ΤΟ ΝΕΡΟ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

Στόχος του κεφαλαίου είναι να: δούμε τον κύκλο του νερού στην ατμόσφαιρα δούμε από τι εξαρτάται η ποσότητα του κάθε στιγμή (εξάτμιση, υδατώδη κατακρημνίσματα) δούμε πώς μετριέται η ποσότητα του νερού (υγρομετρικές παράμετροι) γνωρίσουμε θεωρίες σχηματισμού νεφών

Κορεσμένος vs. Ακόρεστος αέρας Σε συγκεκριμένη θερμοκρασία ο αέρας μπορεί να συγκρατήσει ορισμένη ποσότητα υδρατμών. Αν η ποσότητα αυτή ξεπεραστεί, οι επιπλέον υδρατμοί συμπυκνώνονται. Όταν ο αέρας περιέχει την μέγιστη ποσότητα υδρατμών, λέγεται «κορεσμένος», ειδάλλως λέγεται «ακόρεστος».

…παρένθεση…. Ένα από τα “side effects” της υπερθέρμανσης του πλανήτη είναι ότι εφόσον επικρατούν μεγαλύτερες θ/σίες, περισσότερη ποσότητα υδρατμών μαζεύεται στην ατμόσφαιρα (σχέση Clausius-Clapyron)περισσότερο νερό+υδρατμοί μέσα σε ένα σύννεφοόταν βρέξει, βρέχει για τα καλάόλο και πιο συχνά θα είναι τα φαινόμενα λίγων αλλά έντονων βροχοπτώσεων….

ΥΓΡΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Τάση υδρατμών (e) οι υδρατμοί που δημιουργούνται από την εξάτμιση του νερού αναμειγνύονται με τον περιβάλλοντα ατμοσφαιρικό αέρα και ασκούν τη δική τους μερική πίεση (μέρος της ολικής ατμοσφαρικής πίεσης). Εξίσωση Clausius-Clapeyron:

2. Απόλυτη υγρασία (β) Είναι ο λόγος της μάζας των υδρατμών mυ προς τον όγκος Vα του αέρα, στον οποίο περιέχονται (gr/cm3). Για πρακτικές εφαρμογές, η απόλυτη υγρασία (σε gr/m3) και η τάση των υδρατμών (σε mmHg) εκφράζονται με τον ίδιο αριθμό: β=e

3. Αναλογία μίγματος (r) Είναι ο λόγος της μάζας mυ των υδρατμών του μείγματος προς τη μάζα md του ξηρού αέρα. Για τη συνολική μάζα ma του δείγματος αέρα, θα ισχύει ma= md+mu . Αποδεικνύεται ότι r= 0.622*(e/P-e) Επειδή όμως e<<P, r=0.622*e/P

4. Ειδική υγρασία (q) Είναι ο λόγος της μάζας mu των υδρατμών του δείγματος προς τη μάζα ma του δείγματος (ma= md+ mu) και εκφράζεται σε γραμμάρια υδρατμών ανά χιλιόγραμμο υγρού αέρα.

5. Σχετική υγρασία (RH ή ΣΥ) 1. Ο λόγος της μάζας mu των υδρατμών που περιέχονται σε δοσμένο όγκο υγρού αέρα, προς τη μάζα των υδρατμών msu που θα περιείχε ο όγκος αυτός, αν ήταν κορεσμένος με υδρατμούς, κάτω από τις ίδιες συνθήκες πίεσης P και θερμοκρασίας Τ. 2. Ο λόγος της τάσης των υδρατμών e προς τη μέγιστη τάση es αυτών, στην ίδια τιμή της θερμοκρασίας του δείγματος. 3. Ο λόγος της παρατηρούμενης αναλογίας μείγματος προς την αναλογία μείγματος κορεσμένου ατμοσφαιρικού αέρα που βρίσκεται στις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης.

Συνήθως η ΣΥ εκφράζεται σε ποσοστό %.

6. Έλλειμμα κόρου (SD) Είναι η διαφορά ανάμεσα στην τάση των υδρατμών (e) του ατμοσφαρικού αέρα και στη μέγιστη τάση των υδρατμών (es) στν ίδια θερμοκρασία. SD=es-e

6. Θερμοκρασία του σημείου δρόσου (Τd) Η θερμοκρασία στην οποία πρέπει να ψυχθεί ο αέρας –υπό σταθερή πίεση- έτσι ώστε να γίνει κορεσμένος (RH=100%). Η διαφορά Τ-Τd είναι καθοριστικής σημασίας για τον εντοπισμό της βάσης των νεφών, το σημείο δηλαδή στο οποίο ξεκίνησε η υγροποίηση των υδρατμών.

