Meteorologia nie tylko dla żeglarzy

Transkrypt

1 Meteorologia nie tylko dla żeglarzy Krakowska Fundacja Żeglarstwa Sportu i Turystyki HALS Kraków 2017

2 Procesy pogodotwórcze i zjawiska atmosferyczne, elementy oceanografii, prognozowanie pogody na podstawie obserwacji własnych i komunikatów meteorologicznych, planowanie tras żeglugowych w zależności od spodziewanych warunków meteorologicznych. Odbiorcy: żeglarze wszystkich stopni, wodniacy, turyści i wszyscy, których interesuje umiejętność przewidywania pogody. Książka zalecana przez Komisję Szkolenia Polskiego Związku Żeglarskiego oraz przez Polski Związek Motorowodny i Narciarstwa Wodnego. Redaktor Wsparcie Merytoryczne Projekt okładki Skład i łamanie tekstu, reprodukcja rysunków DTP Korekta Anna Bobrowicz Maciej Sobolewski Mariusz Bartosik Artur Darłak AD-LINE, Kraków Barbara Cabała Witold i Zbigniew Czajewscy Zdjęcie autora w notce biograficznej kapitan Andrzej Drapella Copyright by Jacek Czajewski, 2017 Wydanie II poprawione i uaktualnione ISBN: Wydawca: Krakowska Fundacja Żeglarstwa Sportu i Turystyki HALS ul. Straszewskiego 27, Kraków tel Druk i oprawa Drukarnia Skleniarz, Kraków 2

3 Spis treści Od autora 5 1. POGODOWE ELEMENTY ATMOSFERY Wiadomości wstępne Meteorologia, pogoda, klimat Budowa atmosfery Ciepło i temperatura Mechanizm nagrzewania się Ziemi i atmosfery Równowaga atmosfery Pomiary temperatury Wilgotność i kondensacja pary wodnej Pomiary wilgotności Ciśnienie Jednostki ciśnienia Układy baryczne Pomiary ciśnienia ZJAWISKA METEOROLOGICZNE Wiatr Geneza wiatru Kierunek wiatru Zakłócenia kierunku i siły wiatru Siła wiatru Wiatry okresowe: bryzy i monsuny Ogólna cyrkulacja atmosfery pasaty Wiatry lokalne Wiatromierze Chmury Mgły Rodzaje mgieł Opady atmosferyczne Osady atmosferyczne Inne meteory Widzialność i jej anomalie Fale i falowanie Anomalie odbioru radiowego 95 3

4 3. FRONTY ATMOSFERYCZNE PROGNOZOWANIE POGODY Służby meteorologiczne Mapy synoptyczne Źródła informacji o pogodzie Morskie komunikaty meteorologiczne Ostrzeżenia Komunikaty o pogodzie Komunikaty lodowe Przewidywanie pogody na podstawie obserwacji własnych ZARYS NAWIGACJI METEOROLOGICZNEJ Strategia Taktyka Żegluga w zasięgu cyklonu Przykłady rozwiązań taktycznych ZAŁĄCZNIKI 179 Załącznik nr Angielsko-polski słownik terminów spotykanych w komunikatach meteorologicznych i ich skróty stosowane w komunikatach systemu NAVTEX Załącznik nr Niemiecko-polski słownik wybranych terminów spotykanych w komunikatach meteorologicznych Załącznik nr Skróty stosowane w komunikatach meteorologicznych systemu NAVTEX Załącznik nr Wymagania Polskiego Związku Żeglarskiego (uchwała nr 42/Z/XXXVII z r.) z przedmiotu Meteorologia 7. BIBLIOGRAFIA 195

