Jak ciśnienie wpływa na pogodę?

Pytanie

Pyta Mateusz

Zastanawiam się od jakiegoś czasu dlaczego w zimie przy wysokim ciśnieniu nie ma ma dużo chmur i jest niska temperatura, a w lecie jest wysoka temperatura i też nie ma chmur. Z kolei przy niskim ciśnieniu w zimie jest stosunkowo wysoka temperatura i pada śnieg, a w lecie jest zimno i pada deszcz. Jak powiązane są te sprawy i czy w ogóle należy/można je łączyć?

Odpowiedź

Odpowiada Prof. Szymon Malinowski

Jak rozumiem, pytanie można streścić w ten sposób: czemu przy wysokim ciśnieniu atmosferycznym jest ładna pogoda a przy brzydkim chmury i często opady? Odpowiedź wiąże się ze zrozumieniem cyrkulacji atmosferycznych związanych z niżami i wyżami, przy czym nie chodzi o cyrkulacje w poziomie (przeciwnie i zgodnie z ruchem wskazówek zegara), a o cyrkulacje w pionie. Otóż daje się udowodnić, rozwiązując równania dynamiki atmosfery, a także zmierzyć, że w centrach niżu powietrze średnio się wznosi z prędkością milimetrów lub centymetrów na sekundę, a w centrach wyżu opada. Podczas wznoszenia powietrze zawierające parę wodną (źródłem pary jest powierzchnia ziemi) doświadcza coraz niższego ciśnienia — im wyżej w atmosferze, tym mniej powietrza „naciska” z góry. Innymi słowy,  powietrze podczas ruchu w górę ulega rozprężeniu. W takim procesie spada temperatura rozprężanego gazu — powietrza — i dochodzi do kondensacji obecnej w nim pary wodnej. Powstają chmury i opady. Jeśli do tego dojdzie konwekcja chmurowa, tzn. mocniejsze ruchy wstępujące inicjowane przez ogrzewanie powietrza od ciepłej powierzchni ziemi, może dojść do powstania wypiętrzonych chmur burzowych.

Odwrotne zjawisko zachodzi w wyżu: suche powietrze z górnych warstw atmosfery opada i ulega sprężaniu. Rośnie jego temperatura. Nawet jeśli takie powietrze zawiera parę wodną (a ma jej niewiele, bo większość wypadła przecież podczas wznoszenia) to w procesie sprężania rośnie jego temperatura, a zatem spada wilgotność względna, powietrze robi się suche. Niebo staje się bezchmurne lub pokryte małymi chmurkami, których źródłem są lokalne drobne ruchy wznoszące w tzw. warstwie granicznej atmosfery, napędzane konwekcją od powierzchni ziemi ogrzewanej promieniami Słońca w ciągu dnia. Te wstępujące prądy konwekcyjne nie maja szansy rozwinąć się w wielkie chmury burzowe, gdyż tłumione są osiadaniem, a chmurki na ich szczycie wyparowują mieszając się z suchym otoczeniem.

A teraz wątek temperatury: temperatura powietrza przy powierzchni ziemi zależy przede wszystkim od tzw. bilansu radiacyjnego — tego ile energii słonecznej oraz pochodzącej od efektu cieplarnianego pochłania powierzchnia, a ile  wypromieniowuje w górę. Latem dzień jest długi, słońce wysoko, dużo energii promieniowania dociera do powierzchni, powietrze blisko niej jest ciepłe (choć oczywiście ochładza się nocą, silniej gdy nie ma chmur). Zimą dzień jest krótki, do powierzchni dociera mało promieniowania słonecznego. Znacznie większą (względnie) rolę niż latem odgrywa więc promieniowanie podczerwone dochodzące z góry do powierzchni Ziemi i efekt cieplarniany. Gdy niebo jest zachmurzone do powierzchni ziemi dociera zwiększony strumień promieniowania podczerwonego emitowanego przez chmury, co zapobiega dużym spadkom temperatury powierzchni. Gdy niebo jest czyste, mamy słabszy efekt cieplarniany i powierzchnia ziemi bardzo się ochładza.

Bilans promieniowania na powierzchni, mierzony na dachu naszego budynku w Warszawie przy ul. Pasteura, można śledzić tu. Na czerwono zaznaczono strumień energii docierającej od Słońca, na niebiesko strumień promieniowania słonecznego odbitego w górę, na zielono strumień energii promieniowania podczerwonego od atmosfery w dół a na amarantowo strumień energii w podczerwieni wypromieniowanej z powierzchni w górę. Bilans tych strumieni zaznaczono linią czarną. Gdy bilans jest dodatni to powierzchnia się ogrzewa (a od niej najniższe warstwy powietrza), gdy jest ujemny następuje ochładzanie, a więc spadek temperatury.