Atmosfera terestra

1. Trasaturi generale ale Atmosferei Terestre

   Deasupra continentelor si oceanelor se afla un invelis gros numit atmosfera, a carui existenta este necesara pentru desfasurarea vietii pe Terra. Acest in velis este intr-o permaneta interactiune cu relieful, cu suprafata solului, aoceanelor si a gheturilor, prin fluxuri permanente de energie si substanta, asigura mediul favorabil aparitiei si dezvoltarii biosferei.

Indelungata evolutie a planetei noastre, atmosfera a existat inca de la inceput, insa avea o compozitie diferita fata de cea actuala (dominau H, He, CO, NH). Ea s-a modificat treptat prin:

• pierderea in spatiu a unor gaze usoare (H, He);
• transferul, din scoarta, al gazelor si vaporilor de apa, al particulelor solide fine, prin vulcanism si prin alte emanatii;
• consumarea CO de catre plante incepand cu paleozoicul si fixarea lui in diferite roci carbonice;
• eliberarea O de catre plante prin fotosinteza;
• eliberarea de gaze in urma impactului meteoritilor cu scoarta;
• transferul de pulberi si gaze prin diferite activitati ale omului (indeosebi in ultimul secol).

La limita inferioara a atmosferei aerul patrunde in scoarta prin pori, fisuri, crapaturi, excavatii, pana la adancimi ce variaza de la cateva zeci de metri la cateva sute de metri.

Atmosfera nu are o limita superioara bine definita. Se poate considera ca atare cea de

40.000 km, daca se tine cont de limita pana unde se manifesta gravitatia, sau cea de 3.000 km, unde denstatea gazelor este egala cu aceea din spatiul interplanetar. Intrucat anumite fenomene (de exemplu, aurorele polare) se produc la inaltimi mari, se accepta intervalul de la 3.000 la 10.000 km ca facand trecerea spre spatiul interplanetar. Masa totala a atmosferei a fost evaluata la 5,13 x 10 tone, repartizand a milioana parte din masa Terrei; peste 99% din aceasta este concentrata in primii 36 km de la suprafata Pamantului.

Multa vreme invelisul gros al Pamantului n-a putut fi studiat decat pana la o inaltime redusa. Aceasta avea sa creasca o data cuinventarea baloanelor-sonda, care le-au permis specialistilor sa faca observatii in zone in care alt fel nu aveau cum sa ajunga. Astazi atmosfera Terrei este supravegheata permanent de o retea de peste 9.000 de statii meteorologice, de sateliti meteorologici, de sonde si baloane speciale si de sisteme perfectionate de radar. Un loc aparte in joaca satelitii meteorologici, gratie carora poate fi supravegheata si analizata intreaga planeta, inclusiv invelisul sau gazos. 

Datele obtinute prin aceasta retea de supraveghere stau la baza studiilor meteorologice, meteorologia fiind stiinta ce se ocupa cu studiul atmosferei.

2. Alcatuirea si structura atmsferei

Alcatuirea atmosferei

Atmosfera este alcatuita din diferite gaze, apa in stare de vapori si aerosoli (cenusi vulcanice, saruri, pulberi etc.). Partea inferioara atmosferei, pana la altitudinea de 90-100 km, este denumita homosfera, fiind relativ omogena in privinta amestecului de gaze si a alcatuirii moleculare a gazelor ce o compun. Ponderea cea mai mare ca volum este detinuta de azot (N), cu 78,09%, si de oxigen (O), cu 20,95%, la care se adauga in ordine argonul (Ar), cu 0,93%, dioxidul de carbon, neonul, heliul, hidrogenul, ozonul si radonul.

Aceste gaze au un rol fundamental in realizarea efectului de sera (dioxidul de carbo) si infiltrarea radiatiilor ultraviolete (ozonul). Azotul este un gaz stabil, care intra mai greu in combinatii chimice, fiind cnsiderat neutru. Spre deosebire de acesta, oxigenul este foarte activ, stand la baza tuturoe proceselor de oxidare si de ardere. Se adauga multe particule solide sau lichide, cu dimensiuni submicronice, care se afla in stare de suspensie (provenid din cenusi vulcanice, meteoriti, arderi naturale sau antropice, noxe, praf, polen, cristale de saruri etc.), reprezentand adesea elemente ce favorizeaza condensarea vaporilor de apa. Poluarea este strans legata mai ales de frecventa noxelor (emanatii ce contin sulf, carbon, azot, clor etc.). Proportia vaporilor de apa variaza atat pe verticala (pondere mare pana la 5 km si extrem de redusa la peste 10 km), cat si regional (au pondere mare in regiunile ecuatoria, tropical umeda, deasupra bazinelor oceanice, marine, lacustre, dar extrem de redusa in regiunile aride si semi aride).

