Woda w atmosferze może występować pod różnymi postaciami – gazowej, ciekłej i stałej. To właśnie woda tworzy chmury, nawilża powietrze, przynosi różne rodzaje opadów, a także odpowiada za występowanie mgły.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Atmosfera

III Opady i osady atmosferyczne

1. Wilgotność powietrza

Wilgotność powietrza określa ile pary wodnej jest w powietrzu. Woda w powietrzu jest skutkiem parowania, a więc procesu zmiany stanu skupienia wody na gazowy. Woda może parować ze stanu ciekłego, ale może też dojść do bezpośredniego parowania śniegu lub lodu (sublimacja), a nawet parowania z roślin (transpiracja) lub gleb (ewaporacja).

Wilgotność mierzy się na dwa sposoby:

  • Wilgotność bezwzględna – określa ile dokładnie wody jest w powietrzu. Mierzymy ją w gramach na metr sześcienny (g/m3).
  • Wilgotność względna – określa w ilu procentach w stosunku do maksymalnej pojemności, powietrze (w danej temperaturze) zostało wypełnione wodą.

Zdolność powietrza do pochłaniania wilgoci zależy od jego temperatury. Im cieplej, tym więcej pary wodnej zmieści się w powietrzu.

Wilgotność bezwzględna i względna, a temperatura powietrza

Źródło: https://www.schock.pl/cache/media_2_avenit_mzag_schoeckmedia_image_thumbnailscheme_570x321.jpg

2. Powstawanie opadu atmosferycznego

Aby mogło dojść do opadu, musi zaistnieć kilka istotnych czynników. Przede wszystkim musi dojść do nasycenia powietrza parą wodną, czyli osiągnięcia poziomu wilgotności względnej = 100%. Wtedy parowanie ustaje i zaczyna się proces kondensacji (przejścia ze stanu gazowego w ciekły) oraz resublimacji (przejścia ze stanu gazowego w stały) pary wodnej – co przyczynia się do powstawania chmur. Jednak powietrze nie zawsze staje się nasycone parą wodną. Aby tak się stało, musi osiągnąć temperaturę punktu rosy – czyli taką temperaturę, przy której wilgotność osiągnie 100%. W praktyce oznacza to, że powietrze wypełnione wodą np. w 60% musi się ochłodzić do niższej temperatury (patrz wykres powyżej) by osiągnąć wilgotność 100%. Bardzo często obserwujemy to w naszym życiu, gdy opady deszczu, zwłaszcza latem, występują popołudniami i wieczorami, gdy jest zdecydowanie chłodniej niż w południe. Oznacza to, że przy cały czas trwającym parowaniu, zdolność powietrza do pomieszczenia pary wodnej zmniejszyła się i tym samym wilgotność względna wzrosła.

Aby mogły uformować się chmury niezbędne jest jeszcze istnienie jąder kondensacji – czyli różnych drobinek zawieszonych w powietrzu, na których woda mogłaby osiadać. Najczęściej są to kryształki lodu, kryształki soli morskiej, a także pyły lub dymy pochodzenia antropogenicznego.

3. Rodzaje chmur

Istnieje kilka kryteriów podziału chmur:

  • Ze względu na wysokość nad ziemią na piętra: niskiego (0 – 2 km), średniego (2 – 7 km) i wysokiego (7 – 13 km) oraz chmury o budowie pionowej występujące w więcej niż jednym piętrze.
  • Ze względu na budowę na: pierzaste (z łac. cirrus – „lok włosów”), warstwowe (z łac. stratus – „warstwa”) i kłębiaste (z łac. cumulus – „stos”). Dodatkowo wydziela się także, jako podtyp – chmury opadowe (z łac. nimbus – „ulewa”). Ponadto wydziela się chmury mające cechy budowy dwóch rodzajów chmur.
  • Ze względu na dawanie opadu na opadowe (z których może wystąpić opad deszczu, śniegu, gradu lub opad typu „virga” – wyparowujący przed dotarciem do ziemi) i niedające opadu.

