpływ na całą Ziemię. Podnosi zauważalnie temperaturę całej planety. El Niño powoduje coraz groźniejsze susze w i tak już pustynnej Australii.
Ze względu na silny wpływ na klimat, szczególnie na analizę i przewidywania zjawiska El Niño w Australii przeznaczono znaczne środki. Możliwość prognozowania pogody choćby na kilka miesięcy naprzód umożliwiałaby określenie jakich opadów i temperatur można oczekiwać, co pozwoliłoby zaplanować sadzenie upraw bez narażania się na nieprzewidziane susze lub opady. Jak na razie sukcesy w prognozowaniu El Niño są dość mizerne - pomimo zrozumienia podstaw zjawiska możliwe jest prognozowanie raptem na kilka tygodni do przodu.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Nasze przewidywania co do zmian cyrkulacji prądów oceanicznych, w tym Golfsztromu, są tak niedokładne, że najprawdopodobniej o tym, że coś się stanie, dowiemy się dopiero, kiedy już się wydarzy… Być może nic poważnego nie stanie się dziś ani jutro.
Lodowce i Retencja Wody
Lodowiec - masa lodu powstała z nagromadzonego śniegu powyżej linii wiecznego śniegu. Lodowce są największym rezerwuarem wody słodkiej na Ziemi i drugim po oceanach wody na świecie.
Lodowce powstają tam, gdzie ukształtowanie terenu sprzyja gromadzeniu się dużej ilości śniegu, a jednocześnie jest zbyt chłodno lub jest zbyt małe nasłonecznienie, aby cały zgromadzony śnieg topił się w ciągu lata. Warunki takie panują przede wszystkim w strefie podbiegunowej oraz wysokich górach wszystkich stref klimatycznych, powyżej linii wiecznego śniegu. Przebieg tej granicy na Ziemi zależy od klimatu oraz ukształtowania terenu.
Najwyżej sięga w strefie międzyzwrotnikowej, w klimacie zwrotnikowym suchym, ze względu na wysoką temperaturę i skąpe opady śniegu. Obniża się tam, gdzie opady śniegu są obfitsze (w strefie klimatu równikowego oraz zwrotnikowego morskiego). Obniża się również wraz ze spadkiem temperatury w umiarkowanych szerokościach geograficznych. Najniżej sięga tam, gdzie niskiej temperaturze towarzyszą duże opady śniegu. W wysokich szerokościach geograficznych schodzi do poziomu morza.
Ilość zgromadzonego śniegu zależy również od ukształtowania powierzchni, np. na ostrych szczytach i graniach, jak choćby w Tatrach, nie ma warunków do gromadzenia się dużych ilości śniegu. Miejsce gromadzenia się śniegu, powstawania firnu i lodu lodowcowego, czyli miejsce narodzin i zasilania lodowca nazywa się polem firnowym.
Gdy grubość nagromadzonego lodu przekroczy pewną krytyczną wartość (kilkanaście, kilkadziesiąt metrów), to wywierane przezeń ciśnienie sprawia, że staje się on plastyczny i zaczyna płynąć. Warstwy cząsteczek lodu lodowcowego są ze sobą względnie słabo związane i gdy ciśnienie będzie większe od tych sił wiążących, to górne warstwy lodu zaczynają płynąć szybciej niż warstwy dolne. Tarcie między lodowcem a podłożem oraz ciepło geotermalne Ziemi zwiększa ilość wody między lodowcem a podłożem, co działa jak smar.
Lodowiec spływa w postaci jęzorów poniżej granicy wieloletniego śniegu, wykorzystując doliny górskie i inne obniżenia. Jeżeli dostawa lodu przewyższa ablację (topnienie) i w związku z tym czoło lodowca przesuwa się ku przodowi - następuje transgresja lodowca. Gdy dopływ nowego lodu jest równoważony stratami wywołanymi ablacją, to czoło lodowca nie zmienia zasięgu; mowa wówczas o postoju lodowca.
Działalność erozyjno-akumulacyjna lodowców manifestuje się w rzeźbie glacjalnej, na którą składa się szereg form rzeźby powierzchni ziemi. Ich temperatura jest niższa od temperatury topnienia lodu. Składają się z lodu stałego (bez wody). Taki lodowiec jest „przymarznięty” do podłoża. Siła z jaką lód jest związany z podłożem jest większa niż siła wiążąca lód, więc lodowce zimne poruszają się na skutek względnego przemieszczania się warstw lodu: warstwa przygruntowa jest nieruchoma, a poruszają się jedynie warstwy nadległe.
