Ατμόσφαιρα της Γης

Αστρονομία

Η γαλάζια ακτινοβολία του ορατού ηλεκτρομαγνητικού φάσματος απορροφάται λιγότερο από τα αέρια της γήινης ατμόσφαιρας σε σχέση με τα υπόλοιπα μήκη κύματος. Αυτό δίνει στην ατμόσφαιρα του πλανήτη το γνωστό του γαλάζιο χρώμα όταν βλέπεται από το διάστημα.

Με τον όρο ατμόσφαιρα της Γης εννοούμε το αέριο στρώμα που περιβάλλει τη Γη και συγκρατείται λόγω της βαρύτητάς της, φτάνοντας πρακτικά σε ύψος 3.500 χιλιομέτρων. Το όριο ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και το διάστημα δεν είναι αυστηρά καθορισμένο. Καθώς μεγαλώνει η απόσταση της από τη Γη η ατμόσφαιρα σταδιακά εξασθενεί και εξαφανίζεται σιγά σιγά στο διάστημα. Το υψόμετρο των 122 χλμ. ορίζει το σημείο που τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα γίνονται αισθητά κατά τη διάρκεια της επανεισόδου στην ατμόσφαιρα. Η γραμμή Κάρμαν στα 100 χλμ. λαμβάνεται επίσης συχνά σαν το σύνορο ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και το διάστημα.

Η ατμόσφαιρα προστατεύει τη ζωή στη Γη με το να απορροφά την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, να θερμαίνει την επιφάνεια της με την παρακράτηση της θερμότητας (φαινόμενο του θερμοκηπίου) και να μειώνει τις αυξομειώσεις της θερμοκρασίας ανάμεσα στη μέρα και τη νύχτα.

Στην ατμόσφαιρα της Γης οφείλεται η ύπαρξη ζωής, εφόσον σε αυτήν οφείλονται η απορρόφηση μεγάλου τμήματος της υπεριώδους ακτινοβολίας και η μείωση της διαφοράς των ακραίων θερμοκρασιών που θα υπήρχαν μεταξύ ημέρας και νύχτας χωρίς αυτήν χάρη στην παρακράτηση της θερμότητας (Φαινόμενο του θερμοκηπίου). Ο ξηρός αέρας αποτελείται κατά 78,08 % από άζωτο, 20,95% από οξυγόνο, 0,93% από αργό, 0,0395% από διοξείδιο του άνθρακα και από ίχνη άλλων αερίων. Η σύνθεσή της από την επιφάνεια της θάλασσας και μέχρι τα 80-100 χιλιόμετρα ύψος, παραμένει σχεδόν αμετάβλητη. Αντίθετα η πυκνότητά της ατμόσφαιρας ελαττώνεται πολύ γρήγορα, έτσι ώστε η αναπνοή στη κορυφή του Έβερεστ (8.848 μ.) να είναι πολύ δύσκολη μέχρι αδύνατη, αφού η πυκνότητά της εκεί, φθάνει μόλις τα 1/3 της πυκνότητας που παρατηρείται στην επιφάνεια της θάλασσας.

Γενικά

Ο ατμοσφαιρικός αέρας αποτελεί μείγμα πολλών αερίων, με το μεγαλύτερο ποσοστό σε όγκο να κατέχει το άζωτο (78%) και το οξυγόνο (21%). Εκτός αυτών, υπάρχει το διοξείδιο του άνθρακα, ευγενή αέρια, ίχνη υδρογόνου, όζοντος κλπ.
Στην ατμόσφαιρα επίσης αιωρούνται σχεδόν πάντα και μόρια κονιορτού, καπνού, άλατος (από τα σταγονίδια των κυμάτων) κλπ., καθώς και μεγάλη επίσης ποσότητα υδρατμών που προέρχεται από την εξάτμιση θαλασσών, λιμνών, ποταμών κλπ.

Το ποσό των υδρατμών αυτών μεταβάλλεται συνεχώς, αφού αυξάνει με την εξάτμιση και ελαττώνεται με τη πτώση ή εναπόθεση ως βροχή ή άλλων μορφών υετού στην επιφάνεια της Γης.

Η μεταβολή αυτή είναι και η κύρια αιτία, ως ένα βαθμό, για τις ευρείες μεταβολές των καιρικών φαινομένων σε έναν τόπο. Βέβαια, σε σύγκριση προς τη συνολική μάζα του αέρος, η εκάστοτε ποσότητα των υδρατμών στην ατμόσφαιρα είναι πολύ μικρή. Η σπουδαιότητα της ύπαρξης όμως αυτών των υδρατμών διαφαίνεται από το γεγονός ότι απορροφούν το 11% της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ εκλύουν μεγάλη ποσότητα θερμοκρασίας κατά τη συμπύκνωσή τους, που αν δεν υπήρχαν, ίσως η ζωή στη Γη να ήταν αδύνατη.

Γενικά, για να δημιουργηθούν οι περισσότερες ατμοσφαιρικές διαταράξεις, πηγές των καιρικών φαινομένων, δύο είναι οι κύριοι παράγοντες η θερμότητα και ο υδρατμός. Για τούτο και ο υδρατμός από μετεωρολογικής άποψης, αποτελεί το σπουδαιότερο συστατικό της γήινης ατμόσφαιρας.

Η ατμόσφαιρα είναι εκείνη, που συγκρατεί την υπεριώδη ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος, μέρος από τη κοσμική ακτινοβολία, είναι εκείνη που προκαλεί τους χρωματισμούς του ουρανού και των νεφών, ενώ συγχρόνως αποτελεί το μέσον στη διάδοση του ήχου, αλλά και στη διάχυση του φωτός.

Χωρίς αυτή, ο Ουρανός θα ήταν σκοτεινός, ενώ στη σκιά θα επικρατούσε πλήρες σκότος και οι αστέρες θα έλαμπαν με σταθερό φως συνέχεια, νύκτα και μέρα. Επίσης, η διάθλαση που συντελεί στο φαινόμενο τα ουράνια σώματα να φαίνονται υπερυψωμένα δεν θα υπήρχε, αλλά και ούτε αντικατοπτρισμός θα δημιουργούνταν.

Το όριο ανάμεσα στη γήινη και την ηλιακή ατμόσφαιρα δεν είναι ορισμένο με ακρίβεια: Το εξωτερικό σύνορο της ατμόσφαιρας αντιστοιχεί στην απόσταση στην οποία τα μόρια των ατμοσφαιρικών αερίων δεν υπόκεινται πλέον στην έλξη της γης και την επίδραση του μαγνητικού της πεδίου. Οι συνθήκες αυτές ισχύουν σε ένα υψόμετρο που ποικίλει ανάλογα με το γεωγραφικό μήκος και συνήθως είναι στα 60 χλμ. πάνω από τους πόλους και στα 30 χλμ. πάνω από τον ισημερινό. Αυτά τα νούμερα είναι απλά ενδεικτικά: το γήινο μαγνητικό πεδίο παραμορφώνεται διαρκώς από τον ηλιακό άνεμο. Η πυκνότητα της ατμόσφαιρας, επίσης, παρουσιάζει σημαντικές αυξομειώσεις. Εξάλλου η ατμόσφαιρα, όπως και το νερό των θαλασσών, υπόκειται στην επίδραση της τροχιάς του συστήματος Γη-Σελήνη και τις παρεμβολές της βαρύτητας της Σελήνης και του ήλιου. Για τον ίδιο λόγο που τα μόρια των αερίων, όντας ελαφρύτερα και λιγότερο στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους από τα μόρια του νερού, έχουν μεγαλύτερη ελευθερία κινήσεων από τα τελευταία, έτσι και οι ατμοσφαιρικές παλίρροιες είναι πολύ πιο έντονα φαινόμενα από τις θαλάσσιες.

Το ατμοσφαιρικό στρώμα μέχρι τα 80-100 χιλιόμετρα ύψος ονομάζεται ομοιόσφαιρα, καθώς επικρατούν συνθήκες πλήρους μίξης και ο αέρας έχει σταθερό μοριακό βάρος. Πάνω από αυτό το όριο (τυρβόπαυση) υπάρχει η ετερόσφαιρα. Η πυκνότητα εκεί είναι τόσο μικρή που τα μόρια και τα άτομα συγκρούονται λιγότερο συχνά με αποτέλεσμα τα αέρια να διαστρωματώνονται ανάλογα με το μοριακό τους βάρος. Επίσης, ουσίες που φυσιολογικά είναι αντιδραστικές (π.χ. τα ελεύθερα ριζικά) παρουσιάζουν μεγάλους χρόνους παραμονής στην ετερόσφαιρα, λόγω της ελάχιστης πυκνότητας των μορίων της ύλης. Μολονότι οι τελευταίες αραιότερες παρυφές της ατμόσφαιρας φτάνουν σε ύψος χιλιάδων χιλιομέτρων, το 99% της συνολικής της μάζας περιέχεται σε μία ζώνη από την επιφάνεια (ύψος 0) μέχρι του ύψους των 30 χιλιομέτρων.

