meteorologia

meteorologia

[gr. metéōros ‘unoszący się w powietrzu’, lógos ‘słowo’, ‘nauka’],

nauka o atmosferze ziemskiej oraz zjawiskach i procesach w niej zachodzących;

jest jedną z gałęzi geofizyki. Często jako synonimów meteorologii używa się określeń „nauki atmosferyczne” lub „fizyka atmosfery”; niekiedy termin „meteorologia” jest używany w znacznie węższym znaczeniu, jako prognozowanie pogody lub nauka o pogodzie. Meteorologia zajmuje się głównie: składem i budową atmosfery ziemskiej, promieniowaniem w atmosferze ziemskiej, obiegiem ciepła w atmosferze i na powierzchni Ziemi, obiegiem wody i zmianami jej stanów skupienia w atmosferze (z uwzględnieniem wpływu podłoża na te procesy), ruchami powietrza w atmosferze, zjawiskami związanymi z elektrycznością w atmosferze ziemskiej oraz zjawiskami optycznymi i akustycznymi; obejmuje metody przewidywania rozwoju i przebiegu procesów atmosferycznych, bada także wpływ człowieka na te procesy oraz zależności między zjawiskami atmosferycznymi a życiem organizmów i różnymi formami praktycznej działalności człowieka. Podstawowym źródłem informacji o procesach atmosferycznych są wyniki bezpośrednich i zdalnych obserwacji i pomiarów meteorologicznych. Ponadto przeprowadza się różne doświadczenia zarówno w laboratoriach, jak i w warunkach naturalnych; często są to kampanie pomiarowe z wykorzystaniem statków, satelitów, samolotów, specjalnie ustawianych masztów i różnorodnych punktów pomiarowych. Korzystając z danych pomiarowych oraz wiedzy fizycznej i matematycznej, konstruuje się modele procesów atmosferycznych, które wykorzystuje się m.in. przy prognozowaniu pogody czy badaniu wpływu działalności człowieka na środowisko. Stosuje się również metody polegające na konstruowaniu fizycznych i matematycznych modeli zjawisk atmosferycznych i na ich badaniu przy użyciu komputerów (wykorzystywane głównie przy prognozowaniu pogody).

Rozróżnia się: meteorologię dynamiczną — zajmującą się dynamiką cyrkulacji atmosferycznej, mikrometeorologię — badającą procesy meteorologiczne zachodzące w małych skalach, meteorologię synoptyczną (potocznie zwaną synoptyką) — zajmującą się analizami stanu atmosfery na danym obszarze i prognozami pogody, a także termodynamikę atmosfery, fizykę chmur i opadów, chemię atmosfery, naukę o promieniowaniu w atmosferze (aktynometrię); rozróżnia się też: meteorologię tropikalną, meteorologię monsunu, meteorologię polarną — dziedziny zajmujące się procesami atmosferycznymi w określonych rejonach Ziemi, oraz meteorologię morską, lotniczą, górską, miejską czy agrometeorologię — badające procesy i zjawiska atmosferyczne związane z konkretnymi zastosowaniami, a także meteorologię satelitarną i radiometeorologię, zajmujące się uzyskiwaniem i interpretacją danych otrzymanych metodami teledetekcji; działem meteorologii jest też aerologia, badająca zjawiska i procesy zachodzace w atmosferze swobodnej (na wysokości od kilkudziesięciu m do 30 km). Meteorologia jest ściśle związana z hydrologią, oceanologią, klimatologią, naukami o środowisku i in.

Historia.

