Posts

Ο Άρης είναι ένας πλανήτης για τον οποίον ακόμα ξέρουμε λίγα. Ήδη έχουμε όμως μία βάση δεδομένων για να γνωρίσουμε την μετεωρολογία του κόκκινου πλανήτη.

 

Τα μετεωρολογικά δεδομένα που κατέγραψε το ρομποτικό όχημα Curiosity, το οποίο έμεινε στον κόκκινο πλανήτη για 458 sols (1 sol = 1 ημέρα στον πλανήτη Άρη, στην οποία ο πλανήτης κάνει μία πλήρη περιστροφή γύρω από τον εαυτό του), ήταν άκρως ενδιαφέροντα. Μάθαμε λοιπόν ότι ο Άρης παρουσιάζει εποχές όπως και η Γη, αλλά ο πλανήτης είναι αρκετά ψυχρότερος και ξηρότερος. Οι επιστήμονες συμπεραίνουν επίσης ότι ο Άρης στο παρελθόν έμοιαζε περισσότερο στη Γη, με μία πιο πυκνή ατμόσφαιρα, υψηλότερες θερμοκρασίες και τρεχούμενο νερό στην επιφάνειά του. Αυτό που δεν γνωρίζουμε ακόμα είναι το πως κατέληξε ο κόκκινος πλανήτης στη σημερινή του μορφή.

Στη συνέχεια, η αποστολή Insight προσεδαφίστηκε στον Άρη τον Οκτώβριο του 2018 με σκοπό να συλλέξει πληροφορίες για την ατμόσφαιρα και την τεκτονική του πλανήτη, ώστε να γίνει τελικά αναπαράσταση της ζωής του από την δημιουργία του έως σήμερα.

Τα μετεωρολογικά δεδομένα που λαμβάνονται από τα όργανα μέτρησης προέρχονται από την περιοχή Elysium Planitia, η οποία βρίσκεται κοντά στον “ισημερινό” του πλανήτη, σε γεωγραφικό πλάτος 1.8° Βόρειο και υψόμετρο -2600 μέτρα. Να σημειωθεί εδώ ότι ως σημείο μηδέν έχει οριστεί το σημείο με ατμοσφαιρική πίεση τα 610.5 Pascals ή αλλιώς 6 mb (η μέση ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της Γης είναι 1015mb). Αυτό είναι το τριπλό σημείο του νερού στον Άρη, στο οποίο μπορεί να βρίσκεται σε αέρια, υγρή και στερεή μορφή.

 

 

Πάμε να ρίξουμε μία ματια στα εποχιακά στοιχεία από τότε που προσεδαφίστηκε το Insight στον κόκκινο πλανήτη. Στο ακόλουθο γράφημα, ο γήινος χρόνος φαίνεται στο επάνω μέρος, ενώ στον κάτω άξονα φαίνονται η μέρες στον Άρη (sols). Οι κατακόρυφες χρωματισμένες στήλες διαχωρίζουν τις επχές στον Άρη.

Το πρώτο γράφημα απεικονίζει μέση ημερήσια θερμοκρασία (μαύρη γραμμή) και ημερήσια ελάχιστη/μέγιστη θερμοκρασία με τις γκρι μπάρες. Φαίνεται πως αν και η μέση θερμοκρασία δεν παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις μέσα σε ένα έτος κυμαίνοντας γύρω στους -60°C, η θερμοκρασιακή διαφορά μέσα σε μία μέρα είναι τρομακτική φτάνοντας ένα εύρος ακόμα και 90°C. Φαίνεται πως ένα βράδυ μέσα στην άνοιξη η θερμοκρασία μπορεί να πέσει και κάτω από τους -100°C, ενώ μία καλοκαιρινή ή φθινοπωρινή ημέρα μπορεί να ξεπεράσει και τους 0°C.

Το δεύτερο γράφημα δείχνει την ατμοσφαιρική πίεση, η οποία φαίνεται να εμφανίζει σημαντική μείωση το καλοκαίρι λόγω πιθανώς και της αύξησης θερμοκρασίας, η οποία έχει ως αποτέλεσμα και μία πιο αραιή ατμόσφαιρα.