Νέες μελέτες
Μια νέα μελέτη μαρτυρά πως το μέγεθος της ατμόσφαιρας του πλανήτη Γη απλώνεται και πέρα από τη Σελήνη, καθώς αυτή είναι σχεδόν διπλάσιας απόστασης Γης και Σελήνης. Μια νεότερη εκτίμηση παλιών αρχείων παρατηρήσεων δείχνει ότι η ατμόσφαιρα φτάνει έως 630.000 χιλιόμετρα ή αλλιώς σχεδόν 50 φορές όσο η γήινη διάμετρος. Αυτό προκύπτει από παρατηρήσεις του αμερικανικού ηλιακού παρατηρητηρίου SOHO που χρονολογούνται γύρω στο 2017 και η νέα έρευνα φέρεται να έγινε το 2019 όπως επισήμανε ο Ίγκορ Μπαλιούκιν από το Ινστιτούτο Διαστημικών Ερευνών της Ρωσίας.

Οδηγούμαστε έτσι στο συμπέρασμα ότι η Σελήνη κινείται χάρη σε αυτή την ατμόσφαιρα.

Στην εξώσφαιρα, δηλαδή στο σημείο όπου παρατηρείται ανάμειξη της ατμόσφαιρας με το διάστημα, υπάρχει ένα νέφος που ανακαλύφθηκε με το SWAN του SOHO, αποτελείται από άτομα υδρογόνου και λέγεται γεωκορώνα. Αυτή μαρτυρά την ύπαρξη αραιής ατμόσφαιρας πέρα από το φεγγάρι.

Στην πρώτη κιόλας φωτογραφία από το τηλεσκόπιο στη Σελήνη το 1972 που τοποθέτησαν οι αστροναύτες από το Απόλλων 16, εμφανίζεται η εικόνα μιας γεωκορώνας που λάμπει στο υπεριώδες φως. Όμως δεν έγινε αντιληπτό ότι αυτή συμπεριλαμβάνει την Σελήνη μέσα της. Τα άτομα υδρογόνου γίνονται αντιληπτά μέσω ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος, του Lyman-alpha, από το υπεριώδες φως. Αυτά τα άτομα απορροφούν και εκπέμπουν.

Αυτό το φως μπορεί να είναι ορατό μόνο από το διάστημα λόγω του ότι εκπέμπεται από τη γήινη ατμόσφαιρα. Άρα το SOHO μπορεί να καταγράψει το υπεριώδες φως Lynam-alpha από τη γεωκορώνα. Μπορούμε να πούμε ότι μια πυκνότητα 70 ατόμων υδρογόνου/κυβικό εκατοστό, παρατηρήθηκε ότι σε απόσταση 60.000 χιλιομέτρων από τη Γη, Κάτι που στη Σελήνη δε συμβαίνει γιατί η πυκνότητα φτάνει μόλις τα 0.02 άτομα/κυβικό εκατοστό.

Τα άτομα υδρογόνου δε συνιστούν κίνδυνο για περαιτέρω μελέτες αλλά η γεωκορώνα είναι δυνατό να κάνει παρεμβόλες σε τηλεσκόπια κοντά της ή σε παρατηρήσεις από το έδαφος της Σελήνης.

Ιστορία

Φιλόσοφοι όπως ο Αριστοτέλης και ο Εμπεδοκλής, εμπνευσμένοι από τη διαφάνεια, την ομοιογένεια και την αφθονία του αέρα οδηγήθηκαν σε πρώιμα συμπεράσματα σχετικά με τη φύση του. Τον κατέταξαν μαζί με το νερό, τη φωτιά και τη γη, στα τέσσερα πρωταρχικά στοιχεία του Σύμπαντος, σκέψη που διατηρήθηκε στο πέρασμα των αιώνων έως τον Μεσαίωνα.

Σήμερα γνωρίζουμε βεβαίως ότι ο ατμοσφαιρικός αέρας δεν είναι ένα ομοιογενές αέριο, αλλά μείγμα διαφόρων αερίων. Το θεμέλιο για αυτό έθεσε ο σπουδαίος Λεονάρντο Ντα Βίντσι (Leonardo Da Vinci, 1452-1519) ο οποίος παρατήρησε ότι αέρας που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την αναπνοή ή την τροφοδότηση της φωτιάς παύει να συντελεί στην καύση. Έναν αιώνα μετά, το έτος 1624, ο Φλαμανδός γιατρός Γιαν φαν Χέλμοντ (Jan van Helmont, 1579-1644) διαπίστωσε ότι ο αέρας δεν είναι στοιχείο εφόσον αποτελείται από ένα ή περισσότερα αέρια με διαφορές στη συμπεριφορά τους (εκείνος τα ονόμαζε ατμούς). Στην αντίληψη του αυτή συνέτεινε η παρατήρηση ότι ο αέρας περιέχει επίσης υγρή και στερεή φάση. Δυστυχώς, η επιστημονική κοινότητα της εποχής απέρριψε τις απόψεις του φαν Χέλμοντ.

Τα επόμενα χρόνια επιφανείς επιστήμονες προσπάθησαν να τεκμηριώσουν την πραγματική φύση του αέρα, όμως αυτό στάθηκε αδύνατο εξαιτίας του πλήθους των ασύνδετων μεταξύ τους γνώσεων και της πολυπλοκότητας της κατάστασης έως την ανακάλυψη του αζώτου το 1772 και του οξυγόνου το 1774. Η τιμή ανήκει στον πατέρα της θεωρίας της καύσης και της σύγχρονης χημείας τον Γάλλο Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ (Αntoine Laurent Lavoisier, 1743-1794) που παραβλέποντας τα περιττά και συνδυάζοντας τις τεκμηριωμένες εμπειρίες που είχαν συσσωρευτεί εν τω μεταξύ, υποστήριξε ότι ο αέρας είναι μείγμα οξυγόνου και αζώτου και συγκεκριμένα, το 1/5 ήταν το αέριο του Πρίστλεϊ που ο Λαβουαζιέ ονόμασε οξυγόνο, τα δε 4/5 ήταν το αέριο του Ράδερφορντ, το άζωτο. Η ακριβής αναλογία των δυο αυτών στοιχείων στον αέρα βρέθηκε το 1784 από τον Κάβεντις, που υποστήριξε πως η σύστασή τους είναι σταθερή παντού.

Κατακόρυφη δομή

Η χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας μέχρι το ύψος των 80-100 χλμ. είναι σχεδόν αμετάβλητη. Ανάλογα όμως της μεταβολής της θερμοκρασίας διακρίνονται σε αυτή τα ακόλουθα στρώματα:

1) Τροπόσφαιρα, από ύψος 0 μέχρι 9-18 χλμ. (ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος) όπου και η τροπόπαυση.
2) Στρατόσφαιρα, από την τροπόπαυση μέχρι τα 50 χλμ. όπου και η στρατόπαυση.
3) Μεσόσφαιρα, από την στρατόπαυση μέχρι τα 80 χλμ. όπου και η μεσόπαυση.
4) Θερμόσφαιρα ή Ιονόσφαιρα, από την μεσόπαυση μέχρι 800 χλμ. όπου η θερμόπαυση. Σε αυτό το κομμάτι της ατμόσφαιρας βρίσκεται ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός ISS.
5) Εξώσφαιρα, από θερμόπαυση μέχρι 3.500 χλμ.

Σημαντικότερο στρώμα, τόσο για την Μετεωρολογία, όσο ιδιαίτερα για τους ναυτιλλομένους, είναι η Τροπόσφαιρα, αφού εντός αυτής λαμβάνουν χώρα όλες οι μεταβολές του καιρού και όλα τα μετεωρολογικά φαινόμενα.

1η Σημείωση: Η εν λόγω κατακόρυφη δομή ορίσθηκε κατά την Μετεωρολογία και μόνο, και ουδεμία σχέση έχει με τη διαστρωμάτωση που κάνει η Αστρονομία για τον πλανήτη Γη.
2η Σημείωση: Η παραπάνω κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας σε στρώματα και καθορισμού ύψους εκάστου ορίσθηκε το 1962 από τον Παγκόσμιο Μετεωρολογικό Οργανισμό (W.M.O.).

