RUCHY MAS POWIETRZA

Postarajmy się wyobrazić sobie wielki globus, który się obraca w kierunku wschodnim (tak jak nasza planeta). Na biegunie północnym tego globusa znajduje się mrówka i chce po równoleżniku przejść w kierunku równika. W czasie swojej wędrówki oddala się ona (wraz z powierzchnią globusa) od osi jego obrotu i co za tym idzie rośnie prędkość liniowa z jaką porusza się ona wraz z globusem dookoła jego osi obrotu. Co prawda prędkość kątowa jest cały czas ta sama, ale jednak to właśnie prędkość liniowa oddziaływuje na naszą mrówkę w taki sposób, że chce ją przewrócić w prawo. Mrówka na swoich nóżkach trzyma się dobrze globusa i tylko zwiększy się nacisk na jej prawe nóżki, a zmaleje nacisk na lewe - powietrze jednak, które z powierzchnią Ziemi nie jest tak związane, jak przykładowa mrówka z naszym globusem, zostanie w swojej wędrówce po południku od razu z niego zepchnięte i jego ruch nad powierzchnią ziemi zmieni swój kierunek tak dalece, aż w końcu będzie się ono posuwać już nie wzdłuż południka, tylko wzdłuż równoleżnika. Siła, która tę zmianę kierunku spowodowała została odkryta i wyrażona rachunkowo przez Coriolisa i od jego nazwiska została nazwana siłą Coriolisa. Odgrywa ona wielką rolę - zawsze tam, gdzie idzie o zmianę miejsca nie związanych ściśle z podłożem mas powietrza - bo wpływa na poważną zmianę kierunku ich przesuwania się po powierzchni ziemi.

Teraz postarajmy się sobie wyobrazić, że nasza Ziemia jest wykonana z jakiegoś jednorodnego tworzywa, jest zupełnie gładka i znajduje się na orbicie okołosłonecznej z tak wolnym obrotem dookoła swojej osi, że zawsze jest odwrócona do Słońca tą samą stroną - tak, jak Księżyc w stosunku do Ziemi.

Zastanówmy się nad tym, co stanie się na tej osłonecznionej stronie - w rejonie równika powierzchnia tej nowej Ziemi będzie się nagrzewać od promieniowania słonecznego (prawie prostopadłego do podłoża) - na biegunach zaś pozostanie ona najzimniejsza (najmniejszy kąt padania promieni słonecznych). Atmosfera otaczająca tę nową Ziemię (tu odkładamy na bok tą drugą, nie oświetloną stronę ziemi) będzie się w rejonie równika nagrzewać od nagrzanego podłoża. Powietrze nagrzane (ruch jego rozmaitych składników szybszy) jako lżejsze od otaczającego powietrza uniesie się do góry i zacznie się w miarę unoszenia oziębiać adiabatycznie na skutek rozprężania (coraz mniejsze ciśnienie), a na miejsce po nim z sąsiedztwa zostanie zassane powietrze chłodniejsze co spowoduje ruch masy powietrza z północy i południa w stronę równika. Na dużej wysokości natomiast ochłodzone w procesie adiabatycznym masy powietrza będą rozpychane w stronę obu biegunów przez stale napływające od dołu nowo nagrzewane masy. Ruch powietrza od biegunów w stronę równika spowodowałby brak powietrza na biegunach i żeby temu zapobiec zimne masy w wysokich warstwach atmosfery będą w okolicach biegunów opadać w stronę powierzchni Ziemi, aby ten powstający brak wypełnić. Na tym nieobracającym się modelu byłby to obraz tzw. cyrkulacji ogólnej. Ziemia jednak się dosyć szybko obraca dookoła własnej osi i, jak to sobie rozważyliśmy, wcześniej powietrze lecące od biegunów w stronę równika zostanie poddane sile Coriolisa i zakręci. Nie wdając się w dosyć długie i mozolne rozważania zobaczmy na rysunku 1, jak by w rzeczywistości wyglądał obraz tego ruchu powietrza na jednorodnej i zupełnie gładkiej Ziemi w warstwie przyziemnej. Rysunek 2 pokazuje jak rozłożyłyby się obszary niskiego i wysokiego ciśnienia na naszej zupełnie jednorodnej i gładkiej ziemi. Zrozumienie i dokładne zapamiętanie obu tych szkiców jest bardzo ważne dla dalszych naszych rozważań, bo choć Ziemia w rzeczywistości nie jest ani gładka ani jednorodna, rzeczywisty ruch mas powietrza nad nią następuje według tych właśnie zasad i tylko niegładkości i niejednorodności Ziemi psują nieco ten idealny przebieg.