7. Υετίσιμο νερό (PW ή ΥΝ) Υετίσιμο νερό ενός ατμοσφαιρικού στρώματος λέμε το σύνολο των υδρατμών που περιέχονται σε μια στήλη του στρώματος μοναδιαίας τομής. ΥΝ=mu/S Υπολογισμός του ΥΝ. Μετριέται σε kgr/m2.

Κατανομή της υγρασίας στην ελληνική περιοχή

ΕΞΑΤΜΙΣΗ (EVAPORATION ή Ε) Η μετατροπή του νερού από την υγρή στην αέρια φάση. Η μετατροπή του νερού από την στερεά στην αέρια φάση  εξάχνωση. Η εξάτμιση γίνεται από τις υδάτινες επιφάνειες (ωκεανοί, θάλασσες, λίμνες) και από τις επιφάνειες χιονιού-πάγων.

Νόμος του Dalton

Η εξάτμιση εξαρτάται από: Θερμοκρασία νερού που εξατμίζεται (θερμοκρασία αέρα, ακτινοβολία) Υγρομετρική κατάσταση αέρα (κορεσμένος, ακόρεστος) Ταχύτητα ανέμου (ταχύτητα απαγωγής υδρατμών πάνω από την υδάτινη επιφάνεια) Ατμοσφαιρική πίεση

Μη μετεωρολογικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξάτμιση Η ποιότητα του νερού (όσο πιο αλμυρό το νερό, τόσο λιγότερη η εξάτμιση) Βάθος υδάτινης συλλογής (Α-9m, B-397m)

…συνέχεια Έκταση των εξατμιζόμενων επιφανειών Αναταρακτικές κινήσεις Μικρές επιφάνειες με μικρές τιμές σχετικής υγρασίας σημειώνουν μεγάλες τιμές ρυθμού εξάτμισης Μεγάλες επιφάνειες με μεγάλες τιμές σχετικής υγρασίας σημειώνουν μικρές τιμές ρυθμού εξάτμισης Αναταρακτικές κινήσεις έμμεση επίδραση γρηγορότερη απαγωγή υδρατμών, αλλαγή albedo

Εξάτμιση από διάφορες εδαφικές επιφάνειες Για δεδομένες μετεωρολογικές συνθήκες, ο ρυθμός εξάτμισης εξαρτάται από: Περιεκτικότητα του εδάφους σε υγρασία ο ρυθμός εξάτμισης ελαττώνεται καθώς η υγρασία της επιφάνειας ελαττώνεται. Τριχοειδή χαρακτηριστικά του εδάφους Δυνατότητα ανύψωσης της εδαφικής υγρασίας εξαιτίας του τριχοειδούς

…συνέχεια Βάθος υδροφόρου ορίζοντα Μέγιστο εξάτμισης όταν ο υδροφόρος ορίζοντας φτάνει μέχρι την επιφάνεια Χρώμα του εδάφους (εξαιτίας του albedo) Τα πιο σκοτεινόχρωμα εδάφη εμφανίζουν σημαντικά αυξημένο ρυθμό εξάτμισης σε σχέση με εκείνο των ανοικτόχρωμων. Παρουσία βλάστησης Η παρουσία βλάστησης ελαττώνει το ρυθμό εξάτμισης, γιατί: Εμποδίζει την ηλιακή ακτινοβολία Εμποδίζει τη ροή του ανέμου Αυξάνει τη υγρασία των παρεδάφιων αερίων στρωμάτων

ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ (EVAPOTRANSPIRATION ή ΕΤ) Διαπνοή: η διαδικασία κατά την οποία υδρατμοί διαφεύγουν από τα φυτά και εμπλουτίζουν την ατμόσφαιρα Εξατμισοδιαπνοή εκφράζει την μεταφορά των υδρατμών στην ατμόσφαιρα από μια επιφάνεια που καλύπτεται από βλάστηση.

