Materiały szkoleniowe
ŻEGLARZ JACHTOWY
Dział: Teoria żeglowania
Temat: Masy powietrza
Masy powietrza
Obszary, nad którymi tworzą się masy powietrza, są nazywane obszarami źródłowymi. Stąd, ulegając ogólnej cyrkulacji atmosferycznej, przemieszczają się one nad inne rejony kuli ziemskiej, zatracając z wolna pierwotne właściwości. Proces tracenia przez masę powietrza właściwości źródłowych nosi nazwę transformacji. Im większy jest kontrast pomiędzy właściwościami fizycznymi masy a właściwościami podłoża, tym transformacja przebiega szybciej. Pogoda kształtowana przez masy powietrza jest związana z ich właściwościami źródłowymi oraz późniejszymi zmianami, jakie w nich zachodzą. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę zmian termicznych w ciepłych i chłodnych masach powietrza.
Spis treści:
1.Ciepłe masy powietrza
2.Chłodne masy powietrza
3.Masy powietrza na ziemi
4.Masy powietrza w Europie
1.Ciepłe masy powietrza
W ciepłej masie powietrza napływającego nad chłodniejsze podłoże następuje obniżanie temperatury, a w ślad za tym zwiększa się w nich równowaga termiczna i maleje konwekcja – rozwój chmur kłębiastych staje się znacznie ograniczony. Obniżenie temperatury pociąga za sobą wzrost wilgotności względnej powietrza i obniżenie poziomu, od którego zaczyna się kondensacja pary wodnej. Sprzyja to tworzeniu się chmur warstwowych piętra niskiego St i Sc, które mogą dawać opady mżawki lub słabego deszczu. Niekiedy chmury Sc przechodzą w Ns dające opady o ciągłym charakterze. Duże zachmurzenie, ograniczające zarówno dopływ promieni słonecznych do powierzchni Ziemi, jak i jej nocne straty ciepła spowodowane wypromieniowaniem, sprawiają, że dobowe wahania temperatury są niewielkie. Obniżenie się temperatury sprzyja tworzeniu się mgieł adwekcyjnych. W przypadku dużych różnic termicznych pomiędzy ciepłą masą a chłodnym podłożem może powstać wyraźna, sięgająca kilkuset metrów wysokości warstwa inwersyjna. Gdy napływa masa powietrza o bardzo małej wilgotności względnej, obniżenie temperatury nie zawsze jest wystarczające, aby zachodziły procesy kondensacji pary wodnej. Może wówczas przeważać pogoda o małym zachmurzeniu lub jego braku.
2.Chłodne masy powietrza
W chłodnej masie powietrza napływającej nad cieplejsze podłoże, od którego się nagrzewa, wzrost temperatury powoduje ustalenie się równowagi chwiejnej, co sprzyja rozwojowi konwekcji termicznej. W wyniku rozległych w pionie prądów konwekcyjnych tworzą się chmury kłębiaste, które mają budowę pionową. Latem są to głównie chmury Cu i Cb. Zimą, kiedy prądy te są słabsze, przeważają chmury Cu i Sc. Opady z chmur powstałych w wyniku konwekcji termicznej trwają zwykle krótko – w lecie są to często opady przelotne, ale ulewne lub opady burzowe o dużym natężeniu. Zimą chmury te mogą dawać intensywne opady śniegu.
3.Masy powietrza na ziemi
Na kuli ziemskiej wyróżnia się cztery geograficzne obszary źródłowe formowania się mas powietrza: arktyczną (antarktyczną), polarną, zwrotnikową i równikową. Napływające stamtąd masy powietrza określa się więc jako arktyczne, polarne, zwrotnikowe i równikowe. W zależności od tego czy określona masa ukształtowała się nad kontynentem, czy oceanem, dzieli się je ponadto na kontynentalne i morskie, a ze względu na to czy na pływając nad dany obszar niesie ocieplenie, czy ochłodzenie – na ciepłe i chłodne.
