ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΑΣΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ ΓΕΩΡΓΙΑ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΑΣΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ ΓΕΩΡΓΙΑ Σύνοψη Στο κεφάλαιο αυτό καλύπτονται βασικά θέματα Γενικής Μετεωρολογίας που αφορούν τη γεωργία. Αρχικά, παρουσιάζονται η δομή και τα χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας της Γης, και αναλύονται οι τρεις βασικές μετεωρολογικές παράμετροι, η θερμοκρασία, η ατμοσφαιρική πίεση και ο άνεμος, των οποίων οι συνδυασμοί των μεταβολών στο χώρο και το χρόνο, μαζί με την υγρασία, διαμορφώνουν τον καιρό, ενώ τονίζεται και η σημασία τους στη γεωργία. Επίσης, μελετώνται η υγρασία του αέρα και οι διάφορες υγρομετρικές παράμετροι που την προσδιορίζουν. Αναλύεται η ατμοσφαιρική αστάθεια, παρουσιάζονται και ταξινομούνται τα νέφη, ενώ περιγράφονται και επεξηγούνται οι αέριες μάζες, οι διάφορες κατηγορίες μετώπων, όπως επίσης οι κυκλώνες και οι αντικυκλώνες. Το κεφάλαιο κλείνει με την παρουσίαση και την ανάλυση των υδροσυμπυκνώσεων μικρής κλίμακας, όπως είναι η δρόσος, η πάχνη και η ομίχλη, που έχουν μεγάλη σημασία στη γεωργία και το αγροτικό περιβάλλον. Προαπαιτούμενη γνώση Ο αναγνώστης απαιτείται να έχει βασικές γνώσεις φυσικής και μαθηματικών Η ατμόσφαιρα της Γης Σύνθεση της γήινης ατμόσφαιρας Η ατμόσφαιρα είναι το αεριώδες περίβλημα της Γης, το οποίο συμμετέχει στις κινήσεις της, καθώς συγκρατείται από τις βαρυτικές δυνάμεις. Συνεπώς, η ατμόσφαιρα, εκτός των άλλων κινήσεών της, περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της Γης, από τα δυτικά προς τα ανατολικά, με ταχύτητα διαφορετική από αυτήν της περιστροφής της Γης. Θεωρητικά, δεχόμαστε ότι ανώτερο όριο της ατμόσφαιρας είναι το ύψος εκείνο στο οποίο τα μόριά της συμμετέχουν στην περιστροφική κίνηση της Γης. Πρόκειται για το ύψος στο οποίο η βαρυτική δύναμη υπερισχύει της φυγόκεντρης και της τάσης διαφυγής των αερίων. Το ύψος αυτό εκτιμάται περίπου στα km πάνω από τους πόλους και στα km πάνω από τον Ισημερινό. Η σύσταση της γήινης ατμόσφαιρας στα κατώτερα στρώματά της αποτελείται από ένα μείγμα αερίων, που αποτελούν τον ξηρό αέρα, από υδρατμούς και γενικά από νερό και στις τρεις καταστάσεις, δηλαδή στερεή, υγρή και αέρια, καθώς και από διάφορα αιωρούμενα σωματίδια σε στερεή ή υγρή κατάσταση. Πιο συγκεκριμένα, ο ξηρός αέρας αποτελείται από άζωτο (Ν 2) σε ποσοστό περίπου 78%, από οξυγόνο (Ο 2) σε ποσοστό περίπου 21% και από διάφορα άλλα αέρια, όπως το αργό (Ar), το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2), το ήλιο (He), το νέο (Ne), το κρυπτό (Kr), το όζον (Ο 3) και άλλα σε ποσοστό που φτάνει μόλις το 1%. Οι υδρατμοί, που θεωρούνται φορείς της θερμικής ενέργειας της Γης, είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία νεφών, ομιχλών και άλλων ατμοσφαιρικών υδατωδών κατακρημνισμάτων, όπως είναι η βροχή, το χιόνι, το χαλάζι και γενικά όλες οι μορφές υετού. Τέλος, τα αιρούμενα σωματίδια, που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο με την επίδρασή τους σε διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα, διακρίνονται σε αυτά που έχουν γήινη προέλευση, όπως είναι η σκόνη, η γύρη, ο καπνός, το αλάτι και άλλα συναφή, αλλά και σε αυτά που έχουν κοσμική προέλευση, όπως είναι η αστρική σκόνη Κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας ως προς τη θερμοκρασία Η ατμόσφαιρα, αποτελούμενη από διάφορα αέρια, διαπιστώθηκε ότι χωρίζεται σε στρώματα, με κύριο κριτήριο διαχωρισμού τους τις μέσες μεταβολές της θερμοκρασίας ανάλογα με το ύψος. Με βάση το κριτήριο αυτό, στην ατμόσφαιρα διακρίνονται τα εξής πέντε στρώματα, με τη σειρά που διατάσσονται πάνω από την επιφάνεια του εδάφους: η τροπόσφαιρα, η στρατόσφαιρα, η μεσόσφαιρα, η θερμόσφαιρα και η εξώσφαιρα. Ανάμεσα σε αυτά τα στρώματα παρεμβάλλονται κάποιες μεταβατικές ζώνες αρκετού πάχους, με χαρακτηριστικό τη σταθερή θερμοκρασία, οι οποίες ονομάζονται παύσεις (τροπόπαυση, στρατόπαυση, μεσόπαυση, θερμόπαυση), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.1. Η τροπόσφαιρα, το κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας, περιέχει το 75% της μάζας όλων των ατμοσφαιρικών αερίων, καθώς επίσης το σύνολο σχεδόν της μάζας των υδρατμών και μεγάλες ποσότητες αιωρούμενων σωματιδίων, όπως είναι η σκόνη. Το σύνολο των μετεωρολογικών φαινομένων παρατηρούνται στην 22

2 τροπόσφαιρα, διότι, εξαιτίας της ισχυρής θέρμανσης που προκαλεί ο ήλιος στην επιφάνεια της Γης, διαταράσσεται το μείγμα των αερίων που περιέχεται. Το ύψος της τροπόσφαιρας έχει αυξηθεί κατά αρκετές εκατοντάδες μέτρα από το 1979 μέχρι σήμερα, κυρίως λόγω ανθρωπογενών παραγόντων, και διαφέρει από πλάτος σε πλάτος. Στον Ισημερινό, το ανώτερο όριό της είναι περίπου km, σε μέσα γεωγραφικά πλάτη φτάνει τα km, ενώ στους πόλους μόλις τα 8-9 km. Οι διακυμάνσεις αυτές του ύψους της τροπόσφαιρας συνδέονται τόσο με τα βαρομετρικά συστήματα, όσο με τις εποχές και το διοξείδιο του άνθρακα. Πιο αναλυτικά, το ύψος της είναι γενικά αυξημένο σε περιοχές εμφάνισης βαρομετρικών υψηλών και ελαττωμένο σε περιοχές εμφάνισης βαρομετρικών χαμηλών. Σχετικά με τις εποχές, στην αρχή και το τέλος του καλοκαιριού βρίσκεται στο ανώτατο σημείο, ενώ στο τέλος του χειμώνα και τις αρχές της άνοιξης στο κατώτατο. Όσον αφορά το διοξείδιο του άνθρακα, θερμαίνει και διαστέλλει την ίδια την τροπόσφαιρα. Σχήμα 2.1. Μεταβολή της θερμοκρασίας ως συνάρτηση του ύψους της ατμόσφαιρας. Κύριο χαρακτηριστικό της τροπόσφαιρας είναι ότι η ομοιόμορφη μείωση της θερμοκρασίας με το ύψος, με ρυθμό περίπου 0,65 ο ανά 100 m ύψους. Κύριος αποδέκτης της ηλιακής θερμότητας είναι η επιφάνεια της Γης, η οποία με τη σειρά της εκπέμπει θερμότητα προς την ατμόσφαιρα και στη συνέχεια προς το διάστημα. Η 23