5 Od autora Dla przeciętnego śmiertelnika prognozowanie pogody ma w sobie coś z czarnej magii. Nawet oficjalne prognozy sporządzane przez profesjonalistów są przyjmowane z rezerwą. Bierze się to stąd, że krótkie komunikaty meteorologiczne ogólnie trafne dla dużych obszarów, których dotyczą lokalnie nie zawsze są zgodne we wszystkich szczegółach z późniejszą rzeczywistością. Bywa też, że mimo ogromnego postępu techniki, satelitów meteorologicznych i komputerów analizujących rozkłady ciśnień czy wiatrów nietypowa, szybko zmieniająca się sytuacja baryczna uniemożliwia wcześniejsze jej przewidzenie. Przykładem może być pamiętny, niezapowiedziany sztorm w 1979 r. podczas regat koło Fastnet, który zabrał życie 15 żeglarzom, zatopił 5 jachtów i zmusił załogi 23 innych jachtów do ich porzucenia. Z meteorologią jest po trosze jak z polityką czy historią, która niby wciąż się powtarza, ale nie sposób do końca przewidzieć jej biegu. Źródło pewnej nieufności do meteorologii tkwi również w naturalnym lęku człowieka przed siłami przyrody i w nieznajomości praw rządzących pogodą. Przełamaniu tej ostatniej bariery ma służyć niniejsza książka. Jej pierwsza wersja, wydana w 1988 r. przez Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, była pierwszym ogólnopolskim podręcznikiem meteorologii dla żeglarzy. Wcześniej wydane pozycje na temat meteorologii pisano z myślą o profesjonalistach, albo były skryptami o lokalnym zasięgu, rozprowadzanymi poza normalną siecią księgarń. Sytuacja ta dawała i daje o sobie znać niskim poziomem wiedzy z meteorologii, obserwowanym na egzaminach żeglarskich oraz w praktyce. Tragicznym w skutkach tego dowodem było zlekceważenie przez wielu żeglarzy widocznych oznak zbliżania się sztormowego szkwału w 2007 r. na Mazurach, wywrócenie i zatonięcie wielu jachtów i śmierć 11 osób. Podobne sytuacje, choć nie w tak dużej skali, zdarzały się również wcześniej i były dla mnie bodźcem do napisania, a następnie rozbudowania i uaktualnienia tego podręcznika w niniejszej edycji. Oczywiście nie oznacza to, że po jego przestudiowaniu Czytelnik będzie mógł bezbłędnie przepowiadać pogodę, konkurując z zawodowymi synoptykami, którym też nie zawsze się to udaje, chociaż mają dostęp do nieporównywalnie większego zasobu danych. W każdym razie książka powinna ułatwić zdawanie egzaminów i, co ważniejsze, pomóc w zrozumieniu procesów pogodotwórczych. Stąd już tylko krok do samodzielnego wyciągania wniosków z własnych obserwacji, dostosowania swych działań do warunków hydrometeorologicznych i ich przewidywania sztuki niezbędnej dla zapewnienia bezpieczeństwa podczas żeglugi, a możliwej do opanowania tylko przy połączeniu teorii z praktyką. Jacek Czajewski 5

6

7 rozdział1 POGODOWE ELEMENTY ATMOSFERY 1.1. Wiadomości wstępne Meteorologia, pogoda, klimat Zanim przejdziemy do rozpatrywania szczegółowych zagadnień składających się na treść tej książki, spróbujmy na początku zdefiniować i usystematyzować kilka ogólnych pojęć stanowiących jej zasadnicze jądro. Pierwsze z nich występuje już w tytule książki. Jest nim meteorologia, czyli fizyka atmosfery dział geofizyki zajmujący się badaniem procesów atmosferycznych oraz zjawisk, które mają na nie wpływ, a zachodzą na powierzchni Ziemi. Meteorologia jest rozległą dziedziną nauki, w której można wyróżnić różne kierunki, jak np. meteorologię jądrową (badającą obecność pierwiastków radioaktywnych w atmosferze), chemiczną (badającą skład chemiczny powietrza), satelitarną, biometeorologię itp. Spośród tych dodatkowych kierunków nas będzie interesowała meteorologia synoptyczna obejmująca badania procesów atmosferycznych związanych z pogodą i jej prognozowaniem. Pogoda jest to istniejący w danym miejscu, chwilowy stan atmosfery ziemskiej określony przez zespół elementów i zjawisk pogodowych. Elementy pogodowe mają charakter ciągły (np. temperatura, ciśnienie, wilgotność), natomiast zjawiska meteorologiczne (zjawiska pogodowe) występują chwilowo lub okresowo (np. wiatry, chmury, opady, mgły). Wszystkie te zmienne i wzajemnie powiązane ze sobą elementy i zjawiska pogodowe tworzą łańcuchy przyczynowo-skutkowe ( np. chmura deszcz wilgotność temperatura). Powoduje to nieustanną zmienność pogody, jak też nie gwarantuje identycznej powtarzalności jej stanu w podobnych warunkach (np. w tych samych porach roku), a duża liczba czynników pogodotwórczych utrudnia jej prognozowanie. Warto zwrócić uwagę, że pojęcie pogoda jest na ogół potocznie utożsamiane z dobrą pogodą, tzn. słoneczną, bez opadów. Dobra żeglarska pogoda wymaga jeszcze wiatru o sile 2 4 o B (dla dużego żaglowca na morzu 4 6 o B). Ale przecież wszyscy znamy też określenie pieska pogoda (niektórzy mówią:,,barowa ), gdy pada albo wiatr zmiata z głów kapelusze, lub mróz i śnieżna zawieja paraliżują komunikację. Pamiętajmy więc, że pogoda jest zawsze, kwestia tylko jaka. Klimat jest to całokształt warunków pogodowych charakterystyczny dla danego obszaru lub miejsca, wynikający z położenia geograficznego i właściwości fizycznych 7

