Skrypt jest przeznaczony dla studentów Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska METEOROLOGIA KLIMATOLOGIA METEOROLOGIA KLIMATOLOGIA i ELZBIETA WOŁOSZYN w zarysie METEOROLOGIA KLIMATOLOGIA i Gdańsk 2009 PRZEWODNICZ Ą CY KOMITETU REDAKCYJNEGO WYDAWNICTWA POLITECHNIKI GDA Ń SKIEJ Romuald Szymkiewicz RECENZENT Jerzy Cyberski PROJEKT OKŁADKI Katarzyna Olszonowicz Wydano za zgod ą Rektora Politechniki Gda ń skiej Wydawnictwa PG mo ż na nabywa ć w Ksi ę garni PG (Gmach Główny, I pi ę tro) b ą d ź zamówi ć poczt ą elektroniczn ą (ksiegarnia@pg.gda.pl), faksem (058 347 16 18) lub listownie (Wydawnictwo Politechniki Gda ń skiej, Ksi ę garnia PG, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gda ń sk) www.pg.gda.pl/WydawnictwoPG © Copyright by Wydawnictwo Politechniki Gda ń skiej Gda ń sk 2009 Utwór nie mo ż e by ć powielany i rozpowszechniany, w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób, bez pisemnej zgody wydawcy ISBN 978 − 83 − 7348 − 282 − 1 Spis tre ś ci PRZEDMOWA ............................................................................................................................. 9 1. WST Ę P ..................................................................................................................................... 11 1.1. Wprowadzenie .................................................................................................................. 11 1.2. Przedmiot i zadania meteorologii ..................................................................................... 12 1.3. Główne etapy rozwoju meteorologii na ś wiecie ............................................................... 13 1.4. Rozwój meteorologii w Polsce ......................................................................................... 15 2. FIZYCZNE PODSTAWY METEOROLOGII. OGÓLNE WIADOMO Ś CI O ZIEMI ........... 17 2.1. Budowa i ruch Ziemi ........................................................................................................ 17 2.2. Kształt Ziemi i jego znaczenie .......................................................................................... 18 2.3. Ruch obrotowy Ziemi ....................................................................................................... 19 2.4. Ruch Ziemi wokół Sło ń ca ................................................................................................ 19 3. BUDOWA I SKŁAD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ ................................................................. 23 3.1. Główne cechy atmosfery ziemskiej .................................................................................. 23 3.1.1. Homosfera i heterosfera ........................................................................................ 25 3.2. Pionowy podział atmosfery .............................................................................................. 26 3.3. Skład powietrza atmosferycznego .................................................................................... 31 3.3.1. Powietrze suche ..................................................................................................... 31 3.3.2. Zmiany składu powietrza z wysoko ś ci ą ................................................................ 33 3.3.3. Woda w atmosferze ............................................................................................... 33 3.3.4. Aerozol atmosferyczny .......................................................................................... 34 3.4. Najwa ż niejsze zwi ą zki w chemii atmosfery .................................................................... 37 3.5. Kr ąż enie głównych pierwiastków...................................................................................... 37 3.5.1. Zwi ą zki siarki ........................................................................................................ 38 3.5.2. Zwi ą zki azotu ........................................................................................................ 39 3.5.3. Zwi ą zki w ę gla ....................................................................................................... 39 3.6. Zanieczyszczenia fotochemiczne ...................................................................................... 40 3.7. Wielko ś ci okre ś laj ą ce stan fizyczny atmosfery ................................................................ 41 3.7.1. Temperatura powietrza .......................................................................................... 41 3.7.2. Ci ś nienie atmosferyczne ........................................................................................ 42 3.7.3. Wilgotno ść powietrza ............................................................................................ 43 3.7.4. Kierunek i pr ę dko ść wiatru ................................................................................... 44 3.7.5. Zachmurzenie ........................................................................................................ 44 3.7.6. Widzialno ść pozioma ............................................................................................ 44 3.7.7. Opady atmosferyczne ............................................................................................ 44 3.7.8. Pogoda i klimat ...................................................................................................... 45 4. PROMIENIOWANIE I CIEPŁO W ATMOSFERZE ............................................................. 46 4.1. Podstawowe wiadomo ś ci o promieniowaniu .................................................................... 46 4.1.1. Zdolno ść emisyjna i absorpcyjna. Kwant energii .................................................. 