Φαινόμενα ατμόσφαιρας

Ο συνδυασμός των φωτεινών και λοιπών ακτινοβολιών του Ήλιου, η διαφορετική πυκνότητα των στρωμάτων της ατμόσφαιρας και τα διαφορετικά φυσικά χαρακτηριστικά (όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η υγρασία), η εκάστοτε μορφή των υδρατμών (αέρια, υγρά και στερεά) στην ατμόσφαιρα όπως και άλλοι παράγοντες π.χ. ιονισμένα άτομα και μόρια των αερίων (ιόντα), προκαλούν σειρά από διάφορα οπτικά, ακουστικά και ηλεκτρικά φαινόμενα.

Τα φαινόμενα αυτά συμπληρώνουν το περιβάλλον που θεάται ο παρατηρητής. Και τέτοια φαινόμενα είναι το χρώμα του Ουρανού, τα χρώματα της ανατολής και της δύσης του Ηλίου, η Ηλιακή και η Σεληνιακή άλως, το ουράνιο τόξο, το πολικό Σέλας, η διάθλαση, ο αντικατοπτρισμός κλπ.

Ατμόσφαιρα και θάλασσα

Η αλληλεπίδραση ατμόσφαιρας και θάλασσας είναι όχι μόνο έντονη αλλά και σπουδαία, η ακριβής έκταση της οποίας όμως ακόμη δεν έχει πλήρως εξακριβωθεί.

Μερικές από τις αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις είναι: η δημιουργία των κυμάτων, των ανέμων, των ρευμάτων, κλπ.

Ατμοσφαιρική πίεση

Ατμοσφαιρική πίεση ή «Βαρομετρική πίεση» ονομάζεται η πίεση που ασκεί η ατμόσφαιρα με το βάρος της στην επιφάνεια της Γης, όπως αυτό καθορίζεται και από την ατμοσφαιρική κυκλοφορία.

Στην επιφάνεια της Γης η ατμοσφαιρική πίεση ισούται κατά μέσον όρο με το βάρος στήλης ύδατος ύψους 11 μ.(m) περίπου ή με το βάρος στήλης υδραργύρου ύψους 760 χιλ. (mm).

Η ατμοσφαιρική πίεση που υφίσταται το σώμα του ανθρώπου αντισταθμίζεται από τον αέρα και τα λοιπά ρευστά που κυκλοφορούν εντός του οργανισμού του.

Μέτρηση Ατμοσφαιρικής Πίεσης: Πείραμα Τορικέλι (Torricelli)
O Τορρικέλι (Torricelli) για να αποδείξει την ύπαρξη ατμοσφαιρικής πίεσης χρησιμοποίησε μια λεκάνη με υδράργυρο και ένα δοκιμαστικό σωλήνα. Γέμισε το δοκιμαστικό σωλήνα με υδράργυρο, τον αναποδογύρισε συγκρατώντας τον υδράργυρο και τον βύθισε στην λεκάνη κρατώντας τον όρθιο. Παρατήρησε ότι ο υδράργυρος άρχισε να πέφτει μέχρι να σταματήσει σε ένα σημείο πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου στην λεκάνη. Από το πείραμα αυτό διαπίστωσε ότι η στάθμη σταθεροποιείται πάντα στα 760 χιλιοστά περίπου πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου στη λεκάνη. Τελικά κατέληξε ότι ο υδράργυρος στη λεκάνη δέχεται πίεση από την ατμόσφαιρα, η οποία εξισορροπεί την πίεση που δέχεται ο υδράργυρος της λεκάνης από τον υδράργυρο στο σωλήνα. Σύμφωνα με την ισορροπία δυνάμεων η συνολική δύναμη, που δέχεται ο υδράργυρος από την ατμόσφαιρα, ισούται με το βάρος του υδραργύρου του δοκιμαστικού σωλήνα, που βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια του υδραργύρου της λεκάνης. Έτσι απέδειξε ότι υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση. Από το πείραμα αυτό μετράται η ατμοσφαιρική πίεση σε χιλιοστά στήλης υδραργύρου, δηλαδή σε mm Hg (το χημικό σύμβολο του υδραργύρου) ή προς τιμή του Τορικέλι σε torr.

Βαρομετρική τάση
Στην ατμοσφαιρική πίεση η βαρομετρική τάση ονομάζεται η τιμή της μεταβολής της ατμοσφαιρικής πίεσης εντός τριών ωρών προ εκάστης καθορισμένης κύριας(*) ώρας παρατήρησης.

Η βαρομετρική τάση λαμβάνεται από το διάγραμμα του βαρογράφου. Η κατανομή των βαρομετρικών πιέσεων και οι βαρομετρικές τάσεις αποτελούν σπουδαιότατα στοιχεία στις μεταβολές του καιρού.
(*) Οι επίσημες μετεωρολογικές παρατηρήσεις γίνονται σε καθορισμένα χρονικά μέρη του 24ώρου.
Σημείωση: Στα πλοία ο υφιστάμενος βαρογράφος δε δείχνει τη πραγματική τιμή της βαρομετρικής τάσης και τούτο, επειδή στον αναλογούντα χρόνο το πλοίο μετακινείται. Έτσι ένα μέρος της βαρομετρικής τάσης, που φαίνεται στο διάγραμμα, οφείλεται στη προχώρηση του πλοίου. Για το λόγο αυτό απαιτείται σχετική διόρθωση του διαγράμματος ανάλογα με την πορεία και την ταχύτητα του πλοίου.
Η ατμοσφαιρική ή βαρομετρική πίεση μεταβάλλεται «οριζόντια» και «κατακόρυφα» τόσο από τόπου εις τόπον, όσο και από χρόνου εις χρόνον παρατήρησης. Οι «οριζόντιες μεταβολές» είναι πολύ μικρότερες των «κατακόρυφων μεταβολών», πλην όμως έχουν εξαιρετική σημασία στη δημιουργία των καιρικών φαινομένων. Π.χ. οι άνεμοι είναι αποτέλεσμα αυτών των μεταβολών.

Ημερήσια μεταβολή Εκτός των παραπάνω οριζοντίων και κατακόρυφων μεταβολών παρατηρείται κατά τη διάρκεια του 24ώρου (24h), υπό ομαλή βεβαίως καιρική κατάσταση και η «ημερήσια μεταβολή», κατά την οποία η ατμοσφαιρική πίεση παρουσιάζει «διπλή κύμανση» με μέγιστη τιμή κατά τις ώρες 10.00 και 22.00, και ελάχιστη κατά τις ώρες 04.00 και 16.00. Το κύριο εύρος (διαφορά) αυτών είναι μικρό, 3,0 mm Hg στον Ισημερινό και 1,5 mm Hg στις εύκρατες περιοχές. Δηλαδή αυξανομένου του γεωγραφικού πλάτους αυτή ελαττώνεται.

Η σημασία της ημερήσιας βαρομετρικής μεταβολής στα τροπικά πλάτη είναι μεγάλη. Η δε διαταραχή στη πορεία της ημερήσιας μεταβολής της ατμοσφαιρικής πίεσης αποτελεί για τους ναυτικούς την πρώτη ένδειξη προσέγγισης τροπικού κυκλώνα.

Το φαινόμενο της «ημερήσιας μεταβολής» της ατμοσφαιρικής πίεσης ονομάζεται βαρομετρική παλίρροια. Στην πράξη χρησιμοποιείται περισσότερο, αντί του όρου ατμοσφαιρική πίεση, ο όρος βαρομετρική ως επίθετο, επειδή περιέχει την έννοια της πίεσης.

Θερμοκρασία ατμόσφαιρας

Θερμοκρασία ατμόσφαιρας ονομάζεται η θερμοκρασία την οποία έχει ο ατμοσφαιρικός αέρας πάνω από μια περιοχή. Η πρόγνωση του καιρού σε μια περιοχή βασίζεται κυρίως στη γνώση της εκάστοτε ατμοσφαιρικής πίεσης και της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας της υπ΄ όψιν περιοχής και των πέριξ αυτής εκτάσεων.

Συνεπώς η αναφορά αυτής της έννοιας σχετίζεται πάντα με κάποια περιοχή, είτε μικρή, είτε μεγάλη. Η αναφορά δε, σε παγκόσμια κλίμακα ανάγεται σε αντικείμενο άλλης επιστήμης.

