1. Wstęp, powstawanie wiatrów

Ruchy mas powietrza dzielą się na poziome i pionowe. Za ruchy poziome, bardziej znaczące i silniejsze, odpowiedzialne jest zmienne ciśnienie w atmosferze. Ruchy pionowe (prądy wstępujące, zstępujące oraz konwekcja) związane jest z zagęszczeniami pary wodnej i tworzeniem się chmur. Najogólniej mówiąc, ruchy powietrza powstają one na skutek braku równowagi statycznej pomiędzy dwoma siłami: siła grawitacji a siłą parcia cząsteczek atmosfery. Gdy równowaga między siłami jest lokalnie zaburzona, porusza się ona, mogąc także nadawać ruch cząsteczkom sąsiednim. Zamiast siły parcia rozpatruje się te zaburzenia jako wpływ ciśnień działających na cząsteczki powietrza. Przy różnicach temperatur i wilgotności a także gęstości pomiędzy obszarami pojawia się różnica ciśnień. Przy różnych ciśnieniach w dwóch obszarach powietrze zmuszone jest do ruchu poziomego (wiatru). Im większa różnica w ciśnieniu (gradient ciśnienia), tym większa jest przy tym prędkość przepływającej masy powietrza. Scenariusz powstawania typowego wiatru jest następujący: Powierzchnia lądu lub morza jest nagrzana przez energię słoneczną. Podgrzaniu ulega także masa powietrza znajdująca się bezpośrednio nad powierzchnią ziemską. Tempo wzrostu temperatury wyznacza ciepło właściwe danego materiału (jest ono ilością energii wymaganą do nagrzania kilograma wody o jeden stopień Celsjusza.) Jednak temperatura przekazana wycinkowi Ziemi jest nierównomierna, ponieważ jest zmienna w zależności od nagrzewanego materiału (woda, las, tereny skaliste itp.) Do powstania różnic przyczynia się też ruch Ziemi oraz zmienny kąt padania promieni słonecznych na jej powierzchnię. W dzień, gdy Słońce intensywnie oświetla podłoże, ziemia ogrzewa się silniej niż zbiorniki wodne, skutkiem czego masy powietrza znad lądu, jako lżejsze, szybko unoszą się ku górze i tworzy się tzw., prąd wstępujący (pionowy). Istnieje wówczas znaczna różnica temperatur między atmosfera nad lądem i wodą. Stan taki prowadzi dość szybko do niestabilności, ponieważ na skutek dużej energii powietrze gorące znad lądu musi uciekać na wszystkie strony od swego centrum (zjawisko znane jako wiatry górne). Wówczas nad takim obszarem ilość cząstek atmosfery zmniejsza się, a więc spada także wywierane ciśnienie. W niższych partiach powietrze dąży do wyrównania gradientu ciśnienia poprzez ruch poziomy w kierunku nagrzanego lądu.

  1. Rodzaje wiatrów

Najczęściej spotykane wiatry można podzielić na: bryzy, monsuny, pasaty, wiatry górskie, cyklony i tornada. Każdy z tych wiatrów występuje w pewnych określonych warunkach i rejonach geograficznych.

  • Bryza jest łagodnym wiatrem wiejącym w dzień od morza w kierunku lądu, a w noc - na odwrót. Obserwuje się ją nie tylko nad brzegiem morza, ale i przy większych jeziorach śródlądowych. Za bryzę oraz zmiany jej kierunku w czasie doby odpowiedzialne są prądy konwekcyjne - unoszenie się ogrzanego powietrza do wyższych warstw atmosfery. Przy dużym nasłonecznieniu obszaru ląd, jak już opisano, ogrzewa się dużo szybciej niż woda, powietrze znad niego unosi się wzwyż i powoduje lokalna różnica ciśnień, przyciągająca chłodniejsze powietrze znad zbiornika wodnego. Wiatr jest zatem skierowany nad obszar lądu. Ponieważ jednak nocą ląd szybciej oddaje powietrzu zgromadzone w dzień ciepło, sytuacja powtarza się dokładnie odwrotnie: nocą morze jest na ogół cieplejsze niż ziemia i w rezultacie tworzy rejon małego ciśnienia, który zostaje wyrównany dopiero poprzez przepływ powietrza znad lądu do obszaru nadwodnego. Wieje wtedy bryza nocna ("lądowa"), o nieco mniejszej sile niż bryza dzienna ("morska"). Podobne fizycznie zjawisko może zachodzić także przy dużych połaciach lasu i obszarów lądowych bezleśnych - przy ciepłej, słonecznej pogodzie w dzień las nagrzewa się wolniej i bryza wieje w kierunku pola. Nocą podobny ruch nie ma miejsca na skutek wyrównania temperatur w obrębie lasu. Inną bryzą jest tzw. bryza miejska, czyli lekki wiaterek wiejący z chłodniejszego terenu otaczającego duże miasto ku centrum miasta - dzieje się to za sprawą silnego nagrzewania budynków i ulic oraz magazynowania w nich ciepła, zwłaszcza w krajach, gdzie panuje latem upalna pogoda.