Στο τρίτο και τέταρτο γράφημα φαίνεται η ταχύτητα και η διεύθυνση του ανέμου αντίστοιχα. Αν και δεν υπάρχει απαραίτητα ευκρινής τάση όσον αφορά την ταχύτητα, φαίνεται πως τους θερινούς μήνες είναι πιο αυξημένη ξεπερνώντας τα 20m/s ή αλλιώς τα 9 μποφόρ μέσα σε μία τυπική ημέρα. Η μέση ημερήσια ταχύτητα πάντως κυμαίνεται στα 3-4 μποφόρ (~5m/s). Όσον αφορά τη διεύθυνση του ανέμου το καλοκαίρι οι άνεμοι είναι νοτιάδες, ενώ τις υπόλοιπες εποχές πνέουν από βορειοδυτικές διευθύνσεις.

Το τελευταίο διάγραμμα δείχνει την αδιαφάνεια της ατμόσφαιρας. Πρόκειται για ένα μέτρο της ποσότητας του ηλιακού φωτός που μπλοκάρεται εξαιτίας της σκόνης. Φαίνεται πως τους χειμερινούς μήνες παρατηρείται μία αύξηση της αδιαφάνειας, η οποία ίσως να υπονοεί και πιο ασταθείς συνθήκες και επεισόδια καταιγίδων σκόνης.

 

Τονίζουμε ότι τα δεδομένα αφορούν συγκεκριμένο σημείο κοντά στον ισημερινό του Άρη. Αυτό σημαίνει ότι άλλες περιοχές του πλανήτη μπορεί να έχουν διαφορετικά κλιματικά χαρακτηριστικά.

 

 

Πηγή γραφήματος: NASA/JPL-Caltech/Cornell/CAB

 

 

Περισσότερες λεπτομέρεις μπορείτε να βρείτε και στα παρακάτω Links:

mars.nasa.gov

weather.com

www.abc.net.au

 

 

 

 

 

Η υψηλότερη ατμοσφαιρική πίεση στο Ηνωμένο Βασίλειο για πάνω από 60 χρόνια καταγράφηκε στην Ουαλία

 

Οι τιμές ατμοσφαιρικής πίεσης έφτασαν 1050,5 hectopascals (hPa) την Κυριακή το βράδυ – η υψηλότερη τιμή από τον Ιανουάριο του 1957 στη Σκωτία.

Οι εμπειρογνώμονες του καιρού ανέφεραν ότι ένα “απίστευτα ισχυρό” ρεύμα ατλαντικού αεροχειμμάρου είχε ωθήσει τεράστιες ποσότητες αέρα πάνω από το Ηνωμένο Βασίλειο.

Αυτό σημαίνει οτι ο καιρός θα μείνει αμετάβλητος με μερικά πρωινά που θα συνοδεύονται από παγετό για μερικές περιοχές.

Σύμφωνα με την μετεωρολογική υπηρεσία Weather BBC, το σύστημα υψηλής πίεσης “οδηγείται” από ανέμους που φτάνουν τα 238 μίλια / ώρα πάνω από τον κεντρικό Ατλαντικό ωκεανό.

Αυτό έχει οδηγήσει σε μια “συσσώρευση” αέρα πάνω από τα βρετανικά νησιά και την αύξηση της πίεσης του αέρα στην επιφάνεια της Γής.

Συγκριτικά, η μέση παγκόσμια πίεση αέρα είναι 1.013 hPa.

Σε αντίθεση με τις παραπάνω τιμές – κατά τη διάρκεια της πρόσφατης κακοκαιρίας Brenda , η πίεση του αέρα μειώθηκε στα μόλις 939 hPa καθώς το βαρομετρικό χαμηλό κινήθηκε κατά μήκος του βόρειου Ατλαντικού.

Η υψηλότερη καταγεγραμμένη τιμή ατμοσφαιρικής πίεσης στη στάθμη της θάλασσας στο Ηνωμένο Βασίλειο ήταν το 1902 στο Aberdeen, όταν αυτή έφτασε τα 1.053,6 hPa.

