Meteorologia i klimatologia-wyk.doc

METEOROLOGIA I KLIMATOLOGIA

Stacja meteorologiczna, ogródek meteorologiczny – miejsce wykonywania pomiarów i obserwacji meteorologicznych. Stacja meteorologiczna jest wyposażona w poletko pomiarowe (ogródek meteorologiczny) – trawiasty obszar o wymiarach 15×15 m, na terenie którego są zainstalowane przyrządy meteorologiczne. Podstawowy zestaw przyrządów to klatka meteorologiczna z kompletem termometrów, wiatromierz, deszczomierze, termometry gruntowe, heliograf, ewentualnie przyrządy do pomiarów promieniowania słonecznego.

Na terenie stacji meteorologicznej wykonuje się pomiary: temperatury powietrza na wysokości 2 m nad poziomem gruntu, temperatury powietrza na wys. 5 cm npg., wilgotności powietrza na wysokości 2 m npg., ciśnienia powietrza, wysokości opadu atmosferycznego, czasu usłonecznienia, widzialności meteorologicznej etc.

Na nieotrawionym, przekopanym poletku meteorologicznym zorientowany w osi wschód- zachód mierzy się temperaturę gruntu na głębokości 5, 15, 50 i 100cm. Oprócz tego oblicza się parowanie.

METEOROLOGIA – dział pomiaru bezpośredniego pomiaru słonecznego i natężenia;

Roczniki meteorologiczne wychodziły do 1984 roku, po tym okresie utajniono je;

Fizyka atmosfery – dział geofizyki;

Mechanika, termodynamika, optyka, elektryczność i magnetyzm – ATMOSFERA;

METEOR – ciało niebieski;

AEROLOGIA – aeros – powietrze, za pomocą radiosond do wysokości 40km;

AERONOMIA – badania powyżej 40km;

METEOROLOGIA – nauka o pogodzie, bada zjawiska zachodzące w atmosferze, zjawiska pogodowe związane są z procesami dynamicznymi;

·         Ogólna – składa się: meteorologia dynamiczna – o ruchach powietrza; fizyczna – inne – optyczne;

·         Stosowana – meteorologia synoptyczna – zajmuje się teorią i technikami przewidywania pogody; agrometeorologia – na potrzeby rolnictwa, morska, lotnicza, tropikalna, arktyczna;

PROBLEMY METEOROLOGICZNE:

1.      Skład i budowa atmosfery;

2.      Obieg ciepła w atmosferze na powierzchni ziemi ze szczególnym obiektem zainteresowania promieniowania;

3.      Obieg wilgoci, stany skupienia wody;

4.      Ruchy powietrza w różnych skalach: globalnej, regionalnej i lokalnej;

5.      Elektryczność atmosferyczna;

6.      Zjawiska optyczne, akustyczne;

7.      Przewidywanie zmian warunków pogodowych;

8.      Współzależność zjawisk atmosferycznych i życia organicznego na ziemi, a także różnych form działalności człowieka na Ziemi;

ELEMENTY POGODY:

·         Usłonecznienie – czas trwania bezpośredniego promieniowania słońca; HELIOMETRIA; AKTYNOMETRIA – natężenie, moc;

·         TERMOMETRIA – temperatury;

·         Ciśnienie atmosferyczne – BAROMETRIA;

·         Wilgotność powietrza – HIGROMETRIA;

·         Ruch powietrza (wiatr) – ANENOMETRIA – anemometry;

·         Opady atmosferyczne – mierzy się ich sumy – NUWIOMETRIA – deszczomierz, nuwiometr;

·         Pokrywy śnieżne, grubość, gęstość śniegu;

·         Parowanie wody – EWAPOROMETRIA – ewaporometry, wilgotność;

·         Stan gruntu – jego uwilgotnienie, wilgotność;

Cykl badawczy rozpoczyna się od obserwacji, potem tworzy się teorie, a później szuka się udowodnienia – potwierdzenia;

FAKTY Z HISTORII:

·         Dzieło Arystotelesa;

·         Traktat Hipokratesa o ruchu powietrza;

·         Kronika pogody – XIV wiek – okolice Oxfordu;

·         Później zaczęto tworzyć w Szwajcarii;

·         XV i XVI wiek – księgi astronomiczne, kupieckie;

·         1 przyrządem do pomiaru wilgotności powietrza – XV wiek;

·         Leonardo da Vinci – przyrząd do pomiaru siły wiatru;

·         Termometr – 1579 rok – Galileusz;

·         Anemometr;

·         Wszystkie te przyrządy udoskonalono;

·         XVII wiek – barometr;

·         Połowa XVII wieku – początek kompleksowych, instrumentalnych zjawisk meteorologicznych – sieć Florentyńska;

·         XVIII wiek – skale termometryczne; skala Farenheita, Kelwina i Celsjusza;

·         Warszawa – początek 1776 roku – systematyczne obserwacje meteorologiczne za pomocą urządzeń instrumentalnych;

·         Sieć monachijska – Żagań na Śląsku;