46 4 4.1.2. Prawo Kirchhoffa .................................................................................................. 47 4.1.3. Prawo Plancka ....................................................................................................... 48 4.1.4. Prawo Stefana-Boltzmanna ................................................................................... 48 4.1.5. Prawo Wiena ......................................................................................................... 48 4.1.6. Prawa Lamberta i Rayleigha ................................................................................. 48 4.2. Rozkład energii w widmie promieniowania Sło ń ca i Ziemi ............................................. 49 4.3. Promieniowanie słoneczne ............................................................................................... 51 4.3.1. Charakterystyka promieniowania słonecznego ..................................................... 51 4.3.2. Osłabienie promieniowania w atmosferze ............................................................. 52 4.4. Promieniowanie całkowite. Pochłanianie i odbijanie promieniowania .przez powierzchni ę Ziemi ................................................................................................................................. 55 4.5. Promieniowanie Ziemi i atmosfery ................................................................................... 56 4.5.1. Promieniowanie ziemskie ...................................................................................... 56 4.5.2. Promieniowanie atmosfery ................................................................................... 57 4.5.3. Promieniowanie efektywne ................................................................................... 58 4.6. Bilans cieplny Ziemi i atmosfery ...................................................................................... 58 4.7. Temperatura powietrza i jej zmiany ................................................................................. 61 4.7.1. Dobowe zmiany temperatury powietrza ................................................................ 61 4.7.2. Roczne zmiany temperatury powietrza ................................................................. 63 4.8. Procesy przemiany energii w atmosferze ......................................................................... 63 5. TERMODYNAMIKA ATMOSFERY ..................................................................................... 64 5.1. Procesy adiabatyczne w atmosferze ................................................................................. 64 5.2. Równowaga pionowa atmosfery ....................................................................................... 67 5.2.1. Stany równowagi ................................................................................................... 67 5.2.2. Konwekcja termiczna i dynamiczna ...................................................................... 69 5.3. Pionowy rozkład temperatury powietrza .......................................................................... 70 5.3.1. Rodzaje inwersji temperatury ................................................................................ 70 5.4. Diagramy aerologiczne...................................................................................................... 71 6. WODA W ATMOSFERZE ..................................................................................................... 75 6.1. Kr ąż enie wody w przyrodzie ............................................................................................ 75 6.2. Parowanie i stan nasycenia atmosfery .............................................................................. 75 6.3. Wilgotno ść powietrza ....................................................................................................... 79 6.3.1. Wielko ś ci okre ś laj ą ce wilgotno ść atmosfery ......................................................... 79 6.3.2. G ę sto ść powietrza wilgotnego ............................................................................... 81 6.3.3. Zmiany wilgotno ś ci powietrza .............................................................................. 82 6.4. Kondensacja pary wodnej w atmosferze ........................................................................... 85 6.5. Chmury ............................................................................................................................. 87 6.5.1. Klasyfikacja chmur ................................................................................................ 88 6.5.2. Powstawanie chmur ............................................................................................... 89 6.5.3. Struktura chmury ................................................................................................... 94 6.5.4. Krótki opis wygl ą du głównych rodzajów chmur ................................................... 96 6.5.5. Zachmurzenie ........................................................................................................ 98 6.6. Powstawanie i klasyfikacja mgieł ..................................................................................... 99 6.6.1. Mgły z ochłodzenia ............................................................................................... 99 6.6.2. Mgły frontowe ....................................................................................................... 101 6.6.3. Mgły z parowania. Dymienie morza ..................................................................... 101 6.6.4. Rozpraszanie mgieł ............................................................................................... 