«Εποχική μεταβολή του ύψους της τροπόπαυσης και της θερμοβαθμίδας από δεδομένα ραδιοβόλισης»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Εποχική μεταβολή του ύψους της τροπόπαυσης και της θερμοβαθμίδας από δεδομένα ραδιοβόλισης» Τσιβλίδου Μαρία ΑΕΜ: Επιβλέπων Καθηγητής : κ. Μπαλής Δημήτριος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ Α: ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.Ατμόσφαιρα 1.1 Ιστορική Αναδρομή 1.2 Σύσταση της ατμόσφαιρας 1.3 Κατηγορίες της ατμόσφαιρας Ανάλογα με την σύσταση της ατμόσφαιρας Ανάλογα με την θερμοκρασία του αέρα Ανάλογα με τα φορτισμένα σωματίδια 1.4 Μεταβαλλόμενα μεγέθη με το ύψος Μοντέλο διεθνής πρότυπης ατμόσφαιρας (International Standard Atmosphere) Μοντέλο πραγματικής ατμόσφαιρας 2. Μέθοδος μέτρησης μετεωρολογικών μεγεθών καθ ύψος 2.1 Ιστορική αναδρομή 2.2 Η μέθοδος της ραδιοβόλισης σήμερα 2.3 Δεδομένα ραδιοβόλισης και διαδίκτυο Δεδομένα ραδιοβόλισης Απεικόνιση δεδομένων ραδιοβόλισης σε διάγραμμα ΜΕΡΟΣ Β: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3. Περιγραφή της πτυχιακής εργασίας 3.1 Εισαγωγή 3.2 Επιλογή και περιγραφή μετεωρολογικών σταθμών 3.3 Ποιες μεταβλητές υπολογίζονται και με ποιον τρόπο 3.4 Θεωρητικό μοντέλο για τις μετεωρολογικές μεταβλητές 1

3 4. Πειραματικά δεδομένα 4.1 Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων ανά μετεωρολογικό σταθμό 4.2 Σχέση θερμοβαθμίδας με άλλα μετεωρολογικά μεγέθη 4.3 Σύγκριση των δυο μετεωρολογικών σταθμών 5. Γενικά Συμπεράσματα Βιβλιογραφία 2

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου, Αναπληρωτή Καθηγητή, κ. Μπαλή Δημήτριο, για την ανάθεση του θέματος της διπλωματικής εργασίας, τις εύστοχες συμβουλές του καθ όλη την διάρκεια της εκπόνησης της καθώς και για την βοήθεια που μου προσέφερε στα ερωτήματα που προέκυψαν. Καθώς η ολοκλήρωση της εργασίας αυτής σηματοδοτεί το τέλος των σπουδών μου στο τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους για την παρέα τους στην πορεία των σπουδών μου, την συνεργασία και την βοήθεια που μου προσέφεραν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την απεριόριστη υποστήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια. 3

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη της εποχικής μεταβολής δυο βασικών μετεωρολογικών μεγεθών: του ορίου της τροπόσφαιρας και της θερμοβαθμίδας για δύο διαφορετικές πόλεις. Η πρώτη πόλη ανήκει στο βόρειο τμήμα της Ευρώπης (Harnosand, Σουηδία), ενώ η δεύτερη στο νότιο (Trapani, Ιταλία). Η επιλογή γίνεται με σκοπό να αποδειχθεί από ποιους παράγοντες εξαρτώνται τα συγκεκριμένα μεγέθη. Τα δεδομένα τα οποία είναι απαραίτητα για την πραγματοποίηση της μελέτης συλλέγονται με την διαδικασία της ραδιοβόλισης και γνωστοποιούνται στο διαδίκτυο και συγκεκριμένα την σελίδα του πανεπιστημίου Wyoming. Η μελέτη πραγματοποιείται για διάρκεια ενός έτους (2013) και για τους δύο σταθμούς. Για τον υπολογισμό του ορίου τροπόσφαιρας καθώς επίσης και της θερμοβαθμίδας χρησιμοποιούνται τα μεγέθη: το ύψος της ατμόσφαιρας, η πίεση και η θερμοκρασία του εδάφους και η σχετική υγρασία. Οι παραπάνω μεταβλητές αποτελούν συγκεκριμένες στήλες στους πίνακες δεδομένων του πανεπιστημίου WU και η επεξεργασία τους για τον υπολογισμό της θερμοβαθμίδας και του ορίου της τροπόσφαιρας γίνεται με την χρήση του λογισμικού matlab. 4

6 ABSTRACT The subject of the present senior thesis is the study of the seasonal changing of two basic meteorological parameters: tropopause limit and lapse rate in two different meteorological stations. The first station is located in the north of Europe (Harnosand, Sweden), whereas the second in southern Europe (Trapani, Italy). The aim of the meteorological station selection is to determine the factors that affect these parameters. The necessary data for conducting this experiment are based on the process of radiosonde and have been published on the Internet. Specifically, the data are published in the site of Wyoming University. Furthermore, the experimental duration was one year for both meteorological stations (2013). In order to measure the tropopause limit as well as the lapse rate the following values have been used: the atmosphere height, the ground air pressure, the ground soil temperature and the relative humidity. The above mentioned variables constitute specific columns in the data table of Wyoming University and the matlab program has been used in order to calculate the tropopause limit and lapse rate. 5

7 6

8 ΜΕΡΟΣ Α: ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Ατμόσφαιρα Ατμόσφαιρα καλείται το σύνολο των αέριων μαζών που περιβάλλουν την Γη. Το αεριώδες αυτό περίβλημα συγκρατείται λόγω της βαρύτητάς της Γης, και φθάνει σε ύψος περίπου χλμ. Ουσιαστικά αποτελεί ένα ελλειψοειδές εκ περιστροφής καθώς είναι ένα σώμα με την Γη και μετέχει σε όλες τις κινήσεις της. Η ύπαρξη της ατμόσφαιρας είναι ζωτικής σημασίας για την διατήρηση της ζωής στον πλανήτη καθώς αυτή απορροφά ένα μεγάλο τμήμα της υπεριώδους ακτινοβολίας και με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι διαφορές των ακραίων θερμοκρασιών που θα υπήρχαν μεταξύ ημέρας και νύχτας χωρίς αυτήν. Επιπλέον, η χημική της σύσταση και η διαστρωμάτωση που εμφανίζει επειδή κάθε περιοχή της απορροφά διαφορετικά μήκη κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας, είναι οι βασικοί παράγοντες που συμβάλουν στην διατήρηση της ζωής στην γη. Τέλος, η ατμόσφαιρα συμβάλει στην θέρμανση της επιφάνειας της γης, καθώς συγκρατεί την θερμότητα. 1.1 Ιστορική αναδρομή Σήμερα πιστεύεται ότι η δημιουργία της γης και της ατμόσφαιρας της είναι δυο ταυτόχρονα γεγονότα που πραγματοποιήθηκαν περίπου 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Κατά τα πρώτα στάδια της δημιουργίας της, η γη ήταν ένας καυτός πλανήτης με ατμόσφαιρα όμοια με κείνη του γενεσιουργού της ήλιου. Η ατμόσφαιρα αυτή αποτελούνταν κυρίως από υδρογόνο, ήλιο και άλλα αδρανή αέρια, τα οποία κατά κύριο λόγο διέφευγαν στο διάστημα εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών και του μικρού μεγέθους της γης. 7

9 Εικόνα 1: H πρώτη φάση της γήινης ατμόσφαιρας Με την πάροδο των χρόνων, η ατμόσφαιρα αυτή χάθηκε και αντικαταστάθηκε από μια ατμόσφαιρα που αποτελούνταν από άλλα συστατικά, λόγω της έκλυσης αερίων από το εσωτερικό της. Η δεύτερη αυτή φάση ξεκινάει καθώς σχηματίζεται ο φλοιό της γης, με την προοδευτική ψύξη της, Έτσι, μετά από μια σειρά πολύπλοκων χημικών διεργασιών στην ατμόσφαιρα εμφανίζονται υδρατμοί, άζωτο και διοξείδιο του αζώτου. Η ατμόσφαιρα αυτή ονομάζεται αναγωγική γιατί περιέχει σαν συστατικό το νερό, αλλά όχι το οξυγόνο. Η παρουσία του νερού είναι ζωτικής σημασίας, γιατί χωρίς αυτό δεν υπήρχε ζωή αφού δεν θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί η φωτοσύνθεση και η ατμόσφαιρα της γης θα έμοιαζε με αυτήν της Αφροδίτης (με μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα). 8

10 Εικόνα 2: Η δεύτερη φάση της γήινης ατμόσφαιρας Κατά την τρίτη φάση της ατμόσφαιρας, η θερμοκρασία μειώθηκε τόσο ώστε σχηματίστηκαν τα πρώτα σύννεφα, τα οποία με την πάροδο του χρόνου γίνονταν πυκνότερα και χαμηλότερα. Έτσι, σημειώθηκαν οι πρώτες βροχές που αρχικά ήταν λίγες και το νερό λόγω θερμοκρασίας εξατμιζόταν αμέσως. Όταν στην συνέχεια μειώθηκε κ άλλο η θερμοκρασία οι βροχές έγιναν συνεχείς και κατακλυσμιαίες. Τα νερά των βροχών ήταν η αιτία δημιουργίας των ποταμών, των ωκεανών και γενικά όλων των υδάτινων περιοχών που άρχισαν να διαβρώνουν τα πετρώματα του πλανήτη. Κατά την περίοδο αυτή μεγάλη ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα εξαφανίστηκε για διάφορους λόγους όπως πχ απορρόφηση μέρους αυτού από τα νερά των ωκεανών και την δημιουργία ανθρακικών πετρωμάτων. 9

11 Εικόνα 3: Η τρίτη φάση της γήινης ατμόσφαιρας Μετά από αυτά τα ακραία καιρικά φαινόμενα, το πυκνό στρώμα των νεφών άρχισε να παρουσιάζει ρωγμές από που διέρχονταν οι ηλιακές ακτίνες και έφτανα στην επιφάνεια της γης. Σε συνδυασμό με τις μεγάλες γεωλογικές μεταβολές όπως πχ εκρήξεις ηφαιστείων, πτυχώσεις του φλοιού κτλ την περίοδο αυτή εμφανίστηκε η ζωή στην γη χωρίς να έχει προσδιοριστεί ο ακριβής χρόνος ή ο μηχανισμός προέλευσης της. Πριν από 2-3 δισεκατομμύρια χρόνια, με την εμφάνιση της ζωής συσσωρεύτηκε το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα και από αναγωγική μετατράπηκε σε οξειδωτική. Η δημιουργία του οξυγόνου οφείλεται σε δυο βασικούς μηχανισμούς: Α. την φωτοδιάσπαση των υδρατμών με την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας, μια αντίδραση η οποία πραγματοποιείται και σήμερα στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Β. την δημιουργίας ζώντων οργανισμών και την φωτοσύνθεση. Κατά την αντίδραση αυτήν, οι ζώντες οργανισμοί συνθέτουν τροφή με την επίδραση της ορατής ηλιακής ακτινοβολίας. Η συμβολή της φωτοδιάσπασης στην δημιουργία του οξυγόνου είναι μικρή σε σχέση με αυτήν της φωτοσύνθεσης. Μέρος αυτού του οξυγόνου που δημιουργήθηκε πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια, με την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας του ηλίου δημιούργησε τα πρώτα ίχνη όζοντος. Το στοιχείο αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την διατήρηση της ζωής στον πλανήτη καθώς έχει την ιδιότητα να απορροφά ισχυρά την επιβλαβή 10

12 υπεριώδη ακτινοβολία του ηλίου. Με την δημιουργία του προστατευτικού στρώματος του όζοντος, οι ζωντανοί οργανισμοί μπόρεσαν να επιβιώσουν και έξω από το νερό. Στην συνέχεια, άρχισε να αναπτύσσεται η βλάστηση, να δημιουργούνται δάση όπου κυριαρχούσε η φωτοσύνθεση. Έτσι, πριν από μισό ως ένα δισεκατομμύρια χρόνια η ατμόσφαιρα της γης περιείχε την ποσότητα του οξυγόνου που περιέχει και σήμερα. Η ποσότητα αυτή του οξυγόνου αποτελεί το 10% του συνολικά παραγόμενου οξυγόνου καθώς ένα ποσοστό 90% καταναλώθηκε για την δημιουργία οξειδίων στον φλοιό της γης. Τα οξείδια αυτά δέσμευσαν μια σχετικά μεγάλη ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που εκλύεται από το εσωτερικό της γης, ενώ η ποσότητα του αζώτου παραμένει αμετάβλητη. 1.2 Σύσταση της ατμόσφαιρας Σήμερα πιστεύεται ότι η γήινη ατμόσφαιρα δημιουργήθηκε πριν από περίπου 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα αέρια που την αποτελούσαν, αρχικά ήταν το διοξείδιο του άνθρακα, το άζωτο, οι υδρατμοί και το υδρογόνο. Μετά από μια σειρά μακροχρόνιων διεργασιών μεταξύ της ξηράς, των ωκεανών, και των αερίων της ατμόσφαιρας θεωρείται ότι σταθεροποιήθηκε η σύσταση της πριν από περίπου 400 εκατομμύρια χρόνια. Η σύσταση της ατμόσφαιρας όπως προέκυψε από σύγχρονες μελέτες αποτελείται από ένα μίγμα ξηρού αέρα, υδρατμών και αιωρήματα διαφόρου προελεύσεως (aerosols). Ο ξηρός ατμοσφαιρικός αέρας με την σειρά του αποτελείται κατά κύριο λόγο από άζωτο (78%) και οξυγόνο (21%). Επίσης περιέχει διοξείδιο του άνθρακα, ευγενή αέρια, ίχνη υδρογόνου και όζοντος κτλ (1%). Η σύνθεση της ατμόσφαιρας παραμένει ίδια σε αναλογίες μέχρι το ύψος των 80 km με εξαίρεση το διοξείδιο του άνθρακα και το όζον. 11

13 Πίνακας 1: Σύνθεση του ατμοσφαιρικού αέρα Στην ατμόσφαιρα αιωρούνται σχετικά μεγάλες ποσότητες υδρατμών που προέρχονται από την εξάτμιση υδάτινων επιφανειών (θάλασσες, ποτάμια κτλ). Η ποσότητα τους εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως πχ τον χρόνο και τον τόπο και κυμαίνεται από 0-4% κατ όγκο. Οι υδρατμοί αποτελούν σημαντική πηγή θερμότητας και γι αυτό καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τις ατμοσφαιρικές λειτουργίες. Τέλος, τα ατμοσφαιρικά σωματίδια έχουν μικρό μέγεθος και η σύσταση τους ποικίλει από άποψη χημικών ιδιοτήτων. Η σημασία τους είναι μεγάλη γιατί αποτελούν πυρήνα συγκέντρωσης υδρατμών για την δημιουργία νεφών και βροχής. Επιπλέον, καθορίζουν τον βαθμό θολώσεως της ατμόσφαιρας καθώς επίσης και τον βαθμό ρυπάνσεως ιδιαίτερα από κάποια καυσαέρια, καπνό κτλ. 1.3 Κατηγορίες της ατμόσφαιρας Ανάλογα με την σύσταση της ατμόσφαιρας Η ατμόσφαιρα διακρίνεται σε κατηγορίες με διάφορα κριτήρια. Ένα από αυτά αποτελεί η σύσταση της. Μέχρι και το ύψος των km περίπου, παρατηρείται ότι η σύσταση της ατμόσφαιρας παραμένει σχεδόν αμετάβλητη και τα βασικά αέρια που την αποτελούν (άζωτο και οξυγόνο) παραμένουν σε σταθερή αναλογία χωρίς σημαντικές μεταβολές. Η περιοχή αυτή λοιπόν, είναι γνωστή ως ομοιόσφαιρα. 12