Masa powietrza arktyczno-morskiego formuje się nad obszarami morskimi wysokich szerokości geograficznych. W rejonach tych, na skutek niskiej temperatury i dużej wilgotności względnej powietrza, przeważa pogoda pochmurna – niebo najczęściej jest pokryte niskimi chmurami warstwowymi. Niska temperatura i duża wilgotność sprzyjają powstawaniu mgieł. W powietrzu tym przeważa stała równowaga termiczna. Nad Europę i północny Atlantyk powietrze to napływa z północnego zachodu, a nad północną część Oceanu Spokojnego – znad Morza Beringa. Przemieszczając się na południe i ogrzewając, osiąga ono równowagę chwiejną – pojawiają się chmury Cu i Cb oraz związane z nimi krótkotrwałe opady burzowe. Masa powietrza arktyczno-kontynentalnego tworzy się nad lodami Arktyki oraz nad obszarami leżącymi w wysokich szerokościach geograficznych Azji i Ameryki Północnej. Przeważają tu nisko leżące chmury. W okresie zimowym, przy bardzo dużych spadkach temperatury, tworzą się mgły, noszące nazwę mgieł arktycznych. Powietrze to ma niską temperaturę i bardzo małą zawartość pary wodnej. Charakteryzuje je równowaga stała, którą utrzymuje przemieszczając się zimą na południe nad kontynentem. Z jego napływem wiąże się o tej porze roku przewaga pogody chłodnej i o małym zachmurzeniu. Latem równowaga stała zmienia się w chwiejną, z przewagą chmur Cu. Nad Europę powietrze to napływa rzadko, często natomiast nad północną Azję i Amerykę. Przemieszczając się nad morzem w niższe szerokości geograficzne, ogrzewa się, staje się wilgotniejsze i przekształca w powietrze polarno-morskie.
Masa powietrza polarno-morskiego powstaje nad obszarami morskimi w strefach: zimą w pasie pomiędzy 40 i 60°, a latem pomiędzy 50 i 70° szer. geogr. Podczas przemieszczania się latem w niższe szerokości geograficzne powietrze ogrzewa się od podłoża i następuje w nim rozwój konwekcji, w ślad za tym pojawiają się chmury kłębiaste Cu i Cb oraz rzadziej St i Sc, dające przelotne opady i burze. Zimą zachowuje ono dużą stateczność – przeważają w nim chmury warstwowe St i Sc dające słabe opady śniegu lub mżawki. Powietrze to często napływa do Europy, przynosząc latem ochłodzenie, a zimą – wzrost temperatury.
Masa powietrza polarno-kontynentalnego formuje się nad rozległymi obszarami w umiarkowanych szerokościach geograficznych Azji i Ameryki Północnej. Zimą nad tymi kontynentami rozciągają się potężne wyże baryczne o ciśnieniu sięgającym 1050 – 1060 hPa i panuje stabilna, ale bardzo mroźna pogoda. Temperatury spadają do kilkudziesięciu stopni poniżej zera (np. w Jakucji średnia temperatura stycznia wynosi -48°C). Na obszarach tych roczne amplitudy temperatury są największe na kuli ziemskiej, gdyż lata są bardzo upalne. Gdy powietrze to przemieszcza się nad kontynentem, przynosi latem pogodę słoneczną i upalną, gdy natomiast wędruje nad oceanem – staje się wilgotne i
następuje w nim silny rozwój chmur kłębiastych Cu i Cb, którym towarzyszą burze. Zimą niesie ze sobą duże spadki temperatury oraz zwykle pogodę bezchmurną lub o małym zachmurzeniu. Często kształtuje ono pogodę w Europie.
Masa powietrza zwrotnikowo-morskiego podczas przemieszczania się ku równikowi traci stopniowo stateczność. W powietrzu tym powstają prądy konwekcyjne o charakterze lokalnym, niebo jest pokryte porozrzucanymi chmurami Cu, głównie hum, a bliżej równika – Cu con. W pobliżu strefy, gdzie spotykają się pasaty z obydwu półkul, wyraźnie już przeważają chmury kłębiaste – Cb, z którymi są związane tropikalne ulewy. Powietrze to, przemieszczając się w wyższe szerokości geograficzne, ochładza się od podłoża i staje się bardziej stabilne – przeważają w nim chmury warstwowe St i Sc. Powietrze zwrotnikowo-morskie po nasunięciu się latem nad rozgrzany kontynent przynosi, ze względu na dużą zawartość pary wodnej, burze. W głębi lądu chmury Cb przechodzą w chmury Cu.
Masa powietrza zwrotnikowo-kontynentalnego nabiera swoich cech nad północną Afryką,
południową Azją i południową częścią Ameryki Północnej. Jest to powietrze bardzo ciepłe i suche, o dużej stateczności. Nad obszarami tymi niebo jest najczęściej bezchmurne. Napływając nad obszary morskie, traci stateczność, pojawiają się w nim prądy konwekcyjne i wzrasta zachmurzenie. Przemieszczając się nad lądem, zachowuje przez długi czas pierwotny charakter.
Masa powietrza równikowego tworzy się z napływającego w postaci pasatów powietrza
zwrotnikowego, głównie zwrotnikowo-morskiego. W wyniku bardzo intensywnej konwekcji w strefie tej przeważa duże zachmurzenie – niebo pokryte jest chmurami o dużym rozwoju pionowym, głównie
Cu con i Cb, których podstawy są połączone, stanowiąc zwartą powłokę. Zawartość pary wodnej w
powietrzu jest bardzo wysoka. Jest to strefa o niezwykle silnych, prawie codziennych burzowych ulewach.
