Meteorologia i Klimatologia - wykłady


Meteorologia i Klimatologia

Meteorologia - nauka geofizyczna; procesy w zewnętrznej części atmosfery.

Klimatologia - nauka geograficzna.

Pogoda - chwilowy fizyczny stan atmosfery w dany miejscu

Klimat - przeciętny stan pogody w danym miejscu

Pojęcie klimatu i jego pochodne

  1. Klimat powierzchni granicznej - określenie warunków dotyczące małych obiektów terenowych np. powierzchnia liścia.

  2. Mikroklimat

    1. jednostkowy - elementarne jednostki środowiska przyrodniczego („ekologiczne”) np. otoczenie większego głazu, korona drzewa

    2. warstwowy - nad jednolitym położeniem do 20 m wys.

  3. Topoklimat - elementarne jednostki geograficzne (nie są to jednostki samoistne) np. brzeg jeziora, polany w lesie

  4. Mezoklimat - określony wielkością samoistnych jednostek geograficznych (np. dolina, las)

  5. Makroklimat - region, subregion lub obszar podobnej kategorii (np. Nizina Mazowiecka)

  6. Geoklimat - dotyczący znacznej części kontynentu lub oceanu (np. Europa Środkowa)

  7. Klimat planetarny - cała lub znaczna część Ziemi (np. strefa umiarkowana, Ameryka Południowa)

Skład i Budowa Atmosfery

Skład powietrza:


N2 78,1%

O2 21%


Ar 0,9%

CO2 0,03%


Me 18 ppm

He 5 ppm

Kr 1 ppm

Xe 0,09 ppm

CH4 1,5 ppm

CO 0,1 ppm

H2 0,5 ppm

H2O 0,25 ppm


O3 do 10 ppm w stratosferze, 5-50 ppb w czystym powietrzu do 500 ppb w zanieczyszczonym (grunt)

H2S 0,02 ppb (nad lądem)

SO2 0,2 ppb (nad lądem)

NH3 6 ppb (nad lądem)

NO2 1 ppb (nad lądem)

CH2 0-10 ppb


ppm - część na milion

ppb - część na miliard

Główne składniki powietrza występują wszędzie, jednak wysoko (u góry) w wersji zjonizowanej.

Pozostałe składniki są lekkie, więc u góry ...

Stratosfera:

Wraz ze wzrostem wysokości temperatura spada - pionowy gradient temperatur powietrza: na 100 m średnio 0,6oC; w szczególnych przypadkach (w zależności od procesów zachodzących w atmosferze) 0,3o C na 100 m

Przy ziemi temperatura powietrza wynosi około 15o C w górze -50o C

Przypadki szczególne:

0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic
Inwersja - odwrócenie układu normalnego

Nagrzana powierzchnia Ziemi powoduje ogrzanie powietrza, w wyniku czego powietrze zwiększy swoją objętość.

0x08 graphic
Po ogrzaniu będzie się ono unosiło do góry, a wraz ze wzrostem wysokości temperatura będzie się obniżała -

Proces Adiabatyczny.

Powietrze ma pewną wilgotność. Poprzez ochładzanie następuje nasycenie parą wodną i skraplanie - Utajone ciepło kondensacji. Później powietrze będzie się wolniej ochładzało.

Wyróżniamy dwa gradienty utajone:

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

Sytuacja odwrotna

Wraz ze spadkiem wysokości następuje sprężanie powietrza i staje się ono coraz suchsze, dlatego chmury będą zanikały - zjawisko suchoadiabatycznego gradientu. Powietrze spływając ogrzewa się coraz szybciej.

Nasz warstwa Troposfery ma około 10-12 km Wyróżnia się w niej trzy piętra ze specyficznymi chmurami:


Niskie Średnie Wysokie

Tropopauza - warstwa przejściowa, temperatura się nie zmienia, -50 do -55oC, wynosi około 1 km

Stratopauza - warstwa przejściowa izotermiczna.

80-90 km nad ziemią.

W Mezopauzie temperatura znowu wzrasta.

Jonosfera w dzień jest bardziej aktywna i wówczas schodzi niżej, stanowi ochronę przed promieniowaniem słonecznym, odbija fale radiowe (w nocy lepszy odbiór radia - jonosfera wyżej), w tej strefie powstaje Zorza.

Promieniowanie Słoneczne

Elektromagnetyczne - charakteryzuje się długością fali (λ) i częstotliwością (liczba drgań na sekundę)

Proces promieniowania określają prawa:

  1. Kirchoffa - jeżeli ciało emituje przy danej temperaturze ciepło o danej długości fali, to absorbuje ono promieniowanie o tej samej długości fali przy tej samej temperaturze.