  • Monsuny powstają podobnie jak bryza za sprawą pionowych ruchów gorących mas powietrza znad lądu. Występują u południowych i wschodnich wybrzeży Azji. Letni monsun jest wiatrem ciepłym przenoszącym wilgoć, jest bardzo pomocny przy nawadnianiu upraw. Monsun zimowy przeciwnie - jest zimny i chłodny. W lecie monsuny wieją znad oceanu w kierunki lądu, zimą - znad obszaru lądowego nad zbiorniki wody. Dzieje się tak znowu na skutek różnicy ciśnień, związanej z szybkim nagrzewaniem się lądu (lato) oraz tworzeniem się obszarów niżu barycznego (obszaru małego ciśnienia) nad wolno oddającym ciepło oceanem (zima.) Na bardzo podobnej zasadzie wieją wiatry górskie (np. feny, wiatr halny.)
  • Pasaty są wiatrami strefy równikowej, a ich powstawanie wiąże się silnie z ruchem, obrotowym planety. Są trwałe - występują zawsze w obszarze Ziemi pomiędzy trzydziestym stopniem szerokości geograficznej północnej i południowej. Nie są zbyt silne ani groźne w sutkach. Tworzą się na skutek cyrkulacji powietrza powodowanej dużym nasłonecznieniem i ogrzaniem strefy równikowej w stosunku do obszarów zwrotnikowych. Ogrzane masy powietrza znad równika porusza się w kierunku biegunów w górnych warstwach atmosfery i obserwujemy wówczas antypasat. Na jego miejsce napływa jednak powietrze chłodniejsze od strony dalszych szerokości geograficznych - pasat. Pasaty i antypasaty wykazują znaczne odchylenie w kierunku wschodu, powodowane obrotem wirowym Ziemi.
  • Cyklony tropikalne (huragany) obserwuje się w rejonach gorących, nad którymi rozgrzane oceany mogą przekazać do atmosfery ogromne ilości ciepłej pary wodnej. Powietrze znad zbiornika wodnego przybiera wówczas postać gorącej, rozległej na kilkadziesiąt metrów , wilgotnej warstwy. Unoszeniu się mas powietrza towarzyszy skraplanie pary wodnej i w rezultacie wystąpienie opadów. Ciepło warstwy jest z powrotem oddawane, ale związana ze skraplaniem ene4rgia jest na tyle duża, że masa powietrza znad oceanu może nadal się ogrzewać i unosić ku jeszcze większym wysokościom. Nad oceanem tworzy się jednak jednocześnie niż baryczny (powodowany oddawaniem ciepła do tego rejonu.) Napływają tam masy wilgotnego powietrza, dając zalążek burzy. Ciągłe unoszenie mas powietrza w górę i towarzyszące temu wydzielane ciepło nadaje większe i większe tempo przypływu pobliskich mas powietrza do centrum burzowego. To centrum zostaje wreszcie wprawione w ruch wirowy na skutek ruchu Ziemi wokół jej osi i związane z tym powstające siły Coriolisa, odchylające ciała poruszające się równolegle do równika pod pewnym kątem na obu półkulach. Wówczas już mamy do czynienia ze zjawiskiem cyklonu. W centrum cyklonu tworzy się następnie charakterystyczne oko cyklonu, czyli względnie spokojny rejon niskiego ciśnienia. W jego sąsiedztwie wieją silne wiatry (tzw. ściana oka cyklonu.) Wznoszenie powietrza gorącego może przy tym postępować nadal, aż wreszcie masy powietrza dociera do nie przepuszczającej ich stratosfery. Masy powietrza muszą wówczas albo odpłynąć w kierunkach bocznych i spokojnie opaść, albo wpaść do oka cyklonu. Typowe rozmiary cyklonu to średnia rzędu kilkudziesięciu kilometrów (największa zaobserwowana wynosiła ponad 2000 kilometrów), a czas życia jest nie większy niż kilka - kilkanaście dni. Cyklony tworzą się nad oceanem w rejonie tzw. ciszy równikowej (pomiędzy trzecim a siódmym stopniem szerokości geograficznej N i S), ale z łatwością mogą dotrzeć do wybrzeży, ponieważ ich prędkości przemieszczania się dochodzą do 300 km/h. W tym przypadku powodują ogromne zniszczenia i straty w ludziach. Najczęściej pojawiają się jesienią i latem, bowiem wtedy średnia dzienna temperatura oceanu jest największa. Ciekawostką jest, że cyklon nie może zaistnieć na samym równiku ani w jego