Podział chmur ze względu na piętra

  • Piętro niskie (0 – 2 km nad ziemią) – chmury: kłębiaste (Cumulus – Cu), warstwowe (Stratus – St) i warstwowo-kłębiaste (Stratocumulus – Sc).
  • Piętro średnie (2 – 7 km nad ziemią) – chmury: kłębiaste piętra średniego (Altocumulus – Ac) i warstwowe piętra średniego (Altostratus – As).
  • Piętro wysokie (7 – 13 km nad ziemią) – chmury: pierzaste (Cirrus – Ci), pierzasto-kłębiaste (Cirrocumulus – Cc) i pierzasto-warstwowe (Cirrostratus – Cs).
  • Chmury o budowie pionowej (występują w więcej niż jednym piętrze) – chmury: kłębiasto-deszczowe (Cumulonimbus – Cb – najczęściej występuje we wszystkich piętrach jednocześnie) i warstwowo-deszczowe (Nimbostratus – Ns – najczęściej występuje w piętrze niskim lub niskim i średnim). Z rzadka taką chmura może być też Cumuluc (Cu).

Schemat podziału chmur ze względu na piętra z łacińskimi skrótami nazw

Źródło: Opracowanie własne – Krzysztof Grabias.

Podział chmur ze względu na budowę

  • Chmury kłębiaste (Cumulus – Cu): Najczęściej występują pojedynczo w postaci dużych białych lub biało-szarych kłębów/baranków, zwykle podczas pięknej pogody. Zbudowane z kropel wody. Tylko te mocno rozbudowane pionowo mogą dawać opady (z reguły nie dają opadów).

Chmura kłębiasta (Cumulus – Cu)

Źródło: Fred Morledge, PhotoFM.com; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e8/Cumulus_humilis_clouds_redrock.jpg/800px-Cumulus_humilis_clouds_redrock.jpg

Źródło: Eloneo; https://pixabay.com/pl/chmury-niebo-cumulus-chmura-1464836/
  • Chmury warstwowe (Stratus – St): Jednolita biała lub szara (w skrajnych przypadkach nawet czarno-szara) zasłona pokrywająca całe niebo. Zbudowane z kropel wody. Może dawać opad w postaci mżawki lub przelotnego deszczu lub śniegu.

Chmura warstwowa (Stratus – St)

Źródło: PiccoloNamek; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d1/Stratus-Opacus-Uniformis.jpg/800px-Stratus-Opacus-Uniformis.jpg

Źródło: The Great Cloudwatcher; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/22/Stratus_cloud.jpg/800px-Stratus_cloud.jpg
  • Chmury kłębiasto-warstwowe (Stratocumulus – Sc): Połączenie chmur kłębiastej i warstwowej, spłaszczone grube szare lub białe kłębki połączone ze sobą, ale zachowujące cechy wyraźnie oddzielonych płatów i tworzące gęstą zasłonę. Zbudowane z kropel wody. Mogą dawać opad w postaci mżawki, przelotnego deszczu, śniegu lub opad typu „virga”.

Chmura kłębiasto-warstwowa (Stratocumulus – Sc)

Źródło: Simon Eugster; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/89/Large_Stratocumulus.JPG/800px-Large_Stratocumulus.JPG

Źródło: Berrucomons; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f3/Stratocumulus_lacunosus.jpg/800px-Stratocumulus_lacunosus.jpg
  • Chmury kłębiaste piętra średniego (Altocumulus – Ac): To chmury podobne do kłębiastych, ale zbudowane ze zdecydowanie mniejszych, choć również białych lub szarych kłębków, które mają tendencję do łączą się ze sobą tworząc zwarte grupy. Zbudowane z kropel wody. Nie dają opadów.

Chmura kłębiasta piętra średniego (Altocumulus – Ac)

Źródło: Kr-val; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/Altocumulus_se_2.jpg

Źródło: Alana Sise; https://www.flickr.com/photos/alanasise/7889380746
  • Chmury warstwowe piętra średniego (Altostratus – As): Podobnie jak chmura  warstwowa jest grubą szarą lub czarno-szarą zasłoną, najczęściej widać jednak przez nią charakterystycznie prześwitujące słońce. Zbudowana z kropel wody lub kryształków lodu, może dawać opad drobnego deszczu lub śniegu.

Chmura warstwowa piętra średniego (Altostratus – As)

Źródło: The Great Cloudwatcher; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/Altostratus_translucidus.jpg/800px-Altostratus_translucidus.jpg

Źródło: Janne Naukkarinen; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c3/Altostratus_cumulus_1.JPG/800px-Altostratus_cumulus_1.JPG
  • Chmury pierzaste (Cirrus – Ci): Drobne białe lub biało-szare paski, włókna lub piórka silnie rozproszone na niebie. Zbudowana z kryształków lodu. Nie daje opadu.

