Dla pełnej informacji podam, że masa całej atmosfery to 5,136 x 1021 gramów - to ogromna masa, ale trudno to sobie dobrze wyobrazić, więc powiem inaczej - masa całej atmosfery jest około 250 razy mniejsza od masy hydrosfery - czyli gdybyśmy wlali do jednego naczynia wszystkie morza i oceany, jeziora i rzeki oraz inne zbiorniki wodne i odkroili 1/250 część tego naczynia to to, co w nim zostanie, miałoby masę zbliżoną do masy całej atmosfery.
Od powierzchni ziemi do wysokości 5000 metrów znajduje się połowa całej masy, do wysokości 10000 metrów 75%, a do 35000 metrów 99% - to pokazuje jak praktycznie przebiega wzrost rozrzedzenia wraz z wysokością. Oddaje to również wyczuwalnie, jak maleje ciśnienie wraz ze wzrostem wysokości. Przy okazji ważna informacja - do wysokości 4000 metrów wolno przebywać człowiekowi bez dodatkowego wyposażenia w tlen - powyżej nie należy tego próbować - chociaż ludzki organizm poprzez długotrwały trening jest w stanie bez szkody dla zdrowia wytrzymać i większe wysokości (np. Mount Everest był już zdobyty bez użycia tlenu - 8848 m, ale to wynik długotrwałych treningów przystosowawczych i nie każdy organizm się do takiego przystosowania nadaje).
Wszystko to, co ma bezpośredni wpływ na warunki latania, odbywa się w zasadzie wyłącznie w troposferze i dlatego w dalszych rozważaniach będziemy się zajmować prawie wyłącznie tą warstwą atmosfery.
Dla lepszego zrozumienia zachodzących w troposferze zjawisk musimy sobie kilka spraw zdefiniować i przyjąć za prawdę, bez głębszego wchodzenia w istotę zagadnienia - oczywiście szczególne wątpliwości chętnie będę wyjaśniał, ale dla skomasowanego przebiegu tego krótkiego kursu trzeba niestety takie skróty wprowadzać.
1. Przewodnictwo cieplne powietrza jest bardzo małe i dla prostoty rozważań będziemy je zupełnie pomijać. Czyli zmiana temperatury powietrza może nastąpić jedynie:
a. w procesie adiabatycznym (w trakcie rozprężania lub sprężania)
b. poprzez nagrzewanie czy wyziębianie od podłoża
c. poprzez pochłanianie energii promieniowania słonecznego (znikomy proces, który dla naszych rozważań ma bardzo małe znaczenie i dla chętnych mogę o nim podyskutować oddzielnie)
2. Każda chmura widoczna w powietrzu pokazuje swoim kształtem rodzaj i prędkość ruchu pionowego powietrza - bo tylko z powodu wznoszenia się powietrza może ona w ogóle powstać (o ile w pobliżu znajdują się jądra kondensacji, na których powstają pierwsze utworzone z gazu kropelki). Np. smuga kondensacyjna, którą "ciągnie za sobą" wysoko lecący samolot to nic innego jak chmura, która nie powstała wcześniej z powodu braku w powietrzu dostatecznej liczby jąder kondensacji - para wodna na wysokości, gdzie występuje to zjawisko, utrzymuje się w stanie przechłodzonym - czyli powinna się skroplić (skondensować), ale z powodu braku dostatecznej liczby jąder kondensacji nie może wytrącić kropelek. Samolot, przelatując dostarcza potrzebnych jąder kondensacji w postaci swoich spalin i na tych spalinach natychmiast wytrącają się kropelki wody. Z dużej odległości samolot jest widoczny przez nieprzyjaciela i jedyną radą na tą dekonspirację jest tak zmienić wysokość lotu, aby wydostać się z obszaru, gdzie znajduje się przechłodzona para wodna. Ten drobny przykład pokazuje, jak ważnym elementem prognozy pogody dla lotnictwa wojskowego jest określenie dokładnie obszarów powietrza mogących zawierać przechłodzoną parę wodną.
Jak to już wiemy, w troposferze wraz ze wzrostem wysokości maleje temperatura oraz maleje ciśnienie powietrza. Jeżeli w masie powietrza zawarta jest określona ilość pary wodnej, to w miarę spadku temperatury coraz trudniej jest tej parze wodnej pozostać w formie gazowej. Dla określonej ilości pary wodnej w 1 metrze sześciennym powietrza taka temperatura, poniżej której musi się ona skondensować, nazywa się temperaturą punktu rosy i ten właśnie punkt jest odpowiedzialny za wysokość podstawy chmur w danych określonych warunkach - wszystko tu zależy od tego jak wiele wilgoci (pary wodnej w formie gazowej) zawiera ta masa powietrza, oraz jak w danej masie wygląda pionowy rozkład temperatury. W rzeczywistości rozmaite ruchy powietrza powodują, że spadek temperatury wraz z wysokością nie jest taki prosty, jak to teoretycznie założyliśmy w warunkach naszej sztucznej i nieruchomej modelowej atmosfery.