Lodowce ciepłe to lodowce, które w całej objętości (z wyjątkiem zmieniającej się wraz ze zmianami pór roku temperatury warstwy powierzchniowej) mają temperaturę topnienia. Lodowce takie są nasączone wodą w całej objętości. Temperatura takiego lodowca spada wraz z głębokością, bo wraz z głębokością rośnie ciśnienie a zatem spada temperatura topnienia lodu. Lądolód Antarktydy jest (w dominującej części) lodowcem zimnym.
Lodowiec powstaje wówczas, gdy suma opadów w porze chłodnej jest na tyle duża, że w porze ciepłej nie wszystek śnieg topnieje. W ten sposób pokrywa śnieżna może przyrastać. Podniesienie temperatury pory ciepłej albo zmniejszenie ilości opadów w porze chłodnej prowadzą do zanikania lodowców.
Suma opadów w porze chłodnej musi być na tyle duża, aby w porze ciepłej cały śnieg nie zdążył się stopić i pokrywa śnieżna mogła przyrastać. W pewnych warunkach (bliżej biegunów) lodowce mogą się tworzyć mimo małej ilości opadów, jeśli tylko temperatury w porze ciepłej nie są zbyt wysokie, a opady śniegu dostatecznie obfite. Odwrotnie, mimo dużych opadów zimowych lodowiec nie powstanie, jeśli temperatury lata są zbyt wysokie.
W górach istotne jest też położenie stoku względem stron świata. Na półkuli północnej korzystniejsze warunki dla tworzenia się lodowców występują na stokach wschodnich i północnych, na południowej zaś na wschodnich i południowych. Stąd też tzw. linia wiecznego śniegu nawet w tych samych górach może leżeć na różnej wysokości. I tak w Alpach jest to od 2500 m. po stronie południowej i wschodniej.
Elementy Pogody i Klimatu
Pogoda to stan atmosfery w danej chwili i w danym miejscu na Ziemi. Nauką geofizyczną badającą pogodę jest meteorologia. Informacje o pogodzie są uzyskiwane na podstawie obserwacji i pomiarów meteorologicznych, które prowadzi się na stacjach naziemnych oraz za pomocą satelitów meteorologicznych.
Do głównych elementów pogody zalicza się: temperaturę powietrza, wilgotność powietrza, opady atmosferyczne, ciśnienie atmosferyczne, kierunek i prędkość wiatru, zachmurzenie i usłonecznienie. Są to także elementy klimatu, ponieważ klimat to powtarzający się układ pogody, obserwowany na danym obszarze na przestrzeni wielu lat (przynajmniej trzydziestu).
Ponadto w wybranych lokalizacjach prowadzone są także pomiary innych wielkości, które nie odzwierciedlają bezpośrednio właściwości atmosfery lub jej procesów, ale są z nimi mocno związane, jak np. temperatura gruntu czy grubość i stan pokrywy śnieżnej. Oprócz tego, w nielicznych miejscach dokonywane są pomiary promieniowania słonecznego i ziemskiego oraz elektryczności atmosferycznej.
Stacje Meteorologiczne
Obserwacje podstawowych elementów meteorologicznych prowadzone są na całej kuli ziemskiej. Aby możliwe było właściwe rozpoznanie przestrzennego rozkładu wartości poszczególnych elementów meteorologicznych i porównanie stanu atmosfery w różnych miejscach na Ziemi, konieczne jest odpowiednie rozmieszczenie miejsc obserwacyjnych (stacji pomiarowych). Ważne jest, aby prowadzone obserwacje wykonywane były zbliżonymi przyrządami, tymi samymi metodami i w określonych terminach.
Dzięki temu możliwa jest budowa sieci stacji meteorologicznych tworzących jednolitą całość. Za koordynację i organizację światowej sieci meteorologicznej odpowiedzialna jest funkcjonująca od 1878 r. Światowa Organizacja Meteorologiczna (ang. World Meteorological Organization, WMO). W Polsce regularne obserwacje meteorologiczne trwające do dziś rozpoczęto dopiero pod koniec XVIII w. w Krakowie, Warszawie i Wilnie. Aktualnie sieć meteorologiczną tworzą stacje podległe Instytutowi Meteorologii i Gospodarki Wodnej - Państwowego Instytutu Badawczego (IMGW‑PIB).
