Darmowy fragment publikacji:
PIOTR PIOTROWSKI
KOMPENDIUM WIEDZY O ZJAWISKACH ATMOSFERYCZNYCH
ATLAS
CHMUR I POGODY
tekst: dr Piotr Piotrowski
Redakcja: Monika Wróbel
korekta: Dominika Konior
Projekt i opracowanie graficzne: Jacek Bronowski
projekt okładki: Paweł Panczakiewicz
Opracowanie okładki: Jacek Bronowski
Zdjęcia na okładce:
Front (od góry, od lewej): © Marzena, Michał i Jacek Bronowscy / www.foto-baza.pl (2 zdjęcia), © Patryk Kosmider | Shutterstock.com,
© Marzena, Michał i Jacek Bronowscy / www.foto-baza.pl, © Datskevich Aleh | Shutterstock.com, © Korionov | Shutterstock.com
(główne i grzbiet); tył: © Peter Wollinga | Shutterstock.com.
Wydanie I © Copyright for text, cover and layout SBM sp. z o.o.
Warszawa 2017
Wydawnictwo SBM Sp. z o.o.
ul. Sułkowskiego 2/2
01-602 Warszawa
ISBN 978-83-8059-442-5
Spis treści
Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Pomiary i obserwacje meteorologiczne . . . 6
Skład i budowa atmosfery ziemskiej . . . . . 10
Chmury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Burze i elektryczność w atmosferze . . . . . 88
Hydrometeory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Litometeory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Zjawiska optyczne w atmosferze . . . . . . 148
Prognozowanie pogody . . . . . . . . . . . . . 166
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Indeks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Wprowadzenie
Aktualny stan atmosfery, który możemy zaobser-
wować, patrząc w niebo, lub też odczuć bezpo-
średnio na własnej skórze, np. podczas silnego
wiatru, upałów, mrozu, można w pewnym uprosz-
czeniu zdefiniować jako pogodę. Wiele zjawisk
pogodowych wywołuje w nas skrajne odczucia.
Burze i towarzyszące im wyładowania atmosfe-
ryczne lub gęste chmury mogą budzić z jednej
strony zachwyt i podziw dla sił natury, a z drugiej
– strach i panikę. Opady śniegu są dla jednych
irytujące, bo zmuszają do odśnieżenia chodnika,
dla innych to powód do radości, bo umożliwia
wyjazd na narty czy ulepienie bałwana. Szron
bywa utrapieniem, gdy trzeba zeskrobywać go
z szyb samochodu, ale pokryte nim drzewa i krza-
ki, skrzące się w promieniach porannego słońca,
zachwycają. Różnorodny koloryt nieba podczas
wschodu i zachodu słońca, mgły ścielące się
nad łąką, poranna rosa, przedzierające się przez
chmury promienie słoneczne, błyskawice, grzmo-
ty były i są natchnieniem dla artystów – malarzy,
rzeźbiarzy, fotografów, poetów, a to z powodu
naturalnego piękna, ulotności i niepowtarzalno-
ści tych zjawisk. Do tych cudów należą przede
wszystkim rozpościerające się nad naszymi gło-
wami chmury, bezustannie zmieniające kształt
i barwę. Oddziałują one nawet na nasze samopo-
czucie – kiedy niebo jest całkowicie zaciągnięte
chmurami, jesteśmy zmęczeni i wpadamy w me-
lancholię, z kolei leniwie płynące po błękicie nie-
ba białe obłoczki wprawiają nas w dobry humor.
Pogoda bywa kapryśna i nieprzewidywalna,
a jej przejawy w formie groźnych zjawisk atmos-
ferycznych destrukcyjne. Kaprysy pogody są czę-
sto powodem spektakularnych zjawisk, takich jak
potężne chmury burzowe, błyskawice, grzmoty,
trąby powietrzne, wielobarwne tęcze, zamiecie
i zawieje śnieżne. Wiele z nich niestety powoduje
duże zniszczenia oraz straty materialne, a nawet
zagraża życiu. Ich prognozowanie bywa trudne,
ponieważ część gwałtownych zjawisk atmosfe-
rycznych ma charakter lokalny. Ważną rolę od-
Wyładowania atmosferyczne podczas burzy
4
WPROWADZENIE
grywają służby meteorologiczne, które wydają
ostrzeżenia przed groźnymi zjawiskami pogo-
dowymi, dzięki czemu można ograniczyć straty
i chronić ludzkie życie. Nie bez powodu modlono
się do bogów o deszcz podczas suszy lub o sło-
neczną pogodę w czasie powodzi. Wiele zjawisk
od zawsze budziło grozę i strach.