Przy okazji dwa ważne określenia:
1. warstwa powietrza, w której jego temperatura pozostaje bez zmian, nazywa się izotermą
2. warstwa powietrza, w której jego temperatura rośnie wraz ze wzrostem wysokości, nazywa się warstwą inwersji
Okazjonalne występowanie w masie powietrza takich warstw ma wielki wpływ na ruchy pionowe w powietrzu - zawsze je hamuje. Występowanie takich warstw jest możliwe właśnie tylko dlatego, że powietrze jest bardzo złym przewodnikiem ciepła i jedna jego warstwa od drugiej nie może się ani nagrzać, ani oziębić.
Czysto teoretycznie - jeśli połowę pokoju wypełnimy powietrzem zimnym, a drugą powietrzem ciepłym, to dopóki nie zaczniemy mieszać ciepłe powietrze jako lżejsze wypełni górną połowę pokoju, a zimne jako cięższe dolną i bez mieszania granica temperatur pozostanie na długi okres czasu (kiedyś, w końcu się to pomiesza) bardzo wyraźną wąską warstewką.
W przyrodzie granice między ciepłą i zimną masą powietrza są bardzo wyraźne i praktycznie nie zachodzi nigdy pełne zmieszanie - jedynie szerokość warstwy granicznej jest różna - gdy masy długo występują koło siebie szersza i gdy krócej - węższa.
Ponieważ głównym dostarczycielem pary wodnej jest hydrosfera, a obraz lądów i mórz naszej planety nie jest geometrycznie regularny, to i zawartość pary wodnej w powietrzu jest silnie zróżnicowana.
Masa powietrza, która przez dłuższy czas przebywa w określonych warunkach, nabiera cech, które dosyć długo może przechowywać. Np. masa zalegająca ciepły rejon oceanu na skutek jego parowania nabiera wilgotności (określonego poziomu nawilgocenia - czyli określonej ilości pary wodnej) oraz od ciepłej jego wody nagrzewa się do podobnej morzu temperatury. Nawet, jeśli potem ta masa powietrza zostanie przesunięta nad inny teren, to pozostanie długi masą ciepłą i wilgotną - i odwrotnie, masa powietrza z nad lądu i z rejonu o niskich temperaturach pozostanie masą chłodną i suchą.
Z uwagi na rozmaite obszary na kuli ziemskiej przyjęto rozróżniać masy:
1. tropikalne (suche lub wilgotne)
2. zwrotnikowe (suche lub wilgotne)
3. polarne (suche lub wilgotne)
4. arktyczne (suche lub wilgotne)
Nasz kraj znajduje się na granicy pomiędzy obszarem zwrotnikowym i polarnym i zazwyczaj na przemian znajdujemy się pod wpływem jednej z czterech mas powietrza z tych obszarów.
Każda z wymienionych zasadniczych mas powietrza posiada określony zestaw czynników do występowania w niej określonego typu pogody, właściwego temu właśnie rodzajowi masy powietrza - z tym wiąże się określony rodzaj i typ zachmurzenia, określony stan równowagi pionowej powietrza oraz określone co do siły i kierunku zasadnicze wiatry. Oczywiście dojdziemy potem do szczegółowej specyfikacji tych wszystkich czynników - na razie jest ważne tylko zdanie sobie sprawy z faktu, że rozmaite masy powietrza, ogarniające spore obszary (w obrębie jednego gatunku masy) są w zasadniczym stopniu odpowiedzialne za obraz pogody występujący w ich obrębie. Np. niemożliwe jest spotkanie pogody bezchmurnej i ciszy w masie wilgotnego powietrza arktycznego, które objęło swoim zasięgiem nasz kraj, lub jego część w środku lata.
To, że masy powietrza przemieszczają się w rozmaitych kierunkach (zawsze obracając się wokół osi przechodzącej NIEpionowo przez jej środek oraz przemieszczając się w określonym kierunku) powoduje zmienność tego, co ogólnie nazywamy pogodą. W ruchu tym wiele czynników odgrywa ważną rolę.