3 ατμόσφαιρα, ως κακός αγωγός της θερμότητας, έχει λοιπόν βασική πηγή θερμότητας την επιφάνεια της Γης, με αποτέλεσμα ο αέρας της τροπόσφαιρας να είναι θερμότερος κοντά στην επιφάνεια του εδάφους, εφόσον αυτή θερμαίνεται από τον ήλιο και θερμαίνει με τη σειρά της τα αέρια στρώματα που βρίσκονται σε άμεση επαφή μαζί της, και ψυχρότερος όσο απομακρύνεται από το έδαφος. Άλλα χαρακτηριστικά της τροπόσφαιρας είναι η μεγάλη περιεκτικότητα σε υδρατμούς, που μειώνεται με το ύψος, η συνεχής εναλλαγή μετεωρολογικών φαινομένων, οι κατακόρυφες κινήσεις αέριων μαζών και η ταχύτητα του ανέμου, που αυξάνεται με το ύψος, φτάνοντας στις μέγιστες τιμές του στην τροπόπαυση. Η τροπόπαυση είναι ένα λεπτό στρώμα που ακολουθεί την τροπόσφαιρα και τη διαχωρίζει από το επόμενο στρώμα, τη στρατόσφαιρα. Σε γεωγραφικά πλάτη 30 ο -40 ο παρουσιάζει μια διακοπή όλο το χρόνο, οπότε και παρατηρούνται δύο τροποπαύσεις, η μια πάνω από την άλλη. Στην περιοχή αυτή της ατμόσφαιρας πνέει ο αεροχείμαρρος (jet stream). Η μεταβατική αυτή ζώνη έχει κύριο χαρακτηριστικό τη σταθερή θερμοκρασία με το ύψος. Η τροπόπαυση και η τροπόσφαιρα είναι γνωστά με τον όρο «κατώτατη ατμόσφαιρα». Η στρατόσφαιρα αποτελεί το επόμενο στρώμα της ατμόσφαιρας. Εκτείνεται μέχρι περίπου τα 55 km και περιέχει το 19% των ατμοσφαιρικών αερίων, καθώς και ελάχιστο ποσοστό υδρατμών. Η θερμοκρασία μέχρι και το ύψος των 35 km δεν παρουσιάζει αξιοσημείωτες μεταβολές, γι αυτό και μπορεί να θεωρηθεί σχεδόν σταθερή. Ωστόσο, πάνω από αυτό το ύψος και ουσιαστικά μέχρι το ανώτερο όριο της στρατόσφαιρας, παρατηρείται κατακόρυφη αύξηση της θερμοκρασίας. Μέσα στη στρατόσφαιρα εμφανίζεται ένας λεπτός φλοιός, με πολύ μεγάλη περιεκτικότητα σε όζον Ο 3, η οζονόσφαιρα. Η οζονόσφαιρα, που αποτελεί το φυσικό «φίλτρο» για τη βλαβερή υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, απορροφά αυτού του είδους τη μικρού κύματος ακτινοβολία, προκειμένου να πραγματοποιήσει χημικές αντιδράσεις, τη δεσμεύει και την επανεκπέμπει αργότερα με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας, δηλαδή μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας, η οποία είναι υπεύθυνη για την αύξηση της θερμοκρασίας μέσα στη στρατόσφαιρα. Η στρατόπαυση είναι η διαχωριστική ζώνη που ακολουθεί τη στρατόσφαιρα και τη διαχωρίζει από το επόμενο στρώμα, τη μεσόσφαιρα. Η μεσόσφαιρα αποτελεί το τρίτο κατά σειρά στρώμα της ατμόσφαιρας. Εκτείνεται μέχρι περίπου τα km και χαρακτηρίζεται από τη συνεχή πτώση της θερμοκρασίας με το ύψος. Στο μέγιστο όριό της, η θερμοκρασία μπορεί να φτάσει τους -90 ο C ή/και χαμηλότερα. Η πτώση της θερμοκρασίας σε αυτό το στρώμα οφείλεται αφενός μεν στην έλλειψη ύπαρξης του όζοντος και αφετέρου δε στην ύπαρξη αραιού στρώματος αερίων, και επομένως στη μικρή απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η μεσόπαυση αποτελεί το διαχωριστικό όριο μεταξύ της μεσόσφαιρας και της θερμόσφαιρας, που αποτελεί το επόμενο στρώμα. Είναι ίσως η ψυχρότερη περιοχή της ατμόσφαιρας, με θερμοκρασίες που κυμαίνονται από τους 120 ο C μέχρι τους 150 ο C. Η θερμόσφαιρα εκτείνεται μέχρι το ύψος των km. Τα ατμοσφαιρικά αέρια της θερμόσφαιρας είναι αραιότερα από εκείνα της μεσόσφαιρας, ωστόσο απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία, ανεβάζοντας την τιμή της θερμοκρασίας στους ο C. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της θερμόσφαιρας, είναι οι μεγάλες μεταβολές της θερμοκρασίας ανάλογα με το πλάτος, την ώρα της ημέρας και τις ηλιακές δραστηριότητες. Το πολικό σέλας είναι ένα μετεωρολογικό φαινόμενο που εμφανίζεται στη θερμόσφαιρα. Η θερμόπαυση είναι η μεταβατική ζώνη ανάμεσα στη θερμόσφαιρα και την εξώσφαιρα. Η εξώσφαιρα είναι το εξωτερικό στρώμα της ατμόσφαιρας. Εκτείνεται σε απόσταση ίσως και μεγαλύτερη των 700 km μακριά από την επιφάνεια της Γης. Το οξυγόνο, λόγω μεγαλύτερου μοριακού βάρους, βρίσκεται στα κατώτερα στρώματα της εξώσφαιρας, ενώ το υδρογόνο στα ανώτερα. Τα αέρια σε αυτό το στρώμα έχουν πολύ μικρή πυκνότητα, με αποτέλεσμα στο όριο της εξώσφαιρας να τείνουν να αναμειχθούν σταδιακά με το κοσμικό διάστημα. Τα αέρια αυτά μπορούν να διαφύγουν από τη γήινη ατμόσφαιρα και, επομένως, από τη βαρύτητα της Γης μόνο αν η ταχύτητά τους είναι μεγαλύτερη της ταχύτητας διαφυγής Θερμοκρασία της ατμόσφαιρας Θερμοκρασία υλικού χαρακτηρίζεται ο βαθμός της μοριακής δράσης ή της θερμότητάς του και βασίζεται στη ροή της θερμότητας από ένα σύστημα σε ένα άλλο. Υπάρχουν τρεις μηχανισμοί μετάδοσης της θερμότητας στην ατμόσφαιρα, με τους οποίους θερμαίνεται ο αέρας από την ηλιακή ακτινοβολία: μέσω αγωγιμότητας, όταν ο αέρας θερμαίνεται σε απευθείας επαφή με το έδαφος, μέσω μεταφοράς, όταν ο αέρας θερμαίνεται από τη Γη, διαστέλλεται και ανέρχεται, ενώ ο ψυχρός αέρας κατέρχεται, ως πυκνότερος και βαρύτερος, και θερμαίνεται από τη Γη, και μέσω ακτινοβολίας, όταν η Γη θερμαίνεται από την εισερχόμενη μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία και ο αέρας από την εξερχόμενη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (Σχήμα 2.2). Η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας αποδίδεται σ έναν τόπο με διάφορες παραμέτρους. Ειδικότερα, παράμετροι είναι η απολύτως μέγιστη (Τmax) και ελάχιστη (Tmin) τιμή της θερμοκρασίας του αέρα, που σημειώνεται στον 24

4 τόπο αυτό στη διάρκεια της μελετώμενης χρονικής περιόδου, όπως είναι το 24ωρο, ο μήνας ή το έτος. Επίσης, άλλη παράμετρος είναι η μέση τιμή της θερμοκρασίας για αντίστοιχες εξεταζόμενες χρονικές περιόδους. Η ημερήσια μεταβολή της θερμοκρασίας ακολουθεί μια ημιτονοειδή συνάρτηση με ένα μέγιστο το μεσημέρι, περίπου 1-2 ώρες μετά τον ηλιασμό σε ανέφελη μέρα και ένα ελάχιστο νωρίς το πρωί σε ανέφελη νύχτα. Η κατανομή της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας επηρεάζεται όχι μόνο από την ηλιακή ακτινοβολία, αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος, την κατανομή ξηράς-θάλασσας, το υψόμετρο, τους επικρατούντες ανέμους, την κλίση της επιφάνειας και τη φύση του εδάφους, την παρουσία χιονιού ή πάγου, καθώς και τα θαλάσσια ρεύματα. Σχήμα 2.2. Μηχανισμοί μετάδοσης της θερμότητας στην ατμόσφαιρα. Επίσης, ημέρα μερικού παγετού ορίζεται η ημέρα στην οποία η τιμή της ελάχιστης θερμοκρασίας του αέρα είναι < 0 ο C. Αν συμβεί σε μια ημέρα η τιμή της μέγιστης θερμοκρασίας του αέρα να είναι <0 ο C, τότε η ημέρα αυτή χαρακτηρίζεται ημέρα ολικού παγετού. Τέλος, μια πολύ χρήσιμη κλιματική παράμετρος για τη γεωργία είναι η περίοδος ελεύθερης παγετού, δηλαδή ο αριθμός των διαδοχικών ημερών στις οποίες η ελάχιστη θερμοκρασία του αέρα βρίσκεται συνεχώς πάνω από τους 0 ο C Θερμομετρικά εύρη Ημερήσιο Θερμoμετρικό Εύρος (HΘΕ) ορίζεται η διαφορά μεταξύ της μέγιστης και της ελάχιστης τιμής της θερμοκρασίας στο 24ωρο, δηλαδή ΗΘΕ = (Τ mαx Τ min). Αντίστοιχα, Ετήσιο Θερμομετρικό Εύρος (ΕΘΕ) ορίζεται η διαφορά μεταξύ της μέσης θερμοκρασίας του αέρα τον ψυχρότερο μήνα και της μέσης θερμοκρασίας τον θερμότερο μήνα, που σημειώνονται μέσα στο έτος, δηλαδή ΕΘΕ = (Τ mo(θερμοτ.) Τ mo(ψυχροτ)). Το ΗΘΕ και το ΕΘΕ επηρεάζονται από τη νέφωση, το υψόμετρο, τη φύση του εδάφους και της βλάστησης, το γεωγραφικό πλάτος, το βαθμό ηπειρωτικότητας, καθώς και την ύπαρξη αναταράξεων. Σε επιφάνειες με βλάστηση παρατηρείται μείωση του ΗΘΕ, καθόσον παρατηρείται μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος λόγω της συγκράτησης από τα φυλλώματα. Στην ουσία, όταν υπάρχει βλάστηση, η προσπίπτουσα μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία την ημέρα είναι μικρότερη από αυτήν όταν υπάρχει γυμνό έδαφος, ενώ τη νύχτα η εξερχόμενη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία συγκρατείται από τη βλάστηση, ωστόσο μέρος της επιστρέφει στην επιφάνεια. Επίσης, όταν υπάρχει βλάστηση, παρατηρούνται επιβράδυνση της ψύξης, αύξηση της λανθάνουσας θερμότητας, λόγω εξατμισοδιαπνοής, αύξηση της τριβής, καθώς και πιο αποτελεσματικές ανταλλαγές αισθητής και λανθάνουσας θερμότητας μεταξύ επιφάνειας και αέρα. Η ύπαρξη υγρασίας στην επιφάνεια και το υπέδαφος επηρεάζουν το ΗΘΕ, διότι παρατηρείται αύξηση της εξάτμισης, της θερμοχωρητικότητας και της θερμικής αγωγιμότητας του εδάφους. Αντίστοιχα, σε ελεύθερη επιφάνεια νερού, περίπου το 90% της καθαρής ακτινοβολίας διατίθεται για εξάτμιση. 25