14 Πάνω από την ομοιόσφαιρα, βρίσκεται η ετερόσφαιρα, όπου η σύσταση της ατμόσφαιρας παύει να είναι πλέον ομοιόμορφη. Περίπου από τα 100km και πάνω, όπου ξεκινάει η ετερόσφαιρα, παρατηρείται μοριακή διάχυση και μοριακή διάσπαση των ατμοσφαιρικών αερίων. Στα μικρότερα ύψη της ετερόσφαιρας υπάρχουν τα βαρύτερα αέρια ενώ στα μεγαλύτερα ύψη κυριαρχούν τα ελαφρότερα αέρια. Συνεπώς, παρατηρείται βαθμιαία μείωση του μοριακού βάρους των ατμοσφαιρικών αερίων. Πιο συγκεκριμένα, στην ετερόσφαιρα το μοριακό άζωτο και τα ελαφρά αέρια (ήλιο, υδρογόνο) είναι σε σημαντικό βαθμό παρόντα, ενώ διασπάται το μοριακό οξυγόνο Ανάλογα με την θερμοκρασία του αέρα Παρότι, όπως έχει αναφερθεί ήδη, η χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας παραμένει αμετάβλητη για τα πρώτα km, υπάρχει μια διάκριση της σε στρώματα που γίνεται ανάλογα με έναν πολύ σημαντικό παράγοντα για την ατμόσφαιρα που είναι η θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, η ομοιόσφαιρα χωρίζεται σε τρεις βασικές περιοχές: την τροπόσφαιρα, την στρατόσφαιρα και την μεσόσφαιρα, ενώ η ετερόσφαιρα χωρίζεται στις περιοχές: την θερμόσφαιρα και την εξώσφαιρα. Έτσι, η δομή της ατμόσφαιρας είναι η ακόλουθη: 13

15 Εικόνα 3: Τα στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας a) Τροπόσφαιρα Το πρώτο στρώμα της ατμόσφαιρας που βρίσκεται πιο κοντά στην επιφάνεια της Γης ονομάζεται τροπόσφαιρα και εκτείνεται από το έδαφος μέχρι περίπου τα km. Το κατώτερο στρώμα της τροπόσφαιρας είναι το εδαφικό, το οποίο φτάνει μέχρι τα 2m και εκεί αναπτύσσονται τα φυτά. Περίπου 1.5-2km πάνω από το εδαφικό στρώμα, βρίσκεται το κύριο στρώμα της τροπόσφαιρας όπου πραγματοποιούνται αξιόλογες κατακόρυφες μετακινήσεις αερίων μαζών. Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό της περιοχής αυτής είναι πως η θερμοκρασία του αέρα μειώνεται με το ύψος. Αυτό συμβαίνει γιατί η τροπόσφαιρα θερμαίνεται κατά κύριο λόγο από την ακτινοβολούμενη θερμότητα της Γης. Άρα όπως είναι αναμενόμενο υπάρχει μία πτώση της θερμοκρασίας καθώς αυξάνεται το ύψος, με ρυθμό περίπου 6.5 ο C/km. Οι εναλλαγές θερμότητας μεταξύ της επιφάνειας και των ανώτερων περιοχών της είναι μεγάλες. Επιπλέον, παρατηρείται αύξηση της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος, μέχρι κάποιο όριο, το οποίο συνήθως συναντάται στα ανώτερα ύψη της τροπόσφαιρας. Η τροπόσφαιρα έχει την μεγαλύτερη πυκνότητα από όλα τα στρώματα της ατμόσφαιρας και περιέχει το 85-90% της μάζας της ατμόσφαιρας και όλους τους 14

16 υδρατμούς. Συμπερασματικά, το μεγαλύτερο μέρος της ατμόσφαιρας βρίσκεται σε αυτήν την περιοχή. Οι κόκκοι σκόνης που βρίσκονται στην τροπόσφαιρα είναι αναρίθμητοι. Το γεγονός αυτό είναι πρώτιστης σημασίας καθώς οι κόκκοι αυτοί αποτελούν πυρήνα γύρω από τον οποίο συγκεντρώνονται οι υδρατμοί και σχηματίζουν τα νέφη. Στην τροπόσφαιρα δημιουργούνται καταιγίδες, βροχές, ομίχλες και γενικά το σύνολο των καιρικών φαινομένων. Γι αυτον τον λόγο είναι σημαντική η μελέτη της συγκεκριμένης περιοχής καθώς επηρεάζει άμεσα και έμμεσα την ζωή των ανθρώπων και τις κλιματικές μεταβολές που συμβαίνουν στον πλανήτη. Οι βασικοί μηχανισμοί θέρμανσης της τροπόσφαιρας είναι δυο: α) κατά ένα μικρό σχετικα ποσοστό (15%) θερμαίνεται από την απορρόφηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας και β) κατά το υπόλοιπο ποσοστό : από την γήινη ακτινοβολία, από τη θερμότητα που μεταφέρεται προς τα πάνω με αναταράξεις και από την «λανθάνουσα θερμότητα» που μεταφέρεται προ τα πάνω με τους υδρατμούς ύστερα απο εξάτμιση των επιφανειακών νερών. Έτσι είναι προφανές ότι η τροπόσφαιρα θερμαίνεται, κατά κύριο λόγο, από κάτω προς τα πάνω. Η ροή αυτή ενέργειας εξασθενεί προφανώς όσο ανέρχεται μέσα στην τροπόσφαιρα και συνεπώς και η θερμοκρασία του αέρα ως έκφραση της θερμικής του κατάστασης ελαττώνεται με το ύψος. Ωστόσο πρέπει να σημειωθεί ότι η μείωση αυτή της θερμοκρασίας με το ύψος, συνολικά μέσα στην τροπόσφαιρα, είναι αποτέλεσμα του ενεργειακού ελλείμματος που παρουσιάζει η τροπόσφαιρα. Η ακτινοβολία δηλ. που εκπέμπει η τροπόσφαιρα είναι μεγαλύτερη ποσοτικά από εκείνη που απορροφά σε μια χρονική μονάδα. Το ως άνω ενεργειακό έλλειμμα, αν θεωρηθεί κατά επί μέρους ατμοσφαιρικά στρώματα, αυξάνει με το ύψος. Καθώς ανεβαίνουμε στην τροπόσφαιρα συναντάμε την άνω οριακή περιοχή της, την τροπόπαυση, που αποτελεί την μεταβατική ζώνη μεταξύ αυτής και του υπερκείμενου στρώματος της ατμόσφαιρας (στρατόσφαιρα). Πρόκειται για μια ασυνεχή επιφάνεια, που παρουσιάζει κλίση από τον Ισημερινό προς τους Πόλους. Στην διάρκεια του χρόνου, παρατηρείται μια διακοπή στην περιοχή με γεωγραφικό πλάτος ο. Εξαιτίας αυτής της ασυνέχειας η τροπόπαυση διακρίνεται σε τροπική και πολική. 15

17 Όσων αφορά την τροπική επικρατεί σε μικρά γεωγραφικά πλάτη και φτάνει μέχρι ο πλάτος, ενώ η πολική επικρατεί σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Ωστόσο, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες η τροπική τροπόπαυση φτάνει μέχρι και 45 ο πλάτος, με αποτέλεσμα να επικαλύπτει την πολική σε μήκος 5-10 ο. Συνεπώς, σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη είναι δυνατόν να παρατηρηθούν δύο τροποπαύσεις, η μία πάνω από την άλλη και σε μια κατακόρυφη απόσταση που κυμαίνεται από 2.5-5km. Η απόσταση αυτή δεν παραμένει σταθερή κατά την διάρκεια του χρόνου, αλλά εξαρτάται από την εποχή την οποία διανύουμε. Έτσι, μέγιστη τιμή σημειώνεται κατά την διάρκεια των χειμερινών μηνών ενώ ελάχιστη τιμή κατά τους θερινούς μήνες αντίστοιχα. Θεωρώντας την τροπόπαυση ενιαία επιφάνεια, το μέσο ύψος της πάνω από τις διάφορες περιοχές εξαρτάται από δυο παράγοντες: το γεωγραφικό πλάτος και από την εποχή το χρόνου. Ενδεικτικά, για τις περιοχές κοντά στον Ισημερινό κυμαίνεται από 16-17km, για τις εύκρατες περιοχές από 11-12km και για τις πολικές από 7-8km. Στις παραπάνω τιμές παρατηρείται μια απόκλιση 0-4 km που οφείλεται στην εποχή του χρόνου και στα βαρομετρικά συστήματα που επικρατούν. Το ύψος της τροπόπαυσης γίνεται μέγιστο κατά την μεταβατική περίοδο από το καλοκαίρι στο φθινόπωρο και ελάχιστο κατά την μεταβατική περίοδο από τον χειμώνα στην άνοιξη. Επιπλέον σε περιοχές που επικρατούν συστήματα αντικυκλώνων, η τροπόπαυση βρίσκεται σε υψηλότερα σημεία από την μέση στάθμη της, ενώ σε περιοχές που επικρατούν υφέσεις συναντάται σε χαμηλότερα σημεία από τα αναμενόμενα. Οι θερμοκρασίες της τροπόπαυσης κυμαίνονται από -70 εώς -80 ο C στις Ισημερινές περιοχές και από -55 εώς -60 ο C σε περιοχές με μέσα γεωγραφικά πλάτη. Αξιοσημείωτο είναι ότι οι διαφορές μεταξύ των θερμοκρασιών της επιφάνειας του εδάφους και των αντίστοιχων της τροπόπαυσης είναι πολύ μεγάλες. Το ψυχρότερο τμήμα της τροπόπαυσης βρίσκεται πάνω από την περιοχή που έχει υψηλότερη θερμοκρασία. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της τροπόπαυσης είναι πως η θερμοκρασία με το ύψος διατηρείται σχεδόν σταθερή. Γι αυτόν τον λόγο είναι εύκολος ο προσδιορισμός του ύψους αλλά και του πάχους της τροπόπαυσης. b) Στρατόσφαιρα Το επόμενο στρώμα της ατμόσφαιρας είναι η στρατόσφαιρα. Βρίσκεται πάνω από την τροπόπαυση και εκτείνεται εώς περίπου 50-55km. Χαρακτηριστικό της 16

18 στρατόσφαιρας είναι μια μικρή αύξηση της θερμοκρασίας με το ύψος μέχρι τα 35km περίπου. Η περιοχή αυτή ονομάζεται κατώτερη στρατόσφαιρα. Στην συνέχεια, η θερμοκρασία αυξάνει σημαντικά μέχρι το ύψος των 50-55km, περιοχή που καλείται ανώτερη στρατόσφαιρα. Η περιοχή των 25-50km αποτελεί το στρώμα του ατμοσφαιρικού όζοντος καθώς εκεί παρατηρείται η μέγιστη συγκέντρωση του συγκεκριμένου συστατικού της ατμόσφαιρας και γι αυτό ονομάζεται οζονόσφαιρα. Η παρουσία του όζοντος παίζει μεγάλο ρόλο στο θερμικό ισοζύγιο αφού το όζον απορροφά την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία και παρατηρείται αύξηση της θερμοκρασίας. Παρότι το όζον αποτελεί βασικό μηχανισμό θέρμανσης της στρατόσφαιρας, μεγαλύτερη θερμοκρασία δεν σημειώνεται στην οζονόσφαιρα όπως θα ήταν αναμενόμενο, αλλά στο μεγάλύτερο ύψος της στρατόσφαιρας όπου η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα είναι χαμηλότερη. Ανάλογα με την εποχή του χρόνου την οποία διανύουμε παρατηρούνται μεταβολές στην θερμοκρασία της στρατόσφαιρα. Στην κατώτερη στρατόσφαιρα μεγαλύτερες τιμές θερμοκρασίας συναντάμε το καλοκαίρι στους πόλους και χαμηλότερες στον ισημερινό, ενώ τον χειμώνα οι μέγιστες θερμοκρασίες σημειώνονται στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη. Όσων αφορά την ανώτερη στρατόσφαιρα, παρατηρείται μείωση της θερμοκρασίας από τον θερινό προς τον χειμερινό πόλο. Επειδή η θερμοκρασία αυξάνει με το ύψος στην στρατόσφαιρα, η περιοχή είναι πολύ πιο ευσταθής από την τροπόσφαιρα. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι η περιοχή είναι ήρεμη. Οι θερμοκρασιακές μεταβολές δεν διατηρούνται πάντοτε σταθερές, αλλά παρατηρούνται περιπτώσεις ακραίων και βίαιων μεταβολών κατά τον χειμώνα ή την άνοιξη, συνήθως στα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Πιο συγκεκριμένα, τον χειμώνα στην πολική στρατόσφαιρα συχνά συμβαίνουν αιφνίδιες θερμάνσεις που μεταβάλουν την αέρια κυκλοφορία. Επίσης, στην τροπική ζώνη παρατηρείται ημι-διετή διακύμανση με περίοδο 26 μηνών με τους ανατολικούς ανέμους να εναλλάσσονται με δυτικούς. Πρακτικά στο στρώμα αυτό λείπει η υγρασία από τον αέρα και είναι απαλλαγμένη από νέφη. Παρόλα αυτά εμφανίζονται σε πολικές κυρίως περιοχές πολικά στρατοσφαιρικά νέφη (nacreous clouds) στο κάτω μέρος αυτού του στρώματος της ατμόσφαιρας, όπου ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι πιο ψυχρός. Τα μαργαρώδη νέφη, όπως ονομάζονται αποτελούνται από μικροσκοπικά κρύσταλλα 17

19 πάγου τουλάχιστον δύο φορές περισσότερα από τα συνηθισμένα σύννεφα. Οι κρύσταλλοι αυτοί είναι όλοι παρόμοιου μεγέθους και διαθλούν το ηλιακό φως στο υψηλό υψόμετρο για να κάνουν αυτά τα χρώματα, όπως φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. Εικόνα 4: Nέφος πολικής στρατόσφαιρας (nacreous clouds) Εικόνα 5: Μαργαρώδες νέφος (nacreous clouds). Αρκτική Στα κατώτερα στρώματα η διακύμανση της θερμοκρασίας είναι από -50 ο C ως -65 ο C και σε μεμονωμένα στρώματα παραμένει αρκετά σταθερή. Καθώς αυξάνεται το 18

20 υψόμετρο, λόγω της παρουσίας του όζοντος βρίσκεται ένα θερμότερο στρώμα με θετικές θερμοκρασίες που φτάνουν περίπου μέχρι 15 ο C. Στο στρώμα αυτό εμφανίζονται φαινόμενα δέσμευσης των συστατικών του αέρα και το οξυγόνο μειώνεται σημαντικά. Πάνω από αυτό το στρώμα η θερμοκρασία μειώνεται και φτάνει μέχρι τους -80 ο C. Ανώτατο όριο της στρατόσφαιρας αποτελεί η στρατόπαυση. Στην περιοχή αυτήν δεν παρατηρείται μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος, αλλά σημειώνεται σταθερή θερμοκρασία 0 ο C περίπου για όλη την έκταση της στρατόπαυσης. c) Μεσόσφαιρα Το επόμενο στρώμα της ατμόσφαιρας είναι η μεσόσφαιρα και εκτείνεται από την στρατόπαυση ως 80-90km πάνω από το επίπεδο της θάλασσας. Στην περιοχή αυτή παρατηρείται μείωση της θερμοκρασίας με το ύψος και έντονη κατακόρυφη ανάμιξη αερίων μαζών. Η μεσόσφαιρα έχει πάχος 30km περίπου και φτάνει μέχρι την μεσόπαυση, την διαχωριστική περιοχή μεταξύ της μεσόσφαιρας και του υπερκείμενου στρώματος (θερμόσφαιρα). Η μεσόπαυση αποτελεί την ψυχρότερη περιοχή της ατμόσφαιρας με θερμοκρασία που φτάνει τους -80 ο C, λόγω της απουσίας του όζοντος. Ένα μετεωρολογικό φαινόμενο που εμφανίζεται σχετικά σπάνια στην μεσόσφαιρα, είναι η δημιουργία νεφών που έχουν όμως ιδιαιτερότητα στην εμφάνιση σε σχέση με τα νέφη της τροπόσφαιρας. Όταν πραγματοποιούνται ισχυρές εκρήξεις ηφαιστείων, ένα μέρος της ηφαιστειακής σκόνης που δημιουργείται φτάνει μέχρι τα ανώτερα στρώματα της στρατόσφαιρας και μπορεί να παραμείνει εκεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έτσι δημιουργούνται τα φωτεινά νέφη της νύχτας (noctilucent clouds). Πρόκειται για τα υψηλότερα νέφη της ατμόσφαιρας τα οποία λόγω του μεγάλου ύψους φωτίζονται για αρκετή ώρα μετά την δύση του ηλίου. Είναι ορατά σε περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους (πολικές και ημι-πολικές) και ιδιαίτερα τις θερινές νύχτες. Ο σχηματισμός του νέφους σε μεγάλο ύψος είναι δυνατός παρά την μικρή πυκνότητα του αέρα και την έλλειψη υδρατμών στην περιοχή. Η μικρή ποσότητα υδρατμών που υπάρχει λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας μετατρέπονται σε παγοκρυστάλλους και δημιουργείται το νέφος αργυρόλευκης ή κυανόλευκης απόχρωσης. Το γεγονός ότι η όψη του είναι κυματιστή επιβεβαιώνει τους έντονους ανέμου που κυριαρχούν σε αυτό το στρώμα της ατμόσφαιρας. 19

