Ruchy mas powietrza, temperatura i wilgotność – wzajemne zależności
- Szczegóły
W meteorologii niezwykle ważnym jest, aby na bieżąco śledzić pogodę i w miarę możliwości słuchać prognoz pogody dotyczących akwenu, po którym pływamy. Podstawowe prawo fizyki to zasada wyrównania energii. Przepływ powietrza następuje z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu. Wiatr jest ruchem powietrza nad powierzchnią Ziemi wywołanym różnicami ciśnienia.
W niniejszym artykule omówimy zagadnienia związane ze zmianami temperatury i wilgotności w kontekście ruchów powietrza. Wyjaśnimy, jak te elementy wpływają na warunki atmosferyczne.
Termiczna struktura atmosfery
Jak wspominaliśmy, kolejną istotną cechą atmosfery (a w każdym razie jej dolnej części - troposfery) jest spadek temperatury wraz z wysokością. Pomiary temperatury na różnych wysokościach w atmosferze prowadzi się tradycyjnie i regularnie za pomocą radiosond - niewielkich zestawów czujników meteorologicznych przyczepianych do jednorazowych balonów meteorologicznych (Rysunek 1). W miarę wznoszenia się nad powierzchnię Ziemi ciśnienie powietrza spada. Dla powyższych wartości uzyskujemy H = 7,4 km. Warto w tym miejscu zauważyć, że atmosfera Ziemi jest niezwykle cienka w stosunku do rozmiaru promienia naszej planety.
Jeśli spojrzymy na rysunek 2, pamiętając, że ciśnienie powietrza to ciężar jego słupa ponad danym miejscem, zobaczymy, że poniżej 18 km jest zgromadzone ponad 90% masy powietrza. Gdy lecimy samolotem na wysokości 12 km, mamy pod sobą 80% masy atmosfery. Geofizycy mówią, że atmosfera (a także ocean) to są cienkie warstwy płynów na obracającej się planecie.
Konwekcja i transport ciepła
Gdyby promieniowanie było jedynym mechanizmem transportu energii od powierzchni Ziemi w górę, obserwowalibyśmy spadek temperatury wraz z wysokością w tempie około 16 stopni na kilometr. W rzeczywistości, choć temperatura w troposferze (warstwie atmosfery od powierzchni planety do wysokości 7-16 km) faktycznie spada wraz z wysokością, to jednak nie aż tak szybko. Zawdzięczamy to zjawisku konwekcji oraz transportowi ciepła w postaci utajonej, które to mechanizmy wspomagają przenoszenie energii od powierzchni Ziemi ku wyższym partiom troposfery i ułatwiają wypromieniowywanie z nich energii w przestrzeń kosmiczną. Gdyby nie te mechanizmy, to temperatura powierzchni naszej planety byłaby wyższa.
Przeczytaj także: Życie codzienne a dyfuzja, ruchy Browna i osmoza
Wyobraźmy sobie, że powietrze przy powierzchni w jakimś miejscu się nagrzało, na przykład w wyniku przylegania do dobrze pochłaniającej promienie słoneczne powierzchni o małym albedo. Dla ułatwienia wyobraźmy sobie, że mamy do czynienia z pewną objętością - „balonikiem” - ciepłego i suchego powietrza (obecność pary wodnej uwzględnimy później). W miarę jak „balonik” wznosi się coraz wyżej, doświadcza coraz niższego ciśnienia. W związku z tym powietrze w „baloniku” rozpręża się, zwiększając swoją objętość.
Rozprężanie się gazu wiąże się ze spadkiem jego temperatury, stąd temperatura wznoszącego się w procesie konwekcji „balonika” spada z wysokością. Ponieważ powietrze jest bardzo dobrym izolatorem cieplnym, „balonik” nie wymienia ciepła z otoczeniem i tym samym mamy do czynienia z procesem adiabatycznym. W rzeczywistej atmosferze spadek temperatury jest mniejszy, najczęściej 4-7°C/km. Jest tak, ponieważ cząstki mieszają się trochę z otoczeniem, powietrze pochłania (w niewielkim stopniu) promieniowanie słoneczne, a przede wszystkim we wznoszących się „balonikach” czasem dochodzi do kondensacji pary wodnej, co spowalnia ochładzanie się powietrza podczas wędrówki w górę.
Kondensacja pary wodnej
Woda, parując, pobiera z otoczenia energię (ciepło przemiany fazowej, czyli energia związana ze zmianą stanu skupienia), która może zostać oddana do otoczenia w procesie kondensacji. Jeśli zdarzyło ci się włożyć na chwilę dłoń do strumienia pary z czajnika, wiesz, że jest to bardzo bolesne doświadczenie. Temperatura pary z czajnika to 100°C, co jest temperaturą niższą od temperatury wnętrza rozgrzanego piekarnika, a jednak przy włożeniu ręki do piekarnika nie oparzysz się, jeśli nie dotkniesz jego ścianki.
