Elemente de meteorologie

ELEMENTE DE METEOROLOGIE

1. Notiuni introductive

Meteorologia este stiinta care se ocupa cu cercetarea tuturor fenomenelor fizice care se petrec in atmosfera terestra, precum si cu studiul interdependentei lor.

Multimea acestor fenomene si punctul de vedere diferit din care ele pot fi abordate, a dus la impartirea meteorologiei in patru mari ramuri:

Meteorologia generala - se ocupa cu studiul analitic al fiecarui fenomen in parte indicand conditiile in care acesta apare si legile dupa care el variaza.

Meteorologia sinaptica (sinoptica) - al carui scop este prevederea starilor de timp viitoare.

Climatologia - se ocupa cu studiul sintetic al starilor de timp si cu precizarea conditiilor de clima ce se intalnesc pe intreaga suprafata a Pamantului.

Aerologia - abordeaza fenomenele ce se petrec in straturile superioare ale atmosferei, straturi in care influenta suprafetei subiacente (suprafata activa a Pamantului aflata imediat sub atmosfera) nu se mai resimte si care constituie asa-numita atmosfera inalta.

2. Atmosfera

Atmosfera este invelisul gazos al Terrei. Ea nu are propriu-zis o limita, ea devine din ce in ce mai rara pe masura ce departarea fata de Pamant creste si tinde ca la inaltimi mari, printr-o tranzitie lenta, sa se confunde cu vidul interplanetar.

Atmosfera este mentinuta in jurul Pamantului datorita fortei de atractie newtoniana exercitata de masa acestuia. Moleculele gazului ce constituie atmosfera se afla intr-o miscare continua, se ciocnesc intre ele, isi schimba directia, iar la inaltimi mari unde parcursul liber mijlociu al moleculelor devine de ordinul zecilor de kilometri, ele ating viteze atat de mari incat pot scapa din sfera de atractie a Pamantului si se pot pierde in spatiul cosmic sau pot reveni in atmosfera terestra dupa ce au parcurs traiectorii eliptice foarte alungite. Acest lucru se petrece la aproximativ 2500 km, nivel la care atmosfera terestra se afla intr-o stare de disipatie atat de inaintata, incat nu mai apar fenomene meteorologice. Aceasta regiune a fost denumita franj atmosferic sau exosfera.

2.1. Structura atmosferei

Din punct de vedere fizic atmosfera este un mediu neomogen. Daca se ia in considerare distributia temperaturii cu inaltimea, atmosfera poate fi impartita in urmatoarele straturi (fig.1.):

Fig.1. Structura verticala a atmosferei

Troposfera este stratul din imediata apropiere a Pamantului, grosimea ei atingand 16-18 km la ecuator, 10-11 km la latitudini mijlocii si 6-8 km la poli. Trecerea spre stratul superior se face prin intermediul tropopauzei.

Stratosfera - se intinde de la tropopauza pana la o inaltime medie de 32 km si se caracterizeaza printr-o constanta a temperaturii de -56,5 ⁰C. Tranzitia spre stratul superior se face prin stratopauza.

Mezosfera - este stratul de la 32-80 km. Aici apare fenomenul de inversiune termica, adica temperatura pana la 50 km creste atingand valori in jur de 60 - 70 ⁰C, iar apoi scade pana la -80 ⁰C sau chiar mai mult.

Termosfera - se intinde pana catre 1000 km. Intre 200-500 km se intalnesc straturi puternic ionizate, care constituie ionosfera. Ionosfera reprezinta patura pe care se reflecta undele radio si in care se formeaza aurorele polare. Tranzitia spre stratul superior se face prin intermediul termopauzei.

Exosfera - este ultimul strat al atmosferei, intinzandu-se pana la aproximativ 3000 km. Densitatea acestui strat este extrem de mica, apropiindu-se de cea a materiei interstelare. Gazele care mai persista la aceste inaltimi se gasesc sub forma de atomi, ioni si molecule, existand chiar si a patra stare de agregare a materiei - plasma.

2.2. Masa si compozitia atmosferei

Prin calcule masa atmosferei a fost stabilita la 5,26 10¹⁵ tone, valoare care comparativ cu masa Pamantului de 5,98 10²¹ tone, reprezinta aproximativ a milioana parte din masa Terrei.