Μετάδοση θερμότητας
Η μετάδοση θερμότητας στην ατμόσφαιρα γίνεται με τους ακόλουθους τρόπους:

1) Αγωγιμότητα, δηλαδή μεταφορά θερμότητας από μόριο σε μόριο. Γενικά η δι΄ αγωγιμότητας μεταφορά θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα είναι πολύ μικρή.
2) Κατακόρυφη μεταφορά. Λέγεται η μεταφορά θερμότητας εντός υγρού ή αερίου σώματος μέσω ανοδικών ή καθοδικών ρευμάτων εντός του σώματος. Η με αυτό το τρόπο μετάδοση θερμότητας, στην ατμόσφαιρα, είναι πολύ μεγάλη.
3) Οριζόντια μεταφορά. Λέγεται η μεταφορά θερμότητας εντός υγρού ή αερίου σώματος μέσω οριζοντίων ρευμάτων εντός του αυτού σώματος. Και με αυτό το τρόπο η μετάδοσης θερμότητας στην Ατμόσφαιρα είναι επίσης πολύ μεγάλη. Και η
4) Ακτινοβολία Που λέγεται η μεταφορά της θερμότητας υπό μορφή κυμάτων ενέργειας, όπως π.χ. του Ηλίου προς τη Γη ή εκ της Γης προς τον υπερκείμενο ενός τόπου αέρα και το διάστημα.
Κυριότεροι συνεπώς τρόποι μεταφοράς θερμότητας στην Ατμόσφαιρα από την επιφάνεια της Γης, που θερμαίνεται περισσότερο από τον Ήλιο είναι η κατακόρυφη μεταφορά και η οριζόντια μεταφορά.

Θερμοκρασία ατμόσφαιρας

Ο ατμοσφαιρικός αέρας θερμαίνεται αφ΄ ενός μεν από τις ηλιακές ακτίνες που τον διαπερνούν και αφ΄ ετέρου από την επιφάνεια του εδάφους που θερμαίνεται επίσης από την ηλιακή ακτινοβολία, πολύ όμως ισχυρότερα του αέρος. Γι αυτό και τα κατώτερα στρώματα της ατμοσφαίρας είναι θερμότερα των υπερκειμένων.

Η ένταση αυτή της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στην επιφάνεια του εδάφους, είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος του Ηλίου (κάθετα). Επίσης η θερμοκρασία αυτή ελαττώνεται “καθ΄ ύψος” μέσα στη τροπόσφαιρα κατά 0,64° C / 100 m (Κατακόρυφη θερμοβαθμίδα).
Έτσι π.χ. αν η θερμοκρασία στην επιφάνεια της ξηράς ή θαλάσσης είναι 20° C, τότε σε ύψος 1000 μέτρα (m) η θερμοκρασία θα είναι 14° C.

Κατά τις ανέφελες νύκτες η επιφάνεια του εδάφους λόγω έντονης ακτινοβολίας αρχίζει και ψύχεται πολύ περισσότερο του υπερκείμενου αέρα. Τα κατώτερα επομένως στρώματα θα έχουν θερμοκρασία μικρότερη των υπερκειμένων τους, δηλαδή η θερμοκρασία κατά ύψος ΄μέχρις ενός σημείου θα αυξάνει αντί να μειώνεται. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται “αναστροφή της θερμοκρασίας” ή θερμοκρασιακή αναστροφή.
Η αναστροφή αυτή είναι η αιτία της διατήρησης της ομίχλης.

Θερμοκρασία πάνω από ξηρά
Η επιφάνεια της Γης μέχρι μερικά εκατοστά βάθος θερμαίνεται την ημέρα από τον Ήλιο. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι μέρα με τη μέρα η επιφάνεια της Γης γίνεται και πιο θερμή, και αυτό διότι μεγάλο μέρος της προσλαμβανόμενης ηλιακής θερμότητας ακτινοβολείται προς την ατμόσφαιρα ή μεταφέρεται σ΄ αυτήν δια αγωγιμότητας και κατακόρυφου μεταφοράς. Με την αγωγιμότητα μέρος αυτής μεταδίδεται στο άμεσα υπερκείμενο του εδάφους στρώμα αέρος. Η μεταφορά αυτή περιορίζεται σε ένα πολύ λεπτό στρώμα αέρος που βρίσκεται σε επαφή με το έδαφος εκτός και αν δημιουργούνται ανοδικά ή καθοδικά ρεύματα ή στρόβιλοι. Γενικά η μεταφορά αυτή δεν είναι μικρή σε σύγκριση με τη δια ακτινοβολίας μεταφορά θερμότητας.

Το αποτέλεσμα της δι΄ ακτινοβολίας μεταφοράς της θερμότητας από τη Γη προς την ατμόσφαιρα είναι περισσότερο χαρακτηριστικό κατά τη νύκτα και μάλιστα όταν ο ουρανός είναι ανέφελος. Τότε η επιφάνεια της γης ψύχεται πολύ ταχύτερα. Τα νέφη όταν υπάρχουν περιορίζουν αυτή την πτώση της θερμοκρασίας από το γεγονός ότι και αυτά αντανακλούν την προσλαμβανόμενη από το έδαφος ακτινοβολία πάλι προς το έδαφος. Το αντίθετο κατά τη διάρκεια της ημέρας τα νέφη εμποδίζουν κατά πολύ τη θέρμανση της επιφάνειας της Γης, διότι ανακόπτουν τη κάθοδο των ηλιακών ακτίνων προς αυτή.

Γενικά η θερμοκρασία της ατμοσφαίρας πάνω από τη ξηρά αυξάνει τάχιστα καθώς το ύψος του Ηλίου αυξάνει. Η μέγιστη τιμή της θερμοκρασίας ενός τόπου κατά τη διάρκεια της ημέρας συμβαίνει 1 έως 2 ώρες μετά τη μεσουράνηση του Ηλίου και η ελάχιστη 1 έως 2 ώρες πριν την ανατολή.

Θερμοκρασία πάνω από θάλασσα
Η ημερήσια μεταβολή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θαλάσσης και κατά συνέπεια του ευρισκομένου σε επαφή προς αυτή αέρος, είναι πολύ μικρή. Τούτο οφείλεται στο γεγονός ότι στη θάλασσα η ηλιακή ακτινοβολία εισχωρεί σε σημαντικό βάθος με αποτέλεσμα η αύξηση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια να είναι μικρή. Ακόμη όμως και η ανατάραξη της επιφάνειας λόγω των κυμάτων και των ανέμων ως και των θαλασσίων ρευμάτων μεταβάλλει την υπέρ της θαλάσσης θερμοκρασία του αέρα. Συνεπώς η επίδραση των νεφών στη θερμοκρασία του υπέρ της θάλασσας αέρα εις μεν τις «ανοικτές θάλασσες» θεωρείται αμελητέα, εν αντιθέσει στις «κλειστές θάλασσες» και τις λίμνες που είναι υπολογίσιμη λόγω γειτνίασης της ξηράς.

Επήρεια τοπικής θέρμανσης
Η επιφάνεια της Γης ως γνωστόν δεν είναι ομοιόμορφη. Οι διάφοροι τόποι διαφέρουν. Ως εκ τούτου η επήρεια των ηλιακών ακτίνων ποικίλει ανάλογα (π.χ. η ασφαλτοστρωμένη οδός θερμαίνεται ταχύτερα από ένα χλοερό κάμπο, όπως και η ξηρά έναντι της θαλάσσης) με συνέπεια ο υπερκείμενος αέρας να θερμαίνεται διαφοροτρόπως.

Η αναλογία της ακτινοβολίας (ακτινοβόλος ή φωτεινή ενέργεια) μεταξύ της ανακλώμενης από επιφάνεια σώματος με εκείνη της προσπίπτουσας σ΄ αυτό ονομάζεται λευκαύγεια (albedo) του σώματος.

Θερμομετρικά όργανα
Η θερμοκρασία μετριέται με ειδικά όργανα, τα γνωστά θερμόμετρα. Η αρχή λειτουργίας αυτών βασίζεται συνήθως στη μεταβολή του όγκου ή του σχήματος ορισμένων σωμάτων όταν αυτά θερμαίνονται ή ψύχονται. Τα θερμόμετρα που χρησιμοποιούνται για τη παρακολούθηση της θερμοκρασίας αέρος ονομάζονται “ξηρά θερμόμετρα” σε αντίθεση εκείνων που παρακολουθείται η υγρασία ατμοσφαίρας που ονομάζονται “υγρά θερμόμετρα” (η μόνη διαφορά τους, είναι ότι τα «υγρά θερμόμετρα» απολήγουν σε δοχείο απεσταγμένου ή βρόχινου ύδατος).

Υγρασία ατμόσφαιρας

Όπως είναι γνωστό στον ατμοσφαιρικό αέρα περιέχονται και υδρατμοί που προέρχονται από την εξάτμιση υγρών επιφανειών, κυρίως των θαλασσών. Η παρουσία αυτών των υδρατμών στον αέρα καλείται υγρασία. Η Υγρασία της ατμόσφαιρας διακρίνεται σε “απόλυτη” και σε “σχετική υγρασία”.

Διάφοροι ορισμοί
Ο αέρας που περιλαμβάνει την μέγιστη ποσότητα υδρατμών βρίσκεται στο σημείο του κόρου και ονομάζεται κεκορεσμένος.
Η μεταβολή της αέριας κατάστασης των υδρατμών σε υγρή ή στερεά καλείται συμπύκνωση.
Η τάση των υδρατμών στο σημείο του κόρου ονομάζεται μέγιστη τάση υδρατμών. Αυτή είναι συνάρτηση μόνο της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας και αυξάνει με αυτήν.

