Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych
Blog > Komentarze do wpisu

Para wodna w atmosferze. I

Niby nic skomplikowanego – a jednak. Zastanówmy się co widać na rysunku poniżej. Górny rysunek to ilość pary wodnej w powietrzu w gramach pary wodnej na kilogram powietrza. Kilogram powietrza przy powierzchni Ziemi to około 1 metr sześcienny. Natomiast dolny rysunek pokazuje wilgotność powietrza w procentach. 100% odpowiada powietrzu, które jest całkowicie nasycone parą wodną, a 0% odpowiada powietrzu, które jest suche. Na osi poziomej jest szerokość geograficzna, a na osi pionowej jest ciśnienie. Na powierzchni Ziemi ciśnienie jest 1000 hPa (hekto Pascal) a  wysoko w atmosferze  ciśnienie jest na tym rysunku 100 hPa. Szerokość geograficzna 0 to jest równik. Szerokości około tropikalne są poniżej 30 stopni w stronę równika. Dodatnie szerokości to półkula północna, gdzie leży Polska.   

 

 q oraz RH

 

Na pierwszy rzut oka widać, że rozkład ilości pary wodnej i wilgotności są bardzo różne od siebie. Rozkład ilości pary wodnej jest dość intuicyjny. W  cieplejszym klimacie  ilość pary wodnej jaką powietrze może utrzymać bez skraplania jest większa i może dochodzić nawet do kilkunastu gramów na metr sześcienny. Widać, że na równiku jest więcej pary wodnej nie tylko przy Ziemi ale w całej kolumnie powietrza od Ziemi do górnej warstwy.  Okazuje się też, że ilość pary wodnej zmienia się znacznie z wysokoścą. Mniej więcej o połowę co jeden kilometr. Np jeżeli na powierzchni Ziemi jest 20 gramów  to na wysokości 1 kilometra nad Ziemią jest  10 gramów na kilogram, na 2 kilometrach jest 5 gramów na kilogram,  itd. Ten spadek ilości pary wodnej z wysokością powoduje, że większość pary wodnej jest w dolnej atmosferze – proszę zwrócić uwagę, że skala po lewej stronie jest logarytmiczna a nie liniowa! Podobną zależność od temperatury widać też pomiędzy obszarami polarnymi (szerokość geograficzna około 90) a równikiem. Ilość pary wodnej w atmosferze maleje drastycznie w obszarach polarnych.  Tak, że większość pary wodnej jaka przyczynia się do opadów w umiarkowanych szerokościach geograficznych (np w Polsce) pochodzi z obszarów około tropikalnych.   Okazuje się też, że ta olbrzymia ilość pary wodnej  w obszarach równikowych powoduje, że para wodna przy powierzchni Ziemi działa wprawdzie jako gaz cieplarniany, ale nie ma większego wpływu podczas zmian klimatycznych.  Jest tak, ponieważ w podczerwieni para wodna zachowuje się na dużym obszarze Ziemi prawie jak  chmura położona blisko powierzchni. Dodanie większej ilości pary wodnej i tak by już nic nie zmieniło. Dlatego para wodna jest istotna klimatycznie głównie tam gdzie jest jej mało.

Dolny rysunek jest jeszcze bardziej intrygujący. Porównująć oba rysunki, górny i dolny widzimy,  że ilość pary wodnej nie ma bezpośredniego wpływu na wilgotność powietrza. Transport pary wodnej z oceanu zależy od prędkości wiatru – czym szybciej wieje tym więcej pary wodnej przedostaje się z wody do powietrza,  i od  wilgotności powietrza blisko nad oceanem. Jeżeli wilgotność jest bliska nasyceniu pary wodnej w powietrzu to tyle samo pary skrapla się co paruje i transport z oceanu jest mały. Intrygujące jest to, że na całej prawie kuli ziemskiej przy powierzchni Ziemi wilgotnośc jest około 80% - kolor niebieski.  Wiemy, że wilgotność przy samej powierzchni Ziemi nie może być 100% bo wtedy nie byłoby transportu pary wodnej do górnych warstw atmosfery.  Natomiast bardzo sucha atmosfera przy powierzchni Ziemi powodowałaby olbrzymi transport pary wodnej.  Większośc modeli klimatycznych przewiduje, ze nawet podczas zmian klimatycznych te 80%  nie zmieni się. Jest to ciekawe i zaskakujące, ponieważ wilgotność w atmosferze nie jest regulowana przez samą temperaturę, ale także przez to jak wieją wiatry. Popatrzmy się teraz na wąski obszar około -10 na Półkuli Południowej szerokości geograficznej  - bo to jest rysunek z grudnia-lutego. W tym obszarze od powierzchni Ziemi do górnych warstw wilgotność jest dośc stała - około 60%  (kolor zielony). Jest to stosunkowo wąski obszar strefy konwergencji powietrza (ITCZ), gdzie  tworzą się wysokie deszczowe i burzowe chmury. Dlaczego w tym obszarze wilgotność jest w całej kolumnie powietrza wysoka?  Nie jest to takie oczywiste -przecież deszcz to jest skondensowana para wodna a skoro w tym obszarze pada dużo deszczu, to wilgotnośc powinna być być może mała a nie duża?  Wytłumaczenie nie jest proste. W pewnym przybliżeniu dzieje się tak, bo chmury deszczowe powstają tylko tam gdzie powietrze jest wilgotne (dokładniejsze wytłumaczenie na inny oddcinek). Innym intrygującym obszarem jest  podwyższona wilgotność w górnych warstwach  atmosfery blisko równika  - niebieski kolor na 200hPa pomiędzy  szerokością -15 półkuli południowej i 15 półkuli północnej. Ten obszar jest związany z prądami wstępującymi w chmurach  burzowych i unoszeniem kropel wody i kryształów lodu, które następnie parują w górnych warstwach atmosfery podwyższając jej wilgotność. Natomiast dwa czerwone „migdały” bardzo suchego powietrza (pomiędzy 20-40%) związane są z osiadaniem powietrza w obszarach około tropikalnych.  Para wodna jest transportowana z tropików do obszarów około tropikalnych ale dzieje się to jakby w olbrzymiej pralce (komórce Hadleya), gdzie przy jednej ściance powietrze się unosi, a przy drugiej opada.

Dla ekspertów:


Rysunek jest z niedawnego artykułu przeglądowego: Sherwood, S. C., R. Roca, T. M. Weckwerth, and N. G. Andronova (2010), Tropospheric water vapor, convection, and climate, Rev. Geophys., 48, RG2001, doi:10.1029/2009RG000301.

piątek, 30 września 2011, pcirrus