Masy powietrza Wprowadzenie. Znajomość najważniejszych cech różnych rodzajów mas powietrza, pozwoli Ci na szybkie, wstępne oszacowanie warunków pogodowych, których możesz się spodziewać, lecąc w powietrzu o znanej charakterystyce konkretnej masy powietrza. W jednych, istnieją sprzyjające warunki do tworzenia się dużego zachmurzenia i występowania opadów przelotnych, podczas gdy w innych przeważać będzie pogodne niebo i nie będzie większych zagrożeń dla lotu. Na przykład, jeśli masa powietrza ma pochodzenie arktyczne, to zwykle będzie zawierać niewielką ilość wilgoci, a przy powierzchni ziemi będą występowały silne inwersje temperatury. Letnie, kontynentalno-polarne masy są całkiem odświeżające, jeśli następują po masie powietrza zwrotnikowo-morskiego, które daje gorącą i parną pogodę. Zwrotnikowe masy powietrza zawierają znacznie więcej wilgoci, a ich średnie temperatury od powierzchni ziemi do tropopauzy są wyższe. Tak czy owak, czy to masa powietrza uformowana nad suchymi regionami, czy też masa powstała nad obszarami morskimi, to obie będą miały określony wpływ na warunki pogodowe, które napotkasz w czasie lotu. I jeszcze jedna ważna uwaga. Zderzanie się dwóch różnych mas powietrza powoduje ogromne zróżnicowanie warunków atmosferycznych na linii ich styku/rozdziału (czyli na linii frontu atmosferycznego). Przeanalizujmy więc masy powietrza odrobinę bardziej szczegółowo. Obszary źródłowe. Obszarem źródłowym danej masy powietrza nazywamy obszar, gdzie nabywa ona swoje dwie charakterystyczne cechy, czyli temperaturę i wilgotność. Idealny obszar źródłowy powinien charakteryzować się: jednorodną powierzchnią lądową lub morską, jednorodną temperaturą oraz niewielkim ruchem powietrza nad nim. Generalnie, najlepszymi obszarami źródłowymi do tworzenia się specyficznych mas powietrza są rozległe powierzchnie lądowe lub morskie ze słabo wyrażoną topograficznie rzeźbą terenu oraz o niewielkim zróżnicowaniu temperaturowym. Wyraziste masy powietrza najlepiej tworzą się więc nad obszarami pustynnymi, na wysokich płaskowyżach, nad rozległymi tundrami pokrytymi śniegiem lub lodem oraz nad oceanami o jednorodnej temperaturze powierzchniowej. Obszary źródłowe są przeważnie w strefie oddziaływania quasi-stacjonarnych systemów barycznych, w których warunki pogodowe są raczej stabilne i nie zmieniają się przez względnie długie okresy czasu. Strefa średnich szerokości geograficznych jest raczej słabym obszarem źródłowym dla formowania się mas powietrza, ponieważ układy atmosferyczne bardzo rzadko zalegają tam na tyle długo, aby powietrze mogło uzyskać stosunkowo jednorodną charakterystykę. Jak tylko powietrze zacznie się przemieszczać z regionu źródłowego w kierunku innego obszaru, to natychmiast powstaje strefa frontowa, ponieważ różnice pomiędzy masami powietrza stają się bardziej wyraziste. Strefy frontowe rozdzielające dwie różne masy powietrza mogą być aktywne lub nieaktywne. Niektóre fronty atmosferyczne, jak np. front polarny rozdziela dwie masy powietrza prawie przez cały rok. Front ten jest silniejszy w okresie zimowym niż w letnim i rozdziela polarno-kontynentalną masę powietrza od masy powietrza zwrotnikowo-polarnego. Więcej informacji o froncie polarnym znajdziesz w Rozdziale 9. Ogólna klasyfikacja mas powietrza. Na Rysunku 8-1 przedstawione zostały źródłowe obszary powstawania podstawowych rodzajów mas powietrza na naszym globie. Jak zwykle omówimy tylko półkulę północną, ale z rysunku łatwo zauważyć, że na półkuli południowej mamy do czynienia z tymi samymi rodzajami mas powietrza. Podstawowymi masami powietrza, które kształtują warunki pogodowe na półkuli północnej są: Masa powietrza polarno- kontynentalnego (Pk) i arktyczno- kontynentalnego (Ak) powietrze zalegające nad północnymi kontynentami tworzy te dwie zimne i suche masy, które są dość stabilne. Masa powietrza polarno- morskiego (Pm) tworzy się nad północnymi regionami oceanów. Nie jest ono tak zimne jak masy Pk (zwłaszcza zimą) i zawiera dużo więcej wilgoci. Może być stabilne lub niestabilne. Masa powietrza zwrotnikowo- morskiego (Zm) tworzy się nad ciepłymi obszarami oceanów w okolicach 30 szer. geogr. w komórkach wyżowych. Zawiera dużo wilgoci i jest stabilne nad obszarem źródłowym. 1
