Wilgotność Względna: Teledetekcja i Metody Pomiaru
- Szczegóły
Zdecydowana większość badań z zakresu klimatologii prowadzonych na świecie poświęcona jest temperaturze powietrza, jako wiodącemu elementowi klimatu. W centrum zainteresowania znajdują się również ciśnienie i opady atmosferyczne, przy czym ten ostatni element często analizowany jest w ujęciu środowiskowym, tzn. w kontekście potencjalnych skutków zarówno z uwagi na nadmiar, jak i brak opadów.
Rozwój modeli klimatycznych, uwzględniających coraz więcej zmiennych i przedstawiających coraz bardziej precyzyjnie procesy zachodzące w atmosferze, podniósł w ostatnich kilkunastu latach rolę pary wodnej jako czynnika istotnego w badaniach klimatycznych. Para wodna ma bowiem kluczowe znaczenie w bilansie promieniowania, powstawania chmur oraz wymianie energii w systemie ocean-atmosfera, przez co uważana jest za najbardziej istotny gaz śladowy w atmosferze.
Rola Pary Wodnej w Atmosferze
Znaczenie Pary Wodnej
Para wodna jest jednym z głównych składników atmosfery. W przeciwieństwie jednak do azotu i tlenu, których zawartość pozostaje stała do wysokości około 100 kilometrów, koncentracja pary wodnej w atmosferze waha się w czasie i przestrzeni do 4,0%, a jej maksymalna ilość jest ściśle zależna od temperatury (Stuli 2017).
Związki pomiędzy zmianą prężności maksymalnej pary wodnej, a zmianą temperatury wzdłuż krzywej fazowej zostały opisane równaniem Clausiusa-Clapeyrona. Powyżej wartości progowej, wyznaczonej wzorem [1], para wodna zawarta w powietrzu ulega procesowi kondensacji, wracając ponownie do stanu nasycenia, w którym znajduje się w równowadze z wodą w stanie ciekłym.
Złożoność powiązań pomiędzy temperaturą powietrza i zawartością pary wodnej wpływa w istotny sposób m.in. na obieg wody, bilans radiacyjny i transport energii. Znaczenie pary wodnej w bilansie radiacyjnym powoduje, że jest ona również istotnym gazem cieplarnianym.
Przeczytaj także: Wpływ wilgotności na trwałość produktów spożywczych
Wpływ na Zmiany Klimatu
Relacje opisane równaniem Clausiusa-Clapeyrona wymuszają wzrost prężności maksymalnej pary wodnej i tym samym zdolności absorpcji pary wodnej o około 6-7% przy jednoczesnym wzroście temperatury powietrza o 1K (Manabe, Wetherald 1967; Boer 1993; Wentz, Schabel 2000; Held, Soden 2000; Allen, Ingram 2002; Trenberth i in. 2003, 2005; Willet i in. 2008).
Na obszarach, gdzie możliwa jest stała dostawa pary wodnej (oceany), wraz ze wzrostem T następuje nasilenie procesów parowania i wzrost wilgotności właściwej powietrza (q). Natomiast ograniczone możliwości parowania, np. nad lądami, powodują redukcję wilgotności względnej i wzrost deficytu wilgotności (Willet i in.
Zdecydowana większość pary wodnej w atmosferze pochodzi z procesów ewapo-transpiracji i parowania na powierzchni lądów i oceanu, a jej transport jest podstawą cyklu hydrologicznego (ryc. 1.1), przy czym zawartość wilgoci nad lądem jest w większości efektem parowania oceanicznego.
Powiązania procesów składowych obiegu wody sprawiają, że jakakolwiek zmiana zawartości pary wodnej nad powierzchnią oceanów znajduje odzwierciedlenie w jej dostępności nad lądem. Spowolnione lub przyspieszone procesy ogrzewania powietrza nad oceanem, prowadzą do mniej lub bardziej intensywnego wzrostu zdolności pochłaniania pary wodnej, co z kolei ogranicza bądź intensyfikuje tempo parowania wpływając na ilość pary wodnej dostarczanej w kierunku lądu.
Para Wodna w Systemach Cyrkulacyjnych
Transport pary wodnej odgrywa istotną rolę w kształtowaniu klimatu globalnego. Przemiany fazowe generują bowiem przepływ energii wywołany dostawą ciepła utajonego, co jest jednym z podstawowych źródeł energii dla systemów cyrkulacyjnych.