21 Εικόνα 6: Φωτεινά νέφη της νύχτας (noctilucent clouds).σκοτία Εικόνα 7: Φωτεινό νέφος νύχτας (noctilucent clouds). Σουηδία Οι βασικοί μηχανισμοί θέρμανσης της μεσόσφαιρας είναι δύο: 1) η απορρόφηση της υπέρυθρης γήινης ακτινοβολίας από το όζον και το διοξείδιο του άνθρακα και 2) η κατακόρυφη μεταφορά. 20

22 d) Θερμόσφαιρα Το επόμενο στρώμα της ατμόσφαιρας που εκτείνεται πάνω από την μεσόπαυση ως και km ονομάζεται θερμόσφαιρα. Αρχικά στην θερμόσφαιρα παρατηρείται ισόθερμη μεταβολή της θερμοκρασίας, μέχρι αυτή να αρχίσει να αυξάνεται μονότονα με το ύψος, φτάνοντας σχεδόν τους 1000 ο C σε ύψος km. Οι τιμές της θερμοκρασίας κυμαίνονται από ο C για την περιοχή αυτή και η διακύμανση εξαρτάται από την ηλιακή δραστηριότητα που παρατηρείται την εκάστοτε περίοδο. Η σύσταση της θερμόσφαιρας παρουσιάζει μια ιδιομορφία, καθώς στα κατώτερα στρώματα συναντάμε μόρια αζώτου και μόρια και άτομα οξυγόνου, ενώ καθώς περνάμε στα ανώτερα στρώματα της, τα άτομα και μόρια οξυγόνου υπερισχύουν. Λόγω της παρουσίας των παραπάνω στοιχείων στην θερμόσφαιρα, απορροφάται η ηλιακή ακτινοβολία σε μήκη κύματος nm. Επίσης, η πυκνότητα του αέρα είναι χαμηλή και δεν υπάρχουν τριατομικά στοιχεία σε αυτήν την περιοχή της ατμόσφαιρας. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι υπεύθυνα για την αύξηση της θερμοκρασίας με το ύψος. Η περιοχή αυτή της ατμόσφαιρας είναι τελείως καθαρή από νέφη, δεν περιέχει υδρατμούς και σημειώνεται ελάχιστη κατακόρυφη ανάμιξη των αερίων μαζών της. Παρόλα αυτά εμφανίζεται περιστασιακά ένα μη υδρομετεωρολογικό φαινόμενο, το βόρειο και νότιο σέλας. (aurora borealis και aurora australis). Το σέλας δημιουργείται όταν τα φορτισμένα ηλεκτρόνια της συνεχής ροής φορτισμένων σωματιδίων του ήλιου, που καλείται ηλιακός άνεμος βομβαρδίζουν τα υψηλά στρώματα τις ατμόσφαιρας. Τα περισσότερα από τα σωματίδια αυτά παρεκτρέπονται από το μαγνητικό πεδίο της γης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ωστόσο υπάρχει ένα σημαντικό μέρος αυτών που διεισδύει στην ατμόσφαιρα και επιταχύνονται σε μεγάλες ενέργειες από ηλεκτρομαγνητικά πεδία κατά την διάρκεια μαγνητικών καταιγίδων. 21

23 Εικόνα 8: Δημιουργία του φαινομένου του σέλας Μετά την είσοδο τους στην ατμόσφαιρα κυρίως πάνω από τους πόλους, τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα άτομα και μόρια οξυγόνου και με τα μόρια αζώτου που υπάρχουν εκεί και τα διεγείρουν ενεργειακά. Τα διεγερμένα άτομα με την σειρά τους επειδή θέλουν να επανέλθουν στην αρχική και σταθερή τους κατάσταση, εκπέμπουν το πλεόνασμα ενέργειας τους με την μορφή φωτονίων, των οποίων η ενέργεια αντιστοιχεί στο ορατό φως και έτσι δημιουργούνται οι εικόνες που παρατηρούμε κατά το βόρειο ή νότιο σέλας. 22

24 Εικόνα 9: Βόρειο σέλας Εικόνα 10: Νότιο σέλας Τέλος, η περιοχή αυτή της ατμόσφαιρας εκτείνεται μέχρι το ανώτατο όριο της που λέγεται θερμόπαυση. 23

25 e) Εξώσφαιρα Το τελευταίο και ανώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας είναι η εξώσφαιρα. Εκτείνεται πάνω από την θερμόπαυση μέχρι το κοσμικό διάστημα, με το οποίο σταδιακά αναμιγνύεται. Σε γενικές γραμμές θεωρείται ότι η εξώσφαιρα ξεκινά από τα 800km μέχρι τα 2000km ή τα 3500km που είναι το μέγιστο πάχος της ατμόσφαιρας. Στην περιοχή αυτή παύει η αύξηση της θερμοκρασίας με το ύψος, όπως συμβαίνει στην θερμόσφαιρα, και πρόκειται για ισόθερμη μεταβολή με το ύψος. Στην εξώσφαιρα, περιέχεται μόλις το ένα δισεκατομμυριοστό της ατμοσφαιρικής μάζας. Τα στοιχεία που την αποτελούν είναι υδρογόνο, ήλιο σε εξαιρετικά χαμηλές πυκνότητες και αρκετά βαρύτερα μόρια που περιλαμβάνουν άζωτο και διοξείδιο του άνθρακα. Τα άτομα και τα μόρια αυτά είναι σε τόσο μεγάλη απόσταση μεταξύ τους, που μπορούν να ταξιδέψουν εκατοντάδες χιλιόμετρα χωρίς να πραγματοποιηθεί κάποια σύγκρουση μεταξύ τους. Έτσι η εξώσφαιρα συμπεριφέρεται σαν ένα αέριο και τα σωματίδια που το αποτελούν μπορούν να διαφύγουν από την έλξη της γης, στο διάστημα κινούμενα ακολουθώντας βαλλιστικές τροχιές. Η εξώσφαιρα επειδή βρίσκεται σε πολύ μεγάλη απόσταση από την γη, δεν εμφανίζει κανένα μετεωρολογικό φαινόμενο. Παρόλα αυτά, μερικές φορές το βόρειο ή νότιο σέλας (aurora borealis και aurora australis) εμφανίζεται στο κατώτερο μέρος της εξώσφαιρας, όπου αλληλεπικαλύπτονται με την θερμόσφαιρα. 24

26 Εικόνα 11: Βόρειο σέλας Εικόνα 12: Νότιο σέλας 25

27 1.3.3 Ανάλογα με τα φορτισμένα σωματίδια Ο τρίτος διαχωρισμός της ατμόσφαιρας σε κατηγορίες μπορεί να γίνει με κριτήριο τα ιονισμένα σωματίδια. Συνεπώς προκύπτουν δύο βασικές ατμοσφαιρικές περιοχές: η ιονόσφαιρα και η μαγνητόσφαιρα. Η ιονόσφαιρα είναι η περιοχή της ατμόσφαιρας που παρατηρείται μερικός ιονισμός των ατμοσφαιρικών συστατικών της από τις διάφορες ακτινοβολίες του ήλιου ή και από σωματιδιακή εκπομπή από τον ήλιο. Εκτείνεται από τα km, δηλαδή την θερμόσφαιρα ως το ανώτατο όριο της ατμόσφαιρας, την εξώσφαιρα. Στους σύγχρονους μετεωρολογικούς σταθμούς επιφανείας χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα που μελετούν την ποσότητα αλλά και την ποιότητα των ιονισμένων σωματιδίων της ατμόσφαιρας. Μάλιστα ο ρυθμός μετρήσεων είναι ίδιος με τον ρυθμό παρατήρησης της θερμοκρασίας, της υγρασίας κτλ της ατμόσφαιρας, γεγονός που δείχνει την ζωτική σημασία που έχουν πλέον τα ιονισμένα σωματίδια στην υγεία και την διαβίωση του ανθρώπου στον πλανήτη. Η μαγνητόσφαιρα είναι η περιοχή του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος στην οποία η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων καθορίζεται από το μαγνητικό πεδίο της γης. Η έκτασή της είναι από την ιονόσφαιρα μέχρι δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα στο διάστημα. Το στρώμα αυτό, προστατεύει την γη από τα φορτισμένα σωματίδια του ηλιακού ανέμου και της κοσμικής ακτινοβολίας, που διαφορετικά θα είχαν εξαλείψει την ανώτερη ατμόσφαιρα που περιλαμβάνει το στρώμα του όζοντος. Συνεπώς δεν θα υπήρχε προστασία του πλανήτη από την επιβλαβή υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία και η διατήρηση της ζωής θα ήταν αβέβαιη. 26

28 Εικόνα 13: Μαγνητόσφαιρα της γης Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου της γης πάνω από τον ισημερινό γίνονται σχεδόν οριζόντιες και στην συνέχεια επανασυνδέονται σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Σε μεγάλο υψόμετρο το μαγνητικό πεδίο στρεβλώνεται από τον ηλιακό άνεμο και το μαγνητικό πεδίο του ήλιου. Λόγω της πίεσης που ασκεί ο ηλιακός άνεμος στο γήινο μαγνητικό πεδίο από την ημερήσια πλευρά της γης αυτό συμπιέζεται, ενώ στην νυχτερινή πλευρά της το πεδίο εκτείνεται σε μια μεγάλη ουρά. Από την πλευρά της γης που είναι μέρα, το μαγνητικό πεδίο περιορίζεται εντός 10 ακτίνων γης από το κέντρο της, ενώ για την πλευρά που επικρατεί νύχτα το πεδίο απλώνεται σε εκατοντάδες ακτίνες γης, πέρα από την ακτίνα του φεγγαριού. Το όριο μεταξύ του ηλιακού ανέμου και του μαγνητικού πεδίου της γης καλείται μαγνητόπαυση και είναι συνεχώς σε κίνηση όπως και η γη που βομβαρδίζεται από τον μεταβαλλόμενο ηλιακό άνεμο. Παρόλο που η μαγνητόπαυση προστατεύει σε κάποιο βαθμό την γη από τον ηλιακό άνεμο, δεν είναι τελείως αδιαπέραστη οπότε ενέργεια, μάζα και ορμή μεταφέρονται στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας προερχόμενα από τον ηλιακό άνεμο. Η αλληλεπίδραση αυτή μεταξύ του ηλιακού ανέμου και της μαγνητόσφαιρας δημιουργεί ρεύματα στο εσωτερικό της που με την σειρά τους δημιουργούν τον «διαστημικό καιρό» και επηρεάζουν τα τεχνολογικά συστήματα και την ανθρώπινη δραστηριότητα. Για παράδειγμα, οι ζώνες ακτινοβολίας μπορεί να έχουν επιπτώσεις στις δραστηριότητες των δορυφόρων. 27

29 Εικόνα 14: Γενική εικόνα των στρωμάτων της γης ανάλογα με το υψόμετρο 1.4 Μεταβαλλόμενα μεγέθη με το ύψος Οι βασικές μετεωρολογικές παράμετροι που παρουσιάζουν μεταβολή συναρτήσει του ύψους είναι η πυκνότητα, η θερμοκρασία και η πίεση του ατμοσφαιρικού αέρα. Τα μεγέθη αυτά, μεταβάλλονται με μία συγκεκριμένη φόρμουλα το καθένα, η οποία ισχύει για όλη την έκταση της ατμόσφαιρας. Ωστόσο, η μελέτη του κάθε μοντέλου έχει μεγαλύτερη σημασία στην περιοχή της τροπόσφαιρας γιατί το σύνολο των καιρικών συνθηκών που επηρεάζουν έμμεσα ή άμεσα την ανθρώπινη ζωή και δραστηριότητα, συμβαίνουν στο στρώμα αυτό. Ως γνωστόν η ατμόσφαιρα δεν παραμένει σταθερή σε κανέναν συγκεκριμένο χρόνο ή τόπο, αλλά μεταβάλλεται συνεχώς. Έτσι δημιουργήθηκε η ανάγκη ανάπτυξης υποθετικών μοντέλων που περιγράφουν κατά προσέγγιση την πιθανή εξέλιξή της ατμόσφαιρας. Ο ατμοσφαιρικός αέρας στα περισσότερα μοντέλα θεωρείται ότι δεν περιέχει σκόνη, υγρασία και υδρατμούς και σε κατάσταση ηρεμίας ως προς την γη 28

30 ( δηλαδή είναι απαλλαγμένη από ανέμους και οποιαδήποτε άλλη διαταραχή) και για αυτό τον θεωρούμε ιδανικό αέριο Μοντέλο διεθνής πρότυπης ατμόσφαιρας (International Standard Atmosphere) Το πρώτο μοντέλο πρότυπης ατμόσφαιρας, αναπτύχθηκε το 1920 στην Ευρώπη αλλά και στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. Οι μικρές διαφορές μεταξύ των μοντέλων «συγχωνεύτηκαν» και το διεθνώς αποδεκτό μοντέλο της πρότυπης ατμόσφαιρας εισήχθη στην επιστημονική κοινότητα το Σήμερα το μοντέλο της πρότυπης ατμόσφαιρας χρησιμοποιείται κυρίως για τον θεωρητικό υπολογισμό της ετήσιας ατμόσφαιρας όλων των γεωγραφικών πλατών. Οι υπολογισμοί αυτοί γίνονται κατά προσέγγιση. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται οι τιμές μερικών σημαντικών παραμέτρων για το επίπεδο της θάλασσας, όπως έχουν οριστεί για την διεθνή ιδανική ατμόσφαιρα (ISA). Πίνακας 2: Παράμετροι της διεθνής ιδανικής ατμόσφαιρας (ISA) Παράμετρος Συμβολισμός Τιμή για ISA Ατμοσφαιρική Πίεση P hpa Πυκνότητα αέρα Θερμοκρασία αέρα Ταχύτητα ήχου Επιτάχυνση βαρύτητας 0 T 0 a0 g kg/ m ο K (15 ο C) m / sec m / sec

31 Α) Θερμοκρασία ατμοσφαιρικού αέρα Το διάγραμμα που ακολουθεί παρουσιάζει την μεταβολή της θερμοκρασίας στην ιδανική ατμόσφαιρα. Εικόνα 15: Διάγραμμα μεταβολής θερμοκρασίας με το ύψος στο ISA Η θερμοκρασία μειώνεται με σταθερό ρυθμό -6.5 ο C/km από την επιφάνεια της θάλασσας μέχρι την τροπόπαυση, η οποία στο μοντέλο αυτό θεωρείται πως βρίσκεται στα 11km. Για τον λόγο αυτό, ο ατμοσφαιρικός αέρας, ο οποίος θεωρείται ιδανικό αέριο στο μοντέλο ISA παρουσιάζει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά στην τροπόσφαιρα: z( m) T T (1) όπου Τ: θερμοκρασία αερίου σε ύψος z (Κ) To: θερμοκρασία αερίου σε ύψος θάλασσας (Κ) z: ύψος αερίου από επιφάνεια θάλασσας (m) Η θερμοκρασία θεωρείται σταθερή στους ο C ( ο K) από την τροπόπαυση μέχρι το ύψος των km. 30

32 Το μοντέλο ISA χρησιμοποιείται για να συγκρίνεται η θεωρητική τιμή της θερμοκρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα με την πραγματική τιμή του. Β) Ατμοσφαιρική πίεση Για τον υπολογισμό της ατμοσφαιρικής πίεσης σε ένα συγκεκριμένο ύψος στο μοντέλο ISA, η θερμοκρασία θεωρείται σταθερή και ο ατμοσφαιρικός αέρας συμπεριφέρεται σαν ιδανικό αέριο. Εικόνα 16: Μεταβολή της πίεσης του αέρα στο ISA Η μεταβολή της πίεσης στο ISA μπορεί να υπολογιστεί με την χρήση της υδροστατικής εξίσωσης, την καταστατική εξίσωση ιδανικών αερίων και την εξίσωση της θερμοβαθμίδας. Η υδροστατική πίεση μια στήλης αέρα δίνεται από την σχέση: dp gdz (2) όπου P: πίεση αερίου ( hpa) 3 ρ: πυκνότητα αερίου ( kg / m ) 2 g: επιτάχυνση βαρύτητας ( m / sec ) z: ύψος δοχείου (m) 31