102 6.7. Opady atmosferyczne ....................................................................................................... 102 6.7.1. Powstawanie opadów ............................................................................................ 102 5 6.8. Klasyfikacja opadów ...................................................................................................... 106 6.8.1. Rodzaje opadów atmosferycznych ...................................................................... 106 6.8.2. Opady gradu ........................................................................................................ 107 6.8.3. Podział genetyczny opadów ................................................................................ 108 6.8.4. Osady atmosferyczne .......................................................................................... 110 6.9. Sztuczne wywoływanie opadów .................................................................................... 111 6.10. Rozkład opadów na kuli ziemskiej ................................................................................. 111 7. CI Ś NIENIE ATMOSFERYCZNE ........................................................................................... 115 7.1. Zmiany ci ś nienia powietrza .............................................................................................. 115 7.2. Izobary. Układy baryczne ................................................................................................. 118 7.3. Mapy powierzchni izobarycznych .................................................................................... 120 7.4. Poziomy gradient ci ś nienia ............................................................................................... 121 7.5. Wahania ci ś nienia atmosferycznego ................................................................................. 123 7.5.1. Zmiany dobowe ..................................................................................................... 123 7.5.2. Wahania roczne ..................................................................................................... 124 8. WYBRANE PROBLEMY DYNAMIKI ATMOSFERY ........................................................ 125 8.1. Wprowadzenie .................................................................................................................. 125 8.2. Opis ruchu powietrza ........................................................................................................ 125 8.2.1. Równanie ruchu ..................................................................................................... 125 8.2.2. Równanie ci ą gło ś ci ................................................................................................ 126 8.3. Główne siły działaj ą ce na cz ą stk ę powietrza w atmosferze .............................................. 126 8.3.1. Siła ci ęż ko ś ci ......................................................................................................... 126 8.3.2. Siła gradientu ci ś nienia .......................................................................................... 126 8.3.3. Siła Coriolisa ......................................................................................................... 127 8.3.4. Siła od ś rodkowa .................................................................................................... 128 8.3.5. Siła tarcia ............................................................................................................... 128 8.4. Wiatry geostroficzny i gradientowy ................................................................................. 129 8.4.1. Wiatr geostroficzny ............................................................................................... 129 8.4.2. Wiatr gradientowy ................................................................................................. 130 8.5. Wpływ tarcia ..................................................................................................................... 131 8.5.1. Wpływ tarcia w przyziemnej warstwie powietrza ................................................. 131 8.5.2. Struktura wiatru w przyziemnej warstwie powietrza ............................................ 134 8.5.3. Wiatry dolne. Linie pr ą du ...................................................................................... 134 8.6. Typowe przykłady wpływu powierzchni Ziemi na ruch powietrza................................... 136 9. CYRKULACJA ATMOSFERY .............................................................................................. 140 9.1. Ogólna cyrkulacja atmosfery ............................................................................................ 140 9.2. Strefowo ść w rozkładzie ci ś nienia i wiatrów .................................................................... 142 9.2.1. Rozkład ci ś nie ń na powierzchni Ziemi .................................................................. 142 9.3. Rozkład temperatury, ci ś nienia i pr ą dów powietrza w troposferze .................................. 145 9.3.1. Górne planetarne strefy frontowe (jet-stream) ...................................................... 147 9.4. Rozkład wiatrów przy powierzchni Ziemi ........................................................................ 149 9.4.1. Cyrkulacja w strefie mi ę dzyzwrotnikowej. Zjawiska upwelling, El Niño i La Niña ... 150 9.4.2. Cyrkulacja atmosfery w umiarkowanych i wysokich szeroko ś ciach geograficznych ... 153 9.5. Cyrkulacja monsunowa .................................................................................................... 