Πηγή: bbc.com

Οι μετεωρολογικοί χάρτες επιφανείας αποτελούν αναμφισβήτητα ένα βασικό εργαλείο για την πρόγνωση του καιρού. Στην πραγματικότητα, αποτελούν το σημείο από το οποίο ξεκινάει η διαδικασία της πρόγνωσης, αφού σε αυτούς τους χάρτες συνοψίζεται η λεγόμενη συνοπτική κατάσταση του καιρού. Η δημιουργία τους στηρίζεται στη συλλογή πραγματικών δεδομένων παρατήρησης του καιρού από το δίκτυο των επίγειων σταθμών του Παγκόσμιου Μετεωρολογικού Οργανισμού (ΠΟΜ). Παρόλα αυτά, τέτοιοι χάρτες είναι δυνατόν να παραχθούν και με βάση τα αποτελέσματα αριθμητικών προσομοιώσεων (προγνωστικοί χάρτες). Στο παρών άρθρο ωστόσο, θα εστιάσουμε το ενδιαφέρον μας στους χάρτες επιφανείας που προκύπτουν μέσω της ανάλυσης πειραματικών παρατηρήσεων, αντικαπτρίζοντας έτσι την πραγματική συνοπτική κατάσταση του καιρού μία ορισμένη χρονική στιγμή. Παραδοσιακά, η παραγωγή αυτών των χαρτών λαμβάνει χώρα 4 φορές κατά τη διάρκεια της ημέρας, στις 00, 06, 12 και 18 UTC.

Σε έναν μετεωρολογικό χάρτη επιφανείας το κύριο χαρακτηριστικό είναι οι γραμμές που ενώνουν περιοχές με ίσες τιμές ατμοσφαιρικής πίεσης (αναχθείσας στην μέση στάθμη της θάλασσας). Οι γραμμές αυτές ονομάζονται ισοβαρείς. Η χρησιμότητα των ισοβαρών γραμμών, και κατ’ επέκταση των χαρτών επιφανείας, έγκειται στο γεγονός πως επιτρέπουν την αναγνώριση συνοπτικών μετεωρολογικών χαρακτηριστικών όπως οι αντυκυκλώνες, οι υφέσεις, οι σκάφες και οι ράχες. Τέτοιου είδους χαρακτηριστικά συνδέονται, άμεσα ή έμμεσα, με συγκεκριμένους τύπους καιρού.  Παρακάτω, δίνονται σύντομες περιγραφές των συνοπτικών χαρακτηριστικών του καιρού που μπορεί κάποιος να αναγνωρίσει σε έναν μετεωρολογικό χάρτη επιφανείας.

Αντικυκλώνας (anticyclone/high)
Αντικυκλώνας ονομάζεται μία περιοχή επικράτησης υψηλών πιέσεων. Σε έναν αντικυκλώνα οι άνεμοι είναι κατά κανόνα ασθενείς, πνέοντας γύρω από το κέντρο των υψηλών πιέσεων με φορά όπως αυτή των δεικτών του ρολογιού (δεξιόστροφα). Πάνω από έναν αντικυκλώνα, ο ατμοσφαιρικός αέρας κατέρχεται (δημιουργώντας τις υψηλές πιέσεις) οπότε εμποδίζεται η δημιουργία νεφών. Γενικότερα, η παρουσία αντικυκλώνα πάνω από μία ορισμένη γεωγραφική περιοχή συνεπάγεται την επικράτηση αίθριων συνθηκών (απουσία καιρού).

