Γενικές αρχές Μετεορολογίας

Αερολέσχη Κοµοτηνής - Κοσµίου 104 Κοµοτηνή ΤΚ 69100

τηλ. 2531031959 fax 2531021631 – email : [email protected] www.aerolesxi.kom.gr

1

ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΕΡΟΛΕΣΧΗ ΚΟΜΟΤΗΝΗΣ

1. ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ 1.1. Εισαγωγή Η ατµόσφαιρα είναι το στρώµα των αερίων που περιβάλλει και ακολουθεί την αδιάκοπη πορεία της γης στο σύµπαν. Είναι αόρατη, άοσµη και διακρίνεται από ιδιότητες που συνιστούν τις περιβαλλοντολογικές εκείνες συνθήκες κάτω από τις οποίες αναπτύσσεται ο άνθρωπος καθώς και οι ζωικοί και φυτικοί οργανισµοί. Στην ατµόσφαιρα, και ιδίως στο χαµηλότερο τµήµα της, τη τροπόσφαιρα εκδηλώνονται τα περισσότερα καιρικά φαινόµενα, πράγµα που καθιστά σηµαντική την επίδρασή της στην ανθρώπινη ζωή και τις καθηµερινές δραστηριότητες. Οµοίως, η ανθρώπινη δραστηριότητα επιφέρει συχνά µεταβολές στις ιδιότητες της ατµόσφαιρας και διαταράσσει την κανονική µετεωρολογική δραστηριότητα. Κατά συνέπεια, οι άνθρωποι καταβάλλουν προσπάθειες και δαπανούν µεγάλα χρηµατικά ποσά για την παρατήρηση, τη µελέτη και την πρόγνωση του καιρού από τοπικές σε παγκόσµιες κλίµακες.

Οι ατµοσφαιρικές επιστήµες συνίστανται από πληθώρα σχετικών επιστηµονικών κλάδων παρεµφερών µεταξύ τους. Η ενασχόλησή τους είναι η περιγραφή και η ερµηνεία των φαινοµένων τόσο στην ατµόσφαιρα της γης όσο και άλλων πλανητών. Με τον κλασικό διαχωρισµό, οι ατµοσφαιρικές επιστήµες διακρίνονται σε δύο επιστηµονικούς κλάδους: τη µετεωρολογία (από τις ελληνικές λέξεις «µετέωρος» δηλ αιωρούµενος και «λόγος») και την κλιµατολογία. Η µετεωρολογία ασχολείται µε τα ατµοσφαιρικά φαινόµενα και τη συµπεριφορά τους σε συνάρτηση µε τον χρόνο, ενώ η κλιµατολογία εστιάζει στις µακροπρόθεσµες στατιστικές ιδιότητες της ατµόσφαιρας που καθιστούν το κλίµα.

Η Μετεωρολογία χωρίζεται σε πολλούς επιστηµονικούς κλάδους µε επίκεντρο τις ιδιαίτερες εφαρµογές της µετεωρολογίας και τις µεθόδους µελέτης των µετεωρολογικών φαινοµένων. Οι πιο σηµαντικοί κλάδοι είναι: Γενική Μετεωρολογία, Φυσική Μετεωρολογία, ∆υναµική Μετεωρολογία, Συνοπτική Μετεωρολογία, Αερονοµία, Μικροµετεωρολογία, Γεωργική Μετεωρολογία, Αεροναυτική Μετεωρολογία, Υδροµετεωρολογία και Μετεωροπαθολογία .



2

Η Κλιµατολογία µπορεί επίσης να χωριστεί σε πολλούς επιστηµονικούς κλάδους. Ίσως η πιο ουσιαστική διάκριση είναι εκείνη µεταξύ της φυσικής κλιµατολογίας, που ασχολείται µε τα κλιµατικά αίτια, της κλιµατογραφίας που ασχολείται µε τα στατιστικά στοιχεία του κλίµατος σε όλες τις χωρικές κλίµακες, και της εφαρµοσµένης κλιµατολογίας που εφαρµόζει τα στατιστικά στοιχεία του κλίµατος προκειµένου να επιλύσει πρακτικά προβλήµατα. 1. 2. Ιστορική Εξέλιξη

Η σηµασία της µελέτης της ατµόσφαιρας έχει αναγνωριστεί εδώ και εκατοντάδες χρόνια. Η ιστορία της µετεωρολογίας µπορεί να χωριστεί σε τρεις περιόδους.

Η πρώτη περίοδος αρχίζει γύρω στο 600 π.Χ. και τελειώνει γύρω στα 1600. Είναι η επονοµαζόµενη «Περίοδος Στοχασµού» στην οποία κυριαρχεί η ιδιοφυής και σε θέµατα Μετεωρολογίας φυσιογνωµία του φιλόσοφου Αριστοτέλη. Το έργο πάνω στα µετεωρολογικά φαινόµενα και τις ατµοσφαιρικές ιδιότητες «Τα Μετεωρολογικά» είναι το πρώτο γνωστό βιβλίο που έχει γραφεί για τη µετεωρολογία. Μεταξύ των άλλων φιλοσόφων της εποχής που µελέτησαν τον καιρό συγκαταλέγονται ο Ίππαρχος, ο Ιπποκράτης, ο Θεόφραστος και άλλοι. Οι Έλληνες φιλόσοφοι είχαν προσπαθήσει ακόµα και να δηµιουργήσουν µια στατιστική πρόγνωση του καιρού χρησιµοποιώντας αρχεία µε µετεωρολογικές παρατηρήσεις.

Στο διάστηµα που µεσολάβησε από τον 5ο αιώνα π.Χ. ως την εφεύρεση του θερµοµέτρου από το Γαλιλαίο το 1593 και του βαροµέτρου από τον Τορρικέλλι το 1643, δεν σηµειώθηκε σχεδόν καµία εξέλιξη στα πεδία της µετεωρολογίας και της κλιµατολογίας, Η εφεύρεση των δύο αυτών οργάνων αποτέλεσε ορόσηµο στην ιστορία της µετεωρολογίας και σηµατοδότησε την αρχή της δεύτερης περιόδου που διήρκεσε περίπου ως το 1850 και χαρακτηρίστηκε ως η «Αυγή της Επιστηµονικής Μετεωρολογίας». Άλλα σηµαντικά όργανα που εφευρέθηκαν κατά την περίοδο αυτή είναι το υγρόµετρο, το ανεµόµετρο και το βροχόµετρο. Οι εφευρέσεις αυτές επέτρεψαν τη συστηµατική παρατήρηση του καιρού σε πολλές χώρες. Εντούτοις, η µετεωρολογία θεωρήθηκε τότε περισσότερο ως ευχάριστη ενασχόληση της αριστοκρατικής τάξης παρά ως επιστήµη.

