w.klima, Klimatologia i Meteorologia

Wykład 1

Meteorologia – jest to nauka- bada stany atmosfery i zachodzące w nich zmiany, poszukuje przyczyn tych zmian i wyjaśnia je, zajmuje się prawidłościami rządzącymi ich przebiegiem.

Bada procesy fizyczne zachodzące w atmosferze w oparciu o prawa fizyki. Na szeroką skalę stosuje się w meteorologii badania instrumentalne.

Pogoda to aktualny stan atmosfery wyrażony przez określone wartości elementów meteorologicznych i zjawisk atmosferycznych. To stan zjawisk oraz parametrów atmosfery w danym miejscu i chwili.

Klimat to charakterystyczny dla danego obszaru zespołu i procesów atmosfery kształtujących się pod wpływem właściwości fizycznych i geograficznych tego obszaru określany na podstawie wyników wieloletnich obserwacji.

Klimat w odróżnieniu od pogody, jest długookresową charakterystyczną dla stanów atmosfery.

Klimat to okres 30m lat. Bioklimat 10 lat.

Klimatologia to nauka o klimacie.

Zajmuje się:

-procesy klimatotwórcze

-wpływ czynników geograficznych na przebieg tych procesów

-opisywanie i klasyfikacja klimatów kuli ziemskiej

-zmiany klimatyczne w dziejach Ziemi.

Wykład 2

Atmosfera jako składnik środowiska naturalnego – budowa atmosfery

Powietrze, woda i gleba stanowią podstawy życia na Ziemi. Stanowią one zasoby naturalne.

W wyniku procesów promieniowania człowiek jest w pewnym stopniu uzależniony także od górnych warstw atmosfery i od Słońca.

Pogoda- chwilowy stan atmosfert opisywany przez wielkości fizyczne: temp powietrza, ciśnienie atmosf, wilgotność, natężenie promieniowania słonecznego, prędkość i kierunek wiatru, zachmurzenie i rodzaj chmur, opady itd.

Klimat –charakterystyczny dla danego obszaru przebieg warunków atmosferycznych określony na podstawie minimum 30 –letnich obserwacji.

Klimat to pojecie statystyczne i bardziej złożone. Zdefiniowany jest przez pojęcia statystyczne a nie tylko przez wartości średnie. Wielkościami tymi są:

-wariancja (miara odchylenia od wartości średniej odchylenia standartowe)

-kwantyle (np. prawdopodobieństwo, ze średnia temp stycznia 2018 roku będzie niższa niż -4

-prawdopodobieństwo

Klimat na Ziemi kształtują:

-trzy podstawowe procesy klimatotwórcze: obieg ciepła, obieg wody i krążenie powietrzne

-czynniki geograficzne: ukl lądów i oceanów, wysokość n.p.m.

Dwa podstawowe pojęcia opisują atmosferę z 2 punktów widzenia, są to:

-pogoda, klimat.

Przez pojęcie pogody rozumie się stan atmosfery o określonym czasie.

W/m2 – jednostka natężenia promieniowania

Anomalie –czyli odchylenie od wartości średniej (przeciętnej). To pojecie stosowane często w klimatologii do analizy zmienności warunków pogodowych.

Czy anomalie pogodowe świadczą o zmianach klimatu?

-Nie, gdyż anomalie są naturalnie związane z klimatem.

-Dopiero, gdy anomalia utrzymuje się prze ok. 30 lat może świadczyć o zmianach klimatu.

System klimatyczny to złożony układ składający się z 5 elementów:

-atmosfera

-hydrosfera

-kriosfera

-biosfera

-powierzchnia Ziemi, w którym zachodzą interakcje

System klimatyczny jest pod wpływem wewnętrznej dynamiki oraz zewnętrznych zaburzeń (aktywności Słońca).

Procesy klimatyczne to procesy fizyczne zachodzące w systemie klimatycznym prowadzące do zmian klimatu.