8 Rozdział 1 Pogodowe elementy atmosfery danego obszaru. O klimacie decyduje przede wszystkim szerokość geograficzna, wysokość nad poziomem morza, odległość od mórz i oceanów oraz ukształtowanie i pokrycie terenu. W dużym uproszczeniu klimat można utożsamić z przeciętną pogodą panującą w pewnym okresie na danym obszarze. W przeciwieństwie do pogody klimat charakteryzuje się stabilnością czasową i powtarzalnością nawet w wymiarze stuleci, aczkolwiek może się zmieniać okresowo wraz ze zmianą pór roku. Obszarem z danym klimatem może być wielki region geograficzny obejmujący kilka krajów lub niewielka dolina czy wyżyna. Nawet na obszarze Polski można zauważyć różnice klimatyczne między południowo-wschodnimi regionami o klimacie zbliżonym do kontynentalnego a wybrzeżem, gdzie przeważa klimat morski, nie mówiąc już np. o tzw. mikroklimacie Rabki. Generalnie strefy klimatyczne Ziemi czyli obszary o charakterystycznym, stabilnym klimacie rozciągają się równoleżnikowo, symetrycznie od równika po bieguny i przechodzą łagodnie jedna w drugą. Rozróżnia się następujące strefy klimatyczne: równikowa gorąca, o małych rocznych zmianach temperatur, wilgotna, z maksymalnymi opadami przy zenitalnym położeniu Słońca, z zaznaczeniem pór suchych; podzwrotnikowa bardzo gorąca latem, ciepła zimą, o zróżnicowanej ilości opadów i czasie ich występowania, okresowo lub stale sucha; umiarkowana o znacznym zróżnicowaniu temperatury i opadów; arktyczna czyli okołobiegunowa zimna i sucha. W każdej z tych stref, zależnie od wysokości i odległości od oceanów, istnieją różne typy klimatów: górski chłodny, z własnymi piętrami klimatycznymi, zwykle bardziej wilgotny niż na nizinach; morski o niewielkich wahaniach temperatury i dość dużych opadach (maksymalnych w zimie); śródziemnomorski ciepły, z suchym latem i deszczową zimą; monsunowy ciepły z suchą zimą i deszczowym latem, występuje w strefie podzwrotnikowej i umiarkowanej; kontynentalny o dużych rocznych wahaniach temperatury, bardzo niskiej temperaturze zimą, o niewielkich opadach (największych w lecie), charakterystyczny dla strefy podzwrotnikowej; pustynny skrajnie suchy, zwłaszcza w strefie zwrotnikowej i w głębi kontynentów strefy podzwrotnikowej i umiarkowanej Budowa atmosfery Kulę ziemską otacza warstwa powietrza o grubości sięgającej prawie tysiąca kilometrów, określana mianem atmosfery (rys. 1.1.). Gęstość powietrza szybko maleje ze zwiększaniem wysokości, tak że w dolnej części atmosfery, zwanej troposferą, znajduje się ok. 75% całej masy powietrza. Troposfera, której grubość wynosi ok. 8 km nad biegunem i dwukrotnie więcej nad równikiem, 8