Δυναμική εξατμισοδιαπνοή (Potential Evapotranspiration ή ΡΕ) Κατά Penman: η εξάτμιση μιας εκτεταμένης επιφάνειας μικρού ύψους πράσινης βλάστησης που σκιάζει απόλυτα το έδαφος, ενιαίου ύψους και με πλήρη επάρκεια νερού.(Δηλαδή η μέγιστη απώλεια νερού λόγω εξάτμισης από φυτοκαλυμμένη περιοχή.) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή (Actual Evaporatranspiration ή AE)

Παράγοντες που επηρεάζουν την ΑΕ Ηλιακή ακτινοβολία (ανάλογα) Θερμοκρασία (ανάλογα) Ατμοσφαιρική υγρασία (αντιστρόφως) Άνεμος (ανάλογα)

Στη Β’ Γυμνασίου μάθαμε ότι όταν η θερμοκρασία του αέρα πέσει αρκετά, τότε ο αέρας υγροποιείται. Είτε με ακτινοβολία είτε με μεταφορά σε ψυχρότερη περιοχή είτε με αδιαβατική εκτόνωση, ο υγρός ατμοσφαιρικός αέρας είναι δυνατόν να ψυχθεί και μέρος των υδρατμών να υγροποιηθεί. Κάθε ορατό σύνολο από υδροσταγονίδια ή/και παγοκρυστάλλια που αιωρείται στην ατμόσφαιρα λέγεται νέφος.

Συγκεντρώσεις CCN/cm3 πάνω από: Για να γίνει όμως η συμπύκνωση των υδρατμών, πρέπει να υπάρχουν και κάποιοι ‘υποκινητές’. Αυτοί είναι κάποια σωματίδια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. (Cloud Condensation Nuclei) Αυτά μπορεί να είναι σκόνη, θαλασσινό αλάτι, προϊόντα χημικών αντιδράσεων (π.χ. Sulphates). Συγκεντρώσεις CCN/cm3 πάνω από: ξηρά: 500 ωκεανούς: 100 Τι θα σημαίνει το παραπάνω για τα διάφορα μεγέθη σταγόνων πάνω από διαφορετικές περιοχές;

Ταξινόμηση των νεφών Ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους: Ατμοσφαιρικών διαταράξεων Ανοδικών ρευμάτων Ορογραφικά Μετωπικά Ανάλογα με το ύψος τους: Κατώτερα (μέχρι περίπου 2 km) Μέσα (2 μέχρι περίπου 6 km) Ανώτερα (μεγαλύτερο των 7 km) Κατακόρυφης ανάπτυξης

Νέφωση (cloud cover) Είναι το ποσοστό της έκτασης του ουράνιου θόλου που είναι καλυμμένος με νέφη. Διεθνώς, εκφράζεται σε όγδοα καλυμμένου ουρανού.

Υδροσυμπυκνώσεις μικρής κλίμακας Η δρόσος (dew) συμπύκνωση υδρατμών λόγω θερμικής ακτινοβολίας προς διάστημα αν θ<0°C μετά την συμπύκνωση  παγωμένη δρόσος Ιδιαίτερης σημασίας για τη γεωργία ευνοϊκές συνθήκες: καθαρός ουρανός τη νύχτα, άπνοια, μεγάλη τιμή υγρασίας Πάχνη (Frost) αν θ<0°C σχηματισμός παγοκρυστάλλων καταστρεπτική για τα φυτά άπνοια, καθαρός ουρανός, αρκετά χαμηλή θ/σία Ομίχλη (Fog) Ομίχλη ακτινοβολίας Ομίχλη μεταφοράς Ομίχλη βουνών Ομίχλη εξάτμισης ή θαλάσσιος καπνός

Υετός Το σύνολο των κατακόρυφων -κυρίως-κατακρημνισμάτων σε μορφή: βροχής, χιονιού, χαλάζης κ.ά.

Βροχή Είδαμε ότι όταν ο αέρας κρυώσει αρκετά, έχουμε συμπύκνωση των υδρατμών σε υδροσταγονίδια. Όταν πολλά υδροσταγονίδια ενωθούν, σχηματίζονται υδροσταγόνες. Όταν το μέγεθος τους γίνει τέτοιο ώστε το βάρος τους να είναι μεγαλύτερο από την άνωση, τότε πέφτουν στο έδαφος.

Όπως γνωρίζουμε, όλα τα νέφη δεν είναι βροχοφόρα Όπως γνωρίζουμε, όλα τα νέφη δεν είναι βροχοφόρα. Το αν θα είναι ή όχι εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: η συνύπαρξη των τριών φάσεων του νερού στο νέφος η ύπαρξη διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ γειτονικών περιοχών μέσα στο νέφος η ύπαρξη αναταρακτικών κινήσεων μέσα στο νέφος η ποσότητα νερού που πέφτει σε μια επιφάνεια εκφράζεται με το «ύψος βροχής» που μετριέται σε mm (1 mm=1kgr∙m-2).