Najczęściej zalicza się do nich obieg energii, cykl hydrologiczny oraz cyrkulację powietrza.

Determinują one zarówno naturalne i antropogeniczne zmiany w systemie klimatycznym.

Skład systemu klimatycznego

Wody występujące na Ziemi nazywane są hydrosferą.

Do hydrosfery prócz oceanów zalicza się rzeki, morza, jeziora, lodowce, parę wodna, wody podziemne czy bagna.

Oceany regulują klimat planety, gdyż gromadzą w sobie ciepło. Wewnątrz nich krążą prądy, które dzielą się na zimne i ciągłe – dzięki jednemu z nich, Golfsztromowi w Europie jest przystępny klimat.

Deterministyczny i stochastyczny opis zjawisk meteorologicznych

Atmosfera wraz z hydrosferą stanowią układ dynamiczny opisywany przez nieliniowe równanie różniczkowe.

Okazuje się, ze niewielkie zaburzenie warunków początkowych powoduje rosnące wykładniczo z czasem zmiany w zachowaniu układu.

Popularnie nazywane jest to efektem motyla- znikoma różnica na jakimś etapie może po duższym czasie urosnąć do dowolnie dużych rozmiarów.

Powoduje to mimo, ze model jest deterministyczną w dłuższej skali czasowej wydaje się zachowywać w sposób losowy.

Edward Lorena w roku 1960 pracował nad komputerowym prognozowaniem pogody.

Różnica na wejściu programu rzędu 10-4 (0,000127) okazała się bardzo znacząca na wyjściu. Takie zachowanie jakiegoś ukl nazywa się wrażliwością na warunki początkowe lub efektem motyla.

„Dowolny ukł fiz, który zachowuje się nieokresowo jest nieprzewidywalny”

Model deterministyczny – wykorzystuje się tu zwykła ekstrapolację szeregu dynamicznego, bez nadawania zjawiskom i zdarzeniom sensu.

Model stochastyczny – oprócz wpływu poszczególnych zmiennych objaśniających bada się również wpływ zakłóceń losowych, których nie można traktować jak przyczyn głównych.

Przewidywalność zjawisk

Aby móc przewidywać należy znać:

-ogólne prawa ruchu

-działające siły

-warunki początkowe (lub brzegowe)

Warunki początkowe znamy zawsze ze skończoną dokładnością (pomiary).

Liniowość równań mechaniki klasycznej – dokładność przewidywań jest wprost proporcjonalna do dokładności pomiaru.

Czy możemy przewidywać zmiany klimatyczne gdy nie potrafimy przewidzieć pogody na klika tygodni na przód ?

Modele klimatu maja bardzo podobną strukturę do modeli prognozujących pogodę na kuli ziemskiej, ale są od nich różne.

W prognozie pogody symulacje są dosyć krótkie – maksymalnie kilka dni.

Modele prognozy są robione zazwyczaj na znacznej gęstszej siatce.

Mimo, że prognozy numeryczne pogody po kilku dniach tracą dokładność to nie znaczy, ze stymulacje klimatu są niedokładne. Dzieje się tak dlatego, ponieważ w problemie klimatu istotne są wartości statyczne (średnie).

Wykład 3

Budowa atmosfery

Atmosfera ziemska to zewnętrzna gazowa powłoka Ziemi.

Zbudowana z mieszaniny gazów zwanej powietrzem oraz drobnych cząstek stałych i ciekłych unoszących się w powietrzu.

Do aerozoli zaliczamy:

Pyły wulkaniczne, mikroorganizmy, kropelki wody, zarodniki roślin, zanieczyszczenia pyłowe emitowane przez człowieka

Atmosfera jest to powłoka powietrza otaczająca kulę ziemską.

Wzrost wysokości atmosfery nad równikiem w stosunku do biegunów.

Czy możemy dostrzec atmosferę z kosmosu?