Απόλυτη υγρασία
Απόλυτη υγρασία ονομάζεται η μάζα των υδρατμών (σε γραμμάρια, gr) που περιέχεται σε 1 m³. Από τον ορισμό καταλαβαίνουμε ότι πρόκειται για την περιεκτικότητα του αέρα σε υδρατμούς.

Η ικανότητα του αέρα να συγκρατεί μικρή ή μεγάλη ποσότητα υδρατμών είναι ανάλογη προς την θερμοκρασία του. Σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία η ποσότητα των υδρατμών που μπορεί να συγκρατήσει η ατμόσφαιρά έχει μια μέγιστη τιμή. Την τιμή αυτή μπορούμε να την υπολογίσουμε από την εξίσωση των Magnus-Tetens.

Σχετική υγρασία
Σχετική υγρασία είναι ο λόγος της ποσότητας ή της μάζας των υδρατμών, που περιέχει ο αέρας, προς εκείνη την ποσότητα ή το βάρος των υδρατμών τους οποίους μπορεί να συμπεριλάβει (υπό την αυτή θερμοκρασία και πίεση) μέχρις ότου αυτός κορεσθεί. Η σχετική υγρασία εκφράζεται επί τοις %. Έτσι υφίσταται ο τύπος: Συ = Β΄/Β Χ 100. Όπου
Β΄: ποσότητα υπαρχόντων υδρατμών.
Β: ποσότητα που καθιστά τον αέρα κεκορεσμένο ή μέγιστη τάση υδρατμών.
Ο κεκορεσμένος αέρας έχει σχετική υγρασία 100%, ενώ ο τελείως ξηρός αέρας έχει υγρασία 0%.
Όταν επικρατεί ομίχλη ο αέρας είναι συνήθως κεκορεσμένος.
Ιδιαίτερης σημασίας είναι το γεγονός ότι: όταν η θερμοκρασία αέρος, που περιέχει ορισμένη ποσότητα υδρατμών ελαττώνεται, η σχετική υγρασία του αυξάνει και αντίστροφα.
Πολύ συχνά τα Δελτία καιρού αναφέρουν και το στοιχείο της “σχετικής υγρασίας” σε ποσοστό επί τοις 100, π.χ. 50%, 60% κ.λπ. Όταν η σχετική υγρασία είναι 100% τότε η ατμόσφαιρα είναι κεκορεσμένη δηλαδή πλήρης υδρατμών μη δυνάμενη να συγκρατήσει άλλους. Αντίθετα όταν είναι π.χ. 50% και η θερμοκρασία αέρος 20 °C για τον Χειμώνα, και 26 °C για το Καλοκαίρι, τότε αισθανόμαστε ευχάριστα.

Μέτρηση
Η μέτρηση της υγρασίας της ατμόσφαιρας γίνετα με ειδικά μετεωρολογικά όργανα τα οποία και είναι: τα υγρόμετρα, οι υγρογράφοι καθώς και τα ψυχρόμετρα.
Τις μεθόδους μέτρησης της υγρασίας και προσδιορισμού αυτής, γενικά, καθώς και την σε υδρατμούς περιεκτικότητα του αέρος, ειδικότερα, εξετάζει η Υγρομετρία που είναι κλάδος της Φυσικής.

Επίδραση στον άνθρωπο
Η υγρασία της ατμόσφαιρας έχει άμεση επίδραση στην αποβολή ύδατος από το ανθρώπινο σώμα που συντελείται αφενός μεν από την εξάτμιση δια των πνευμόνων και του δέρματος, εκ των οποίων και ρυθμίζεται η θερμοκρασία του σώματος, αφετέρου δια των ούρων και κοπράνων. Η ποσότητα αυτή του εξατμιζομένου ύδατος που αποβάλλεται υπό μορφή υδρατμών ημερησίως, από ένα ενήλικο άτομο, ανέρχεται κατά μέσον όρο στα 1.500 γραμ., εκ των οποίων τα 30 γραμ. αποβάλλονται από τους πνεύμονες κατά την εκπνοή, και το υπόλοιπο από το δέρμα.

Μετά από σειρά φυσιολογικών ερευνών συμπεραίνεται ότι η ολική ποσότητα του εξατμιζόμενου αυτού ύδατος σε όμοια σταθερή θερμοκρασία εξαρτάται από την περιεκτικότητα του αέρα σε υδρατμούς, ενώ επί όμοιας υγρασίας εξαρτάται από την θερμοκρασία. Εκτός όμως των εξωτερικών αυτών συνθηκών επίδρασης σημαντική επίδραση φέρει και η κατάσταση του σώματος είτε από μυϊκή εργασία, είτε από την διατροφή είτε τέλος από την ενδυμασία. Σημειώνεται ακόμη ότι η αποβολή αυτή κατά τον Ρώμπνερ εξαρτάται και από την ποσότητα του εισπνεομένου αέρος που και αυτή ποικίλλει ανάλογα της κατάστασης του ανθρώπινου οργανισμού, αλλά και εκ των φυσικών φαινομένων. Για παράδειγμα ο άνεμος με θερμοκρασία 20-30 βαθμούς Κελσίου αφαιρεί από το δέρμα θερμαντικό εξ αγωγιμότητας δια του οποίου και περιστέλλεται η αποβολή του θερμαντικού. Αντίθετα η ατμοσφαιρική πίεση ελάχιστη επίδραση ασκεί στην αποβολή του ύδατος από τον οργανισμό.

Υγιεινή σημασία
Ο αέρας όταν βρίσκεται πολύ κοντά στο σημείο κορεσμού, λόγω της μεγάλης περιεκτικότητας των υδρατμών, προκαλεί στον άνθρωπο αίσθημα δυσφορίας και δυσχεραίνει την αναπνοή και την αποβολή του ύδατος από το δέρμα. Όταν ακόμη αυτό συνδυάζεται και με υψηλή θερμοκρασία τότε εγκυμονείται κίνδυνος θερμοπληξίας. Αντίθετα σε μικρή “σχετική υγρασία” αυξάνεται ή ποσότητα του ύδατος που αποβάλλεται, από το δέρμα και την αναπνοή, γεγονός που δεν έχει και ιδιαίτερη σημασία, από υγιεινής πλευράς, εκτός του ότι παρουσιάζει μερικό φαινόμενο της δίψας. Θερμός και ξηρός αέρας είναι περισσότερο ανεκτός όταν δεν είναι πολύ υγρός. Η περισσότερο ευχάριστη για τον ανθρώπινο οργανισμό υγρομετρική κατάσταση του αέρα είναι εκείνη που εμπεριέχει μέτρια ποσότητα υδρατμών όπου καμία παρενόχληση δεν παρατηρείται τόσο στον σφυγμό και την αναπνοή όσο και στον ύπνο.

Ατμοσφαιρική ενέργεια

Οι μεγαλύτερες διαταράξεις κατ΄ όγκο και κατ΄ έκταση που μπορεί να συμβούν στον πλανήτη Γη είναι αυτές που συμβαίνουν στη μάζα της ατμόσφαιράς του, και που ποικίλλουν από μερικά εκατοστά μέχρι χιλιάδες χιλιόμετρα. Κάθε τέτοια διατάραξη σε κίνηση ονομάζεται άνεμος, που μπορεί να είναι από ένα μικρό αεράκι σ΄ ένα πάρκο, μέχρι ένας τυφώνας, ή ακόμη μεγαλύτερο ρεύμα αέρος που ξεχύνεται από τους τροπικούς σε μεγαλύτερα πλάτη. Σε κάθε τέτοια μετακίνηση ο αέρας, εκτός του ότι μεταφέρει μεγάλες ποσότητες θερμότητας, υγρασίας και ορμής, παράγει επίσης και άλλες μορφές ενέργειας. Και αυτό γιατί οι παραγόμενοι άνεμοι αποτελούν συνέπεια της άνισης κατανομής της ηλιακής ενέργειας (θερμότητας) στην επιφάνεια της Γης.

Για να κατανοηθεί το πόσο διαφορετικά η ηλιακή ενέργεια επιδρά στα διάφορα γεωγραφικά πλάτη, είτε στη ξηρά, είτε στη θάλασσα, και θέτει την ατμόσφαιρα σε κίνηση, θα πρέπει πρώτα να εξετασθούν οι διάφορες μορφές ατμοσφαιρικής ενέργειας, καθώς επίσης και η μετάπτωσή τους από την μια μορφή στην άλλη.