Przeczytaj także: Wilgotność względna: definicja i zastosowanie
Główną komórką cyrkulacyjną, inicjowaną i sterowaną uwolnieniem ciepła utajonego w wielkoskalowych procesach konwekcji w szerokościach okołorównikowych jest komórka Hadleya. Jej zasięg pionowy i horyzontalny oraz intensywność przepływu materii ulegają zmianom związanym ze wzrostem temperatury powietrza i tym samym prężności maksymalnej pary wodnej, przy czym ograniczenia fizyczne (m.in. strefowy bilans pędu i wielkość turbulencyjnych strumieni pędu) w istotny sposób hamują dynamikę pary wodnej (Schneider i in.
Strumień ciepła utajonego w atmosferze stanowi około 50% całkowitego strumienia energii atmosferycznej skierowanego w stronę biegunów (Pierrehumbert 2002; Trenberth, Stepaniak 2003), co potwierdza istotną rolę pary wodnej w dynamice atmosfery w szerokościach pozazwrotnikowych. Niemniej jednak znaczenie to osiąga odmienny wymiar w różnych warunkach termicznych.
Udział w Bilansie Radiacyjnym i Energetycznym
Wpływ pary wodnej na kształtowanie bilansu radiacyjnego i energetycznego Ziemi przyjmuje formę zarówno oddziaływania bezpośredniego, związanego z obecnością cząstek gazu w atmosferze, jak i poprzez rolę, jaką zawartość pary wodnej odgrywa w powstawaniu i rozwoju chmur oraz procesów wewnątrzchmurowych.
Ponadto, ze względu na udział w pochłanianiu promieniowania podczerwonego Ziemi, para wodna uważana jest za najbardziej istotny gaz cieplarniany. Wprawdzie największa ilość promieniowania pochłaniana jest w środkowej i górnej troposferze mniej zasobnych w parę wodną, niemniej jednak to zawartość pary wodnej w atmosferze odpowiada za najbardziej istotne dodatnie sprzężenie zwrotne w systemie klimatycznym (Soden, Held 2006; Rangwala 2013), wzmagając jego wrażliwość.
Istotną rolę w bilansie radiacyjnym odgrywa także para wodna biorąca udział w tworzeniu i w rozwoju zachmurzenia. Ich przebieg i intensywność, związane ściśle z obecnością pary wodnej, mają w konsekwencji wpływ także na bilans radiacyjny.
Przeczytaj także: Wilgotność względna i bezwzględna: kompleksowy przewodnik
A. Devasthale i in. (2011) podkreślają, iż duże znaczenie dla tych procesów, zwłaszcza w obszarach okołobiegunowych, ma struktura pionowa zawartości pary wodnej, w tym występowanie inwersji wilgotności powietrza. Niejednokrotnie ograniczają one bowiem parowanie z górnej powierzchni chmur, co wspomaga rozwój zachmurzenia, mając także znaczenie w uwalnianiu ciepła utajonego, wpływając tym samym na efekt cieplarniany.
Wpływ na Zmienność Klimatu
Struktura pionowa zawartości pary wodnej w atmosferze w znaczący sposób wpływa na dostawę promieniowania słonecznego oraz procesy powstawania chmur i opadów atmosferycznych. Wzrost zawartości pary wodnej zwiększa ilość promieniowania długofalowego zatrzymanego przy powierzchni Ziemi, tym samym powoduje wzrost temperatury powietrza i wzmacnia ocieplenie.
Równocześnie jednak obecność pary wodnej w atmosferze powoduje pośrednio także ujemne sprzężenia zwrotne, gdyż rozkład, transport i konwergencja pary wodnej determinuje właściwości chmur odbijających promieniowanie słoneczne. Całkowity udział pary wodnej jako czynnika sprzężeń zwrotnych został oszacowany na 47% (Manabe, Wetherald 1967; Schneider i in. 1999), przy czym zdecydowanie większą rolę odgrywa para wodna zawarta w swobodnej troposferze niż w planetarnej warstwie granicznej (Schneider i in. 1999; Rangwala 2013).
