Autor: Katarzyna Bielatowicz OCEAN POWIETRZA Autor: Katarzyna Bielatowicz

Spis treści : Chmury, Deszcz, Grad, Śnieg, Mgła, Szron, Szadź Jak powstaje burza? Grzmot Złudzenia optyczne w przyrodzie Niebieska barwa nieba Słońce nad horyzontem Zorze polarne Z czego składa się powietrze? Jak gruba jest atmosfera? Co to jest warstwa ozonowa? Ile waży powietrze? Dlaczego niebo jest niebieskie? Dlaczego o zachodzie słońca niebo jest kolorowe? Jak powstaje tęcza? Dlaczego wieje wiatr?

Chmury składają się z miliardów maleńkich kropelek wody i kryształków lodu. Pojedyncze kropelki tworzące chmurę powstają wtedy, gdy wilgotne i ciepłe powietrze staje się w wyniku wędrówki ku górze na tyle chłodne, że zawarta w nim para wodna ulega skropleniu. Kropelki, początkowo małe, zbierają się wokół pyłków kurzu oraz innych mikroskopijnych cząstek. Wznosząc się wraz z prądami powietrza, kropelki zderzają się i łączą ze sobą tworząc stopniowo większe krople. Jeśli chmura wejdzie w strefę ciepłego powietrza to wyparowuje.

Deszcz powstaje gdy łączące się kropelki chmury na wskutek wzajemnych zderzeń są na tyle duże, aby pokonać opór powietrza i spaść na Ziemie. Na kropelkę wody w powietrzu bowiem działają dwie siły: ciężkości i oporu powietrza. Dla małych kropelek siły te równoważą się przy bardzo małych prędkościach, czym większe są kropelki wody to równowaga zachowana jest przy większych prędkościach. Niektóre krople deszczu powstają w inny sposób. Początkowo znajdują się w górnej, zimnej części chmur, gdzie mają postać śniegu lub kryształków lodu, po czym, gdy znajdą się w zalegającym niżej ciepłym powietrzu, topnieją i spadają na ziemię jako deszcz. Prawdopodobnie co najmniej połowa opadów deszczu powstaje w ten sposób. Najmniejsze krople deszczu, określane jako mżawka, opadają na ziemię tak powoli, że wydają się stać w powietrzu. Największe krople mają prawie 6 mm średnicy i spadają z prędkością 8 m/s.

Grad powstaje gdy drobne kropelki wody znajdujące się w górnej zimnej części chmur, zamarzają, tworząc grudki lodu. Mogą mieć one duże rozmiary. Rosną bowiem oblepiane kropelkami wody, które natychmiast zamarzają.

Śnieg to też kryształki lodu powstające w wyniku bezpośredniej zmiany pary wodnej zawartej w powietrzu w lód. Zachodzi tu więc zjawisko resublimacji. Na powstałych w ten sposób kryształkach lodu osiada coraz więcej zamarzniętej pary wodnej, rosną więc i stają się płatkami śniegu. Tworzące się płatki mogą mieć, zależnie od temperatury i wilgotności powietrza różne kształty. Zazwyczaj są to sześcioramienne symetryczne gwiazdki. Mogą też mieć kształt płaskich sześciokątnych płytek, igiełek, słupków, krążków, a czasem nieregularnych brył.

Mgła podobnie jak szron i rosa, tworzy się w powietrzu nasyconym parą wodną. W pewnych warunkach, zależnych między innymi od temperatury powietrza, para skrapla się, tworząc drobne kropelki. Są za małe i za lekkie, aby mogły spaść na ziemię tak, jak kropelki tworzące chmurę. Mgła jest więc chmurą znajdującą się przy powierzchni Ziemi. Powstaje też przy zetknięciu się ciepłej masy powietrza z zimną lub przez ochłodzenie się wilgotnego powietrza wznoszącego się w górę wzdłuż stoków gór.