Kiedy przemieści się nad ląd, staje się niestabilne co skutkuje latem gorącą i parną pogodą z dużą aktywnością burzową. W zimie natomiast, przynosi nad ląd duże zachmurzenie i mgły. Masa powietrza zwrotnikowo-kontynentalnego (Zk) tworzy się nad pustyniami lub nad wysokimi rozległymi płaskowyżami. Masy te są suche, gorące i niestabilne. Z powodu małej wilgotności ewentualne opady mają charakter przelotny. Kiedy jednak utworzą się opady, to są przeważnie związane z chmurami burzowymi o wysokich podstawach z występującym zjawiskiem virga lub też mogą się tworzyć intensywne opady przelotne, powodujące chwilowe lokalne podtopienia oraz bardzo silny niszczycielski wiatr. Obszary źródłowe tworzenia się podstawowych rodzajów mas powietrza. Masy powietrza kształtujące pogodę w Polsce. Polska leży w strefie klimatu przejściowego, pomiędzy klimatem umiarkowanym oceanicznym na zachodzie, a klimatem umiarkowanym kontynentalnym na wschodzie. Nad obszarem Polski ścierają się różne masy powietrza, co jest wynikiem położenia w centrum Europy oraz równoleżnikowego układu krain geograficznych. Największy wpływ na klimat Polski mają masy powietrza polarnomorskiego i polarno-kontynentalnego, decydujące o przejściowości klimatu polskiego. Nad Polskę napływają również masy powietrza arktycznego, zwrotnikowego morskiego i kontynentalnego, mające mniejszy wpływ na kształtowanie klimatu. Poniżej, krótka charakterystyka mas powietrza, które decydują o warunkach pogodowych w Polsce: Masa polarno-morska (Pm) wiosną i latem przynosi ochłodzenie, wzrost zachmurzenia i opady, a jesienią i zimą powoduje odwilż, i także duże zachmurzenie i opady ten typ powietrza przebywa nad terenami Polski przez około 65% dni w ciągu roku; Masa polarno-kontynentalna (Pk) wiosną i latem daje wysokie temperatury, małe zachmurzenie i nieliczne opady, a jesienią i zimą powoduje mroźną, ale za to przeważnie słoneczną pogodę z małym zachmurzeniem - występuje u nas przez około 30% dni w ciągu roku; Masa arktyczno-morska (Am) wiosną i latem przynosi ochłodzenie z dużym zachmurzeniem i opadami (czasem śniegu), a jesienią i zimą jest także przyczyną ochłodzenia oraz dużych opadów śniegu; Masa arktyczno-kontynentalna (Ak) wiosną i latem daje silne ochłodzenie, powodując przymrozki, ale bez opadów, bo jest sucha, a jesienią i zimą jest sprawcą mroźnej i śnieżnej pogody; Masa zwrotnikowo-morska (Zm) wiosną i latem przynosi gorące i wilgotne powietrze, które jest stosunkowo niestabilne, co powoduje dużą aktywność burzową. Zimą przynosi ocieplenie (odwilż), a ponieważ zawiera dużo wilgoci, powoduje formowanie się niskiego zachmurzenia i mgieł adwekcyjnych; 2
Masa zwrotnikowo- kontynentalna (Zk) wiosną i latem przynosi gorące i suche powietrze, a jesienią i zimą ciepłe i suche. Kierunki napływu mas powietrza nad Polskę. Modyfikacja mas powietrza. Modyfikacja, czyli zmiana wyjściowych parametrów uzyskanych przez daną masę powietrza nad jej obszarem źródłowym, zaczyna się natychmiast, kiedy powietrze zacznie się przemieszczać w kierunku nowej lokalizacji. Proces modyfikacji masy powietrza wpływa na wszystkie jej parametry, które w ostatecznym rozrachunku staną się jej cechami dominującymi. Stopień modyfikacji mas powietrza zależy od następujących czynników: prędkości z jaką powietrze się przemieszcza; rodzaju terenu nad który napłynęła; różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią w nowej lokalizacji, a powietrzem napływającym; grubości warstwy napływającej masy powietrza. Ogrzewanie od