Η αρχή της σύγχρονης µετεωρολογίας σηµατοδοτήθηκε από τις τεράστιες απώλειες του Γαλλικού στόλου εξαιτίας των άσχηµων καιρικών συνθηκών στη Σεβαστούπολη, το Νοέµβριο του 1854, στον πόλεµο της Κριµαίας. Ο αστρονόµος La Verrier συµπέρανε ότι α) οι άσχηµες καιρικές συνθήκες προέρχονταν από τον Ατλαντικό και είχαν παρέλθει από ολόκληρη την



3

Ευρώπη πριν φτάσουν στη Σεβαστούπολη, και β) οι τεράστιες απώλειες του Γαλλικού στόλου θα µπορούσαν να είχαν αποφευχθεί αν ο στόλος είχε ενηµερωθεί για τις επερχόµενες καιρικές συνθήκες. Ως επακόλουθο, ο La Verrier πρότεινε στη Γαλλική κυβέρνηση την ίδρυση µιας υπηρεσίας για την παρατήρηση και τη µελέτη του καιρού. Η Γαλλική κυβέρνηση έκανε αποδεκτή την πρότασή του, η οποία και υιοθετήθηκε και από πολλά άλλα ευρωπαϊκά κράτη. Η Γαλλία ίδρυσε λοιπόν την πρώτη Μετεωρολογική Υπηρεσία το 1855 και ακολούθησαν η Αγγλία, η Ολλανδία, οι ΗΠΑ, η Γερµανία, η Ιταλία και άλλες χώρες. Υποχρέωση των µετεωρολογικών υπηρεσιών των διαφόρων κρατών ήταν η διενέργεια συστηµατικών µετεωρολογικών παρατηρήσεων.

Στα χρόνια που ακολούθησαν, µια σειρά ∆ιεθνών Μετεωρολογικών Συνεδρίων οδήγησαν στην καθιέρωση πρότυπων διαδικασιών για την παρατήρηση του καιρού και την ανάλυση των µετεωρολογικών χαρτών, ενώ συνέβαλαν επίσης στην ανταλλαγή των δεδοµένων µεταξύ των διαφόρων χωρών. Ο ∆ιεθνής Μετεωρολογικός Οργανισµός (International Meteorological Organization) ιδρύθηκε το 1878 µε στόχο να προωθήσει τη διεθνή συνεργασία µεταξύ των µετεωρολογικών υπηρεσιών. Το 1950 µετονοµάστηκε σε Παγκόσµιο Μετεωρολογικό Οργανισµό (World Meteorological Organization/ WMO) και εδρεύει σήµερα στη Γενεύη της Ελβετίας.

Οι γνώσεις µας για τα µετεωρολογικά φαινόµενα βελτιώθηκαν σηµαντικά κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα. Αξιοσηµείωτη είναι η συµβολή, στις αρχές του προηγούµενου αιώνα, µιας µικρής οµάδας χαρισµατικών παρατηρητών, αναλυτών και θεωρητικών της Νορβηγικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας, µε επικεφαλής τον V. Bjerknes. Η κύρια συµβολή τους ήταν η δηµιουργία του κλασσικού πλέον Νορβηγικού µοντέλου κυκλώνων. Παρόλο που η Νορβηγοί εκµεταλλεύτηκαν κατάλληλα τις διαθέσιµες παρατηρήσεις για να προσδιορίσουν τη συµπεριφορά της ατµόσφαιρας σε όλη την τροπόσφαιρα, οι εργασίες τους είχαν σχεδόν εξ ολοκλήρου ως βάση τους το συνοπτικό δίκτυο επιφανείας. Η εφεύρεση της ραδιοβόλισης επέφερε ευρεία χρήση των δεδοµένων ανώτερης ατµόσφαιρας τη δεκαετία του 1930 και οδήγησε σε περαιτέρω εµπειρικές βελτιώσεις στην πρόγνωση µε ολοένα αυξανόµενες εφαρµογές στη ραγδαία αναπτυσσόµενη αεροπορική βιοµηχανία Στο σηµείο αυτό θα πρέπει να σηµειωθεί ότι κατά τη διάρκεια του Α’ Παγκοσµίου Πολέµου και αµέσως µετά τη λήξη του, ο L. F. Richardson προσπάθησε να παράσχει την πρώτη αριθµητική πρόγνωση µε απλούς υπολογισµούς, αλλά η πρωτοποριακή εργασία του έληξε ανεπιτυχώς. Με τον Β’ Παγκόσµιο Πόλεµο καθιερώθηκαν πλέον οι σταθµοί ραδιοβόλισης. Η θεωρητική έρευνα συνεχίστηκε, µε σηµαντική συµβολή από τους Rossby, Petterssen, J. Bjerknes, Charney, Eady, Eliassen,



4

Fjortoff, Obukhov, Suttcliffe και άλλους, που οδήγησαν σε κάποιες άµεσες εφαρµογές σε πρακτικά προβλήµατα και κυρίως έθεσαν τα θεµέλια για τη ριζική εγκατάλειψη του απλού εµπειρισµού. Στα χρόνια που ακολούθησαν, η ανάπτυξη του δικτύου ραδιοβόλισης σε παγκόσµια κλίµακα, η εφεύρεση των υπολογιστών και η έλευση των δορυφόρων και των µετεωρολογικών radar παρείχαν τεράστιο όγκο δεδοµένων και αποτέλεσαν εξαιρετικά πολύτιµα εργαλεία για τη µελέτη και τη πρόγνωση µετεωρολογικών φαινοµένων. 1.3 Προέλευση και Σύνθεση Σε σύγκριση µε τον ήλιο, η ατµόσφαιρα της γης είναι σηµαντικά ελλιπής σε ευγενή αέρια (ήλιον, νέον, αργόν, ξένον και κρύπτον). Πολλές είναι οι θεωρίες που έχουν προταθεί για να ερµηνεύσουν την πραγµατική απουσία των στοιχείων αυτών από την ατµόσφαιρα της γης. Η επικρατούσα άποψη είναι είτε ότι η γη σχηµατίστηκε µε τρόπο που απέκλεισε από το σύστηµα τα αέρια ή ότι τα αεριώδη υλικά που απάρτισαν την αρχική ατµόσφαιρα χάθηκαν γρήγορα µετά τον σχηµατισµό της γης. Και στις δύο περιπτώσεις, η γη είναι πιθανόν να µην είχε καθόλου ατµόσφαιρα κατά τη διάρκεια του σχηµατισµού της ή λίγο αργότερα, πριν 4.5 δισεκατοµµύρια χρόνια. Η ύπαρξη της ατµόσφαιρας που παρατηρούµε σήµερα θεωρείται ότι είναι το αποτέλεσµα έκρηξης ουσιών από το εσωτερικό σε συνδυασµό µε ηφαιστειακή δραστηριότητα. Εντούτοις, σήµερα η συνολική µάζα των εκρηκτικών υλικών που περιέχονται στο σύστηµα γη-ατµόσφαιρα είναι µόνο της τάξης του 0.025% της µάζας της γης. Η υπάρχουσα ατµόσφαιρα σήµερα αποτελείται κυρίως από Άζωτο (εώς 76%) και Οξυγόνο ( εώς 23%). Στον Πίνακα 1.1. παρουσιάζονται τα κύρια συστατικά στοιχεία της ατµόσφαιρας της γης.