Gwałtowna pogoda i wahania klimatyczne de-
cydowały nieraz o historii ludzkości. Przykładem
są dobrze prosperujące cywilizacje rozwinięte
kulturowo, które upadły w ich wyniku. Najznako-
mitsi wodzowie historii, jak szwedzki król Karol
XII czy Napoleon, ponieśli największe klęski w
walce z... pogodą. Wielka armada hiszpańska zo-
stała unicestwiona przede wszystkim przez silne
sztormy, a nie siłę ognia wrogich statków.
Choć rozwój techniki komputerowej i me-
tod pomiarowych jest obecnie zaawansowany,
serie pomiarowe coraz dłuższe i możliwe jest
zbieranie danych w niemal całej atmosferze,
nadal nie da się przewidzieć pogody z dużym
wyprzedzeniem. Mimo znacznej wiedzy me-
teorologicznej, naukowcy nie potrafią znaleźć
odpowiedzi na wiele pytań. Nadal dyskusyjna
jest np. rola chmur w kształtowaniu się warun-
ków klimatycznych – z jednej strony zwiększają
efekt cieplarniany, zatrzymując promieniowanie
Impresja, wschód słońca Claude’a Moneta (1872)
długofalowe Ziemi, z drugiej osłabiają promie-
niowanie słoneczne, powodując słabsze ogrze-
wanie powierzchni Ziemi.
Prezentowana książka ma służyć poszerzeniu
wiedzy na temat zjawisk atmosferycznych, ze
szczególnym uwzględnieniem tematyki chmur.
Jej lektura zachęci czytelnika do zwiększenia
zainteresowania meteorologią i synoptyką oraz
do podjęcia próby rozpoznawania chmur, uważ-
niejszego śledzenia zjawisk atmosferycznych,
a nawet samodzielnego prognozowania pogody.
Chmury są wskaźnikiem zmian zachodzących
w atmosferze i dzięki temu to dobry prognostyk
przyszłej pogody. Warto więc czasami skierować
wzrok ku górze i spróbować odczytać, co niebo
ma nam do powiedzenia.
i
Zasady pisowni zastosowane do opisu
chmur w niniejszej publikacji oparte są na
Międzynarodowym atlasie chmur wydanym
przez Państwowy Instytut Hydrologiczno-
-Meteorologiczny w 1959 roku w charakterze
instrukcji i podręcznika dla służb meteorolo-
gicznych zalecanego przez Światową Orga-
nizację Meteorologiczną do rozpoznawania
i opisu chmur. Zastosowana pisownia ma
charakter języka technicznego i różni się od
zalecanej przez Radę Języka Polskiego.
5
Pomiary i obserwacje meteorologiczne
Pogoda od zarania ludzkości odgrywała istotną
rolę w codziennym życiu człowieka. Jej obserwa-
cja niejednokrotnie przyczyniała się do podjęcia
istotnych decyzji. Istnieją np. hipotezy, że przyby-
cie pierwszych ludzi do Australii było poprzedzo-
ne obserwacjami widnokręgu, nad którym wi-
dziano chmury charakterystyczne dla obszarów
lądowych lub też dymy z pożarów wywołanych
wyładowaniami atmosferycznymi. Praktyczne
zastosowanie miały też obserwacje rocznych
cykli zmian powiązanych z wędrówkami zwie-
rząt, na które polowali prehistoryczni myśliwi.
Jednym z najłatwiejszych do określenia para-
metrów meteorologicznych jest kierunek wiatru,
który można wyznaczyć np. na podstawie kie-
runku nachylania się roślin. Umiejętność jego
określania była z pewnością wykorzystywana
przez ludzi pierwotnych do podchodzenia zwie-
rząt podczas polowania. Pojawianie się chmur
burzowych na niebie było natomiast sygnałem
do szukania schronienia. Cykliczne zmiany wa-
runków opadowych decydowały o miejscu po-
wstawania pierwszych starożytnych cywilizacji.
W większości przypadków osadnictwo rozwijało
się w dolinach wielkich rzek, przeważnie w gór-
nym ich biegu. Zakładanie stałych osad i pierw-
szych miast było możliwe dzięki nabyciu umie-
jętności uprawy roli i hodowli zwierząt. Wszelkie
zaburzenia pogody mogły jednak powodować
redukcję plonów lub ich zniszczenie, co w skraj-
nych przypadkach prowadziło do klęski głodu.
Powtarzające się na określonym obszarze przez
wiele lat zmiany warunków pogodowych mia-
ły charakter wahań, a w dłuższej perspektywie
zmian klimatycznych. Wraz z przechodzeniem na
osiadły tryb życia ludzie coraz więcej uwagi po-
święcali pogodzie, gdyż od niej w głównej mie-
rze zależała obfitość plonów decydująca o życiu
lub śmierci. Wiedzę o pogodzie zdobywano dzię-
ki obserwacjom zjawisk atmosferycznych.