Intre 100 si 750 km se extinde heterosfera, rarefiata, alcatuita din azot, oxigen si heliu, in stare atomica, ce tind sa se stratifice in ordinea greutatii, datorita lipsei turbulentelor.

La inaltimi mai mari de 750 km incepe exosfera, extrem de rarefiata; se face treptat trecerea spre vidul interplanetar, in care mai scapa atomi de heliu si hidrogen.

Structura atmosferei

Atmosfera este diferentiata in mai multe subinvelisuri, in care ponderea gazelor este diferita, iar temperatura si presiunea sufera modificari esentiale.

Troposfera este primul invelis atmosferic, aflat la suprafata Pamintului; in cadrul sau se desfasoara cea mai mare parte a interactiunilor cu celelalte invelisuri terestre (apa, relief, sol, vietuitoare), precum si totalitatea activitatilor omului; concentreaza peste 80% din masa atmosferei, dar si cea mai mare parte a vaporilor de apa si pulberilor atmosferice.

In troposfera temperatura scade cu un gradient de circa 6,4° la fiecare km, pana la o altitudine la care tulburenta in atmosfera se reduce mult, in cadrul unui strat de tranzitie numit tropopauza, deasupra Ecuatorlui; aici trmperaturile au valori de -70°, -80°C (in dreptul Ecuatorului).

Stratosfera se extinde de la nivelul tropopauzei pana la circa 50 km inaltime. Pana la o altitudine de 20 - 25 km temperaturile se mentin la -50°, -55°C, de unde incep sa creasca, ajungand spre limita superioara a stratosferei, numita stratopauza, chiar la valori pozitive de pana la 20°C.

Aceasa incalzire se explica prin actiunea unei parti din radiatia ultravioleta asupra moleculelor de O, pe care le desface in atomi. Acestia se unesc cu alte molecule de O, rezultand O. Aceste reactii sunt insotite de degajare de caldura; stratul de ozon are un rol imprtant in protejarea vietii pe Terra, intrucat retine o parte din radiatiile ultraviolete (U.V.) nocive vietii.

Mezosfera se desfasoara intre 50 si 85 km si este caracterizata printr-un aer extrem de rarefiat si prin scaderea rapida a temperaturii, care atinge -90°C spre limita superioara, numita mezopauza.

Termosfera este invelisul exterior, care se extinde pana la 400 - 800 km, si este caracterizata printro rarefiere extrema a aerului. Moleculele rare de gaze sunt disociate in atomi de radiatiile ultraviolete si ca urmare temperaturile cresc, ajungand la 1000°C spre partea superioara.

Intre 60 si 500 km se afla ionosfera. In cadrul ei absortia radiatiei U.V. determina ionizarea puternica a gazelor; exista mai multe straturi izolate intens, intre care cele mai importante au fost notate cu literele D, E, F si au proprietatea de a reflecta undele radio emise de pe suprafata terestra.

3. Masele de aer, presiunea si dinamica lor

Presiunea aerului

Aerul este un fluid compresibil care exercita o presiune permanenta asupra Terrei, aceasta avand la nivelul marii valoarea de 1 kg/cm. Acest parametru este influentat de temperatura si de altitudine. Presiunea scade cu altitudine conform unei legi logaritmice, la inceput mai repede si apoi din ce in ce mai incet, datorita rarefierii aerului. In general, in partea inferioara a troposferei scade cu un milibar la fiecare 8 km.

    Instrumentul de masurat presiunea atmosferica este barometru, care poate fii de doua tipuri: cu mercur, inventat de Torricelli, sau cu o camera metalica, numit bvarometru aneroid.

In cazul barometrului cu mercur presiunea se masoara in centimetri coloana de mercur, la nivelul marii aceasta fiind de 76 cm (760 mm). 

