Atmosfera ziemska. Pogoda i jej prognozowanie
 
Atmosfera ziemska. Pogoda i jej prognozowanie
Pogodę najlepiej można scharakteryzować przez podanie jej czynników (składników, elementów meteorologicznych), z których za najważniejsze uznać można: temperaturę i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru, rodzaj i wielkość zachmurzenia, wreszcie rodzaj i ilość opadu. O ile pogodę charakteryzują jej czynniki występujące w określonym miejscu i czasie, o tyle klimat jest charakteryzowany przez statystyczne (wieloletnie) rozkłady czynników pogodowych na określonym obszarze. Ludzie od lat obserwują przyrodę zbierając informacje o klimacie i próbując prognozować pogodę. Robili to już Babilończycy ponad 3000 lat temu. Meton w starożytnej Grecji (około 430 p.n.e.) prowadził regularne obserwacje kierunku wiatru, a Arystoteles około 340 p.n.e. napisał dzieło Meteorologica. Rozwój meteorologii wiąże się ściśle z rozwojem żeglugi i ekspansją cywilizacji europejskiej. Świadczy o tym np. angielska nazwa pasatów: trade winds, czyli dosłownie «wiatry handlowe». Kto znał rozkład wiatrów na oceanach, mógł prowadzić handel i ekspansję kolonialną. Odkrycie ciśnienia atmosferycznego (E. Torricelli) i prawa barometrycznego (B. Pascal) stworzyło fizyczne podstawy dla obserwacji pogody. V.F. Bjerknes w początkach bieżącego stulecia zorganizował nowoczesne służby meteorologiczne i opracował podstawy meteorologii dynamicznej, opartej na zastosowaniu praw dynamiki płynów do prognozowania pogody. L.F. Richardson w latach dwudziestych był prekursorem zastosowania metod numerycznych w synoptyce. Znajomość warunków klimatycznych i umiejętność prognozowania pogody także dziś ma duże znaczenie praktyczne. Wystarczy wspomnieć o zależności transportu czy rolnictwa, a także energetyki (np. pobór mocy elektrycznej) od pogody. Dobra znajomość lokalnych warunków klimatycznych pozwala na ocenę wpływu na środowisko planowanych inwestycji przemysłowych czy komunikacyjnych.
Wieloskalowość przepływów w atmosferze
Pogoda związana jest z ruchami (przepływami, cyrkulacją) powietrza w atmosferze w różnej skali, począwszy od ogólnej cyrkulacji atmosfery, przez antycyklony i cyklony, cyrkulacje frontowe czy lokalne (jak bryza), po porywy i podmuchy wiatru.
Każde z tych zjawisk występuje na obszarze o określonej wielkości, od tysięcy kilometrów po setki i dziesiątki metrów. Dokładniejsze pomiary szybkimi anemometrami pokazują, że w atmosferze występują też przepływy i cyrkulacje w mniejszej skali, nawet pojedynczych milimetrów. Dopiero w najmniejszej skali wpływ lepkości powietrza powoduje, że ruch staje się bezwirowy i nie można już w nim wyróżnić mniejszych struktur. Przepływy atmosferyczne we wszystkich skalach oddziaływują ze sobą, czemu towarzyszy wymiana energii. Są to przepływy turbulentne, tj. takie, w których ruch płynu odbywa się w sposób chaotyczny (zarówno jego prędkość, jak i kierunek zmieniają się w sposób losowy). Duże wiry rozpadają się na mniejsze zawirowania i wówczas mówi się, że energia kinetyczna przepływu jest transferowana w dół skali. Dopiero w zawirowaniach o skali milimetrów energia kinetyczna ulega dysypacji. Ten kierunek transferu energii przeważa w przepływach turbulentnych, ale lokalnie wiry mogą też łączyć się ze sobą, tworząc przepływy o większych rozmiarach. Energia kinetyczna jest wtedy transferowana w górę skali. Dodatkowo energia kinetyczna w przepływach atmosferycznych w różnych skalach może być wytwarzana w procesach termodynamicznych bądź z energii potencjalnej. Współczesna fizyka nie dysponuje jeszcze dobrą teorią opisującą tak skomplikowane przepływy turbulencyjne, dlatego też ścisły opis przepływów i cyrkulacji w atmosferze jest niemożliwy. Większość modeli przepływów w atmosferze tworzy się w następujący sposób: przy opisywaniu przepływów w określonej skali przepływy w skalach większych uwzględnia się poprzez warunki brzegowe, a zjawiska i procesy zachodzące w skalach mniejszych traktuje się w sposób uproszczony. Na przykład aby sformułować model opisujący ogólną cyrkulację atmosfery, należy uwzględnić w nim w uproszczony sposób zjawiska związane z antycyklonami i cyklonami, a nawet z chmurami, których rozmiary są przecież nieporównywalnie mniejsze. Badając chmury należy uwzględniać zarówno przepływy w większych skalach, jak i przepływy w skalach bardzo małych; od pierwszych zależą warunki, w jakich rozwija się chmura, one więc narzucają warunki brzegowe, od drugich (uwzględnianych w sposób uproszczony) zależy m.in. jak ewoluować będą cząstki chmurowe, czy i kiedy powstanie opad. Podsumowując można powiedzieć, że zakres charakterystycznych rozmiarów przepływów atmosferycznych obejmuje 10 rzędów wielkości, podobnie jak zakres charakterystycznych czasów tych przepływów (od roku do kilku milisekund). Z tego powodu ruchy w atmosferze jest niezwykle trudno opisać.