Μορφές ατμοσφαιρικής ενέργειας

Καθίσταται φανερό πως το αποτέλεσμα της θερμικής ενέργειας του Ήλιου είναι ν΄ ανεβάζει την θερμοκρασία τόσο της ατμόσφαιρας, όσο και της υποκείμενης αυτής επιφάνειας της Γης (ξηράς ή θάλασσας). Και ενώ συμβαίνει αυτό ένα άλλο μέρος της ηλιακής ενέργειας αρχίζει να μετατρέπεται σε άλλες μορφές κατ΄ ακόλουθη σειρά:

Θερμική ενέργεια
Στη αρχή, η ηλιακή ενέργεια είναι εσωτερική, δηλαδή ενέργεια οφειλόμενη σε μοριακή κίνηση γνωστή ως θερμότητα. Έτσι τα μόρια του θερμού αέρα κινούνται ταχύτερα από εκείνα του ψυχρού. Αυτή η ενέργεια μετριέται ως θερμοκρασία.

Γεωδυναμική ενέργεια
Έπειτα, επειδή ο αέρας έχει ζεσταθεί και διαστέλλεται, και το κέντρο βάρους του ανεβαίνει ψηλότερα έχει ως αποτέλεσμα ν΄ αυξάνει η δυναμική του ενέργεια, που αυτή στην Μετεωρολογία ονομάζεται γεωδυναμική ενέργεια.

Ολική δυναμική ενέργεια
Ο συνδυασμός Θερμικής ενέργειας + γεωδυναμικής ενέργειας χαρακτηρίζεται:Ολική δυναμική ενέργεια.΄

Λανθάνουσα ενέργεια
Μια άλλη επίσης μορφή ενέργειας περιέχεται στους υδρατμούς που παράγονται από την εξάτμιση των επιφανειακών υδάτων (κυρίως των θαλασσών), των υδροσταγόνων στα σύννεφα, στα υγρά εδάφη κ.λπ. είτε ακόμη από την εξάτμιση των επιφανειακών ιστών των φύλλων των φυτών που εν προκειμένω λέγεται διαπνοή. Εξ’ορισμού η λανθάνουσα θερμότητα είναι το ποσό της θερμότητας που απαιτηται για την μετατροπή 1 kg νερού θερμοκρασίας βρασμού σε ατμό ίδιας θερμοκρασίας. Ονομάζεται έτσι γιατι δεν εντοπίζεται αλλαγή θερμοκρασίας αλλα μόνο αλλαγή καταστασης του νερού. Η δε λανθάνουσα αυτή θερμότητα αποδίδεται πάλι όταν ο ατμός συμπυκνώνεται σε νερό.

Κινητική ενέργεια
Έτσι τελικά η κίνηση του αέρα -που οφείλεται αρχικά στη πρόσληψη απ΄ αυτόν θερμότητας ή εσωτερικής ενέργειας- του δίνει την κινητική ενέργεια.

Ηλεκτρική ενέργεια
Στην ατμόσφαιρα υπάρχει ελεύθερος ηλεκτρισμός στον αέρα και στα σύννεφα λόγω της ηλεκτρικής επαγωγής με την επιφάνεια της Γης. Ο ηλεκτρισμός της ατμόσφαιρας δεν έχει κάποιο συγκεκριμένο φορτίο, αλλά κατά κανόνα είναι πάντα αντίθετο με αυτό της Γης. Σε καλό καιρό το δυναμικό φτάνει τα 100 Βολτ ανά μέτρο.

Μεταβολές ατμοσφαιρικής ενέργειας

Παρατηρείται λοιπόν πως η ατμοσφαιρική ενέργεια μεταβάλλεται αδιάκοπα από την μια μορφή της σε άλλη αν και το σύνολό της παραμένει πάντα σταθερό, όταν δεν υπάρχει βέβαια ενεργειακό πλεόνασμα ή έλλειμμα λόγω ακτινοβολίας. Η σειρά αυτών των ενεργειακών μεταβολών είναι η ακόλουθη:
Η ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από τη Γη και την ατμόσφαιρα μετατρέπεται σε δύο μορφές ενέργειας

στην εσωτερική και
στην γεωδυναμική.
Η ολική δυναμική ενέργεια αυτή, μετατρέπεται στη συνέχεια εν μέρει σε κινητική ενέργεια ανέμων και σε λανθάνουσα θερμότητα των υδρατμών. Και οι δύο αυτοί τύποι ενέργειας ξαναμετατρέπονται αργότερα η μεν πρώτη σε θερμότητα ή κινητική (με την τριβή που αναπτύσσεται ανάμεσα στον άνεμο και την επιφάνεια της Γης, και ανάμεσα στα μόρια του αέρα), η δε λανθάνουσα με την συμπύκνωση των υδρατμών.

Παρατηρήσεις
Το μεγαλύτερο μέρος της ατμοσφαιρικής ενέργειας είναι η εσωτερική και η δυναμική της μορφή. Μόνο ένα πολύ μικρό μέρος της είναι σε κινητική και λανθάνουσα. Και επειδή το ολικό ποσό της κινητικής ενέργειας της ατμόσφαιρας παραμένει σταθερό συνεπάγεται πως αυτή παράγεται στον ίδιο ρυθμό που διασπείρεται.
Η ποσότητα της ατμοσφαιρικής κινητικής ενέργειας εκφραζόμενη σε τζάουλ -δηλαδή σε μονάδες έργου-, υπολογίζεται ίσο με 2 περίπου τζάουλς ανά τετραγωνικό μέτρο, δηλαδή τιμή που αντιπροσωπεύει μόλις το 0,57% της εισερχόμενης στην ατμόσφαιρα ηλιακής ενέργειας. Αν και αυτό το ποσοστό φαίνεται πολύ μικρό στην πραγματικότητα είναι αρκετό για να διατηρεί την ατμόσφαιρα σε μια συνεχή κίνηση, έτσι ώστε να εξισορροπείται η άνιση κατανομή πάνω στην επιφάνεια της Γης, της θερμότητας που παράγεται τόσο από την ηλιακή ακτινοβολία όσο και από την Γήινη ακτινοβολία.

Μετεωρολογικά φαινόμενα

Τα κυριώτερα των φαινομένων που αποτελούν αντικείμενο έρευνας και σπουδής της Μετεωρολογίας είναι:

1) Η Ατμοσφαιρική πίεση
2) Η Θερμοκρασία ατμοσφαίρας
3) Η Υγρασία ατμόσφαιρας
4) Η Δρόσος
5) Η Πάχνη
6) Η Νέφωση
7) Η Ξηρά αχλύς
8) Η Υγρά αχλύς
9) Η Ομίχλη
10) Η Ορατότητα
11) Η Ηλιοφάνεια
12) Ο Άνεμος
13) Η Αστραπή
14) Η Βροντή
15) Ο Κεραυνός
16) Η Βροχή και όλα τα είδη αυτής
17) Το Χιόνι
18) Το Χιονόνερο
19 ) Η Χάλαζα ή Χαλάζι
20 ) Ο Υαλόπαγος, καθώς επίσης
21) Το Στέμμα
22 ) Η Άλως
23) Η Ίριδα
24) Η Καταιγίδα
25) Η Χιονοθύελλα
26) Το Χιόνι με αστραπόβροντα
27) Ο Τροπικός κυκλώνας
28) Ο Σίφωνας

Εκ των παραπάνω τα τρία πρώτα θεωρούνται «βασικά» αφού από αυτά προέρχονται όλα τα άλλα.
Τα με αριθμό 16, 17, 18 και 19 αποτελούν τον Υετό.
Τα με αριθμό 4 και 5 εξαιρούνται από τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα.
Τα με αριθμό 21, 22 και 23 ονομάζονται και «φωτεινά μετέωρα».
Τα με αριθμό 12 και 17 συνδυαζόμενα αποτελούν την Χιονοθύελλα.
Τα με αριθμό 13, 14, 15 και 17 συνδυαζόμενα αποτελούν το Χιόνι με αστραπόβροντα.
Τα με αριθμό 12, 13, 14, 15 και 16 συνδυαζόμενα αποτελούν την Καταιγίδα.
Τα με αριθμό 12, 13, 14, 15 και 16, όταν το 12 είναι εξαιρετικά σφοδρής έντασης, σε ένα σύστημα θύελλας με μια κλειστή περιστροφική (κυκλωνική) κυκλοφορία γύρω από ένα ήρεμο κέντρο χαμηλής βαρομετρικής πίεσης, αποτελούν τον Τροπικό κυκλώνα και τέλος
Το υπ’ αριθμόν 12, όταν σχηματίζει μια στροβιλιζόμενη στήλη με μεγάλη ταχύτητα περιστροφής, η οποία οφείλεται σε πολύ χαμηλή ατμοσφαιρική πίεση στο κέντρο της στήλης, δημιουργεί τον Σίφωνα.