Ύφεση
 (depression/low)

Ύφεση ονομάζεται μία περιοχή επικράτησης χαμηλών πιέσεων. Σε μία ύφεση οι άνεμοι μπορεί να είναι ισχυροί, πνέοντας γύρων από το κέντρο των χαμηλών πιέσεων με φορά αντίθετη από αυτή των δεικτών του ρολογιού (αριστερόστροφα). Αιτία των χαμηλών πιέσεων είναι η ανοδική κίνηση του ατμοσφαιρικού αέρα, η οποία συνεπάγεται επίσης τη δημιουργία νεφών και την πιθανή εκδήλωση υετού. Επομένως, ο καιρός που συνδέεται με τις υφέσεις (βαρομετρικά χαμηλά) είναι συνήθως ανεμώδης, νεφοσκεπής και μπορεί να συνοδεύεται από εκδήλωση φαινόμενων όπως βροχοπτώσεις ή χιονοπτώσεις. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι υφέσεις συνοδεύονται από μετωπικά συστήματα.

Σκάφη
 (trough)

Αυλώνας ονόμαζεται μία επιμηκυμένη περιοχή σχετικά χαμηλής πίεσης, η οποία συνδέεται συνηθέστερα με την παρουσία κάποιου μετώπου. Γενικότερα, η παρουσία αυλώνα σε μία περιοχή συνδέεται με τη δημιουργία καιρού, χωρίς ωστόσο αυτή να έχει εκτεταμμένο και διαρκή χαρακτήρα.

Ράχη (ridge)
Ράχη ονομάζεται μία επιμηκυμένη περιοχή σχετικά υψηλής πίεσης, οπότε θεωρείται το αντίθετο της σκάφης. Η παρουσία ράχης σε μία περιοχή είναι συνήθως συνώνυμη της καλοκαιρίας.

Μέτωπα (fronts)
Μέτωπο ονομάζεται το νοητό σύνορο μεταξύ δύο αερίων μαζών με διαφορετικά χαρακτηριστικά (π.χ. θερμοκρασία, υγρασία). Στο Β. ημισφαίριο, η κίνηση των μετώπων γίνεται κατά κανόνα από τα δυτικά προς τα ανατολικά. Ένα μέτωπο μπορεί να είναι ψυχρό, θερμό ή συνεσφιγμένο.
Σε ένα θερμό μέτωπο, προπορεύεται θερμός αέρας που αντικαθιστά ψυχρό αέρα. Καθώς ένα θερμό μέτωπο πλησιάζει σε μία περιοχή, παρατηρείται σταδιακή αύξηση της νεφοκάλυψης και τελικά, εκδήλωση υετού. Η ζώνη εκδήλωσης του υετού μπορεί να εκτείνεται έως και 15-30 km μπροστά από το μέτωπο, ενώ πίσω από αυτό ο υετός είναι κατά κανόνα ασθενέστερος. Το πέρασμα του θερμού μετώπου σηματοδοτεί την μετάβαση από σχετικά ψυχρές σε θερμότερες συνθήκες.
Σε ένα ψυχρό μέτωπο, προπορεύεται ψυχρός αέρας που αντικαθιστά θερμό αέρα. Η διέλευση ενός ψυχρού μετώπου από μία περιοχή συνδέεται με την μετάβαση από σχετικά θερμές και νεφοσκεπείς συνθήκες, σε ψυχρότερο και συνήθως αίθριο καιρό. Παρόλα αυτά, τα ψυχρά μέτωπα συνδέονται και με την εκδήλωση φαινόμενων σε μία πολύ στενή ζώνη που “αγκαλιάζει” το μέτωπο. Τα φαινόμενα αυτά μπορεί μάλιστα να είναι βίαια (π.χ. καταιγίδες), ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που το ψυχρό μέτωπο διέρχεται από θερμές υδάτινες επιφάνειες.
Το συνεσφιγμένο μέτωπο μπορεί να οριστεί ως το αποτέλεσμα της “συνάντησης” ενός θερμού και ενός ψυχρού μετώπου. Έτσι, ο καιρός μπροστά από το μέτωπο (σύσφιξη) είναι όμοιος με αυτόν μπροστά από ένα θερμό μέτωπο, ενώ πίσω από τη σύσφιξη επικρατούν συνθήκες που δημιουργούνται στην “πλάτη” του ψυχρού μετώπου.


