meteorologiaWYKúADY.doc

1.PODZIAŁ METEOROLOGII JAKO NAUKI.

Meteorologia - bada i wyjaśnia zjawiska atmosferyczne z punktu widzenia fizyki.

Dzieli się według badanej przestrzeni na:

-aerologia

-hydrometeorologia – zajmuje się woda pod różnymi postaciami w atmosferze.

Według rodzaju badań na:

-dynamiczna - zajmującą się badaniem ruchów atmosfery

-pogodoznawstwo

-klimatologia - analizuje związki zachodzące pomiędzy element. meteorologii od warunków geologicznych, ich wpływ na rozwój świata zwierząt i roślin, higienę człowieka

-synoptyka - która analizuje pogodę na danym obszarze w określonym czasie i stara się przewidzieć jej zmiany, czyli przedstawić prognozę pogody na kilka godzin naprzód),

oraz według zastosowania:

-agrometeorologia - bada meteorologiczne, klimatyczne, hydrologiczne warunki mające znaczenie dla rolnictwa i mająca związki z produkcją.

-biometeorologia - nauka zajmująca się badaniem bezpośredniego i pośredniego wpływu klimatu i pogody na żywe organizmy, zwłaszcza na organizm człowieka. Ustalanie prognoz dotyczących samopoczucia ludzi, zachorowalności i przebiegu chorób - w zależności od przewidywanej pogody, bada związki między zmianami pogody i zachorowalnością oraz przebiegiem chorób.

-komunikacyjna - zastosowanie głównie w lotnictwie i nawigacji morskiej

-inżynierii środowiska.

2.BUDOWA ATMOSFERY ZA SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM PODZIAŁU TROPOSFERY.

W atmosferze wyróżniany 4 warstwy: Troposfera, w której temperatura maleje wraz ze wzrostem wysokości prawie jednostajnie. Rozciąga się bezpośrednio nad powierzchnią ziemi do wysokości 7km w okolicach podbiegunowych – a do ok. 16 km w strefie równika. W jej obrębie wyróżnia się warstwę dolną – przyziemną do wys. 1,5km nad pow. ziemi, - średnią od 1,5km do 6,0km i – górną od 6km do górnej warstwy toposfery, czyli do 10km. Traposferę oddziela od atmosfery warswa przejściowa 1-2 km, tzw tropopauza, w której temer. jest niezmienna.

Następne warstwy to: Stratosfera do wys. 50-55km od pow. ziemi, póżniej znowu jest stratopauza i następna warstwa: Mezosfera do wys. ok. 80km od pow. ziemi. Nad mezosferą jest Termosfera (Jonosfera), w której wzrasta temp. Mezosferę i termosferę oddziela mezopauza.

Powyżej 80km od pow. ziemi jest egzosfera (strefa rozproszenia gazów)

3.DEFINICJA ATMOSFERY I JEJ SKŁAD.

Atmosfera jest fizyczną mieszaniną gazów. Zjawiska mające znaczenie dla meteorologii występują głównie w dolnych warstwach atm. Gazy wchodzące w skład powietrza w stosunku stałym nazywane są składnikami atmosfery, zaś występujące w ilości zmiennej nazywamy domieszkami. Główne składniki atmosfery to: azot (78,08%), tlen(20,95%), argon(0,93%) oraz dwutlenek węgla. Badania powietrza atm. wykazały, że powietrze suche jest w przybliżeniu jednorodną mieszaniną kilku gazów. Wszystkie składniki powietrza występują procentowo w stałych ilościach, za wyjątkiem dwutlenku węgla, którego zawartość może się zmieniać w granicach od 0,016-0,04% objętości.

Jedynie para wodna, bardzo istotna domieszka atm., może ulegać znacznym wahaniom udziału w składzie atm., bo od 0-4% jej objętości. Zmienny skład wykazują także: neon, Hel, xenon, wodór, krypton, ozon.

Atmosfera składa się z trzech podstawowych części: czystego i suchego powietrza, pary wodnej oraz zanieczyszczeń pochodz. organicz. i nieorganicz. Dla życia na ziemi największe znaczenie ma: tlen, azot, dwutlenek węgla, para wodna i ozon.