Szron powstaje gdy punkt rosy przypada poniżej punktu zamarzania czyli poniżej 0°C Jeśli przy temperaturze poniżej 0°C nasycone parą wodną powietrze styka się z przedmiotami ochłodzonymi para wodna przechodzi bezpośrednio ze stanu gazowego w drobne kryształki (igiełki) lodu. Jest to proces resublimacji. Kryształki mogą rosnąć po połączeniu i czasami tworzą delikatne pierzaste kształty. Szadź jest to zamrożona rosa. Występuje ona jeśli rosa powstanie, zanim temperatura opadnie poniżej 0°C, a następnie zamarza.

Jak powstaje burza? Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego, więc unosi się do góry. W trakcie wznoszenia powietrze się rozpręża, a przy rozprężaniu wszystkie gazy bardzo się ochładzają. Tak wygląda wypływ dwutlenku węgla z przebitego naboju do syfonu, rozprężający się gaz ochładza się tak bardzo, że jego temperatura spada poniżej -80°C i gaz zamienia się w tak zwany suchy lód, a cały nabój pokrywa się szronem. Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się chłodniejsze od otoczenia, a więc cięższe i opada na dół. Inaczej przebiega ten proces, gdy wznoszące się powietrze zawiera dużo pary wodnej. W miarę ochładzania się powietrza, zawarta w nim para wodna kondensuje się, czyli skrapla. Przy kondensacji wydziela się dużo ciepła (tyle samo, ile wcześniej należało dostarczyć, aby woda odparowała).

Burza

Czy wiesz, że… W czasie burzy napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 100 000 000V. Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie około 10 000A a czasami i więcej. Zwykła letnia burza wyzwala energię o mocy trzynastokrotnie większej niż energia bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę, której ładunek odpowiadał 20 000 ton TNT (trotylu - trójnitrotoluenu).

Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc jest lżejsze od otoczenia. To jest właśnie mechanizm, który powoduje, że w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie - z prędkością pociągu pospiesznego - wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15 000 m. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska (około -60°C). Skondensowane kropelki wody zamieniają się w lód, stopniowo łącząc się z sobą i tworząc coraz większe kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając za sobą w dół zimne powietrze. W trakcie opadania cząsteczki lodu topnieją i z chmury zaczyna padać deszcz. Ponadto stosunkowo chłodne powietrze, gdy tylko dotrze do powierzchni Ziemi, zaczyna rozchodzić się na boki. Dlatego zwykle przed burzą wieje chłodny wiatr. Opadanie cząsteczek lodu lub kropel wody związane jest z jeszcze jednym zjawiskiem. Ponieważ Ziemia naładowana jest ujemnie, dół kropli lub kryształka lodu ładuje się przez indukcję ładunkiem dodatnim.

W czasie lotu w dół ten dodatni koniec kryształka lub kropli odpycha ze swojej drogi jony dodatnie, natomiast przyciąga i pochłania jony ujemne. Następuje tzw. separacja ładunku. Ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury, a dodatnie na górze. Ujemny ładunek na dnie chmury staje się na tyle duży, że napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 100 000 000 V. (Ziemia wprawdzie też ma ładunek ujemny, ale jest on tak maleńki wobec olbrzymiego ładunku ujemnego dołu chmury, że względem chmury Ziemia jest naładowana dodatnio). Te olbrzymie napięcia powodują wyładowania łukowe, czyli uderzenia pioruna.

Sam piorun też jest zjawiskiem bardzo złożonym Sam piorun też jest zjawiskiem bardzo złożonym. Najpierw od chmury odrywa się mały, jasny punkt, zwany prekursorem, który pędzi w kierunku Ziemi z prędkością 50 km/s. Przebiega 50 m i zatrzymuje się. "Odpoczywa" około 50 nanosekund i znowu posuwa się o krok, zwykle w nieco innym kierunku. Takimi skokami przebywa drogę aż do Ziemi. Droga, którą przebył, pełna jest ładunków ujemnych i staje się jakby drutem łączącym chmurę z Ziemią. Gdy w końcu ładunek ujemny zbliży się do Ziemi, z Ziemi zaczyna się wyładowanie w jego kierunku. Główne, najjaśniejsze uderzenie biegnie od Ziemi do góry, powodując błysk i grzmot.

Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie około 10 000 A ta czasem więcej). Ale to jeszcze nie koniec. Po kilku setnych sekundy biegnie w dół nowy prekursor, zwany "ciemnym prekursorem". Biegnie tą samą drogą co pierwszy, ale już nie przystaje. Znowu następuje uderzenie powrotne po przygotowanej przez niego drodze. Takich kolejnych uderzeń może być wiele (zaobserwowano do 42 błyskawic na tym samym torze), zawsze jednak następują one bardzo szybko po sobie. Potem chmura "odpoczywa" przez co najmniej 5 s. Z opisanego mechanizmu widać również, dlaczego piorun uderza w wystające, ostre przedmioty. Ładunki elektryczne najchętniej gromadzą się na wszelkiego rodzaju ostrzach. Błyskawica przebiega właściwie od Ziemi do chmury, więc gdy prekursor znajdzie się w pobliżu wystającego, ostrego budynku lub drzewa, wyładowanie zaczyna się od tego ostrzą i dosięga prekursora.

A grzmot? Na drodze przejścia błyskawicy wydziela się bardzo duża ilość ciepła (zgodnie z prawem Joule'a ) i powietrze rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury gwałtownie się rozpręża. Stąd huk jak przy wystrzale. W ten uproszczony sposób można przedstawić powstawanie burzy, błyskawic i piorunów. W rzeczywistości mechanizm powstawania burzy i piorunów jest dużo bardziej skomplikowany i jeszcze nie do końca wyjaśniony.

Złudzenia optyczne w przyrodzie Barwa nieba o zachodzie Słońca w czasie zachodu Słońce ma barwę czerwonobrunatną, natomiast będąc wysoko nad horyzontem jest białe. Przechodząc przez atmosferę, światło ulega rozproszeniu. Natężenie światła rozproszonego jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali. Światło białe jest mieszaniną wszystkich kolorów tęczy czyli fal o różnych długościach, ponieważ każda barwa ma inną długość fali. Fale czerwone i żółte są najdłuższe, zaś niebieskie i fioletowe najkrótsze. O wschodzie i zachodzie promienie Słońca przechodzą przez znacznie grubsze warstwy atmosfery niż o innej porze dnia. Zatem w świetle przechodzącym dominują większe długości fali (krótkie czyli fioletowe i niebieskie uległy rozproszeniu), a ich przewaga jest tym wyraźniejsza, im grubszą warstwę atmosfery światło pokonuje.

Barwa nieba o zachodzie słońca

Błękitny kolor nieba

Niebieska barwa nieba… Niebieską barwę nieba można wytłumaczyć również rozproszeniem światła słonecznego na cząsteczkach powietrza. Cząsteczki gazów rozpraszają silnie fale o mniejszych długościach czyli fioletowe i niebieskie. Fale te przechodząc przez atmosferę są wielokrotnie rozpraszane w różnych kierunkach i dochodzą do nas ze wszystkich stron nieba. Rozproszenie sprawia, że powietrze odbieramy jako jasne z wyraźną przewagą fioletu, sporą porcją barwy niebieskiej, mniejszą barwy zielonej i całkiem małą barwy żółtej czy czerwonej. Takie połączenie barw odbierane jest przez ludzkie oko jako błękit. Błękit nieba jest tym mocniejszy, im powietrze jest czystsze. Różnego rodzaju zanieczyszczenia pyłem czy piaskiem, kryształki lodu lub cząsteczki wody powodują zblednięcie nieba. Większe cząsteczki zawieszone w atmosferze rozpraszają bowiem równie dobrze wszelkie fale.

Słońce nad horyzontem… Patrząc na Słońce lub Księżyc ulegamy złudzeniu, że ich rozmiary są większe niż gdy znajdują się wysoko na niebie. Tymczasem ich rozmiary kątowe są jednakowe bez względu na wysokość nad horyzontem. Złudzenie to można wytłumaczyć różnicą punktów odniesienia. Gdy Słońce i Księżyc są nisko nad horyzontem, ich rozmiary możemy porównać ze szczegółami krajobrazu Ziemi. Nie można tego uczynić, gdy są wysoko nad Ziemią.