Obserwacje meteorologiczne
Aby prognozować pogodę czy opisać klimat, trzeba nie tylko dysponować modelem przepływów w atmosferze i oddziaływań między nimi, ale bezustannie mierzyć stan atmosfery. Zajmują się tym służby meteorologiczne, w Polsce zorganizowane w ramach Instututu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW). Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO), wyspecjalizowana organizacja ONZ z siedzibą w Genewie, koordynuje wpółpracę międzynarodową służb meteorologicznych, szczególnie w zakresie standaryzacji i wymiany informacji (danych obserwacyjnych: surowych i przetworzonych oraz prognoz). W tysiącach stacji i posterunków meteorologicznych na lądach i morzach wykonuje się w określonych terminach pomiary takich parametrów meteorologicznych, jak: temperatura, wilgotność, ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru, ilość i rodzaj opadów atmosferycznych oraz zachmurzenie. Aby wyniki można było porównywać ze sobą pomiary są wykonywane w jednakowych warunkach, zgodnych z zaleceniami WMO. Na przykład kierunek i prędkość wiatru mierzy się 10 m nad powierzchnią gruntu, a termometry do pomiaru temperatury powietrza umieszcza się 2 m nad powierzchnią gruntu w tzw. klatkach meteorologicznych, stanowiących zabezpieczenie przed efektami radiacyjnymi i zapewniających odpowiednią wentylację. Obecnie coraz więcej pomiarów wykonywanych jest w sposób ciągły przez automatyczne stacje meteorologiczne. Prócz pomiarów na powierzchni Ziemi dokonuje się, o oznaczonych porach, w setkach tzw. stacji aerologicznych (w Polsce w Legionowie, Wrocławiu, Poznaniu i Łebie) sondaży balonowych dostarczających informacji o pionowym rozkładzie ciśnienia, temperatury, wilgotności, prędkości i kierunku wiatru. Informacje z wybranych stacji (synoptycznych i aerologicznych) są natychmiast przesyłane w postaci specjalnie szyfrowanych depeszy meteorologicznych do centrali (w Polsce do siedziby IMGW w Warszawie). Tam, po weryfikacji i kontroli jakości, są one dostępne dla służb meteorologicznych i wykorzystywane do prognozowania pogody. Informacje ze wszystkich stacji i posterunków są gromadzone w bazach danych; na ich podstawie można sporządzić wieloletnie statystyki czynników pogody, czyli określić warunki klimatyczne. Klasyczne pomiary meteorologiczne uzupełniane są dziś rutynowo danymi uzyskanymi za pomocą tzw. metod teledetekcyjnych, gł. obserwacji satelitarnych i radarowych. Obrazy satelitarne używane przy prognozowaniu pogody są uzyskiwane z meteorologicznych sztucznych satelitów geostacjonarnych oraz z satelitów orbitujących po synchronicznych orbitach biegunowych. Obszar Europy jest w polu widzenia geostacjonarnego satelity Meteosat należącego do ESA. Satelita ten dostarcza co pół godziny obrazy w trzech zakresach widma fal elektromagnetycznych: 0,5–0,9 mm (tzw. zakres widzialny, nieco przesunięty w kierunku fal długich w stosunku do zakresu odbieranego przez oko ludzkie), 5,7–7,1 mm (pasmo absorbcyjne pary wodnej) oraz 10,5–12,5 mm (tzw. okno promieniowania termicznego Ziemi). Nad Polską kilkakrotnie w ciągu doby przelatują ponadto satelity poruszające się po orbitach biegunowych: amerykańskie z serii NOAA i rosyjskie z serii Meteor, także dokonujące obserwacji w kilku pasmach promieniowania. Radary meteorologiczne pracują w centymetrowym zakresie długości fal promieniowania elektromagnetycznego (mikrofale). Dostarczają informacji o bogatych w wodę bądź śnieg chmurach i o opadach w promieniu 150–200 km od miejsca obserwacji. Nowoczesne odmiany radarów meteorologicznych, wykorzystujące zjawisko Dopplera, pozwalają na uzyskanie informacji o polu wiatru. W wielu krajach istnieją sieci radarowe obejmujące swoim zasięgiem duże obszary. W Polsce działają radary meteorologiczne w Legionowie koło Warszawy, w Ramży koło Katowic i w Pastewniku koło Wrocławia. W najbliższych latach planuje się oddanie do użytku dalszych radarów i uruchomienie sieci obserwacji radarowych.