154 9.6. Wiatry lokalne .................................................................................................................. 157 9.6.1. Wiatry lokalne b ę d ą ce pr ą dami ogólnej cyrkulacji atmosfery .............................. 157 9.6.2. Wiatry lokalne zwi ą zane z wpływami termicznymi .............................................. 161 9.7. Cyklony tropikalne ........................................................................................................... 162 6 9.7.1. Wiadomo ś ci ogólne ............................................................................................... 162 9.7.2. Powstawanie cyklonów tropikalnych .................................................................... 163 9.7.3. Budowa i ruch cyklonów tropikalnych .................................................................. 164 9.7.4. Ci ś nienie i wiatr w cyklonach tropikalnych .......................................................... 165 9.7.5. Falowanie i zmiany poziomu morza ...................................................................... 167 9.7.6. Skale cyklonów tropikalnych ................................................................................ 167 9.8. Małe wiry powietrzne o osi pionowej ............................................................................... 169 10. MASY POWIETRZA I FRONTY ATMOSFERYCZNE ..................................................... 171 10.1. Masy powietrza ............................................................................................................ 171 10.2. Klasyfikacja mas powietrza ......................................................................................... 172 10.2.1. Klasyfikacja termiczna ................................................................................... 172 10.2.2. Klasyfikacja geograficzna mas powietrza ...................................................... 176 10.3. Geneza i rodzaje frontów atmosferycznych ................................................................. 178 10.3.1. Ogólne wiadomo ś ci o frontach ....................................................................... 178 10.3.2. Klasyfikacja frontów ...................................................................................... 178 10.4. Fronty główne i fronty wtórne ..................................................................................... 179 10.5. Fronty ciepłe i fronty chłodne. Okluzja ....................................................................... 181 10.5.1. Front ciepły ..................................................................................................... 181 10.5.2. Front chłodny .................................................................................................. 182 10.5.3. Fronty zokludowane (okluzja) ........................................................................ 185 10.5.4. Front stacjonarny ............................................................................................ 187 10.5.5. Fronty a ci ś nienie ........................................................................................... 187 10.6. Szkwały ....................................................................................................................... 187 11. UKŁADY CI Ś NIENIA I CYRKULACJA W POZAZWROTNIKOWYCH SZEROKO Ś CIACH GEOGRAFICZNYCH ........................................................................................................... 189 11.1. Powstawanie i rozwój ni ż ów ....................................................................................... 189 11.2. Przemieszczanie si ę ni ż ów i wy ż ów ............................................................................ 192 11.3. Cechy pogody na obszarach ni ż ów i wy ż ów pozazwrotnikowych .............................. 196 11.4. Cyrkulacja w pozazwrotnikowych szeroko ś ciach geograficznych .............................. 197 12. PROGNOZOWANIE STANÓW POGODY ......................................................................... 199 12.1. Pogoda i czynniki j ą kształtuj ą ce ................................................................................. 199 12.2. Prognozy pogody i ich klasyfikacja ............................................................................. 200 12.2.1. Klasyfikacja ze wzgl ę du na okres wyprzedzenia ............................................ 200 12.2.2. Klasyfikacja prognoz ze wzgl ę du na odbiorców ............................................ 200 12.2.3. Ostrze ż enie o gro ź nych zjawiskach ................................................................ 201 12.2.4. Metody sporz ą dzania prognoz ........................................................................ 202 12.3. Organizacja słu ż b prognoz meteorologicznych ........................................................... 203 12.3.1. Ś wiatowy system prognoz .............................................................................. 203 12.3.2. Organizacja słu ż by prognoz meteorologicznych w Polsce.............................. 203 12.3.3. Sie ć stacji synoptycznych i posterunków hydrologiczno-meteorologicznych. 204 12.3.4. Sie ć radarów meteorologicznych POLRAD .................................................. 205 12.3.5. Sie ć wykrywania i lokalizacji wyładowa ń atmosferycznych PERUN ........... 207 12.3.6. Sie ć pomiarów aerologicznych ....................................................................... 208 12.3.7. Stacja odbioru danych satelitarnych ............................................................... 208 12.4. Mapy pogody ............................................................................................................... 