Παράδειγμα – Εφαρμογή

Στην επόμενη εικόνα παρουσιάζεται ένα τυπικό παράδειγμα χάρτη ανάλυσης βαρομετρικών συστημάτων (μετεωρολογικός χάρτης επιφανείας), ο οποίος ισχύει για την 23/09/2012 ώρα 18 UTC (21 τοπική). Στη συνέχεια, θα επιχειρήσουμε να αναγνωρίσουμε τα βασικά συνοπτικά χαρακτηριστικά του καιρού επάνω σε αυτό το χάρτη, συνδέοντας τα παράλληλα με τους αντίστοιχους τύπους καιρού. Επιπρόσθετα, θα αξιοποιήσουμε και την αντίστοιχη δορυφορική εικόνα στο θερμικό υπέρυθρο για να διαπιστώσουμε πως τα δύο αυτά εργαλεία (επιφανειακοί χάρτες ανάλυσης και δορυφορικές εικόνες) μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την κατανόηση του παρόντος του καιρού.

Χάρτης 1. Επιφανειακός χάρτης ανάλυσης βαρομετρικών συστημάτων για την 23 Σεπτεμβρίου 2012, ώρα 18 UTC (21 τοπική) (Πηγή: Met Office)

 

Χάρτης 2. Δορυφορική εικόνα στο θερμικό υπέρυθρο για την 23 Σεπτεμβρίου 2012, ώρα 18 UTC (21 τοπική) (Πηγή: http://www.sat.dundee.ac.uk, EumetSat).

 

Στο χάρτη ανάλυσης των βαρομετρικών συστημάτων (Χάρτης 1) μπορούμε καταρχήν να παρατηρήσουμε την παρουσία ενός εκτεταμένου αντικυκλώνα (H) στο Κ. Ατλαντικό. Ο αντικυκλώνας αυτός είναι μάλιστα ημιμόνιμος και είναι περισσότερο γνωστός ως αντικυκλώνας των Αζόρων-Βερμούδων, επειδή το κέντρο του εντοπίζεται συχνότερα στη γεωγραφική περιοχή των Ν. Αζόρων-Βερμούδων. Γύρω από αυτό τον αντικυκλώνα οι άνεμοι πνέουν δεξιόστροφα, όπως υποδεικνύουν και τα κόκκινα βέλη στο Χάρτη 1.

Πέρα από τον αντικυκλώνα των Αζόρων, στον εξεταζόμενο χάρτη είναι εμφανής και η επικράτηση αντικυκλωνικών συνθηκών (υψηλές πιέσεις) στην ευρύτερη περιοχή της ΝΑ Μεσογείου. Εξαιτίας αυτής της διάταξης ο καιρός στη χώρα μας χαρακτηρίζεται αίθριος, όπως άλλωστε προκύπτει και από την εξέταση της αντίστοιχης δορυφορικής εικόνας (Χάρτης 2).

Συνεχίζοντας την εξέταση του χάρτη ανάλυσης, διακρίνουμε την παρουσία διαφόρων υφέσεων (L), στη Δ-ΒΔ και τη ΒΑ Ευρώπη. Γύρω από τα κέντρα των υφέσεων αυτών ο άνεμος πνέει αριστερόστροφα, όπως υποδεικνύουν τα μπλέ βέλη στο Χάρτη 1. Μπορούμε επίσης να παρατηρήσουμε πως οι συγκεκριμένες υφέσεις συνοδεύονται από μετωπικές επιφάνειες (μέτωπα). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το ψυχρό μέτωπο που εκτείνεται κατά μήκος της Ισπανίας (μπλε βέλος), το οποίο οδηγεί σε εκδήλωση καταιγίδων σε μία στενή γεωγραφική ζώνη που επισημαίνεται στην αντίστοιχη δορυφορική εικόνα (Χάρτης 2). Αντίστοιχη ζωνή υετού (Χάρτης 2) συνοδεύει το ψυχρό μέτωπο που βρίσκεται στην περιοχή της ΝΔ Ρωσίας.

Στην περιοχή ΒΔ της Μ. Βρεταννίας παρατηρείται επίσης η παρουσία κάποιου νεφικού σχηματισμού (Χάρτης 2), η οποία συνδέεται μάλλον με την ύπαρξη συνεσφιγμένου μετώπου στην ευρύτερη περιοχή (Χάρτης 1).