4.Masy powietrza w Europie
W Europie pogodę kształtują najczęściej masy powietrza polarnego i arktycznego, a w jej południowej części także zwrotnikowego. Oto krótka charakterystyka pogody związana z napływem poszczególnych rodzajów mas:
- arktyczno-morskie – latem ochłodzenie i zachmurzenie z możliwością opadów; zimą – zachmurzenie i opady, najczęściej śniegu lub śniegu z deszczem;
- arktyczno-kontynentalne – latem docierają rzadko, przynosząc chłodną i jednocześnie słoneczną pogodę; zimą – niskie temperatury; r
- polarno-morskie – latem zachmurzenie i opady; zimą – ocieplenie, zachmurzenie i opady deszczu lub śniegu z deszczem;
- polarno-kontynentalne – latem upały, zimą – ujemne temperatury, wiosną i jesienią – przymrozki;
- zwrotnikowo-morskie – latem – opady burzowe, zimą – znaczne ocieplenie;
- zwrotnikowo-kontynentalne – latem upały, zimą – wysokie temperatur
5.Cyrkulacja mas powietrza
Gdyby powierzchnia Ziemi była jednakowo nagrzana, powietrze, które nad nią zalega, charakteryzowałoby się poziomym gradientem temperatury równym zeru, a odległości między kolejnymi powierzchniami izobarycznymi (powierzchniami jednakowego ciśnienia) byłyby jednakowe, zatem ich gradient także byłby równy zeru.
Nierównomierny dopływ promieniowania słonecznego powoduje nagrzanie podłoża w jednym miejscu, podczas gdy w innym pozostaje ono chłodniejsze. Ciepłe powietrze o mniejszej gęstości unosi się ku górze, co powoduje, że odległości między powierzchniami izobarycznymi są w nim większe. Powstaje poziomy gradient ciśnienia atmosferycznego, nad nagrzanym podłożem przy powierzchni ziemi tworzy się niż, nad chłodniejszym, gdzie powietrze opada – wyż atmosferyczny. Ten układ wymusza poziomy ruch powietrza, czyli wiatr.
Układ powierzchni izobarycznych przy nierównomiernie nagrzanej powierzchni.
Powstaje cyrkulacja termiczna, a mechanizm ten stanowi podstawę ogólnej cyrkulacji atmosferycznej. Ciepłe powietrze wznosi się w miejscu powstania przypowierzchniowego niżu (tworzy się nad nim górny ośrodek wysokiego ciśnienia). Powietrze zaczyna przemieszczać się z górnego wyżu do niżu, w którym opadając ku powierzchni ziemi, tworzy przypowierzchniowy wyż. W ten sposób uzupełniany jest niedobór masy powietrza, które napływa w kierunku przeciwnym niż przepływ górny. Model ten w rzeczywistości zaburzony jest przez lokalne warunki – orografię terenu, jego pokrycie, działanie siły Coriolisa, a przede wszystkim warunkuje go bilans promieniowania na różnych szerokościach geograficznych.
6.Cyrkulacja atmosfery
Trójkomórkowy model ogólnej cyrkulacji atmosfery
Globalna cyrkulacja atmosfery przebiega w trzech zasadniczych etapach:
komórce Hadley’a – obejmuje przebieg cyrkulacji w strefie międzyzwrotnikowej.
komórce Ferrela – obejmuje przebieg cyrkulacji w strefie umiarkowanej – jest wypadkową dwóch pozostałych cyrkulacji (dlatego poniżej została omówiona jako ostatnia).
komórce polarnej – obejmuje przebieg cyrkulacji w strefie okołobiegunowej
Cyrkulacja atmosferyczna w komórce Hadleya.
Cyrkulacja w komórce Hadleya jest początkiem całej globalnej cyrkulacji. Warunkuje ją przede wszystkim olbrzymia dostawa ciepła w okolicach równika, z której wynika dalszy przebieg cyrkulacji.
Przebieg cyrkulacji:
Słońce oświetla okolice równika pod bardzo wysokim kątem, dostarczając olbrzymie ilości ciepła przez cały dzień.
Dochodzi do intensywnego parowania – ciepłe powietrze unosi się ku górze.
Nad równikiem ubywa powietrza – powstaje ośrodek niżu.
Unoszące się powietrze ochładza się, dochodzi do skroplenia i powstają chmury.
Pod koniec dnia po ochłodzeniu się i uformowaniu chmur, dochodzi do opadu (opad zenitalny).
Lekkie powietrze pozbawione wilgoci przenosi się na północ i południe od równika – w kierunku zwrotników.
Powietrze osiada w okolicach obu zwrotników i ogrzewa się. Brak wilgoci w powietrzu uniemożliwia powstawanie opadu. Powietrze nagrzewa się szybciej niż wcześniej ochładzało, ponieważ jest całkowicie suche.