209 12.4.1. Mapy synoptyczne........................................................................................... 209 12.4.2. Analiza mapy synoptycznej............................................................................. 212 12.4.3. Typowe układy cyrkulacyjne w Polsce ........................................................... 213 12.4.4. Prognozowanie pogody na podstawie obserwacji i oznak lokalnych .............. 215 7 12.5. Modele matematyczne w prognozach pogody ............................................................. 218 13. Ś WIATŁO I ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE ................................................. 220 13.1. Zjawiska optyczne w atmosferze. Wprowadzenie ....................................................... 220 13.2. Zjawiska optyczne zwi ą zane z istniej ą cymi w atmosferze ź ródłami ś wiatła ............... 220 13.2.1. Zorza polarna .................................................................................................. 220 13.2.2. Ś wiecenie nieba .............................................................................................. 221 13.2.3. Iryzacja ........................................................................................................... 221 13.3. Zjawiska zwi ą zane z molekularnym rozpraszaniem ś wiatła ....................................... 222 13.3.1. Sklepienie niebieskie ...................................................................................... 222 13.3.2. Barwa nieba .................................................................................................... 222 13.3.3. Zorza (barwy zmrokowe) ............................................................................... 223 13.4. Refrakcja atmosferyczna i jej efekty ............................................................................ 223 13.4.1. Pozorne zwi ę kszenie wysoko ś ci Sło ń ca, wydłu ż enie dnia ............................. 224 13.4.2. Spłaszczenie tarczy Sło ń ca i Ksi ęż yca. Zielony promie ń ............................... 225 13.4.3. Mira ż (fatamorgana) ....................................................................................... 225 13.4.4. Migotanie gwiazd ........................................................................................... 227 13.5. Zjawiska zwi ą zane z obecno ś ci ą w atmosferze stałych i ciekłych cz ą steczek ............ 227 13.5.1. T ę cza .............................................................................................................. 227 13.5.2. Gloria .............................................................................................................. 230 13.5.3. Halo ................................................................................................................ 230 13.5.4. Wie ń ce ............................................................................................................ 232 13.5.5. Pier ś cie ń Bishopa ........................................................................................... 232 14. ZJAWISKA ELEKTRYCZNE W ATMOSFERZE .............................................................. 233 14.1. Elektryczno ść atmosferyczna ...................................................................................... 233 14.1.1. Pole elektryczne atmosfery ............................................................................. 233 14.2. Burze ............................................................................................................................ 234 14.2.1. Rozwój chmury burzowej ( Cb ) ...................................................................... 234 14.2.2. Klasyfikacja burz ............................................................................................ 237 14.3. Wyładowania elektryczne ............................................................................................ 239 14.3.1. Wyładowania elektryczne, błyskawice ........................................................... 239 14.3.2. Rodzaje błyskawic .......................................................................................... 239 14.3.3. Uderzenia pioruna .......................................................................................... 242 14.3.4. Ognie ś w. Elma .............................................................................................. 244 14.3.5. Grzmoty .......................................................................................................... 244 15. KSZTAŁTOWANIE SI Ę KLIMATÓW ............................................................................... 246 15.1. Wprowadzenie ............................................................................................................. 246 15.2. Kształtowanie si ę klimatów ......................................................................................... 246 15.2.1. Procesy klimatotwórcze .................................................................................. 247 15.2.2. Klimaty morski i l ą dowy (kontynentalny) ...................................................... 250 15.3. Skala przestrzenna klimatu .......................................................................................... 252 15.3.1. Podział przestrzenny klimatu .......................................................................... 252 15.3.2. Klimat lasu (mezoklimat, klimat miejscowy) ................................................. 252 15.3.3. Klimat lokalny miasta ..................................................................................... 253 15.4. Klimaty Ziemi i ich klasyfikacja ................................................................................. 255 15.4.1. Klasyfikacja Köppena ..................................................................................... 