Praktyczna informacja o wiatrach i prądach
morskich była niezbędna do żeglugi. Aby bez-
piecznie podróżować, żeglarze musieli rozpo-
znawać chmury sygnalizujące pogorszenie po-
gody, wykorzystywać sprzyjające żegludze prądy
morskie i wiatry oraz dostosowywać terminy
Drzewo sztandarowe – skutek długoletniego oddziaływania wiatru
6
POMIARY I OBSERWACJE METEOROLOGICZNE
i
Klimat mógł odgrywać istotną rolę
w ewolucji człowieka. Jedna z hipotez za-
kłada, że rozejście się dwóch linii ewolu-
cyjnych: hominidów i małp człekokształt-
nych było efektem ochłodzenia i osuszenia
klimatu. Skutkiem tego typu zmian były
ekspansja obszarów trawiastych w miejsce
lasów i zmuszenie małp człekokształtnych
do używania kończyn dolnych do prze-
mieszczania się. Ze wzrostem temperatury
podłoża wiąże się natomiast zmniejszenie
owłosienia ciała, którego pozbawiony był
już w dużym stopniu homo erectus.
rejsów do warunków pogodowych. W wielu nad-
brzeżnych miastach greckich w miejscach pu-
blicznych stały kolumny z kamiennymi płytami,
na których wyryte były informacje o aktualnej
pogodzie – parapegmamy.
Dzięki zachowanym do naszych czasów ta-
bliczkom glinianym z Mezopotamii wiemy, że
próbowano prognozować pogodę na podstawie
Wieża wiatrów w Atenach
obserwacji nieba i ciał niebieskich. Wiedzę o kli-
macie, zdobytą dzięki dalekim podróżom oraz
umiejętności wnikliwej obserwacji przyrody,
przekazał grecki historyk Herodot. Aspekt bio-
meteorologiczny mają spostrzeżenia Hipokra-
tesa dotyczące korzystnego wpływu powietrza
górskiego i morskiego na stan zdrowia. Prekursor
współczesnej medycyny próbował logicznie tłu-
maczyć takie zjawiska jak mgła, chmury i deszcz,
opisywał również jakość powietrza na obsza-
rach miejskich w zależności od kierunku wiatru.
Ważnym dla meteorologii dziełem, które opisu-
je w sposób kompleksowy ówczesną wiedzę na
temat atmosfery i występujących w niej zjawisk,
jest opracowanie Arystotelesa pt. Meteorologica.
Autor opisał m.in. obieg wody w przyrodzie, cha-
rakterystyczne cechy wiatrów wiejących z czte-
rech głównych kierunków i ośmiu pośrednich.
Kontynuatorem jego badań był Teofrast z Ere-
sos, który opublikował traktat meteorologiczny
O oznakach deszczu, wiatru, burzy i dobrej pogody.
7
POMIARY I OBSERWACJE METEOROLOGICZNE
Około 50 r. p.n.e. wzniesiono w Atenach we-
dług projektu Andronikosa z Kyrros ośmiokątną
wieżę, która pełniła funkcję wiatrowskazu. Na
każdej ze ścian wyrzeźbiono wizerunki ośmiu
głównych greckich bogów wiatru.
Pierwszą siecią stacji meteorologicznych
prowadzącą pomiary i obserwacje według jed-
nolitych zasad była florentyńska sieć meteoro-
logiczna działająca od 1654 do 1667 r. i obej-
mująca 11 stacji, w tym jedną w Warszawie.
Większy zasięg miała mannheimska sieć mete-
orologiczna utworzona w 1781 r. – jej 39 stacji
znajdowało się nie tylko na obszarze Europy,
ale nawet na Grenlandii. Funkcjonowanie sieci
było możliwe dzięki wynalezieniu przyrządów
mierzących parametry powietrza, takie jak tem-
peratura, wilgotność czy ciśnienie atmosferycz-
ne. Wiele z nich opatentowano w XIX w., m.in.
psychrometr Augusta (do pomiaru wilgotności
powietrza), pyrheliometr Ångströma (do po-
miaru promieniowania słonecznego), baro-
graf (do pomiaru ciśnienia atmosferycznego),
deszczomierz Hellmanna (do pomiaru sumy
opadu atmosferycznego). Dokonano też wie-
lu istotnych odkryć na polu fizyki, które były
impulsem do dalszego rozwoju badań mete-
XIX-wieczna rycina
przedstawiająca
barometr
Deszczomierz Hellmanna
8
POMIARY I OBSERWACJE METEOROLOGICZNE
orologicznych. Odkryto m.in. promieniowanie
podczerwone i ultrafioletowe, wyjaśniono bu-
dowę cząsteczki gazu, sformułowano równania
hydrostatyki, prawa termodynamiki. Opracowa-
no klasyfikację chmur i układów ciśnienia, mo-
del ogólnej cyrkulacji atmosferycznej, opisano
warunki niezbędne do kondensacji pary wod-
nej, zbadano skład powietrza. XIX w. to rów-
nież okres lawinowego rozwoju państwowych
sieci meteorologicznych. Istotnym krokiem na
drodze postępu meteorologii były opracowa-
nia w formie map danych meteorologicznych
zebranych przez stacje. Pierwszą prognozę
pogody w formie tabeli dla wybranych miast
w Stanach Zjednoczonych opublikowano
1 sierpnia 1861 r. w czasopiśmie „The Times”,
a pierwsza międzynarodowa konferencja me-
teorologiczna odbyła się w 1853 r. w Brukseli.