33 Ενώ η καταστατική εξίσωση είναι η όπου P RT (3) R: ειδική σταθερά του αέρα, έχει τιμή R= Jkg K και αναφέρεται στον ξηρό αέρα. Διαιρώντας κατά μέλη τις σχέσεις (2) και (3) προκύπτει: dp p gdz RT g RT dz (4) Η σχέση μεταξύ της πίεσης σε ένα ύψος της τροπόπαυσης και το επίπεδο της θάλασσας μπορεί να υπολογιστεί από την σχέση (2), για το διάστημα από zo=0 μέχρι z: p p 9 dp p g R z z T dz z (5) Με την εκτέλεση του παραπάνω ολοκληρώματος, προκύπτει: όπου z p p (6) 0 0 p: πίεση αερίου σε ύψος (hpa) Po: πίεση αερίου σε ύψος zo=0 (hpa) To: θερμοκρασία αερίου σε ύψος θάλασσας (Κ) z: ύψος αερίου από επιφάνεια θάλασσας (m) T Για ύψη πάνω από το στρώμα της τροπόπαυσης, όπου θεωρείται ότι η θερμοκρασία παραμένει σταθερή με το ύψος, χρησιμοποιείται η σχέση (4) από την τροπόπαυση (z=11000m) μέχρι το τυχαίο ύψος z πάνω από την τροπόπαυση: p p trop dp g p R trop z z dz. Υπολογίζοντας το παραπάνω ολοκλήρωμα προκύπτει T trop 32

34 Όπου p ( z p RT z ) trop trop (7) trop e p: πίεση αερίου σε ύψος z p trop : g πίεση αέρα στο ύψος της τροπόπαυσης ( hpa) T trop z trop : : θερμοκρασία στο ύψος της τροπόπαυσης (216.5 ο K) ύψος τροπόπαυσης ( θεωρητικά ίσο με km) Γ) Πυκνότητα ατμοσφαιρικού αέρα Από την στιγμή που η πίεση και η θερμοκρασία ιδανικού αερίου θεωρούνται γνωστά για ένα συγκεκριμένο ύψος, η ιδανική πυκνότητα του αερίου είναι εύκολο να υπολογιστεί από την καταστατική εξίσωση ιδανικών αερίων. Συνεπώς από την σχέση (3) προκύπτει για την πυκνότητα του αέρα στο ISA: p. RT Συμπερασματικά, η πυκνότητα του αέρα μειώνεται με το ύψος Μοντέλο πραγματικής ατμόσφαιρας Α) Θερμοκρασία Στο μοντέλο αυτό η μεταβολή της θερμοκρασίας γίνεται με τον τρόπο που αναπτύχθηκε αναλυτικά στην παράγραφο Στο διάγραμμα που ακολουθεί απεικονίζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας με την αύξηση του ύψους στα διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας. Παρατηρείται, λοιπόν, ότι η θερμοκρασία ανάλογα με την περιοχή της ατμόσφαιρας, αυξάνεται ή μειώνεται με την αύξηση του ύψους. Συνεπώς, ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας με το ύψος είναι θετικός ή αρνητικός αντίστοιχα. 33

35 Εικόνα 17: Μεταβολή την θερμοκρασίας του αέρα στα στρώματα της ατμόσφαιρας Για την εκτίμηση του ρυθμού μεταβολής της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται ο όρος κατακόρυφη θερμοβαθμίδα και συμβολίζεται με τον γράμμα γ. Αυτή ορίζεται ως η μεταβολή της θερμοκρασίας του αέρα (θ) ανά μονάδα ύψους (z) και δίνεται από την σχέση: (8). z Όπου γ : κατακόρυφη θερμοβαθμίδα ( ο C/km) θ: θερμοκρασία αέρα ( ο C) z: ύψος αέρα (km) Το μείον στην σχέση (8) έχει φυσική σημασία και δηλώνει στην περιοχή της τροπόσφαιρας, την μείωση της θερμοκρασίας με το ύψος. Κάποιες φορές, ωστόσο στην τροπόσφαιρα εμφανίζονται θετικές τιμές στην θερμοβαθμίδα δηλαδή η θερμοκρασία αυξάνεται με την αύξηση του ύψους. Αυτό το 34

36 φαινόμενο λέγεται θερμική αναστροφή και είναι συχνό στην περιοχή της τροπόσφαιρας. Τα είδη της θερμοβαθμίδας είναι δύο: a)υπάρχει η πραγματική θερμοβαθμίδα η οποία ορίζεται ως η μεταβολή της θερμοκρασίας προς την αντίστοιχη μεταβολή του ύψους (γ) σε μία σταθερή ατμόσφαιρα σε έναν συγκεκριμένο χρόνο και τοποθεσία. Όπως έχει αναφερθεί παραπάνω, στο μοντέλο ISA η θερμοβαθμίδα ισούται με 6.5 ο C/km σε ατμόσφαιρα που δεν περιέχει υγρασία. Στο μοντέλο αυτό η θερμοβαθμίδα είναι πάντα αρνητική καθώς η θερμοκρασία μειώνεται με το ύψος, ενώ στην πραγματική ατμόσφαιρα υπάρχουν περιοχές στις οποίες η θερμοβαθμίδα είναι θετική δηλαδή υπάρχει αύξηση της θερμοκρασίας με το ύψος. Στην τροπόσφαιρα η τιμή της θερμοβαθμίδας είναι της τάξης των 6-7 ο C/km περίπου και παρουσιάζει μεγάλη μεταβλητότητα από περιοχή σε περιοχή. b) και η αδιαβατική θερμοβαθμίδα (adiabatic lapse rate) η οποία αναφέρεται στην μεταβολή της θερμοκρασίας ενός πακέτου αέρα που μετακινείται οριζόντια ή κάθετα χωρίς καμία ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον. Η αδιαβατική θερμοβαθμίδα με την σειρά της έχει δύο κατηγορίες: i) την ξηρή αδιαβατική (dry adiabatic lapse rate) η οποία ορίζεται για πακέτα αέρα που περιέχουν υγρασία, αλλά όχι για αυτά που περιέχουν συμπυκνωμένους υδρατμούς, νέφη ή υετό και ii) σε αντίθετη περίπτωση την υγρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα (moist adiabatic lapse rate). Στο κεφάλαιο αυτό ασχολούμαστε με την ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα. Θεωρείται πως ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι μια στοιχειώδη μεμονωμένη ξηρή αέρια μάζα στην οποία επιτρέπεται η διαστολή ή η συστολή, αλλά όχι η ανταλλαγή μορίων αέρα ή θερμότητας με το περιβάλλον. Η ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται από υδροστατική ισορροπία και το περιβάλλον είναι στατικό. Στην επιφάνεια της γης, η στοιχειώδης μάζα έχει τις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας με τον περιβάλλοντα αέρα. Με την κατακόρυφη ανύψωση της μάζας εισέρχεται σε περιβάλλον με μειωμένη ατμοσφαιρική πίεση. Λόγω της μείωσης της πίεσης παρατηρείται εκτόνωση των μορίων της αέριας μάζας, τα οποία καταλαμβάνουν περισσότερο όγκο. Για την εκτόνωση καταναλώνεται ένα ποσοστό της εσωτερικής κινητικής ενέργειας των μορίων της μάζας, καθώς δεν υπάρχει άλλη πηγή ενέργειας. Έτσι, λόγω της μείωσης της κινητικής ενέργειας μειώνεται η θερμοκρασία του αέρα. 35

37 Συμπερασματικά, η άνοδος μιας αέριας μάζας στην ατμόσφαιρα συνδυάζεται με ελάττωση της θερμοκρασίας λόγω εκτόνωσης, ενώ η κάθοδος μιας αέριας μάζας συνδυάζεται με αύξηση της θερμοκρασίας λόγω συμπίεσης. Οι μεταβολές αυτές στην θερμική κατάσταση μιας κινούμενης αέριας μάζας λέγεται αδιαβατική μεταβολή καθώς δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον. Καθώς ο αέρας ανέρχεται σε ανώτερα ύψη ψύχεται και μειώνεται ταυτόχρονα η δυνατότητα του να συγκρατεί υδρατμούς και συμπυκνώνει ευκολότερα την περιορισμένη ποσότητα των υδρατμών του. Συνεπώς, κατά την άνοδο των αέριων μαζών ευνοείται η δημιουργία νεφών, ενώ η κάθοδος συνδυάζεται με θέρμανση και αυξημένη δυνατότητα συγκράτησης υδρατμών και νεφοδιάλυσης. Ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας με το ύψος σε μια αδιαβατική μεταβολή ορίζεται ως ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα. Για την αδιαβατική μεταβολή ισχύει η σχέση: Όπου V: όγκος αέρα ( PdV VdP / (9) 3 m ) γ : καθαρός αριθμός μεγαλύτερος της μονάδας Από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής ισχύει: dt VdP / 0 (10) mcv Όπου m: μάζα αέρα (kg) c : ειδική θερμότητα υπό σταθερό όγκο (717 v ξηρό αέρα) 1 1 J deg kg για τον Επιπλέον ισχύει a V / m και c / p c συνεπώς η σχέση (10) γίνεται v Όπου c dt dp 0 p α: πυκνότητα αέρα c : ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση (1004 p 1 1 J deg kg για τον ξηρό αέρα) 36

38 Από την σχέση (2) που είναι η υδροστατική εξίσωση, η παραπάνω σχέση δίνει τελικά την ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα, η οποία ισούται με: dt g o 9.8 C / km (11). d dz c p Β) Ατμοσφαιρική Πίεση Η μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης με το ύψος φαίνεται στο διάγραμμα: Εικόνα 18: Μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης συναρτήσει του ύψους Συνδυάζοντας την υδροστατική πίεση (σχέση (2)) και την καταστατική εξίσωση (σχέση (3)), καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα (5). Υπολογίζοντας το ολοκλήρωμα από z 0 (επιφάνεια της θάλασσας) ως 0 z )προκύπτει η σχέση για 1 z z 1 z 0 : Pz P exp( gz / RT ) (12). 0 Η εκθετική μορφή της παραπάνω σχέσης δείχνει ότι ο ρυθμός ελάττωσης της πίεσης με το ύψος είναι σημαντικός. 37

39 Γ) Πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα Η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα ορίζεται ως το πηλίκο της μάζας του ατμοσφαιρικού αέρα προς τον αντίστοιχο όγκο. Η μεταβολή της πυκνότητας του ατμοσφαιρικού αέρα με το ύψος φαίνεται στο διάγραμμα που ακολουθεί: Εικόνα 19: Μεταβολή της πίεσης και της πυκνότητας του αέρα με το ύψος Με ανάλογο τρόπο με τον υπολογισμό της πίεσης, υπολογίζεται ότι για την πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα στην ατμόσφαιρα ισχύει η σχέση: exp( gz / RT ) (13). z 0 Παρατηρείται πως η πυκνότητα μειώνεται εκθετικά με την αύξηση του ύψους, όπως αντίστοιχα συμβαίνει και στην πίεση του αέρα της ατμόσφαιρας. 38

40 2. Μέθοδος μέτρησης μετεωρολογικών μεγεθών καθ ύψος 2.1 Ιστορική αναδρομή Ήδη από το δεύτερο μισό του 19 ου αιώνα είχαν αναπτυχθεί από τους μετεωρολόγους της εποχής μέθοδοι που μετρούσαν διάφορες ατμοσφαιρικές παραμέτρους με την αύξηση του ύψους. Λόγω της ανάγκης που υπήρχε από κείνη την εποχή για προσδιορισμό μεγεθών όπως θερμοκρασία, πίεση κτλ ανακαλύφθηκαν διατάξεις που εξυπηρετούσαν τον σκοπό αυτό. Οι πρώτες πτήσεις των οργάνων για τον προσδιορισμό μεγεθών που μεταβάλλονταν με το ύψος, πραγματοποιήθηκαν με την χρήση χαρταετού και ενός μετεογράφου, μιας συσκευής που κατέγραφε την πίεση και την θερμοκρασία μετά την πραγματοποίηση του πειράματος. Η μέθοδος αυτή αντιμετώπιζε δυσκολίες επειδή οι χαρταετοί ήταν συνδεμένοι στο έδαφος και οι ελιγμοί τους σε περίπτωση θύελλας ήταν πολύ δύσκολο να γίνουν. Επιπλέον, λόγω της σύνδεσης με το έδαφος ο χαρταετός έφτανε σε χαμηλά ύψη. Εικόνα 20& 21: Πρώιμη μορφή ραδιοβόλισης. Χαρταετός με μετεογράφο 39

41 Στην συνέχεια, το 1892 πραγματοποιήθηκε η πρώτη πτήση μετεωγράφου με μπαλόνι από τον Gustave Hermite και τον George Besancon, από την Γαλλία. Μόλις το 1898 ο Leon Teisserenc de Dort οργάνωσε στον μετεωρολογικό σταθμό του Trappes την πρώτη τακτική καθημερινή χρήση των μπαλονιών. Τα δεδομένα από αυτές τις εκτοξεύσεις έδειξαν ότι η θερμοκρασία ελαττώνεται με το ύψος μέχρι ένα συγκεκριμένο ύψος, που ποικίλει ανάλογα με την εποχή και στην συνέχεια σταθεροποιείται μετά από το ύψος αυτό. Ουσιαστικά, ο de Βort ανακάλυψε την τροπόπαυση και την στρατόσφαιρα, γεγονός που δημοσιεύτηκε το 1902 στην Γαλλική ακαδημία επιστημών. Υπήρχαν και άλλοι ερευνητές που την ίδια χρονική περίοδο ασχολούνταν με παρόμοιες διατάξεις όπως πχ ο William Henry Dines. Η πρώτη μέτρηση που έστειλε ακριβή κωδικοποιημένα δεδομένα από απόσταση από τους αισθητήρες καιρού εφευρέθηκε από τον Robert Bureau στην Γαλλία. Ο ίδιος ο Bureau επινόησε το όνομα «ραδιοβόλιση» και η πρώτη πτήση πραγματοποιήθηκε στις 7 Ιανουαρίου του Ανεξάρτητα από την διάταξη του Bureau, ένα χρόνο μετά ο Pavel Molchanov πραγματοποίησε μια ραδιοβόλιση στις 30 Ιανουαρίου του Ο σχεδιασμός του Molchanov αποτέλεσε δημοφιλές πρότυπο λόγω της απλότητας του και επειδή είχε αισθητήρα-μετατροπέα που διάβαζε τον κώδικα Mors, οπότε η χρήση του ήταν εύκολη χωρίς ειδική εκπαίδευση ή εξοπλισμό. Εικόνα 22: Radiosonde Museum of North America. Robert Bureau, πρώτη ραδιοβόλιση

42 Εικόνα 23&24: Πρώιμο μοντέλο ραδιοβόλισης, συνδεμένο με ένα μπαλόνι (Circa 1930 και 1936 αντίστοιχα) 2.2 Η μέθοδος της ραδιοβόλισης σήμερα Η ραδιοβόλιση σήμερα αποτελεί σε παγκόσμιο επίπεδο μια διαδεδομένη μέθοδο για: i) την μέτρηση ατμοσφαιρικών μεγεθών που μεταβάλλονται με το ύψος με καλή ακρίβεια και ii) για την πρόγνωση του καιρού. Η σημασία της μεθόδου είναι αξιόλογη καθώς οι μετεωρολόγοι ενημερώνονται για δεδομένα που δεν θα ήταν προσιτά διαφορετικά. Σήμερα η μορφή της ραδιοβόλισης έχει εξελιχθεί σε ένα καινούριο μοντέλο. Ραδιοβολίδα, λοιπόν, είναι μια συσκευή που μετρά διάφορες ατμοσφαιρικές παραμέτρους και τις αποστέλλει σε ένα σταθερό δέκτη. Η διάταξη αυτή αποτελείται από ευαίσθητα όργανα (βαρόμετρο, υγρόμετρο, θερμόμετρο) και έναν πομπό. Επιπλέον περιέχει συστήματα για τον εντοπισμό της διεύθυνσης και της ταχύτητας του ανέμου, όπως GPS. Τα όργανα είναι συνδεμένα με τον πομπό, έτσι, καθώς η ραδιοβολίδα διασχίζει τα διάφορα ατμοσφαιρικά στρώματα οι μεταβολές μετεωρολογικών μεγεθών προκαλούν αλλαγή στην συχνότητα εκπομπής του πομπού, τα εκπεμπόμενα σήματα του οποίου μεταδίδονται σε δέκτη που βρίσκεται στο έδαφος. Ο πομπός θα 41