dołu. Kiedy chłodna masa przesuwa się nad cieplejszym podłożem, to jego ciepło przechodzi do niej. Podgrzane powietrze od dołu, wznosi się w konwekcyjnych prądach wstępujących na coraz wyższe wysokości. Proces ten powoduje, że powietrze zaczyna być coraz mniej stabilne. Wskutek mieszania się powietrza ogrzanego od dołu i wznoszącego się wyżej, z chłodniejszym na wyższych poziomach, zostaje zredukowana początkowa różnica temperatur podłoża i powietrza. Następująca analogia dobrze ilustruje proces konwekcyjny. Jeśli duży garnek z wodą jest ogrzewany na piecyku kuchennym, to ogrzana od jego rozgrzanego dna woda zacznie wznosić się w kierunku swojej powierzchni (Rys.8-2). Tak długo jak do garnka bezpośrednio będzie dostarczane ciepło, to ogrzewana od dołu woda, poprzez wznoszenie będzie mieszała się z chłodniejszą na górze i w ten sposób rozprowadzała ciepło w reszcie naczynia. Cieplejsza woda staje się niestabilna i wznosi się, ponieważ układ dąży do wyrównania temperatury w całej swojej objętości. W przykładzie tym, lokalne paczki podgrzanej wody są tzw. prądami termicznymi i dobrze ilustrują to, co się dzieje z ogrzewanym od dołu powietrzem. 3
Ogrzewanie od dołu powoduje niestabilność. Lokalnie podgrzane paczki powietrza także będą się wznosić, tworząc prądy termiczne. Prądy termiczne są to konwekcyjne prądy powietrza, które pozwalają na transfer ciepła pomiędzy warstwami o różnej temperaturze. Doskonałym przykładem ilustrującym działanie prądów termicznych, jest tworzenie się chmur cumulus. Prądy termiczne powodują też słabą turbulencję w niższych warstwach. Na Rys. 8-3 pokazany jest proces i skutek ogrzewania od dołu wilgotnego powietrza w funkcji czasu. Ogrzewanie od dołu wilgotnego powietrza. Wspominaliśmy już kilkakrotnie, że ląd w ciągu dnia nagrzewa się szybciej od wody oraz, że w nocy szybciej się od niej ochładza lub inaczej mówiąc, woda wolniej się ogrzewa, ale raz ogrzana, dłużej utrzymuje ciepło. Dlatego też, kiedy kończy się ciepła pora roku i zaczyna chłodna, to temperatura dużych zbiorników wodnych (także tych śródlądowych) znacznie przewyższa temperaturę stykających się z nimi lądów. W specyficznych sytuacjach może to doprowadzać do np. potężnych opadów śniegu Jak to się dzieje? Rozpatrzmy przykład wielkiego śródlądowego zbiornika wodnego, który jest cieplejszy od otaczającego go lądu. Nad zbiornik wodny napływa z północy, zimna i sucha masa powietrza arktycznego. Ogrzewanie od dołu zimnego powietrza przez cieplejszą wodę powoduje opady śniegu. 4
Dużo bardziej cieplejsza powierzchnia wody zaczyna ogrzewać od dołu chłodniejsze powietrze, które nad nim przepływa. Na dodatek, podczas ogrzewania się powietrza od wody, dostaje się do niego dodatkowa porcja pary wodnej ze zbiornika. W rezultacie tego powstaje duża chwiejność (niestabilność) powietrza, a powstające silne wstępujące prądy powietrza powodują intensywne tworzenie mocno wypiętrzonego zachmurzenia kłębiastego. Jeśli zbiornik wodny jest wystarczająco rozległy, to jest wystarczająco dużo czasu, aby chmury tak się wybudowały w pionie, że kiedy powietrze dochodzi do jego południowych brzegów na styku z lądem, z chmur zaczyna wypadać silny lub bardzo silny śnieg, któremu oczywiście towarzyszą niskie podstawy chmur i bardzo słabe widzialności. Spektakularnym przykładem takiej sytuacji jest występowanie obfitych opadów śniegu na południe od Wielkich Jezior w USA, kiedy mroźne powietrze znad równin Kanady zaczyna przemieszczać się w kierunku południowym. Każdej zimy, możemy oglądać w wiadomościach relacje ze sparaliżowanych śniegiem rejonów USA, leżących bliżej lub nawet stosunkowo daleko na południe od tych wielkich śródlądowych zbiorników wodnych. Ochładzanie od dołu. Kiedy masa powietrza napływa nad chłodniejsze podłoże, wtedy następuje przekazywanie ciepła z powietrza do gruntu. Proces ten powoduje zwiększenie stabilności