Συστατικό Στοιχείο Περιεκτικότητα σε κλάσµα συνολικών

µορίων

Άζωτο (N2) 0.7808 (75.51% της συνολικής µάζας)

Οξυγόνο (O2) 0.2095 (23.14% της συνολικής µάζας)

Αργκόν (A) 0.0093 (1.28% της συνολικής µάζας)

Υδρατµοί (H2O) 0-0.04

∆ιοξείδιο του Άνθρακα (CO2)

325 τµήµατα ανά εκατοµµύριο



5

Νέον (Ne) 18 τµήµατα ανά εκατοµµύριο

Ήλιον (He) 5 τµήµατα ανά εκατοµµύριο

Κρυπτόν (Kr) 1 τµήµα ανά εκατοµµύριο

Υδρογόνο(H) 0.5 τµήµατα ανά εκατοµµύριο

Όζον (O3) 0-12 τµήµατα ανά εκατοµµύριο

Πίνακας 1.1 Σύνθεση της ατµόσφαιρας της γης κάτω από τα 100 km Είναι σηµαντικό να αντιληφθούµε ότι η ατµόσφαιρα δεν είναι µιααποµονωµένη οντότητα αλλά αποτελεί τµήµα ενός συζευγµένου συστήµατος που περιλαµβάνει ακόµα την υδρόσφαιρα (συνολική υδάτινη µάζα στην επιφάνειας της γης η πάνω από αυτή), τη βιόσφαιρα (ζωτικοί και φυτικοί οργανισµοί) και το ιζηµατογενές τµήµα της λιθόσφαιρας (εξωτερικός φλοιός της γης). Σηµαντικό τµήµα του συζευγµένου αυτού συστήµατος για την ύπαρξη ζωής είναι η υδρόσφαιρα. Τα υπάρχοντα σήµερα συστατικά στοιχεία της υδρόσφαιρας παρουσιάζονται στον 1.2

Συστατικό Στοιχείο Ποσοστό Μάζας Υδρόσφαιρας

Ωκεανοί 97 % Πάγος 2.4 % Υπόγειο γλυκό νερό 0.6 % Γλυκό νερό σε λίµνες, ποτάµια κλπ 0.02 %

Ατµόσφαιρα 0.001 % Πίνακας 1.2 Η υδρόσφαιρα. Η συνολική της µάζα πάνω από την

επιφάνεια της γης είναι 1.36 x 1021kg 1.4 Κατακόρυφη δοµή Η κατακόρυφη µεταβολή της θερµοκρασίας µε το ύψος επιτρέπει τον διαχωρισµό της ατµόσφαιρας σε πέντε χαρακτηριστικά στρώµατα (εικόνα 1.1): την τροπόσφαιρα, τη στρατόσφαιρα, τη µεσόσφαιρα, τη θερµόσφαιρα και την εξώσφαιρα. Τα όρια µεταξύ των 4 χαµηλότερων στρωµάτων, που αποτελούν στην ουσία, µεταβατικές ζώνες είναι η τροπόπαυση, η στρατόπαυση και η µεσόπαυση.



6

Εικόνα 1.1 Ο φυσικός διαχωρισµός της ατµόσφαιρας µε το ύψος και

η σχετική κάθετη κατατοµή θερµοκρασίας Τροπόσφαιρα Είναι το χαµηλότερο στρώµα της ατµόσφαιρας και είναι το σηµείο που εκδηλώνονται σχεδόν όλα τα µετεωρολογικά φαινόµενα. Όλοι σχεδόν οι υδρατµοί της ατµόσφαιρας βρίσκονται και µετασχηµατίζονται µέσα στην τροπόσφαιρα. Η µάζα της τροπόσφαιρας αποτελεί περίπου το 75 % της συνολικής µάζας της ατµόσφαιρας. Σε αυτήν την περιοχή της ατµόσφαιρας παρατηρείται συνήθως µια συνεχής µείωση της θερµοκρασίας µε το ύψος. Εντούτοις, µερικές φορές υπάρχουν λεπτά στρώµατα όπου η θερµοκρασία αυξάνεται µε το ύψος, οι λεγόµενες αναστροφές θερµοκρασίας. Τα υποστρώµατα αυτά είναι σηµαντικά γιατί όταν εκδηλώνονται πάνω από βιοµηχανικές περιοχές επιτρέπουν τη συγκέντρωση ρύπων, που συνδέονται µε φαινόµενα ατµοσφαιρικής µόλυνσης.