Masa atmosferei nu este uniform distribuita pe verticala, astfel 50 % din ea se gaseste intre sol si primii 5 km inaltime, 75% intre sol si 10 km, 95% in primii 20 km si numai restul la inaltimi mai mari. Din acest motiv si densitatea aerului scade cu inaltimea.

Aerul uscat din atmosfera este constituit din gaze care se gasesc in permanenta, unele in proportii apreciabile si constante (N₂ - 78,09%, O₂ - 20,95%, Ar - 0,93%), iar altele in proportii extrem de mici (Ne - 1,8 10^-3 %, He - 5,2 10^-4%, H₂ -5 10^-5,CH₄ -2,   2 10^-5, N₂O - 5 10^-5, NO₂ - 2 10^-6 etc).

Un aer perfect uscat nu exista, el contine apa sub toate cele trei forme: vapori, picaturi, cristale de gheataa. In medie vaporii de apa reprezinta 5% din intregul volum al aerului si se gasesc in special in partea inferioara a troposferei, unde dau nastere la nori si precipitatii.

3. Factori genetici ai climei

3.1. Radiatia solara

Soarele reprezinta cea mai insemnata sursa de energie de care dispune Pamantul, energia solara propagandu-se sub forma de radiatii. Radiatiile solare sunt rezultatul reactiilor termonucleare, in primul rand al sintezei de heliu. Soarele emite doua tipuri de radiatii:

a) Radiatii electromagnetice - pot fi produse de miscarile oscilatorii ale unor sarcini electrice, care determina aparitia unui camp electromagnetic de intensitate E variabila si a unui camp magnetic de inductie B, de asemenea variabila, orintat perpendicular pe E. Spectrul radiatiilor electromagnetice este foarte larg, avand lungimea de unda, l, cuprinsa intre 10⁴ m si 10^-18 m. Radiatiile cu l < 100 nm cuprind doua tipuri de radiatii: g care provin din nucleul atomic si X care isi au sorgintea in paturile profunde ale unui atom excitat.

b)    Radiatiile corpusculare - constituite din particule de dimensiuni subatomice: protoni, neutroni, ioni, particule a si b. Aceste radiatii nu ajung pana la suprafata Pamantului, ele fiind dirijate de campul magnetic terestru catre zonele polare, unde la inaltimi de peste 100 km dau nastere la fenomene de ionizare ale aerului si de formare a aurorelor polare.

Din spatiul cosmic si nu de la Soare, in atmosfera mai ajunge pana la troposfera inferioara, o radiatie foarte patrunzatoare, numita radiatie cosmica. Ea este alcatuita din diferite particule si antiparticule, inclusiv radiatii g

3.2. Radiatia terestra si atmosferica

Absorbind o parte din energia solara, Pamantul se incalzeste si devine capabil sa emita la randul lui anumite radiatii, numite radiatii terestre. Acestea sunt radiatii termice a caror energie depinde de natura si temperatura suprafetei terestre care le emite.

Tinand cont ca temperatura Pamantului variaza intre -60 ⁰C si +50 ⁰C, rezulta ca Pamantul emite numai radiatii infrarosii cu 4 mm < l < m m. Considerand temperatura medie a Pamantului de +15 ⁰C, conform cu legea lui Wien, maximul de radiatii corespunde unei radiatii cu l mm, iar valoarea intensitatii terestre fiind de ~ 0,5 langley/ minut.

Din energia termica radiata de Pamant, o parte se pierde in spatiul cosmic, cealalta parte este absorbita de atmosfera, absorbtia exercitandu-se in special pe vaporii de apa. Absorbind pe langa radiatiile solare (cu l mic) si pe cele terestre (cu l mare), atmosfera se incalzeste si devine la randul ei capabila sa emita o radiatie tot cu l mare, numita radiatie atmosferica.

In general, atmosfera lasand sa treaca radiatiile luminoase de la Soare, dar absorbind pe cele obscure emise de Pamant, impiedica pierderea caldurii si exercita un efect de sera. Radiatia atmosferica se propaga in toate directiile si implicit spre Pamant.