9 Wiadomości wstępne Rys Podział atmosfery charakteryzuje się obniżaniem temperatury w miarę zwiększania wysokości. Warstwę, w której temperatura przestaje się obniżać, osiągając poziom od ok. -45 do ok. -80 o C, zależnie od pory roku i szerokości geograficznej, nazywamy tropopauzą. Grubość tropopauzy wynosi l 2 km i charakteryzuje się stałością temperatury w przekroju pionowym. Wyżej, aż do ok. 50 km rozciąga się stratosfera. Temperatura stratosfery ze wzrostem wysokości do ok. 25 km prawie nie wzrasta, utrzymując się na poziomie -55 o C, ale potem szybko podnosi się aż do ok. 0 o C w położonej na wysokości ok. 50 km stratopauzie. Ten wzrost tłumaczy się tym, że w stratopauzie i górnej części stratosfery 9

10 Rozdział 1 Pogodowe elementy atmosfery skupiają się największe ilości ozonu, tworząc tzw. ozonosferę, w której pod wpływem promieniowania słonecznego zachodzi egzotermiczna reakcja przekształcania tlenu O 2 w ozon O 3. Strefa ta stanowi drugie źródło energii ogrzewającej atmosferę (pierwszym i najistotniejszym jest nagrzewana Słońcem powierzchnia Ziemi). Ponad stratopauzą rozciąga się mezosfera, położona w granicach wysokości ok km. W miarę oddalania się od dolnej granicy mezosfery temperatura znów obniża się aż do ok. -80 o C w kolejnej strefie przejściowej, zwanej mezopauzą. Wyżej leży termosfera, której górna granica, sięgająca 800 km, jest uważana jednocześnie za granicę atmosfery. W wyniku absorbcji promieniowania słonecznego w zakresie najmniejszej długości fal, termosfera jest strefą ciągłego wzrostu temperatury, która w górnej warstwie tej strefy przekracza 1000 o C. Obszar leżący jeszcze wyżej jest strefą gazów bardzo rozrzedzonych i nosi nazwę egzosfery. W egzosferze temperatura poczyna się obniżać, by w przestrzeni międzyplanetarnej spaść do temperatury zera bezwzględnego, czyli ok o C. W obrębie mezosfery i większej części atmosfery czyli między ok. 50 a 400 km wysokości rozciąga się jonosfera. Jest to strefa dużej koncentracji swobodnych elektronów oraz jonów tlenu, azotu i tlenku azotu. Można wyróżnić kilka warstw maksymalnej jonizacji. Poniżej wysokości 90 km występuje tzw. warstwa D, między 90 a 160 km warstwa E, a między 160 a 400 km warstwa F. Wysokość i gęstość tych warstw zależą od pory doby, aktywności Słońca, promieniowania kosmicznego. Warstwy te odbijają fale radiowe i w związku z tym stan jonosfery ma ogromny wpływ na jakość i zasięg odbioru radiowego (patrz rozdz. 2.9.). Stan pogody zależy od procesów zachodzących w powietrzu troposfery. Wpływ wyższych warstw atmosfery na pogodę jest minimalny. Powietrze składa się w 78% z azotu i w 21% z tlenu. Reszta to dwutlenek i tlenek węgla, para wodna, ozon oraz gazy szlachetne: hel, neon, krypton, ksenon. Skład ten w obrębie troposfery, wciąż mieszanej prądami powietrznymi, jest w zasadzie stały. Wyjątek stanowi zmienna ilość pyłów oraz pary wodnej, której zawartość wynosi ok. 0,1% w okolicach biegunów i ok. 4% nad oceanami. Obydwa te składniki powietrza mają ogromny wpływ na kształtowanie pogody Ciepło i temperatura Mechanizm nagrzewania się Ziemi i atmosfery Praprzyczyną wszelkich zjawisk pogodowych są zmiany temperatury zachodzące w atmosferze oraz ruch obrotowy Ziemi. Źródłem ciepła otrzymywanego przez Ziemię i jej atmosferę jest promieniowanie słoneczne. Promieniowanie to, przenikając przez prawie przezroczystą atmosferę, praktycznie biorąc, nie nagrzewa jej, nagrzewa natomiast powierzchnię Ziemi i dopiero ona przekazuje powietrzu energię cieplną. Dolne warstwy powietrza nagrzewają się przez przewodnictwo, a następnie jako lżejsze są unoszone do góry i ustępują miejsca zimnym, a więc cięższym warstwom. W ten sposób, drogą konwekcji, ogrzewa się atmosfera. Pewne ilości ciepła powstają 10