Prognozy pogody
Wyniki pomiarów i obserwacji, przeprowadzonych w tym samym czasie, pozwalają na wykreślenie map pogody, często uzupełnianych o informacje ze zdjęć satelitarnych czy z pomiarów radarowych. Mapy pogody są podstawą prognoz meteorologicznych. Jeszcze do niedawna prognozy przygotowywali synoptycy „ręcznie” w oparciu tylko o dane obserwacyjne i własne doświadczenie. Dziś mają do pomocy potężne narzędzia, m.in.: systemy wspomagania komputerowego kreślące natychmiast mapy pogody i różnego rodzaju diagramy, dostęp do baz danych, wspomagane komputerowo prognozy statystyczne i w końcu wyniki otrzymane za pomocą numerycznych (komputerowych) modeli prognostycznych. Aby otrzymać te ostatnie zatrudnia się do obliczeń największe na świecie superkomputery. Modele numeryczne to skomplikowane układy równań prognostycznych opisujących procesy fizyczne zachodzące w atmosferze, uzupełnione o algorytmy ich rozwiązywania wykorzystujące dane z obserwacji meteorologicznych. W wyniku obliczeń otrzymuje się prognozowane pola parametrów meteorologicznych, przede wszystkiem ciśnienia, wiatru i temperatury, niekiedy ilości opadów. W Europie działają aktualnie trzy najważniejsze ośrodki przygotowujące numeryczne prognozy synoptyczne: w Bracknell koło Londynu, w Tuluzie i w Offenbach koło Frankfurtu nad Menem. Istnieje także wiele ośrodków lokalnych korzystających z wyników obliczeń przy przygotowaniu lokalnych prognoz, opracowywanych w oparciu o doświadczenie synoptyków lub na podstawie dokładniejszych obliczeń numerycznych dla określonego obszaru.
Problem przewidywalności prognoz
Niestety, mimo rozwoju metod obserwacji i prognozowania pogody, opracowanie sprawdzających się w 100% prognoz jest niemożliwe. Jak wspomniano wyżej, błędy prognoz wynikają m. in. z faktu, że procesy zachodzące w mniejszych skalach uwzględnia się w modelach w sposób przybliżony. Jednak nawet gdyby te procesy udało się uwzględnić w sposób dokładny, to sprawdzalność prognoz nie byłaby stuprocentowa ze względu na własności atmosfery, polegające na tym, że w przepływach atmosferycznych dowolnie małe zaburzenie może w krótkim czasie tak się wzmocnić, iż zmienia charakter przepływu. Mówiąc słowami odkrywcy tego efektu, amerykańskiego meteorologa E. Lorenza, ruch skrzydeł motyla w tropikalnej puszczy może wywołać huraganowe wiatry w regionach odległych od niej o tysiące mil lub inaczej, bardzo mała niedokładność w danych początkowych może spowodować zasadnicze zmiany w obliczonych polach parametrów meteorologicznych. Odkrycie Lorenza z 1963 roku zapoczątkowało nową dziedzinę fizyki zajmującą się tzw. chaosem deterministycznym i pozwoliło na nowe rozumienie i matematyczne sformułowanie problemu przewidywalności, odnoszącego się nie tylko do prognoz pogody, ale do wielu procesów fizycznych, biologicznych, społecznych czy ekonomicznych.
 
Szymon Malinowski
Ilustracje
Atmosfera ziemska, schemat ogólnej cyrkulacji rys. J. Babicki i L. Maminajszwili/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia