Atmosfera ziemska jest powłoką gazową otaczająca Ziemię, składa się z mieszaniny gazów zwanych powietrzem. Wraz ze wzrostem wysokości zmieniają się właściwości atmosfery ziemskiej, to stało się podstawą do podziału jej na warstwy.
Główne składniki powietrza: dzielimy je na składniki główne i drugorzędne, składniki główne to: azot (N2) - 78% masy suchego powietrza, tlen (O2) - 21%, argon (Ar) - 0,9%, dwutlenek węgla (CO2) - zawartość zmienna zależna od klimatu i warunków pogodowych, składniki drugorzędne to m.in. neon (Ne), hel (He), krypton (Kr), wodór (H2), metan (CH4) - występują w ilościach śladowych. Ważnym składnikiem powietrza jest para wodna, która może stanowić 0-5% objętości powietrza, ilość zależy od warunków klimatycznych i pogodowych.
Budowa atmosfery Ziemi:
Troposfera - wysokość od powierzchni Ziemi do wysokości 16-18 km, temperatura spada wraz z wysokością
(o około 6ºC/km), na górnej granicy wynosi -70ºC (zimą) latem około -45ºC, ciśnienie w tej warstwie maleje wraz z wysokością od około 1000 hPa na poziomie morza do około 200 hPa na granicy tropopauzy. Warstwa ta zawiera około 80% masy całego powietrza, w niej też zawarte jest 99% pary wodnej oraz zanieczyszczeń dostających się do atmosfery. Tutaj zachodzą główne procesy i zjawiska kształtujące pogodę i klimat.
Tropopauzy - warstwa zalega na wysokości 7-18 km, temperatura od -45ºC do -80ºC, ciśnienie około 200 hPa, warstwa ta oddziela troposferę od stratosfery.
Stratosfera - cięgnie się od tropopauzy od wysokości 50-55 km, temperatura w dolnej warstwie, do wysokości około 25 km, jest niemalże stała wynosi około -57ºC, wraz ze wzrostem wysokości rośnie, w górnej warstwie osiąga wartości 0ºC, ciśnienie w tej warstwie spada wara ze wzrostem wysokości, osiąga wartość około 1 hPa. W warstwie tej zawarty jest cały ozon, wzrost temperatury wraz z wysokością jest spowodowany pochłanianiem promieniowania słonecznego przez ozon, przede wszystkim nadfioletowego i rentgenowskiego. Charakterystyczne dla tej warstwy jest występowanie chmur perłowych.
Stratopauza - warstw znajduje się na wysokości 50-55 km, temperatura w zasadzie stała i średnio wynosi około 0ºC, ciśnienie średnio około 1 hPa, warstwa ta zawiera znaczne ilości ozonu.
Mezosfera - rozpościera się na wysokości od 50-55 km do 80-85 km, temperatura spada wraz z wysokością od około 0ºC do -90ºC, ciśnienie średnio wynosi około 1 hPa, w skutek gwałtownego spadku temperatury silnie rozwinięte ruchy turbulencyjne, charakterystyczne dla tej warstwy jest występowanie chmur zwanych obłokami srebrzystymi.
Mezopauza - wysokość 80-85 km, średnia temperatura około -90ºC, ciśnienie około 0,1 hPa, w warstwie tej często występuje zjawisko zórz polarnych.
Termosfera - warstwa na wysokości od 80-85 km do 500-600 km, górna granica ustalona umownie znajduje się na wysokości 500-800 km, temperatura podatkowo szybko wzrasta, osiągając na wysokości 250 km, wartość 700ºC, w wyższych warstwach wzrost jest znacznie wolniejszy, temperatura dochodzi do 1000ºC, ciśnienie maleje od około 0,0001 hPa, warstwa ta charakteryzuje się silnym rozrzedzeniem i wysoką temperaturą, następuje w niej zmiana składu powietrza, pojawia się wodór, atomowy tlen i azot.
Egzosfera - warstwa na wysokości powyżej 500-800 km, temperatura powyżej 800ºC, ciśnienie mniejsze od
10-6 hPa, bardzo mała gęstość, głównymi składnikami w tej warstwie są: wodór i hel. Ze wglądu na tak mała gęstość cząsteczki zderzają się ze sobą bardzo rzadko, znajdują się poza działaniem sił przyciągania ziemskiego.
