Meteorologia

Ogólnie o meteorologii

Meteorologia to nauka o składzie i cechach atmosfery oraz procesach fizycznych w niej zachodzących. Zadaniem ogólnej meteorologii jest pomiar elementów meteorologicznych. Znając właściwości fizyczne atmosfery, możemy prognozować pogodę.
Przy takim samym ciśnieniu ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość niż zimne, więc jest lżejsze. Ruchy i mieszanie ciepłego i zimnego powietrza odgrywają ogromną rolę na całej planecie. Dzięki słońcu masy powietrza są podgrzewane i unoszą się. Zimne powietrze opada. Cała ziemska atmosfera porusza się nieustannie, prowadząc do powstawania różnych zjawisk meteorologicznych.
Wszystkie elementy meteorologiczne, takie jak - ciśnienie powietrza (atmosferyczne) - temperatura powietrza - wilgotność powietrza - promieniowanie słoneczne - kierunek i prędkość wiatru - zachmurzenie i opady są ze sobą powiązane, nie wpływają jednakowo na pogodę przez cały dzień i rok, a ich znaczenie się zmienia. Meteorolodzy korzystają z nowoczesnych technologii, takich jak satelity, elektroniczne systemy pomiarowe i komputery. Masa powietrza w atmosferze tworzy ciśnienie atmosferyczne, które mierzy się zazwyczaj w hektopaskalach (hPa).
Średnie ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza nazywane jest normalnym ciśnieniem atmosferycznym i wynosi 1013,25 hPa. Ciśnienie atmosferyczne maleje wraz ze wzrostem wysokości. Ciśnienie atmosferyczne jest bardzo ważne dla prognozowania pogody. Absolutna wartość ciśnienia atmosferycznego nie jest tak istotna jak jego zmiana i tempo zmian. Wzrost ciśnienia zazwyczaj sygnalizuje słoneczną pogodę, spadek oznacza bardziej pochmurną i deszczową pogodę. W domowych stacjach meteorologicznych do prognozy pogody wykorzystuje się obserwację ciśnienia atmosferycznego. Taka prognoza jest dokładna w 70-75%.

Dziedziny meteorologii

Aerologia, aeronomia, bioklimatologia, meteorologia dynamiczna, meteorologia fizyczna, hydrometeorologia, klimatologia, technika meteorologiczna, nauka o chemizmie atmosfery, nauka o radioaktywności atmosfery, meteorologia synoptyczna.

Atmosfera

Atmosfera to gazowy płaszcz planety zawierający mieszanki różnych gazów (azot, tlen, argon i inne), parę wodną oraz cząstki stałe i ciekłe. Ważnym składnikiem jest para wodna, której ilość stanowi około 4% całkowitej objętości atmosfery i koncentruje się w dolnych 10 km. Warstwy atmosfery: podział zależny od zmiany średniej temperatury powietrza w zależności od wysokości: 1. troposfera – najniższa warstwa, średnia wysokość 11 km 2. stratosfera – wysokość od 10 do 50 km 3. mezosfera – sięga do wysokości 80 km 4. termosfera – sięga do wysokości 1000 km, podział według koncentracji jonów i wolnych elektronów: 1. neutrosfera – sięga do wysokości 60-70 km, niska koncentracja jonów 2. jonosfera – warstwa od 70 do 500 km, wysoka koncentracja jonów.

Promieniowanie słoneczne

Urządzenie do pomiaru długości i intensywności promieniowania słonecznego nazywa się heliografem. To szklana kula, która skupia promieniowanie słoneczne na papierze, w którym wypala ślad. W Czechach Słońce świeci 1704,3 godzin rocznie. Całkowita energia słoneczna docierająca na Ziemię jest około 13 000 razy większa od tego, ile zużywają mieszkańcy naszej planety w tym samym czasie.

Zachmurzenie i opady

Z wilgotnością powietrza ściśle związane są zachmurzenie i opady. Jeśli powietrze ochłodzi się na tyle, że nie może pomieścić zawartej w nim wody w postaci pary, zaczyna kondensować się w formie kropel. Opady nie występują ze wszystkich chmur. Formy opadów są różne – deszcz, śnieg, grad. Chmury klasyfikuje się według kształtu i wysokości nad ziemią. Zjawisko, przy którym występują silne i krótkotrwałe opady oraz wyładowania elektryczne (błyskawice) nazywane jest burzą. Burze występują najczęściej w tropikalnych letnich dniach. Opady podaje się w mm, a urządzenie rejestrujące ich intensywność to ombrograf.