3.3. Bilantul radiatiilor

Bilantul radiativ rezulta din ansamblul tuturor radiatiilor intalnite la suprafata Pamantului, fiind dat de relatia:

Q = S + D - R + A - r -T (1)

unde  S - radiatia solara directa, D - radiatia solara difuza, R - partea reflectata din radiatia globala, A - radiatia atmosferica, r - partea reflectata din radiatia atmosferica, T - radiatia terestra.

Pe timp acoperit, radiatia solara directa este nula, astfel bilantul devine:

Q' = D - R + A - r - T (2)

Relatie din care se poate constata importanta radiatiei difuze pentru sistemele biologice, cand cerul este total acoperit de nori.

In timpul noptii bilantul radiativ se reduce la:

Q" = A - r - T   (3)

Cum T in valoare absoluta este mai mare decat A, rezulta un flux de radiatie indreptat dinspre sol spre troposfera, flux ce constituie radiatia nocturna.

4. Elemente meteorologice

4.1. Temperatura solului si a aerului

Energia radianta solara este absorbita in proportie de peste 80% de suprafata Pamantului si transformata in energie termica. Astfel, suprafata solului dispune de o anumita cantitate de caldura pe care o transmite o parte straturilor din adancime si alta parte straturilor de aer de deasupra sa. Transmiterea in sol se face numai prin conductivitate, iar in aer prin conductivitate si in special prin convectie si radiatie.

O parte din caldura primita se consuma in procesele fizice, chimice si biologice care se desfasoara la suprafata si in interiorul solului, cum ar fi: evaporare, dizolvare, asimilarea substantelor nutritive etc.

Aerul avand o conductibilitate termica redusa nu retine decat intr-o mica masura energia solara. El se incalzeste prin intermediul suprafetei subiacente care transmite straturilor de aer o parte din caldura primita printr-o serie de procese cum ar fi: conductibilitate termomoleculara, procese radiative, convectie termica, turbulenta atmosferica, transformari de faza, curenti de advectie etc.

4.2. Umiditatea solului si a aerului

In natura apa se poate gasi sub cele trei forme de agregare: gazoasa, lichida si solida, numite faze si care se deosebesc intre ele prin proprietatile lor fizice. Apa sub forma de vapori, este singurul din constituientii atmosferici care sub actiunea temperaturii poate trece dintr-o faza in alta. Datorita agitatiei moleculare, sistemul va suferi un transport permanent, starea de echilibru fiind atinsa cand inceteaza schimburile sau acestea se compenseaza reciproc.

Riguros, prin umiditatea solului trebuie sa se inteleaga apa in stare de vapori ce se gaseste in sol. Acest lucru este insa greu de precizat, deorece apa din sol aflata in stare de vapori este de obicei in contact cu cea in stare lichida, prezenta fie sub forma de apa higroscopica, fie sub forma de apa capilara. De aceea, prin umiditatea solului trebuie sa se inteleaga continutul de apa de care acesta dispune, indiferent de forma sub care se gaseste apa.

Vaporii de apa ajung in atmosfera datorita fenomenului de evaporare a apelor de pe suprafata Pamantului, a evaporarii apei din sol, transpiratiei plantelor si animalelor etc. Difuzia vaporilor de apa de la sursa de vaporizare este favorizata de curentii de advectie si convectie si de schimbul turbulent. Vaporii de apa se pot raspandi in toata troposfera, uneori putand sa ajunga pana in partea inferioara a stratosferei.

Umiditatea aerului exercita o influenta puternica asupra proceselor fiziologice, afectand in special procesele de termoreglare. Vaporii de apa din atmosfera absorb radiatiile infrarosii mentinand incalzirea atmosferei.

4.3. Produse de condensare ale vaporilor de apa din atmosfera. Precipitatii atmosferice

Condensarea vaporilor de apa din atmosfera devine posibila cand aerul este saturat. Saturatia se poate atinge fie prin cresterea cantitatii de vapori de apa, fie prin racirea aerului pana la temperatura punctului de roua. Daca temperatura scade sub valoarea punctului de roua, la aceeasi cantitate de vapori, aerul se suprasatureaza, si excesul de vapori se condenseaza. Pentru ca procesul de condensare sa decurga normal este necesara existenta nucleelor sau a centrilor de condensare, care sunt particule higroscopice cu dimensiuni de aproximativ 10^-5 m.