Όλα τα μετεωρολογικά φαινόμενα συμβαίνουν στη τροπόσφαιρα.

Άνεμος

Άνεμος ονομάζεται η όποια αισθητή «οριζόντια κίνηση» του αέρα. Αιτία του ανέμου είναι ότι ο αέρας (οι αέριες μάζες της ατμόσφαιρας), που περιβάλλει την Γη βρίσκεται σε συνεχή «οριζόντια» και «κατακόρυφη» κίνηση.

Γενικά
Η όποια αισθητή «οριζόντια κίνηση» του αέρα ονομάζεται άνεμος. Η όποια αισθητή «κατακόρυφη κίνηση» του αέρα ονομάζεται ρεύμα, και αν μεν είναι από κάτω προς τα επάνω λέγεται ανοδικό ρεύμα, αν είναι από επάνω προς τα κάτω λέγεται καθοδικό ρεύμα.

Αίτια ανέμου
Πρωταρχική γενεσιουργός αιτία του ανέμου είναι η διαφορά της θερμοκρασίας του αέρος που με τη σειρά της δημιουργεί υπό ορισμένες προϋποθέσεις, διαφορές βαρομετρικής πίεσης μεταξύ παρακείμενων τόπων.

Αν σε δύο συνεχόμενες περιοχές συμβεί να μην έχουν την ίδια θερμοκρασία, τότε η ατμοσφαιρική πίεση της περισσότερο ψυχρής θα είναι μεγαλύτερη από της θερμότερης περιοχής, με αποτέλεσμα να μετακινείται αέρια μάζα από τη ψυχρότερη προς την θερμότερη περιοχή.

Τρόπος Δημιουργίας
Όταν μία μάζα αέρα θερμαίνεται γίνεται πιο αραιή και πιο ελαφριά από τις άλλες μάζες που βρίσκονται γύρω της και τείνει να ανέβει ψηλότερα από εκείνες (ανοδικά κίνηση). Επομένως, άλλες, πιο ψυχρές και βαριές αέριες μάζες θα κινηθούν και θα πάρουν τη θέση της.

Αντίθετα, όταν μια μάζα αέρα ψύχεται γίνεται πιο πυκνή και πιο βαριά και τείνει να κατέβει (καθοδική κίνηση). Για να το πετύχει «σπρώχνει» τις άλλες τις πιο θερμές και πιο αραιές μάζες του αέρα και παίρνει τη θέση τους.

Στοιχεία ανέμου
Στοιχεία ανέμου θεωρούνται η διεύθυνση και η ένταση ή ισχύς του. Και τα δύο αυτά στοιχεία μπορούν να προσδιοριστούν από τα ανεμομετρικά όργανα που είναι οι ανεμοδείκτες και τα ανεμόμετρα.

Διεύθυνση ανέμου
Η διεύθυνση του ανέμου χαρακτηρίζεται από το σημείο του ορίζοντα απ΄ όπου πνέει ο άνεμος και όχι προς τα που πνέει ο άνεμος. Εκφράζεται δε είτε σε μοίρες (αρχής γενομένης από τον γήινο μαγνητικό Βορρά), είτε με σύμβολα ανεμολογίου (ανεμορρόμβοι), είτε ονομαστικά (επίσημα ή γραικολεβαντίνικα όπως λέγονται τα κοινά).
Επίσης και με πολλά άλλα ονόματα χαρακτηρίζονται οι άνεμοι ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους, τον τόπο, την ένταση και την διεύθυνσή τους. Εκτός από τα τοπικά τους ονόματα, οι άνεμοι στην Ελλάδα φέρουν ανάλογα με την διεύθυνση προέλευσής τους δύο ονόματα: Ένα επίσημο και ένα κοινό. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα ονόματα των κυρίων ανέμων (δηλαδή αυτών που πνέουν από κατεύθυνση πολλαπλάσια των 45 μοιρών) με Ελληνικό σύμβολο κατεύθυνσης, επίσημο όνομα, κοινό ή γραικολεβαντίνικο, διεθνές σύμβολο (Δ.Σ.) και όνομα διεθνές.

Διεύθυνση Επίσημο Κοινό Δ.Σ. Όνομα διεθνές
Β (000°) Βόρειος Τραμουντάνα, Βοριάς N North
ΒΑ (045°) Μέσης Γραίγος NE Northeast
Α (090°) Απηλιώτης Λεβάντες E East
ΝΑ (135°) Εύρος Σιρόκος SE Southeast
Ν (180°) Νότιος Όστρια, Νοτιάς S South
ΝΔ (225°) Λίβας Γαρμπής SW Southwest
Δ (270°) Ζέφυρος Πουνέντες W West
ΒΔ (315°) Σκίρων Μαΐστρος NW Northwest

Εκτός από το σημείο του ορίζοντα οι άνεμοι παίρνουν ονόματα και από την κατεύθυνσή τους σε σχέση με την μορφολογία του συγκεκριμένου τόπου. Υπάρχουν πολλά άλλα ονόματα ανέμων όπως ο μπάτης (θαλάσσια αύρα), ο Βαρδάρης (τοπικός βόρειος – βορειοδυτικός άνεμος της κεντρικής Μακεδονίας κατά μήκος του Αξιού ποταμού, κ.ά.

Ένταση ανέμου
Η ένταση του ανέμου εκφράζεται είτε με την πίεση την οποία ασκεί στην επιφάνεια των διαφόρων σωμάτων, είτε με την ταχύτητα με την οποία αυτός κινείται. Στην Μετεωρολογία η ένταση του ανέμου εκφράζεται συνήθως με την ταχύτητά του, οπότε δίδεται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ή σε χιλιόμετρα ή μίλια ανά ώρα ή σε κόμβους.
Η κλίμακα Μποφόρ είναι ένας εμπειρικός τρόπος μέτρησης της έντασης των ανέμων, που βασίζεται στην παρατήρηση των αποτελεσμάτων του ανέμου στη στεριά ή τη θάλασσα. Ανάλογα της έντασής του, ο άνεμος χαρακτηρίζεται ως:

νηνεμία, 0 Μποφόρ (άπνοια)
υποπνέων, 1 Μποφόρ
ασθενής, 2 – 3 Μποφόρ
μέτριος, 4 – 5 Μποφόρ
ισχυρός, 6 Μποφόρ
σφοδρός, 7 Μποφόρ
θυελλώδης, 8 – 9 Μποφόρ (θύελλα)
καταιγίζων, 10 – 11 Μποφόρ (καταιγίδα)
έντασης τυφώνα, 12 Μποφόρ (τυφώνας)
Επίσης ο άνεμος χαρακτηρίζεται και ως λείος ή ριπαίος, μεταβλητός ή σταθερός:

Λείος άνεμος: Χαρακτηρίζεται ο οποιοσδήποτε άνεμος στρωτός, δηλαδή χωρίς αυξομειώσεις της έντασής του.
Ριπαίος άνεμος: Χαρακτηρίζεται εκείνος του οποίου η ένταση μεταβάλλεται κατά σύντομα χρονικά διαστήματα. Αν όμως η μεταβολή γίνεται κατά μακρά σχετικά διαλείμματα τότε ονομάζεται μεταβλητός. Μεταβλητός όμως ονομάζεται και εκείνος που αλλάζει (μεταβάλλει) διεύθυνση, σε αντιδιαστολή με εκείνον που διατηρεί την διεύθυνσή του επί μακρό χρόνο και ονομάζεται σταθερός.

Στροφή-Αντιστροφή
Οι επιμέρους όροι «στροφή ανέμου» και «αντιστροφή ανέμου» χρησιμοποιούνται συνήθως στα Δελτία πρόγνωσης καιρού και ιδίως στα αγγλόφωνα.

Στροφή ανέμου (veering): σημαίνει ότι η αλλαγή διεύθυνσης του ανέμου γίνεται (μεταπίπτει) σύμφωνα με την φορά των δεικτών του ωρολογίου (ανάδρομος φορά).
Αντιστροφή ανέμου (backing): σημαίνει πως η μετάπτωση της διεύθυνσης του ανέμου γίνεται αντίθετα της φοράς των δεικτών του ωρολογίου (ορθή φορά).

Επιδράσεις των ανέμων

Άμεσες επιδράσεις των ανέμων: Στον ανθρώπινο οργανισμό (ευεξία όταν πνέει δροσερός, ελαφρός καλοκαιρινός άνεμος / δυσφορία όταν πνέει δυνατός ξηρός ή υπερβολικά ξηρός άνεμος) και στις κατοικημένες περιοχές (σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου, 10 Μποφόρ και άνω, όπως καταστροφή σκεπών, ξερίζωμα δέντρων και άλλα).

Έμμεσες επιδράσεις των ανέμων: βροχές (βροχοπτώσεις).