Dla przejścia od tego modelu do warunków rzeczywistych musimy sobie zdać sprawę jak wpływają na ten model fakty istnienia oceanów i kontynentów.

Dwa ważne czynniki warte są tu przypomnienia:

1. Kondukcyjna pojemność cieplna oceanów jest znacznie większa niż skał tworzących lądy - dlatego roczne amplitudy temperatury są nad oceanami znacznie mniejsze niż nad kontynentami.

2. Zmiany ilości dochodzącego w ciągu roku promieniowania są znacznie mniejsze w pobliżu równika, a rosną ku biegunom, wskutek czego zmienność temperatury w ciągu roku będzie znacznie mniejsza bliżej równika, a będzie się zwiększać w stronę biegunów. Wynika stąd, że zmiany różnic temperatur pomiędzy kontynentem, a oceanem będą mniejsze w pobliżu równika i większe w wysokich szerokościach geograficznych.

Dla pokazania teraz, jak układać się będą średnio ciśnienia powietrza zimą przy Ziemi na półkuli północnej, przyjrzyjmy się wnikliwie rysunkowi 3 (podanemu za U.S. Weather Bureau) pamiętając, że jest to zimowy obraz średni. Letni obraz średni ciśnień powietrza latem na tej samej półkuli pokazuje rysunek 4 (podany za tym samym źródłem).

Jeśli przyjrzymy się jeszcze raz szerokościom geograficznym (na rysunku 1), na których znajduje się północna Europa to zobaczymy, dlaczego właśnie w tym rejonie mamy do czynienia z tak dużą zmiennością układów. W tej szerokości bowiem spotykają się zimny spływ północno-wschodni z ciepłym i wilgotnym ruchem południowo-zachodnim. Powoduje to jako skutek tworzenie się w tych szerokościach geograficznych nieustannych rodzin niżów barometrycznych, które stale przesuwają się w kierunku wschodnim (wpływ kierunku obrotu Ziemi). Ląd Europejski z idącym równoleżnikowo pasmem najpierw Alp, a potem Karpat, hamuje w znacznym stopniu ciepły ruch południowo-zachodni i dla tego rodziny tworzących się stale nowych niżów powstają dalej na zachód od Europy w rejonie Nowej Funlandii, który to rejon nosi z tego powodu nazwę "kolebki niżów". Wędrują one na wschód, podlegając rozmaitym wpływom odchylającym ich ruch czasem w kierunku nieco bardziej północnym, czasem bardziej południowym. Na półkuli północnej niże zawsze muszą kręcić się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, wyże zgodnie z ruchem wskazówek zegara (oczywiście na półkuli południowej jest odwrotnie). Przyczyną tego faktu, jak to już wszyscy zapewne zauważyliście, jest kierunek obrotu kuli ziemskiej i związana z nim siła Coriolisa.

Na mapach pogody (tzw. mapy synoptyczne) łączy się punkty o jednakowym ciśnieniu liniami, które noszą nazwę izobar - daje to wyraźny obraz rozmieszczenia niżów i wyżów w danym momencie, co pozwala na dokładne zorientowanie się, z jakiego typu zjawiskami pogodowymi mamy właśnie do czynienia i oceny, co stanie się dalej. Parę ważnych czynników z tego wynikających warto tu sobie uzmysłowić bez długiego i mozolnego ich wyprowadzania.