5 Τέλος, σε υγρό και γυμνό έδαφος, σημαντικό μέρος της καθαρής ακτινοβολίας διατίθεται για εξάτμιση, που μειώνεται όσο ξηραίνεται το έδαφος Θερμοβαθμίδα Στην ατμόσφαιρα, σε ύψη κάτω από 1 cm ή πάνω από 100 km, η ανάμειξη πραγματοποιείται με την ανταλλαγή μικρών αέριων μαζών, των επονομαζόμενων «πακέτων αέρα» (air parcels). Στην ουσία, το πακέτο αέρα θεωρείται θερμικά μονωμένο από το περιβάλλον, και γι αυτό η θερμοκρασία του αλλάζει αδιαβατικά καθώς κινείται κατακόρυφα στην ατμόσφαιρα. Επίσης, κινείται σχετικά αργά, με αποτέλεσμα η κινητική του ενέργεια να είναι ένα αμελητέο τμήμα της Σχήμα 2.3 Απεικόνιση ξηρής και υγρής κατακόρυφης αδιαβατικής θερμοβαθμίδας. ολικής ενέργειας, και προσαρμόζεται ακαριαία στην πίεση του περιβάλλοντα αέρα σε κάθε επίπεδο στο οποίο βρίσκεται. Η έννοια του πακέτου αέρα είναι πολύ χρήσιμη στην εξέταση των ατμοσφαιρικών διεργασιών. Πιο συγκεκριμένα, οι διεργασίες χαρακτηρίζονται αδιαβατικές όταν δεν παρατηρείται απώλεια ή προσθήκη θερμότητας, όπως συμβαίνει στην περίπτωση ενός πακέτου αέρα, που κινείται αδιαβατικά στην ατμόσφαιρα, δηλαδή είναι θερμικά μονωμένο. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η ηλιακή ακτινοβολία θερμαίνει κατά κύριο λόγο τη Γη, ενώ η ατμόσφαιρα δεν επηρεάζεται, γιατί είναι καλός μονωτής. Ωστόσο, με τη διαδικασία της αγωγιμότητας θερμαίνονται τα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, λόγω της άμεσης επαφής τους με την επιφάνεια του εδάφους, ενώ τα υπερκείμενα στρώματα δεν θερμαίνονται με τον ίδιο τρόπο, ούτε και με τη διαδικασία της μεταφοράς, και ως εκ τούτου παραμένουν ψυχρότερα από τα υποκείμενα στρώματα. Ο ρυθμός μείωσης της θερμοκρασίας με το ύψος ονομάζεται θερμοβαθμίδα. Η μείωση της θερμοκρασίας με το ύψος στην τροπόσφαιρα ονομάζεται κατακόρυφη αδιαβατική θερμοβαθμίδα και δίνεται από την εξίσωση: γ d = (dt/dz) (2.1) Στην περίπτωση που η ατμόσφαιρα δεν είναι κορεσμένη σε υδρατμούς, δηλαδή είναι ξηρή, η θερμοβαθμίδα χαρακτηρίζεται Ξηρή Κατακόρυφη Αδιαβατική Θερμοβαθμίδα (ΞΑΘ) και έχει τιμή 10 ο C ανά 1 km (Σχήμα 2.3). Ο μηχανισμός αυτός ονομάζεται αδιαβατική ψύξη και πραγματοποιείται με διαστολή της αέριας μάζας, λόγω ανόδου στην ατμόσφαιρα. Όταν η ατμόσφαιρα είναι κορεσμένη σε υδρατμούς, δηλαδή ο αέρας είναι 26

6 υγρός, η θερμοβαθμίδα χαρακτηρίζεται Υγρή Κατακόρυφη Αδιαβατική Θερμοβαθμίδα (ΥΑΘ) και έχει τιμή 5 ο C ανά 1 km (Σχήμα 2.3). Ο μηχανισμός αυτός ονομάζεται αδιαβατική ψύξη κορεσμένου αέρα. Υπάρχει και η αδιαβατική θέρμανση, που πραγματοποιείται με συστολή της αέριας μάζας, λόγω καθόδου στην ατμόσφαιρα, και είναι διαφορετική από την ΥΑΘ. Η κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας στο Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα (ΑΟΣ) και ενδεχόμενες αναστροφές εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, όπως είναι επιγραμματικά: ο τύπος της αέριας μάζας, δηλαδή η συνοπτική κατάσταση, τα θερμικά χαρακτηριστικά επιφάνειας και μέσου, δηλαδή το ΗΘΕ, η καθαρή ακτινοβολία στην επιφάνεια και η κατανομή καθ ύψος, δηλαδή η θέρμανση και η ψύξη, η αισθητή ροή της θερμότητας και οι μεταβολές καθ ύψος, δηλαδή ο ρυθμός θέρμανσης και ψύξης του αέρα λόγω σύγκλισης, οι ανταλλαγές λανθάνουσας θερμότητας στην εξάτμιση, η θερμή ή ψυχρή οριζόντια μεταφορά αέρα (advection) ως συνάρτηση του ύψους στο ΑΟΣ, το ύψος του ΑΟΣ, όπου η τύρβη περιορίζεται. Ομοίως, παράγοντες για ειδική υγρασία ή αναλογία μείγματος υδρατμών στο ΑΟΣ είναι: η ειδική υγρασία αέριας μάζας ακριβώς πάνω από το AΟΣ, ο τύπος της επιφάνειας, η θερμοκρασία, η διαθέσιμη υγρασία για εξάτμιση, ο ρυθμός εξατμισοδιαπνοής ή συμπύκνωσης στην επιφάνεια και οι μεταβολές υδρατμών καθ ύψος, η οριζόντια μεταφορά (advection) υδρατμών ως συνάρτηση του ύψους, η μέση κατακόρυφη κίνηση στο ΑΟΣ και ο πιθανός σχηματισμός νεφών και οι διαδικασίες υετού, το βάθος του ΑΟΣ, όπου οι υδρατμοί αναμειγνύονται. Επισημαίνεται ακόμα ότι κατακόρυφες ανταλλαγές θερμότητας και υδρατμών γίνονται με τυρβώδεις κινήσεις στο ΑΟΣ. Υπάρχουν δύο τύποι κινήσεων τύρβης, η ωθούμενη ανοδική μεταφορά και η ελεύθερη ανοδική μεταφορά, που προκαλεί θέρμανση της επιφάνειας. Επιπλέον, σύγκλιση ή απόκλιση της αισθητής ροής θερμότητας προκαλεί θέρμανση ή ψύξη του αέρα, όπως η καθαρή ακτινοβολούμενη ροή απόκλισης ή σύγκλισης. Τέλος, η οριζόντια μεταφορά θερμότητας και υγρασίας είναι σημαντική μόνο όταν υπάρχουν απότομες μεταβολές χαρακτηριστικών επιφάνειας, όπως αστική-αγροτική ή στεριά-νερό Αναστροφή θερμοκρασίας Αναστροφή θερμοκρασίας λέγεται το φαινόμενο κατά το οποίο η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος ή παραμένει ισόθερμη (Σχήμα 2.4). Οι αναστροφές επιφάνειας (Σχήμα 2.4α) διακρίνονται σε ακτινοβολίας, θερμού αέρα, χιονοσκεπούς εδάφους και ορογραφίας, και περιγράφονται επιγραμματικά στη συνέχεια: Ακτινοβολίας. Αν το έδαφος ακτινοβολεί μεγαλύτερα ποσά θερμότητας από αυτά που δέχεται, τότε ψύχεται, με αποτέλεσμα το παρεδάφιο στρώμα του αέρα να γίνεται ψυχρότερο από το υπερκείμενο και, έτσι. η θερμοκρασία να αυξάνεται με το ύψος. Συνήθως, το βάθος κυμαίνεται από 10 μέχρι 400 m, το δε μέγεθος του στρώματος αναστροφής φτάνει μέχρι και το μισό του ΗΘΕ. Ευνοϊκές συνθήκες για τις αναστροφές ακτινοβολίας είναι ο αίθριος νυκτερινός ουρανός και ο ασθενής άνεμος, με ταχύτητα < 3 m sec -1 κατά μέγιστο. Θερμού αέρα. Όταν μια θερμή αέρια μάζα, κατά την οριζόντια κίνησή της, διέλθει πάνω από μια ψυχρότερη περιοχή, τότε τα παρεδάφια στρώματά της ψύχονται ισχυρότερα από τα υπερκείμενα, με αποτέλεσμα να δημιουργείται αναστροφή θερμοκρασίας. Χιονοσκεπούς εδάφους. Οι αναστροφές της κατηγορίας αυτής δημιουργούνται όπως ακριβώς οι αναστροφές θερμού αέρα. Το παρεδάφιο στρώμα της αέριας μάζας, εξαιτίας της κατανάλωσης ποσότητας θερμότητας για την τήξη του χιονιού, ψύχεται περισσότερο από το υπερκείμενο, με αποτέλεσμα να σημειώνεται αναστροφή θερμοκρασίας. Ορογραφίας. Οι αναστροφές αυτές δημιουργούνται όταν ψυχρότερες παρεδάφιες αέριες μάζες από τις τοπογραφικά ψηλότερες περιοχές του εδάφους κατέρχονται σε λεκανοειδείς χαμηλότερες περιοχές. Όταν το στρώμα αναστροφής δεν είναι επιφανειακό (Σχήμα 2.4β), διακρίνονται οι παρακάτω κατηγορίες αναστροφών, που χαρακτηρίζονται αναστροφές ελεύθερης ατμόσφαιρας: η αναστροφή τριβής, που εμφανίζεται 27