   Pentru masurarea atmosferice se folosesc ca unitati hectopascalul (hPa, reprezinta 100 newtoni pe m) si milibarul (mbar).

Raportul dintre hectopascali si milimetri coloana de mercu este de aproximativ 4/3 (760 mm Hg la nivelul marii corespunzator valorii de 1015 hPa).

    Presiunea medie la nivelul marii este de 1015 mbari, ajungand la 900 mbari in ciclonii tropicali si la 1060 mbari in ariile anticiclonale cu presiune mare. Pe majoritatea hartilor meteorologice presiunea, masurata in diferite puncte, este redusa la cea de la nivelul marii, ceea ce favorizeaza reprezentarea prin izolinii numite izobare (liniile ce unesc punctele cu aceeasi presiune). Presiunea atmosferica este mai ridicate in regiunile cu temperaturi scazute si mai redusa acolo unde se inregistreaza temperaturi mai mari. Ca urmare, regional se dezvolta areale cu presiune mare (numite anticicloni) si areale cu presiune mica (cicloni). Existenta lor determina deplasarea in plan orizontal a maselor de aer dinspre centrele de maxima presiune spre centrele de minima presiune.

Valorile de presiune inregistreaza si slabe oscilatii diurne. Ele sunt mai evidente in regiunile ecuatoriale si tropicale, unde maximele se produc dimineata (orele 8 -10), si seara (orele 20 - 22). In regiunile temperate se adauga schimbarile frecvente determinate de evolutia circulatiei atmosferice.

Masele de aer

Analiza de amanunt a troposferei releva faptul ca in cadrul ei se pot diferentia volume de aer cu dimensiuni diferite care se caracterizeaza, fiecare, prin anumite valori de temperatura, presiune, incarcatura de vapori de apa, si care au dinamica si evolutia distincte. Aceste volume de aer, relativ omogene, care se intind pe suprafete de cateva mii de kilometri patrati si a caror inaltime urca de la cativa kilometri la limita superioara a troposferei, poarta numele de mase de aer. Caracteristicile si-le dobandesc prin contactul direct cu suprafata terestra si prin schimbul de energie intre doua medii diferite.

Acest proces este puternic influentat si diversificat, spatial si temporal, de forma sferica a Pamantului, de inclinarea axei terestre asociata cu miscarea de revolutie, de faptul ca suprafata terestra corespunde unei asocieri de medii acvatice si de uscat. De aici concluzia ca exista un numar mare de mase de aer care se pot diferentia dupa criteriile:

caracteristica termica sunt mase de aer cald (la tropice, la Ecuator) si mase de aer rece (in regiunile polare si subpolare);

caracteristica dinamica sunt mase de aer stabile, care stationeaza deasupra unei regiuni geografice (la tropice, in regiunile polare), si mase instabile, care strabat mai multe regiuni, modificandu-si relativ repede trasaturile (indeosebi in zona temperata);

regiunea geografica deasupra careia se formeaza (mase arctice, mase polare, mase tropicale, mase oceanice si mase continentale); este criteriul cel mai des folosit, intrucat defineste cel mai clar caracteristicile termodinamice ale maselor.

Fronturile atmosferice

Existenta concomitenta pe suprafata terestra a unei multitudini de mase de aer cu proprietati fizice deosebiteface ca intre ele sa se inregistreze contacte variate, ce capata caracterul unor suprafete slab inclinate numite fonturi atmosferice. In lungul acestora, miscarea maselor impusa de diferentele de presiune dintre ele se realizeaza diferit. De regula, masa activa o onlocuieste pe cea slaba, stationara, proces in care regiunea este traversata de frontul de aer, producandu-se vant puternic, nori, precipitatii bogate, modificarea rapida a temperaturii, a umezelii etc. In interval de cateva ore masa de aer activ o inlocuieste pe cea stationara, producand o modificare radicala a volorilor elementelor meteorologice.

Cu cat diferentele de temperatura si umiditate dintre cele doua mase sunt mai accentuate, cu atat frontul este mai scurt iar procesul de inlocuire a unei mase de catre cealalta este mai rapid si invers.