255 15.4.2. Klasyfikacja Alisowa ...................................................................................... 256 15.4.3. Klasyfikacja Okołowicza ................................................................................ 257 15.5. Klimaty Europy ........................................................................................................... 260 15.6. Klimaty Azji ................................................................................................................ 262 8 15.7. Klimaty Afryki ............................................................................................................ 265 15.8. Klimaty Ameryki Północnej ........................................................................................ 267 15.9. Klimaty Ameryki Południowej .................................................................................... 270 15.10. Klimaty Australii ......................................................................................................... 272 15.11. Klimaty krain polarnych .............................................................................................. 274 16. KLIMAT POLSKI ................................................................................................................. 277 16.1. Wprowadzenie ............................................................................................................. 277 16.2. Czynniki cyrkulacyjne ................................................................................................. 277 16.2.1. Charakterystyka mas powietrza napływaj ą cych nad Polsk ę ........................... 278 16.2.2. Fronty atmosferyczne nad Polsk ą ................................................................... 281 16.3. Typy pogody wyst ę puj ą ce w Polsce ............................................................................ 282 16.4. Specyfika i zró ż nicowanie klimatu Polski ................................................................... 284 16.4.1. Klimatyczne pory roku ................................................................................... 284 16.4.2. Regiony klimatyczne Polski ........................................................................... 286 16.5. Elementy klimatu Polski .............................................................................................. 288 16.5.1. Ci ś nienie atmosferyczne ................................................................................. 289 16.5.2. Wiatr ............................................................................................................... 290 16.5.3. Promieniowanie słoneczne i usłonecznienie ................................................... 291 16.5.4. Zachmurzenie ................................................................................................. 293 16.5.5. Temperatura powietrza ................................................................................... 294 16.5.6. Wilgotno ść powietrza ..................................................................................... 298 16.5.7. Opady atmosferyczne ..................................................................................... 299 16.6. Ekstremalne zjawiska przyrodnicze ............................................................................. 303 16.6.1. Wprowadzenie ................................................................................................ 303 16.6.2. Nadzwyczajne zagro ż enia pogodowe w Polsce .............................................. 304 16.6.3. Maksymalne pr ę dko ś ci wiatru w Polsce i ich skutki ...................................... 304 17. ZMIANY I WAHANIA KLIMATU ..................................................................................... 307 17.1. Czynniki klimatotwórcze ............................................................................................. 307 17.2. Zmiany klimatu – hipotezy .......................................................................................... 308 17.3. Badania klimatu i ich wyniki ....................................................................................... 309 17.3.1. Metody bada ń zmian klimatu ......................................................................... 310 17.3.2. Badania polskie .............................................................................................. 311 17.4. Ochrona klimatu .......................................................................................................... 316 17.4.1. Wprowadzenie ................................................................................................ 316 17.4.2. Charakterystyka gazów cieplarnianych .......................................................... 318 17.4.3. Konwencje klimatyczne ................................................................................. 319 17.4.4. Protokół z KIOTO .......................................................................................... 320 Zał ą cznik tablic ............................................................................................................................. 321 Zał ą cznik fotografii ....................................................................................................................... 340 Spis rysunków ............................................................................................................................... 349 Spis tabel ....................................................................................................................................... 354 Bibliografia ................................................................................................................................... 