Chmura pierzasta (Cirrus – Ci)

Źródło: Brocken Inaglory; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ed/Cirrus_Clouds_over_Golden_Gate_Bridge.JPG/800px-Cirrus_Clouds_over_Golden_Gate_Bridge.JPG

Źródło: Rkit; https://pixabay.com/pl/chmury-cirrus-intortus-cirrus-1541330/
  • Chmury pierzasto-kłębiaste (Cirrocumulus – Cc): Podobna do chmury pierzastej piętra średniego, ale o jeszcze drobniejszych białych kłębkach, bardziej rozmytych, również białych lub biało-szarych, często tworzących zlane ławice chmur. Zbudowane z kryształków lodu, nie dają opadu.

Chmura pierzasto-kłębiasta (Cirrocumulus – Cc)

Źródło: Typhoonchaser; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/50/Cirrocumulus_in_Hong_Kong.jpg/800px-Cirrocumulus_in_Hong_Kong.jpg

Źródło: Max Pixel; http://maxpixel.freegreatpicture.com/static/photo/1x/Sky-Clouds-Outdoors-Scenic-Cirrocumulus-Cirrus-234427.jpg
  • Chmury pierzasto-warstwowe (Cirrostratus – Cs): Bardzo cienka, czasami prawie niewidoczna biała lub szara zasłona, prawie nie zasłaniająca Słońca (lub Księżyca). Dająca za to charakterystyczne zjawisko halo – białą lub kolorową soczewkę/pierścień wokół Słońca lub Księżyca. Zbudowane z kryształków lodu, nie dają opadów.

Chmura pierzasto-warstwowa (Cirrostratus – Cs)

Źródło: LivingShadow; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b0/Clouds_CH7.jpg/800px-Clouds_CH7.jpg

Źródło: Simon Eugster; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/71/Close_Cirrostratus_stratiformis.JPG/800px-Close_Cirrostratus_stratiformis.JPG
  • Chmury kłębiasto-deszczowe (Cumulonimbus – Cu): To mocno rozbudowana pionowo (nawet na kilka kilometrów) chmura kłębiasta, najczęściej o kształcie kowadła, grzyba lub wieży o płaskiej szarej lub czarnej podstawie i poszarpanym, kłębiastym białym szczycie. Zbudowana w dolnej części z kropli wody, a w górnej z kryształków lodu. Daje krótkotrwałe, ale bardzo gwałtowne i intensywne opady deszczu, śniegu lub gradu, często w postaci burzy z piorunami.

Chmura kłębiasto-deszczowa (Cumulonimbus – Cu)

Źródło: Jason Chenoweth; https://www.flickr.com/photos/jaychen98/8436957282

Źródło: Opracowanie własne na podstawie: Famartin; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/76/2015-04-23_14_04_58_Developing_cumulonimbus_clouds_over_the_Ruby_Mountains_and_Pinon_Range_viewed_from_Bullion_Road_%28Elko_County_Route_720%29_about_5.5_miles_north_of_Bullion%2C_Nevada.jpg/800px-thumbnail.jpg
  • Chmura warstwowo-deszczowa (Nimbostratus – Ns): ciemnoszara lub czarna gruba zasłona, pokrywająca całe niebo. Zbudowana z kropel wody i kryształków lodu. Daje długi, ulewny opad deszczu lub śniegu, ale bez burzy z piorunami (chyba że występuje wspólnie z Cumulonimbusem).

Chmura warstwowo-deszczowa (Nimbostratus – Ns)

Źródło: Brownpau; https://www.flickr.com/photos/brownpau/5662252301

Źródło: Jacek Halicki; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3b/2014_Nimbostratus.jpg/800px-2014_Nimbostratus.jpg

Podział chmur ze względu na opad

  • Chmury zwiastujące niemal pewne opady: Cumulonimbus (Cb) – gwałtowne, intensywne ale krótkotrwałe opady deszczu, śniegu lub grady z możliwymi burzami. Nimbostratus (Ns) – długotrwałe, ulewne opady deszczu lub śniegu bez burzy.
  • Chmury mogące czasami dawać opady deszczu lub śniegu, ale zazwyczaj niewielkie: Stratus (St), Stratocumulus (Sc), Cumulus (Cu) (tylko te o cechach budowy pionowej), Altostratus (As).
  • Chmury niedające opadów: Altocumulus (Ac), Cirrus (Ci), Cirrostratus (Cs), Cirrocumulus (Cc).

