PODSTAWY TEORII METEOROLOGII

TEMAT:   Dobowy przebieg temperatury powietrza.

Temat powiązany jest z: 

WARTO RÓWNIEŻ PRZECZYTAĆ I ZOBACZYĆ

   Dlaczego temperatura powietrza spada i wzrasta w ciągu doby ?

         Przy prognozowaniu pogody bardzo ważną sprawą jest zrozumienie dobowego przebiegu temperatury powietrza. Przebieg temperatury, to kolejność zmian temperatury powietrza w czasie (wzrosty i spadki).

         Poniżej znajduje się wykres dobowego przebiegu temperatury zarejestrowany 10 września 1996 roku, w stacji Norman (Oklhoma, USA). Wykres przedstawia temperaturę od zachodu słońca 9. września. do zachodu 10. września (czas na rysunku podany jest w GMT, czas lokalny = czas GMT - 6h). Przebieg temperatury jest podobny do tych obserwowanych w większość słonecznych dni.

         Charakterystyka powyższego wykresu daje już wiele wskazówek do odpowiedzi na pytanie dlaczego temperatura się zmienia.

         Można łatwo zauważyć, że dzienny przebieg temperatury nie jest symetryczny. Temperatura wzrasta trochę szybciej niż spada. Co więcej, temperatura wzrasta początkowo w relatywnie szybkim tempie później już wolniej. Największe tempo wzrostu temperatury rejestruje się rankiem i maksimum osiąga ok. godz. 15 (21 GMT).

         Podobnie temperatura początkowo spada relatywnie szybko później już wolniej. Największe tempo spadku temperatury notuje się w okolicach zachodu słońca (godz. 18, lub północ GMT), jednak minimum dobowe występuje o świcie.

         Prześledźmy kilka hipotez dobowych zmian temperatury. Udowodnimy prawdziwość jednej z nich na podstawie rzeczywistych danych zarejestrowanych w stacji meteorologicznej w Norman.

   Hipoteza 1:

         Temperatura jest proporcjonalna do promieniowania słonecznego. Kiedy słońce góruje, powietrze jest najbardziej gorące

         Żeby sprawdzić prawdziwość tej hipotezy posłużymy się wykresem dobowego przebiegu promieniowania słonecznego. Jeśli wykres ten pokryje się z wykresem dobowego przebiegu temperatury hipoteza może być prawdziwa. Poniżej przedstawiono typowy wykres promieniowania słonecznego "otrzymanego" przez poziomą powierzchnię terenu latem.

         Na tym rysunku czerwona przerywana linia obrazuje maksymalną ilość promieniowania słonecznego dla tego dnia w tym położeniu geograficznym, natomiast aktualną ilość promieniowania zaznaczono ciągłą żółtą linią.

         Część "nocna" wykresu jest oczywista - nie świeci słońce, nie ma promieniowania. W ciągu dnia zmiana intensywności promieniowania (z maksimum w południe) zależy od astronomicznej wysokości Słońca. Po pierwsze, im niżej jest słońce tym mniej promieniowania słonecznego pada na powierzchnię ziemi. Po drugie, im niżej jest słońce tym przez większą ilość musi przedostać się światło słoneczne, a przez to więcej promieni zostaje rozproszonych przez cząsteczki powietrza, pyłu czy chmury. Hipotezę tą można więc odrzucić, ponieważ maksimum temperatury nie występuje zazwyczaj w południe lecz później, poza tym niewyjaśniona pozostaje sytuacja ciągłego spadku temperatury w ciągu nocy.

         Hipoteza ta mogłaby opisywać zjawisko dlaczego dni są ciepłe, a noce zimne. Nie można jednak posłużyć się takim założeniem przy prognozowaniu dobowego przebiegu temperatury powietrza.

   Hipoteza 2:

         Zmiana temperatury jest proporcjonalna do promieniowania słonecznego

         Odnosząc się to pierwszego prawa termodynamiki, zmiana temperatury powietrza przy danym ciśnieniu jest proporcjonalna do ilości energii cieplnej jaka została dodana lub uwolniona.

         Jeśli więc przyjmiemy, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do intensywności promieniowania słonecznego, powinna ona rosnąć stale kiedy słońce świeci i osiągnąć maksimum o zachodzie słońca. Co więcej, hipoteza ta nic nie mówi o spadku temperatury. Stąd, kiedy temperatura osiągnęłaby maksimum o zachodzie, wtedy zatrzymałaby się na tym poziomie i od następnego ranka zaczęłaby znowu rosnąć. Każdego dnia byłoby cieplej.