4.PODZIAŁ I CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA.

promieniowanie słońca jest głównym źródłem energii cieplnej na Ziemi. Słońce wysyła promienie o długości fal od milionowych części mikrometra (np. fale Rentgena) po dziesiątki km (fale radiowe). W meteorologii rozróżnia się promieniowanie krótkofalowe (0,1 do 4,0 μ ) i długofalowe ( 4 do 120 μ ). Promieniowanie słoneczne składa się w 99 % z promieniowania krótkofalowego. Promieniowanie Ziemi i atmosfery zaliczane jest do długo­falowego gdyż składa się głównie z fal o długości 4 do 120 mikrometrów.

natężeniem promieniowania (gęstością strumienia energii) nazywamy ilość energii cieplnej ( cal), jaką otrzymuje jednostka powierzchni ( cm2) ustawionej prostopadle do biegu promieni, w jednostce czasu (min). Oznaczamy je symbolem I i wyrażamy w . Natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do górnej granicy atmosfery nazwano stałą słoneczną I0 = 1,98 cal/cm2 * min.

a)promieniowanie bezpośrednie jest to ta część energii promienistej, która przez atmosferę dociera do powierzchni ziemskiej bezpośrednio od Słońca pod postacią promieni równoległych (bez rozproszonych).

b)promieniowanie rozproszone to ta część promieni, która ulega odchyleniu (zmianie kierunku) w niejednorodnym optycznie środowisku jakim jest atmosfera.

c)promieniowanie całkowite jest to suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego.

d)promieniowanie odbite to ta część promieniowania całkowitego, która dochodząc do powierzchni Ziemi jest odbijana ku górze.

e)promieniowanie pochłonięte jest to różnica pomiędzy promieniowaniem całkowitym, a odbitym. Pochłanianie powoduje zmianę jakościową energii słonecznej, dzięki niemu jej część przekształca się w energię cieplną.

f)promieniowanie powierzchni ziemi lub wypromieniowanie jest to oddawanie otoczeniu części energii uzyskanej od Słońca po przetworzeniu jej w długofalową energię cieplną.

g)promieniowanie zwrotne atmosfery jest to energia wypromieniowywana przez atmosferę w kierunku Ziemi.

h)promieniowanie efektywne jest różnicą między własnym promieniowaniem Ziemi i zwrotnym promieniowaniem atmosfery .

5.MODYFIKACJA ROZKŁADU PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO PRZY PRZEJŚCIU PRZEZ ATMOSFERĘ.

Promieniowanie słoneczne dochodzące początkowo po liniach prostych napotyka w miarę przenikania przez atmosferę przeszkody w postaci drobin gazów, pyłów, kryształów lodu i kropel wody. Następuje wówczas odbijanie, załamywanie i uginanie, powodujące zmiany kierunku promieni. Mamy wówczas do czynienia z rozproszeniem promieniowania słonecznego w atmosferze.

6.PRAWA OPISUJĄCE PROCES PROMIENIOWANIA.

I.Prawo Kifchoffa

E – natężenie promieniowania (zdolność emisyjna ciała)

A – absorpcja

Zdolność wysyłania i pochłaniania to stosunek stały dla każdego ciała przy stałej długości (Jeżeli jakieś ciało wysyła promieniowanie o jakiejś długości fali to pochłania (absorbuje) ono również przy tej samej długości fali i tej samej temp jakąś ilość promieniowania i ten stosunek jest stały)

II.Pr. Plancka /funkacj arozkładu Plancka/

K – stała Boltzmana = 1.3807×10-23[J×K-1]

H=6,62×10-34[J×s]

C – prędkość światła w próżni

Każdej długości fali l odpowiada określona zdolność emisyjna ciała doskonale czrnego.

III.Prawo Wiena

c – stały współczynnik Wiena ~ 3000

Max długość promieni zależy od stałego wsp. Wiena i odwrotnie proporcjonalnie do temp.

IV.Prawo Stephana-Boltzmana

EC=s×T4

s =5,67×10-8[W×m2×K-4]

7.SPOSOBY WYMIANY ENERGII A WYMIANA ENERGII SŁOŃCE – ZIEMIA.