7 στο στρώμα τριβής, οι μετωπικές αναστροφές στην ανολίσθηση θερμού αέρα, οι δυναμικές στην περίπτωση ισχυρών ανέμων και οι αντικυκλωνικές αναστροφές κατά την καθίζηση θερμού αέρα. Σχήμα 2.4. Σχηματική παράσταση θερμοκρασιακής αναστροφής Θερμοκρασία του εδάφους Χωροχρονικές μεταβολές της θερμοκρασίας του εδάφους Η θερμοκρασία του εδάφους είναι συνάρτηση της ποσότητας της θερμότητας, της προσπίπτουσας και ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας και των θερμικών ιδιοτήτων του εδάφους. Η επιφάνεια του εδάφους εκπέμπει θερμική ακτινοβολία. Συγκρίνοντας τις θερμοκρασίες δύο τύπων εδαφών, ενός χλοερού και ενός γυμνού, επισημαίνεται ότι το γυμνό είναι θερμότερο από το χλοερό, οι απόλυτα ελάχιστες θερμοκρασίες είναι περίπου ίσες, ενώ οι απόλυτα μέγιστες θερμοκρασίες του γυμνού είναι πολύ μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες του χλοερού Μεταβολές με το βάθος Για ομογενή εδάφη, με συμμετρικές κυμάνσεις θερμοκρασίας, η κατανομή των εξαρτώμενων από το βάθος διακυμάνσεων της θερμοκρασίας του εδάφους, καθώς και η στιγμή κατά την οποία σημειώνονται η μέγιστη και η ελάχιστη θερμοκρασία, ακολουθούν τους νόμους του Fourier: Εάν το βάθος αυξάνεται με αριθμητική πρόοδο, τότε το θερμομετρικό εύρος ελαττώνεται κατά γεωμετρική πρόοδο. Συνεπώς, το εύρος ελαττώνεται γρήγορα με την αύξηση του βάθους. Η επιβράδυνση της στιγμής κατά την οποία σημειώνεται η μέγιστη-ελάχιστη θερμοκρασία είναι ανάλογη του βάθους. Ένα στρώμα εδάφους του οποίου η θερμοκρασία δεν μεταβάλλεται εντός ενός 24ώρου ονομάζεται σταθερό ημερήσιο στρώμα θερμοκρασίας. Στα μεσαία πλάτη, αυτό το στρώμα βρίσκεται σε βάθος cm. Ένα σταθερό, σε ετήσιες θερμοκρασίες, στρώμα εδάφους στα μεσαία πλάτη βρίσκεται σε βάθος m. Οι μέγιστες και οι ελάχιστες θερμοκρασίες εγκαθίστανται αργότερα στα βάθη αυτά και όχι στην επιφάνεια του εδάφους. Η συγκεκριμένη καθυστέρηση είναι ευθέως ανάλογη του βάθους. Σύμφωνα με τα δεδομένα μακροχρόνιων παρατηρήσεων, τα ημερήσια μέγιστα και ελάχιστα καθυστερούν κατά μέσον όρο 2,5-,5 ώρες για κάθε 10 cm βάθους, ενώ τα ετήσια μέγιστα και ελάχιστα καθυστερούν ημέρες για κάθε 1 m βάθους. Στο Σχήμα 2.5 απεικονίζεται η μεταβολή των μέσων μέγιστων και ελάχιστων θερμοκρασιών εδάφους σε σχέση με το βάθος. Φαίνεται λοιπόν ότι το ΗΘΕ είναι περίπου 0 σε βάθος cm. Γενικά, τα εύρη των μεταβολών της θερμοκρασίας του εδάφους μειώνονται όσο αυξάνεται το βάθος παρατηρήσεων. Ισχύει η σχέση: 28

8 d h d e o 1/ 2 h kt (2.2) όπου d h είναι η τιμή του εύρους της μεταβολής σε βάθος h, d o η τιμή του εύρους της μεταβολής στην επιφάνεια του εδάφους, h το βάθος σε μέτρα, k ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας εδάφους και t η χρονική διάρκεια κατά την οποία υπολογίζεται η θερμική μεταβολή. Για d h = d o, ισχύει: h kt 1/ 2 h1 k1t1 1/ 2 h h 1 kt k t 1 1 1/ 2 Για k=k 1 h/ h 1 = (t/ t 1) 1/2 (2.3) Οι παραπάνω σχέσεις σημαίνουν ότι τα βάθη όπου τα θερμοκρασιακά εύρη έχουν την ίδια τιμή σε μια θέση παρατήρησης είναι ανάλογα των τετραγωνικών ριζών των χρονικών διαστημάτων για τα οποία σημειώνεται το ίδιο θερμοκρασιακό εύρος. Για παράδειγμα, για δύο ίσες κυμάνσεις με περιόδους άνισης διάρκειας, ισχύουν για ημερήσια και ετήσια εύρη οι σχέσεις: h/ h 1 = (t/ t 1) 1/2 h/ h 1 = (365/ 1) 1/2 h/ h 1 = 19,1 h= 19,1 h 1 (2.4) Σχήμα 2.5. Μεταβολή των μέσων μέγιστων και ελάχιστων θερμοκρασιών του εδάφους ως συνάρτηση του βάθους. Η παραπάνω σχέση σημαίνει ότι, για βάθος h 1= 12 cm, το εύρος της ημερήσιας κύμανσης μειώνεται στο μισό. Συνεπώς, το εύρος της ετήσιας κύμανσης μειώνεται επίσης στο μισό σε βάθος: h= 12 19,1 229 cm. Γενικά, σε βάθος 10 m, οι μέσες θερμοκρασίες είναι μικρότερες από τις αντίστοιχες στην επιφάνεια. Επίσης, η μέση θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους είναι υψηλότερη από την αντίστοιχη του αέρα. Ένα αμετάβλητο στρώμα αντιστοιχεί στο βάθος μηδενισμού των ετήσιων κυμάνσεων. Θερμοκρασίες εδάφους κάτω από την επιφάνεια μετρώνται πιο εύκολα. Το εύρος της ημερήσιας κύμανσης μειώνεται εκθετικά με το βάθος μέχρι 1 m ή λιγότερο. Ημερήσιες ή εβδομαδιαίες μέσες θερμοκρασίες δείχνουν ημιτονοειδή «ετήσιο κύμα» περίπου 10 m. 29

9 Ημερήσιες μεταβολές Η μέση θερμοκρασία του εδάφους είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του αέρα. Επίσης, η μέγιστη θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους εμφανίζεται 1-2 ώρες νωρίτερα απ ό,τι η αντίστοιχη του αέρα. Αντίθετα, η ελάχιστη θερμοκρασία εμφανίζεται περίπου τον ίδιο χρόνο. Οι χρονικές περίοδοι εμφάνισης μέγιστων και ελάχιστων τιμών παρουσιάζουν υστέρηση με την αύξηση του βάθους. Η μέγιστη θερμοκρασία παρατηρείται για 13 ώρες περίπου, έπειτα αρχίζει να παρουσιάζει μείωση, συνεχίζοντας μέχρι να φτάσει στο πρωινό ελάχιστο. Η διαφορά μεταξύ μεγίστου και ελαχίστου αποκαλείται ημερήσιο εύρος παρέκκλισης. Παράγοντες που επηρεάζουν το ημερήσιο εύρος της θερμοκρασίας του εδάφους είναι η εποχή του έτους, το γεωγραφικό πλάτος, η ύπαρξη νεφών, το χρώμα του χώματος, η θερμική χωρητικότητα και θερμική αγωγιμότητα, η κάλυψη βλάστησης ή χιονιού, η ηλιακή ακτινοβολία, καθώς και η έκθεση των πλαγιών. Στο Σχήμα 2.6 απεικονίζεται το ΗΘΕ θερμοκρασίας εδάφους σε διάφορα βάθη. Γίνεται εμφανές ότι το ΗΘΕ μειώνεται όσο αυξάνεται το βάθος, ενώ συγχρόνως παρατηρείται χρονική υστέρηση με το βάθος στην εμφάνιση μεγίστων και ελαχίστων. Σχήμα 2.6. Ημερήσιο εύρος της θερμοκρασίας του εδάφους σε 3 βάθη Ετήσιες μεταβολές Η ετήσια μεταβολή της θερμοκρασίας του εδάφους με το βάθος έχει μεγάλη πρακτική αξία. Με την αύξηση του βάθους υπάρχει μετατόπιση του χρόνου εμφάνισης του θερμότερου και του ψυχρότερου μήνα, ενώ και η τιμή του ΕΘΕ αέρα είναι μικρότερη του αντίστοιχου ΕΘΕ της επιφάνειας του εδάφους. Η επιφάνεια του εδάφους θερμαίνεται το καλοκαίρι πολύ περισσότερο απ ό,τι θερμαίνεται η αντίστοιχη του αέρα. Στο Σχήμα 2.7 απεικονίζονται οι ετήσιες μεταβολές των εβδομαδιαίων μέσων θερμοκρασιών του εδάφους. Φαίνεται ότι το ΕΘΕ μειώνεται με το βάθος, ενώ συγχρόνως παρατηρείται χρονική υστέρηση στην εμφάνιση των ελαχίστων. 30