Το µεταβατικό στρώµα µεταξύ τροπόσφαιρας και της υπερκείµενης στρατόσφαιρας ονοµάζεται τροπόπαυση και είναι πολύ σηµαντικό από µετεωρολογικής άποψης. Η τροπόπαυση δεν είναι µια συνεχής επιφάνεια και δεν βρίσκεται στο ίδιο ύψος σε όλα τα σηµεία της γης. Το ύψος της διαφοροποιείται σηµαντικά, κυρίως µε το γεωγραφικό πλάτος. Στις τροπικές περιοχές µπορεί να ανέλθει περίπου στα 16-17 km ενώ στις πολικές περιοχές είναι γύρω στα 7-8 km. Εξαιτίας της ανακολουθίας αυτής µπορεί να χαρακτηριστεί άλλοτε ως τροπική τροπόπαυση και άλλοτε ως πολική τροπόπαυση, ανάλογα µε το µήκος κύµατος. Στρατόσφαιρα Η στρατόσφαιρα είναι το ατµοσφαιρικό στρώµα πάνω από την τροπόσφαιρα στο οποίο η θερµοκρασία δεν διαφοροποιείται σηµαντικά



7

µέχρι περίπου τα 35 km, ενώ πάνω από το ύψος αυτό αυξάνεται φτάνοντας περίπου τους 0°C σε ύψος γύρω στα 50 ως 55 km, όπου βρίσκεται η στρατόπαυση. Αυτή η αύξηση της θερµοκρασίας οφείλεται στην απορρόφηση της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας από το στρώµα του όζοντος που υπάρχει σε επίπεδα µεταξύ 20 και 40 km. Το στρώµα του όζοντος αποκαλείται και οζονόσφαιρα. Μεσόσφαιρα Στο στρώµα αυτό η θερµοκρασία µειώνεται συνεχώς µε το ύψος γύρω στους -100°C σε ύψος 80-90km, όπου βρίσκεται η µεσόπαυση. Η µεσόπαυση είναι το ψυχρότερο τµήµα στην ατµόσφαιρα της γης. Η µεσόπαυση είναι επίσης το ανώτερο επίπεδο του ατµοσφαιρικού εκείνου τµήµατος όπου διάφορα ατµοσφαιρικά συστατικά στοιχεία (εκτός από CO2 και H2O) αναµειγνύονται σε ικανοποιητικό βαθµό. Επιπλέον, τα φωτεινά ή φωσφορούχα νέφη παρατηρούνται συνήθως στη µεσόπαυση, ιδιαίτερα σε µεγάλα γεωγραφικά πλάτη, όταν ο Ήλιος βρίσκεται 5°- 10° κάτω από τον ορίζοντα. Θερµόσφαιρα Στη θερµόσφαιρα η θερµοκρασία αυξάνεται µε το ύψος σε επίπεδα µέχρι 500 km. Η θερµοκρασία παρουσιάζει µεγάλη διαφοροποίηση ανάλογα µε το γεωγραφικό πλάτος, την ώρα της ηµέρας και την ηλιακή δραστηριότητα. Το ανώτερο όριο της θερµόσφαιρας λέγεται θερµόπαυση. Στη θερµόσφαιρα υπάρχει µεγάλη µεταβολή στη σύνθεση της ατµόσφαιρας, σε σύγκριση µε τα κατώτερα στρώµατα. Η φωτόλυση και η έλλειψη διαδικασιών ανάµιξης οδηγούν στην επικράτηση των ελαφρότερων ατµοσφαιρικών συστατικών. Στα ύψη αυτά το χηµικό στοιχείο που επικρατεί είναι το υδρογόνο. Εξώσφαιρα Είναι το τµήµα εκείνο της ατµόσφαιρας που βρίσκεται πέρα από τη θερµόσφαιρα και καταλήγει στο µεσοδιάστηµα. H θερµοκρασία δεν µεταβάλλεται µε το ύψος σε αυτό το στρώµα. Πρέπει ωστόσο να σηµειωθεί ότι οι θερµοκρασίες των ανώτερων ατµοσφαιρικών επιπέδων είναι ενδεικτικές της µέσης κινητικής ενέργειας των σωµατιδίων από τα οποία αποτελούνται. Συνεπώς, οι θερµοκρασίες αυτές δεν µπορούν να µετρηθούν µε τη χρήση οργάνων και υπολογίζονται έµµεσα. Τέλος, το τµήµα της ατµόσφαιρας σε ύψος 70 km έως 1000 km που αποτελείται από µεγάλο αριθµό ηλεκτρονίων και ιόντων ονοµάζεται ιονόσφαιρα. Στην ιονόσφαιρα τα ατµοσφαιρικά συστατικά ιονίζονται από την ηλιακή και κοσµική ακτινοβολία. Η ιονόσφαιρα διαδραµατίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στις τηλεπικοινωνίες καθώς χωρίς την ύπαρξή της θα ήταν αδύνατον να κατευθυνθούν τα ραδιοκύµατα γύρω από τη γη.



8

2. ΑΕΡΙΕΣ ΜΑΖΕΣ Μεγάλες µονάδες αέρα µε σχεδόν οµοιογενή οριζόντια χαρακτηριστικά (κυρίως σε θερµοκρασία και υγρασία) δηµιουργούνται πάνω από µεγάλες επιφάνειες της γης εξαιτίας της γενικής κίνησης της ατµόσφαιρας. Αυτές οι µονάδες αέρα λέγονται αέριες µάζες. Mια αέρια µάζα διαχωρίζεται από µια παρακείµενη µάζα αέρα από τη µετωπική ζώνη. 2.1 Κατηγορίες Οι αέριες µάζες ταξινοµούνται µε βάση τα χαρακτηριστικά για τα οποία προέρχονται είτε από την περιοχή προέλευσής τους ή κατά τη διάρκεια της διαδροµής τους. Όσον αφορά τη θερµοκρασία, ο ψυχρός και ο θερµός αέρας αναλογεί σε Πολικές και Τροπικές αέριες µάζες αντίστοιχα. Αν υπάρχει ο περαιτέρω διαχωρισµός σε υγρό και ξηρό αέρα, τότε προστίθεται και ο χαρακτηρισµός Θαλάσσιες και Ηπειρωτικές. Με αυτόν τον τρόπο προκύπτουν τέσσερις δυνατότητες αέριων µαζών : Τροπικές Ηπειρωτικές: Είναι θερµές, ξηρές και σχετικά σταθερές αέριες µάζες που δηµιουργούνται συνήθως πάνω από έρηµους µε µικρό γεωγραφικό πλάτος όπως είναι η Σαχάρα, η έρηµος της Αυστραλίας, των Βορειοδυτικών ΗΠΑ και του Μεξικού (την καλοκαιρινή περίοδο) Τροπικές Θαλάσσιες: Είναι θερµές, υγρές και συνήθως ασταθείς αέριες µάζες που δηµιουργούνται πάνω από τον τροπικό Ατλαντικό ωκεανό ή τον Κόλπο του Μεξικού καθώς και στον υποτροπικό Ειρηνικό ωκεανό. Πολικές Ηπειρωτικές: Είναι ψυχρές, ξηρές και σταθερές αέριες µάζες που δηµιουργούνται στο εσωτερικό των ηπείρων σε µεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Επιφέρουν αίθριο καιρό και χαµηλές θερµοκρασίες. Πολικές Θαλάσσιες: Είναι ψυχρές και (αρκετά) υγρές αέριες µάζες που προέρχονται συνήθως είτε από τον Ατλαντικό ή τον Ειρηνικό ωκεανό (αλλά δηµιουργούνται πάνω από την Κεντρική Αλάσκα, τη Βορειοανατολική Σιβηρία ή το νότιο Ειρηνικό ωκεανό).