Główne masy powietrza:
- Arktyczne
- Polarne (N)
- Zwrotnikowe (N) powstałe w wyniku działania wyżów zwrotnikowych i podzwrotnikowych wyróżniamy- kontynentalne, morskie w tym atlantyckie i pacyficzne oraz związane z monsunem północno-wschodnim
- Równikowe - powstałe w wyniku działania niżu równikowego, wyróżniamy masy związane z monsunem południowo-zachodnim, równikowe właściwe
- Zwrotnikowe (S) - kontynentalne, morskie w tym atlantyckie, pacyficzne oraz oceaniczne indyjskie
- Polarne (S)
- Antarktyczne
Masy powietrza powstałe nad oceanami cechują małe amplitudy oraz wysoka wilgotność, masy kształtowane nad kontynentami są suche oraz posiadają wysokie amplitudy.
Rozkład ciśnienia na kuli ziemskiej:
- Strefa niżów okołorównikowych - (ciepłe powietrze unosi się ku górze do wartości poniżej 1010 hPa)
- Strefa wyżów podzwrotnikowych - (powietrze unoszące i przemieszczające się znad równika przemieszcza się ku zwrotnikom, odchylenie w kierunku wschodnim wskutek działania siły Coriolisa, nad zwrotnikami powietrze ulega ochłodzeniu, tworzy się wyż, ciśnienie powyżej 1010 hPa)
- Strefa niżów szerokości umiarkowanych
- Strefa wyżów okołorównikowych
Fronty atmosferyczne: strefa przejściowa powstająca pomiędzy masami powietrza posiadającymi różne właściwości
- front ciepły - powstaje w wyniku nasuwania się cieplejszych mas powietrza nad masy chłodniejsze,
- front chłodny - powstaje w wyniku napływu chłodnego powietrza, które jest cięższe i wypiera powietrze cieplejsze ku górze.
- front zokludowany - powstaje w wyniku wypychania przez szybciej przemieszczające się fronty chłodne, które doganiają fronty ciepłe, dwie masy chłodnego powietrza wypychają masę powietrza ciepłego, znajdującego się między nimi, ku górze.
- front równikowy - powstaje w międzyzwrotnikowej strefie zbieżności
- front polarny - fronty oddzielające masy powietrza polarnego od mas powietrza napływającego ze strefy podzwrotnikowej.
Typy wiatrów:
Wiatr, ruch powietrza względem powierzchni Ziemi, wywołany w wyniku powstającego zróżnicowania ciśnienia atmosferycznego w danej warstwie atmosfery. Prędkość wiatru mierzy się za pomocą wiatromierzy lub określa się według skali Beauforta.
Wiatry stałe:
- pasaty - są to wiatry ciepłe i suche wiejące od zwrotnikowych wyżów ku równikowym niżom, odchylone na zachód z powodu działania siły Coriolisa. Występują w strefie międzyzwrotnikowej
- antypasaty - wiatry ciepłe, wiejące od równika ku równoleżnikom.
Wiatry zmienne:
- monsuny - sezonowe wiatry, powstające w wyniku zróżnicowanego tempa nagrzewania się i stygnięcia lądu
i morza. Wyróżnia się monsun letni - wilgotny i ciepły, wieje od wysokiego ciśnienia oceanicznego do niżu nad lądem, przynosi obfite opady. Monsun zimowy - suchy i zimny, wieję od lądu ku morzu.
Wiatry lokalne:
- bryza - wiatr spowodowany różnicami w nagrzewaniu się i stygnięciu morza oraz wybrzeża, wyróżnia się bryzę dzienną (morską) - wilgotna, wieje od morza ku lądowi oraz bryzę nocną (lądowa) - sucha, wiejąca od lądu ku morzu.
- wiatry dolinne i górskie - wiatry powstające w wyniku różnic w nagrzewaniu się oraz stygnięciu den dolin
i zboczy gór, powstają podczas pogody wyżowej
- fen - wiat ciepły, suchy, porywisty, powstający po zawietrznej stronie gór, w wyniku różnicy ciśnień po obu stronach pasma górskiego, przynosi nagłe ocieplenie i zmniejszenie wilgotności. Nazwy lokalne: fen, halny, chinook, austral., zonda,
- bora - wiatr chłodny, suchy, silny, występuje głównie w górach o średnich wysokościach znajdujących się nad wybrzeżami, powstaje w wyniku spływu wiatru, powstającego nad obszarem górskim gdzie rozwija się układ wysokiego ciśnienia, w kierunku ciepłego powietrza zalegającego np. nad morzem. Nazwy lokalne: bora, bise, helm, mistral.
