04. Woda w atmosferze

Atmosfera ziemska jest zbudowana z kilku warstw, z których najbliższa powierzchni ziemi nazywa się troposferą. Praktycznie cała woda atmosferyczna znajduje się w tej warstwie. Gdyby cała woda zawarta w troposferze spadła na powierzchnię ziemi (a jest tej wody 13 000 km³ — patrz plansza 6.) to cała ziemia pokryta byłaby warstewką wody o grubości 25 mm. Średni roczny opad na kuli ziemskiej wynosi 1130 mm. Wynika z tego, że każda cząsteczka wody musi wyparować i spaść na ziemię 45 razy (1130 podzielone przez 25 = 45).

Woda w atmosferze występuje w trzech stanach skupienia. Jako para wodna (w całej troposferze), jako woda ciekła (dolne partie chmur), jako kryształki lodu (w górnych partiach chmur).

Chmury dzielą się na chmury niskie, chmury średnie, chmury wysokie oraz chmury o budowie pionowej. Te pierwsze występują w warstwie atmosfery sięgającej 2,5 kilometra od powierzchni, drugie w warstwie od 2,5 do 6 km, a trzecie w warstwie powyżej 6 km.

Chmura cumulus znajduje się w warstwie pierwszej, ale cumulonimbus może sięgać prawie od powierzchni ziemi do końca troposfery. W strefie tropikalnej, nad równikiem może mieć od podstawy do wierzchołka prawie 19 kilometrów (dwa razy więcej niż ma najwyższa góra na świecie — Mount Everest).

Jak powstaje chmura?

Nagrzane od powierzchni ziemi powietrze zawierające parę wodną unosi się ku górze i jednocześnie ochładza się. Na pewnej wysokości uzyskuje temperaturę przy której para wodna zaczyna się skraplać (temperatura punktu rosy) i powstaje chmura. Ale jeszcze jeden warunek musi być spełniony — w powietrzu muszą znajdować się jądra kondensacji (małe drobinki kryształków soli lub pyłki) na których zaczynają osiadać cząsteczki pary wodnej. Jeżeli nie ma tych jąder kondensacji, to w powietrzu może być cztery razy więcej pary wodnej niż w sytuacji gdy jądra kondensacji są obecne. Poziom, na którym zaczyna się skraplać para wodna nazywa się poziomem kondensacji. Kropelki wody w chmurze mają średnicę mniejszą od 0,05 mm (50 mikrometrów).  Chmury, które mają małą wysokość w stosunku do ich długości i szerokości nazywają się warstwowymi (patrz powyżej) a te, w których proporcja wysokości do wymiarów poziomych jest duża nazywają się chmurami o budowie pionowej.

Jak powstają opady deszczu i śniegu?

Aby powstał opad musi nastąpić połączenie się małych kropelek wody w chmurze w większe krople, które mogą dosięgnąć ziemi. Zbyt małe kropelki nie dosięgają ziemi, gdyż wyparowują po drodze. W powietrzu o dużej wilgotności kropelki o średnicy 0,02 mm (20 mikronów) wyparowują już po przebyciu drogi 0,1 mm, czyli praktycznie natychmiast. Kropelki o średnicy 0,2 mm wyparowują po przebyciu 3 metrów. Krople deszczu mają zwykle średnicę od 0,5 mm do 5 mm. Większe krople są zazwyczaj niestabilne i rozpadają się w powietrzu. Aby powstała kropla deszczu o średnicy 0,5 mm musi się połączyć 1000 kropelek wody o średnicy 0,05 mm, a kropelka wody o średnicy 5 mm powstaje z połączenia miliona kropelek wody o średnicy 0,05 mm.

Jest wiele procesów fizycznych prowadzących do powstania kropel deszczu lub śnieżynek. Najważniejszym z nich jest osiadanie małych kropelek wody w chmurach na znajdujących się obok nich drobnych kryształków lodu. Te kryształki nazywają się zarodnikami lodowymi. Tak się dzieje wtedy, gdy górna część chmury znajduje się na wysokości, na której temperatura powietrza jest mniejsza niż 0°C.

Jak powstaje grad?

Grad powstaje tylko w chmurze burzowej o wielkiej rozpiętości pionowej. Grad powstaje zwykle w takiej sytuacji, gdy nad już dobrze nagrzaną powierzchnie ziemi napływa wilgotne i chłodne powietrze. Dla obszaru Polski taka sytuacja występuje najczęściej późna wiosną i wczesnym latem, chociaż może zdarzyć się i w innej porze. W takiej sytuacji podstawa chmury nagrzewa się od ciepłej powierzchni ziemi, a wierzchołek jest zimny. Powstaje duża różnica temperatury pomiędzy podstawą a wierzchołkiem chmury burzowej. To z kolei prowadzi do powstania silnych prądów pionowych (w skrajnych przypadkach prędkość pionowa powietrza osiąga wartość do 100 metrów na sekundę, czyli 360 km na godzinę). Powstała w górnych partiach chmury mała grudka śniegu zaczyna opadać, dostając się w coraz cieplejsze warstwy i zaczyna się topić. Ale natrafiając na wstępujący prąd powietrza zostaje poderwana do góry i zaczyna rosnąć dzięki osiadających na niej kropelkach. Taka sytuacja może się powtarzać aż do czasu, gdy gradzina osiąga ciężar, którego nie mogą unieść pionowe prądy wstępujące. Ziarna gradu mogą osiągać wielkie rozmiary (patrz plansza 10.), chociaż zwykle są wielkości grochu.

Arcydzieła przyrody w atmosferze

Jednym z ciekawszych i piękniejszych tworów przyrody związanych z wodą w środowisku przyrodniczym są śnieżynki — kryształki śniegu. Jeszcze nikt nie znalazł dwóch takich samych śnieżynek. Wszystkie mają jednak 6 ramion.

Jest 10 rodzajów chmur:

  • Chmury wysokie: pierzaste, pierzasto-kłębiaste, pierzasto-warstwowe
  • Chmury średnie: średnie-kłębiaste, średnie-warstwowe,
  • Chmury niskie: kłębiasto-warstwowe, warstwowe, warstwowo-deszczowe
  • Chmury o budowie pionowej: kłębiaste, kłębiasto-deszczowe (burzowe)

Rodzaje chmur warstwowych

Chmury wysokie

Chmury średnie

Chmury niskie

Pogoda
Odwiedź Łysy Młyn!
Wirtualna wycieczka po Łysym Młynie