Επιπλέον, οι πολύ ψυχρές, ξηρές και σταθερές αέριες µάζες που δηµιουργούνται πάνω από τη Αρκτική ή την Ανταρκτική κατά τη χειµερινή περίοδο λέγονται Αρκτικές.

Τα χαρακτηριστικά µιας αέριας µάζας µπορούν να µεταβάλλονται, επιφέροντας έτσι και αλλαγή κατηγορίας κατά τη διάρκεια µιας διαδροµής της πάνω από µια επιφάνεια µε διαφορετικά χαρακτηριστικά από εκείνα της περιοχής προέλευσής της. Για παράδειγµα, ο αέρας πάνω από την έρηµο της Σαχάρας γίνεται σχετικά θερµός και ξηρός, και ανήκει στην κατηγορία των Τροπικών Ηπειρωτικών αέριων µαζών. Αν µια αέρια µάζα που δηµιουργείται πάνω από τη Σαχάρα µετακινηθεί αργά πάνω από τη Μεσόγειο και παραµείνει πάνω από τη θαλάσσια περιοχή για αρκετές µέρες, µπορεί να εµπλουτιστεί µε υδρατµούς και να µετατραπεί σε Τροπική



9

Θαλάσσια αέρια µάζα. 2.2 Ιδιότητες Τα χαρακτηριστικά των διάφορων αέριων µαζών υπολογίζονται ποσοτικά µε τη χρήση πολλών θερµοδυναµικών ποσοτήτων εύκολων στην µέτρηση και στην εξαγωγή αποτελεσµάτων. Οι πιο σηµαντικές για το θέµα µας είναι :

-Η θερµοκρασία αέρα που υπολογίζεται στον µετεωρολογικό κλωβό Stevenson, που βρίσκεται σε ύψος 2m. πάνω από την επιφάνεια, σε καλά αεριζόµενο περιβάλλον χωρίς άµεση ηλιακή ή γήινη ακτινοβολία -Η δυνητική θερµοκρασία q µιας αέριας µάζας ορίζεται ως η θερµοκρασία που θα είχε η αέρια µάζα αν εκτονωνόταν ή συµπιεζόταν αδιαβατικά από την υπάρχουσα πίεση και θερµοκρασία σε µια σταθερή θερµοκρασία (δεδοµένη συνήθως στα 1000 mb). -Η ποσότητα υδρατµών σε συγκεκριµένο όγκο αέρα µπορεί να οριστεί ως η αναλογία της µάζας υδρατµών προς τη µάζα ξηρού αέρα. Αυτό λέγεται αναλογία µίγµατος. -Η σχετική υγρασία σε σχέση µε το νερό είναι η αναλογία (σε µορφή ποσοστού) της πραγµατικής αναλογίας µίγµατος προς την κορεσµένη αναλογία µίγµατος, σε σχέση µε το νερό στην ίδια θερµοκρασία και πίεση.-Η θερµοκρασία σηµείου δρόσου είναι η θερµοκρασία εκείνη στην οποία πρέπει να ψυχθεί ο αέρας σε σταθερή πίεση για να κορεστεί. Αποτελεί σηµαντική µέτρηση της υγρασίας της αέριας µάζας και εκφράζεται σε βαθµούς Κέλβιν ή Κελσίου. Μεγαλύτερη θερµοκρασία σηµείου δρόσου σε δεδοµένη πίεση συνδέεται µε πιο υγρή αέρια µάζα. 2.3 Μεταφορά Οι νότιοι άνεµοι συνήθως µεταφέρουν θερµό αέρα προς την Ελλάδα, φαινόµενο που ερµηνεύεται από τους µετεωρολόγους ως θερµή κίνηση αέριας µάζας και περιγράφεται µε τον όρο θερµή µεταφορά. Οµοίως, οι βόρειοι άνεµοι συνδέονται συνήθως µε ψυχρή µεταφορά. Ο όρος µεταφορά µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί για να περιγράψει και την κίνηση της υγρασίας.

Κοιτάζοντας προς τον ουρανό, µπορούµε πολύ συχνά να δούµε διαφορετικά είδη νεφών να κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις ανάλογα µε τους επικρατούντες ανέµους. Η σχέση µεταξύ των ανέµων σε χαµηλά επίπεδα (άνω των 500-1000 m από την επιφάνεια) και των ανέµων σε υψηλότερα επίπεδα είναι ενδιαφέρουσα και χρήσιµη. Αν οι άνεµοι µεταβάλλονται δεξιόστροφα καθώς αυξάνει το υψόµετρο (ο µετεωρολογικός όρος είναι στρεφόµενοι άνεµοι) τότε εκδηλώνεται θερµή µεταφορά. Αν οι άνεµοι µεταβάλλονται αριστερόστροφα µε το ύψος (αντιστρεφόµενοι άνεµοι), τότε υπάρχει µεταφορά ψυχρού αέρα. Ο



10

κανόνας αυτός είναι έγκυρος επιστηµονικά και ισχύει στο βόρειο ηµισφαίριο αλλά ο αντίστροφος κανόνας ισχύει στο νότιο ηµισφαίριο. 2.4 Μέτωπα 2.4.1 Ιστορική Αναδροµή Κατά τη διάρκεια του Α’ Παγκοσµίου Πολέµου, όταν η Νορβηγία αποκόπηκε από τις εξωτερικές µετεωρολογικές πληροφορίες, ο Vilhelm Bjerkness ίδρυσε ένα γεωφυσικό ινστιτούτο στην πόλη Bergen, τη Σχολή Bergen, και έπεισε τη Νορβηγική κυβέρνηση να εγκαταστήσει ένα πυκνό δίκτυο σταθµών για να παρέχει δεδοµένα για τις µετεωρολογικές του µελέτες.

Εκείνη την εποχή, ήταν γνωστό ότι οργανωµένες περιοχές βροχής σχετίζονταν συχνά µε ζώνες σύγκλισης στο πεδίο επιφανειακών ανέµων. Ο γιος του Vilhelm, Jacob δηµοσίευσε µια εργασία το 1919, σε ηλικία 22 ετών, όπου εισήγαγε την έννοια των θερµών, ψυχρών και συνεσφιγµένων µετώπων και ερµήνευσε σωστά τη σχέση τους µε τα συστήµατα χαµηλών πιέσεων.