Ceata este un produs de condensare a vaporilor de apa din straturile inferioare ale troposferei. Ea se formeaza in imediata vecinatate a Pamantului, cu care vine in contact. Ceata reduce vizibilitatea, ea are aceasi structura ca norii, diametrul picaturilor de ceata variaza intre 5 10^-3 mm si 10^-2 mm.

Norii sunt produse de condensare formate in straturile mai inalte mai din atmosfera libera, fara sa depaseasca inaltimea tropopauzei.

Folosind drept criterii de baza cel morfologic, de altitudine si genetic, Organizatia Meteorologica Mondiala a clasificat norii in patru familii:

Familia norilor superiori: - Cirrus

- Cirrocumulus

- Cirrostratus

Familia norilor mijlocii:    - Altocumulus

- Altostratus

Familia norilor inferiori:   - Stratocumulus

- Stratus

- Nimbostratus

Familia norilor cu dezvoltare verticala: - Cumulus

- Cumulonimbus

Nebulozitatea este gradul de acoperire al cerului cu nori. Nebulozitatea se determina pe o scara de la 1 la 10, considerand intreaga bolta cereasca pana la orizont. Cifra 0 indica cer senin, iar 10 cer complet acoperit. Cifrele intermediare exprima cate zecimi din suprafata totala a boltii ceresti sunt acoperite cu nori.

4.4. Miscarile orizontale ale aerului - vanturile

Diferitele regiuni ale Pamantului se incalzesc in mod diferit, iar presiunea in zonele reci este mai ricata decat in cele calde. Din acest motiv, aerul are tendinta sa se deplaseze din regiunile cu presiune ridicata in cele cu presiune mica. Aceste miscari pe orizontala ale aerului formeaza vanturile.

Miscarea aerului pe orizontala este influentata de exitenta a patru forte: forta de gradient baric care influenteaza intensitatea vantului, forta Coriolis care deviaza masele de aer, forta centrifuga si forta de frecare. Miscarea maselor de aer se face dupa rezultanta acestor forte.

Clasificarea vanturilor se poate face dupa mai multe criterii.

1⁰ Din punct de vedere al curgerii aerului vanturile sunt:

laminare - in care straturile de aer aluneca unele pe celelalte, traiectoriile fiind paralele;

turbulente - straturile de aer se intrepatrund, aparand o stare de turbulenta;

in rafale - traiectoriile straturilor de aer sunt diferite, iar viteza vantului are un caracter pulsatoriu, neregulat.

Dupa caracterul lor:

vanturi constante, permanente - bat tot timpul anului. Din aceasta categorie fac parte alizeele, care bat la suprafata Pamantului de la tropice la Ecuator, si contraalizeele care bat la inaltime de la Ecuator spre tropice;

vanturi periodice - bat numai in anumite perioade (musonii, brizele). Musonii sunt vanturi periodice stabile, a caror directie dominanta se inverseaza de la un sezon la altul. Ele sunt specifice Indiei si Indochinei. Brizele sunt vanturi periodice cu intensitate, care ziua bat dinspre mare spre uscat, iar noaptea in directie inversa. Ele apar datorita incalzirii neuniforme a marii si a uscatului.

vanturi neregulate - care bat fara nici o regula. Din aceasta categorie fac parte vijeliile, care include tornadele si uraganele. Tornadele sunt vanturi foarte violente, devastatoare, insa cu arie de actiune restransa, insotite de ploi torentiale. In centrul tornadei viteza vantului este de 300 km/h. Uraganele sunt vanturi care se desfasoara pe suprafete mari cu viteze foarte mari, de circa 200 km/h, fiind insotite de descarcari electrice si ploi violente.

vanturi locale - apar doar in anumite regiuni ale suprafetei terestre.

In tara noastra, sub influenta anticiclonilor azoric si siberian, vara predomina vanturile oceanice de vest si nord-vest, iar iarna cele continentale de nord si nord-est. Trecerea de la regimul oceanic la cel continental se produce in perioada septembrie-octombrie, iar de la regimul continental la cel oceanic in mai-iunie.