Temperatura powietrza

Meteorolodzy mierzą temperaturę powietrza na wysokości 2 m od ziemi w budce meteorologicznej. Wartości podaje się według skali Celsjusza. Pomiar temperatury opiera się na międzynarodowych porozumieniach opartych na dwóch stałych punktach – punkcie zamarzania (oznaczonym w skali Celsjusza jako 0°C) i punkcie wrzenia (100°C). Temperatura w różnych wysokościach jest różna - w niższych jest wyższa, a w wyższych niższa. Jednakże czasem może zdarzyć się, że będzie inaczej. Ten odwrót temperatury powietrza nazywany jest inwersją. Temperaturę mierzy się termometrem.

Wilgotność powietrza: absolutna i względna 

Wilgotność powietrza to ilość pary wodnej zawartej w powietrzu. Para wodna dostaje się do powietrza przez parowanie powierzchni wodnych i gleby. Para wodna w powietrzu jest warunkiem powstawania zachmurzenia i opadów. Miara nasycenia powietrza parą wodną to wilgotność względna. Jest to stosunek między faktyczną zawartością pary wodnej a maksymalną możliwą zawartością w danej temperaturze. Wilgotność względna podawana jest w %. 100% wilgotności względnej oznacza nasycenie powietrza parą wodną. Ten przypadek występuje np. podczas mgły. Wilgotność absolutna podawana jest w kg/m3 powietrza. Temperatura, przy której para wodna zawarta w powietrzu staje się nasycona, nazywana jest punktem rosy. Średnia wilgotność względna jest najwyższa w listopadzie, grudniu i styczniu; najniższa występuje od kwietnia do sierpnia. Wilgotność powietrza mierzy się higrometrem.

Ciśnienie atmosferyczne 

Masa powietrza w atmosferze tworzy ciśnienie atmosferyczne, które zazwyczaj mierzy się w hektopaskalach (hPa). Średnie ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza nazywane jest normą atmosferyczną i wynosi 1013,25 hPa. Ciśnienie atmosferyczne jest bardzo ważne dla prognoz pogody. Absolutna wartość ciśnienia atmosferycznego nie jest tak ważna jak jego zmiana i szybkość tej zmiany. Ciśnienie zależy od wysokości. Z wysokością zmniejsza się słup powietrza, co prowadzi do spadku ciśnienia. Ciśnienie powietrza zależy także od temperatury powietrza. Im chłodniejsze powietrze, tym szybciej maleje ciśnienie wraz z wysokością. Im cieplejsza atmosfera, tym wolniejszy spadek ciśnienia powietrza z wysokością. Wzrost ciśnienia zazwyczaj wskazuje na słoneczną pogodę, spadek bardziej na zachmurzenie i deszczową pogodę. Rozkład ciśnienia na mapach synoptycznych przedstawiony jest za pomocą izobar. Izobara to linia łącząca na mapie miejsca o tej samej wartości ciśnienia powietrza, przeliczonego na poziom morza. Zależność ciśnienia od wysokości wyraża tzw. stopień baryczny, którego wartość zależy od wysokości i temperatury, i wynosi około 8 m na 1 hPa na wysokości około 1 000 m n.p.m., 15 m/hPa na 5 000 m n.p.m. i 30 m/hPa na 10 000 m n.p.m. Na użytek codzienny w naszych wysokościach n.p.m. można powiedzieć, że absolutne ciśnienie (tj. ciśnienie w miejscu pomiaru) można przeliczyć na ciśnienie na poziomie morza przez dodanie 1 hPa na każde 8 m wysokości n.p.m., na której się znajdujemy.

Promieniowanie UV 

Promieniowanie ultrafioletowe (UV) to bogate w energię promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal krótszych niż światło widzialne. Obejmuje zakres spektralny długości fal między widzialnym pasmem promieniowania słonecznego a pasmem promieniowania rentgenowskiego od 100 do 400 nm. Promieniowanie UV można podzielić według biologicznych efektów na:• długo falowe promieniowanie UVA (315 – 400 nm) (zazwyczaj nie powoduje ani zaczerwienienia skóry, ani pieczenia) • średnio falowe promieniowanie UVB (280 – 315 nm) (zwykle powoduje ostre i przewlekłe uszkodzenie skóry)• krótkofalowe promieniowanie UVC (280 – 100 nm) (jest absorbowane przez warstwę ozonową i nie dociera do powierzchni ziemi).

Indeks UV 

Indeks UV to międzynarodowo standaryzowana, bezwymiarowa wielkość charakterystyczna dla poziomu erytemalnego promieniowania ultrafioletowego słonecznego docierającego do powierzchni ziemi, wyrażająca biologiczny efekt na zdrowie ludzi. Służy do informowania mieszkańców o możliwym negatywnym wpływie promieniowania UV na organizm. Indeks UV definiowany jest na powierzchni poziomej. Informuje się nie tylko o spodziewanej maksymalnej wartości indeksu UV, ale także o tzw. "całkowitym czasie przebywania na słońcu", bez użycia środków ochronnych, po upływie którego ludzka skóra zaczyna oscylować między zaczerwienieniem a brązowieniem. W naszej strefie geograficznej indeks UV wynosi od 0 do 9, w strefie tropikalnej może sięgać od 15 do 16. Ogólnie można powiedzieć, że im słońce wyżej nad horyzontem (przy jasnej pogodzie), tym większy jest indeks UV. Im większy indeks UV, tym większa dawka promieniowania UV.

Kierunek i prędkość wiatru

Wiatr to ruch powietrza w atmosferze. Ruch występuje w dążeniu do wyrównania ciśnień w różnych miejscach. Powietrze porusza się zarówno poziomo, jak i pionowo. Na ruch powietrza wpływają także opady. Ludzie błędnie myślą, że kierunek wiatru oznacza, dokąd wieje wiatr. Jest to dokładnie odwrotnie. Częstotliwość wiatru zaznacza się na różach wiatrów. Anemometry mierzą prędkość przyziemnych wiatrów. Wiatry wysokościowe mierzy się za pomocą balonów meteorologicznych. Silne wiatry, które mają prędkość powyżej 240 km/h i krótkotrwale mogą osiągnąć prędkość nawet o 50% wyższą, nazywane są tornadami (wichurami). Zazwyczaj wieją od morza, gdzie nie mają przeszkód. W swoim centrum mają wir.

Skala Beauforta

Skalę Beauforta skonstruował w latach 1805 - 1808 brytyjski kontradmirał Sir Francis Beaufort (1774 - 1857). Skala Beauforta umożliwia ocenę siły (prędkości) wiatru na podstawie falowania powierzchni morza. Skala jest praktyczna, nie wymaga użycia przyrządów. Opisy słowne siły wiatru używane są również w meteorologii.

Punkt rosy 

Punkt rosy to temperatura, przy której powietrze jest maksymalnie nasycone parą wodną (wilgotność względna powietrza osiąga 100%). Jeśli temperatura spada poniżej tego punktu, dochodzi do kondensacji. Powietrze w danej temperaturze może zawierać tylko określoną ilość pary wodnej. Im wyższa jest temperatura powietrza, tym więcej wilgoci może ono pomieścić. Jeśli powietrze zaczyna się ochładzać, para wodna zaczyna kondensować. Warunkiem jest jednak obecność jąder kondensacyjnych. Punkt rosy można uważać za inny wyraz wilgotności absolutnej powietrza.

Odczuwalna temperatura (Windchill) 

Matematycznie można wyrazić odczuwaną temperaturę na powierzchni ciała przy określonej zewnętrznej temperaturze i prędkości wiatru tzw. efektem Windchill. Windchill - efekt chłodzenia wiatru działający na powierzchnię ciała. Na przykład przy zewnętrznej temperaturze 10 °C przy prędkości wiatru 30 km/h, odczuwalna temperatura na powierzchni ludzkiego ciała wynosi jedynie 3 °C. Przy zewnętrznej temperaturze -10°C przy wspomnianej wcześniej prędkości wiatru, odczuwalna temperatura na powierzchni ciała wynosi zaledwie -26°C. Oczywiście występuje bezpośrednia zależność między prędkością wiatru a utratą ciepła.

Komfort termiczny 

Komfort termiczny to pojęcie względne. Granice komfortu termicznego będą różne dla poszczególnych osób. Komfort termiczny zależy od warunków fizycznych i aktywności człowieka. Jeśli człowiekowi nie jest ani zbyt ciepło, ani nie odczuwa zimna, można powiedzieć, że znajduje się w stanie komfortu termicznego. Podstawowym warunkiem komfortu termicznego jest odpowiednia temperatura powietrza w pomieszczeniu, jednak to nie jedyny warunek. Ważna jest temperatura wyposażenia pomieszczenia, ścian pomieszczenia i wilgotność powietrza. Na przykład, jeśli temperatura powietrza wynosi 20°C, temperatura powierzchni ścian nie powinna spaść poniżej 18°C. Przy niższej temperaturze powierzchni należałoby zwiększyć temperaturę powietrza, co spowodowałoby kondensację pary wodnej na ścianach i pogorszenie komfortu termicznego. Niewystarczająca izolacja termiczna ścian skutkuje niską temperaturą powierzchni. Zalecana wilgotność względna w pomieszczeniach wynosi 30 do 50%. Przy niższej wilgotności zwiększa się parowanie z naszego ciała, które w ten sposób się ochładza, przy wyższych wartościach wilgotności woda z ciała paruje słabo, dlatego się pocimy. Przy wietrzeniu wilgotność względna wzrasta z powodu ochłodzenia powietrza. Ogrzewanie powietrza zmniejsza wilgotność względną, dlatego warto zwiększać ją przez parowanie wody np. z nawilżacza. Różnica temperatury powierzchni (ścian, podłóg, okien, drzwi i wyposażenia pomieszczenia) i temperatury powietrza nie powinna przekraczać 4°C. Suma tych temperatur powinna wynosić około 38°C.