Ο όρος µέτωπο παρουσιάστηκε ως παροµοίωση µε πολεµικές συρράξεις, όπου οι αέριες µάζες είναι τα έθνη και τα µέτωπα είναι οι περιοχές σύγκρουσης µεταξύ δύο διαφορετικών εθνών. Μέχρι το 1926, σε συνεργασία µε άλλους στο ινστιτούτο κατάφερε να περιγράψει τη δοµή και των κύκλων ζωής των µετωπικών χαµηλών.

∆εν υπάρχουν όµοια µετωπικά συστήµατα και σπανίως είναι απόλυτα συµβατά µε τα κλασσικά µοντέλα. Εντούτοις είναι χρήσιµο να έχουµε µια γενική άποψη των µοντέλων των µετεωρολογικών συστηµάτων, που αποτελούν τη βάση για ανάλυση και πρόγνωση των ατµοσφαιρικών διεργασιών. 2.4.2 Ορισµός και συνοπτική περιγραφή ενός µετώπου Το όριο µεταξύ δύο αέριων µαζών διαφορετικού είδους λέγεται µέτωπο. Στην πραγµατικότητα, τα µέτωπα είναι τρισδιάστατες µεταβατικές ζώνες (µετωπικές ζώνες) που συνήθως διαχωρίζουν µια θερµή από µια ψυχρότερη αέρια µάζα. Στους µετεωρολογικούς χάρτες, µέτωπο θεωρείται η τοµή του θερµού ορίου της τρισδιάστατης µετωπικής ζώνης µε την επιφάνεια της γης.Οι µετωπικές ζώνες έχουν εύρος που κυµαίνεται συνήθως από 50-100 km. Στα µέτωπα οι απότοµες διαφοροποιήσεις των χαρακτηριστικών των αέριων µαζών είναι συχνό φαινόµενο. Οι διαφοροποιήσεις αυτές υποδεικνύουν το βαθµό ευρύτητας της µετωπικής ζώνης. Πιο οµαλές µεταβολές στις ιδιότητες του ατµοσφαιρικού αέρα αποτελούν ένδειξη για



11

ευρείες µετωπικές ζώνες και συνδέονται συνήθως µε ασθενέστερα µετεωρολογικά φαινόµενα.

Οι µεταβολές στο πεδίο θερµοκρασιών είναι συνήθως οι ανακολουθίες εκείνες που είναι πιο ευδιάκριτες σε ένα µέτωπο, καθώς όταν ένα µέτωπο περάσει από µια συγκεκριµένη τοποθεσία επιφέρει αξιοσηµείωτες µεταβολές θερµοκρασίας στην επιφάνεια. Όσο µεγαλύτερο είναι το υψόµετρο, τόσο µικρότερες είναι οι µεταβολές. Σηµαντικές µπορεί να είναι επίσης και οι µεταβολές στην υγρασία του αέρα σε ένα µέτωπο. Στα δικά µας γεωγραφικά πλάτη, η θερµή αέρια µάζα στη µία πλευρά ενός µετώπου είναι συνήθως υγρή και πλησιάζει την κατάσταση κορεσµού, ενώ από την άλλη, η ψυχρή αέρια µάζα είναι ξηρή. Παρ’ όλα αυτά, οι µεταβολές της υγρασίας δεν είναι πάντα ευδιάκριτες χωρίς τα κατάλληλα όργανα. Επιπλέον, η διεύθυνση και η ένταση ανέµου καθώς και η πίεση επιφανείας µεταβάλλονται µε την πάροδο ενός µετώπου, όπου η πίεση επιφανείας είναι µεγαλύτερη στον ψυχρό από ότι στο θερµό αέρα. 2.4.3 Είδη µετώπων Τα µέτωπα κατατάσσονται ανάλογα µε τη διεύθυνση µε την οποία κινούνται. Κατά συνέπεια, προκύπτουν 4 κύρια είδη µετώπων: το ψυχρό µέτωπο, το θερµό µέτωπο, το στάσιµο µέτωπο και το συνεσφιγµένο µέτωπο

Ψυχρό µέτωπο: Αν ο αέρας στην ψυχρή πλευρά της µετωπικής ζώνης προχωρεί στην περιοχή όπου πριν ο αέρας που επικρατούσε ήταν πιο θερµός, το µέτωπο λέγεται ψυχρό. Στους µετεωρολογικούς χάρτες τα ψυχρά µέτωπα απεικονίζονται ως οδοντωτά τριγωνικά σχήµατα που δείχνουν προς την κατεύθυνση της κίνησης (Εικόνα 2.1.). Για παράδειγµα, το µέτωπο πάνω από τα βόρεια Βαλκάνια στην Εικόνα 2.2 κατευθύνεται νοτιοανατολικά ως ψυχρό µέτωπο.Επειδή ο ψυχρός αέρας είναι πυκνότερος από το θερµό αέρα που προηγήθηκε, ο ψυχρός αέρας εισχωρεί σαν σφήνα κάτω από τον θερµό αέρα και δηµιουργείται ένα επικλινές όριο. Το ψυχρό µέτωπο κλίνει προς τα πίσω µε το ύψος από την επιφανειακή του θέση (Εικόνα 2.3α) Αντί για ένα κάθετο όριο µεταξύ θερµού και ψυχρού αέρα, η διάταξη ενός ψυχρού µετώπου µοιάζει όντως µε σφήνα µε µια µέση κλίση από 1 έως 70. Η οριζόντια απόσταση ενός ψυχρού µετώπου είναι γύρω στα 400 km ενώ το κάθετο ύψος κυµαίνεται από 3.5 ως 4.5 km. Ο παρατηρητής από την επιφάνεια έχει λίγες προειδοποιητικές ενδείξεις για ένα επερχόµενο ψυχρό µέτωπο, παρότι ίσως υπάρχουν κάποιες υπόνοιες από φαινόµενα όπως για παράδειγµα µια σύντοµη διάσπαση στρωµατοσωρειτών (stratocumulus) νεφών, µια µικρή πτώση σε ένα προηγουµένως σταθερό βαροµετρικό ή µια µικρή αντιστροφή του ανέµου.