powietrza. Jeśli ochłodzi się ono do swojej temperatury punktu rosy (Td), wtedy tworzą się niskie chmury stratus oraz/lub mgły. Można to porównać do sytuacji, kiedy garnek z wrzącą wodą, postawimy na bloku lodu (Rys.8-5). Ponieważ woda jest ochładzana od dołu, jej wrzenie ustaje, co powoduje jej powrotną stabilizację. Chłodniejsza woda pozostanie na dnie naczynia i nie będzie miała żadnego powodu do przemieszczania się do pozostałych jego części, ponieważ nie będzie miało miejsca żadne zjawisko konwekcji. W zasadzie, taka sama sytuacja zdarza się w atmosferze, gdy masa powietrza ochładzana jest od dołu, tylko oczywiście na większą skalę. Ochładzanie od dołu zwiększa stabilność. Pozostałe przyczyny modyfikacji mas powietrza. Topografia terenu, nad którym przepływa dana masa powietrza, modyfikuje ją na relatywnie krótkich dystansach. Para wodna może być dodana do dolnych warstw masy powietrza w wyniku parowania wody z powierzchni jezior, rzek, bagnistych terenów czy też ciekłych opadów atmosferycznych albo sublimacji z powierzchni lodu lub śniegu. Różnice w wysokościach naturalnych przeszkód terenowych takich jak góry czy też wniesienia, mogą powodować zmniejszanie ilości wilgoci zawartej w powietrzu, kiedy zmuszone ono jest do wznoszenia się wzdłuż pochyłego terenu. Stopień modyfikacji danej masy powietrza zależy od wyrazistości zróżnicowania topograficznego obszaru, nad którym przepływa. W czasie wymuszonego przez orografię wznoszenia się powietrza, jego modyfikacja nastąpi, kiedy zacznie zachodzić kondensacja pary wodnej. Po nawietrznej stronie zboczy pojawiają się wtedy chmury, które przysłaniają szczyty gór. Pogoda po nawietrznej i po zawietrznej stronie gór jest zupełnie różna. Na nawietrznej stronie kondensacji pary wodnej uwalnia wilgoć i niestabilne powietrze samo zaczyna się jeszcze bardziej wznosić i w końcu zostaje zmuszone do opadania po stronie zawietrznej. Powietrze ogrzane wskutek kompresji staje się znacznie cieplejsze i bardziej suche, co powoduje, że strona zawietrzna jest praktycznie wolna od zachmurzenia. 5
Opadanie powietrza zwiększa jego stabilność. Stabilność/równowaga powietrza. Równowaga masy powietrza determinuje charakter warunków pogodowych, które nam ona przyniesie. Zakładając, że masa ma wystarczającą ilość wilgoci/pary wodnej, to w poniższej tabeli przedstawione są ogólne typowe cechy stabilnych (o równowadze stałej) i niestabilnych (równowadze chwiejnej) mas powietrza. Masa powietrza stabilnego Zachmurzenie warstwowe i mgły Opady ciągłe Spokojne powietrze (zero turbulencji lub śladowa) Widzialność od dobrej do słabej Podsumowanie. Masa powietrza niestabilnego Zachmurzenie kłębiaste Opady przelotne Niespokojne powietrze (turbulencja) Dobra widzialność (z wyjątkiem widzialności w czasie opadów, zamieci pyłowych/piaskowych lub śnieżnych). Masy powietrza są to ogromne ilości powietrza, które mają w płaszczyźnie horyzontalnej właściwe dla siebie jednolite wartości wilgotności i temperatury. Masy powietrza formują się nad tzw. obszarami źródłowymi, gdzie powietrze zalega przez dłuższy czas i nabiera właściwych dla siebie cech charakterystycznych. Głównymi rodzajami mas powietrza które kształtują pogodę na półkuli północnej są: Polarno-morska (Pm); Polarno-kontynentalna (Pk); Arktyczno-morska (Am); Arktyczno- kontynentalna (Ak); Zwrotnikowo-morska (Zm); Zwrotnikowo-kontynentalna (Zk) Masy powietrza często migrują ze swoich obszarów źródłowych. Podczas wędrówki mogą, ale nie muszą ulec modyfikacji, co zależy głównie od rodzaju podłoża, nad którym się przesuwają oraz prędkości ich ruchu. Ogrzewanie masy powietrza od dołu zwiększa jej niestabilność (zmniejsza stabilność). Ochładzanie masy powietrza od dołu zmniejsza jej niestabilność (zwiększa stabilność). W czasie wznoszenia powietrze się ochładza wskutek rozprężania. W czasie opadania powietrze się ogrzewa wskutek sprężania. 6