Τέλος, στο χάρτη ανάλυσης των βαρομετρικών συστημάτων έχουν επισημανθεί με κύκλους διαφορετικού χρώματος δύο συγκεκριμένες περιοχές. Η πρώτη από αυτές, ΒΔ της Ισλανδίας (πορτοκαλί χρώμα), επισημαίνει μία περιοχή σύγκλισης των ισοβαρών γραμμών. Αυτό συνεπάγεται την παρουσία ισχυρών ανέμων στη συγκεκριμένη περιοχή. Αντίθετα, η δεύτερη περιοχή, ΒΔ της Πορτογαλίας (γαλάζιο χρώμα), είναι περιοχή απόκλισης των ισοβαρών γραμμών. Αυτό συνεπάγεται την παρουσία ασθενέστερων ανέμων στη συγκεκριμένη περιοχή. Με άλλα λόγια, όσο πιο πυκνές είναι οι ισοβαρείς σε μία περιοχή, τόσο πιο ισχυρός αναμένεται να είναι ο συνοπτικός άνεμος.

Επιμέλεια-Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος – Φυσικός, Δρ. Φυσικής Περιβάλλοντος

Η κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας μεταβάλλεται συνεχώς. Για την περιγραφή των μεταβολών αυτών χρησιμοποιούνται τρεις μετεωρολογικές παράμετροι: (α) η θερμοκρασία, (β) η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα, και (γ) η ατμοσφαιρική πίεση.

Μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος
Ο ρυθμός με τον οποίο η θερμοκρασία μεταβάλλεται με το ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα ονομάζεται (κατακόρυφη) θερμοβαθμίδα. Η θερμοβαθμίδα ορίζεται ως η μεταβολή της θερμοκρασίας ανά μονάδα ύψους και εκφράζεται μέσα από την ακόλουθη σχέση:

Gamma =-frac{partial T}{partial z}

Το αρνητικό πρόσημο χρησιμοποιείται για να δηλώσει την ελάττωση της θερμοκρασίας με το ύψος. Όπως προκύπτει από την παραπάνω σχέση, η μονάδα μέτρησης της θερμοβαθμίδας είναι οι oC/km ή oC/100 m.

Η τιμή της θερμοβαθμίδας μεταβάλλεται ανάλογα και με την ποσότητα της υγρασίας στην ατμόσφαιρα. Έτσι, η θερμοβαθμίδα διακρίνεται στην ξηρή αδιαβατική και την υγρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα.

Η ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα είναι ίση με 1 oC/km. Σε αυτή την υποθετική περίπτωση θεωρούμε μία αέρια μάζα η οποία δεν περιέχει υδρατμούς και ανερχόμενη στην ατμόσφαιρα ψύχεται αδιαβατικά (δίχως ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον). Στην πραγματικότητα ωστόσο, κάθε αέρια μάζα περιέχει μικρότερη ή μεγαλύτερη ποσότητα υδρατμών. Για το λόγο αυτό, έχει επικρατήσει η χρησιμοποίηση μίας μέσης τιμής της θερμοβαθμίδας για τον υγρό αέρα της τροπόσφαιρας. Η θερμοβαθμίδα αυτή λαμβάνει τιμή ίση με 6-6.5 oC/km.

Η υγρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα αναφέρεται στην περίπτωση μίας αέριας μάζας η οποία είναι κορεσμένη σε υδρατμούς και η οποία ψύχεται αδιαβατικά καθώς ανέρχεται στην ατμόσφαιρα. Είναι μικρότερη από την ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα εξαιτίας της συμπύκνωσης των υδρατμών η οποία απελευθερώνει θερμότητα, ελαττώνοντας με τον τρόπο αυτό το ρυθμό μεταβολής της θερμοκρασίας. Η μέση τιμή της υγρής αδιαβατικής θερμοβαθμίδας είναι ίση με 5 oC/km.

