opad atmosferyczny
Opad atmosferyczny, hydrometeor – produkt kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym, opadający z chmur warstwowych i kłębiastych pod wpływem siły grawitacji na powierzchnię ziemi w postaci ciekłej (deszcz, mżawka) bądź stałej (śnieg, śnieg ziarnisty, krupy śnieżne, grad, ziarna lodowe, słupki lodowe), stanowiący jeden z głównych składników obiegu wody w przyrodzie (cyklu hydrologicznego).
Kondensacja pary wodnej w atmosferze
Kondensacja pary wodnej w atmosferze ziemskiej jest procesem skraplania pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym (przejścia z fazy gazowej w fazę ciekłą) skutkującym tworzeniem się kropelek wody, bądź procesem zestalania się, czyli resublimacji pary wodnej (przejściem z fazy gazowej bezpośrednio w fazę stałą), czego skutkiem jest powstawanie kryształków lodu. Kondensacja pary wodnej warunkująca tworzenie się chmur, opadów atmosferycznych (deszczu, śniegu) oraz opadów utajonych (rosy, szadzi, szronu, zamrozu) jest ważnym składnikiem obiegu wody w przyrodzie wraz z procesami ewaporacji (parowania z powierzchni zbiorników i cieków wodnych, gleby), transpiracji (parowania z nadziemnych części roślin), wsiąkania wody w głębsze warstwy gleby, spływu powierzchniowego, odpływu podziemnego oraz retencji (związania) wody w lodowcach, pokrywie śnieżnej oraz wodach głębinowych.
Kondensacja pary wodnej w atmosferze zachodzi w warunkach pełnego nasycenia powietrza atmosferycznego parą wodną, czyli przy maksymalnej zawartości pary wodnej w powietrzu atmosferycznym w danej temperaturze i ciśnieniu (100% wilgotności względnej powietrza). Zjawisko to następuje przeważnie w wyniku ochłodzenia się powietrza atmosferycznego do temperatury punktu rosy (temperatury, w której powietrze osiągnie stan nasycenia parą wodną) wskutek zetknięcia z chłodnymi przedmiotami bądź wychłodzonym podłożem, wznoszenia się powietrza (rozprężanie adiabatyczne) lub mieszania się z innymi masami powietrza o różnej temperaturze i wilgotności. Kondensacja pary wodnej w atmosferze zachodzi na jądrach kondensacyjnych, czyli drobnych, higroskopijnych cząstkach aerozolu atmosferycznego, na których osadzają się jej produkty (krople wody, kryształki lodu). Cząstki te stanowią głównie kryształki soli morskiej, zarodniki i nasiona roślin, wywiane cząstki gleby, pyły wulkaniczne oraz zanieczyszczenia antropogeniczne (np. pyły, popioły lotne, sadze).
Powstawanie opadu atmosferycznego
Opad atmosferyczny, określany także mianem hydrometeoru, stanowi produkt kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym opadający z chmur na powierzchnię ziemi w stanie ciekłym w postaci kropel wody (np. deszcz) bądź stanie stałym jako kryształki lodu (np. śnieg). Opad atmosferyczny powstaje wówczas, gdy cząstki chmurowe (krople wody, kryształki lodu) osiągają zbyt duże rozmiary i ciężar, by mogły być nadal utrzymywane w stanie zawieszenia przez prądy pionowe, wskutek czego opadają z chmury na ziemię pod wpływem grawitacji. Wzrost rozmiarów cząstek chmurowych w chmurze złożonej z kropel wody (chmurze wodnej, np. stratus, stratocumulus) odbywa się wskutek koalescencji, czyli łączenia się drobnych kropelek wody w krople większe; duże cząstki chmurowe w chmurze złożonej z kropel wody i kryształków lodu (chmurze mieszanej, np. nimbostratus, altostratus, cumulonimbus) tworzą się wskutek szybkiego wzrostu kryształków lodu kosztem parujących kropelek wody (proces Bergerona-Findeisena). Chmury zbudowane wyłącznie z kryształków lodu (chmury lodowe, np. cirrus, cirrostratus) nie dają opadu atmosferycznego.
Opady atmosferyczne – podział
Opady atmosferyczne, ze względu na mechanizm powstawania, zróżnicowane są na opady orograficzne, konwekcyjne i frontalne. Opad orograficzny powstaje w wyniku przepływu mas powietrza nad masywami górskimi; napływające powietrze wznosi do góry, gdzie ochładza się adiabatycznie do temperatury punktu rosy, co umożliwia kondensację pary wodnej, tworzenie się chmur kłębiastych (altocumulus), stratocumulus, cumulus) i powstanie opadu atmosferycznego po nawietrznej stronie gór. Opad konwekcyjny związany jest z silnymi prądami wstępującymi powstającymi nad intensywnie nagrzanymi powierzchniami; nagrzane powietrze wznosząc się ochładza się adiabatycznie do temperatury punktu rosy, następuje kondensacja pary wodnej, tworzenie się chmur i opadu konwekcyjnego opadającego na powierzchnię ziemi z chmur kłębiasto-deszczowych (cumulonimbus) i kłębiastych (cumulus). Opad frontalny wiąże się z frontem atmosferycznym, czyli strefą przejściową między masami powietrza o różnej temperaturze. W strefie frontu ciepłego ciepłe masy powietrza wślizgują się po klinie powietrza zimnego, ochładzają się adiabatycznie do temperatury punktu rosy oraz ulegają kondensacji, czego wynikiem jest powstawanie opadu frontalnego opadającego na ziemię głównie z chmur warstwowych deszczowych (nimbostratus); w przypadku frontu chłodnego chłodne masy powietrza wypierają powietrze ciepłe, które wznosząc się w górę ulega kondensacji, w wyniku której powstają chmury kłębiaste deszczowe (cumulonimbus) dające intensywne opady atmosferyczne.