In functie de tipul reliefului , in diferite regiuni ale tarii se intalnesc urmatoarele vanturi cu caracter local:

Crivatul - bate in special iarna din N-E fiind un vant rece si cu intensitate mare, determinand viscole puternice. Sufla in Moldova, Dobrogea si Campia Dunarii.

Nemira - este o continuare a Crivatului, patrunzand prin trecatorile Carpatilor Orientali in partea de est a Transilvaniei, in zona Ciucului. Este un vant rece, aducand viscole.

Austrul - sufla in Campia Dunarii. Este un vant uscat, vara cald si secetos, iar iarna deosebit de rece.

Cosova - este un vant uscat, care bate in sudul Banatului din septembrie pana in aprilie.

Vantul Negru - bate vara in sudul Dobrogei si al Baraganului, fiind cald si uscat.

Vantul Mare - este cald si uscat, sufland in Depresiunea Fagarasului si provocand primavara topirea rapida a zapezii.

Baltaretul - vant cald si umed, care bate primavara si vara in Muntenia dinspre S-E.

Zefirul - vant caldut, bate din sud, usor, primavara.

Föhnul - vant cald care apare apare pe versantul opus curentului aerian, incalzirea lui producandu-se prin comprimare adiabatica La noi in tara bate pe Valea Oltului, in Tara Barsei si aproape in toata Transilvania.

Brizele de mare si de munte - bat jumatate de zi dintr-o directie si cealalta jumatate din directia opusa. Brizele de mare bat vara pe litoral, ziua de la mare spre uscat si noaptea in sens invers. Brizele de munte sufla de-a lungul pantelor, ziua din vale spre varf si noaptea spre vale.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVA

Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J.D., Molecular Biology of the Cell, Third Edition. Garland Publishing Inc., New York & London, 1994

Benga G., Biologie celulara si moleculara, Ed. Dacia, Cluj-Napoca,1985

Bozac R., Curs de biofizica, Tipo Agronomia, Cluj-Napoca, 1989

Criveanu H., Agrometeorologie - Curs, Ed. Risoprint, Cluj-Napoca, 2001

H.R.Criveanu, Georgeta Taralunga, Elemente de fizica si meteorologie aplicate la biosisteme, (2004), Editura Digital Data, Cluj-Napoca, ISBN 973-7768-03-5

Dimoftache C., Herman S., Biofizica medicala, Ed. Cerres, Bucuresti, 1993

Dissescu C.A., Luca I., Tudor M., Dabuleanu M.L., Georgescu D., Soltuz V., Fitica si climatologie agricola, EDP, Bucuresti, 1979

Dragomirescu E., Enache L., Biofizica, EDP, Bucuresti, 1993

Gennis R.B., Biomembranes. Molecular Structure and Function, Springer Verlag, New York, Heidelberg, London, Tokyo, 1989

Margineanu D.G., Isac M.I., Tarba C., Biofizica, EDP, Bucuresti, 1980

Popescu A.I., Elemente de Biofizica Moleculara si Supramoleculara, Ed. ALL, Bucuresti, 1996

Popescu A.I., Fundamentele biofizicii medicale, vol. I, Ed. ALL, Bucuresti,1994

Rusu V., Baran T., Branisteanu D., Membrane si Patologie, Ed. Medicala, Bucuresti, 1988

Shechter E., Biochimie et Biophysique de Membranes, vol. I, Ed.Masson, Paris, 1990

Shechter E., Biochimie et Biophysique de Membranes, vol. II, Ed.Masson, Paris, 1990

Stein W.D., Channels, Carriers and Pumps. An Introduction to Membrane Transport, Academic Press. Inc., New York, 1990

Taralunga G., Biofizica moleculara si celulara, Ed. Todesco, Cluj-Napoca, 2002

Georgeta Taralunga, Biofizica si meteorologie - curs, (2003), Editura Todesco, Cluj- Napoca, ISBN 973-8198-54-2

Georgeta Taralunga, Tehnici si metode de laborator in biofizica, (2006), Editura Mediamira, Cluj-Napoca, ISBN 973-713-133-9; 978- 973-713-133-