  2. Planca - każdej długości fali odpowiada określona zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego

  3. Wiena (czyt. Wina :) - maksimum promieniowania (energii) przypadające przy określonej fali jest odwrotnie proporcjonalne do temperatury emitera (im cieplejsze ciało, tym krótsze fale wysyła).

  4. Stefana-Bolzmana - cała zdolność do wysyłania promieniowania jest równa temperaturze do czwartej potęgi

Charakterystykami energetycznymi promieniowania słonecznego są:

  1. Natężenie promieniowania - energia przenoszona w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni z jednostkowego kąta bryłowego. (ilość energii jaka pada na daną powierzchnią w danym czasie)

[ 1 cal / cm2 - min = 69,8 mW/cm2] 4,2 J = cal

[W/m2 - J/m2*s]

  1. 0x08 graphic
    0x08 graphic
    Strumień promieniowania - ilość energii emitowana w jednostce czasu przechodząca (otrzymana) przez jednostkę powierzchni (prostopadle do kierunku max promieniowana)

Rozkład natężenia promieniowania słońca (około 6 tys. oC)

Atmosfera pochłania częściowo promieniowanie słoneczne (w określonych

0x08 graphic
0x08 graphic
długościach fali), działa selektywnie (dlatego wykres się załamuje).Stała słoneczna - natężenie promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery bez wstrzymującego działania atmosfery (mierzone na powierzchnię prostopadłą do promieniowania).

= 1,98 cal / cm2 * min = 1380 W/m2

Pasmo fal

nm (10-9m)

częstotliwość

Ultrafiolet w tym:

UVC

UVB

UVA

1,0 - 400

3*105*750

Widzialne (fiolet, niebieskie, zielone, żółte, pomarańczowe, czerwone)

360 - 760

833*394

Podczerwone

760 - 375 000

394*0,8

Zakres najlepszej rozróżnialności

470 - 670

Zakres standardowy oka ludzkiego

380 - 770

Zakres fotosyntetyczny

Pochłanianie chlorofilu

Odbijanie chlorofilu

400 - 700

590 - 760

490 - 540

Zakres promieniowania długoflowego

3000 - 375 000

Zakres promieniwania krótkofalowego (słońca)

290 - 3000

1034*100

Zakres promieniwania słonecznego

1*1011

3*105

0x01 graphic

Pochłanianie

Promieniowanie długofalowe zatrzymywane jest przez gazy - głównie CO2 , H2O (bierze udział w efekcie szklarniowym).

Rozpraszanie - zależy od składu w atmosferze; gdy jest dużo cząstek małych, wówczas silniej są rozpraszane fale krótkie(czyli czyste powietrze). Natomiast gdy dużo jest dużych cząstek, to rozpraszane są fale długie (zanieczyszczone powietrze).

Ekstynkcja (osłabienie) promieniowania

Prawo Bougera


I = I0 pm

0x08 graphic
0x08 graphic
I - natężenie promieniowania przy Ziemi

p - współczynnik przezroczystości atmosfery

m - masa optyczna atmosfery

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic


0x01 graphic

h0

900

600

400

200

50

30

m

1

1,16

1,55

2,9

10,4

15,4

0x01 graphic
0x01 graphic

Powierzchnie naturalne

odbijanie

Śnieg

95 %

Czarnoziem gleby

5-10 %

Gleby jasne, wilgotne

15 -20 %

suche

20 - 25 %

Las bezlistny

15%

ulistniony

20%

iglasty

10 - 15 %

Wpływ promieniowania na roślinność

Bilans promieniowania (zyski i straty)

0x08 graphic
- promieniowanie atmosfery

- promieniowanie zwrotne długofalowe

- promieniowanie własne powierzchni Ziemi

Wynik bilansu w nocy jest ujemny.

Powierzchnia czynna - to powierzchnia, na którą może padać promieniowanie, i która może ją pochłaniać np. trawnik stacji meteo, pierwsze piętro drzewostanu w lesie (runo już nie, bo promieniowanie albo wcale tam nie dociera, albo jest tak niewielkie, że nie ma znaczenia energetycznego).

Bilans cieplny pewnego obszaru

Elementy :

Q - wymiana ciepła przez promieniowanie (przychody i rozchody)

G - wymiana między powierzchnią czynną (terenu otwartego) w głąb gruntu

A - wymiana ciepła między powierzchnią czynną a atmosferą

E - energia zużywana w przemianach gazowych

„G” - właściwości cieplne gleby