Próby zbadania zjawisk atmosferycznych oraz procesów rządzących pogodą i klimatem należą do najstarszych udokumentowanych przejawów działalności naukowej człowieka i spotyka się je we wszystkich kulturach starożytności. Początek badań meteorologicznych we współczesnym znaczeniu przypada na 1. połowę XVII w. i wiąże się z wynalezieniem termometru i barometru. B. Pascal udowodnił wówczas, posługując się barometrem, że ciśnienie atmosferyczne maleje ze wzrostem wysokości nad poziomem morza. Odkryto, że ruchy powietrza w atmosferze podlegają prawom fizyki, wyjaśniono przyczyny powstawania wiatrów. W 1735 angielski fizyk i meteorolog G. Hadley sformułował pierwszy model ogólnej cyrkulacji atmosfery, wyjaśniający istnienie pasatów; nieco później J.H. Lambert opisał powstawanie ruchów konwekcyjnych w atmosferze i podał zależności między ciśnieniem atmosferycznym a przebiegiem ruchów cyrkulacyjnych powietrza. Odkryto też (m.in. H.B. Saussure 1783), że zjawiska pogodowe są związane z temperaturą, wilgotnością i ciśnieniem powietrza. Badania nad przemianami fazowymi wody (m.in. J. Dalton) i rozwój termodynamiki w XVIII w. pozwoliły na wyjaśnienie procesów tworzenia się chmur i opadów. Około 1823 H.W. Brandes opracował pierwszą mapę synoptyczną. Wynalezienie i zastosowanie telegrafu umożliwiło w połowie XIX w. szybkie przesyłanie danych meteorologicznych; 1873 powstała Międzynarodowa Organizacja Meteorologiczna (ang. International Meteorological Organization), która zinstytucjonalizowała międzynarodową wymianę informacji meteorologicznych (1947 przekształcona w Światową Organizację Meteorologiczną). W końcu XIX i na początku XX w. zostały opublikowane prace H.V. Helmholtza, M. Margulesa, przede wszystkim zaś uczonych z tzw. szkoły norweskiej: V.F.K. Bjerknesa, T.H.P. Bergerona, H. Solberga, J.A.B. Bjerknesa, poświęcone cyrkulacji atmosferycznej oraz frontom atmosferycznym i masom powietrza w umiarkowanych szerokościach geograficznych. Zastosowanie praw hydrodynamiki do opisu przepływów atmosferycznych umożliwiło 1922 angielskiemu uczonemu L.F. Richardsonowi opracowanie numerycznej prognozy pogody. Po II wojnie światowej, w związku z rozwojem techniki obliczeniowej, zaczęto stosować w meteorologii metody modelowania matematycznego; w latach 60. amerykański meteorolog E. Lorenz, analizując jeden z modeli atmosfery, odkrył zjawisko chaosu deterministycznego, co znalazło zastosowanie przy opisie układów złożonych we wszystkich dziedzinach nauki, a w meteorologii pozwoliło zrozumieć ograniczenia występujące przy prognozowaniu pogody i zmian klimatycznych. Dalszy rozwój meteorologii był związany z doskonaleniem metod pomiarów i obserwacji meteorologicznych (satelita meteorologiczny, radar, lidar) oraz z doskonaleniem numerycznych metod prognozy pogody, wynikającym ze zwiększania się mocy obliczeniowej komputerów i możliwości transmisji danych oraz z odkrywaniem nowych metod rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych. Obecnie, w związku z bezzałogowymi i planowanymi załogowymi misjami kosmicznymi, zaczyna nabierać znaczenia meteorologia planetarna zajmująca się atmosferami najbliższych planet Układu Słonecznego.

Do rozwoju meteorologii w Polsce w XX w. przyczyniły się prace m.in.: M.P. Rudzkiego, R. Mereckiego, W. Gorczyńskiego, A.B. Dobrowolskiego, R. Gumińskiego, E. Romera, E. Stenza, H. Arctowskiego, T. Kopcewicza. Obecnie meteorologią w Polsce w zakresie związanym bezpośrednio z prognozowaniem pogody zajmuje się Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Badania z dziedziny nowoczesnej meteorologii są prowadzone w Instytucie Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego, na Politechnice Warszawskiej i w Wojskowej Akademii Technicznej, a także w Instytucie Geofizyki PAN i w Instytucie Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania oraz na uniwersyteckich wydziałach geografii i w akademiach rolniczych. Prace z dziedziny meteorologii są publikowane w wydawnictwach Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej oraz w: „Acta Geophisica Polonica” (wydawanym przez Instytut Geofizyki PAN) i „Przeglądzie Geofizycznym” (wydawanym przez Polskie Towarzystwo Geofizyczne).

Cyrkulacja cyklonalna powietrza, schemat, wraz z towarzyszącym mu układem frontów atmosferycznych. Liniami zamkniętymi w kolorze czarnym oznaczono izobary. Strzałki czerwone i niebieskie ilustrują kierunki przemieszczania się frontów: ciepłego (czerwona linia z półkolami) i chłodnego (niebieska linia z trójkątami) oraz okluzji (linia fioletowa z trójkątami i półkolami). Ciemne strzałki pokazują kierunek wiatru przy powierzchni ziemi. Schematycznie kolorem żółtym zaznaczono obszar zachmurzenia. Rejon, gdzie przy powierzchni ziemi zalega ciepłe powietrze zaznaczono kolorem brązowym. Obszar powietrza chłodnego zaznaczono kolorem niebieskim.

Front chłodny

Front ciepły

Front zokludowany

Inwersja temperatury

Ruchy wznoszące, cyrkulacja w niżu w przekroju pionowym

Wyż

Zjawiska optyczne, fatamorgana

Zjawiska optyczne, halo

Zjawiska optyczne, miraż morski

Zjawiska optyczne, miraż pustynny

Zjawiska optyczne, rozproszenie

Atmosfera ziemska, schemat ogólnej cyrkulacji