-bezpośrednio

-pośrednio

Atmosfera:

-Troposfera 0,12 km

*tropopauza 1-2km

-Stratosfera 11-40km

*Stratopauza 5km

-Mezosfera 40-80km

*menopauza

-Termosfera 80-800km

-Egzosfera ponad 800km

Pionowy podział atmosfery ziemskiej według warstw!!!

W 1961r. została przyjęta uchwała Komisji Aerologicznej Światowej Organizacji Meteorologicznej o podziale na warstwy wg temp i wysokości)

W troposferze tworzą się chmury, występują opady, mgły, burze, powstaje w niej oblodzenie.

Atmosfera

-masę 5,3*1015t

-połowa całej masy atmosfery mieści się w warstwie od pow. Ziemi do 5,5km

-75% do 10,5km

-90% do 20km

-99% do 35km

-gdyby sprężyć atmosferę 7,8km !!!! Masa atmosfery znajdującej się powyżej 100km od Ziemi stanowi jedna milionową masy całej atmosfery ziemskiej.

Skład atmosferyczny (do 100km) gazy stałe.

Azot 78,08%

Tlen  21%

Argon 0,9%

Pionowa stratyfikacja atmosfery

Parametry powietrza atmosferycznego ulegają zmianie wraz z oddaleniem się od powierzchni Ziemi!!

-w wypadku ciśnienia atmosfery zmiany maja charakter liniowy

-zmiany temp zachodzą skokowo w pionowym przekroju atmosfery. Czynnik ten, majacy wpływ na zróżnicowanie procesy fizykochemiczne, doprowadził do powstania warstwowej struktury atmosfery w jej pionowym przekroju.

Budowa atmosfery

- granica do 100km to homosfera (stały sklad chem, za wyjątkiem pary wodnej)

-warstwa powyżej 100km – heterosfera, zmienny skład chemiczny gazów atmosferycznych)

Troposfera do 10-12km

Spadek temp 0,6 C/100km

Max temp -55C do 80C równik

99% pary wodnej

Maleje ciśnienie

Najbliżej Ziemi znajduje się troposfera. Jej nazwa pochodzi z języka greckiego.

Powietrze w niej podległa ciągłej cyrkulacji.

Grubość troposfery zależy od szerokości geograficznej i pory roku !!!

-Troposfera jest najgrubsza nad obszarami równikowymi (do 18km), najcieńsza nad biegunami (7km).

Powoduje to siła odśrodkowa powstająca w trakcie ruchu obrotowego Ziemii!!!

-Zależność grubości troposfery od pory roku polega na tym, że wraz ze wzrostem temp. Troposfera zwiększa swoją objętość!!!

-Na wiosnę i jesienią troposfera jest najgrubsza nad równikiem. W takcie naszego lata, kiedy promienie słoneczne bardziej oświetlają półkule północną, to właśnie tam znajduje się najgrubsza warstwa troposfery.

Sytuacja zmienia się podczas astronomicznej zimy. Troposfera jest wtedy najgrubsza nad półkulą południową!!!!

-Najbardziej charak cechą tej warstwy jest spadek temp i wilgotności powietrza wraz z wysokością!!!

-Sytuację, w której wraz ze wzrostem wysokości rośnie temp, nazwana inwersją termiczną.

-W troposferze temp, zmienia się wraz z wysokością średnio o 0,6 C/100. Wskaźnik ten może się jednak wahać w zakresie od 0,4C/100m do 1C/100m. Zależy od zawartości pary wodnej w powietrzu.

Tropopauza 1 do 2km

-temp przestaje spadać i się stabilizuje, to tropopauza- granica troposfer

-wieją prądy strumieniowe

Stratosfera

Temp wzrasta wraz z wys do 0C

-Jej dolna część jest zimna (temp jest tam niska od 45C -75C i wzrasta nieznacznie)

-W ciepłej warstwie tworzy się ozon O3. Ozon powstaje w wyniku reakcji, podlegającej na rozbiciu dwuatomowej cząst. tlenu przez fotony światła. Proces ten – fotodysocjacja – to reakcja, w której pochłoniecie fotonu prowadzi do rozpadu cząsteczki pochłaniającej: O2 + foton >2O.