43 πρέπει να έχει την δυνατότητα να στέλνει σήματα σε απόσταση τουλάχιστον 100 μιλίων σε ακτίνα επί του εδάφους καθώς υπάρχει πιθανότητα οι άνεμοι να μεταφέρουν την ραδιοβολίδα μακριά από το σταθμό εκτόξευσης. Ο πομπός αυτός που δέχεται τα σήματα είναι συνήθως ηλεκτρονικός υπολογιστής που αποθηκεύει όλα τα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο. Εικόνα 25: Μπαλόνι ραδιοβόλισης και ηλεκτρονικός υπολογιστής- δέκτης σήματος Για να μπορέσει η ραδιοβολίδα να διασχίσει τα στρώματα της ατμόσφαιρας προσδένεται σε ένα μεγάλο ελαστικό ή λάτεξ μπαλόνι (weather balloon), που γεμίζεται είτε με ήλιο είτε με υδρογόνο και το οποίο την ανεβάζει δια μέσου της ατμόσφαιρας. Το μέγιστο ύψος στο οποίο φθάνει το μπαλόνι εξαρτάται από την διάμετρο και το πάχος του. Το μέγεθος του μπαλονιού κυμαίνεται από 100 ως 3000g. Καθώς το μπαλόνι ανεβαίνει στην ατμόσφαιρα, η πίεση μειώνεται προκαλώντας την εκτόνωση του. Έτσι, το μπαλόνι θα εκραγεί σε αυτό το ύψος λόγω της πολύ μικρής ατμοσφαιρικής πίεσης που επικρατεί και θα τερματιστεί η ανάβαση του. Μετά την έκρηξη ένα μικρό αλεξίπτωτο από την γραμμή υποστήριξης της ραδιοβόλισης τοι μεταφέρει στην γη. Μια τυπική πτήση ραδιοβόλισης με μπαλόνι διαρκεί από 60 ως 90 λεπτά. 42

44 Εικόνα 26: Μπαλόνι ραδιοβόλισης με δέκτη μετά την εκτόξευση Εικόνα 27: Ραδιοβολίδα: Όργανο που ειναι συνδεμένο με τον δέκτη του μπαλονιού για την ραδιοβόλιση Οι παράμετροι που μετρούνται από με την μέθοδο της ραδιοβόλισης είναι: Ατμοσφαιρική Πίεση Ύψος Θερμοκρασία Σχετική Υγρασία 43

45 Ταχύτητα και Διεύθυνση Ανέμου Η μέθοδος της ραδιοβόλισης χρησιμοποιείται ευρέως σε παγκόσμιο επίπεδο. Κάθε τοποθεσία πραγματοποιεί δύο εκτοξεύσεις σε καθημερινή βάση ανά δώδεκα ώρες. Οι εκτοξεύσεις πραγματοποιούνται πάντα την ίδια ώρα σε όλους τους τόπους, το μεσημέρι και τα μεσάνυχτα (0000UTC και 1200UTC.). Το γεγονός αυτό δεν είναι τυχαίο αλλά εξυπηρετεί έναν σκοπό, καθώς με την ταυτόχρονη εκτόξευση σε όλους τους μετεωρολογικούς σταθμούς οι ερευνητές αποκτούν μια στιγμιαία εικόνα της ατμόσφαιρας. Έτσι είναι πιο χρήσιμα τα δεδομένα και υπάρχει δυνατότητα πιο έγκυρης πρόγνωσης καιρού. Στην Ελλάδα πραγματοποιούνται εκτοξεύσεις από τρεις σταθμούς: Αεροδρόμιο Ελληνικού- Μίκρα Θεσσαλονίκης- Ηράκλειο Κρήτης. Η ραδιοβόλιση παρουσιάζει κάποια μειονεκτήματα αλλά και πλεονεκτήματα κατά την πραγματοποίησή της. Ξεκινώντας με τα πλεονεκτήματα: Οι ερευνητές δεν είναι υποχρεωμένοι να ανακτήσουν την συσκευή, για την απόκτηση των δεδομένων σχετικά με τον καιρικές συνθήκες που καταγράφηκαν από την ραδιοβόλιση Το κόστος για την απόκτηση και την συντήρηση της συσκευής είναι χαμηλό Υπάρχει δυνατότητα μέτρησης online, οπότε η συνεργασία μεταξύ των ερευνητών για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων καθιστάται πιο εύκολη Δεν χρειάζονται καύσιμα για την εκτόξευση του μπαλονιού, γεγονός που συμβάλει στο χαμηλό κόστος της μεθόδου. Όσων αφορά τα μειονεκτήματα της ραδιοβόλισης παρατηρούνται κυρίως κατά την μέτρηση της υγρασίας: Στα πολύ μεγάλα ύψη της ατμόσφαιρας οι μετρήσεις της υγρασίας δεν είναι αρκετά ακριβείς Συχνά παρατηρείται πως οι συσκευές για τον καθορισμό της διεύθυνσης και της ταχύτητας του ανέμου, δεν εντοπίζουν ανέμους σε σημαντικά στρώματα της ατμόσφαιρας 44

46 2.3 Δεδομένα ραδιοβόλισης και διαδίκτυο Όπως έχει ήδη αναφερθεί σε προηγούμενη παράγραφο, ένα σημαντικό πλεονέκτημα της ραδιοβόλισης είναι η αξιοποίηση των δεδομένων που καταγράφονται με την μέθοδο στο διαδίκτυο. Το πανεπιστήμιο του Wyoming (Γουαϊόμινγκ), στις δυτικές Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής προσφέρει ελεύθερα καθημερινά στο διαδίκτυο την προγνωστική ραδιοβόλιση σε συνεργασία με το αμερικάνικο μοντέλο καιρού «Global Forecast System Gfs». Η σελίδα του πανεπιστημίου στο διαδίκτυο σχετικά με τις ραδιοβολίσεις είναι η: και πιο συγκεκριμένα τα δεδομένα λαμβάνονται από την σελίδα: Το Πανεπιστήμιο του Wyoming (UW) ιδρύθηκε το 1886, πριν ακόμη η περιοχή αναγνωριστεί σαν την 44 η πολιτεία. Τον Σεπτέμβριο του 1887 το UW άνοιξε τις πόρτες του σε 42 φοιτητές και πέντε καθηγητικά μέλη όπου συμμετείχαν γυναίκες από την πρώτη ημέρα. Χτισμένο στις παρυφές της πόλης Laramie, το παλιό κεντρικό ήταν το πρώτο κτίριο UW και περιλάμβανε τάξεις, τη βιβλιοθήκη και γραφεία των διοικητικών υπηρεσιών κατά τα πρώτα χρόνια της ύπαρξης του πανεπιστημίου. Στο πρώτο πανεπιστήμιο πρόεδρος ήταν ο John Wesley Hoyt ο οποίος καθιέρωσε ένα πρόγραμμα σπουδών που επικεντρωνόταν στις τέχνες και τις ανθρωπιστικές επιστήμες και δημιούργησε ένα μεταπτυχιακό και κανονικό σχολείο. Επιπλέον, το πανεπιστήμιο δίδαξε μαθήματα στον τομέα της γεωργίας, της μηχανικής και στρατιωτική τακτική.το UW έκτοτε έχει εξελιχθεί σε ένα σημαντικό διδακτικό και ερευνητικό πανεπιστήμιο με περίπου φοιτητές και πάνω από 700 μέλη ΔΕΠ. Κατά την διάρκεια της ύπαρξής του,το UW ήταν το μόνο τετραετές πανεπιστήμιο στην πολιτεία του Wyoming, αν και έχει διατηρήσει μια στενή σχέση με τα κοινοτικά κολέγια του κράτους. Προγράμματα όπως ο στίβος, η γεωργική επέκταση, πολιτειακές και ομοσπονδιακές συνεργασίες-και πιο πρόσφατες πρωτοβουλίες, όπως η Σχολή των ενεργειακών πόρων έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στις ζωές πολλών κατοίκων Wyoming και των κοινοτήτων για σχεδόν 125 χρόνια. Στην σύγχρονη εποχή, το UW παρέχει σε καθημερινή βάση από το κολλέγιο μηχανολογίας- τμήμα ατμοσφαιρικής επιστήμης τα δεδομένα ραδιοβόλισης που δίνουν στοιχεία για τις συνθήκες που επικρατούν σε μία περιοχή. Οι προγνωστικές ραδιοβολίσεις ανανεώνονται καθημερινά ανά 6 ώρες (

47 για το χειμώνα) και ( ) για το καλοκαίρι, με βάση ώρα Ελλάδας. Έτσι παρέχεται ακόμη και η δυνατότητα πρόγνωσης του καιρού για συνθήκες που πρόκειται να επικρατήσουν σε μια περιοχή Δεδομένα ραδιοβόλισης Τα δεδομένα που λαμβάνονται με την ραδιοβόλιση είναι: Ατμοσφαιρική πίεση καθ ύψος (PRES) (Hectopascal hpa) Γεωδυναμικό ύψος (HGHT) (m) Θερμοκρασία καθ ύψος (TEMP) ( ο C) Σημείο Δρόσου (DWPT) ( ο C) Σχετική υγρασία (RELH) (%) Αναλογία μίγματος (MIXR) (g/kg) Κατεύθυνση ανέμου (DRCT) (deg) Ταχύτητα ανέμου (SKNT) (knot) Δυνητική θερμοκρασία (THTA) ( ο K) Ισοδύναμη δυνητική θερμοκρασία (THTE) ( ο K) Θεωρητική θερμοκρασία (THTV) ( ο K) 46

48 Η σελίδα από το πανεπιστήμιο UW ( ) παρέχει τα δεδομένα με την παρακάτω μορφή : Εικόνα 28: Σελίδα στο διαδίκτυο που παρουσιάζει δεδομένα ραδιοβόλισης Γεωδυναμικό ύψος ορίζεται ως η υψομετρική διαφορά ενός σημείου από το ύψος της θάλασσας. Σημείο δρόσου είναι η θερμοκρασία που πρέπει να ψυχθεί ο αέρας υπό σταθερή πίεση ώστε να φτάσει σε κατάσταση κορεσμού δηλαδή να περιέχει την μέγιστη ποσότητα υδρατμών. Σχετική υγρασία είναι ο λόγος της ποσότητας των υδρατμών που περιέχει ο αέρας προς την ποσότητα των υδρατμών που θα μπορούσε να έχει σε αυτές τις συνθήκες μέχρι να κορεστεί. Αναλογία μίγματος ορίζεται ως το πηλίκο της μάζας των υδρατμών του αέρα προς την μάζα του ξηρού αέρα. Δυνητική θερμοκρασία είναι η θερμοκρασία που θα είχε κατά την αδιαβατική εκτόνωση ή συμπίεση από συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας σε πίεση 1000 hpa. Από τις παραπάνω έντεκα μεταβλητές που εμφανίζονται στον πίνακα, μόνο η πίεση, το ύψος, η θερμοκρασία και το σημείο δρόσου είναι «πραγματικά» δείγματα. Η σχετική υγρασία, η αναλογία μίγματος, και οι τρεις θερμοκρασιακοί δείκτες (δυνητική θερμοκρασία, ισοδύναμη δυνητική θερμοκρασία, θεωρητική δυνητική θερμοκρασία) προέρχονται από τις μεταβλητές του δείγματος. Η κατεύθυνση και η 47

49 ταχύτητα του ανέμου αποτελούν δείγματα επίσης, ωστόσο δεν είναι σχετικά με τον σκοπό της συγκεκριμένης εργασίας. Με την επεξεργασία των παραπάνω δεδομένων για τις μετεωρολογικές παραμέτρους που μεταβάλλονται με το ύψος, οι ερευνητές έχουν την δυνατότητα: Προσδιορισμού της σχετικής υγρασίας σε οποιοδήποτε επίπεδο πιέσεως Πρόγνωσης της βάσης και των κορυφών της συναγωγής σύννεφου Πρόγνωσης της σοβαρότητας της καταιγίδας Πρόγνωσης του είδους των βροχοπτώσεων που είναι πιθανό να πέσουν Απόφανσης σχετικά με τη ευστάθεια ή η αστάθεια της ατμόσφαιρας σε διαφορετικά επίπεδα πίεσης Απεικόνιση δεδομένων ραδιοβόλισης σε διαγράμμα Τα δεδομένα τα οποία συλλέγονται από την ραδιοβόλιση παρουσιάζονται σε διαγράμματα που ακολουθούν συγκεκριμένες μεθόδους. Την σύγχρονη εποχή τα διαγράμματα στα οποία παρουσιάζονται οι μετεωρολογικοί παράμετροι ονομάζονται Skew- T Log- P. Εικόνα 29: Διάγραμμα με τα δεδομένα που προκύπτουν από ραδιοβόλιση 48

50 Στο διάγραμμα ο λογαριθμικός άξονας στα αριστερά δείχνει την ατμοσφαιρική πίεση η οποία μετριέται σε millibars. Τα επίπεδα της πίεσης μπορούν να συσχετιστούν προσεγγιστικά με το ύψος από την επιφάνεια της θάλασσας. Η ακριβής σχέση που προσδιορίζει την τιμή της πίεσης μεταβάλλεται με τον χρόνο. Οι αριθμοί που βρίσκονται στο τέλος του διαγράμματος αντιπροσωπεύουν την τιμή της θερμοκρασίας. Οι συνεχείς γραμμές της θερμοκρασίας (ισόθερμη μεταβολή) είναι σκοτεινές γραμμές που «τρέχουν» σε μία γωνία 45 ο από την κάτω αριστερή προς την πάνω μεριά του διαγράμματος. Μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας είναι οι βαθμοί Κελσίου ( ο C). Στο συγκεκριμένο διάγραμμα, απεικονίζονται δυο γραμμές δεδομένων το σημείο δρόσου και η θερμοκρασία. Το σημείο δρόσου βρίσκεται πάντα στα αριστερά από την ευθεία της θερμοκρασίας. Συχνά, οι ευθείες του σημείου δρόσου και της θερμοκρασίας είναι χρωματισμένα με διαφορετικό τρόπο, χωρίς όμως ο χρωματισμός να ακολουθεί συγκεκριμένο κανόνα. Οι ευθείες που περιγράφονται μέχρι τώρα είναι αυτές που απαιτούνται για την εμφάνιση των δεδομένων του δείγματος. Για την οπτική παραγωγή και ερμηνεία, οι ακόλουθες πρόσθετες ευθείες περιλαμβάνονται στο διάγραμμα. Οι μωβ γραμμές είναι γραμμές αναλογίας μίγματος. Αυτές οι γραμμές χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας σε υγρασία και της σχετικής υγρασίας σε ένα δεδομένο επίπεδο. Οι μονάδες για αναλογία μίγματος είναι γραμμαρία υδρατμών ανά χιλιόγραμμο ξηρού αέρα. Ακολουθώντας τις γραμμές αναλογίας μίγματος στο τέλος του διαγράμματος, φαίνεται ο δείκτης πάνω στις γραμμές αυτές με μωβ χρώμα. Οι πράσινες γραμμές είναι οι γραμμές της ξηρής αδιαβατικής μεταβολής. Η θερμοκρασία ενός πακέτου ακόρεστου αέρα που κινείται ανοδικά θα εντοπίσει μια γραμμή παράλληλα με αυτές τις ξηρές αδιαβατικές καθώς αυξάνεται το υψόμετρο. Οι μπλε γραμμές είναι οι γραμμές της υγρής αδιαβατικής μεταβολής. Η θερμοκρασία ενός πακέτου κορεσμένου αέρα που κινείται ανοδικά 49

51 θα εντοπίσει μια γραμμή παράλληλα με αυτές τις υγρές αδιαβατικές καθώς αυξάνεται το υψόμετρο. Για την πλήρη κατανόηση της περιγραφής του συγκεκριμένου διαγράμματος ακολουθούν μερικά παραδείγματα στα οποία αντλούμε τις απαραίτητες πληροφορίες από την απεικόνιση των δεδομένων. i) Αναλογία μίγματος στα 700mb: Για τον προσδιορισμό της αναλογίας μίγματος σε επίπεδο πίεσης 700mb, πρώτα πρέπει να βρεθεί το σημείο τομής της ευθείας 700mb και της ευθείας του σημείου δρόσου (η ευθεία δεδομένων που βρίσκεται στα αριστερά). Για να προσδιοριστεί η αναλογία μίγματος καταλήγουμε στο σημείο τομής της ευθείας της πίεσης με την κοντινότερη ευθεία ανάμιξης μίγματος. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, η τομή σ βρίσκεται στην 1.0g / kg ανάμιξης γραμμή αναλογία, και ο υπολογισμός της αναλογίας μίγματος γίνεται άμεσα. ii) Σχετική υγρασία στα 700mb: Για να προσδιοριστεί η σχετική υγρασία σε επίπεδο πίεσης 700mb, πρέπει αρχικά να βρεθεί η αναλογία μίγματος (όπως στο Παράδειγμα 1), και επίσης η αναλογία μίγματος στον κορεσμό. Η αναλογία μίγματος κορεσμού καθορίζεται παρόμοια με την αναλογία μίγματος, αλλά αντί να χρησιμοποιηθεί η τομή της ευθείας 700mb και της ευθείας του σημείου δρόσου, χρησιμοποιείται το σημείο τομής της ευθείας 700mb και της ευθείας της θερμοκρασίας. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, η αναλογία μίγματος κορεσμού στο επίπεδο 700mb είναι περίπου 2.5g / kg (με παρεμβολή). Το ποσοστό της αναλογίας μίγματος και της αναλογίας μίγματος κορεσμού είναι η σχετική υγρασία: 1,0 / 2,5 = 0,40 = 40%. iii) Ισοδύναμη Θερμοκρασία σε 700mb: Για τον υπολογισμό της ισοδύναμης αδιαβατικής θερμοκρασίας (δηλαδή από τα δεδομένα του Πανεπιστημίου του Wyoming την ισοδύναμη δυνητική θερμοκρασία) είναι αρκετά περίπλοκη, αλλά απεικονίζει το σκοπό των ευθειών της αδιαβατικής μεταβολής. Αρχικά, πρέπει να βρεθεί το σημείο τομής της ευθείας του σημείου δρόσου και της ευθείας 50