Rodzaje opadu atmosferycznego
Produkty kondensacji pary wodnej opadające z chmur na ziemię w stanie ciekłym obejmują deszcz i mżawkę rozróżniane na podstawie średnicy kropel wody. Deszcz jest opadem atmosferycznym składającym się z kropel wody o średnicy większej niż 0,5 mm; krople deszczu zwykle osiągają średnicę 0,5-5 mm. Deszcz powstaje w chmurach wskutek łączenia się drobnych kropelek wody w krople większe, które następnie opadają na ziemię pod wpływem siły ciężkości bądź wskutek topnienia opadających z chmury kryształków lodowych. Intensywny i przelotny deszcz pada głównie z chmur kłębiastych deszczowych (cumulonimbus); ciągłe opady deszczu o umiarkowanym natężeniu tworzą się w chmurach warstwowo-deszczowych (nimbostratus); słaby deszcz dają chmury średnie warstwowe (altostratus), kłębiasto-warstwowe (stratocumulus) oraz kłębiaste (cumulus). Mżawka jest opadem atmosferycznym składającym się z licznych i drobnych kropelek wody o średnicy mniejszej niż 0,5 mm; kropelki mżawki osiągają zwykle średnicę 0,1-0,5 mm. Mżawka jest opadem roszącym o bardzo niewielkiej prędkości spadania, powstającym głównie w niskich chmurach warstwowych (stratus) i kłębiasto-warstwowych (stratocumulus).
Produkty kondensacji pary wodnej opadające z chmur w stanie stałym w postaci kryształków lodu obejmują śnieg, śnieg ziarnisty, krupy śnieżne, grad, ziarna lodowe oraz słupki lodowe. Śnieg jest opadem atmosferycznym złożonym przeważnie z kryształków lodowych o kształcie sześcioramiennych gwiazdek, łączących się w temperaturze wyższej niż -5°C w płatki śniegu. Silne opady śniegu dają chmury warstwowo-deszczowe (nimbostratus) i kłębiaste deszczowe (cumulonimbus); słabe opady dają chmury średnie warstwowe (altostratus). Śnieg ziarnisty składa się z drobnych i nieprzezroczystych ziaren lodu o średnicy do 1 mm; pada z chmur warstwowych (stratus). Krupy śnieżne są przelotnym opadem atmosferycznym składającym się z nieprzezroczystych ziaren lodu o średnicy 1-15 mm, powstającym wskutek zamarzania przechłodzonych kropel wody na płatkach śniegu. Padają z chmur warstwowo-deszczowych (nimbostratus), kłębiasto-warstwowych (stratocumulus) oraz kłębiastych deszczowych (cumulonimbus). Grad składa się z nieregularnych bryłek lodu (gradzin) o średnicy 0,5-5 cm, powstających w silnie rozbudowanych chmurach kłębiastych deszczowych (cumulonimbus) wskutek obrastania kryształków lodu przez kryształki śniegu w wyższych i chłodniejszych warstwach chmury (gdzie dostają się wraz z prądami wstępującymi) i krople przechłodzonej wody w niższych i cieplejszych warstwach (gdzie opadają pod wpływem siły grawitacji). Grad jest opadem przelotnym występującym głównie w ciągu lata w strefie umiarkowanej kuli ziemskiej. Ziarna lodowe (deszcz lodowy), złożone z przezroczystych ziarenek lodu o średnicy 1-3 mm, powstają w wyniku zamarzania przechłodzonych kropel deszczu podczas opadania na ziemię z chmur kłębiastych deszczowych (cumulonimbus), warstwowo-deszczowych (nimbostratus) i średnich warstwowych (altostratus). Słupki lodowe (pył diamentowy) mają postać bardzo drobnych kryształków lodu w kształcie słupków bądź blaszek występujących przy bardzo niskiej temperaturze (głównie w rejonach polarnych). Słupki lodowe opadają przeważnie z niskich chmur warstwowych (stratus).
Pomiar ilości opadu atmosferycznego
Pomiar ilości opadu atmosferycznego opadającego na powierzchnię ziemi w stanie ciekłym w postaci kropel wody (deszczu, mżawki) lub stanie stałym w postaci kryształków lodu (śniegu, gradu) odbywa się z wykorzystaniem urządzenia zwanego deszczomierzem (pluwiometrem). Deszczomierz w najprostszej postaci składa się z naczynia z ustawionym poziomo otworem wlotowym o danej powierzchni recepcyjnej (powierzchni zbierającej opad) oraz zbiornika połączonego z naczyniem za pośrednictwem rurki, który przeznaczony jest do zbierania opadu atmosferycznego. Przyrząd pomiarowy umieszczony jest na otwartej przestrzeni na wysokości 1-1,5 m nad powierzchnią gruntu. Zebrana w naczyniu woda opadowa bądź opad atmosferyczny w stanie stałym po uprzednim stopieniu zlewane są następnie do menzurki wyskalowanej do danej powierzchni recepcyjnej, za pomocą której określana jest objętość opadu w danym przedziale czasowym (np. w ciągu doby). Ilość opadu atmosferycznego na określana jest na podstawie grubości warstwy wody w milimetrach (mm), która spadła na płaszczyznę poziomą w danej jednostce czasu; 1 milimetr opadu atmosferycznego (mm) jest równoważny ilości 1 litra opadu przypadającego na 1 metr kwadratowy powierzchni (l/m²). Ciągłe pomiary ilości, czasu trwania i natężenia opadu atmosferycznego przeprowadzane są automatycznie z wykorzystaniem urządzeń zwanych pluwiografami.