Dalej ze względu na wysoką reaktywność tlenu w postaci atomowej, dochodzi do kolejnej reakcji: O+O2>O3. Jest to typowa reakcja egzotermiczna, w trakcie której zostaje wydzielone ciepło. I właśnie powstanie O3 stanowi przyczynę wzrostu temp w górnej części stratosfery. Warstwa ozonosfera.

-W zimie w stratosferze powstają chmury perłowe (obłoki iryzujące). Są to chmury zbudowane z bardzo drobnych kryształów lodu. Widoczne są jedynie w nocy kiedy oświetla je słońce ukryte za horyzontem.

Mezosfera40-80 (85)km

-Szybki spadek temp powietrza spada nawet do -90 (-120)

-Ciśnienie atmosferyczne wynosi 1hPa.

-Silna turbulencja cząst powietrza.

-Nie zachodzą żadne reakcje egzotermiczne, ponieważ od Ziemi – źródło ciepła – jest daleko !!!

-W górnych warstwach mezosfery z drobnych kryształów lodu tworzą się chmury srebrzyste (obłoki mezosferyczne)!!

Termosfera 500-600km

-Temp rośnie wraz z wysokością i w górnej części osiąga wartości wyższe nić 1500C.

Przyczyną jest pochłanianie promieniowania słonecznego przez tlen atomowy.

Jej dolna częścią jest jonosfera, której zachodzi znaczący wzrost temp.

Wydzielanie ciepła w jonosferze spowodowane jest działaniem promieni ultrafioletowych, które jonizują gazy atm. Temp dochodzą 1000C!!!

-Naelektryzowane cząsteczki air odbiją fale radiowe – umożliwiają łączność radiową miedzy miejscami bardzo odległymi od siebie!!!

Oddziaływanie wiatru słonecznego na jony powietrza tworzy (ok. 100km) zjawisko zorzy polarnej.

Egzosfera

-najbardziej zewnętrzna warstwa atmosfery ziemskiej skł się H i He.

-Następuje tu wymiana materii miedzy Ziemia a przestrzenia kosmiczna (ząst. Powietrza osiągają duże prędkości i mogą ulatywać w kosmos).

-Temp spada do bliskiej zera bezwzględnego. (-273C)

HYDROSFERA

Hydrosfera –jedna z geosfer. Ogół wód na wody podziemne, powierzchniowe wraz z rzekami, jeziorami, lodowcami, morzami i oceanami, atak ze parą wodną w powietrzu.

Hydrosfera: oceanosfera, wody wyst na ladach

-wody słone, 97,5%

-słodka woda to 25%

-2/3 wody słodkiej skoncentrowane jest w lodowcach, trwałej pokrywie śnieżnej i wiecznej zmarzlinie

-pozostała część wody słodkiej przypada na wody podziemne, jeziora i rzeki.

Oceany

- wody słone to głównie oceany

-70% pow. Ziemi, na półkuli poł 81), północnej 61%

Śr głębokość to 3711m

-średnie zasolenie wód wynosi ok. 35% i waha się w granicach: 34,5% w okolicach równika, 38% strefie zwrotnikowej.

Różnice pomiędzy oceanem a atmosferą

-woda ma ok. 4 większą pojemność cieplną

- masa całej atmosfery jest równoważna ok. 10-ciu m warstwie wody!!!

-Atmosfera podgrzewana jest (przez promieniowanie słoneczne) od dołu (od pow. Ziemi) podczas gdy woda podgrzewana jest od góry. Ma to znaczenie dla rozwoju konwekcji.

Wymiana:

-energii

-pędu

-pary wodnej

-CO2

-soli morskiej

Wykład 4

Opis stanów atmosfery

Pogoda jest chwilowym stanem atmosfery na danym obszarze.