·         XIX wiek – I rocznik meteorologiczny „Dostrzeżenia meteorologiczne w Warszawie”;

·         I połowa XIX wieku – I mapy pogodowe – synaptyczne;

·         Sieć warszawska – z niej powstałą narodowa stacja pogodowa;

·         Początek XX wieku – obecność tropopauzy; badania za pomocą balonu;

·         Polska brała udział w pracach Roku Polarnego 1992/4; stacja meteorologiczna na wyspie Niedźwiedziej;

·         Od zakończenia II WŚ powstał instytut Hydrologiczno – Meteorologiczny;

·         1950 rok – powołanie światowej organizacji Meteorologicznej, siedziba w Szwajcarii. Kieruje i obserwuje okresowe badania, zmiany klimatu, konsekwencje związane z tym;

ATMOSFERA:

Składniki powietrza:

·         Główne: Azot – 78%, Tlen – 21%, Argon – 0,93%, dwutlenek węgla – 0,033% (w latach liczy się jego czas przebywania w atmosferze) – 99% objętości suchego powietrza;

·         Drugorzędne: niezmienne – gazy szlachetne: neon, hel, krypton, ksenon, tlenek węgla, wodór; zmienne – ozon, związki siarki, azotu i inne;

PARA WODNA H2O – 0,2 – 2,5% średnio, granica – 4%, para wodna jest ważna;

Skąd się bierze i gdzie występuje?

      Para wodna dostaje się dzięki parowaniu wody z powierzchni ziemi, powierzchni roślin – transpiracja, gruntu porośniętego roślinnością – ewapotranspiracja;

·         Potencjalne – mało możliwe w danych warunkach pogodowych przy niewyczerpalnych zasobach wody do parowania; z mórz;

·         Rzeczywiste – parowanie z lądu;

Para wodna dostaje się do atmosfery. Najwięcej jest jej w najniższej warstwie atmosfery;

OZON – powstawanie:

O2 + energia – O + O (promieniowanie UV);

O2 + O + M – O3 + M (zderzenie);

O3 + energia – O2 + O (wiązany przez Cl);

O3 + O – O2 + O

OZON pochłania promieniowanie krótkie, ultrafioletowe, Ozon powstaje w pewnej warstwie 20 – 30km; ma szczególnie podwyższoną temperaturę – ta warstwa działa też jako gaz cieplarniany – częściowo pochłania ziemskie promieniowanie; Ilość ozonu – 3mm; występuje w przypowierzchniowej warstwie ziemi. Jego obecność jest szkodliwa;

DWUTLENEK WĘGLA: procesy spalania, dużo w obszarach zurbanizowanych, chłodne wody oceaniczne i powierzchnie roślin pochłaniają go. Jest on gazem cieplarnianym – pochłania promieniowanie ziemskie;

Podstawowym gazem cieplarnianym jest para wodna. Współdziała z dwutlenkiem węgla;

BUDOWA ATMOSFERY:

·         Troposfera;

·         Stratosfera;

·         Mezosfera;

·         Jonosfera;

·         Egzosfera;

·         Termosfera;

80 – 100km – warstwa powietrza normalna, powyżej – występowanie składników zgodnie z ciężarem właściwym;

Ø      Ze względu na skład dzielimy:

1)      Zjonizowana;

2)      Jonizacja powietrza – powyżej 80km JONOSFERA;

Ø      Ze względu na zawartość tlenu do oddychania do wysokości 4km – WORMOKSYDOWA warstwa do oddychania, od 4 – 15km – zawartość tlenu maleje – HIPOKSYDOWA, powyżej – brak tlenu – ANOKSYDOWA;

Ø      Ze względu na zmianę temperatury w atmosferze jakie dokonują się na wysokości:

1)      Spadek temperatury w miarę wysokości : troposfera, stratosfera – 99%, mezosfera, termosfera – 1%;

2)      Wzrost;

3)      Znów spadek;

4)      Znów wzrost;

Między nimi są warstwy przejściowe o różnej grubości – pauzy: tropopauza, strato pauza i menopauza;

STRATOSFERA – obłoki iryzujące, odbijane są fale dźwiękowe;

MEZOSFERA – nocne obłoki świecące – świecenie nieba;

Służba pogody w Polsce (XII – 1986 rok);

Stacje meteorologiczne – około 60 (w 1 godzinę);

Posterunki meteorologiczne – około 286 (co 6 godzin);

Posterunki opadowe – około 1400;

Stacje pilotażowe – 20;

Stacje aerologiczne – 4;

1.      Skład atmosfery ziemskiej;

2.      Budowa atmosfery ziemskiej (podziały na warstwy według różnych kryteriów);

3.      Źródła, występowanie i znaczenie w atmosferze: pary wodnej, dwutlenku węgla, ozonu;

4.      Charakterystyka warstw atmosfery wydzielonych na podstawie zmian temperatury z wysokością: troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery;

PROMIENIOWANIE:

·         Sposób rozprzestrzeniania się energii bez udziału środowiska materialnego;