Obecnie podstawą naziemnego systemu obserwacyjnego jest ponad 10 000 stacji meteorologicznych (automatycznych lub manualnych - z obserwatorem). Ponadto organizacja dysponuje danymi z ponad 1 tys. boi dryfujących po oceanach, a także danych ze statków komercyjnych. Informacji o warunkach panujących w wyższych warstwach atmosfery dostarcza około 1 tys. stacji aerologicznych i zespół 3 tys. samolotów (zarówno specjalistycznych, jak i komercyjnych).
W naszym kraju najszerszy zakres pomiarów realizowany jest na stacjach synoptycznych. Pomiary na wszystkich stacjach wykonywane są podobnymi instrumentami, które umieszcza się w specjalnie do tego celu przygotowanych miejscach zwanych ogródkami meteorologicznymi. Współczesne stacje meteorologiczne, dzięki powszechnej automatyzacji przyrządów pomiarowych, wykonują najczęściej pomiary w sposób ciągły. Jednak ze względu na możliwość wystąpienia awarii lub innych zdarzeń losowych na głównych stacjach synoptycznych prowadzone są równocześnie pomiary wykonywane przez obserwatora w oparciu o urządzenia standardowe. Dokonuje się ich co godzinę.
Normy międzynarodowe określają, że obserwacji poszczególnych elementów pogody na stacjach synoptycznych dokonuje się co najmniej osiem razy w ciągu doby o następujących godzinach: 3:00, 6:00, 9:00, 12:00, 15:00, 18:00, 21:00 i 24:00 UTC.
Przyrządy Pomiarowe i Jednostki
- Temperatura powietrza: termometry cieczowe (°C, °F, K)
- Wilgotność powietrza: psychrometr, higrometr (wilgotność bezwzględna: g/m³, wilgotność względna: %)
- Opady atmosferyczne: deszczomierz, pluwiograf (mm, l/m²)
- Ciśnienie atmosferyczne: barometr, barograf, aneroid (hPa, mmHg, at)
- Prędkość i kierunek wiatru: wiatromierz, anemometr (prędkość: m/s, km/h, węzły; kierunek: N, S, E, W i pośrednie)
- Zachmurzenie: obserwacja gołym okiem (skala oktanowa od 0 do 8)
- Usłonecznienie: heliograf (godziny)
Ich zakres pomiarowy jest znacznie mniejszy niż stacji meteorologicznych. Dokonują one następujących pomiarów: temperatury powietrza, wilgotności, opadów, prędkości i kierunku wiatru. Pomiary te odbywają się trzy lub cztery razy na dobę (o 6:00, 12:00, 18:00 i czasem 24:00 UTC).
Służą jedynie do pomiaru wielkości opadu atmosferycznego. Są automatyczne i prowadzą pomiary raz na dobę (o 6:00 UTC).
Radary Meteorologiczne
Podczas obserwacji meteorologicznych wykorzystuje się także radary. Służą do obserwacji opadów: ich położenia, intensywności, rodzaju i ruchu, a także groźnych zjawisk (np. cyklonów, sztormów i burz) dzięki wykorzystaniu fal radiowych. W Polsce jest ich osiem. Są zlokalizowane w: Legionowie, Rzeszowie, Brzuchani (koło Miechowa), Ramży (koło Rybnika), Pastewniku (koło Bolkowa), Poznaniu, Świdwinie i Gdańsku. Mapy radarowe są aktualizowane co 10 minut i można je znaleźć na stronie IMGW‑PIB.
Satelity Meteorologiczne
Satelity meteorologiczne są najczęściej umieszczane na orbitach geostacjonarnych. W prognozowaniu pogody w Polsce i Europie wykorzystuje się dane z geostacjonarnych satelitów meteorologicznych METEOSAT. Pomiary satelitarne spełniają aktualnie jedną z najważniejszych funkcji w meteorologii. Pozwalają bowiem na jednoczesne pozyskanie dużej ilości danych i informacji dla znacznych obszarów Ziemi.
Istotą pomiarów satelitarnych jest wykorzystanie różnych zakresów długości fal elektromagnetycznych i rejestrowanie ich odbicia przez różne czujniki. Obserwacje wykonywane dzięki satelitom meteorologicznym dotyczą zarówno atmosfery, jak i powierzchni ziemi. Pozwalają na uzyskanie informacji i danych o: zachmurzeniu, frontach, opadach, parze wodnej, temperaturze, wilgotności, ozonie, pokrywie śnieżnej, stabilności atmosfery i wielu innych. Są to również procesy wpływające na klimat.