Υποθέτοντας ότι η θερμοβαθμίδα έχει μία σταθερή ή περίπου σταθερή τιμή, ολοκληρώνοντας τη σχέση ορισμού της παίρνουμε:

T(z)=T(z_{o})-Gamma (z-z_{o})

όπου Τ(z) και Τ(zo) είναι η θερμοκρασία σε ύψος z και zo, αντίστοιχα. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση μπορούμε να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία σε ύψος z όταν είναι γνωστή η θερμοκρασία σε ύψος zo και η θερμοβαθμίδα.

TEMPERATURE PROFILE

Εικόνα 1. Κατακόρυφη μεταβολή της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα (κόκκινη γραμμή) και τα αντίστοιχα ατμοσφαιρικά στρώματα (Πηγή: Ahrens, D. 2009)

 

H καθ΄ ύψος μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα απεικονίζεται στην Εικ. 1. Με βάση αυτή την κατακόρυφη μεταβολή της θερμοκρασίας ορίζεται και η φυσική στρωμάτωση της ατμόσφαιρας, όπως περιγράφηκε σε προηγούμενο άρθρο.

Μεταβολή της πυκνότητας με το ύψος
Η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα (ρ) μπορεί να οριστεί ως η μάζα των ατόμων και των μορίων (m) ανά μονάδα όγκου (V):

varrho =frac{m}{V}

Μονάδα μέτρησης της είναι το 1 kg/m3, ενώ χρησιμοποιείται συνηθέστερα το 1 g/m3.

Για τον προσδιορισμό της κατακόρυφης μεταβολής της πυκνότητας με το ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα, χρησιμοποιείται η καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων:

 p=varrho frac{R}{M}T

όπου p είναι η ατμοσφαιρική πίεση, R η παγκόσμια σταθερά των ιδανικών αερίων (ίση με 8.314 J/mol K), Μ το μέσο μοριακό βάρος του ατμοσφαιρικού αέρα και Τ η θερμοκρασία. Θεωρώντας ότι η ατμόσφαιρα βρίσκεται σε υδροστατική ισορροπία και ολοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση για ένα ισόθερμο ατμοσφαιρικό στρώμα, καταλήγουμε:

varrho _{z}=varrho _{o}e^{-frac{gz}{R_{a}T}}

όπου ρz η πυκνότητα σε ύψος z, ρο η πυκνότητα στην επιφάνεια, g η επιτάχυνση της βαρύτητας, Rα η ειδική σταθερά των αερίων (R/M) και Τ η θερμοκρασία.

Εικόνα 2. Απλοποιημένη αναπαράσταση της καθ’ ύψος μεταβολής της πυκνότητας (μπλε γραμμή) και της ατμοσφαιρικής πίεσης (κόκκινη γραμμή) μέσα στην ατμόσφαιρα (Πηγή: Physics Stack Exchange)

 

Με βάση την τελευταία σχέση, προκύπτει ότι η πυκνότητα ελαττώνεται εκθετικά με το ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα της Εικ. 2.  Με απλά λόγια, θα μπορούσαμε να πούμε ότι μέσα στην τροπόσφαιρα η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα ελαττώνεται κατά ένα παράγοντα της τάξης του 10 για κάθε 17 km. Όσο πιο κοντά στην επιφάνεια βρισκόμαστε τόσο περισσότερο “πυκνός” είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. Αυτό είναι άλλωστε και το αναμενόμενο εάν αναλογιστούμε την επίδραση της δύναμης της βαρύτητας στα μόρια του ατμοσφαιρικού αέρα. Η επίδραση αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη “συμπίεση” του ατμοσφαιρικού αέρα κοντά στην επιφάνεια της Γης, όπως φαίνεται και στο αριστερό τμήμα της Εικ. 2.