Istnieje wpływ rzeźby terenu na ten ruch, istnieje wpływ położenia i ruchu innych, sąsiednich mas powietrza, wreszcie istnieje również ważny wpływ ruchu obrotowego naszej planety, który wyznacza specjalne prawa poruszającym się nad jej powierzchnią masom. Również zróżnicowany pobór energii słonecznej przez podłoże, nad którym masa zalega ma niebagatelny wpływ na jej dalsze zachowanie, a co za tym idzie na rozwój pogody nad określonym obszarem. Także warunki lokalne (obecność dużych obszarów piachu, czy wody) mają wpływ na lokalne wahania pogodowe rejonu nazywane w tej skali mikroklimatem okolicy - one to powodują odejście w niektórych miejscach od właściwego dla danej masy typu pogody, lub nawet nieco inny obraz jej przebiegu w relatywnie nie wielkim rejonie. Tak dalece mogą tu zachodzić lokalne odmienności, że nawet możemy mieć lokalnie dokładnie przeciwny kierunek wiatru niżby wynikało to z zasadniczego ruchu masy powietrza. Np. rotor powstający lokalnie z powodu opływania góry przez strumień powietrza powoduje, że tam gdzie on występuje wiatr jest właśnie dokładnie przeciwny zasadniczemu. To jedna z wielkiej liczby możliwych anomalii lokalnych.
Słońce jako główny dostarczyciel ciepła poprzez promieniowanie nagrzewa podłoże. To nagrzewanie - jego wielkość i inne cechy zależą od kilku ważnych czynników:
1. Kąta padania promieni słonecznych na to podłoże;
2. Momentalnej odległości od Słońca do nagrzewającego się podłoża;
3. Pochłaniania promieniowania słonecznego po drodze (w największym stopniu przy przechodzeniu atmosfery - jej kolejnych warstw);
4. Rodzaju nagrzewanego podłoża - inaczej nagrzewa się piasek, inaczej woda, jeszcze inaczej zielona łąka, czy gęsty las, czy w końcu skała.
Postarajmy się zobaczyć wyraźniej działanie każdego z wymienionych czynników:
1. Kąt padania promieni słonecznych na podłoże jest determinowany znowu całą masą warunków:
a. kątem podniesienia Słońca nad horyzont - ten kąt zmienia się wraz z porami roku (obieg Ziemi dookoła Słońca) oraz porami doby (obrót Ziemi dookoła własnej osi) - tylko pomiędzy zwrotnikami jest możliwe zenitalne położenie Słońca i co za tym idzie, maksymalne przekazanie energii promieniowania podłożu. Im dalej w kierunku biegunów, tym bardziej położenie Słońca odbiega od zenitalnego i co za tym idzie, oddawanie energii na ogrzanie podłoża jest coraz mniejsze. Niebagatelne znaczenie ma tutaj również kąt pomiędzy osią obrotu Ziemi, a płaszczyzną ekliptyki (płaszczyzny, w której Ziemia obiega Słońce) Oczywiście nagrzane podłoże także wypromieniowuje swoją energię cieplną i dlatego żeby zrobić dokładny bilans cieplny trzeba od energii pobranej odjąć jeszcze tę, którą podłoże wypromieniowało. Nie będziemy tutaj ujmować tych procesów matematycznie, żeby nie pogłębiać niepotrzebnie tego rozumowania - ważna jest jedynie świadomość opisanych powyżej zjawisk - dla chętnych na bardziej dogłębne poznanie tych procesów jestem dostępny na privat, gdzie mogę podać odpowiednie wzory i zależności liczbowe.
b. ustawieniem ogrzewanej powierzchni w stosunku do słońca - pochylenie stoków górskich - tutaj również występują znaczne różnice w odbiorze energii słonecznej.
2. Odległość od Słońca zmienia się w zależności od położenia Ziemi na orbicie okołosłonecznej i ponieważ orbita ta niewiele odbiega od koła, to i różnice spowodowane tym czynnikiem są niewielkie.
3. Tutaj różnice mogą być bardzo duże bo np. przez całkowitą powłokę chmur do podłoża dochodzi bardzo niedużo promieniowania słonecznego. Tak samo liczba zawiesin stałych w powietrzu zmienia znacznie przepuszczalność promieniowania słonecznego powietrza. Silne inwersje nad miastami przemysłowymi są tego najlepszym odzwierciedleniem.
4. Rodzaj podłoża w końcu ma wielkie znaczenie w prędkości jego nagrzewania oraz w wielkości wypromieniowanego ciepła na zewnątrz. Np. woda nagrzewa się dosyć wolno, ale słabo wypromieniowuje w przestrzeń pobrane wcześniej ciepło - piasek za to nagrzewa się bardzo szybko, ale i szybko wypromieniowuje pobraną energię. Dla lepszego zrozumienia szeregu bardzo ważnych procesów meteorologicznych ważne jest dobre rozeznanie w reakcjach na promieniowanie słoneczne rozmaitych możliwych i spotykanych gatunków podłoża. Warto w tym przedmiocie porobić dla treningu trochę własnych obserwacji.