356 Przedmowa Skrypt przeznaczony jest dla studentów Wydziału In ż ynierii L ą dowej i Ś rodowiska, kierunek In ż ynieria Ś rodowiska , jako pomoc i uzupełnienie do przedmiotu Meteorologia i Klimatologia, a tak ż e dla wszystkich osób zainteresowanych tymi zagadnieniami. Wiele zagadnie ń , które z racji ogranicze ń czasowych jest omawianych skrótowo pod- czas zaj ęć , zostało w skrypcie przedstawionych znacznie szerzej. Umo ż liwia to zaintereso- wanym czytelnikom lepsze poznanie genezy i przebiegu zjawiska, a tym samym gł ę bsze jego zrozumienie. W wielu przypadkach konieczne jest tak ż e odwołanie do literatury, do podstawowej wiedzy z innych dyscyplin, a przede wszystkim z fizyki, matematyki itp. Cennym i nowo- czesnym uzupełnieniem wiedzy s ą tak ż e profesjonalne serwisy Internetowe, z których na bie żą co mo ż na korzysta ć w celu na przykład sprawdzenia bie żą cej prognozy pogody lub sprawdzenia ostrze ż e ń meteorologicznych czy hydrologicznych (na przykład www.imgw.pl, www.ipcc.ch, www.ecmf.int, www.ametsoc.org, www.emetsoc.de, www.nws.noaa.gov, www.imgw.gdynia.pl/eo.html, www.rap.ucar.edu/weather/). Pragn ę w tym miejscu podzi ę kowa ć recenzentowi pracy Panu Profesorowi Jerzemu Cyberskiemu za wnikliwe uwagi, które były bardzo pomocne przy ostatecznej redakcji skryptu, oraz Pani Barbarze Ziółek za ogromn ą prac ę wło ż on ą w przygotowanie skryptu do druku. 10 Rozdzia ł 1 Wst ę p 1.1. Wprowadzenie Atmosfera, której ekwiwalentna grubo ść stanowi mniej ni ż 1% promienia Ziemi, jest niezb ę dna do utrzymania ż ycia na naszej planecie. Wi ę kszo ść procesów pogodotwórczych zachodzi i przemieszcza si ę w dolnej warstwie atmosfery grubo ś ci około 10 km. Atmosfera ziemska tworzyła si ę i ewoluowała do obecnej postaci około 400 mln lat temu, gdy bardzo bogata ro ś linno ść porastała l ą dy kuli ziemskiej. Atmosfera stanowi niezb ę dn ą osłon ę przed szkodliwym promieniowaniem słonecz- nym, a gazy j ą tworz ą ce podtrzymuj ą ż ycie ro ś lin i zwierz ą t, czyli biosfer ę , od której zale ż y ż ycie ludzkie. Stan atmosfery nad naszym globem jest bardzo zmienny, co wynika z ró ż nych proce- sów pogodowych. Ekstremalne zjawiska pogodowe, takie jak wichury, zamiecie ś nie ż ne, tajfuny, tornada, powodzie itp., maj ą ogromny, cz ę sto tragiczny wpływ na ż ycie ludzkie, mimo ż e potrafimy je ju ż przewidywa ć Gł ę bsze zrozumienie zjawisk atmosferycznych daje nadziej ę na lepsze przewidywanie kaprysów pogody, a tak ż e na ich kontrolowanie i modyfikacj ę w celu osłabienia ich nisz- cz ą cego działania. D ąż enia te stanowi ą cel nauk atmosferycznych, w tym głównie meteoro- logii, postrzeganej cz ę sto jako fizyka procesów pogodowych. Systemy pogodowe, które powoduj ą ró ż norodno ść stanów atmosfery, ró ż ni ą si ę za- równo rozmiarami, jak i skal ą czasu. Wyró ż nia si ę cztery skale systemów pogodowych: mezoskal ę , skal ę synoptyczn ą , skal ę planetarn ą i skal ę mikrometeorologiczn ą Systemy mezoskalowe s ą to systemy o rozci ą gło ś ci poziomej, rz ę du kilku kilometrów i czasie trwania kilku godzin, na przykład burze ( ok. 10 km). Systemy o skali synoptycznej obejmuj ą swym zasi ę giem kilka tysi ę cy kilometrów, a ich czas trwania jest rz ę du kilku dni. Przykładem s ą cyklony niskich szeroko ś ci geogra- ficznych czy tajfuny tropikalne. Przykładem systemów w skali planetarnej s ą pr ą dy ogólnej cyrkulacji atmosferycz- nej, obejmuj ą ce swym zasi ę giem obszary od 5000 do 10 000 km i trwaj ą ce kilka tygodni. Systemy mikrometeorologiczne dotycz ą lokalnych zjawisk, przebiegaj ą cych w po- bli ż u powierzchni Ziemi, o czasie trwania rz ę du kilku minut, odbywaj ą cych si ę cz ę sto pod osłon ą ro ś linno ś ci, np. lokalne tr ą by powietrzne. Poj ę cie klimatu wprowadza natomiast dłu ż sz ą skal ę czasow ą . Klimat jest szerokim poj ę ciem, uwzgl ę dniaj ą cym stan atmosfery w ci ą gu długiego czasu i obejmuj ą cym wpływ wszystkich zjawisk pogodowych – zarówno ekstremalnych, jak i u ś rednionych. Rozró ż nia si ę równie ż ró ż ne skale klimatu: globalne (makroklimat), regionalne, lokalne (mezoklimat, mikroklimat) itp. 12 Kluczem do procesów atmosferycznych jest energia promieniowania, któr ą Ziemia i atmosfera otrzymuj ą od Sło ń ca. Dopływ tej energii do powierzchni Ziemi w danym miej- scu i czasie zale ż y przede wszystkim od stanu i własno ś ci atmosfery. Poznanie natury, składu i głównych własno ś ci atmosfery jest podstawowym zadaniem tego skryptu. Struktura pracy odzwierciedla to podej ś cie. W pierwszej cz ęś ci omawia si ę zadania, rol ę i główne etapy rozwoju meteorologii, a nast ę pnie jej fizyczne podstawy – rol ę kształtu i ruchu Ziemi. W kolejnych rozdziałach poznajemy budow ę i skład atmosfery, jej rol ę w globalnej wymianie energii, bilans wilgoci i systemy wiatrów. Nast ę pnie omawia si ę procesy pogodotwórcze i systemy klimatów. W zał ą cznikach podaje si ę przydatne tablice oraz fotografie niektórych chmur i zja- wisk meteorologicznych. 1.2. Przedmiot i zadania meteorologii Meteorologia (z greckiego meteoros − unosz ą cy si ę w powietrzu, logos − nauka) jest to nauka o atmosferze ziemskiej i zachodz ą cych w niej zjawiskach, stanowi dział geofizyki – fizyk ę atmosfery. Meteorologia stawia sobie za zadanie poznanie i zrozumienie zjawisk atmosferycznych w celu ich przewidywania, a nawet kontrolowania i modyfikowania ich przebiegu. Zakres bada ń meteorologii jest obszerny i obejmuje: 1) budow ę i skład chemiczny atmosfery oraz jej stan fizyczny (temperatur ę , ci ś nienie, wilgotno ść , zachmurzenie, wiatr, opady itp.); 2) wymian ę energii cieplnej mi ę dzy atmosfer ą a powierzchni ą Ziemi i oceanami; 3) przemiany fazowe wody i obieg wilgoci w atmosferze;