1. W układach wyżowych, które kręcą się na naszej półkuli zgodnie z ruchem wskazówek zegara wiatry wieją zawsze wzdłuż izobar z lekkim odchyleniem na zewnątrz (wielkość tego odchylenia jest zależna od tego czy wyż się tworzy czy rozpływa);

2. W układach niżowych, które kręcą się na naszej półkuli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wiatry wieją zawsze wzdłuż izobar z lekkim odchyleniem do wewnątrz (wielkość tego odchylenia jest zależna od tego czy niż się pogłębia, czy wypełnia);

3. Prędkość wiatru jest ściśle związana z odległością pomiędzy izobarami (poziomy gradient baryczny) i jest tym większa, im izobary są gęściej położone;

4. Wszystkie zjawiska pogodowe zachodzące w wyżu są bardzo osłabione i nie wyrażone silnie (słabsze wiatry niż w niżu, słabsza termika - jeśli wystąpi w ogóle, mniej typowe układy chmurowe, mniej intensywne opady itp.);

5. Wszystkie zjawiska pogodowe zachodzące w niżu są silnie wyrażone i tylko w niżu można oczekiwać ekstremalnych zachowań pogody. Dzieje się tak dlatego, że w zasadzie z powodu opisanych wcześniej mechanizmów ruchu powietrza powstają wyłącznie niże. One to wypychają na zewnątrz spore masy powietrza na skutek siły odśrodkowej, te zaś są utrzymywane tylko poprzez okoliczne niże i przez nie kręcone, jak koła zębate w odwrotną stronę. Wyże są od początku zjawiskami wtórnymi (w tym miejscu fachowcy rzucą się na mnie chcąc mnie rozszarpać, ale uprzedzałem, że chcąc przeprowadzić ten kurs w realnym czasie muszę używać skrótów myślowych, nawet wtedy kiedy one są spore - zainteresowanym chętnie mogę ten temat rozwinąć, ale dla naszych potrzeb paralotniarskich nie widzę sensu);

6. Wszystko, co w dalszych rozważaniach przypiszemy prawom ogólnym, może w warunkach lokalnych ulec rozmaitym zakłóceniom i nie wystąpić tak dokładnie, jak by to wynikało z przyjętych praw ogólnych (czasami zakłócenia te mogą tak dalece zaciemnić przepisowy obraz zjawisk, że zachodzi obawa o ich właściwą interpretację);

7. Każdy kręcący się układ, obojętnie czy to niż, czy wyż, ma swoją oś obrotu. Niestety oś ta prawie nigdy nie jest prostopadła do powierzchni Ziemi. Wynika z tego, że ruch takiego kręcącego się układu musi poza innymi czynnikami zawierać jeszcze tzw. wpływ żyroskopowy. Spróbujcie na stole puścić zwykłego bączka, ale nie pionowo w stosunku do powierzchni stołu, tylko trochę skośnie - zobaczycie, co z tego wyniknie i spostrzeżenie to zastosujcie potem przy analizie możliwości ruchu układów barycznych;

8. Innym, nie mniej ważnym składnikiem ruchu układów barycznych jest ich hamowanie - może ono pochodzić od wpływu podłoża (góry, wielkie doliny itp.) czy od rozlokowania innych układów barycznych w okolicy - są to hamowania zewnętrzne oraz od wewnętrznych czynników, które dokładniej omówimy sobie dokładniej w następnej pogadance. Tu także może przydać się zabawa z bączkiem - po jego puszczeniu spróbujcie kartką papieru przyhamować jego obrót z jednej strony - co zaobserwujecie?

Teraz na zakończenie proponuję rzut oka na http://meteo.it, żeby zobaczyć jak to wygląda na teraz w Europie (na niebiesko są zaznaczone fronty chłodne, na czerwono fronty ciepłe, a izobary są opisane wartościami - można sobie ten obrazek porównać z wiatrem, jaki wieje za oknem.

Ryszard Lutosławski
(ryszard@vossnet.de)