W 1873 r. w Wiedniu została powołana do ży-
cia Międzynarodowa Organizacja Meteorolo-
giczna, przemianowana w 1950 r. na Światową
Organizację Meteorologiczną (WMO). Szybki
rozwój nauki i techniki w XX w., szczególnie
po II wojnie światowej, umożliwił poszerzenie
wiedzy o atmosferze. Pojawiły się nowe techni-
ki badawcze, zaczęto zbierać dane meteorolo-
giczne za pomocą m.in. balonowych radiosond,
samolotów, sond rakietowych oraz satelitów
meteorologicznych.
Wysokogórskie Obserwatorium Meteorologiczne na Śnieżce
Pierwsze państwowe sieci meteorologiczne
na ziemiach polskich działały od początku XIX w.
Dopiero po odzyskaniu niepodległości w 1919 r.
powołano do życia dwie niezależne służby: me-
teorologiczną i hydrologiczną. W 1973 r. połą-
czono Państwowy Instytut Hydrologiczno-Me-
teorologiczny z Instytutem Gospodarki Wodnej
i tak powstał Instytut Meteorologii i Gospodarki
Wodnej (IMGW), który pod tą nazwą funkcjonuje
do dziś. IMGW współpracuje ściśle z WMO, wy-
mieniając się danymi, doświadczeniem i współ-
pracując w ramach rozwoju nowoczesnych tech-
nik pomiarowo-obserwacyjnych oraz zaawanso-
wanych technik komputerowych służących roz-
wojowi prognoz meteorologicznych.
Widok na Ziemię
z kosmosu
9
Skład i budowa atmosfery ziemskiej
Dzięki sile grawitacji Ziemia utrzymuje stałą
powłokę, która jest mieszaniną różnych gazów,
zwaną powietrzem. Gazy atmosferyczne od-
grywają ważną rolę w licznych procesach na-
turalnych i chronią nas przed szkodliwym pro-
mieniowaniem słonecznym oraz materią z ko-
smosu. Tworzą także spektakularne zjawiska
optyczne w formie barwnych zórz polarnych
w wyższych szerokościach geograficznych.
Skład atmosfery ziemskiej
Niektóre składniki atmosfery nie ulegają więk-
szym zmianom ilościowym i są ze sobą dobrze
wymieszane w dolnej części atmosfery, mniej
więcej do wysokości 85–100 km. Warstwę
tę określa się jako homosferę. Zmianie ulega
w niej jedynie zawartość pary wodnej, dwutlen-
ku węgla, ozonu i aerozoli. Powyżej homosfery
znajduje się warstwa zwana heterosferą, której
skład nie jest jednorodny i zmienia się wraz
z wysokością. W powietrzu oprócz gazów znaj-
dują się też cząstki stałe i krople cieczy, które
określa się jako aerozole atmosferyczne. Ich
ilość wraz ze wzrostem wysokości maleje. Peł-
nią one ważną funkcję w procesie tworzenia się
chmur i mgieł oraz wpływają na ilość dociera-
jącej do powierzchni Ziemi energii słonecznej.
Głównymi stałymi składnikami homosfery
są azot (78,09 ) i tlen (20,95 ), pozostałe
to argon, hel, krypton, ksenon, neon, wodór.
Większość składników atmosfery jest pocho-
dzenia naturalnego, lecz dostaje się do niej
coraz więcej elementów wynikających z dzia-
łalności człowieka, np. dwutlenek węgla, dwu-
tlenek siarki, podtlenek azotu, benzen, freony.
10
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
i
Pierwsze informacje o warunkach me-
teorologicznych i składzie chemicznym po-
wietrza ponad powierzchnią Ziemi uzyskano
dzięki lotom balonowym. Pierwsze pomiary
temperatury na wysokości około kilome-
tra nad ziemią wykonał Jacques Charles
w 1783 r. Kolejne odkrycia związane z lotami
balonowymi pozwoliły określić skład powie-
trza w troposferze i odkryć stratosferę.