10 Θερμικές ιδιότητες του εδάφους Η διάδοση της θερμότητας και οι επιπτώσεις της στη μέση ή στην κατανομή της θερμοκρασίας εξαρτάται από την πυκνότητα της μάζας, την ειδική θερμότητα, τη θερμοχωρητικότητα και τη θερμική αγωγιμότητα. Ειδική θερμότητα (c) ενός υλικού ορίζεται το ποσό της θερμότητας που απορροφάται ή απελευθερώνεται για την αύξηση ή τη μείωση της θερμοκρασίας της μοναδιαίας μάζας του υλικού κατά 1 ο. Θερμοχωρητικότητα (C) είναι το γινόμενο της πυκνότητας μάζας (ρ) και της ειδικής θερμότητας (c) ανά μονάδα όγκου. Ο ρυθμός διάδοσης της θερμότητας ή ροή θερμότητας προς μια κατεύθυνση είναι ανάλογος της βαθμίδας θερμοκρασίας προς την κατεύθυνση αυτή και ισχύει η σχέση: Η = Κ(dt/dz) (2.5) όπου Κ είναι η θερμική αγωγιμότητα. Θερμική διαχυσιμότητα (a h) ονομάζεται ο λόγος της θερμικής αγωγιμότητας (K) προς τη θερμοχωρητικότητα (C) και ισχύει η σχέση: H/ρc = a h(dt/dz) (2.6) Σχήμα 2.7. Ετήσιες κυμάνσεις των εβδομαδιαίων μέσων θερμοκρασιών του εδάφους σε δύο βάθη. Η θερμότητα διαδίδεται σε έδαφος, πετρώματα και άλλα υλικά υπεδάφους μέσω της αγωγιμότητας, εκτός από το νερό σε κίνηση, με συνέπεια οι μοριακές θερμικές ιδιότητες να χαρακτηρίζουν και το μέσο. Οι ημερήσιες και ετήσιες διακυμάνσεις της επιφανειακής θερμοκρασίας του εδάφους εξαιτίας της θερμικής αγωγιμότητας μεταδίδονται στα βαθύτερα στρώματα του εδάφους. Ένα στρώμα χώματος του οποίου η θερμοκρασία παρουσιάζει ημερήσιες και ετήσιες αποκλίσεις ονομάζεται ενεργό στρώμα. Ο αέρας χαρακτηρίζεται από χαμηλότατη θερμοχωρητικότητα, χαμηλότατη θερμική αγωγιμότητα, πολύ υψηλή θερμική διαχυσιμότητα και χαμηλή πυκνότητα. Αντίθετα, το νερό χαρακτηρίζεται από υψηλότατη θερμοχωρητικότητα. Οι θερμικές ιδιότητες αέρα και νερού είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Αντίστοιχα, οι θερμικές ιδιότητες του εδάφους εξαρτώνται από τα στερεά σωματίδια, την κατανομή του μεγέθους, το πορώδες και την υγρασία του εδάφους. Επίσης, η προσθήκη νερού σε ξηρό έδαφος αυξάνει τη θερμοχωρητικότητα και τη θερμική αγωγιμότητα. 31

11 Θεωρία διάδοσης της θερμότητας του εδάφους Έστω ομοιόμορφο αγώγιμο έδαφος, όπου η θερμότητα ρέει μόνο κατακόρυφα. Έστω επίσης το ισοζύγιο ενέργειας ενός κυλίνδρου με οριζόντια διατομή. Σύμφωνα με το νόμο διατήρησης της ενέργειας, ο καθαρός ρυθμός θέρμανσης σε όγκο ισούται με το ρυθμό αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας και ισχύει: (d/dt)(ρct) = dh/dz (2.7) Δηλαδή, από τις (4.1) και (4.2) εξάγεται η εξίσωση Fοurier (4.3) θερμικής αγωγής. Συνεπώς: dt/dt = (d/dz)[(k/ρc)(dt/dz)] = (d/dz)[a h(dt/dz)] (2.8) Από την (4.2) υπολογίζεται η ροή θερμότητας στο έδαφος H G στην εξίσωση ισοζυγίου ενέργειας από μετρήσεις της θερμοκρασίας του εδάφους. Συνεπώς, η ολοκλήρωση της (4.2) από z = 0 έως D οδηγεί στη σχέση: H G = H D + d/dt (ρct)dz (2.9) Διάδοση του θερμικού κύματος σε ομογενές έδαφος Η θερμοκρασία επιφάνειας ως ημιτονοειδής συνάρτηση του χρόνου t δίνεται από τη σχέση: T s = T m + A s sin[(2π/p)(t-t m)] (2.10) όπου T m είναι η μέση θερμοκρασία, A s το εύρος, P η περίοδος κύματος της επιφανειακής θερμοκρασίας, t m ο χρόνος, με T s = T m. Η λύση της εξίσωσης (4.3), με οριακές συνθήκες, z = 0 T= T s(t) και z = T= T m, οδηγεί στη σχέση: T = T m + A s exp( z/d)sin[(2π/p)(t t m) z/d] (2.11) όπου d είναι το βάθος του θερμικού κύματος, που δίνεται από τη σχέση: d = (Pa h/π) 1/2 (2.12) που εφαρμόζεται σε ημερήσια και ετήσια κύματα θερμοκρασίας Θερμοκρασία του νερού και της θάλασσας Η θερμοκρασία της επιφάνειας των ωκεανών και των θαλασσών από μετεωρολογική άποψη έχει μεγάλη σημασία, γιατί ρυθμίζει τη θερμοκρασία των αέριων μαζών που κινούνται πάνω από αυτούς. Η μέση θερμοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας είναι μεγαλύτερη στο βόρειο (19 o C) από ό,τι στο νότιο (16 o C) ημισφαίριο. Λόγω της διαπερατότητας των ηλιακών ακτίνων στη θάλασσα και της ειδικής θερμότητας (ή θερμοχωρητικότητας) της θάλασσας, που είναι τριπλάσια από εκείνη της ξηράς, καθώς και του συνεχούς κυματισμού, που αναμειγνύει το νερό της θάλασσας, το ημερήσιο εύρος της επιφάνειας της θάλασσας είναι μικρό, περίπου 1 o C, στις εύκρατες περιοχές. Το μέγιστο της θερμοκρασίας παρατηρείται τον Σεπτέμβριο και το ελάχιστο τον Μάρτιο ή και αργότερα. Στην ουσία, δεν υπάρχει ημερήσια κύμανση της θερμοκρασίας στη θάλασσα, ενώ και η ετήσια κύμανση είναι πολύ περιορισμένη Η τριπλάσια θερμοχωρητικότητα της θάλασσας σε σχέση με αυτήν της ξηράς, όπως έχει επισημανθεί, την καθιστά λιγότερο ευμετάβλητη στη θερμοκρασία. Έτσι, η ξηρά θερμαίνεται ισχυρότερα από τη θάλασσα και αποκτά μεγαλύτερες μέγιστες τιμές θερμοκρασίας, και αντίστοιχα ψύχεται εξίσου ισχυρά, με αποτέλεσμα να αποκτά ακόμα χαμηλότερες τιμές θερμοκρασίας από αυτήν. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε γεωγραφικά πλάτη μεγαλύτερα των 40 ο στο νότιο ημισφαίριο παρατηρείται στη θάλασσα μια σχεδόν παράλληλη κατανομή των ισόθερμων, τόσο τη χειμερινή, όσο και τη θερινή περίοδο. Αυτό συμβαίνει γιατί στα συγκεκριμένα πλάτη επικρατεί η ωκεάνια περιοχή έναντι της ηπειρωτικής, οπότε, εφόσον δεν υπάρχει ανομοιογένεια στην κατανομή ξηράς-θάλασσας, οι ισόθερμες καμπύλες εμφανίζονται σχεδόν παράλληλες. Στο Σχήμα 2.8 απεικονίζονται μηνιαίες θερμοκρασίες της επιφάνειας της θάλασσας. 32

12 2.5 Ατμοσφαιρική πίεση Ατμοσφαιρική πίεση ή βαρομετρική πίεση ορίζεται η δύναμη που ασκείται στη μονάδα επιφάνειας από την επίδραση του βάρους της υπερκείμενης αέριας στήλης. Επομένως, όσο πιο ψηλά στην ατμόσφαιρα, τόσο πιο μικρή γίνεται η τιμή της πίεσης, εξαιτίας της μείωσης του υπερκείμενου αέρα και, συνεπώς, της μείωσης του βάρους. Η πίεση θεωρείται στατική όταν η ατμόσφαιρα είναι σε ηρεμία και δυναμική όταν υπάρχουν έντονες μεταβολές. Η ατμοσφαιρική πίεση είναι από τις πιο σημαντικές μετεωρολογικές παραμέτρους, γιατί συνδέεται με τη θερμοκρασία και τους ανέμους Μονάδες μέτρησης Οι μονάδες μέτρησης της ατμοσφαιρικής πίεσης είναι αρκετές. Πιο συγκεκριμένα, η μονάδα της πίεσης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) είναι το 1 Νιούτον ανά τετραγωνικό μέτρο (N/m 2 ), όπως προκύπτει από τη σχέση πίεσης Ρ, δύναμης F και εμβαδού επιφάνειας s: P = F / s (2.13) Το 1 Πασκάλ (Pa) εισήχθη ως μονάδα πίεσης αφού πρώτα εξισώθηκε με τη μονάδα πίεσης του SI. Ωστόσο, επειδή το 1 Pa είναι σχετικά μικρή μονάδα, έχει επικρατήσει ως συνηθέστερη μονάδα μέτρησης της ατμοσφαιρικής πίεσης το πολλαπλάσιό του, το 1 εκατοπασκάλ (hpa). Με αφορμή το πείραμα του Torricelli, για μονάδα πίεσης, έχει προκύψει το χιλιοστό υδραργύρου (mm Hg) και η ίντσα στήλης υδραργύρου (in Hg). Άλλες μονάδες είναι η 1 ατμόσφαιρα (atm) και το 1 μπαρ (bar), με πιο συχνό το υποπολλαπλάσιό του, το χιλιοστό του μπαρ (millibar/mbar). Οι ισοδυναμίες των μονάδων αυτών είναι: Μονάδες 1 mbar = 10-3 bar = 10 3 dyn/ cm 2 = 10 2 Nt/ m 2 = 0,75 mmhg 1 At = 760 mmhg= 1.013,25 mbar 1 Pa = 1Nt/ m 2 (1 mmhg = 1,333 mbar, 1 inch Hg = 25,4 mmhg = 33,86 mbar) (2.14) Σχήμα 2.8. Μέση μηνιαία θερμοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας (SST: Sea Surface Temperature) τον Αύγουστο του1997. Το μέγεθος του εικονοστοιχείου είναι 30'. 33