Sposoby wymiany energii:

-przewodnictwo – głównie jako cieplne i elektryczne (może być także przewodnictwo domieszkowe, elektronowe, jonowe, próżniowe samoistne). Zjawisko wzajemnego przekazywania energii wewnętrznej przez bezpośredni styk cząsteczek, bez istotnej zmiany ich położenia, musi istnieć gradient temp. w ośrodku materialnym. Ciepło przepływa od ciała o niższej temp do ciała o wyższej temp.

-konwekcja – /unoszenie ciepła/ poprzez ruch cząsteczek płynów(cieczy i gazu), musi być różna energia wewnętrzna; może być wymuszona (np. przez czynniki zewnętrzne takie jak pompa itp) lub naturalna (różnica gęstości płynów) lub kombinowana)

-promieniowanie – wysyłanie energii w postaci strumieni cząstek przez układ materialny /sam fakt emitowania cząstek/ Dzieli się na elektromagnetyczne (np. Słonce – tzw. teledetekcja) i na jądrowe.

Wymiana energii Słońce - Ziemia:

-energia dostarczona od Słońca powoduje krążenie wody w atm; podtrzymuje życie biologiczne; powoduje ruch mas powietrza i wód oceanicznych na skutek różnic w nagrzaniu powierzchni Ziemi. Ta wymiana także może odbywać się za pomocą przewodnictwa, konwekcji promieniowania. Przewodnictwo dla wymiany pomiędzy Słońcem a Ziemią nie ma większego znaczenia, ponieważ próżnia kosmiczna i atmosfera są złymi przewodnikami, podobnie z konwekcją – która nie jest możliwa ponieważ nie ma mas mogących pośredniczyć w przemieszczaniu się energii. Jedynym sposobem przenoszenia energii jest promieniowanie słoneczne – specyficzna forma przekazywania energii pod postacią fal elektromagnetycznych (teledetekcja)Energia ta przekształca się głównie w energie cieplną.

8.WYKORZYSTANIE FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH W TECHNICE POMIAROWEJ.

Niektóre długości fal są wykorzystywane w tzw. teledetekcji. Należą do nich przede wszystkim mikrofale, których zakres znajduje się pomiędzy długofalowym promieniowaniem podczerwonym a krótkimi falami radiowymi. Teledetekcja – jest to przekazywanie energii słonecznej pod postacią fal elektromagnetycznych oraz zdalne techniki pomiarowe tj. nie wymagające bezpośredniego kontaktu przyrządu pomiarowego z badanym obiektem. Techniki te polegają na odbiorze emitowanego lub odbitego przez badany obiekt promieniowania elektromagnetycznego. Metody teledetekcji można podzielić na:

I.od rodzaju stosowanej techniki pomiarowej /Mikrofale – wykorzystywane są zarówno w teledetekcji pasywnej i aktywnej/

a)pasywna – wykorzystuje fale o długości 3 [mm] do 30[cm], polega na rejestrowaniu promieniowania emitowanego przez obiekty znajdujące się na powierzchni Ziemi, a także pod jej powierzchnią. Do pomiaru używane są radiometry mikrofalowe. Promieniowanie mikrofalowe jest mało wrażliwe na warunki atm. co umożliwia pomiar niezależnie os pogody.

b)aktywna – wykorzystuje fale od 8 [mm] do 133[cm]; do pomiaru stosowany jest radar, który wykorzystuje własne sztuczne źródło promieniowania mikrofalowego. Radar jest urządzeniem monochromatycznym, pracującym na ściśle określonej długości fali. Pomiary te mogą być również wykonane bez względu na pogodę i porę dnia.

II.miejsca umieszczenia przyrządu pomiarowego

a)satelitarna

b)lotnicza

c)naziemna

III.sposobu wykorzystania uzyskiwanej informacji pomiarowej

Najpowszechniej w teledetekcji wykorzystywany jest cały zakres promieniowania widzialnego (360-760nm = 0,36-0,76mm) najdłuższe fale ultrafioletowe (0,3-0,4mm) oraz tzw. bliska podczerwień (0,76-1,5mm). W całym tym zakresie promieniowania (0,32-1,5mm)wykonywane są zdjęcia czarno-białe i kolorowe.