Słońce nad horyzontem…

Zorze polarne… Zorze polarne powstają na skutek burz magnetycznych na Słońcu. Powstają wtedy silne rozbłyski co widać na zdjęciu obok wykonanym w promieniach Roentgena. W wyniku tego z powierzchni Słońca wyrzucane są ogromne ilości naładowanych cząstek (protonów i elektronów) o wysokiej energii. Kiedy dotrą one w pobliże Ziemi, ziemskie pole magnetyczne rozdziela te dwa rodzaje cząstek (powstają wówczas różnice potencjału od 20 000 do 150 000 V). Elektrony poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego i w końcu zderzają się z cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które wracając do stanu podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła. Jeśli zderzenie następuje z azotem widzimy kolor czerwony i niebieski, jeśli z tlenem zielony i różowy. Zorze występują na wysokości 70-300km, chociaż czasami sięgają 1000km.

Obraz słońca w promieniach X

Zorza polarna

Zorze polarne… Zorza pojawia się w postaci kolorowych łuków, promieni, pasm, serpentyn i draperii. Naukowcy wciąż jednak nie rozumieją, w jaki sposób zorza przyjmuje obłe kształty albo dlaczego jej kurtyna bywa pofałdowana jak wstążka na wietrze. Dlaczego wreszcie nie jest jednolitą ścianą światła, lecz często składa się z osobnych pasm, jakby tworzyły ją wiązki światła z równolegle ustawionych reflektorów. Jest kilka hipotez wyjaśnienia tych faktów. Może jakieś pola elektryczne w ziemskiej atmosferze muszą tak przyspieszać elektrony, że skupiają się one w wiązki. Niektórzy z badaczy sądzą, że jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się pomiędzy różnymi warstwami atmosfery.

Inni argumentują, że odpowiedzialne za to są zmienne pola elektryczne tworzące fale, na których elektrony "podskakują" jak boje na morzu. Najczęściej zorze widzimy w strefie podbiegunowej co przedstawione jest na zdjęciach. Największe nasilenie zórz występuje w maksimum aktywności Słońca (następują co 11 lat a ostatnie w 2001 roku). Zorze można wtedy obserwować również w Polsce. Z burzami magnetycznymi i zorzami wiąże się wiele innych zjawisk: wzrost pochłaniania fal radiowych, zaburzenia pola magnetycznego, spadek natężenia promieniowania kosmicznego, ale z drugiej strony lepsze urodzaje w latach maksimum cyklu aktywności te roczniki win uznaje się za najlepsze), większe przyrosty drzew i cieplejsze lato.

Zorza polarna nad Polską Stacją Polarną na Spitsbergenie

Z czego składa się powietrze? Powietrze jest niewidoczne. Jego obecność możemy wyczuć tylko wtedy, gdy wieje wiatr. Jest ono mieszaniną gazów. Ok. 78% całkowicie suchego powietrze stanowi azot, a 21 % -niezbędny nam do życia tlen. Pozostałe- 1% -to mieszanina dwutlenku węgla i innych gazów. Powietrze rzadko bywa całkowicie suche, ponieważ zawiera parę wodną. Bez niej nie byłoby chmur, deszczu i życia na Ziemi. W powietrznym oceanie unosi się także mnóstwo drobnych cząstek stałych. Nawet „ czyste” powietrze nad centralna częścią oceanu zawiera 1000 cząstek pyłu na centymetr sześcienny, zaś nad przemysłowymi miastami liczba ta wzrasta do milionów. W powietrzu unosi się m.in. sadza, piasek, sól z rozpylonej wody morskiej, zarodniki roślin oraz ziarna pyłku. Pojedynczy wybuch wulkanu może wyrzucić do atmosfery wiele ton drobnego popiołu. Nawet przeloty meteorów zwiększają zanieczyszczenie atmosfery, ponieważ pozostawiają pyły, które opadają na powierzchnię ziemi.