Układ powiązanych ze sobą składników, zw. elementami meteorologicznymi, opisuje stan atmosfery!!!

Elementy meteorologiczne:

-temp i wilgotność powietrza

-zachmurzenie

-opady i osady atmosferyczne

-ciśnienie atmosferyczne i wiatr

Rzetelny opis pogody zawiera najważniejsze elementy meteorologiczne. Potocznie pogode okreslamy mniej szczegółowo!!!

Temperatura określa stopień nagrzania ciała. Jest ona miarą ruchu cieplnego molekuł. Im wyższa temp, tym ruch molekuł jest szybszy. Temp określa zdolność subst do przekazywania ciepła. Skalę temp się 1 lub 2 stałe punkty termometryczne.

Najbardziej znaną skalę temp zaproponował w 1742 Anders Celsujsz (1701-1744).

Za dwa punkty termometryczne przyjął 0 i 100 temp topnienia lodu (0C) temp wrzenia (100C).

Zakres miedzy punktami został podzielony na 100 części, jedna podziałka odp 1C.

W Stanach Zjednoczonych używa się skali Fahrenheita (F), w której zamarzania wody odpowiada 32F, a punkt jej wrzenia 212F. Odstęp miedzy tymi punktami został podzielony na 180 części.

Obecnie 32F=OC              212F=100C

W badaniach naukowych potrzebna była jednak bardziej precyzyjna i bezwzględna skała.

W Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar Si przyjęto skalę Kelvina. Ma ona jeden punkt termometryczny, którym jest temp zera bezwzględnego (najniższa możliwa temp, w której zanikają ruchy molekuł), 0K odpowiada -273,15C.

William Thomson, 1 Baron Kelvin na jego 1K=1C część jednostką pods temp w ukł SI naz Kelvinem.

W przeciwieństwie do skali Celsujsza, w skali Kelvina nie używa się pojęcia „stopień”, tj. temp 100 stopni Celsjusza to 373,15 kelvinów.

Ciśnienie atmosferyczne to ciężar warstwy powietrza znajdującego się nad jednostka powierzchnią.

Ciśnienie normalne na poziomie morza, w temp 0C, na 45 szerokości geograficznej północnej równoważy słup rtęci o przekroju 1cm2 i wysokości 760mm.

Jednostka ciśnienia atmosferycznego to paskal (Pa) Wyraża się je w (1hPa =100Pa).

Zależność pomiędzy starszą a nowszą jednostką jest następująca: 750 mm Hg=1000hPa.

A zatem  ciśnienie normalne na poziomie morza wynosi 1013,25hPa!!!!

Wilgotność powietrza oznacza zawartość pary wodnej w powietrzu i określa się ja za pomocą kilku wskaźników.

Procentowy udział pary wodnej, znajdującej się w powietrzu w danej temp pokazuje wilgotność bezwzględną.

Powietrze nasycone, czyli zawierające maksymalna ilość pary wodnej w danej temp, ma wilgotność względna równą 100%.

Wartość 50% oznacza, że w powietrzu w określonej temp zmieściłoby się 2 razy więcej pary wodnej.

Zachmurzenie – stopień pokrycia nieba przez chmury.

Określa się w sposób wizualny, w skali 11-stopniowej (O brak chmur, 10 niebo całkowicie zachmurzone).  Stosowana skala jest 9 stopniowa.

Opady i osady atmosferyczne

Opady ze względu na czas trwania mogą być ciągłe i przelotne. Ich wielkość podaje się w milimetrach (mm), oznaczających wysokość warstwy wody pozostałej po opadzie.

Wiatr – ważny element to kierunek i prędkość wiatru. Określa się go w stopniach miary kątowej lub według róży wiatrów!!!

Prędkość wiatru oznacza drogę, jaką pokonują cząst. powietrza w jednostce czasu.

Najczęściej podaje się ją w ...