Wilgotność powietrza i opady atmosferyczne

Cele:
Uczeń:

- zna rodzaje mas powietrza;
- wie, w jaki sposób dochodzi do opadów;
- wymienia rodzaje opadów, osadów i chmur;
- potrafi rozpoznać określone rodzaje chmur na niebie i nadaje im właściwe nazwy;
- zna rodzaje frontów atmosferycznych i potrafi z nimi powiązać odpowiedni rodzaj powstających chmur i charakter pogody;
- rozumie różnicę między wilgotnością względną i bezwzględną;
- zna przyczynę powstawania mgły;
- wskazuje miejsca na Ziemi, gdzie opady są wysokie albo wysokie i wymienia przyczyny takiego zróżnicowania.

Treści przedstawiane na lekcji:
Temperatura i wilgotność powietrza nad powierzchnią Ziemi jest uzależniona od szerokości geograficznej i warunków podłoża. Nad określonymi obszarami Ziemi, powietrze ma podobne cechy fizyczne.
Powietrze o podobnych cechach fizycznych, to masa powietrza.
W uzależnieniu od szerokości geograficznej przyjmuje ona podobne wartości nad danym obszarem źródłowym, np. nad równikiem, zwrotnikami, nad strefami umiarkowanymi, czy w strefach okołobiegunowych.
W zależności od zmian ciśnienia, masy powietrza przemieszczają się na inne tereny, kształtując tam odpowiednią pogodę.
Pogoda jest zatem w dużej mierze uzależniona od napływających mas powietrza. Jeśli powietrze napływa znad równika, to jest określane jako równikowe, jeśli znad zwrotników - zwrotnikowe, jeśli ze stref umiarkowanych - polarne i jeśli ze stref okołobiegunowych - arktyczne lub antarktyczne.
Wiele zależy też od tego, czy to jest obszar lądowy, czy morski. Masy powietrza są znacznie wilgotniejsze, kiedy tworzą się nad oceanami i suche, kiedy tworzą się nad lądami. Do głównych określeń mas powietrza dodaje się więc jeszcze odmiany: powietrze morskie lub kontynentalne.
Istnieje jeszcze kryterium termiczne, na podstawie którego określa się występowanie ciepłych i chłodnych mas powietrza. Nie stosuje się jednak przedziałów wartości temperatury, tylko określenie zależy od tego czy powietrze oddaje ciepło podłożu i ulega ochłodzeniu, czy ogrzewa się od podłoża.
Z temperaturą mas powietrza jest związana ich wilgotność, czyli zawartość pary wodnej w jednostce objętości tego powietrza. Wzrost temperatury powoduje wzrost objętości powietrza, a wtedy jest więcej miejsca dla pary wodnej. Spadek temperatury może powodować osiągnięcie punktu rosy, czyli moment, kiedy para wodna zawarta w powietrzu osiąga na skutek schładzania stan nasycenia. Poniżej tego momentu, para wodna zaczyna kondensować, czyli przechodzi w stan skupienia ciekły, lub resublimować - zamienia się w kryształki lodu, czyli przechodzi w stan skupienia stały.
Atmosfera stwarza idealne warunki dla zaistnienia takich procesów, bo oprócz gazów, znajdują się w niej jeszcze aerozole, które są jądrami kondensacji dla wody, czyli na nich może osadzać się woda. Woda na tych mikroskopijnych cząstkach tworzy mgłę, chmury, opad lub osad atmosferyczny. W szczególnych wypadkach, gdzie jest duże zanieczyszczenie powietrza, dochodzi do powstania smogu, zjawiska bardzo szkodliwego dla człowieka.
Najczęściej stosowaną miarą wilgotności powietrza jest:
- wilgotność względna - oznaczająca stopień nasycenia powietrza parą wodną: 1 lub 100% to wartości, które oznaczają powietrze wilgotne, w którym para wodna się skrapla, a 0 lub 0% to wartość która oznacza powietrze zupełnie suche. Jest to stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej do ciśnienia nasycenia.
- wilgotność bezwzględna - oznacza zawartość pary wodnej w jednostce objętości powietrza. Określa się ją w g/m3.
Efektem kondensacji pary wodnej jest powstanie chmur.
W zależności od ich wyglądu wyróżnia się podstawowe rodzaje:
- cirrus - chmury pierzaste;
- cumulus - chmury kłębiaste;
- stratus - chmury warstwowe.
Występują one na różnych wysokościach. Przyjmuje się, że powyżej 5 km (lub 7 km w niektórych opracowaniach) są chmury wysokie. W przedziale od 2 do 5-7 km są chmury średnie i poniżej 2 km są chmury niskie. Ich wysokość określa się od miejsca pomiarowego, a nie od poziomu morza.
Podstawowe rodzaje chmur mogą się mieszać i dlatego w piętrze wysokim obok cirrusów można spotkać jeszcze cirrocumulusy i cirrostratusy.
W piętrze niskim oprócz cumulusów i stratusów występują jeszcze stratocumulusy.
Są też chmury mocno rozbudowane, tzn. występujące na obszarze wszystkich pięter. Są to:
- cumulonimbusy - chmury burzowe, które powstają w miejscu znacznego nagrzania powierzchni Ziemi i uaktywnienia się silnych prądów konwekcyjnych mas powietrza;
- nimbostratusy - chmury deszczowe mocno rozbudowane, pojawiające się w miejscu, gdzie cieplejsze powietrze nasuwa się na obszar występującego, chłodniejszego powietrza.
Dla rozróżnienia wysokości, na której chmury się znajdują, w piętrze średnim dodaje się przedrostek alto-. Dlatego występują tam chmury altocumulus i altostratus.
Z przekroczeniem punktu rosy są związane także mgły. Powstają one przy powierzchni Ziemi na skutek:
- wypromieniowania ciepła z podłoża (mgły radiacyjne);
- napływu wilgotnej i ciepłej masy powietrza na chłodniejsze podłoże (mgła adwekcyjna).
Występowanie niektórych chmur może wywołać opady. Typowymi chmurami deszczowymi są najbardziej rozbudowane: nimbostratusy i cumulonimbusy. W przypadku nimbostratusów można się spodziewać długotrwałych i ciągłych opadów, a w przypadku cumulonimbusów pojawiają się ulewne deszcze (tzw. nawałnice) wraz z wyładowaniami atmosferycznymi.
Chmury te powstają najczęściej na granicy mas powietrza o różnych właściwościach fizycznych. Granica ta jest nazywana frontem atmosferycznym. Dlatego opad wywołany w taki sposób nazywa się frontalnym.
Front chłodny występuje, gdy na powietrze ciepłe nasuwa się masa powietrza chłodnego. Jego nadejście bywa gwałtowne, pojawiają się nagłe, intensywne opady deszczu i wyładowania atmosferyczne.
Front ciepły występuje, gdy na powietrze chłodne nasuwa się masa powietrza ciepłego. Jego nadejście jest powolne i przez długi okres występują opady, a niebo zakryte jest niskimi jednolitymi chmurami warstwowymi.
Front zokludowany występuje w miejscach, gdzie front ciepły styka się z frontem chłodnym.
Istnieją jeszcze opady konwekcyjne, wywołane wznoszeniem się ogrzanego powietrza (zwłaszcza w strefie międzyzwrotnikowej) i opady orograficzne, gdzie wznoszenie powietrza, jego ochładzanie i skraplanie jest wymuszone rzeźbą terenu (występowaniem bariery górskiej).
W zależności od rodzaju materiału, który dociera do powierzchni Ziemi, wyróżnia się:
- deszcz;
- śnieg;
- mżawkę;
- krupę śnieżną;
- grad.
Jeśli wilgoć zawarta w powietrzu osadzi się na powierzchni Ziemi, to powstaje osad atmosferyczny:
- rosa - kropelki wody w wyniku kondensacji pojawiają się na wychłodzonej powierzchni, np. na okularach;
- szron - lód, który w wyniku resublimacji, pojawia się na wychłodzonej powierzchni, np. na szybie samochodu;
- szadź - cząstki lodu powstające na skutek zamarzania przechłodzonych kropelek mgły lub chmury, np. na gałęziach drzew lub drutach telefonicznych;
- gołoledź - lód pojawiający się w wyniku zamarzania kropelek mżawki lub deszczu na różnych powierzchniach i przedmiotach, których temperatura wynosi ok. 00C, np. na asfalcie.
Osady nie występują na całej Ziemi z uwagi na rozkład temperatury, ale w Polsce można spotkać je wszystkie w różnych porach roku.
Wielkość opadów też jest zróżnicowana. Zależy od:
- krążenia mas powietrza;
- rzeźby terenu;
- szaty roślinnej;
- prądów morskich;
- rozkładu lądów i mórz;
- wysokości nad poziom morza.