Azot
Azot od początku istnienia atmosfery ziemskiej
stanowił jej główny składnik. Odgrywa ważną
rolę w życiu roślin, szczególnie w fazie wzrostu
– jest przez nie pochłaniany i przetwarzany na
białko. W normalnych warunkach nie jest tok-
syczny dla organizmu ludzkiego, jednak wzrost
ciśnienia azotu do 1 MPa powoduje chorobę
kesonową, która prowadzi do tworzenia się
zatorów z pęcherzyków azotu w drobnych na-
czyniach krwionośnych. Azot jest składnikiem
podtlenku azotu (N2O) przyczyniającego się do
wzrostu efektu cieplarnianego i powstawania
dziury ozonowej. Tlenki azotu uczestniczą po-
nadto w reakcjach chemicznych, których efek-
tem jest powstanie ozonu troposferycznego
będącego składnikiem smogu. Niektóre z tlen-
ków azotu reagują z parą wodną, tworząc kwas
Rycina balonu Jacques’a Charlesa (1784)
11
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
i
Pierwszymi znanymi organizmami, któ-
re dostarczały do atmosfery tlen w większych
ilościach, były sinice – samożywne jedno- lub
wielokomórkowe organizmy. Uważane są za
bakterie (cyjanobakterie) mające zdolność do
wytwarzania związków organicznych w pro-
cesie fotosyntezy dzięki chlorofilowi, który
posiadają. Czasami sinice mogą być niebez-
pieczne, szczególnie podczas masowego na-
mnażania się w wodzie, ze względu na wy-
dzielane przez nie toksyny. Sinice są bardzo
odporne na skrajne warunki środowiskowe;
doskonale znoszą długotrwałe susze, wysoką
temperaturę i silnie kwasowe podłoże – dzięki
temu mogły przetrwać w ekstremalnych wa-
runkach przeszło 3,5 mld lat.
których metabolizm bazuje na tlenie, a co za
tym idzie zwiększenie jego ilości w powietrzu.
Bardzo ważnym skutkiem redukcji promienio-
wania ultrafioletowego była kolonizacja przez
organizmy żywe obszarów lądowych.
azotowy, który może opadać z deszczem na po-
wierzchnię Ziemi, przyczyniając się do zakwa-
szenia gleby i wód. Głównymi źródłami tlenków
azotu w atmosferze NO i NOX są gleby uprawne,
gleby pochodzenia naturalnego, nawozy mine-
ralne i naturalne, wyładowania atmosferyczne,
spalanie biomasy i paliw kopalnych. Azot jest
dla nas bardzo istotny, ponieważ oddychanie
czystym tlenem przez dłuższy czas jest dla orga-
nizmu ludzkiego niebezpieczne (może prowa-
dzić m.in. do zmian nowotworowych), a azot
jest jego rozcieńczalnikiem.
Tlen
W składzie pierwotnej atmosfery praktycznie
nie było tlenu. W nikłej ilości powstawał tyl-
ko w reakcjach chemicznych o charakterze
nieożywionym. W większej ilości zaczął się
pojawiać w powietrzu, dopiero gdy na Zie-
mi pojawiły się organizmy żywe, które potra-
fiły wytwarzać tlen w procesie fotosyntezy.
Z czasem ilość tlenu w atmosferze powoli zaczę-
ła wzrastać. Większe ilości pojawiły się w atmos-
ferze około 2,5–2,1 mld lat temu. Zawar-
tość tlenu w powietrzu w porównaniu
z dzisiejszą była wówczas zniko-
ma i sięgała zaledwie ułamka
procentu.
Część dostarczanego
przez rośliny tlenu prze-
mieściła się ku wyższym
warstwom atmosfery i na
skutek oddziaływania
promieniowania słonecz-
nego przekształciła się
w tlen atomowy i ozon
stratosferyczny. Powsta-
ła warstwa ozonu wraz
z atomami tlenu i azotu
pochłania szkodliwe dla
organizmów żywych promie-
niowanie ultrafioletowe. War-
stwa ozonowa umożliwiła przy-
śpieszenie rozwoju organizmów,
Zawartość ozonu w atmosferze nad półkulą
południową w jednostkach Dobsona
(16.09.2013). Wyraźnie widoczna
dziura ozonowa nad Antarktydą
12
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
Analiza pęcherzyków powietrza z rdzeni lo-
dowych wykazała, że poziom tlenu w ciągu
ostatnich 800 tys. lat spadł o 0,7 . Nie jest to
duży spadek, ale budzi pewien niepokój, po-
nieważ jest stały. Przypuszcza się, że powolny
ubytek tlenu jest efektem naturalnego utlenia-
nia skał oraz zużycia tlenu w procesie spalania
paliw kopalnych.
Argon
Argon jest gazem szlachetnym, bezwonnym
i bezbarwnym. Jego stosunkowo duży udział
w składzie atmosfery wynika z tego, że jest
bierny chemicznie i nie ma żadnego znaczenia
biologicznego. Niewielkie ilości argonu po-
wstają stale na Ziemi w wyniku przemian pro-
mieniotwórczych.
Para wodna
Para wodna charakteryzuje się znaczną zmien-
nością, jeśli chodzi o zawartość w powietrzu. Jej
ilość zmienia się zgodnie z cyklem parowania
i opadów. W zależności od cech termiczno-wil-
gotnościowych napływających mas powietrza
ulega gwałtownemu wzrostowi lub spadkowi.