Se disting mai multe tipuri de fronturi de aer, cel mai frecvent fiind criteriul de deplasare a masei active, care are un anumit potential caloric. In acest sens se separe:

• fronturi reci, dezvoltate la contactul dintre masele de aer rece, care sunt active si patrund sub mase calde (stationare), pe care le disloca. Se dezvolta la inceput nori cirrus, apoi cumulonimbus, ce dau precipitatii; pe masura indepartarii aerului cald de cel rec temperatura devine tot mai scazuta.
• Fronturi calde, apar la contactul dintre o masa rece stationara si una calda activa. Aceasta din urma va urca peste cea rece si o va impinge concomitent. Rezulta nori cirrus, nimbus (dau precipitatii bogate). Dupa trecerea frontului masa calda domina, cerul va deveni senin, iar temperaturile vor creste.

Vremea si prevederile ei

Vremea (timpul) reprezinta starea fizica a atmosferei intr-un loc (intr-o regiune) la un moment dat. Ea este caracterizata prin anumite valori ale elementelor meteorologice (presiune atmosferica, temperaturi, umiditatea aerului, nebulozitate, precipitatii, vant etc.) si de un anumit mod de manifestare a fenomenelor meteorologice (bruma, chiciura, polei, viscol, grindina, seceta, uscaciune, roua etc.).

Fiind dependenta de caracteristicile maselor de aer, a caror dinamica este continua deasupra orcarei regiuni, vremea se modifica permanent, in intervale variabile (de la cateva ore la mai multe zile). De exemplu, dimineata este senin si cald, dupa-amiaza se inteteste vantul, cerul se acopera treptat cu nori, cad precipitatii bogate; in timpul noptii si a doua zi cerul se insenineaza treptat, dar temperaturile sunt cu cateva grade mai scazute decat ziua precedenta. S-a produs deci o modificare de vreme prin inlocuirea unei mase de aer cald de catre una rece.

Meteorologii au acordat o insemnatate deosebita cunoasterii starii vemii, preocupariile fiind tot mai multe din a doua parte a secolului trecut. In ultimii ani, prevederea se realizeaza pe baza datelor inregistrate la statiile si posturile meteorologice, dar si a celor transmise prin satelitii meteorologici.

Modificarile starilor de vreme sunt analizatede catre meteorologi prin urmarirea dinamicii si a caracteristicilor fizice ale maselor de aer care se deplaseaza deasupra unor teritorii largi (de exemplu, pentru tara noastra, cele din Europa). Pe baza datelor inregistrate la statiile meteorologice din sase in sase ore se intocmesc harti sinoptice (harti meteorologice speciale), ce servesc la caracteriazarea starii de vreme intr-un loc si la un moment dat.

    Pe hartile sinoptice sunt rprezentate valori ale unor elemente meteorologice. In primul rand este prezentata (la ora la care se fac inregistrarile) starea presiunii atmosferice pe un teritoriu, prin izobare cu valori notate (linii de egala presiune). Ele alcatuiesc campul baric, in cadrul caruia se separa areale cu presiune maxima (anticiclonale, notate pe harta cu litera M) si areale cu presiune minima (cicloane, notate pe harta cu litera D). La contactul dintre masele de aer se trec fronturile de aer (linie albastra cu triunghiuri pentru cele reci si linie rosie cu semicercuri pentru cele calde). Pe harta mai apar directiile de deplasare a maselor de aer, sectoarele in care cad precipitatii si tipurile acestora.

Pentru realizarea hartilor sinoptice de pe un teritoriu extins se folosesc atat datele inregistrate de statiile din fiecare tara, cat si cele obtinute prin sateliti.

Intocmind harti din sase in sase ore, se pot duce, prin compararea elementelor ce apar pe ele, directiile de evolutie ale vremii pe teritoriu larg, deci se pot face prognoze ale evolutiei starii acesteia.

Prognozele se fac pentru intervale variate (12, 24, 36 de ore si pe mai multe zile).

Prognoza pentru perioade mai mari de timp are in vedere si periodicitatea (ciclitatea) manifestarii unor fenomene, informatie dedusa din volumul mare de date existente in arhiva institutiilor meteorologice. In prezent, in prognoza, un loc aparte il au datele furnizate de instalatiile speciale din sateliti.

Activitatile de prognozare sunt absolut necesare pentru diferite activitati economice (din agricultura, transporturi aeriene, navale, rutiere, constructii etc.) si sociale.