Κινητική ενέργεια ανέμων

Ο Αμερικανός μετεωρολόγος Χ. Χ. Λήτταου υπολόγισε την ολική κινητική ενέργεια των ανέμων σε 140 Βαττώρες ανά τετραγωνικό μέτρο (140 Wh/m2) καθώς και το μέσο ρυθμό διασποράς της ενέργειας αυτής των ανέμων σε 2 βατ ανά τετραγωνικό μέτρο (2 W/m2) [Σημειώνεται πως 1 βαττώριο είναι το παραγόμενο έργο από δύναμη ισχύος 1 βάτ σε 1 ώρα. Ένα βατ εξάλλου ισοδυναμεί με ρυθμό παραγωγής έργου ίσο με 1 τζάουλ ανά δευτερόλεπτο (1 joule/sec)]. Από τις προηγούμενες τιμές εύκολα συμπεραίνεται πως μέσα σε 70 ώρες θα μπορούσε να διασπειρόταν όλη η κινητική ενέργεια των ανέμων. Δεν θα πρέπει όμως να λησμονείται πως η ταχύτητα διασποράς μειώνεται όσο η διαθέσιμη κινητική ενέργεια λιγοστεύει.

Επίσης o Αμερικανός μετεωρολόγος Σ. Εςς, λαμβάνοντας υπ΄ όψη του και την μείωση αυτή της ταχύτητας διασποράς, υπολόγισε τον ρυθμό διασποράς σε 36% περίπου την ημέρα. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του σε λιγότερο από 13 ημέρες το απόθεμα της ατμοσφαιρικής κινητικής ενέργειας θα λιγόστευε κατά 99%.

Στην πραγματικότητα όμως δεν συμβαίνει τίποτα από αυτά. H ενέργεια των ανέμων δεν διασπείρεται με ομοιόμορφο ρυθμό στην επιφάνεια της Γης για δύο κύριους λόγους. Πρώτον, η απώλεια ταχύτητας λόγω τριβής πάνω στις λείες επιφάνειες των τεράστιων πολικών περιοχών καθώς και των ηρεμούντων επιφανειών των θαλασσών είναι πολύ μικρότερη από εκείνη που συμβαίνει πάνω σε τραχιές επιφάνειες της Γης (οροσειρών, πόλεων κλπ.). Δεύτερον, ο ρυθμός διασποράς είναι πάντα ανάλογος της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι ένα μεγάλο μέρος της κινητικής ενέργειας του ανέμου χάνεται, ή στην κυριολεξία, μετατρέπεται από την τριβή σε θερμότητα, σε μεγάλες κυκλωνικές θύελλες.

Εύλογα εκφράζεται η μεγάλη απορία: Πως παράγεται η κινητική αυτή ενέργεια έστω και από άλλες μορφές ενέργειας; Πριν περίπου 70 χρόνια ο Αυστριακός μετεωρολόγος Μ. Μαργκούλες απέδειξε πως η ατμοσφαιρική κινητική ενέργεια παράγεται από ένα σύστημα μεταφοράς που συνδέει τον ανερχόμενο θερμό αέρα με τον κατερχόμενο ψυχρό. Κάτω από τέτοιες συνθήκες ο βαρύτερος ψυχρός αέρας υποβιβάζει το κέντρο βάρους όλου του συστήματος χαμηλότερα και μειώνει έτσι την «γεωδυναμική ενέργεια» της ατμόσφαιρας. Αυτό έχει σαν επακόλουθο το ποσό της κινητικής ενέργειας αν δεν μετατραπεί σε άλλες ενεργειακές μορφές ν΄ αυξάνει ανάλογα με την ελάττωση της γεωδυναμικής ενέργειας. Αν όμως αντίθετα οι συνθήκες εξαναγκάσουν τον θερμό αέρα να κατέβει και τον ψυχρό να ανέβει, με αποτέλεσμα να ανυψωθεί το κέντρο βάρους του συστήματος και να αυξηθεί έτσι η γεωδυναμική ενέργειά του, τότε η κινητική του ενέργεια θα ελαττωθεί.

Μετρήσεις
Εκείνο που δεν θα πρέπει να διαφεύγει από τον παρατηρητή είναι πως, η ατμόσφαιρα στο σύνολό της μεταφέρει ενέργεια σε διάφορες μορφές, μη μετατρέψιμες όμως όλες σε κινητική ενέργεια. Εκείνο που θα πρέπει να υπολογισθεί κάθε φορά είναι το ποσοστό της δυναμικής ενέργειας που (συμποσούμενο στη πραγματικότητα σε λιγότερο από το 0,5%) μπορεί να μετατραπεί σε κινητική, προκαλώντας έτσι την κίνηση της ατμόσφαιρας. Δηλαδή θα πρέπει να υπολογίζεται τα αποθέματα της ατμόσφαιρας σε διαθέσιμη δυναμική ενέργεια, δηλαδή εκείνη που παράγεται από τις ανισότητες της θέρμανσης της Γης. Και οι ανισότητες αυτές μπορεί να υπάρχουν ανάμεσα σε δύο γεωγραφικά πλάτη ή γρωγραφικά μήκη, οπότε και εξ αυτού διακρίνεται συνήθως σε ζωνική διαθέσιμη δυναμική ενέργεια, που παράγεται από αντιθέσεις στη θερμοκρασία των τροπικών και των Πόλων, και σε στροβιλοειδή διαθέσιμη δυναμική ενέργεια, που παράγεται κυρίως από άνιση θέρμανση ξηράς ή θάλασσας.

Σημειώνεται πως η ζωνική διαθέσιμη μορφή, είναι 10 φορές περισσότερη από την στροβιλοειδή διαθέσιμη. Παρά ταύτα ο δεύτερος τύπος έχει ιδιαίτερη σπουδαιότητα στη παραγωγή κινητικής ενέργειας αφού η πρώτη μορφή μετατρέπεται στη δεύτερη χάρις ενός φαινομένου που λέγεται στροβιλώδης θερμική ροή.

Είδη ανέμων
Γενικά οι άνεμοι κατατάσσονται στις ακόλουθες κύριες κατηγορίες:

Συνεχείς
Περιοδικοί (ετήσιοι-ημερήσιοι)
Αληγείς
Ανταληγείς
Αναβατικοί
Καταβατικοί
Εποχικοί
Τοπικοί
Επικρατούντες δυτικοί
Επικρατούντες πολικοί (ανατολικοί)
Άνεμοι ισοβαρικών συστημάτων
Ριπαίοι
Μυκώμενοι
Θυελλώδεις ή Θύελλα και
Λαιλαπώδεις ή Λαίλαπα

Υετός

Υετός ονομάζεται κάθε πτώση ή εναπόθεση στο έδαφος προϊόντων του ύδατος (σε υγρή ή στερεά μορφή, επιμερισμένη) τα οποία προέρχονται από συμπύκνωση των υδρατμών της ατμόσφαιρας. Κυριότερες μορφές του υετού είναι η βροχή, το χιονόνερο, οι ψεκάδες, το χαλάζι, το χιόνι, οι χιονόκοκκοι, οι παγοβελόνες, οι παγόκοκκοι και ο υαλοπάγος που δημιουργείται όμως στο έδαφος. Οι παραπάνω μορφές ονομάζονται και υδατώδη μετεωρολογικά κατακρημνίσματα, ή ατμοσφαιρικά υδατώδη κατακρημνίσματα, ή απλά κατακρημνίσματα ή και υδρομετέωρα όταν αναφέρονται στη μετεωρολογία.

Η ποσότητα του ύδατος που πέφτει στο έδαφος υπό οποιαδήποτε μορφή του υετού μετριέται με ειδικό όργανο που λέγεται βροχόμετρο το οποίο και εκφράζει το ύψος που θα αποκτούσε το νερό εάν αυτό δεν εξατμιζόταν ή δεν το απορροφούσε το έδαφος ή δεν διέρρεε στη θάλασσα. Άλλο ένα όργανο, εκτός του βροχόμετρου, είναι και το αυτογραφικό όργανο, ο βροχογράφος.

Η ομίχλη, η πάχνη και η δρόσος δεν ανήκουν στις μορφές του υετού.

Τις μορφές του υετού, δηλαδή τα υδρομετέωρα, εξετάζει η επιστήμη της μετεωρολογίας, στοχεύοντας στην όσο το δυνατόν πιο ανώδυνη αντιμετώπισή τους: οι γνώσεις, οι εμπειρίες και οι τεχνικές που ακολουθούνται ανάλογα, τόσο κατά τον τόπο που προσβάλουν (ξηρά, θάλασσα ή αέρα), όσο και κατά επιστήμη, τέχνη ή επαγγελματική – αθλητική δραστηριότητα.

Πηγές: el.wikipedia.org