najbliższym sąsiedztwie, ponieważ w tym miejscu siła Coriolisa jest zbyt mała, by zapoczątkować ruch wirowy pas powietrza. Z kolei im bardziej cyklon przemieszcza się w kierunku północnym lub południowym na ląd, tym szybciej ulega osłabieniu, p[ponieważ nie jest już dłużej zasilany przez gorące masy powietrza oceanicznego. Ponieważ cyklony stwarzają wielkie zagrożenie, wielu uwagi poświęca się ich badaniom o prognozowaniom. Wykazano, że można je znacznie unieszkodliwić poprzez ingerencję w warunki początkowe w momencie powstania wiru (zwłaszcza temperaturę i wilgotność), wymaga to jednak bardzo precyzyjnego monitorowania przebiegu zjawiska. Przewidywanie przebiegu cyklonu jest trudne i związane z uwzględnieniem wielkiej liczby zmiennych czynników związanych z jego tworzeniem się i ruchem. Pomocne są tu, podobnie jak w wielu dziedzinach nauki, symulacje komputerowe zachowania się cyklonów. Wynika z nich jak dotychczas, że zapanowanie nad ruchem i zmiennością cyklonu jest w pewnych graniach realne.
  • Tornada przyjmują postać ogromnych wirów zwieńczających potężny słup powietrza o średnicy podstawy od kilkudziesięciu metrów do kilku kilometrów. Związane są z bardzo dużymi prędkościami ruchu poziomego powietrza, do ok. 500 km/h. Tornada, zwane też trąbami powietrznymi i tajfunami, obserwowane są w tylnych, prawych rejonach układów burzowych i występują stosunkowo rzadko (tornadem kończy się średnio jedna na 100 burz występujących tylko w pewnych obszarach Ziemi, jak np. wnętrze kontynentu Ameryki Północnej.) Są dość krótkotrwałe, żyją od kilku minut do godziny, przy czym rekordem było zaobserwowania tajfunu ponad trzygodzinnego. Wszystko to powoduje ogromne trudności w prognozowaniu ich występowania oraz obserwacjach fenomenu. By powstał ruch wirowy tornada, musi zaistnieć jego przyczyna - nie wystarcza tu samo wznoszenia się masy powietrza i powstawanie gradientu ciśnienia. Za powstawanie ruchu obrotowego odpowiedzialne jest spotkanie się dwóch dużych mas powietrza poruszających się w kierunkach przeciwnych. Wcześniej konieczne jest uniesienia gorącego powietrza znad ogrzanej powierzchni gruntu do góry. Gdy unoszone powietrze ma dużą wilgotność, proces jest bardziej wydajny, ponieważ wytwarzane jest dodatkowa energia z procesu kondensacji pary wodnej unoszonej do obszarów zimniejszych. Początkiem tornada bywa często tworzenie się pionowo ułożonych chmur kłębiastych typu cumulus. W pierwszym, gdy ogrzewające się masy powietrza znajdują się już na wysokości działania porywistych wiatrów, stadium rozwoju trąby powietrznej powstaje poziomy wir, stopniowo zwiększający swa prędkość obrotową. Wyróżniona oś zawirowania zaczyna przybierać położenie zgodne z kierunkiem pionowym, wskazując punkt maksimum siły prądu wstępującego unoszącej się masy gorącego powietrza. Można to zaobserwować w postaci wybrzuszania w podstawie chmury kryjącej wir. Tornadu zaczyna być wyraźnie widoczne w momencie, gdy jego koniec zbliży się do ziemi, unosząc cząstki pyłu i piasku. Wewnątrz wiru następuje znaczny spadek ciśnienia i może się tam także gromadzić zagęszczona para wodna. Z jednej chmury burzowej może powstać przy tym kilka osobnych tajfunów o różniących się kierunkach ruchu wirowego, ale wiejących blisko wiru głównego (pierwotnego.) Osobna klasą zjawiska jest wystąpienie trąby wodnej, czyli tornada poruszającego się ponad powierzchniami mórz i wód śródlądowych. W ich przypadku wir może łatwiej powstać i być silniejszy na skutek małej siły tarcia działającej przy zetknięciu tornada z powierzchnią wody. Choć zjawiska te są często mało gwałtowne i powstają pod chmurami kłębiastymi (cumulusami) nie związanymi z burzami, trąby morskie są w stanie zatapiać jednostki pływające i pustoszyć porty i wybrzeża.