52 700mb και από εκείνο το σημείο, ακολουθείται μια ευθεία ξηρής αδιαβατικής προς τα πάνω κατά μήκος μιας ευθείας αναλογία μίγματος. Επιπλέον, από αυτήν την νέα τομή, ακολουθείται μια υγρή αδιαβατική προς τα πάνω μέχρι να τέμνει την 0g/kg ευθεία ανάμιξης μίγματος. Από αυτό το σημείο τομής, ακολουθείται μια ευθεία ξηρής αδιαβατικής προς τα κάτω στο αρχικό επίπεδο πίεσης 700mb. Η τιμή της ισοθερμης σε αυτό το τελικό σημείο τομής είναι το η ισοδύναμη δυνητική θερμοκρασία. 51

53 52

54 ΜΕΡΟΣ Β: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3. Περιγραφή της πτυχιακής εργασίας 3.1 Εισαγωγή Στην παρούσα πτυχιακή εργασία στόχος είναι η μελέτη δυο βασικών μετεωρολογικών μεγεθών: του ορίου της τροπόσφαιρας και της θερμοβαθμίδας για δύο διαφορετικές πόλεις. Η πρώτη πόλη ανήκει στο βόρειο ημισφαίριο (Harnosand, Σουηδία), ενώ η δεύτερη στο νότιο (Trapani, Ιταλία). Η επιλογή αυτή δεν είναι τυχαία καθώς γίνεται προσπάθεια να αποδειχθεί από ποιους παράγοντες εξαρτώνται τα συγκεκριμένα μεγέθη. Από την σελίδα υπάρχει η δυνατότητα επιλογής συγκεκριμένου σταθμού από όλο τον κόσμο, για αναζήτηση δεδομένων ραδιοβόλισης συγκεκριμένου έτους ακόμη και συγκεκριμένου μήνα και μέρας του χρόνου. Υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα από το Οι ραδιοβολίσεις πραγματοποιούνται δυο φορές κατά την διάρκεια της μέρας (στις 0000UT 1200UT), ενώ η σελίδα ανανεώνεται κάθε έξι ώρες ώρες ( για το χειμώνα) και ( ) για το καλοκαίρι, με βάση ώρα Ελλάδας.. Έτσι, για την μελέτη αυτή είναι απαραίτητα τα δεδομένα ραδιοβόλισης τα οποία συλλέγονται για τους δύο σταθμούς από το διαδίκτυο και συγκεκριμένα την σελίδα του πανεπιστημίου Wyoming. Η μελέτη πραγματοποιείται για διάρκεια ενός έτους (2013) και για τους δύο σταθμούς. Για τους υπολογισμούς χρησιμοποιούνται οι ανεξάρτητες μεταβλητές που είναι το ύψος της ατμόσφαιρας, η πίεση και η θερμοκρασία του εδάφους καθώς επίσης και η σχετική υγρασία που εξαρτάται από τις προαναφερθείσες μεταβλητές. Τα παραπάνω μεγέθη αποτελούν συγκεκριμένες στήλες στους πίνακες δεδομένων του πανεπιστημίου WU και η επεξεργασία τους για τον υπολογισμό της θερμοβαθμίδας και του ορίου της τροπόσφαιρας έγινε με την χρήση του λογισμικού matlab. 53

55 3.2 Επιλογή και περιγραφή μετεωρολογικών σταθμών Η επιλογή των μετεωρολογικών σταθμών εξυπηρετεί κάποιον σκοπό για την συγκεκριμένη εργασία καθώς μελετάται η σχέση της θερμοβαθμίδας και του ορίου τροπόσφαιρας για δυο περιοχές που βρίσκονται σε διαφορετικό ημισφαίριο. Η πόλη του νοτίου ημισφαιρίου που επιλέχτηκε είναι η Trapani της Ιταλίας με γεωγραφικό πλάτος φ=38 01 N E και του βορείου ημισφαιρίου είναι η Harnosand της Σουηδίας με γεωγραφικό πλάτος φ= N E. Εικόνα 30: Τοποθεσία πόλεων των δυο μετεωρολογικών σταθμών Α) Περιοχή νοτίου ημισφαιρίου: Πόλη Trapani, Ιταλία Η πόλη του Trapani βρίσκεται στην δυτική ακτή της Σικελίας, στην Ιταλία. Πιο συγκεκριμένα, τοποθετείται σε ένα ακρωτήρι χαμηλού υψομέτρου που προεξέχει στην Μεσόγειο Θάλασσα και απλώνεται από την άλλη μεριά μέχρι τους πρόποδες του βουνού Monte san Guiliano. Η έκτασή της είναι 271 τ.χλμ. και ο πληθυσμός της ανέρχεται στους κατοίκους σύμφωνα με την απογραφή που έγινε το Είναι πρωτεύουσα της επαρχίας Trapani και αποτελεί σημαντικό αλιευτικό λιμάνι αλλά και η κύρια πύλη προς τα κοντινά νησιά Egadi. Ένα μεγάλο μέρος της οικονομίας του Trapani εξακολουθεί να εξαρτάται από τη θάλασσα. Η αλιεία και η κονσερβοποίηση είναι οι κύριες τοπικές βιομηχανίες, με τους αλιείς που χρησιμοποιούν την τεχνική «mattanza» την αλίευση τόνου. Τα 54

56 κοράλλια είναι επίσης ένα σημαντικό προϊόν εξαγωγής, μαζί με το αλάτι, το μάρμαρο, και το κρασί Marsala. Η κοντινή παραλία είναι επενδεδυμένη με πολλές αλυκές. Η πόλη είναι επίσης ένα σημαντικό λιμάνι, με συνδέσεις προς τα νησιά Egadi, Παντελερία, τη Σαρδηνία και την Τυνησία. Επίσης, έχει δικό της αεροδρόμιο, το Αεροδρόμιο Trapani-Birgi. Το κλίμα του Trapani έχει ταξινομηθεί ως ζεστό και εύκρατο. Παρατηρούνται περισσότερες βροχές τον χειμώνα από ότι το καλοκαίρι. Η θερμοκρασία στην περιοχή έχει μέσο όρο 18 ο C και κάθε χρόνο πέφτουν περίπου 493 χιλιοστά υετού. Σε γενικές γραμμές το κλίμα χαρακτηρίζεται ως μεσογειακό καθώς συναντάμε κλιματολογικές συνθήκες περιοχής των ακτών της Μεσογείου θάλασσας. Για αυτό τον λόγο, τα καλοκαίρια είναι ζεστά και ξηρά ενώ οι χειμώνες είναι κρύοι και υγροί. Πιο συγκεκριμένα κατά μέσο όρο παρατηρείται: οι θερμότεροι μήνες είναι ο Ιούλιος και ο Αύγουστος η ξηρή περίοδος είναι κατά τους μήνες: Μάιο, Ιούνιο, Ιούλιο, Αύγουστο ο πιο ξηρός μήνας είναι ο Ιούλιος ο μήνας με την περισσότερη υγρασία είναι ο Νοέμβριος ο πιο ψυχρός μήνας είναι ο Ιανουάριος Εικόνα 31: Εικόνα της πόλης Trapani της Ιταλίας 55

57 Β) Περιοχή βορίου ημισφαιρίου: Πόλη Harnosand, Σουηδία Η περιοχή Harnosand είναι ένας δήμος στο Västernorrland County, που τοποθετείται στην βόρεια Σουηδία. Η έκταση της είναι τ.χλμ. και ο πληθυσμός της ανέρχεται στους κατοίκους σύμφωνα με την απογραφή που πραγματοποιήθηκε το Πρόκειται για μια αρκετά μικρή πόλη η οποία είναι γνωστή λόγω της τοποθεσίας της καθώς αποτελεί από τα αρχαία χρόνια ένα σημαντικό λιμάνι για την περιοχή. Το κέντρο νεότητας που υπάρχει στην πόλη δίνει την δυνατότητα στους νέους να ασχοληθούν με δραστηριότητες κατά της διάρκεια του καλοκαιριού ή του χειμώνα όπως παραδείγματος χάριν με κολύμπι, ορειβασία, καγιάκ, πεζοπορία, πατινάζ, σκι κτλ. Ένας από τους κυριότερους εργοδότες στην περιοχή είναι μια εταιρία καλωδιακής τηλεόρασης και μια υπηρεσία παροχής ίντερνετ, οπότε αποτελεί περιοχή που προσελκύει νέους που ασχολούνται με την τεχνολογία. Όσων αφορά το κλίμα, το Harnosand βρίσκεται στο βορειότερο περιθώριο της ζώνης του υγρού ηπειρωτικού κλίματος. Η θαλάσσια επιρροή στις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής είναι αξιοσημείωτη και προκαλεί ήπια ως ζεστά καλοκαίρια και κρύους αλλά σχετικά ήπιους χειμώνες σε σχέση με τις περιοχές που βρίσκονται βορειότερα. Ακόμη και κατά την διάρκεια του ξηρότερου μήνα οι βροχοπτώσεις είναι έντονες κατά την διάρκεια του έτους και η μέση θερμοκρασία είναι 3.8 ο C. Στην περιοχή Kvarken και βορειότερα, η περιεκτικότητα του νερού σε αλάτι είναι μικρότερη οπότε παγώνει ευκολότερα, δημιουργώντας ψυχρότερους χειμώνες. Κατά μέσο όρο υπολογίζεται πως: ο θερμότερος μήνας είναι ο Αύγουστος ο πιο ξηρός μήνας είναι ο Μάρτιος ο μήνας με την περισσότερη υγρασία είναι ο Ιούλιος ο πιο ψυχρός μήνας είναι ο Ιανουάριος ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 56

58 Εικόνα 32: Εικόνα της πόλης Harnosand της Σουηδίας 3.3 Ποιες μεταβλητές υπολογίζονται και με ποιον τρόπο Όπως έχει ήδη αναφερθεί σκοπός της εργασίας είναι ο υπολογισμός του ορίου της τροπόσφαιρας και η τιμή της θερμοβαθμίδας στις δυο πόλεις που έχουν επιλεγεί. Όριο της τροπόσφαιρας ορίζεται ως το σημείο εκείνο που γίνεται η μετάβαση από το ατμοσφαιρικό στρώμα της τροπόπαυσης στο υπερκείμενο στρώμα, την στρατόσφαιρα. Ο καθορισμός της τροπόσφαιρας και η γνώση του συγκεκριμένου σημείου εμφανίζει ενδιαφέρον για την Κλιματολογία- Μετεωρολογία, καθώς το σύνολο σχεδόν των καιρικών φαινομένων διαδραματίζονται σε αυτήν την περιοχή της ατμόσφαιρας. Η θερμοβαθμίδα ορίζεται ως ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα ως προς το ύψος. Συνεπώς, μπορεί να υπολογιστεί από το πηλίκο της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ δύο σημείων προς την απόσταση των z z 2 1 σημείων αυτών δηλαδή (14). z 2 1 i) Για τον υπολογισμό του ορίου της τροπόσφαιρας: Χρησιμοποιώντας την σχέση (14) για τον υπολογισμό της θερμοβαθμίδας, προέκυπταν μερικά αποτελέσματα τα οποία δεν ανταποκρίνονταν στην πραγματικότητα, καθώς εμφάνιζαν ακραίες τιμές λόγω πιθανών σφαλμάτων κατά την μέτρηση της θερμοκρασίας του αέρα. Έτσι, δημιουργήθηκε η ανάγκη να φιλτραριστεί 57

59 η σχέση της θερμοβαθμίδας για να εξομαλυνθούν οι τιμές που προέκυπταν από αυτήν. Το φίλτρο που χρησιμοποιήθηκε ήταν το εξής: αρχικά υπολογίστηκε η τιμή της θερμοβαθμίδας από την σχέση (14) για όλες τις τιμές της ραδιοβόλισης εντός της τροπόπαυσης στην συνέχεια, για να υπολογιστεί η φιλτραρισμένη θερμοβαθμίδα χρησιμοποιήθηκε η σχέση: (15) για κάθε τιμή της 2 θερμοβαθμίδας. Δηλαδή η τιμή της θερμοβαθμίδας κάθε σημείου μέχρι το όριο της τροπόπαυσης, αποτελεί το ημιάθροισμα των γειτονικών του τιμών ή με άλλα λόγια ο μέσος όρος της προηγούμενης και της επόμενης τιμής εξαίρεση αποτελούν η πρώτη και η τελευταία τιμή της θερμοβαθμίδας, όπου υπολογίζονται από την σχέση (14) χωρίς να δέχονται κάποιο φίλτρο. Το κριτήριο που χρησιμοποιήθηκε ώστε να βρεθεί το όριο της τροπόπαυσης είναι η θερμοβαθμίδα να είναι μεγαλύτερη από την τιμή μείον δύο (θ>-2) για τουλάχιστον ένα χιλιόμετρο. Έτσι με την χρήση του προγράμματος matlab, αρχικά, υπολογίστηκε η θερμοβαθμίδα για όλα τα σημεία μέχρι το τέλος της ραδιοβόλισης. Έπειτα, έγινε ο υπολογισμός του πρώτου σημείου που ικανοποιούσε την παραπάνω συνθήκη. Η τιμή μείον δύο, σαφώς δεν επιλέχτηκε τυχαία, αλλά επειδή η θεωρητική τιμή της θερμοβαθμίδας στο στρώμα της τροπόπαυσης είναι περίπου ίση με -2 C/km. Το επιπλέον φίλτρο που χρησιμοποιήθηκε στον υπολογισμό του ορίου τροπόπαυσης είναι για τον σταθμό Trapani της Ιταλίας, το όριο της τροπόπαυσης να παίρνει τιμές από 6 ως 18km, ενώ για τον σταθμό Harnosand της Σουηδίας από 8 ως 15km. Ο περιορισμός αυτός γίνεται γιατί για τιμές μικρότερες της χαμηλότερης τιμής του ορίου προφανώς πρόκειται για σφάλμα στις μετρήσεις, ενώ για τιμές μεγαλύτερες από την μεγαλύτερη τιμή του ορίου πρόκειται για δεύτερη τροπόπαυση που είναι πιθανόν να εμφανίζεται σε κάποιες μέρες του έτους. Έτσι, υπολογίστηκε η ημερήσια και η μέση μηναία τιμή του ορίου τροπόπαυσης για τους δύο σταθμούς. 58

60 ii) Για τον υπολογισμό της θερμοβαθμίδας: χρησιμοποιήθηκε η σχέση T z T ό ά (16). Ο λόγος που χρησιμοποιήθηκε η παραπάνω σχέση είναι για να είναι τα αποτελέσματα φιλτραρισμένα και να έχουν μεγαλύτερη συμβατότητα με την θεωρητική τιμή της θερμοβαθμίδες που αναμένεται από την έρευνα. Έτσι, υπολογίστηκε η ημερήσια τιμή και η μέση μηνιαία τιμή της θερμοβαθμίδας για τους δυο σταθμούς. iii) Στην συνέχεια, για την τιμή της πίεσης και της θερμοκρασίας της επιφάνειας, με την χρήση του ίδιου προγράμματος (matlab), απομονώθηκαν σε πίνακα οι πρώτες τιμές της κάθε μέρας. Αυτό συνέβει γιατί θεωρήθηκε η πρώτη τιμή της ραδιοβόλισης κατά προσέγγιση ίση με αυτήν του εδάφους, παρόλο που η πρώτη μέτρηση γινόταν όταν το μπαλόνι βρισκόταν στα 6m. Έτσι, προέκυψαν η ημερήσια τιμή και η μέση μηνιαία τιμή της πίεση και της θερμοκρασίας εδάφους αντίστοιχα για τους δυο σταθμούς. iv) Τέλος, υπολογίστηκε η μέση τιμή της υγρασίας στην τροπόσφαιρα από τον πίνακα των δεδομένων για την σχετική υγρασία, μέχρι το ύψος που αποτελεί το όριο της τροπόσφαιρας κάθε ημέρα. Έτσι, προέκυψαν η ημερήσια μέση τιμή και η μηνιαία μέση τιμή της σχετικής υγρασίας για τους δυο σταθμούς. 3.4 Θεωρητικό μοντέλο για τις μετεωρολογικές μεταβλητές Μετά την αναφορά των μετεωρολογικών μεγεθών που περιλαμβάνονται στην εργασία, στην συγκεκριμένη ενότητα ακολουθεί η ανάλυση των παραγόντων από τους οποίους εξαρτάται ο καθένας. Έτσι παρουσιάζονται κάποια θεωρητικά μοντέλα για κάθε μεταβλητή ώστε να υπάρχει η δυνατότητα σύγκρισης των θεωρητικών και των πειραματικών τιμών που προκύπτουν από τους υπολογισμούς. 59