Część długofalowego promieniowania Słońca jest absorbowana przez powierzchnię Ziemi i zamieniania w ciepło, którego pewna częśc jest wypromieniowywana z powrotem w przestrzeń atmosferyczną a część do atm. Promieniowanie to może być rejestrowane przez urządzenia umieszczone nad Ziemią. Są nimi radiometry mierzące promieniowanie podczerwone (termalne) powierzchni Ziemi, emitowane zarówno w ciągu nocy jak i w ciągu dnia.

Badania elektromagnetyczne pozwalają na określenie zawartości wody w atm, wilgotności powietrza, rodzaju chmur i z jaką prędkością i w jakim kierunku się przesuwają; natężenia opadów i całkowite sumy opadów w określonym czasie.

Badania radarowe pozwalają na określenie stanu atm. na odległość 100km od miejsca wystąpienia radaru, można określić w którym miejscu zaczął padać opad.

9.DEFINICJA TEMPERATURY, DEFINICJA TEMPERATURY W SENSIE METEOROLOGICZNYM.

Temperatura charakteryzuje stan cieplny dowolnego ciała. W sensie meteorologicznym jest to stopień ogrzania powietrza pod wpływem ciepła doprowadzonego za pośrednictwem przewodnictwa cieplnego, z wyłączeniem wpływów zewnętrznych, takich jak promieniowanie słoneczne, wiatr, deszcz, itp. Wyznacza się ją za pomocą termometrów, w klatce meteorologicznej .

10.TEMPERATURA BEZWZGLĘDNA, PODSTAWA JEJ WYZNACZANIA.

Temperatura jes funkcją prędkości poruszania (drgania) cząstek.

m – ciężar cząsteczkowy

v – średnia prędkość kinetyczna cząstki

k – stała Boltzmana = 1,38×10-23[J/K]

Skala bezwzględna - Kelvina - zero tej skali odpowiada najniższej temperaturze, którą teoretycznie można otrzymać. tOK = 273,15 + tOC

11.PRZEMIANY FAZOWE WODY.

Strzałki przedstawiają przemiany fazowe:

S - sublimacja - przejście od fazy krystalicznej do gazowej

R - resublimacja - przejście od fazy gazowej do krystalicznej

T - topnienie - przejście z fazy krystalicznej (lub amorficznej) do fazy ciekłej

K - krzepnięcie - przejście od fazy ciekłej do fazy krystalicznej lub amorficznej

P - parowanie, wrzenie - przejście od fazy ciekłej do gazowej

Sk - skraplanie - przejście od fazy gazowej do ciekłej.

12.DEFINICJA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO, STAŁA SŁONECZNA.

Promieniowanie słoneczne – forma przekazywania energii pod postacią fal elektromagnetycznych.

Promieniowanie słoneczne jest strumieniem energii wysyłanym równomiernie przez Słońce. Do zewnętrznej atmosfery Ziemi dociera promieniowanie o mocy 1,39 kW/m2. Wartość ta została nazwana stałą słoneczną. W atmosferze promieniowanie zostaje jednak osłabione w wyniku rozproszenia, odbicia i absorpcji na cząsteczkach pyłów i gazów. W efekcie rozkłada się na: promieniowanie bezpośrednie i promieniowanie rozproszone

Stała Słoneczna (Jo) - jest to natężenie promieniowania słonecznego na jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do kierunku rozchodzenia się promieni słonecznych, na górnej granicy atmosfery i w średniej odległości Ziemi od Słońca.

Jo = 1380 W/m2 = 1,98 cal/cm2

14.PRAWO BOUGUERA I JEGO INTERPRETACJA.

Natężenie promieniowania na powierzchni terenu zależy od przejrzystości atm. z wykładnika ilości warstw przebijanych i wprost proporcjonalnie do natężenia początkowego na górnej warstwie atm.

15.PELNY BILANS CIEPLNY ATMOSFERY.

Ze Słońca otrzymujemy = 1,94 [cal/cm2×min] (stała słoneczna); w ciągu doby jest ona równa 700 [cal/cm2×dobę]co wynosi 100% ciepła dostarczanego przez Słońce, do Ziemi bezpośrednio dociera 27%; 15% pochłania atmosfera; 33% odbija się od chmur i wraca do kosmosu, a 25% - rozprasza się w atm /z tej rozproszonej części 16% trafia do Ziemi, a 9 do kosmosu/

Rys.