Μεταβολή της πίεσης με το ύψος
Η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της Γης ορίζεται ως η δύναμη (B) ανά μονάδα επιφανείας (Α) που ασκεί η υπερκείμενη της επιφάνειας στήλη του ατμοσφαιρικού αέρα. Με άλλα λόγια, η ατμοσφαιρική πίεση περιγράφει τη δύναμη (βάρος) που ασκεί μία ατμοσφαιρική στήλη στην επιφάνεια:

P=frac{B}{A}

Μονάδα μέτρησης της πίεσης είναι το 1 N/m2. Στις ατμοσφαιρικές επιστήμες, ωστόσο, χρησιμοποιείται συνηθέστερα ως μονάδα μέτρησης το 1 mbar (1000 bar), όπου το 1 bar αντιστοιχεί σε δύναμη 10000 Ν ασκούμενη σε 1 m2 επιφανείας. Το 1 mbar είναι ταυτόσημη μονάδα με το 1 hPa, η οποία χρησιμοποιείται επίσης συχνά στη φυσική της ατμόσφαιρας.

Για τον προσδιορισμό της καθ’ ύψος μεταβολής της πίεσης χρησιμοποιείται η εξίσωση της υδροστατικής ισορροπίας. Με τον όρο υδροστατική ισορροπία περιγράφεται η κατάσταση εκείνη στην οποία η συνισταμένη των δυνάμεων που ασκούνται στην ατμόσφαιρα κατά τη κατακόρυφο διεύθυνση είναι ίση με μηδέν. Με άλλα λόγια, η υδροστατική ισορροπία “μεταφράζεται” σε απουσία κατακόρυφης επιτάχυνσης στην ατμόσφαιρα. Η θεώρηση αυτή δεν ισχύει σε καταιγιδοφόρα συστήματα, όπου και αναπτύσσονται ισχυρές κατακόρυφες επιταχύνσεις. Ωστόσο, η έκταση τέτοιων συστημάτων είναι μικρή συγκρινόμενη με την κατακόρυφη έκταση της ατμόσφαιρας, ώστε θεωρούμε ότι η τελευταία βρίσκεται πραγματικά σε υδροστατική ισορροπία.

 Η εξίσωση που περιγράφει την υδροστατική ισορροπία (υδροστατική εξίσωση) είναι η ακόλουθη:

frac{dp(z)}{dz}=-varrho (z)g

όπου το αριστερό μέλος αντιπροσωπεύει τη λεγόμενη δύναμη της βαροβαθμίδας (δύναμη που αναπτύσσεται εξαιτίας της μεταβολής της ατμοσφαιρική πίεσης) και το δεξί μέλος τη δύναμη της βαρύτητας. Η παραπάνω εξίσωση μας πληροφορεί πως ο ρυθμός μεταβολής της πίεσης με το ύψος είναι ανάλογος του γινομένου της πυκνότητας του αέρα επί την επιτάχυνση της βαρύτητας. Το αρνητικό πρόσημο υποδηλώνει την ελάττωση της ατμοσφαιρική πίεσης με το ύψος. Ολοκληρώνοντας την τελευταία εξίσωση για ένα ατμοσφαιρικό στρώμα με σχεδόν σταθερή θερμοκρασία (ισόθερμο) και λαμβάνοντας υπόψη την εξάρτηση της πυκνότητας από το ύψος (βλ. παραπάνω) καταλήγουμε:

p(z)=p(z_{o})e^{-frac{gz}{RT}}

όπου p(z) είναι η πίεση σε ύψος z, p(zo) η πίεση στην επιφάνεια, g η επιτάχυνση της βαρύτητας, R η παγκόσμια σταθερά των ιδανικών αερίων και Τ η μέση θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού στρώματος. Η τελευταία εξίσωση είναι γνωστή ως υψομετρική εξίσωση. Όπως προκύπτει από αυτή, η ατμοσφαιρική πίεση, όπως και η πυκνότητα, ελαττώνεται εκθετικά με το ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα. Το συμπέρασμα αυτό επιβεβαιώνεται και από την εξέταση του διαγράμματος της Εικ. 2. Ειδικότερα για την τροπόσφαιρα, η ατμοσφαιρική πίεση ελαττώνεται κατά ένα παράγοντα του 10 για κάθε 17 km.

Επιμέλεια-Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος, Φυσικός – Δρ. Φυσικής Περιβάλλοντος