61 i) Το όριο της τροπόσφαιρας εξαρτάται από: το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής και την εποχή του χρόνου. Πιο συγκεκριμένα το ύψος της τροπόπαυσης σε μέσα γεωγραφικά πλάτη (30 ο - 40 ο ) διακόπτεται. Η τροπική τροπόπαυση επικρατεί σε πλάτη 0 ο -30 ο και απαντάται σε ύψη από 14-17km, ενώ η πολική τροπόπαυση σε πλάτη 40 ο -90 ο και σε ύψη 7-12km αντίστοιχα. Συνεπώς, το ύψος της τροπόσφαιρας μειώνεται με το γεωγραφικό πλάτος. Επίσης, στην ζώνη ασυνέχειας των δυο τροποπαύσεων αναπτύσσεται στενό ρεύμα αέρα με πολύ υψηλές ταχύτητες που ξεπερνούν τα 35m/sec και καλείται αεροχείμαρρος (jet-stream). Το ύψος της τροπόπαυσης μεταβάλλεται με βάση την ύπαρξη συστημάτων καιρού. Συνεπώς η τροπόπαυση βρίσκεται σε ύψος μεγαλύτερο της μέσης τιμής σε περιοχές που επικρατούν αντικυκλωνικά συστήματα (βαρομετρικά υψηλά) και χαμηλότερα σε περιοχές που επικρατούν υφέσεις (βαρομετρικά χαμηλά). Οι μέσες θερμοκρασίες της τροπικής τροπόπαυσης κυμαίνονται από -70 ο C ως -80 ο C, ενώ στην πολική τροπόπαυση από -55 ο Cως -60 ο C. Τέλος, το ύψος της τροπόπαυσης είναι μεγαλύτερο στο τέλος του καλοκαιριού και μικρότερο στο τέλος του χειμώνα και την αρχή της άνοιξης. ii) Η θερμοκρασία του εδάφους εξαρτάται από: το γεωγραφικό πλάτος την διανομή ξηράς- θάλασσας το υψόμετρο τους ανέμους την κλίση της επιφάνειας εδάφους την φύση του εδάφους την παρουσία χιονιού ή πάγου τα θαλάσσια ρεύματα. Η ηλιακή ακτινοβολία δεν φτάνει σε κάθε σημείο της επιφάνειας της γης με τον ίδιο τρόπο. Σε αυτό ευθύνεται το σχήμα της, το οποίο είναι σχεδόν σφαιρικό με αποτέλεσμα οι ακτίνες του ήλιου να προσπίπτουν σχεδόν κάθετα μόνο στην περιοχή του ισημερινού και σε μικρά γεωγραφικά πλάτη πάνω και κάτω από αυτόν. Στις 60

62 περιοχές των μεγαλύτερων γεωγραφικών πλατών, οι ηλιακές ακτίνες αν και παρέχουν τα ίδια ποσά ενέργειας με αυτά των μικρότερων πλατών, προσπίπτουν πλάγια με αποτέλεσμα η ενέργεια να πρέπει να κατανεμηθεί σε μεγαλύτερη περιοχή. Επομένως, οι περιοχές κοντά στους πόλους δεν θερμαίνονται το ίδιο ισχυρά με αυτές γύρω από τον ισημερινό. Η διαφορετική συμπεριφορά της ξηράς και της θάλασσα, ως προς τον τρόπο θέρμανσης και ψύξης, επιδρούν διαφορετικά στην μεταβολή της θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα, την θερμή περίοδο οι υψηλότερες τιμές θερμοκρασίας παρατηρούνται στο εσωτερικό των ηπειρωτικών εκτάσεων, ενώ την ψυχρή περίοδο, στις ίδιες περιοχές παρατηρούνται οι χαμηλές τιμές. Συνεπώς, η θάλασσα θερμαίνεται και ψύχεται πιο αργά και σε μικρότερο βαθμό από ότι η ξηρά. Οι θερμοκρασίες του αέρα εμφανίζουν μεγάλες ημερήσιες και εποχιακές αντιθέσεις πάνω από την ξηρά και μικρές πάνω από τις θαλάσσιες επιφάνειες. Περιοχές που βρίσκονται σε κάποιο υψόμετρο δεν μπορούν να παρουσιάζουν τις ίδιες τιμές θερμοκρασίας με τις περιοχές που βρίσκονται πλησιέστερα στο έδαφος. Ως γνωστόν, η θερμοκρασία μειώνεται με το ύψος άρα σε περιοχές με μεγαλύτερο υψόμετρο οι τιμές της θερμοκρασίας είναι χαμηλότερες σε σχέση με τις περιοχές του ίδιου γεωγραφικού πλάτους που βρίσκονται πιο κοντά στο έδαφος. Οι άνεμοι είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει τις τιμές της θερμοκρασίας εδάφους και αυτό γιατί μπορούν να μεταφέρουν θερμές ή ψυχρές αέριες μάζες πάνω από μία περιοχή και να επηρεάσουν με ανάλογο τρόπο την διανομή των θερμοκρασιών του αέρα. Η κλίση της επιφάνειας του εδάφους επηρεάζει την διανομή της θερμοκρασίας καθώς λαμβάνει διαφορετικά ποσά ενέργειας από τον ήλιο. Επιπλέον, η σύσταση του εδάφους είναι ένας ακόμη παράγοντας. Αυτό συμβαίνει γιατί η άσφαλτος και γενικότερα το τσιμέντο που κυριαρχεί στις μεγαλουπόλεις, απορροφά μεγαλύτερα ποσά ηλιακής ακτινοβολίας από ότι συμβαίνει πάνω από δασικές ή ερημικές εκτάσεις. Για αυτό η θερμοκρασία στο έδαφος είναι υψηλότερη εντός των αστικών περιοχών σε σχέση με τις μη αστικές. Επιπλέον η παρουσία χιονιού ή πάγου επηρεάζει την κατανομή της θερμοκρασίας του αέρα. Αυτό συμβαίνει γιατί οι επιφάνειες που καλύπτονται από χιόνι ή πάγο, έχουν την δυνατότητα να ανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία. Συνεπώς, η επιφάνεια του εδάφους λόγω ανάκλασης δεν υπόκειται ισχυρή θέρμανση από τον ήλιο. 61

63 Τέλος, τα θαλάσσια ρεύματα επηρεάζουν την θερμοκρασία του αέρα καθώς τα θερμά ρεύματα κατά την κίνηση τους προς τους πόλους μεταφέρουν θερμά νερά σε ψυχρές περιοχές επηρεάζοντας την θερμοκρασία της περιοχής. Αντίστοιχα, τα ψυχρά θαλάσσια ρεύματα, κινούνται προς τον ισημερινό και μεταφέρουν ψυχρά νερά σε θερμές περιοχές. iii) Η πραγματική θερμοβαθμίδα μπορεί να μεταβληθεί από ώρα σε ώρα και από περιοχή σε περιοχή. Η αλλαγή αυτή οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες: διανομή ξηράς- θάλασσας είδος και κάλυψη εδάφους εποχή καιρικά συστήματα που επηρεάζουν την κάθε περιοχή iv) Η πίεση εδάφους είναι άμεσα συνδεμένη με κάποια βασικά μετεωρολογικά μεγέθη κι έτσι οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται είναι οι εξής: άνεμος γεωγραφικό πλάτος καιρικές συνθήκες Η πίεση του εδάφους είναι κατά κύριο λόγο συνδεμένη με τον αέρα της ατμόσφαιρας. Βασικός παράγοντας που μεταβάλλει την τιμή της είναι η πυκνότητα του αέρα, η θερμοκρασία καθώς επίσης και η σύσταση του. Όταν ο αέρας είναι ψυχρός, έχει μεγαλύτερη πυκνότητα επομένως μεγαλύτερο βάρος. Άρα, η πίεση εμφανίζει μεγαλύτερη τιμή. Στην περίπτωση που ο αέρας είναι αραιός, έχει μικρότερη πυκνότητα άρα αντίστοιχα μικρότερο βάρος κι έτσι η πίεση παρουσιάζει μικρότερη τιμή. Επιπλέον, η πίεση διαφέρει ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος. Για τον ίδιο τόπο, η ατμοσφαιρική πίεση παρουσιάζει μεταβολές που ακολουθούν τις μεταβολές της θερμοκρασίας, γιατί η θερμοκρασία μεταβάλλει την πυκνότητα άρα και το βάρος του αέρα. 62

64 Συμπερασματικά, αξίζει να σημειωθεί ότι η ατμοσφαιρική πίεση σε κάθε τόπο παρουσιάζει δυο μέγιστες και δυο ελάχιστες τιμές στην διάρκεια ενός 24ώρου. Τις πρώτες πρωινές ώρες ο αέρας είναι ψυχρός, δηλαδή πυκνός και επομένως βαρύς με αποτέλεσμα να παρατηρείται το πρωτεύον μέγιστο (γύρω στις 10 το πρωί). Λίγες ώρες μετά το μεσημέρι, εξαιτίας της ισχυρής θέρμανσης, ο αέρας είναι θερμός δηλαδή αραιός και επομένως ελαφρύς με αποτέλεσμα να πραγματοποιείται πρωτεύον ελάχιστο (γύρω στις 16:00). Πλησιάζοντας προς την δύση, ο αέρας ψύχεται πάλι με αποτέλεσμα να αυξάνονται οι τιμές της πίεσης σημειώνοντας το δευτερεύον μέγιστο (γύρω στις 22:00). Τέλος, λίγες ώρες πριν καθώς και κάποιες ώρες μετά τα μεσάνυχτα, η πίεση βρίσκεται πάλι σε πτώση, σημειώνοντας το δευτερεύον ελάχιστο (γύρω στις 4:00). v) Η σχετική υγρασία εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν σε κάθε περιοχή. Οι συγκεντρώσεις των υδρατμών στην ατμόσφαιρα μπορούν να παρουσιάσουν χρονικά με χωρικά μεγάλες διακυμάνσεις. Όταν ο ουρανός είναι καθαρός και υπάρχει μεγάλη ορατότητα, τότε η μέρα έχει χαμηλή σχετική υγρασία, ενώ όταν ο καιρός είναι βροχερός ή επικρατεί ομίχλη η σχετική υγρασία είναι σχετικά υψηλή. 63

65 64

66 4. Πειραματικά δεδομένα 4.1 Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων ανά μετεωρολογικό σταθμό Α) Πόλη Trapani, Ιταλία Ημερήσια διαγράμματα για την πόλη Trapani Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνονται οι ημερήσιες τιμές των μετεωρολογικών μεγεθών για τα οποία έγινε η μελέτη στην παρούσα εργασία. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκε το όριο της τροπόσφαιρας, η θερμοβαθμίδα, η θερμοκρασία και η πίεση εδάφους και η σχετική υγρασία για το έτος 2013 σύμφωνα με τα δεδομένα που λήφθηκαν από το πανεπιστήμιο UW για την πόλη Trapani. Διάγραμμα 1: Ημερήσια γραφική παράσταση του ορίου της τροπόσφαιρας για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 1: Στο συγκεκριμένο διάγραμμα είναι εμφανές ότι η τιμή του ορίου της τροπόσφαιρας εξαρτάται από την εποχή του χρόνο και τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν σε συγκεκριμένη περιοχή. Οι μεγαλύτερες τιμές του ύψους της τροπόπαυσης παρατηρούνται στο τέλος του καλοκαιριού, ενώ οι μικρότερες τιμές στο τέλος του χειμώνα-στην αρχή της άνοιξης. Το ολικό μέγιστο είναι ίσο με 17.99km και εμφανίζεται στο τέλος του Αυγούστου, ενώ το ολικό ελάχιστο είναι ίσο με 9km περίπου και παρατηρείται στην 65

67 αρχή του Φεβρουαρίου. (Προφανώς η τιμή που είναι μικρότερη από 6km αποτελεί σφάλμα για την μέτρηση μιας και είναι πολύ κοντά στο έδαφος για να αντιπροσωπεύει το όριο της τροπόπαυσης). Τέλος, οι τιμές του ορίου της τροπόσφαιρας κυμαίνονται από 12-17km, γεγονός που συμφωνεί με την θεωρητικά πρότυπα του συγκεκριμένου μεγέθους. Αυτό γιατί η πόλη Trapani έχει γεωγραφικό πλάτος φ=38 ο, επομένως η τροπόσφαιρα αναμένεται να έχει σχετικά μεγάλο ύψος (14-17km). Διάγραμμα 2: Ημερήσια γραφική παράσταση της θερμοβαθμίδας για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 2: Στο συγκεκριμένο διάγραμμα απεικονίζονται οι ημερήσιες τιμές της θερμοβαθμίδας για το έτος 2013 στην πόλη Trapani. Η εξάρτηση της θερμοβαθμίδας από την εποχή είναι υπαρκτή, αλλά ο παράγοντας αυτός δεν είναι αρκετά καθοριστικός. Αυτό συμβαίνει γιατί όπως είναι εμφανές από την γραφική παράσταση, το εύρος της θερμοβαθμίδας είναι σχετικά μικρό. Το μέτρο της θερμοβαθμίδας, λοιπόν, παρουσιάζει μία μικρή μείωση κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Επομένως ο ρυθμός μείωσης της θερμοκρασίας με το ύψος στους καλοκαιρινούς μήνες είναι μικρότερος σε σχέση με τους χειμερινούς. Αντίθετα, κατά την περίοδο του χειμώνα η θερμοκρασία του αέρα μειώνεται με μεγαλύτερο ρυθμό καθώς αυξάνεται το ύψος, μέχρι το όριο της τροπόπαυσης. 66

68 Διάγραμμα 3: Ημερήσια γραφική παράσταση της θερμοκρασίας εδάφους για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 3: Στην γραφική παράσταση της θερμοκρασίας εδάφους για το έτος 2013, είναι εμφανές ότι η εποχή και οι καιρικές συνθήκες επηρεάζουν της θερμοκρασία της επιφάνειας. Επομένως, παρατηρείται πως κατά τους θερινούς μήνες η θερμοκρασία εδάφους έχει μεγαλύτερες τιμές, ενώ αντίθετα τους χειμερινούς μήνες η μείωση είναι αισθητή. Ο πιο θερμός μήνας είναι ο Αύγουστος, ενώ ο ψυχρότερος ο Ιανουάριος. Κατά την διάρκεια της άνοιξης η θερμοκρασία ακολουθεί αυξητική τάση, ενώ κατά την περίοδο του φθινοπώρου σταδιακά μειώνεται. Το ολικό μέγιστο της θερμοκρασίας του εδάφους είναι 26.4 ο C και σημειώνεται κατά την διάρκεια του Αυγούστου, ενώ το ολικό ελάχιστο είναι ίσο με 4 ο C στην αρχή του Φεβρουαρίου. 67

69 Διάγραμμα 4: Ημερήσια γραφική παράσταση της πίεσης εδάφους για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 4: Στο συγκεκριμένο διάγραμμα παρουσιάζονται οι ημερήσιες τιμές της πίεσης του εδάφους για το Παρατηρείται ότι η τιμή της πίεσης δεν εμφανίζει σημαντικές μεταβολές για το διάστημα του έτους και η διακύμανση του μεγέθους είναι σχετικά μικρή. Ωστόσο, κατά την διάρκεια των χειμερινών μηνών Δεκεμβρίου ως αρχές Ιανουαρίου, είναι η αισθητή η μείωση της πίεσης του εδάφους που ακολουθείται από αύξηση κατά την διάρκεια των θερινών μηνών. Το ολικό μέγιστο της πίεσης της επιφάνειας ισούται με 1033hPa και εμφανίζεται κατά τον μήνα Δεκέμβριο, ενώ το ολικό ελάχιστο είναι ίσο με 995hPa και εμφανίζεται κατά τον μήνα Ιανουάριο. 68