Zadania i polecenia:
Minimum:
1. Wymień kilka nazw mas powietrza w uzależnieniu od szerokości geograficznej i od rodzaju podłoża.
2. Wyjaśnij pojęcia kondensacja i resublimacja.
3. Co to jest jądro kondensacji.
4. Kiedy dochodzi do osiągnięcia punktu rosy?
5. Wyjaśnij pojęcie smogu.
6. Wymień podstawowe rodzaje chmur.
7. Kiedy dochodzi do powstania mgły radiacyjnej, a kiedy adwekcyjnej?
8. Wymień chmury piętra wysokiego.
9. Wymień nazwy chmur burzowych.
Na lepszą ocenę:
1. Wskaż na mapie możliwe obszary tworzenia się mas powietrza.
2. Wyjaśnij, na czym polega różnica między wilgotnością względną, a bezwzględną.
3. Wskaż na mapie obszary z dużą ilością opadów i z małą ilością opadów i wyjaśnij od czego ta ilość zależy.
4. Wyjaśnij, w jaki sposób dochodzi do powstania frontu ciepłego, chłodnego i zokludowanego.
5. Jak dochodzi do powstania osadów.
6. W jaki sposób dochodzi do wykształcenia się cumulonimbusa?

Zapis lekcji:
1. Rodzaje mas powietrza;
2. Wilgotność względna i bezwzględna.
3. Chmury, osady, opady i mgły.
4. Fronty atmosferyczne.
4. Zróżnicowanie opadów na Ziemi.