Udział pary wodnej w powietrzu może dochodzić
do 4 w wilgotnej strefie przyrównikowej, naj-
mniej – ułamki dziesiętne procentu – jest jej nad
gorącymi i lodowymi pustyniami. Charaktery-
styczny jest szybszy niż w przypadku pozostałych
Para wodna przedostaje się do atmosfery m.in.
w wyniku parowania wód powierzchniowych
składników powietrza ubytek wraz z wysokością;
śladowe ilości obserwuje się jeszcze na wysoko-
ści około 90 km. Para wodna przedostaje się do
atmosfery w wyniku parowania wód powierzch-
niowych, wilgotnego gruntu, pokrywy śnieżnej
i lodowej oraz wydzielania przez rośliny pary
wodnej, dlatego jej największą zawartość notuje
się w przypowierzchniowej warstwie atmosfery.
Pewna ilość pochodzi też z parowania kropelek
chmur, mgieł, opadów deszczu oraz sublimacji
kryształków lodu znajdujących się w powietrzu.
Para wodna jest gazem cieplarnianym, któ-
ry odpowiada za temperaturę powietrza przy
powierzchni Ziemi. Szacuje się, że może od-
powiadać maksymalnie za około 60 efektu
cieplarnianego.
i
Efekt cieplarniany to zjawisko pod-
wyższenia temperatury planety powodo-
wane obecnością w atmosferze ziemskiej
takich gazów jak para wodna, dwutlenek
węgla, metan, podtlenek azotu, ozon,
freony i halony. Gazy te pochłaniają
część promieniowania długofalowego po-
wierzchni planety i częściowo emitują je
z powrotem ku powierzchni Ziemi, powo-
dując jej ogrzanie. Podłoże jest głównym
źródłem ciepła dla atmosfery, więc tempe-
ratura powietrza wzrasta. Gdyby nie było
efektu cieplarnianego, temperatura po-
wietrza na Ziemi spadłaby o około 33°C.
13
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
i
Dwutlenek węgla w większej ilości
jest szkodliwy dla człowieka, a przy stęże-
niu powyżej 30 powoduje natychmiastową
śmierć. W naturalnych warunkach wyższe
stężenia pierwiastka powstają w wyniku
działalności wulkanicznej lub utleniania i fer-
mentacji związków organicznych. W latach
80. XX w. w pobliżu jezior Monoun oraz Nyos
w Kamerunie doszło do tragicznych katastrof
ekologicznych – z dna zbiorników uwolniły
się duże ilości dwutlenku węgla, który roz-
przestrzenił się w pobliskich dolinach. W ob-
rębie jeziora Nyos zginęło około 1746 osób
i tysiące zwierząt. Oba jeziora mają pocho-
dzenie wulkaniczne. Przy ich dnie doszło do
silnego nasycenia wody dwutlenkiem węgla
pochodzącym z wnętrza skorupy ziemskiej
i jego uwolnienia wywołanego prawdopo-
dobnie wstrząsem sejsmicznym.
rach lądowych dwutlenek węgla jest usuwany
z powietrza w procesach wietrzenia niektórych
skał, np. bazaltów.
Jest to gaz cieplarniany, który przyczynia się
do obserwowanego wzrostu globalnej tempe-
ratury powietrza. Zawartość dwutlenku węgla
w powietrzu wzrosła od 1832 r. o około 41 .
Dwutlenek węgla
Zawartość dwutlenku węgla w powietrzu jest
zmienna, przeciętnie wynosi 0,004 objętości
powietrza. Jest to gaz bezbarwny, bezwonny,
niepalny, około półtora raza cięższy od po-
wietrza i dobrze rozpuszczający się w wodzie.
Głównym źródłem dwutlenku w atmosferze
są: rozkład materii organicznej w warunkach
tlenowych przez grzyby i bakterie, oddychanie
organizmów żywych, emisja wulkaniczna, pa-
rowanie dwutlenku węgla z powierzchni wody,
spalanie paliw kopalnych i materii organicznej,
produkcja cementu. Dwutlenek węgla jest usu-
wany z atmosfery w różnorodnych naturalnych
procesach. Zawarty w nim węgiel jest istotnym
składnikiem materii organicznej, pobierany
z powietrza przez rośliny żyjące w wodzie i na
lądzie. Oszacowano, że w Polsce lasy mogą za-
absorbować około 40 mln t CO2, niestety jed-
nak nie są w stanie pochłonąć całej jego ilo-
ści emitowanej ze źródeł antropogenicznych,
czyli pochodzących z działalności człowieka.
Ze względu na swoje właściwości fizyczne
łatwo rozpuszcza się w znacznych ilościach
w chłodnych wodach oceanicznych. Na obsza-
Dymy nad przemysłowym miastem
14
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
Metan
Zawartość metanu w atmosferze jest niewiel-
ka, wzrosła jednak przeszło dwukrotnie w ciągu
ostatnich dwustu lat. Metan jest potencjalnie
niebezpieczny, ponieważ jest gazem łatwopal-
nym. Ma też wpływ na efekt cieplarniany. Jego
zwiększone stężenie w powietrzu występuje
często na obszarach podmokłych, ponieważ
powstaje przez rozkład roślinnych szczątków
w warunkach beztlenowych, jest też emitowany
przez wulkany i potrafią go wytwarzać termity.
W ostatnich latach zwiększone ilości metanu
wydostają się z topniejącej wskutek ocieplenia
wiecznej zmarzliny. Duże ilości metanu są rów-
nież uwięzione na dnie oceanów w formie kry-
stalicznej substancji zwanej klatratem metanu.
Szacuje się, że jego pokłady zawierają trzy tysią-
ce razy więcej metanu niż jest go w atmosferze
ziemskiej. Ich potencjalny rozpad na większą
skalę mógłby spowodować globalną katastrofę
klimatyczną. Metan przedostaje się do powie-
trza również w wyniku działalności rolniczej
człowieka (obornik, pola ryżowe), z wysypisk
śmieci i spalania biomasy.
Aerozole
Aerozole atmosferyczne mogą być pochodze-
nia naturalnego i sztucznego. Główne aerozole
naturalne to kryształki soli morskiej, drobne
cząstki gleby i zwietrzałych skał, pyły z poża-
rów lasów, pyły wulkaniczne, mikroorganizmy,
pyłki roślinne. Bardzo duża ilość cząstek aero-
zolu występuje na obszarach silnie zurbanizo-
wanych, pochodzą głównie z procesów spala-
nia, wywiewania przez wiatr drobnych cząstek
ze składowisk odpadów przemysłowych, dróg,
budów. Część z nich bardzo dobrze rozpuszcza
się w wodzie i wchodzi w reakcje prowadzące
do powstawania smogu. Szczególnie niebez-
pieczne dla zdrowia są aerozole zawierające
metale ciężkie (ołów, arsen, kadm, rtęć, nikiel).
Wnikają one do gleby poprzez wypłukiwane
z powietrza podczas opadów atmosferycznych,
a następnie mogą być pochłaniane przez ko-
rzenie roślin. Część aerozoli pochodzi z kosmo-
su – są to pozostałości procesu spalania i roz-
drabniania meteorów w atmosferze.
15
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
Warstwy atmosfery ziemskiej
Ze względu na oddziaływanie podłoża na at-
mosferę rozróżnia się warstwę swobodną,
w której interakcja ta nie zachodzi, oraz gra-
niczną. Warstwa graniczna sięga od powierzch-
ni Ziemi do wysokości około kilometra. Dopływ
energii słonecznej i wypromieniowywanie cie-
pła przez podłoże wpływają na temperaturę
powietrza tego obszaru. Silnemu nagrzewaniu
się podłoża i powietrza sprzyja m.in. zabudo-
wa wielkomiejska. W obrębie atmosferycznej
warstwy granicznej występuje jeszcze warstwa
przypowierzchniowa (przyziemna) o zasięgu
około 50–100 m nad podłożem, w której wa-
runki wietrzne, termiczne i wilgotnościowe
znacząco zmieniają się w krótkim czasie.
Kategoryzacja warstw atmosfery ziem-
skiej powstała w wyniku zaobserwowanej
zmiany temperatury powietrza wraz z wyso-
kością. Warstwa bezpośrednio przylegająca
do powierzchni Ziemi to troposfera, nad nią
znajdują się kolejno: stratosfera, mezosfera,
termosfera i egzosfera. Poszczególne war-
stwy oddzielone są od siebie około jedno-,
dwukilometrowymi obszarami przejściowymi.
W obrębie stratosfery wyróżnia się dodatkowo
ozonosferę, a w obrębie egzosfery – jonosferę.
Troposfera
Pierwszy człon nazwy troposfery wywodzi
się z greckiego słowa tropos, czyli zwrot, ob-
rót. Warstwa ta cechuje się dużą zmiennością
czasowo-przestrzenną poszczególnych para-
km
700
500
300
200
100
80
60
40
30
20
10
0
a
r
e
f
s
o
m
r
e
T
a
r
e
f
s
o
n
o
J
a
r
e
f
s
o
z
e
M
a
r
e
f
s
o
t
a
r
t
S
a
r
e
f
s
o
p
o
r
T
16
Schemat budowy pionowej atmosfery ziemskiej
Przewaga jonów ujemnych
Wykres temperatury
Zorze polarne
Przewaga jonów dodatnich
Warstwa ozonowa
Mezopauza
Stratopauza
Tropopauza
Chmury
-50
0
100
200
300
c
400
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
Zdecydowana większość chmur
tworzy się w troposferze
i
Pierwsze naukowe informacje o prą-
dach strumieniowych zostały opublikowane
w 1926 r. przez japońskiego meteorologa
Wasabura Ooishiego. W czasie II wojny świa-
towej dowództwo armii japońskiej postano-
wiło wykorzystać tę wiedzę do ataków balo-
nowych na Stany Zjednoczone. Wypuszczono
ponad dziewięć tysięcy balonów wodorowych
z podwieszonymi bombami, jednak tylko nie-
liczne dotarły nad Amerykę Północną. Spa-
dały zazwyczaj na obszary słabo zaludnione,
nie wyrządzając większych szkód. Obecnie
prądy strumieniowe są wykorzystywane przez
lotnictwo do skrócenia czasu przelotu i zmniej-
szenia zużycia paliwa.
W troposferze znajduje się około 4/5 masy at-
mosfery i większość wody w atmosferze – około
99 . Zachodzą w niej nieustanne zmiany stanu
fazowego wody, które wpływają na obieg wody
w przyrodzie. Najwięcej pary wodnej znajduje
się w przypowierzchniowej warstwie troposfery,
wraz z wysokością jej ilość maleje.
metrów meteorologicznych (temperatury po-
wietrza, prędkości i kierunku wiatru, ciśnienia
atmosferycznego, wilgotności powietrza) oraz
zjawisk atmosferycznych (np. mgły, opadów
atmosferycznych, osadów atmosferycznych,
trąb powietrznych). Chwilowy stan atmosfery
w danym miejscu określony na podstawie pa-
rametrów meteorologicznych i występujących
w atmosferze w danym momencie zjawisk de-
finiuje pojęcie pogody. To właśnie w troposfe-
rze zachodzą najistotniejsze procesy fizyczne
kształtujące pogodę, a w dłuższej perspektywie
– klimat.
Wysokość tropopauzy, czyli górnej granicy
troposfery, nie jest stała i zmienia się w zależ-
ności od szerokości geograficznej oraz pory
roku (w ciepłej połowie roku jest większa niż
w chłodnej). W badaniach klimatycznych do-
tyczących ocieplenia klimatu na kuli ziemskiej
wysokość tropopauzy jest wykorzystywana jako
wskaźnik ocieplenia troposfery. Im wyżej znaj-
duje się tropopauza, tym temperatura powietrza
w troposferze jest wyższa.
Japońska bomba balonowa nad Kalifornią w 1945 r.
17
Temperatura powietrza maleje z wysokością
przeciętnie o około 0,65°C na każde 100 m wy-
sokości. Spadek ten nieco zwiększa się w górnej
części troposfery do około 0,7–0,8°C na 100 m.
Najniższą temperaturę powietrza notuje się nad
równikiem na granicy z tropopauzą – od -80 do
-70°C. Istotnymi źródłami ciepła dla troposfery
są procesy zmiany stanu fazowego pary wodnej.
Efektem procesu jej kondensacji jest powstanie
chmur i mgieł oraz dostarczenie dodatkowej ilo-
ści ciepła troposferze.
Wraz z wysokością zmniejsza się w tropos-
ferze ciśnienie atmosferyczne. Zmiana ta naj-
szybciej przebiega w jej dolnej części. W górnej
części troposfery występują wiatry, tzw. prądy
strumieniowe, których prędkość przekracza
300, a nawet 400 km na godzinę. Największe
prędkości osiągają w porze zimowej – wystę-
pują wtedy najsilniejsze kontrasty termiczne
pomiędzy masami powietrza. Przepływ powie-
SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
trza w prądach strumieniowych skierowany
jest z zachodu na wschód. Na obu półkulach
występują dwa główne prądy strumieniowe,
polarny (większy) i podzwrotnikowy (mniejszy).
Mogą one tworzyć zafalowania wokół całego
globu o mniejszej lub większej amplitudzie.
Stopień zafalowania ma wpływ na kierunek
przemieszczania się mas powietrza oraz lokali-
zację układów barycznych. Prądy strumieniowe
nie zawsze tworzą zamknięty krąg wokół Zie-
mi. W przypadku zmniejszania się prędkości
przepływu powietrza na niektórych obszarach
prąd strumieniowy występuje w formie poje-
dynczych przerywanych pasm.
W tropopauzie temperatura nie spada wraz
z wysokością, czasami może nieznacznie wzra-
stać. Skutkiem takiego rozkładu pionowego
temperatury powietrza jest hamowanie ruchów
pionowych. Widocz nym na niebie tego prze-
jawem jest spłaszczona górna część chmury
Cumu lonimbus, która z racji swojego
wyglądu jest nazywana
kowadłem.
Chmura Cumulonimbus z charakterystycznym kowadłem
18
Pobierz darmowy fragment (pdf)