Maksymalna koncentracja pary wodnej, jaka może się znaleźć w powietrzu, bardzo silnie zależy od jego temperatury - w wysokiej temperaturze atmosfera może pomieścić dużo pary wodnej, w niskiej bardzo mało. Najwięcej pary wodnej przy powierzchni Ziemi spotyka się w strefie równikowej (do 30 g/m3 czy inaczej 42 hPa w stanie nasycenia powietrza parą wodną przy temperaturze 30°C), najmniej zaś w strefach zimnych (0,14 g/m3 przy temperaturze -42°C) lub bardzo suchych, gdzie na powierzchni planety nie ma wody, która mogłaby wyparować. Średnia zawartość pary w powietrzu z każdym kilometrem wysokości maleje mniej więcej o połowę.
Wilgotność powietrza
Podsumowując, pod potocznym sformułowaniem „wilgotności powietrza” kryje się wiele różnych parametrów. Choć jej nie widać to decyduje o komforcie i zdrowiu. To nie tylko wyznacznik ilości wody w powietrzu. Istnieje bowiem kilka rodzai: wilgotność względna, bezwzględna, właściwa, punkt rosy i niedosyt wilgotności.
Przeczytaj także: Jak wymienić filtr powietrza w Oplu Astrze?
- Wilgotność bezwzględna to zawartość pary wodnej w powietrzu w jednostce objętości równej 1 m³, wyrażona w gramach [g/m³].
- Wilgotność względna - wyrażony w procentach stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w powietrzu do ciśnienia nasycenia nad płaską powierzchnią czystej wody w tej samej temperaturze. Przykładowo, jeśli ciśnienie cząstkowe pary wodnej w temperaturze 30°C wynosi 30 hPa, to znając ciśnienie nasycenia (42 hPa), możemy obliczyć wilgotność względną, która wyniesie ok.
Jeśli powietrze styka się z wodą w stanie ciekłym (np. przy powierzchni morza albo gdy mamy w powietrzu krople wody), para wodna dąży do osiągnięcia równowagi, zwanej też stanem nasycenia. Jest to sytuacja, w której w powietrzu znajduje się maksymalna (w danej temperaturze) ilość pary wodnej, czyli zachodzące przy powierzchni wody procesy skraplania i parowania się równoważą.
Wróćmy do naszego unoszącego się w górę „balonika”, tym razem zawierającego powietrze z parą wodną. Niech początkowa (przy powierzchni) wilgotność powietrza w tym baloniku wynosi 100% (powietrze zawiera parę wodną w stanie nasycenia). Podczas wznoszenia się balonika, wraz ze spadkiem temperatury zawartość pary wodnej, jaka może pomieścić się w powietrzu, spada. Para staje się przesycona i w efekcie zaczyna się skraplać, wydzielając przy tym ciepło przemiany fazowej, które podgrzewa powietrze w „baloniku”, tym samym napędzając jego dalsze wznoszenie.
Podczas gdy w suchym baloniku spadek temperatury wraz z wysokością wynosi ok. 10°C/km (tzw. gradient suchoadiabatyczny), w baloniku zawierającym powietrze wilgotne (rozumiane jako takie, w którym dochodzi do skraplania pary wodnej) jest to ok. 4-7°C/km (tzw. Gradient suchoadiabatyczny - zmiana temperatury wznoszącej się lub opadającej porcji powietrza, która nie miesza się z otoczeniem i nie wymienia z nim ciepła, gdy zawarta w niej woda (para wodna) nie zmienia stanu skupienia. Gradient suchoadiabatyczny w atmosferze Ziemi wynosi ok. Gradient wilgotnoadiabatyczny - zmiana temperatury wznoszącej się lub opadającej porcji powietrza, która nie miesza się z otoczeniem i nie wymienia z nim ciepła, gdy w wyniku adiabatycznego sprężania lub rozprężania zachodzi skraplanie lub parowanie wody. Wartość gradientu wilgotnoadiabatycznego zależy od temperatury i ciśnienia.
Rzeczywisty gradient temperatury (zmiana temperatury powietrza z wysokością) w atmosferze zależy od wielu czynników i zazwyczaj zawiera się pomiędzy gradientem sucho- i wilgotnoadiabatycznym. Typowa wartość gradientu temperatury w troposferze wynosi około 6°C/km. W praktyce, gdy w atmosferze mamy do czynienia z konwekcją, we wznoszącej się od powierzchni Ziemi, początkowo nienasyconej porcji powietrza, wilgotność względna jest mniejsza od 100% i temperatura spada zgodnie z gradientem suchoadiabatycznym.
Podsumowanie
W artykule omówiono wzajemne zależności między ruchami mas powietrza, temperaturą i wilgotnością. Zrozumienie tych zależności jest kluczowe dla prognozowania pogody i interpretacji zjawisk atmosferycznych.
Przeczytaj także: Wymiana osłony filtra powietrza w Fiacie 126p
tags: #ruchy #mas #powietrza #temperatura #wilgotność #zależność