13 Μεταβολές της ατμοσφαιρικής πίεσης Η ατμοσφαιρική πίεση δεν παραμένει σταθερή σε κάθε τόπο, αλλά μεταβάλλεται διαρκώς. Οι μεταβολές αυτές μπορεί να είναι είτε τυχαίες είτε περιοδικές. Οι τυχαίες μεταβολές παρουσιάζουν μεγαλύτερο μετεωρολογικό ενδιαφέρον, επειδή συνδέονται άμεσα με τις καιρικές μεταβολές πάνω από έναν τόπο. Όσο για τις περιοδικές, αυτές επιβεβαιώνονται μέσω αριθμητικών μοντέλων και στατιστικών αναλύσεων. Η ατμοσφαιρική πίεση σε κάθε τόπο παρουσιάζει δύο μέγιστες και δύο ελάχιστες τιμές στη διάρκεια του 24ώρου. Πιο αναλυτικά, παρουσιάζει το πρωτεύον μέγιστο στις 10:00 το πρωί και το δευτερεύον μέγιστο στις 10:00 το βράδυ, ενώ το πρωτεύον ελάχιστο παρατηρείται στις 4:00 το απόγευμα και το δευτερεύον στις 4:00 τα ξημερώματα (Σχήμα 2.9). Η διαφορά πρωτεύοντος μεγίστου και ελαχίστου ονομάζεται ημερήσιο εύρος, και αντίστοιχα η διαφορά δευτερεύοντος μεγίστου και ελαχίστου ονομάζεται νυχτερινό εύρος. Επίσης, η ετήσια μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερο εύρος απ ό,τι η ημερήσια μεταβολή. Τέλος, η γεωγραφική κατανομή της ατμοσφαιρικής πίεσης στη Γη είναι πολύπλοκη, με μόνιμους αντικυκλώνες στο βόρειο ημισφαίριο, στις Αζόρες και στον Βόρειο Ειρηνικό, στο δε Νότιο ημισφαίριο στον Ν. Ειρηνικό, Ν. Ινδικό και Ν. Ατλαντικό. H κατακόρυφη μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης είναι 1 mmhg ανά m, σύμφωνα με τη σχέση: Δz = A (1 + ατ) log (H o/ H) (2.15) όπου Δz είναι η υψομετρική διαφορά σε m, H o, H οι τιμές της ατμοσφαιρικής πίεσης (σε mmhg), α ο συντελεστής διαστολής του υδραργύρου, Τ η μέση τιμή της θερμοκρασίας του αέρα μεταξύ τόπων και Α ο συντελεστής της υγρομετρικής κατάστασης του αέρα. Αντίστοιχα, οι οριζόντιες μεταβολές είναι πολύ μικρότερες από τις κατακόρυφες, δηλαδή περίπου mbar σε 10 ημέρες. Σχήμα 2.9 Ημερήσια μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης στην επιφάνεια. Βαροβαθμίδα ονομάζεται το πηλίκο της μεταβολής της πίεσης P μεταξύ δύο ισοβαρών καμπύλων με τη μεταξύ τους απόσταση n [εξίσωση (2.16)] σε διεύθυνση κάθετη πάνω στις ισοβαρείς, στη μονάδα του μήκους (Σχήμα 2.10). Η βαροβαθμίδα έχει μεγάλη σημασία από μετεωρολογική άποψη, γιατί συνδέεται άμεσα με την ένταση του ανέμου. Πιο συγκεκριμένα, όσο πιο πυκνές είναι οι ισοβαρείς καμπύλες (μικρό Δχ), τόσο πιο μεγάλη θα είναι η τιμή της βαροβαθμίδας (μικρός παρονομαστής συνεπάγεται μεγάλο κλάσμα) και, επομένως, τόσο πιο μεγάλη θα είναι η ένταση του ανέμου. Για παράδειγμα (Σχήμα 2.10), έστω ΑΒ = 60 km, ΒΓ = 90 km. Τότε, θα είναι βαροβαθμίδα (ΑΒ) = 5 mbar/60 km ~ 0,083 mbar/km, (BΓ) = 5 mbar/90 km ~ 0,055 mbar/km. Γενικά: P G (2.16) n 34

14 2 2 P P P P Gx, Gy G (2.17) x y x y Βαρομετρική τάση ονομάζεται η μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης σε μια περιοχή, σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, π.χ ώρες. Η μέτρηση γίνεται συνήθως ανά τρεις ώρες. Η βαρομετρική τάση είναι πολύ σημαντική για την εκτίμηση των συστημάτων πίεσης, επειδή ελαττώνεται όταν πλησιάζει βαρομετρικό χαμηλό και αυξάνεται όταν πλησιάζει βαρομετρικό υψηλό. Σχήμα Απεικόνιση της έννοιας της βαροβαθμίδας Άνεμος Ο άνεμος είναι ένα οριζόντιο ρεύμα αέρα κοντά στο έδαφος, που κινείται από μια περιοχή σε μια άλλη. Ειδικότερα, ο άνεμος κινείται από μια περιοχή υψηλών πιέσεων σε μια περιοχή χαμηλών πιέσεων, προκειμένου να τείνει να εξισορροπήσει τις πιέσεις στις δυο περιοχές. Όσο ισχυρότερη είναι η βαροβαθμίδα, τόσο ισχυρότερος θα είναι και ο άνεμος. Πρακτικά, όσο πυκνότερες είναι οι ισοβαρείς καμπύλες σε έναν πραγματικό μετεωρολογικό χάρτη, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η ένταση του ανέμου. Τα βασικά στοιχεία του ανέμου είναι η διεύθυνση, δηλαδή το σημείο του ορίζοντα από το οποίο πνέει ο άνεμος, που εκφράζεται είτε σε μοίρες, με αρχή τον μαγνητικό Βορρά, είτε με σύμβολα ανεμολογίου (ανεμορρόμβοι) είτε ονομαστικά (Σχήμα 2.11), και η ένταση, που εκφράζει την ταχύτητα με την οποία πνέει ο άνεμος. Επιπλέον, ο άνεμος μπορεί να χαρακτηρίζεται λείος, ριπαίος, μεταβλητός και σταθερός. Λείος είναι ο άνεμος που δεν παρουσιάζει αυξομειώσεις στην έντασή του, ριπαίος ο άνεμος του οποίου η ένταση μεταβάλλεται κατά σύντομα χρονικά διαστήματα, μεταβλητός ο άνεμος του οποίου η ένταση μεταβάλλεται και σταθερός ο άνεμος που διατηρεί τη διεύθυνσή του για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι δυνάμεις που ρυθμίζουν την κίνηση του ανέμου είναι η δύναμη βαροβαθμίδας, η δύναμη Coriolis ή εκτρεπτική ή γεωστροφική δύναμη, η δύναμη της τριβής και η φυγόκεντρη δύναμη. Τα είδη των ανέμων είναι ο γεωστροφικός άνεμος, ο άνεμος βαροβαθμίδας και ο φαινόμενος άνεμος. Γεωστροφικός χαρακτηρίζεται ο άνεμος που είναι απαλλαγμένος από τη δύναμη της τριβής. Αυτό μπορεί να συμβεί σε μεγάλο ύψος, στην ελεύθερη ατμόσφαιρα, όπου το ανάγλυφο παύει να επιδρά στην κίνηση της αέριας μάζας. Αν οι ισοβαρείς καμπύλες δεν είναι ευθύγραμμες, αλλά καμπύλες, τότε, εκτός από την επίδραση της δύναμης βαροβαθμίδας (F P) και της δύναμης Coriolis (F C), υπάρχει και η επίδραση της φυγόκεντρης δύναμης (F < p). Στην περίπτωση ενός κέντρου χαμηλών πιέσεων, η δύναμη βαροβαθμίδας έχει φορά προς το κέντρο και αντισταθμίζεται από τη δύναμη Coriolis και τη φυγόκεντρη δύναμη. Ο άνεμος πνέει εφαπτομενικά στις ισοβαρείς και έχει την ορθή φορά για το βόρειο ημισφαίριο (Σχήμα 2.12α). Στην περίπτωση ενός κέντρου υψηλών πιέσεων, ο άνεμος πνέει 35