12

Σε τέτοιες περιπτώσεις, το ψυχρό µέτωπο έρχεται µε δυνατή µπόρα από µικρές αλλά ισχυρές σωρειτοµελανίες (cumulonimbus), που είναι ενσωµατωµένες στο µετωπικό νέφος εν γένει. Καθώς διέρχεται το ψυχρό µέτωπο, ο άνεµος στρέφεται προς τα δεξιά και συνήθως αυξάνει η έντασή του καθώς και η βαροµετρική πίεση ενώ τα νεφικά στρώµατα (stratus) διακρίνονται µε σαφήνεια, εν µέρει τουλάχιστον. Η βροχή µπορεί να συνεχίζεται και να συνοδεύεται από µεσαίου επιπέδου σωρειτοµελανίες (nimbostratus) και µερικά τµήµατα χαµηλών νεφικών στρωµάτων (stratus). Σύντοµα, στο βορειοδυτικό ορίζοντα υπάρχει ένα σαφές άνοιγµα που µαρτυρεί την πάροδο ενός τυπικού ψυχρού µετώπου. Το άνοιγµα στον ουρανό επεκτείνεται χωρίς ωστόσο να αποκλείεται το ενδεχόµενο µιας τελευταίας µπόρας ή βροχής. Τελικά, ο ψυχρός αέρας επέρχεται µε διαστήµατα ηλιοφάνειας, σωρείτες (cumulus), χαµηλό σηµείο δρόσου, αυξανόµενο βαροµετρικό και στροφή ανέµου (προς τα δεξιά) κοντά στην επιφάνεια. Παρόλο που ένα ψυχρό µέτωπο δεν προειδοποιεί µε πολλές ενδείξεις για τον ερχοµό του, αφήνει πάρα πολλά σηµάδια που µαρτυρούν ότι έχει περάσει Τέλος, η θερµοκρασία σηµειώνει συνήθως πτώση σε συγκεκριµένη τοποθεσία κατά τη διέλευση ενός ψυχρού µετώπου καθώς υπάρχει µεταφορά ψυχρότερου αέρα. Εντούτοις αργότερα η θερµοκρασία µπορεί να αυξηθεί εξαιτίας της ηλιοφάνειας στην καθαρότερη ατµόσφαιρα πίσω από το µέτωπο. Η ορατότητα είναι από µέτρια µέχρι χαµηλή στις περιοχές µε φαινόµενα υετού (βροχόπτωσης) από το µέτωπο, ενώ βελτιώνεται γρήγορα σε καλή ή άριστη πίσω από το µέτωπο.

Θερµό µέτωπο: Αν ο αέρας στη ψυχρή πλευρά του µετώπου υποχωρεί δίνοντας τη θέση του στο θερµότερο αέρα, το µέτωπο λέγεται θερµό και απεικονίζεται στους µετεωρολογικούς χάρτες από ηµικυκλικά σύµβολα (Εικόνα 2.1.) τα οποία δείχνουν προς την κατεύθυνση της µετωπικής κίνησης, που στην περίπτωση αυτή είναι η κατεύθυνση του ψυχρότερου αέρα. Για παράδειγµα, δείτε στην Εικόνα 2.2 το θερµό µέτωπο πάνω από τα Πυρηναία. Μπροστά από το θερµό µέτωπο βρίσκεται ο ψυχρός αέρας σε λογικά επίπεδα ξηρότητας µε ανάλογο σηµείο δρόσου. Τότε έρχεται ο θερµός, υγρός αέρας µε την υψηλή θερµοκρασία σηµείο δρόσου. Ο θερµός αέρας είναι λιγότερο πυκνός από τον ψυχρότερο αέρα και κατά συνέπεια ανεβαίνει πάνω από τον ψυχρό αέρα Η µετωπική ζώνη είναι συνεπώς επικλινής µε τον θερµό, υγρό αέρα να κινείται ανοδικά σε µια επικλινή πορεία (Εικόνα 2.3β) µε µέση κλίση από 1 έως 150. Σε όλη τη µεικτή µετωπική ζώνη βρίσκονται τα κλασσικά νέφη θερµού µετώπου: θύσσανοι (cirrus), θυσανοστρώµατα (cirrostratus), υψιστρώµατα (altostratus) και στρωµατοµελανίες (nimbostratus) – ταξινοµηµένα από το υψηλότερο στο χαµηλότερο. Καθώς τα νέφη χαµηλώνουν, γίνονται πιο



13

πυκνά και υγρά Ένα ενεργό θερµό µέτωπο διαφαίνεται από την αρκετά σταθερή ακολουθία νεφών που πυκνώνουν και χαµηλώνουν µε λίγες διασπάσεις, από την πτωτική βαροµετρική πίεση, τη µείωση της ορατότητας και την αντιστροφή και ενίσχυση των ανέµων επιφανείας µπροστά από το µέτωπο. Μετά από δύο ως τρεις ώρες βροχής το βαροµετρικό θα σταθεροποιηθεί, ο άνεµος θα στραφεί ελαφρώς προς τα δεξιά και η βροχή θα µετατραπεί σε ψιλόβροχο καταδεικνύοντας έτσι ότι έχει περάσει ένα θερµό µέτωπο. Η θερµοκρασία µπορεί να αυξηθεί µε το πέρασµα ενός µετώπου αλλά αυτό δεν είναι απαραίτητο καθώς η εξάτµιση της βροχής προκαλεί πτώση της θερµοκρασίας. Το σηµείο δρόσου αρχίζει να ανεβαίνει µπροστά από το µέτωπο, και σταθεροποιείται καθώς περνάει το µέτωπο. Αυτό έχει ως επακόλουθο καλή ορατότητα µπροστά από το µέτωπο, η οποία γίνεται µέτρια µε τη βροχή (υετό) και περιστασιακά χαµηλή στο τµήµα του θερµού αέρα. Στάσιµα µέτωπα: Τα στάσιµα µέτωπα εκδηλώνονται σε περίπτωση που δύο γειτονικές αέριες µάζες µε διαφορετικά χαρακτηριστικά δεν αντικαθιστούν η µία την άλλη. Απεικονίζονται µε εναλλασσόµενα σύµβολα ψυχρών και θερµών µετώπων σε διαφορετικές πλευρές της µετωπικής γραµµής (Εικόνα 2.1.). Οι δυνάµεις που εξισορροπούν αυτές τις αέριες µάζες συµπεριφέρονται κατά τρόπο που η µετωπική ζώνη να κινείται πολύ λίγο ή καθόλου. Τα µέτωπα αυτά σχηµατίζονται συνήθως σε µεγάλες Πολικές αέριες µάζες που κινούνται νότια πάνω από ολοένα θερµότερη θάλασσα, όπως για παράδειγµα η δυτική ακτή της Σκανδιναβίας. Οι άνεµοι επιφανείας στην εγγύς περιοχή ενός στάσιµου µετώπου πνέουν σχεδόν παράλληλα µε τη µετωπική ζώνη. Η κλίση ενός τέτοιου µετώπου είναι συνήθως µικρή αλλά µπορεί να αυξηθεί σηµαντικά ανάλογα µε την κατανοµή του ανέµου και τη διαφορά πυκνότητας µεταξύ των δύο αέριων µαζών.