Obieg Ciepła i Temperatura Powietrza
Promieniowanie słoneczne, zwłaszcza promieniowanie krótkofalowe o długości fali od 0,1 do 4,0 nm, to główne źródło energii cieplnej na naszej planecie. Suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego to promieniowanie całkowite.
Na ilość promieniowania słonecznego wpływają:
- Kąt padania promieni słonecznych
- Długość trwania dnia
- Wysokość nad poziomem morza
- Ekspozycja i nachylenie stoków
- Ilość pary wodnej i aerozoli w powietrzu
- Pokrycie terenu a albedo
Lądy (powierzchnie gruntowe), które odznaczają się dużą gęstością skał i małą przezroczystością, nagrzewają się tylko do niewielkich głębokości, więc szybko się nagrzewają, ale również szybko się ochładzają. Z kolei wody są względnie przezroczyste dla promieniowania słonecznego, a więc nagrzewają się do dużych głębokości. W związku z tym proces ogrzewania, ale również proces ochładzania trwa dłużej.
Bilans Promieniowania
Całość (100%) docierającej do atmosfery ziemskiej energii słonecznej wynosi około 1,7 × 10¹⁷ W. Jedynie 31% dociera do powierzchni Ziemi w formie promieniowania bezpośredniego, z czego 27% jest przez nią pochłaniane, a pozostałe 4% jest od niej odbijane. Z kolei 27% promieniowania krótkofalowego (z tych 100%) to promieniowanie rozproszone, z którego jedynie 21% jest pochłaniane przez Ziemię. W sumie zatem nasza planeta pochłania mniej niż połowę (48%) dopływającej do niej energii słonecznej. Pozostała część (52%) jest pochłaniana lub odbijana przez chmury i atmosferę.
Energia pochłonięta przez podłoże ulega zamianie w ciepło, które jest emitowane do atmosfery jako promieniowanie długofalowe w zakresie od 4 do około 120 nm, niewidzialne promieniowanie podczerwone (wtórne źródło ciepła). W atmosferze jest ono pochłaniane przez gazy (głównie parę wodną i dwutlenek węgla) i w większości kierowane z powrotem w kierunku powierzchni Ziemi (promieniowanie zwrotne atmosfery). Dzięki temu Ziemia oddaje więcej energii (113% jest wypromieniowane, 22% w postaci ciepła utajonego, a 10% w postaci ciepła jawnego; w sumie 145%) niż wynosi pochłaniane przez nią promieniowanie słoneczne (48%). Opisany proces nazwano efektem cieplarnianym. Chroni Ziemię przed nadmierną utratą ciepła. Jak oceniają naukowcy, bez niego średnia temperatura powietrza na świecie, która wynosi ok. +15°C, byłaby prawdopodobnie o ok. 33°C niższa, więc wynosiłaby -18°C.
System Ziemia - atmosfera znajduje się w stanie równowagi cieplnej, co oznacza, że przychód i rozchód energii cieplnej są sobie równe. Bilans promieniowania w strefie międzyzwrotnikowej jest dodatni, w strefie umiarkowanej - latem dodatni, a zimą ujemny, a w podbiegunowej - ujemny.
Wymiana Ciepła
Wymiana ciepła między podłożem a atmosferą lub między masami powietrza odbywa się na drodze kilku zasadniczych procesów:
- Turbulencja: Bezwładne przemieszczanie się cząsteczek powietrza atmosferycznego. Ciepło przenosi się od cieplejszych do chłodniejszych warstw. Jest to jeden z najefektywniejszych sposobów wymiany ciepła. Prowadzi on do łagodzenia kontrastów termicznych w przebiegu dobowym.
- Konwekcja: Ruch powietrza w układzie pionowym, który obejmuje jego wnoszenie i opadanie. Dzięki ruchom wstępującym ciepło jest przenoszone na duże wysokości. W wyniku konwekcji wstępującej powietrze rozpręża się, traci wewnętrzną energię i ochładza się. Efektem tego procesu są rozbudowane w pionie chmury kłębiaste.
tags: #cyrkulacja #atmosfery #wilgotność #powietrza #retencja #wody