4. Powstawanie i rodzaje opadów atmosferycznych

Proces powstawania opadu w chmurach jest dość złożony, oddziałują na niego różne siły. Zbyt małe krople deszczu pojawiająca się w chmurze nie spadają, ponieważ są zbyt lekkie i hamują ją prądy wstępującego powietrza. Krople więc zderzają się w chmurach ze sobą i powiększają swój rozmiar. Gdy stają się odpowiednio duże i ciężkie, przełamują opór i spadają w postaci deszczu lub mżawki (kropla wody <0,5 mm średnicy). W chmurach, w których oprócz kropel wody znajdują się też kryształki lodu, krople wody zamarzają na kryształkach lodu i w ten sposób zwiększają swoją objętość. Jeżeli temperatura jest ujemna, może pojawić się opad stały – śnieg, grad lub krupa śnieżna (choć w praktyce geneza gradu jest nieco bardziej złożona, gdyż występuje on latem).

Specjalnym, rzadkim zjawiskiem jest opad typu virga – to opad (najczęściej mżawki, ale zjawisko może dotyczyć praktycznie każdego opadu), który wyparowuje przed dotarciem do powierzchni Ziemi. Dzieje się tak, gdy występuje duża różnica wilgotności w różnych warstwach atmosfery.

Opad typu „virga” z chmury Nimbostratus

Źródło: Simon Eugster; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2c/Nimbostratus_virga.JPG/800px-Nimbostratus_virga.JPG

Istnieją 3 główne rodzaje opadów atmosferycznych ze względu na genezę:

  • Opady konwekcyjne – najczęściej występuje w gorące dni w strefie umiarkowanej, jest też typowym (nawet codziennym) opadem dla strefy międzyzwrotnikowej. Przez cały dzień trwa intensywne parowanie. Gorące powietrze wznosi się i ochładza. Najczęściej w wyniku popołudniowego obniżenia temperatury zostanie osiągnięta temperatura punktu rosy, dochodzi do kondensacji i powstania gwałtownego, krótkotrwałego opadu (najczęściej powstaje chmura Cumulonimbus).
  • Opady frontalne – najczęstszy typ opadu w strefie umiarkowanej, związany ze spotkaniem frontów atmosferycznych: ciepłego i zimnego (tym samym temperatura spada i osiąga temperaturę punkt rosy). Jeżeli do opadu dochodzi na froncie ciepłym – opad jest łagodny, ale długotrwały (Nimbostratus). Jeżeli na froncie chłodnym – gwałtowny i krótkotrwały (Cumulonimbus). Jeżeli mamy do czynienia z frontem zokludowanym – opad może mieć obie cechy.
  • Opady orograficzne – opad lokalny występujący wyłącznie w górach. Powietrze napotykające przeszkodę wznosi się i ochładza, osiągając tym samym temperaturę punktu rosy. Następuje opad. Ze zjawiskiem związane jest powstawanie wiatru typu fen.

5. Rozmieszczenie opadów na Ziemi

Na rozmieszczenie opadów na Ziemi mają wpływ następujące czynniki:

  • cyrkulacja atmosferyczna (główny czynnik na całym świecie – w strefie międzyzwrotnikowej są to stałe zjawiska takie jak deszcz zenitalny w okolicach równika czy cyrkulacja monsunowa, w strefach umiarkowanych i okołobiegunowych – przemieszczanie frontów atmosferycznych).
  • prądy morskie – ciepłe powodują wzrost opadów, a zimne ich spadek.
  • ukształtowanie powierzchni – dotyczy zwłaszcza zjawiska opadów orograficznych w wysokich górach oraz odcięcia niektórych obszarów od napływu mas znad oceanów.
  • odległość od mórz i oceanów – im bliżej tym wyższe opady.

Roczna suma opadów na Ziemi

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/RfcMaqH0FRZrG/8/960/15Nx22FIkmwvYPi6Dcmou7OY7vy3ibXG.png

Najwyższe opady na Ziemi występują w okolicy równika (skutek globalnej cyrkulacji atmosferycznej), zwłaszcza w Azji południowo-wschodniej. W Czerapuńdżi we wschodnich Indiach mierzy się średnią roczną sumę opadów około 11 000 mm, co jest światowym rekordem. W tym miejscu od sierpnia 1860 do lipca 1861 zmierzono ponad 26 000 mm opadów. Duże opady występują też na wybrzeżach w strefie umiarkowanej, będących pod wpływem ciepłych prądów morskich np. wschodnia Ameryka Północna, zachodnia Europa, wschodnia Australia, Japonia, zachodnia Alaska. Także w wysokich górach, notuje się ponadprzeciętnie wysokie opady (np. Alpy, Kaukaz).