15 εφαπτομενικά στις ισοβαρείς και έχει την ανάδρομη φορά για το βόρειο ημισφαίριο (Σχήμα 2.12β). Τέλος, ο άνεμος που μετρούν τα όργανα του πλοίου ενώ αυτό κινείται ονομάζεται φαινόμενος Κλίμακα Beaufort Η κλίμακα Beaufort είναι μια κλίμακα μέτρησης της έντασης του ανέμου, που βασίζεται κυρίως στην παρατήρηση, παρά σε ακριβείς μετρήσεις. Είναι ίσως το πιο διαδεδομένο σύστημα μέτρησης της έντασης του ανέμου που υπάρχει αυτήν τη στιγμή. Αναπτύχθηκε το 1805 από τον Sir Francis Beaufort, ναύαρχο του Βρετανικού Ναυτικού και υδρογράφο. Η κλίμακα Beaufort κατατάσσει τους ανέμους σε 13 κατηγορίες με βάση την έντασή τους. Υπάρχουν, για την ακρίβεια, δώδεκα τιμές και επιπλέον το μηδέν, που αντιστοιχεί στην άπνοια (Πίνακας 2.1). Από το 1946 μέχρι το 1970 εισήχθησαν κλίμακες από το 13 μέχρι το 17. Αυτές οι τιμές σχετίστηκαν με τους κυκλώνες Άνεμος στο ΑΟΣ Στο ΑΟΣ, οι παράγοντες που προκαλούν τον άνεμο είναι οι μεγάλης κλίμακας οριζόντιες βαθμίδες πίεσης και θερμοκρασίας στην κατώτερη ατμόσφαιρα, η τραχύτητα της επιφάνειας, η περιστροφή της Γης, ο ημερήσιος κύκλος θέρμανσης-ψύξης της επιφάνειας, που προκαλεί θερμική στρωμάτωση του ΑΟΣ, το βάθος του ΑΟΣ, που προκαλεί διάτμηση (shear) του ανέμου, η εισχώρηση (entrainment) ελεύθερου αέρα, οι οριζόντιες μεταβολές (advection) ορμής και θερμότητας, οι μεγάλης κλίμακας οριζόντια σύγκλιση ή απόκλιση, που προκαλεί μέση κατακόρυφη κίνηση στην κορυφή του ΑΟΣ, η παρουσία νεφών και υετού στο ΑΟΣ, που επιφέρει θερμική στρωμάτωση, καθώς και τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας. Επιπλέον, οι μεταβολές του ανέμου στο ΑΟΣ οφείλονται στην κατακόρυφη θερμοβαθμίδα, στις στροβιλοειδής κινήσεις και στην τριβή με το ανάγλυφο. Ταχύτητα Ταχύτητα Βαθμοί Περιγραφή ανέμου ανέμου Πιθανά αποτελέσματα (knot) (km/h) 0 Νηνεμία < 1 0 Επίπεδη όψη θάλασσας, σαν καθρέπτης. 1 Υποπνέων Όψη ρυτιδιασμένη. Κυματισμοί χωρίς κορυφές. 2 Ασθενής Μικρά κυματάκια, με κορυφές που δεν σπάνε. 3 Λεπτός Μεγάλα κυματάκια, με κορυφές που δεν σπάνε. 4 Μέτριος Μικρά κύματα, με κορυφές που σπάνε. 5 Λαμπρός Μεσαίου μεγέθους κύματα. Μικρές ποσότητες ψεκασμού. Αρχίζουν να σχηματίζονται μακρά κύματα. 6 Ισχυρός Συχνά παρατηρείται αφρός στις κορυφές. Ψεκασμός. 7 Σφοδρός Η θάλασσα διογκώνεται. Παρατηρείται κάποιος αφρός από κύματα που θραύονται και δημιουργούνται ραβδώσεις κατά την κατεύθυνση του ανέμου. 8 Ορμητικός Σχετικά μεγάλα κύματα, που θραύονται σχηματίζοντας αφρό. Σημαντική ποσότητα ψεκασμού. Καλά σχηματισμένες ραβδώσεις. 9 Θύελλα Μεγάλα κύματα, των οποίων οι κορυφές πέφτουν και κυλούν. Ο ψεκασμός αρχίζει να περιορίζει την ορατότητα. Πολύ υψηλά κύματα, με κορυφές που κρέμονται. 10 Ισχυρή θύελλα Ο αφρός δίνει μια λευκή όψη στη θάλασσα. Το κύλισμα των κυμάτων είναι έντονο. Σημαντικός περιορισμός της ορατότητας. 11 Σφοδρή θύελλα Εξαιρετικά υψηλά κύματα. Αφροί που καλύπτουν τη μεγαλύτερη θαλάσσια επιφάνεια. Έντονος περιορισμός της ορατότητας. 12 Τυφώνας > Τεράστια κύματα. Η θάλασσα είναι τελείως λευκή από αφρούς. Παρασυρόμενοι ψεκασμοί περιορίζουν εξαιρετικά την ορατότητα. Πίνακας 2.1. Αντιστοιχία κλίμακας Beaufort, με χαρακτηρισμό, ένταση ανέμου και συσχέτισή του, με πιθανά αποτελέσματα στη θάλασσα. 36

16 Σχήμα Το ανεμολόγιο με τις 16 βασικές διευθύνσεις των ανέμων. 37

17 Σχήμα Απεικόνιση ανέμου βαροβαθμίδας για το βόρειο ημισφαίριο: (α) γύρω από ένα κέντρο χαμηλών πιέσεων και (β) γύρω από ένα κέντρο υψηλών πιέσεων Ημερήσιοι άνεμοι Ημερήσιοι ονομάζονται οι άνεμοι που δημιουργούνται στη διάρκεια του 24ώρου, λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας, τόσο την ημέρα όσο και τη νύχτα, μεταξύ ξηράς και θάλασσας. Τέτοιοι είναι η θαλάσσια και η απόγεια αύρα. Θαλάσσια αύρα. Ο τρόπος θέρμανσης της ξηράς και της θάλασσας την ημέρα προκαλεί οριζόντιες βαθμίδες θερμοκρασίας. Η πίεση πάνω από τη θάλασσα έχει μεγαλύτερη τιμή από αυτήν στην ξηρά, ενώ δημιουργείται θερμική κυκλοφορία, με άνεμο που έχει φορά από τη θάλασσα προς την ξηρά στην επιφάνεια, και αντίθετα υψηλότερα (Σχήμα 2.13). Σχήμα 2.13: Θαλάσσια και απόγεια αύρα. 38

18 Απόγεια αύρα. Για τη δημιουργία της απόγειας αύρας, απαιτούνται οι αντίστροφες συνθήκες της θαλάσσιας αύρας. Πιο συγκεκριμένα, τη νύχτα η ξηρά ψύχεται εντονότερα και γρηγορότερα από τη θάλασσα. Συνεπώς, παρατηρείται μικρότερη θερμοκρασία πάνω από την ξηρά και μεγαλύτερη πάνω από τη θάλασσα, άρα και η πίεση πάνω από την ξηρά θα είναι μεγαλύτερη συγκριτικά με τη θάλασσα. Οπότε, λόγω αυτής της βαθμίδας πίεσης, δημιουργείται άνεμος με φορά από την ξηρά προς τη θάλασσα, που ονομάζεται απόγεια αύρα (Σχήμα 2.13) Τοπικοί άνεμοι Αύρες (α) κοιλάδων και (β) βουνών. Στο Σχήμα 2.14 απεικονίζεται ο μηχανισμός κυκλοφορίας σε αύρες (α) κοιλάδας και (β) βουνού, που αποτελούν τοπικούς ανέμους. Σχήμα Κυκλοφορία σε αύρα:(α) κοιλάδας και (β) βουνού Υγρασία του αέρα Ο όρος «υγρασία του αέρα» αναφέρεται στην ποσότητα των υδρατμών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα σε δεδομένη στιγμή. Η τροπόσφαιρα, το κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας, περιέχει υδρατμούς μεταβλητής ποσότητας, που προέρχονται κατά κύριο λόγο από την εξάτμιση των υδάτινων επιφανειών, όπως είναι οι ωκεανοί, οι θάλασσες, τα ποτάμια και οι λίμνες (Σχήμα 2.15). Η εξάτμιση είναι η διαδικασία μετατροπής του νερού από την υγρή κατάσταση στην αέρια, δηλαδή η μετατροπή σε υδρατμούς, κάτι που εμφανίζεται σε οποιαδήποτε υγρή επιφάνεια. Σε μια ορισμένη θερμοκρασία, ο ατμοσφαιρικός αέρας μπορεί να συγκρατήσει ορισμένη ποσότητα υδρατμών. Οπότε, ο αέρας λέγεται κορεσμένος, ενώ σε αντίθετη περίπτωση, ο αέρας λέγεται ακόρεστος. Η ποσότητα αυτή υδρατμών μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία του αέρα, δηλαδή όσο πιο υψηλή είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο έντονη θα είναι η εξάτμιση και, άρα, τόσο πιο μεγάλη θα είναι η ποσότητα των υδρατμών στην ατμόσφαιρα. Όταν η ποσότητα αυτή υπερβεί τη μέγιστη τιμή της, λόγω περαιτέρω εξάτμισης, τότε οι πλεονάζοντες υδρατμοί συμπυκνώνονται. Η διαδικασία αυτή μετατροπής της αέριας κατάστασης του νερού, δηλαδή των υδρατμών, σε υγρή κατάσταση λέγεται συμπύκνωση. Όταν οι υδρατμοί συμπυκνωθούν, σχηματίζουν τα νέφη και επιστρέφουν στην επιφάνεια της Γης μέσω της βροχής ή, γενικά, του υετού. Όλη αυτή η πορεία των υδρατμών είναι γνωστή και ως υδρολογικός κύκλος (Σχήμα 2.15). Η υγρασία του αέρα είναι πολύ σημαντική μετεωρολογική μεταβλητή και εκφράζεται με μία από τις παρακάτω περιγραφόμενες υγρομετρικές παραμέτρους, όπως επίσημα ονομάζονται. Τάση υδρατμών (e) ονομάζεται η μερική πίεση που ασκούν όσοι υδρατμοί δημιουργούνται κατά την εξάτμιση του νερού και διαχέονται στον περιβάλλοντα ατμοσφαιρικό αέρα. Η μέγιστη τάση (e s) σε κορεσμένο αέρα δίνεται από τη σχέση: t t e s e sd 10 (mbar) (2.18) Όπου e sd = 6,11 mbar, α = 7,5, β = 237,3 ο C και t = θερμοκρασία αέρα. Αντίστοιχα, η τάση υδρατμών υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση: 39