Zwiększa się nacisk powietrza na Ziemię w okolicach zwrotników – powstają wyże.
Z powodu nierównowagi ciśnienia (niż na równiku, wyże na zwrotnikach), powietrze przemieszcza się ze zwrotników w kierunku równika w postaci stałego, ciągłego wiatru o nazwie Pasat (wiatr wschodni).
Efektem tak przebiegającej cyrkulacji jest występowanie stałego niżu nad równikiem i codziennych opadów nad równikiem (deszcz zenitalny), co prowadzi do wytworzenia się bujnej roślinności dżungli. Z kolei na zwrotnikach osiada suche powietrze i nie ma opadów, prowadzi to do powstawania pustyń. Różnica ciśnienia prowadzi z kolei do powstawania stałego wschodniego wiatru – Pasatu.
Obszar niżowy nad strefą równikową przesuwa się delikatnie na północ lub południe, tam gdzie aktualnie Słońce góruje pod wyższym kątem (lato). Miejsce, w którym w konsekwencji tego przesuwania zbiegają się pasaty, nazywane jest strefą zbieżności pasatów. Konsekwencją przemieszczania się tej strefy jest także występowanie klimatu podrównikowego, cechującego się porą suchą i deszczową.
Cyrkulacja atmosferyczna w komórce polarnej
Cyrkulacja w komórce polarnej jest w największym stopniu skutkiem niewielkiej ilości energii słonecznej docierającej do obszarów okołobiegunowych.
Przebieg cyrkulacji w komórce polarnej i komórce Ferrela
Przebieg cyrkulacji:
Słońce dostarcza bardzo niewiele energii do okolic biegunów – obszary te są wychłodzone.
Powietrze jest zimne i zalega nad biegunem, a masy przybywające z górnej części atmosfery ochładzają się i osiadają nad biegunami. Parowanie prawie nie występuje. Brak opadów.
Zwiększa się nacisk powietrza nad biegunami – powstają ośrodki wyżowe.
Część powietrza odpływa w kierunku umiarkowanych szerokości geograficznych w postaci stałych wiatrów wschodnich.
Na wysokości kół podbiegunowych zimne masy z nad biegunów zderzają się z cieplejszymi masami płynącymi od zwrotników. Powietrze unosi się – powstają ośrodki niżowe.
Część powietrza powraca nad biegun w górnej części troposfery.
Cyrkulacja atmosferyczna w komórce Ferrela
Choć formalnie jest to druga komórka, przebieg w niej cyrkulacji w największym stopniu jest skutkiem cyrkulacji w dwóch pozostałych komórkach.
Przebieg cyrkulacji:
Powietrze osiadające na zwrotnikach (komórka Hadleya – pochodzące z nad równika) zderza się w górnej części troposfery z innym osiadającym powietrzem – wypiętrzonym i skierowanym w kierunku zwrotnika z nad kół podbiegunowych (komórka polarna).
Nad zwrotnikiem tworzy się wyż, nie ma opadów.
Część ciepłego powietrza przemieszcza się w kierunku kół podbiegunowych w postaci stałych wiatrów zachodnich.
Powietrza docierające do kół podbiegunowych zderza się z zimnym powietrzem ześlizgującym się znad biegunów. Masy mieszają się i unoszą do góry.
Powstają ośrodki niżowe w okolicach kół podbiegunowych.
Część powietrza wraca w górnej warstwie troposfery w kierunku zwrotników.
7.Cyrkulacja atmosferyczna w szerokościach poza zwrotnikowych
W umiarkowanych szerokościach geograficznych (w których położona jest także Polska) przeważają wiatry zachodnie, na co wpływają układ niżów i wyżów, omówione wcześniej siły (m.in. siła Coriolisa i siła tarcia) czy ruch obrotowy Ziemi. Częste przemieszczanie się niestabilnych wyżów i niżów barycznych w tych szerokościach geograficznych powoduje, że stałość kierunków i prędkości wiatru jest stosunkowo niewielka. Na uwagę zasługuje różnica w cyrkulacji na półkuli północnej i południowej. Brak obszarów lądowych na półkuli południowej sprawia, że notuje się tu znacznie większe gradienty ciśnienia, a zatem i prędkości wiatrów, które określa się mianem „ryczących czterdziestek” (pas wód oceanicznych biegnący wokół południowej półkuli, w przybliżeniu pomiędzy 40° i 50° S, wzdłuż którego wieją stałe wiatry zachodnie, o bardzo dużej prędkości, będące powodem
częstych sztormów). Na półkuli północnej obszary lądowe modyfikują kierunek przemieszczania się układów barycznych, zwłaszcza niżów. Szerokości umiarkowane półkuli północnej cechują się dużą zmiennością pogody.
Główne szlaki przemieszczania się niżów poza zwrotnikowych
Testy
E-patenty
Kursy żeglarskie i motorowodne on-line