Dużym obszarem pozbawionym opadów są pustynie strefy zwrotnikowej. Jednym z miejsc o najniższych opadach jest pustynia Atakama na zachodnim wybrzeżu Ameryki Południowej. Poza położeniem na suchym zwrotniku dodatkowo oddziałuje na nią potężny zimny prąd Peruwiański. W niektórych częściach pustyni nie odnotowano żadnych opadów od momentu rozpoczęcia obserwacji. Niskie są też opady obszarów odciętych przez góry i położonych w głębi lądów np. na azjatyckiej pustyni Gobi. Przez zimne powietrze (i związany z tym brak parowania), duże położenie w głębi lądu oraz globalną cyrkulację (stale wyżowa pogoda), także wnętrze Antarktydy jest obszarem, gdzie opady praktycznie nie występują.

6. Osady atmosferyczne i mgły

Osady atmosferyczne powstają, gdy produkty kondensacji pary wodnej osadzają się na wychłodzonych powierzchniach np. ziemi, roślinach czy przedmiotach. Należą do nich:

  • Rosa – osad w postaci kropel wody na przedmiotach, glebie, roślinach. Powstaje latem, gdy dochodzi do intensywnego wypromieniowania ciepła z podłoża. Wychłodzone powietrze osiąga w nocy temperaturę punktu rosy i osadza się na zimnym terenie.

Rosa

Źródło: https://cdn.pixabay.com/photo/2017/10/05/15/41/green-2819792_960_720.jpg
  • Szron – osad w postaci kryształków lodu na przedmiotach np. gałęziach drzew. Mechanizm powstawania jest identyczny jak w przypadku rosy, ale ujemna temperatura powoduje powstawanie kryształków lodu.

Szron

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Frost-oliv.JPG/1200px-Frost-oliv.JPG
  • Szadź – osad w postaci lodowych szczotek na przedmiotach, zwłaszcza na drzewach. Powstaje w czasie silnych mrozów, podczas mgły (napływ wilgotnego powietrza). Mgła w ujemnej temperaturze osadza się na drzewach, liniach energetycznych itp.

Szadź

Źródło: https://www.tapeciarnia.pl/tapety/normalne/tapeta-szadz-na-drzewach-i-uschnietych-roslinach-obok-polnej-drogi.jpg
  • Gołoledź – osad w postaci warstwy lodu na gruncie. Powstaje zimą, gdy po silnych mrozach dochodzi do niewielkiej odwilży i pojawienia się opadów deszczu. Woda spada na zimny grunt, a po obniżeniu temperatury powietrza – zamarza tworząc lodową taflę.

Gołoledź

Źródło: http://tylkotorun.pl/wp-content/uploads/2019/01/50227072_284805828847523_1420152007531954176_n.jpg


Mgła to zawieszona w powietrzu wilgoć w postaci kropel wody, która dotyka gruntu i ogranicza widoczność poniżej 1 kilometra. Istnieje wiele rodzajów mgieł, a najważniejsze z nich to:

  • mgła radiacyjna (mgła z wypromieniowania) – powstaje w wyniku wychłodzenia powietrza przy powierzchni Ziemi, będącego skutkiem wypromieniowania ciepła, najczęściej nocą, latem. Zazwyczaj jest mało gęsta i lokalna.
  • mgła adwekcyjna (mgła napływowa) – powstaje w wyniku napływu ciepłego i wilgotnego powietrza nad zimne podłoże. Zazwyczaj jest bardzo gęsta i obejmuje duże obszary.
  • mgła frontowa (mgła zmieszania) – skutek mieszania się mas zimnego i ciepłego powietrza na styku frontów atmosferycznych, najczęściej na wybrzeżach. Są gęste i rozległe.
  • mgła z parowania – powstaje gdy powietrze z ciepłego zbiornika wodnego unosi się do chłodnego powietrza, – zjawisko lokalne o małej grubości.
  • mgła górska (zboczowa, orograficzna) – powstaje gdy powietrze ochładza się pokonując przeszkodę terenową, ma charakter lokalny, ale może być gęsta.

Przykład mgły w Polsce

Źródło: https://dobrapogoda24.pl/uploads/assets/2372/full_Mg%C5%82a_wiosna.jpg