Για τη μέτρηση της βροχής, χρησιμοποιούμε τους βροχογράφους ή βροχόμετρα:

Χιόνι Προϋπόθεση για να φτάσει το χιόνι στο έδαφος είναι το στρώμα μεταξύ του νέφους και του εδάφους να έχει θερμοκρασία μικρότερη από 0 °C. Η γραμμή των αιώνιων χιόνων έχει μεγάλη σημασία, γιατί η μετατόπιση της δηλώνει αξιόλογη κλιματική μεταβολή. Μεγάλη σημασία έχει η ημερομηνία της 1ης και της τελευταίας χιονόπτωσης μέσα στο έτος για γεωργικούς –ιδιαίτερα- σκοπούς.

Υδροσταγονίδια Παγοκρυστάλλοι Υδροσταγονίδια Παγοκρυστάλλοι Θερμά στρώματα Λιγότερο θερμά Θερμά στρώματα Στρώματα όπου θ<0 °C εξάτμιση βροχή βροχή χαλάζι

Nόμος του Fick ή νόμος της διάχυσης Βαθμίδα συγκέντρωσης Ροή ανά μοναδιαία επιφάνεια Συντελεστής διάχυσης

Από: Α Short Course in Cloud Physics, Rogers & Yau

Γνωρίζουμε ότι: 1 νεφοσταγονίδιο έχει ακτίνα ~0,01 mm όταν όλα τα νεφοσταγονίδια είναι όμοια, δεν υπάρχει κάποια διεργασία στο νέφος όταν εμφανιστούν κάποια ηγετικά νεφοσταγονίδια, τότε διαταράσσεται η ισορροπία

Δεν γνωρίζουμε ακριβώς: πώς γίνεται η συνένωση των νεφοσταγονιδίων, αφού διαταραχθεί η ισορροπία ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Διάφορες θεωρίες έχουν προταθεί: Θεωρία Bergeron-Findeisen Θεωρία σύγκρουσης και συνένωσης νεφοσταγονιδίων

Θεωρία Bergeron-Findeisen Μόνο για την περίπτωση που το βροχοφόρο νέφος περιέχει υδροσταγονίδια και παγοκρυστάλλια μαζί Η συνύπαρξη τριών φάσεων του νερού (υδρατμοί, νεφοσταγονίδια, παγοκρύσταλλοι) έχει σαν αποτέλεσμα την συνεχή ροή υδρατμών από τα νεφοσταγονίδια σε υπέρτηξη (super-cooled droplets) προς τα παγοκρυστάλλια.

Γιατί υπάρχει αυτή η ροή; Η μέγιστη τάση των υδρατμών πάνω από πάγο είναι σημαντικά μικρότερη από τη μέγιστη τάση των υδρατμών πάνω από νερό σε υπέρτηξη.

Αποτέλεσμα της ροής υδρατμών προς τα παγοκρυστάλλια Τα παγοκρυστάλλια αυξάνουν συνεχώς το μέγεθος τους σε βάρος των νεφοσταγονιδίων Για να αυξηθεί η διάμετρος ενός νεφοσταγονιδίου ή παγοκρυστάλλου από 0,01 mm σε 0,2 mm χρειάζονται 5 λεπτά. Για να διπλασιαστεί περαιτέρω, χρειάζονται 3 ώρες.

Θεωρία σύγκρουσης και συνένωσης (Collision and coalescence theory) Σε ένα νέφος υπάρχουν μόνο νεφοσταγονίδια, διαφορετικού μεγέθους Τα μεγαλύτερα έχουν μικρότερη τάση υδρατμών στην επιφάνεια τουςδημιουργείται μια συνεχής ροή από τα μικρότερα προς τα μεγαλύτερα

Το μέγεθος των τελικών βροχοσταγόνων εξαρτάται από: Τα σταγονίδια αυτά αυξάνουν περισσότερο το μέγεθος τους, μέσω συγκρούσεων με άλλα και ανοδικές κινήσεις σε ορισμένα νέφη Όταν το βάρος ξεπεράσει κάποια τιμή, πέφτουν, με νέες συγκρούσεις και συνενώσεις Το μέγεθος των τελικών βροχοσταγόνων εξαρτάται από: κατακόρυφη ανάπτυξη του νέφους ταχύτητα ανοδικών κινήσεων μέσα στο νέφος