70 Διάγραμμα 5: Ημερήσια γραφική παράσταση της σχετικής υγρασίας για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 5: Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζονται η ημερήσιες τιμές της σχετικής υγρασίας για το έτος 2013 στην Trapani. Οι μεγαλύτερες τιμές της υγρασίας εμφανίζονται κατά τους χειμερινούς μήνες, ενώ οι μικρότερες τιμές της κατά την διάρκεια των θερινών μηνών. Το ολικό μέγιστο της σχετικής υγρασίας ισούται με 71.44% και παρατηρείται κατά τον μήνα Φεβρουάριο, ενώ το ολικό ελάχιστο είναι ίσο με 13.45% κατά τον μήνα Αύγουστο. Οι παραπάνω παρατηρήσεις συμφωνούν με το θεωρητικό μοντέλο της υγρασίας για την συγκεκριμένη περιοχή, καθώς η υγρασία εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες. Επομένως, στην περιοχή όπου επικρατεί μεσογειακό κλίμα, οι χειμώνες είναι κρύοι και υγροί, ενώ τα καλοκαίρια είναι θερμά και ξηρά. Μηνιαία διαγράμματα για την πόλη Trapani Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές των μετεωρολογικών μεγεθών για τα οποία έγινε η μελέτη στην παρούσα εργασία. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκε το όριο της τροπόσφαιρας, η θερμοβαθμίδα, η θερμοκρασία και η πίεση εδάφους και η σχετική υγρασία για το έτος 2013 σύμφωνα με τα δεδομένα που λήφθηκαν από το πανεπιστήμιο UW για την πόλη Trapani. 69

71 Διάγραμμα 6: Μηνιαία γραφική παράσταση του μέσου ορίου τροπόσφαιρας για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 6: Στην παραπάνω γραφική παράσταση παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες τιμές για το όριο της τροπόσφαιρας το Για όλη την διάρκεια του έτους, ο μέσος όρος του ύψους της τροπόπαυσης παρουσιάζει μικρή διακύμανση, με εξαίρεση τους μήνες Ιούλιο μέχρι και τον Οκτώβριο στους οποίους η τιμή είναι ιδιαίτερα αυξημένη. Η μέγιστη μέση τιμή του ορίου της τροπόπαυσης εμφανίζεται τον Αύγουστο και ισούται με 16.2km, ενώ η ελάχιστη μέση τιμή τον Φεβρουάριο και είναι ίση με 11.98km. Η μέση μηνιαία τιμή του ορίου τροπόπαυσης προσεγγιστικά ισούται με ± km. 70

72 Διάγραμμα 7: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης θερμοβαθμίδας για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 7: Στο συγκεκριμένο διάγραμμα παρουσιάζεται η μέση μηνιαία τιμή της θερμοβαθμίδας για το έτος Η μέση τιμή της θερμοβαθμίδας δεν εμφανίζει μεγάλη διακύμανση αλλά διατηρείται σχεδόν σταθερή με κάποιες μικρές μεταβολές στην διάρκεια των μηνών, προσεγγιστικά ισούται με -5.3± ο C/km. Η μεγαλύτερη σε μέτρο μέση τιμή της θερμοβαθμίδας παρατηρείται τον μήνα Οκτώβριο και είναι ίση με 5.53 ο C/km, ενώ η μικρότερη μέση τιμή τον Μάρτιο 5.10 ο C/km. Διάγραμμα 8: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης θερμοκρασίας εδάφους για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 8: Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζεται η μέση μηνιαία τιμή της θερμοκρασίας εδάφους. Η μέση θερμοκρασία αυτή κατά την διάρκεια των 71

73 χειμερινών μηνών εμφανίζει τις χαμηλότερες τιμές, ενώ παρατηρείται ιδιαίτερα αυξημένη κατά τους θερινούς μήνες. Η μεγαλύτερη τιμή της μέσης θερμοκρασίας επιφάνειας συναντάται κατά τον μήνα Αύγουστο και είναι ίση με ο C, ενώ η χαμηλότερη τιμή της τον μήνα Φεβρουάριο και ισούται με 8.74 ο C. Προσεγγιστικά η μέση μηνιαία τιμή της θερμοκρασίας εδάφους ισούται με 16.03± 7.87 ο C. Διάγραμμα 9: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης πίεσης εδάφους για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 9: Στο παραπάνω διάγραμμα απεικονίζεται η μέση μηνιαία τιμή της πίεσης του εδάφους για την διάρκεια ενός έτους. Παρατηρείται ότι η μέση τιμή της πίεσης της επιφάνειας μένει σχεδόν σταθερή με μια μικρή απόκλιση για κάθε μήνα. Η μέγιστη τιμή της μηνιαίας πίεσης του εδάφους είναι ίση με 1023hPa και εμφανίζεται τον μήνα Δεκέμβριο, ενώ η ελάχιστη τιμή ισούται με 1010hPa τον μήνα Μάρτιο. Προσεγγιστικά η μηνιαία πίεση εδάφους ισούται με 1015 ± 6.24 hpa. 72

74 Διάγραμμα 10: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης σχετικής υγρασίας για την περιοχή Trapani το έτος Διάγραμμα 10: Η παραπάνω γραφική παράσταση απεικονίζει την μέση μηνιαία τιμή της σχετικής υγρασίας για την διάρκεια ενός έτους. Η μέση σχετική υγρασία παρουσιάζει μεγαλύτερες τιμές κατά τους χειμερινούς μήνες, ενώ παρατηρούνται ιδιαίτερα μειωμένες τιμές κατά τους θερινούς μήνες. Η μέγιστη μηνιαία τιμή της σχετικής υγρασίας είναι ίση με 44.45% τον μήνα ενώ η ελάχιστη τιμή ισούται με 25.6% τον μήνα. Προσεγγιστικά η μέση σχετική υγρασία είναι ίση με ± 9.42 %. Β) Πόλη Harnosand, Σουηδία Ημερήσια διαγράμματα για την πόλη Harnosand Στα παρακάτω διαγράμματα εμφανίζονται οι μεταβλητές που μελετώνται στην παρούσα εργασία. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι ημερήσιες τιμές του ορίου της τροπόσφαιρας, της θερμοβαθμίδας, της θερμοκρασίας και της πίεσης εδάφους καθώς επίσης και της σχετικής υγρασίας για την περιοχή Harnosand της Σουηδίας το έτος

75 Διάγραμμα 11: Ημερήσια γραφική παράσταση του ορίου της τροπόσφαιρας για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 11: Στο συγκεκριμένο διάγραμμα παρουσιάζονται οι τιμές του ορίου τροπόσφαιρας για κάθε μέρα του έτους 2013 στο Harnosand. Οι μεγαλύτερες τιμές του ύψους της τροπόπαυσης παρατηρούνται κατά τους θερινούς μήνες, ενώ είναι εμφανείς οι ιδιαίτερα μειωμένες τιμές κατά τους χειμερινούς μήνες. Πιο συγκεκριμένα, το ολικό μέγιστο του ορίου τροπόπαυσης παρατηρείται τον μήνα Ιούλιο και είναι ίσο με 13.99km, ενώ το ολικό ελάχιστο σημειώνεται κατά τον μήνα Νοέμβριο και ισούται με 7.87km. Τέλος, οι τιμές του ορίου της τροπόσφαιρας κυμαίνονται από 7-14km, γεγονός που συμφωνεί με την θεωρητικά πρότυπα του συγκεκριμένου μεγέθους. Αυτό γιατί η πόλη Harnosand έχει γεωγραφικό πλάτος φ=62 ο, επομένως η τροπόσφαιρα αναμένεται να έχει σχετικά μεγάλο ύψος (7-12km). 74

76 Διάγραμμα 12: Ημερήσια γραφική παράσταση της θερμοβαθμίδας για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 12: Στην παραπάνω γραφική παράσταση παρουσιάζονται οι ημερήσιες τιμές της θερμοβαθμίδας για το έτος Το μέτρο της θερμοβαθμίδας παρουσιάζεται ελαφρώς μειωμένο κατά τους χειμερινούς μήνες, ενώ παρατηρείται μία μικρή αύξηση κατά την περίοδο του καλοκαιριού. Διάγραμμα 13: Ημερήσια γραφική παράσταση της θερμοκρασίας εδάφους για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 13: Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζονται οι ημερήσιες τιμές της θερμοκρασίας εδάφους για το έτος Οι τιμές της θερμοκρασίας είναι μειωμένες κατά τους χειμερινούς μήνες, ενώ παρατηρείται σχετικά μεγάλη αύξηση κατά την διάρκεια του καλοκαιριού. 75

77 Το ολικό μέγιστο της θερμοκρασίας εδάφους εμφανίζεται κατά τον μήνα Αύγουστο και είναι ίσο με 17.4 ο C, ενώ το ολικό ελάχιστο κατά τον μήνα Ιανουάριο και ισούται με ο C. Συνεπώς, το εύρος των θερμοκρασιών της επιφάνειας στην περιοχή είναι αρκετά μεγάλο της τάξεως των 39.5 ο C και έτσι παρατηρείται ότι οι διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ της ψυχρότερης και της θερμότερης εποχής του χρόνου είναι αρκετά μεγάλη. Διάγραμμα 14: Ημερήσια γραφική παράσταση της πίεσης εδάφους για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 14: Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζονται οι ημερήσιες τιμές της πίεσης εδάφους κατά την διάρκεια του οι τιμές της πίεσης επιφάνειας παρουσιάζουν μεγαλύτερες τιμές κατά την διάρκεια του χειμώνα, ενώ οι μικρότερες τιμές εμφανίζονται τους καλοκαιρινούς μήνες. Συγκεκριμένα, το ολικό μέγιστο παρατηρείται τον μήνα Μάρτιο και είναι ίσο με 1037 hpa, ενώ το ολικό ελάχιστο παρατηρείται στα τέλη του μήνα Οκτωβρίου και ισούται με 973 hpa. Γενικά, παρατηρείται ότι το εύρος των τιμών της πίεσης είναι μόλις 64hPa. Συνεπώς, η τιμή της πίεσης δεν εμφανίζει μεγάλες αποκλίσεις κατά την διάρκεια του χρόνου. 76

78 Διάγραμμα 15: Ημερήσια γραφική παράσταση της σχετικής υγρασίας για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 15: Στην συγκεκριμένη γραφική παράσταση παρουσιάζονται οι ημερήσιες τιμές της σχετικής υγρασίας για την διάρκεια του Οι μεγαλύτερες τιμές της υγρασίας εμφανίζονται κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, ενώ κατά την διάρκεια του χειμώνα παρατηρείται μια μικρή μείωση. Το ολικό μέγιστο της σχετικής υγρασίας παρατηρείται τον μήνα Σεπτέμβριο και ισούται με 75.92%, ενώ το ολικό ελάχιστο τον μήνα Νοέμβριο και είναι ίσο με 15.58%. 77

79 Μηνιαία διαγράμματα για την πόλη Harnosand Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές των μετεωρολογικών μεγεθών για τα οποία έγινε η μελέτη στην παρούσα εργασία. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκε το όριο της τροπόσφαιρας, η θερμοβαθμίδα, η θερμοκρασία και η πίεση εδάφους και η σχετική υγρασία για το έτος 2013 σύμφωνα με τα δεδομένα που λήφθηκαν από το πανεπιστήμιο UW για την πόλη Harnosand. Διάγραμμα 16 : Μηνιαία γραφική παράσταση του μέσου ορίου τροπόσφαιρας για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 16: Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες τιμές του ορίου τροπόπαυσης για το έτος Οι μεγαλύτερες τιμές της μέσης τιμής του ορίου εμφανίζονται τους καλοκαιρινούς μήνες, ενώ είναι αισθητή η μείωση του μέσου όρου κατά τους χειμερινούς μήνες. Πιο συγκεκριμένα η μέγιστη τιμή του μέσου ορίου τροπόπαυσης είναι ίση με 12.21km τον μήνα Ιούλιο, ενώ η ελάχιστη τιμή είναι ίση με 10.62km τον μήνα Μάρτιο. Το εύρος του μέσου ορίου τροπόπαυσης είναι σχετικά μικρό και προσεγγιστικά το όριο είναι ίσο με 11.53± 0.79km. 78

80 Διάγραμμα 17: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης θερμοβαθμίδας για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 17: Η παραπάνω γραφική παράσταση απεικονίζει την μέση μηνιαία θερμοβαθμίδα για το διάστημα ενός έτους. Οι μεγαλύτερες τιμές του μέτρου της μέσης θερμοβαθμίδας εμφανίζονται κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, ενώ οι χαμηλότερες τιμές κατά τους χειμερινούς. Συγκεκριμένα, η μέγιστη τιμή του μέτρου της μηνιαίας θερμοβαθμίδας ισούται με ο C/km τον μήνα Σεπτέμβριο, ενώ η ελάχιστη τιμή του μέτρου της είναι ίση με ο C/km τον μήνα Ιανουάριο. Το εύρος που παρατηρείται είναι σχετικά μικρό, συνεπώς η μέση θερμοβαθμίδα κυμαίνεται γύρω από μια σταθερή τιμή και προσεγγιστικά ισούται με 4.811± 0.49 ο C/km. Διάγραμμα 18: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης θερμοκρασίας εδάφους για την περιοχή Harnosand το έτος

81 Διάγραμμα 18: Το συγκεκριμένο διάγραμμα παρουσιάζει την μέση μηνιαία θερμοκρασία εδάφους για το έτος Οι τιμές της μέσης θερμοκρασίας είναι ιδιαίτερα αυξημένες κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, ενώ την περίοδο του χειμώνα παρατηρείται σημαντική πτώση. Η μέγιστη τιμή της μέσης θερμοκρασίας είναι ίση με ο C τον μήνα Ιούλιο, ενώ η ελάχιστη τιμή της ισούται με ο C τον μήνα Ιανουάριο. Το εύρος της μέσης θερμοκρασίας επιφάνειας είναι αρκετά μεγάλο. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι οι τιμές της θερμοκρασίας είναι υπό του μηδενός καθ όλη την περίοδο του χειμώνα. Προσεγγιστικά η μέση τιμή της μηνιαίας θερμοκρασίας εδάφους είναι ίση με 2.75 ± ο C. Διάγραμμα 19: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης πίεσης εδάφους για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 19: Στο παραπάνω διάγραμμα απεικονίζεται η μέση μηνιαία τιμή της πίεσης του εδάφους για την διάρκεια ενός έτους. Παρατηρείται ότι η μέση τιμή της πίεσης της επιφάνειας μένει σχεδόν σταθερή με μια μικρή απόκλιση για κάθε μήνα. Η μέγιστη τιμή της μηνιαίας πίεσης του εδάφους είναι ίση με 1016hPa και εμφανίζεται τον μήνα Φεβρουάριο, ενώ η ελάχιστη τιμή ισούται με 1000hPa τον μήνα Δεκέμβριο. Προσεγγιστικά η μηνιαία πίεση εδάφους ισούται με 1011 ± 7.86 hpa. 80

82 Διάγραμμα 20: Μηνιαία γραφική παράσταση της μέσης σχετικής υγρασίας για την περιοχή Harnosand το έτος Διάγραμμα 20: Στο συγκεκριμένο γράφημα παρουσιάζεται η μέση μηνιαία σχετική υγρασία για το έτος Τα επίπεδα της υγρασίας στην περιοχή φαίνεται να είναι σχετικά ανεβασμένα καθ όλη την διάρκεια του χρόνου. Οι μήνες που παρουσιάζουν μεγαλύτερη υγρασία είναι ο Φεβρουάριος, ο Ιούνιος και ο Οκτώβριος, ενώ οι μήνες με την ελάχιστη υγρασία είναι ο Μάρτιος και ο Μάιος. Μέγιστη μέση υγρασία παρατηρείται κατά τον μήνα Φεβρουάριο και είναι ίση με 54.23%, ενώ ελάχιστη τον μήνα Μάρτιο και ισούται με 43.81%. Το εύρος της σχετικής είναι σχετικά μικρό,ενώ η τιμή της προσεγγιστικά ισούται με 48.68± 5.21%. 4.2 Σχέση θερμοβαθμίδας με άλλα μετεωρολογικά μεγέθη Α) Πόλη Trapani, Ιταλία Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται ενδεικτικά τα δεδομένα για την θερμοβαθμίδα, την θερμοκρασία και την πίεση εδάφους καθώς επίσης και την σχετική υγρασία για την 1 η Ιανουαρίου του 2013, για την πόλη Trapani. Αξιοποιώντας τα δεδομένα για όλη την διάρκεια του χρόνου, προκύπτουν τα διαγράμματα θερμοβαθμίδας ως προς τα υπόλοιπα μετεωρολογικά μεγέθη που υπολογίστηκαν. Έτσι, υπάρχει δυνατότητα να μελετηθεί πόσο σημαντικός είναι ο 81