- wiatry tunelowe - chłodne, duża prędkość, powstają w zwężeniach terenu na obszarach górskich i wyżynnych, również na obszarach miast w zwężeniach ulic.
Opady atmosferyczne: opad powstaje wówczas, gdy obecne w chmurach kryształki lodu i kropelki wody, osiąga rozmiary, które umożliwiają im swobodne wypadanie pod wpływem sił grawitacyjnych, Czynnikami wpływającymi na wielkość opadów są: zachmurzenie, cyrkulacja atmosferyczna, czyli krążenie powietrza, stratyfikacja pionowa atmosfery, warunki topograficzne
Rodzaje opadów:
- deszcz - opad kropel wody, średnica > 0,5-0,8 mm
- mżawka - drobny, gęsty opad kropel wody, średnica 0,05-0,5 mm
- śnieg - opad różnego rodzaju płatków, śnieżynek zbudowanych z kryształków lodu, średnica od kilku mm do paru cm
- krupy śnieżne - opad grudek lodowych, ziarnisty, średnica 2-5 mm
- śnieg ziarnisty - opad małych ziarn lodowych, średnica < 2 mm
- grad - opad w postaci matowych bryłek lodu, średnica 5-50 mm
- słupki lodowe - opad nierozgałęzionych kryształków lodu, przyjmujących kształt blaszek i słupków
Rozkład opadów:
- strefa zwrotnikowa, podzwrotnikowa, umiarkowana (15-45º S, N) - opady występują sporadycznie, poniżej 250 mm, obszar występowania i wpływu suchych, stałych wiatrów - pasatów oraz zimnych prądów morskich (Prąd Kalifornijski, Kanaryjski, Peruwiański, Benguelski).
- pustynie i półpustynie (strefy umiarkowanej), opady sporadyczne, poniżej 250 mm, obszary znajdujące się
w dalekiej odległości od oceanów i mórz
- strefa polarna - opady sporadyczne, poniżej 250 mm, niskie temperatury, mała wielkość parowania, wysokie ciśnienie utrzymujące się w tej strefie sprawiają, że chmury posiadają małą wodność
- strefa umiarkowana (40-60º S, N) - opady przeważają latem, od 250 do 500 mm,
- strefa umiarkowana, obszary pod znajdujące się pod wpływem oceanów, strefy gór - opady zróżnicowane
w ciągu roku, od 500 do 1000 mm,
- strefa równikowa - opady cały rok, codzienne deszcze zenitalne, opady 1000-0-2000 mm, duża zawartość pary wodnej w powietrzu, działanie pionowych ruchów powietrza - prądy konwekcyjne powodują one powstawanie chmur kłębiastych, z których powstają opady
- obszary monsunowe, opady latem, 1000-2000 mm, opady cyklonalne lub wywołane obecnością monsunu letniego
- strefa monsunowa, dowietrzna strona gór, opady występują podczas zmiany monsunu zimowego na letni, opady > 2000 mm
Chmury - są to zawieszone w atmosferze mikroskopijne kropelki wody, kryształki lodu albo ich mieszanina.
Ze względu na zróżnicowaną budowę, wygląd i wysokość występowania wyróżnia się 10 podstawowych rodzajów chmur:
- Chmury pierzaste (Cirrus, Ci)
- Chmury pierzasto-kłębiaste (Cirrocumulus, Cc)
- Chmury pierzasto-warstwowe (Cirrostratus, Cs)
- Chmury średnie kłębiaste (Altocumulus, Ac)
- Chmury średnie warstwowe (Altostratus As)
- Chmury warstwowo-deszczowe (Nimbostratus Ns)
- Chmury warstwowo-kłębiaste (Stratocumulus, Sc)
- Chmury niskie warstwowe (Stratus, St)
- Chmury kłębiaste (Cumulus, Cu)
- Chmury kłębiaste deszczowe (Cumulonimbus, Cb)