Jak gruba jest atmosfera? W porównaniu z rozmiarami Ziemi otaczająca ją warstwa powietrza jest cienką powłoką. Górna granica atmosfery nie jest dokładnie określona. Naukowcy przyjmują, że przebiega ona na wysokości ok. 500 km. Powyżej tej granicy rozrzedzone gazy atmosferyczne przechodzą w próżnie kosmiczną. Atmosfera jest niejednorodna i składa się z 4 wyraźnych warstw. Najniższa z nich –troposfera- ma od 8 do 16 km grubości. To w niej powstają wiatry, chmury i burze. Następna warstwa nosząca nazwę stratosfery rozciąga się do wysokości 50 km. W przeciwieństwie do troposfery, stratosfera jest spokojna, toteż piloci odrzutowców często kierują do niej samoloty, aby uciec od burzliwego powietrza znajdującego się poniżej. Trzecia warstwa- chłodna mezosfera- rozciąga się na wysokości od 50 do 80 km, to w niej tworzą się widoczne na niebie świetliste smugi meteorów. Powyżej znajduje się silnie rozrzedzone naładowane elektrycznie powietrze termosfery, w której powstają migoczące zorze polarne.

Co to jest warstwa ozonowa? W porównaniu z reszta atmosfery, stratosfera zawiera dużo ozonu jednej z postaci tlenu. Gaz ten nieustannie się tam tworzy i znów jest rozkładany do postaci zwykłego tlenu. Chociaż w warstwie ozonowej ilość ozonu jest nieznaczna, ma on wielkie znaczenie dla życia na Ziemi. Przy wytwarzaniu i rozkładzie ozonu pochłaniane są duże ilości energii słonecznej, zwłaszcza w postaci promieniowania ultrafioletowego, stratosfera jest więc cieplejsza i stabilniejsza niż troposfera. Działa ona jak dach osłaniający system pogodowy najniższej części atmosfery. Dzięki niej większość niszczącego życie promieniowania ultrafioletowego nie dociera do powierzchni ziemi.

Ile waży powietrze? Powietrze ma swój ciężar. Na ramiona przeciętnej osoby wywiera nacisk jednej tony, ale nie czujemy go, ponieważ takie samo ciśnienie działa na nas ze wszystkich stron. Ciśnienie powietrza na poziomie morza wynosi zwykle ok. 1 km/cm kwadratowy. Spada jednak szybko wraz ze wzrostem wysokości ponad poziom morza. Na wysokości ok. 3 tysięcy metrów wynosi ok. 0,7 km/ cm kwadratowy, zaś na wysokości Mount Everestu, czyli ponad 8800 metrów, wynosi zaledwie 0,3 km/ cm kwadratowy. Powietrze jest tam tak rzadkie, że alpiniści muszą dźwigać butle tlenowe. Ciężar całego oceanu powietrznego jest niewyobrażalny i wynosi ok. 5 000 bilionów ton.

Dlaczego niebo jest niebieskie? O kolorze nieba decydują cząsteczki gazów zawartych w powietrzu. Światło słoneczne jest mieszaniną wszystkich kolorów tęczy, z których każdy ma swoją długość fali. Fale czerwone i żółte są najdłuższe, zaś niebieskie i fioletowe najkrótsze. Cząsteczki gazów rozpraszają silniej fale o mniejszej długości. Fale krótkie odpowiadające kolorowi niebieskiemu, są podczas przechodzenia prze atmosferę wielokrotnie rozpraszane w różnych kierunkach. Fale o większej długości wędrują od Słońca do naszych oczu po niemal prostej lini, natomiast odpowiadające barwie niebieskiej dochodzą do nas ze wszystkich części nieba, dlatego wydaje się nam ono niebieskie. Większe cząstki zawieszone w atmosferze rozpraszają równie dobrze wszelkie fale. Gdy w powietrzu jest dużo takich cząstek, rozpraszanie fal o większych długościach zmniejsza intensywność widzianego przez nasz błękitu nieba i wówczas wydaje się bladoniebieskie.