19 C p e es ( t w ) ( t t w ) P 0.622L (2.19) όπου t είναι η θερμοκρασία του αέρα (ξηρού θερμομέτρου), Ρ η ατμοσφαιρική πίεση, t w η θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου ο C, e s (t w) η μέγιστη τάση των υδρατμών στην t w και C pα η ειδική θερμότητα του ξηρού αέρα σε σταθερή πίεση. Απόλυτη υγρασία (β) ή συγκέντρωση/πυκνότητα υδρατμών ορίζεται ο λόγος της μάζας των υδρατμών m υ προς τον όγκο V α του αέρα στον οποίο περιέχονται ή η ποσότητα β των υδρατμών σε γραμμάρια, που περιέχονται στη μονάδα του όγκου (1m 3 ) ατμοσφαιρικού αέρα και εκφράζεται σε g/m 3 : m (g/ m 3 ) (2.20) V Αναλογία μίγματος (τ) ορίζεται ο λόγος της μάζας (m υ) των υδρατμών του μείγματος προς τη μάζα (m d) του ξηρού αέρα με τον οποίο συνδυάζονται στο θεωρούμενο δείγμα (m α = m d + m υ): m e 0, 622, (2.21) m P e d Ειδική υγρασία (q) ορίζεται ο λόγος της μάζας m υ των υδρατμών ενός δείγματος υγρού αέρα προς τη μάζα m α του δείγματος (m α = m d + m υ) και εκφράζεται σε γραμμάρια υδρατμών ανά χιλιόγραμμο υγρού αέρα: m q m και m m m d s q s. 1 s m / md 1 m / m d q ή 1 e q (2.22) P 0,378e Σχετική υγρασία (Relative humidity/rh) λέγεται ο λόγος της μάζας m υ των υδρατμών που περιέχονται σε δοσμένο όγκο υγρού αέρα προς τη μάζα των υδρατμών m sυ που θα περιείχε ο όγκος αυτός αν ήταν κορεσμένος με υδρατμούς, κάτω από τις ίδιες συνθήκες πίεσης, Ρ, και θερμοκρασίας, Τ: m RH (2.23) m s Η σχετική υγρασία είναι καθαρός αριθμός, εκφράζεται ως ποσοστό επί τοις εκατό (%) και ταυτίζεται με το λόγο τάσης των υδρατμών, e, προς τη μέγιστη τάση τους, e s, στην ίδια τιμή θερμοκρασίας του δείγματος:. RH m m s m m s / V / V / 1,0599 e / 1 0,00367t 1,0599 e 1 0,00376t s e e s 100, (2.24) Ακόμα, σχετική υγρασία θεωρείται ο λόγος της παρατηρούμενης αναλογίας μείγματος προς την αναλογία μείγματος κορεσμένου ατμοσφαιρικού αέρα, που βρίσκεται στις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης: RH ή s q RH (2.25) q s 40

20 Σχήμα Υδρολογικός κύκλος. Έλλειμμα κόρου (Saturation Deficit/SD) θεωρείται η διαφορά ανάμεσα στην τάση των υδρατμών (e) του ατμοσφαιρικού αέρα και στη μέγιστη τάση των υδρατμών (e s) στην ίδια θερμοκρασία: SD e e (2.26) s Θερμοκρασία σημείου δρόσου (t d) θεωρείται η θερμοκρασία στην οποία φέρεται ο αέρας με σταθερή πίεση μέχρις ότου κορεστεί (RH = 100%), δηλαδή η θερμοκρασία στην οποία πρέπει να ψυχτεί ο αέρας κάτω από σταθερή πίεση, για να καταστεί κορεσμένος με υδρατμούς: e e s t d ( t ) e td 10 (2.27) d sd Θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου (t w) θεωρείται η θερμοκρασία που αποκτά ο ατμοσφαιρικός αέρας, κάτω από σταθερή πίεση, όταν μέσα σε αυτόν γίνεται συνεχής εξάτμιση νερού, μέχρι να καταστεί κορεσμένος, χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον. Ισχύουν για ακόρεστο αέρα t > t w > t d και για κορεσμένο αέρα t = t w = t d, ενώ για το ψυχρόμετρο ισχύει: e = e s (t w) α (t t w) P (2.28) Υετίσιμο νερό (P w) ορίζεται το σύνολο των υδρατμών που περιέχονται σε μια κατακόρυφη ατμοσφαιρική στήλη μοναδιαίας τομής μεταξύ δύο καθορισμένων επιπέδων: P o P w 0.01 qdp (mm) (2.29) P1 41

21 όπου Ρ σε mbar, q σε g/kg. Η καθ ύψος μεταβολή της υγρασίας δίνεται από τη σχέση: e z e o bz 10 (2.30) Στο Σχήμα 2.16 απεικονίζεται η ημερήσια μεταβολή της σχετικής υγρασίας (RH), της τάσης των υδρατμών (e) και της θερμοκρασίας (Τ). Σχήμα Ημερήσια πορεία της RH, της e και της T. 2.8 Ατμοσφαιρική αστάθεια Η ευκολία με την οποία τα πακέτα αέρα μετακινούνται κατακόρυφα στον περιβάλλοντα αέρα ονομάζεται ευστάθεια. Ένα ρευστό λέγεται ότι είναι ευσταθές αν ένα πακέτο τείνει να επιστρέψει στην αρχική του θέση ύστερα από μια μικρή μετατόπιση. Αντίθετα, το ρευστό λέγεται ότι είναι σε κατάσταση αστάθειας όταν η αρχική μικρή μετατόπιση του πακέτου ενισχύεται, με αποτέλεσμα την περαιτέρω απομάκρυνσή του από την αρχική θέση. Σε προηγούμενο εδάφιο ορίστηκαν η ΥΑΘ, η ΞΑΘ και η ΚΘ (κατακόρυφη θερμοβαθμίδα). Για τα δύο είδη αδιαβατικών θερμοβαθμίδων, ισχύει η σχέση: ΥΑΘ < ΞΑΘ. Οι αδιαβατικές μεταβολές της θερμοκρασίας των αέριων μαζών είναι απαραίτητες για την κατανόηση της στατικής ευστάθειας και αστάθειας της ατμόσφαιρας (Σχήμα 2.17). Επομένως, η ισορροπία της ατμόσφαιρας εξαρτάται από τη σχέση της εκάστοτε θερμοκρασίας των διαφόρων τμημάτων της με τη θερμοκρασία των γειτονικών τμημάτων. Επειδή ο θερμός αέρας, ως ελαφρύς και αραιός, έχει την τάση να κινείται ανοδικά, ενώ ο ψυχρός αέρας, ως βαρύς και πυκνός, τείνει να κινείται καθοδικά, οι συνθήκες στατικής ευστάθειας και αστάθειας της ατμόσφαιρας συνδέονται στενά με τις διαφορές στις πυκνότητες ανάμεσα στην αέρια μάζα και τον περιβάλλοντα αέρα. Όταν μια αέρια μάζα αναγκάζεται για διάφορους λόγους να ανέλθει μέσα στην ατμόσφαιρα, τότε η θερμοκρασία της μειώνεται, σύμφωνα με το ρυθμό μείωσης της ΞΑΘ, εφόσον δεν υπάρχουν συμπυκνώσεις. Παράλληλα με την αέρια μάζα, παρατηρείται μείωση της θερμοκρασίας και του περιβάλλοντα αέρα, αυτή η οποία ακολουθεί το ρυθμό της ΚΘ. Αν η αέρια μάζα, στο ύψος που έχει φτάσει, είναι πιο θερμή από το περιβάλλον, τότε εξακολουθεί να ανέρχεται, επειδή είναι ελαφρύτερη. Στην περίπτωση αυτή, ευνοούνται οι ανοδικές κινήσεις στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα αυτή να χαρακτηρίζεται από απόλυτη αστάθεια. Η ασταθής ατμόσφαιρα, λόγω ύπαρξης ανοδικών κινήσεων, επιτρέπει με μεγάλη πιθανότητα το σχηματισμό νεφών κατακόρυφης ανάπτυξης. Ισχύει: 42

22 ΥΑΘ < ΞΑΘ < ΚΘ ΑΠΟΛΥΤΗ ΑΣΤΑΘΕΙΑ (2.31) Σχήμα Η ατμόσφαιρα, ανάλογα με την επικρατούσα θερμοκρασία με το ύψος, είναι δυνατόν να παρουσιάζει: α) αστάθεια και β) ευστάθεια. Αν η αέρια μάζα, στο ύψος που φτάνει, είναι πιο ψυχρή από το περιβάλλον, τότε αυθόρμητα οδηγείται σε κάθοδο, επειδή είναι βαρύτερη από τον περιβάλλοντα αέρα, οπότε ευνοούνται οι καθοδικές κινήσεις στην ατμόσφαιρα. Σε συνθήκες ευστάθειας δεν ευνοούνται οι κατακόρυφες κινήσεις στην ατμόσφαιρα, ούτε ανοδικές, ούτε καθοδικές. Η ευσταθής ατμόσφαιρα επιτρέπει, με κάποια πιθανότητα, το σχηματισμό νεφών μικρής κατακόρυφης ανάπτυξης, όπως είναι τα στρωματόμορφα νέφη, που περιγράφονται σε επόμενο εδάφιο. Επίσης, στην ευσταθή ατμόσφαιρα μπορεί να εμφανίζεται ομίχλη, καπνός ή ξηρά αχλύς. Ισχύει: ΚΘ < ΥΑΘ < ΞΑΘ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ (2.32) Υπάρχει και η περίπτωση όπου η ΚΘ είναι μικρότερη από την ΞΑΘ, αλλά είναι συγχρόνως μεγαλύτερη από την ΥΑΘ. Στην περίπτωση αυτή, όσο δεν υπάρχουν υγροποιήσεις, η ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται ευσταθής. Ωστόσο, μόλις ξεκινήσει η υγροποίηση, η ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται από υπό όρους αστάθεια: ΥΑΘ < ΚΘ < ΞΑΘ ΥΠΟ ΟΡΟΥΣ ΑΣΤΑΘΕΙΑ (2.33) Πρέπει να επισημανθεί ότι η ΚΘ παρουσιάζει αρνητική τιμή όταν στην ατμόσφαιρα υπάρχει αναστροφή θερμοκρασίας. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι η τιμή της είναι μικρότερη τόσο από την ΥΑΘ, όσο και από την ΞΑΘ. Επομένως, στην περίπτωση της αναστροφής, η ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται ευσταθής και έτσι δεν ευνοούνται οι κατακόρυφες κινήσεις. Η στάθμη στην οποία ο αέρας καθίσταται κορεσμένος κατά την άνοδό του στην ατμόσφαιρα ονομάζεται στάθμη συμπύκνωσης. Το ύψος της στάθμης συμπύκνωσης είναι ουσιαστικά το ύψος στο οποίο αρχίζει να σχηματίζεται νέφος, με αποτέλεσμα να αποτελεί το ύψος της βάσης νεφών. Ο υπολογισμός του ύψους της βάσης ενός νέφους κατακόρυφης ανάπτυξης μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη θερμοκρασία και το σημείο δρόσου. Πιο αναλυτικά, ως γνωστόν, ο ακόρεστος αέρας ψύχεται με ρυθμό ίσο με 43