·         Istoty: energia: kwantowa;

·         Fala elektromagnetyczna. Posługujemy się długością fali;

·         Promieniowanie temperaturowe – temperatura powierzchni emitora;

·         Promieniowanie korpuskularne tzw. Wiatr słoneczny ale do powierzchni ziemi nie dociera;

·         Widmo promieniowania jest bardzo szerokie;

·         Zakres promieniowania widzialnego od 0,360 mikrometra do 0,760 µm;

·         Promieniowanie widzialne – optycznym okiem;

·         Fale radiowe;

·         Jednostki energetyczne:  energię przechodzącą w czasie t przez pole powierzchni S prostopadłej do kierunku rozchodzenia się promieniowania; cal/cm2;

PRAWA PROMIENIOWANIA (ciało doskonale czarne – emituje i wypromieniowuje energię do temperatury swojej powierzchni):

·         PRAWO KIRCHOFFA: e(λ,T)/a(λ,T) = constans – stosunek emisji do absorpcji jest stały, a dla ciała czarnego wynosi 1;

·         PRAWO PLANCKA: E = f (λ,T) – temperatura powierzchni T i długości fali;

·         PRAWO STEFANA BOLTZMANA: E = б * T4 – całkowita ilość energii wysyłana przez jakieś ciało jest wprost proporcjonalna do 4; б = 8,26 * 10-11 cal/cm3 bezwzględnej temperatury tego ciała;

Rozkład promieniowania w zależności od długości fali – Krzywa PLANCKA;

·         PRAWO WIENA – długość fali przy, której długość jest największa jest odwrotnie proporcjonalna; λmax * T = a; λmax = a/T, a = 0,2892cm * stop;

PROMIENIOWANIE SŁONECZNE:

Jest podstawowym czynnikiem klimatycznym. Jest motorem cyrkulacji ruchu powietrza. Możliwy jest obieg wody w przyrodzie, dostarcza energię do parowania. Fotosynteza. Jest prawie w całości krótkofalowe. Maksimum energii 0,47µm, barwa niebiesko – zielona. Na podczerwieni – 47%, na widzialnym – 46% i na nadfiolet – 7% promieniowania dochodzi do powierzchni Ziemi w postaci wiązki promieni równoległych. Ilość promieniowania dochodząca do górnej atmosfery to 1367 W/m2 (nie równa się 3,5%) – STAŁĄ SŁONECZNA; Promieniowanie przechodząc przez atmosferę ulega osłabieniu. Jest pochłaniane. Po dojściu do Ziemi dostaje uszczerbku. Pochłania je para wodna, CO2, O3. Ozon pochłania promieniowanie krótkie i pewną ilość podczerwieni; CO2 pochłania silnie w podczerwieni;

Łącznie atmosfera pochłania 15% energii słonecznej jaka przez nią przepływa;

ROZPRASZANIE – zmiana kierunku promieni na skutek napotkania różnych cząstek w atmosferze. Do powierzchni ziemi dochodzi pewna część 2/3 w postaci rozproszonej dochodzi do ziemi. Zależy od wielkość cząstek rozpraszających. Jest odwrotnie proporcjonalne do 4 potęgi długości fal. Rozpraszane jest promieniowanie krótkie, fioletowe, błękitne;

Pochłanianie i rozpraszanie wpływa na osłabienie promieniowania;

OSABIENIE PROMIENIOWANIA – PRAWO BOUGUERA: IB = IO * pm; p – współczynnik przezroczystości atmosfery, m – masa optyczna atmosfery;

Stałą słoneczna x współczynnika przezroczystości atmosfery do potęgi m, gdy kąt maleje miąższość atmosfery zwiększa się;

NATĘŻENIE BEZPOŚREDNIEGO PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO – mierzymy zawsze na powierzchnię prostopadłą. Trzeba uwzględnić sinus wysokości kąta;

Ir = Is * sinh, Ir – natężenie promieniowania słonecznego (cal/cm3) na powierzchnię poziomą;

Promieniowanie na powierzchni ziemi:

·         Bezpośrednie IB * sinh;

·         Rozproszone IO = a/24 * I2;

·         Całkowite Ir = IB * sinh + IB;

·         Pochłonięte (IB * sinh + ID) (1 – A) – zdolność powierzchni ziemi do pochłaniania promieniowania;

Część promieniowania dochodzącego do powierzchni ziemi jest odbite – ALBEDO – zdolność powierzchni ziemi do odbijania promieniowania słonecznego, inaczej stosunek promieniowania odbitego do padającego;

BILANS PROMIENIOWANIA KRÓTKOFALOWEGO (odbitego od powierzchni ziemi);

PROMIENIOWANIE ZIEMI – ziemia wysyła promieniowanie Ez w stronę atmosfery;

EFEKTYWNE – Ee = Ez – Ea – promieniowanie zwrotne z atmosfery;

Większe promieniowanie (efektywne) jest w dzień, większe w nocy ponieważ w dzień są większe tempe...