16.CO TO JEST USŁONECZNIENIE I JAK KSZTAŁTUJE SIĘ ONO W POLSCE.

Usłonecznienie jest to czas trwania promieniowania słonecznego dochodzącego bezpośrednio po liniach prostych od taczy słonecznej./dochodzenie do nas promieniowanie, zależy od stopnia zachmurzenia/

Proces albedo (łac. białość) jest to stosunek promieniowania odbitego do padającego na daną powierzchnię.(zależy od powierzchni, barwy, chropowatości, ekspozycji)

A£1 

albedo ziemi jest stosunkiem promieniowania odbitego w przestrzeń międzyplanetarną do otrzymanego przez Ziemię.

Gdyby nie było atmosfery, zjawisko usłonecznienia występowałoby cały dzień, od wschodu do zachodu. Dla każdego dnia w roku możemy wyznaczyć jego długość w godzinach i minutach – usłonecznienie możliwe. Okres, podczas którego pomiędzy tarczą słoneczną i danym miejscem na powierzchni ziemi ni ma zachmurzenia  to usłonecznienie rzeczywiste. Pomiary usłonecznienia rzeczywistego dokonujemy za pomocą heliografu.

Wyniki pomiarów usłonecznienia rzeczywistego w postaci sum dobowych , najniższe zanotowano na obszarze Polski w grudniu od ok. 20 do 37godzin, najwyższe w czerwcu lub lipcu od ok. 170 do 270 godzin.

Usłonecznienie bezwzględne to suma godzin ze słońcem za dzień, miesiąc czy rok, uzyskana z zapisów heliograficznych.

17.PIONOWY GRADIENT TEMPERATURY I JAKIE SĄ JEGO STANDARTOWE WARTOŚCI.

Pionowy gradient temperatury - czyli jej spadek w °C na każde 100m wznoszenia (wzrostu wysokości) i jego suchoadiabatycznego ochłodzenia. Zależą od niego stany równowagi mas powietrza:

A.równowaga stała < 1° C/100m

B.równowaga obojętna 1° C/100m

C.równowaga chwiejna > 1° C/100m

19.RODZAJE INWERSJI.

Inwersja temperatury, wzrost temperatury powietrza ze wzrostem wysokości. Sytuacja odwrotna do zachodzącej normalnie w troposferze, gdzie przeważa spadek temperatury ze wzrostem wysokości, średnio o 0,5°C na 100 m. W dolnych warstwach atmosfery przyczyną inwersji temperatury jest na ogół wypromieniowanie ciepła z powierzchni Ziemi w czasie bezwietrznych i pogodnych nocy.

Rodzaje inwersji:

a)inwersja turbulencyjna występuje gdy warstwa powietrza przemieszcza się z wyższą prędkością i prowadzi to do zasysania powietrza do tej warstwy z warstw wyżej i niżej leżących.

b)Inwersja osiadania, w silnie rozbudowanych wyżach podzwrotnikowych lub zimowych powietrze osiada na dużych obszarach, sprężając się ogrzewa. występuje wtedy bardzo suche powietrze.

c)inwersja frontowa jak na rysunku:

d)inwersja radiacyjna - podczas bezwietrznych i bezchmurnych nocy. Po zachodzie słońca, ziemia ochładza się przy powierzchni. Wyżej jest cieplej. Czasami powstaje też kondensacja pary wodnej (mgła).

e)Inwersja adwekcyjna czyli napływowa powstaje podczas ciepłego powietrza nad chłodne podłoże. Oziębia się ono w coraz grubszych warstwach dając odwrócony przebieg temp. Najczęściej występuje zimą w rejonach nadmorskich.

20.PODSTAWOWE RÓWNANIA FIZYKI ATMOSFERY.

-prawo Boyle’a-Mariotte’a – objętość gazu /V/ przy stałej temp. (proces izotemiczny), jest odwroenie proporcjonalna do ciśnienia /p/, pod którym się znajduje. (Iloczyn ciśnienia i jego objętości zachowuje wartość stałą). p×V=kt

-prwo Gay-Lussaca – każdy gaz pod stałym ciśnieniem (proces izobaryczny), przy zmianie temp. o 1°C zmienia swoją objętość o wartość części objętości jaką zajmował w temp. 0°C. Współczynnik ...