Dlaczego o zachodzie słońca niebo jest kolorowe? Gdy słońce zachodzi, jego promienie przebywają znacznie dłuższą drogę przez atmosferę niż wtedy, gdy świeci ono wprost nad głową. Duże cząstki zawarte w dolnych partiach atmosfery tak intensywnie, że tylko fale odpowiadające kolorowi czerwonemu i żółtemu docierają bezpośrednio do naszych oczu. Słońce może mieć wówczas postać purpurowej kuli. Promienie padające pod małym kątem oświetlają też chmury od dołu i nadają im lśniące kolory. Efektywność zachodu (i wschodu) słońca zależy od ilości i rozmiarów zawartych w powietrzu cząstek. Burze pyłowe i wyrzucanie popiołów przez wulkany są często przyczyną wyjątkowo pięknych zachodów słońca.

Jak powstaje tęcza? W słoneczny dzień można zobaczyć tęcze w wodzie rozpylanej przez ogrodowy zraszacz, jeśli słońce oświetlające kropelki wody, znajduje się nad nami. Podobnie jest w przypadku tworzenia się naturalnej tęczy na niebie, z tą różnicą, że słońce świeci wówczas nie na pył wodny, znajdujący się blisko nas, lecz na odległy deszcz, a wielobarwny łuk ma znacznie większe rozmiary. Tęczę widzimy dlatego, że mnóstwo pojedynczych kropli działa niczym pryzmaty i zwierciadła. Gdy promień słońca wchodzi do wnętrza takiej kropli, załamuje się I rozszczepia na wszystkie kolory widma. Światło odbija się następnie od tylnej części kropli i powraca do naszych oczu. Ponieważ kąt załamania światła jest dla każdego koloru coraz inny, widzimy szereg różnokolorowych pasów. Światło docierające do nas odbija się od niezliczonych kropel deszczu pod kątem prostym i dlatego widzimy ciągły łuk tęczy.

Dlaczego wieje wiatr? Powietrze w dolnej warstwie atmosfery jest w stałym ruchu. Siłą napędzającą je jest energia słoneczna. Nagrzane powietrze rozpręża się i unosi ku górze, tworząc obszar niskiego ciśnienie. Na jego miejsce napływają sąsiednie masy gęstszego i chłodniejszego powietrza, a ich ruch- to właśnie wiatr. Na rozmieszczenie wiatrów wpływają też inne czynniki: obecność gór i pustyń i niejednakowe nagrzanie dużych połaci lądu i morza. Dlatego też w wielu rejonach świata na globalny układ wiatrów nakładają się typowe dla danego miejsca wiatry lokalne.

Wschodnia część Gór Skalistych słynie np. z wiatru zwanego chinook Wschodnia część Gór Skalistych słynie np. z wiatru zwanego chinook. Jest to ciepły i suchy wiatr pojawiający się zimą. Wieje on okresowo w dół zboczy górskich i na sąsiadujących z nimi równinach. Potrafi czasem podnieść temperaturę powietrza nawet o 30 stopni Celsjusza w ciągu niespełna godziny, toteż popularnie jest nazwany „ zjadaczem śniegu”. Podobny do niego ciepły i suchy wiatr występujący w Alpach nazywany jest fenem, zaś w polskich górach- halnym. W odróżnieniu od niego wiejący w południowej Francji mistral jest wiatrem zimnym i suchym, który może osiągać prędkość 135 km/h i utrzymywać się czasem przez kilka dni. Potężne wiatry powstają także na pustyniach. Znanym wiatrem pustynnym jest sirocco, wiejący z Sahary i Pustyni Arabskiej w kierunku północnym. Inny wiatr saharyjski- harmattan- wieje w stronę Atlantyku . Jest to wiatr gorący, suchy i niosący duże ilości pyłu, przez co często powoduje ograniczenie widoczności daleko na morzu.