   Hipoteza 3:

         Zmiana temperatury jest proporcjonalna do promieniowania słonecznego minus jakaś stała straty energii

         Zakładając taką hipotezę, temperatura powinna rosnąć tylko wtedy kiedy ilość energii pobieranej przewyższa ilość energii traconej. Odkąd słońce musi wznieść się na pewną wysokość żeby dochodzące promieniowanie przewyższyło ilość energii traconej, temperatura nie zaczęłaby rosnąć rankiem wcześniej niż kilka minut lub godzin po świcie. Z tego samego powodu późnym popołudniem, przed zachodem, byłby czas kiedy dochodzące promieniowanie słoneczne równałoby się lub spadałoby poniżej energii traconej i temperatura zaczęłaby spadać. Reasumując, minimum dobowe przypadałoby jakiś czas po świcie, a maksimum jakiś czas przed zachodem słońca.

   Hipoteza 4:

         Zmiana temperatury jest proporcjonalna do promieniowania słonecznego minus jakaś losowa strata energii, która jest funkcją czasu

         Tą hipotezę można od razu odrzucić, gdyż na pewno na jej podstawie nie dowiemy się dlaczego jest taki, a nie inny dobowy przebieg temperatury, jeśli wprowadzamy już elementy przypadkowości.

   Hipoteza 5:

         Zmiana temperatury jest proporcjonalna do promieniowania słonecznego minus ilość energii, która jest funkcją temperatury (duża strata energii kiedy temperatura jest wysoka i mała strata energii kiedy temperatura jest niska).

         Można by to zapisać wzorem dT/dt = c S - f(T), gdzie T to temperatura, c stały współczynnik proporcjonalności, S natężenie promieniowania słonecznego, a f(T) to tempo utraty energii w przeliczeniu na tempo zmiany temperatury.

         Na postawie powyższego można stwierdzić, że im coś jest cieplejsze tym więcej oddaje ciepła i to jest strata energii. Stąd - im większa temperatura powietrza tym większa strata energii. I dalej, temperatura spada szybciej popołudniu niż nad ranem, a najbardziej dynamiczny wzrost temperatury występuje ranem.

         Temperatura spada dynamicznie późno po południu kiedy dochodząca energia słoneczna jest prawie równa zeru, a strata energii jest nadal wysoka. Kiedy nadchodzi noc spada strata energii i temperatura wyrównuje się.

         Ta hipoteza jest najbardziej prawdopodobna. Nie wyjaśnia ona jednak dlaczego minimum dobowe przypada zaraz przed świtem, rzadziej krótko po świcie.

         Czy powietrze pochłania promieniowanie słoneczne, ogrzewa się i emituje inną energię przez co ochładza się? Czy może coś innego się dzieje? Odpowiedź, która będzie zaskoczeniem dla niektórych, jest taka, że dzieje się coś innego.

         Powietrze jest prawie przeźroczyste dla promieniowania słonecznego. Przez to, jeśli nie występuje zachmurzenie, prawie całe promieniowanie słoneczne, które dociera do atmosfery ziemskiej przedostaje się do powierzchni ziemi. Trochę tego promieniowania jest absorbowane przez ozon, szczególnie w stratosferze, trochę przez tlen w niższej warstwie troposfery, ale większość dociera do powierzchni i jest tutaj absorbowane przez co temperatura gruntu wzrasta. Temperatura powietrza przy powierzchni ziemi też wzrasta gdyż ma ono bezpośredni kontakt z gruntem. Cząsteczki ogrzanego powietrza unoszą się przez co przenoszą ciepło do warstwy granicznej (ok. 1 km). To ogrzewanie czy chłodzenie dotyczy tylko warstwy powietrza tej przy powierzchni ziemi - do 1 km. Powyżej tego poziomu temperatura jest prawie stała, waha się jedynie ok. 2 stopni pomiędzy dniem, a nocą ze względu na słabą absorpcję promieniowania.

Na podstawie:
The METR 151 Class Page
Atmospheric Sciences Department at Texas A&M University

 
Stronę opracowano dzięki życzliwości i za zgodą autora :