Teledetekcja i Pomiary Wilgotności
Ceilometer jest przykładem instrumentu służącego do aktywnej teledetekcji atmosfery. Długość fali światła używana w CHM15K mieści się w bliskiej podczerwieni - 1064nm. Para wodna w atmosferze i inne czynniki mogą absorbować światło w tych długościach fal i odpowiednie algorytmy teledetekcyjne, oparte na równaniu transferu promieniowania elektormagnetycznego są używane do analizy przychodzących danych z kolumny atmosferycznej.
Ceilometr składa się z laserowego źródła światła, detektora do pomiaru przychodzącego światła i komputera zbierającego i przetwarzającego dane. Chmury oddziałują na promieniowanie cieplne w atmosferze przez bardzo silną absorpcję oraz odbicie.
Podstawa chmur wpływa na bilans energetyczny ziemi i atmosfery: czym niższa jest podstawa chmur tym większa emisja promieniowania. Podstawa chmur to ważny element meteorologii lotniczej określający czy lot można realizować zgodnie z przepisami dla lotów wg wskazań przyrządów czy z przepisami VFR.
Celiometr jest niezbędnym elementem systemu lotniskowego dla CAT1 i CAT 2, spełnia wymagania ICAO Annex 3 / 11.2013 oraz FAA 150/5345-1.
Grawimetria Geodezyjna
Grawimetria geodezyjna kojarzy w sobie zarówno niektóre problemy nauk o Ziemi, jak i nauk technicznych. Zajmuje się ilościowym badaniem jednego z tych pól fizycznych naszego globu, co jest także przedmiotem zainteresowania przyrodników. Stosuje do tego celu coraz subtelniejsze narzędzia i metody pomiarowe, a to jest związane z problemami technicznymi budowy, obsługi aparatury i właściwego opracowania wyników obserwacji.
Od kilku dziesięcioleci szybko rozwija się także grawimetria satelitarna. Jest to dział geodezji i geofizyki satelitarnej traktujący o wykorzystaniu obserwacji perturbacji ruchu sztucznych satelitów do śledzenia anomalii grawimetrycznych wywołanych przez zaburzenia jednorodnego rozkładu mas, szczególnie w skorupie ziemskiej.
Wspomnieć przy tym należy, że metody grawimetryczne są niedestruktywnym sposobem poznawania struktury wnętrza Ziemi, nie ingerują czynnie w układ mas podpowierzchniowych.
Podstawowym zadaniem grawimetrii geodezyjnej jest określenie charakterystyk pola siły ciężkości Ziemi i innych ciał niebieskich, jako funkcji miejsca i momentu obserwacji. Jest to możliwe poprzez pomiary natężenia tego pola gobserw i jego gradientów, wykonane na powierzchni bryły naszego globu lub w jego sąsiedztwie.
Ze względu na sposób pomiaru i konstrukcję elementu czujnikowego grawimetru (gravis - z łac. ciężki oraz metreo - z grec. mierzyć) dzieli się metody pomiarów przyspieszenia siły ciężkości na dwie grupy: pomiary dynamiczne (obserwacje ruchu ciała w polu siły ciężkości) i pomiary statyczne (obserwacje stanu równowagi masy czujnika grawitacyjnego, na którą działa zarówno siła ciężkości, jak i siła ją kompensująca, wzorcowa, dokładnie określana mechanicznie lub elektronicznie).
Inny sposób podziału obserwacji grawimetrycznych to wyróżnienie pomiarów absolutnych (bezwzględnych) i względnych (różnicowych). Powiemy na wstępie, że bezpośrednie pomiary wartości drugich pochodnych potencjału siły ciężkości są wyznaczeniami bezwzględnymi. Natomiast pomiary absolutne natężenia siły ciężkości służą do określania pełnej wartości wektora przyspieszenia siły ciężkości g.
| Jednostka | Symbol | Wartość | Opis |
|---|---|---|---|
| Gal | Gal | 1 cm/s² | Jednostka przyspieszenia ziemskiego |
| miliGal | mGal | 10⁻³ Gal = 10 mm/s² | Jednostka używana w opracowaniach geodezyjnych i geofizycznych |
| Etwesz | E | 10⁻⁹ s⁻² | Jednostka pochodnych siły ciężkości |
tags: #wilgotność #względna #teledetekcja #metody #pomiaru