Συνεσφιγµένα(Occluded) µέτωπα: Ένα συνεσφιγµένο µέτωπο ή «σύσφιξη» είναι ο συνδυασµός µεταξύ θερµού και ψυχρού µετώπου και κατά συνέπεια απεικονίζεται στους µετεωρολογικούς χάρτες µε εναλλασσόµενα σύµβολα ψυχρού και θερµού µετώπου στην ίδια πλευρά της µετωπικής γραµµής. Παράδειγµα συσφιγµένου µετώπου διαφαίνεται πάνω από τον Ατλαντικό ωκεανό ακριβώς βορειοδυτικά της Πορτογαλίας (Εικόνα 2.2.) Με την κανονική αλληλουχία φαινοµένων που οδηγούν στο σχηµατισµό ενός συσφιγµένου µετώπου, το ψυχρό µέτωπο κινείται µε ταχείς ρυθµούς πρώτα νοτιοανατολικά µετά ανατολικά γύρω από το χαµηλό και προλαβαίνει το προπορευόµενο θερµό µέτωπο. Καθώς το ψυχρό µέτωπο προλαβαίνει το θερµό µέτωπο, ο θερµός και υγρός αέρας ανυψώνεται από



14

το έδαφος (Εικόνα 2.3γ). Εδώ η δοµή είναι πολύπλοκη καθώς εµπλέκονται τρεις αέριες µάζες. Επειδή οι συσφίξεις είναι συνήθως ψυχρού τύπου, δηλ ο ψυχρός αέρας πίσω από το σύστηµα είναι ψυχρότερος από εκείνον µπροστά, απεικονίζονται στο µετεωρολογικό χάρτη περισσότερο ως συνέχεια του ψυχρού παρά του θερµού µετώπου (Εικόνα 2.2.). Εντούτοις αν η αέρια µάζα µπροστά από το σύστηµα είναι ψυχρότερη από εκείνη πίσω, όπως συµβαίνει µερικές φορές όταν υπάρχει πολικός ηπειρωτικός ή αρκτικός θαλάσσιος αέρας µπροστά από την ύφεση, η σύσφιξη τότε είναι θερµού τύπου και απεικονίζεται στο χάρτη ως συνέχεια της γραµµής του θερµού µετώπου. Για έναν παρατηρητή από την επιφάνεια, η κλασσική σύσφιξη µοιάζει µε θερµό µέτωπο καθώς πλησιάζει, µε νέφη που πυκνώνουν και βροχή που αυξάνει σε ένταση. Καθώς αποµακρύνεται ανατολικά, ο ουρανός µπορεί να παρουσιάζει περίπου την ίδια εικόνα µε εκείνη που έχει κατά το πέρασµα ενός ψυχρού µετώπου µε ένα απότοµο τελείωµα στις αποµακρυνόµενες νεφώσεις και µε επανεµφάνιση νεφώσεων σωρειτών (cumulus). .4.4 Εικόνες µετώπων

Θερµό Ψυχρό Στάσιµο Συνεσφιγµένο



15

Εικόνα 2.2 Ένα παράδειγµα των καιρικών συνθηκών στην Ευρώπη

και τα επικρατόντα µέτωπα (πηγή: www.cnn.com)

Εικόνα 2.3 Κατακόρυφη τοµή ενός ψυχρού µετώπου. (πηγή: The

Atmosphere, 8th edition, Lutgens and Tarbuck, 2001)

Εικόνα 2.4 Κατακόρυφη τοµή ενός θερµού µετώπου. (πηγή: The

Atmosphere, 8th edition, Lutgens and Tarbuck, 2001)



16

3. ΝΕΦΗ Ως νέφος ορίζεται « το ορατό συνονθύλευµα πολύ µικρών σωµατιδίων νερού ή πάγου ή και των δύο στην ελεύθερη ατµόσφαιρα». Τα νέφη καλύπτουν σχεδόν το µισό της γης σε οποιαδήποτε δεδοµένη στιγµή. Η µορφή των νεφών όπως φαίνεται από το διάστηµα µεταβάλλεται σηµαντικά καθώς σχηµατίζονται, διαλύονται και κινούνται σε σύµπνοια µε τον αέρα. Τα νέφη αποτελούν ζωτικό σύνδεσµο για το κλίµα και τον υδρολογικό κύκλο της γης . Έχουν γίνει αντικείµενο εµπεριστατωµένων επιστηµονικών µελετών και έχουν απασχολήσει ιδιαίτερα την τέχνη, τη µουσική, την ιστορία, τη θρησκεία, την ποίηση και τη µυθολογία, τουλάχιστον από την εποχή του Αριστοτέλη και ίσως και πολύ πιο πριν. Τα νέφη είναι ακόµα αναπόσπαστο τµήµα της πρόγνωσης και ανάλυσης καιρού. Η καθιέρωση της µελέτης των νεφών ως ξεχωριστού κλάδου της ατµοσφαιρικής επιστήµης προέκυψε από την έµφαση που δόθηκε στην ανάγκη βαθύτερης κατανόησής τους.

Ο επιστηµονικός κλάδος της φυσικής νεφών άρχισε να εµφανίζεται γύρω στα 1940 ως αναγνωρίσιµη ειδικότητα της µετεωρολογίας. Τα πρώτα χρόνια η έµφαση ήταν στη µικροφυσική των νεφών, στη µελέτη του σχηµατισµού και της ανάπτυξης των «πολύ µικρών σωµατιδίων» που συνιστούν τα «ορατά συνονθυλεύµατα». Από το 1957 ακόµα, ο B. J. Mason αναγνώρισε ότι η µικροφυσική νεφών ήταν στη πραγµατικότητα µόνο ο ένας κλάδος της µελέτης νεφών και χρειαζόταν να αναπτυχθεί και άλλος κλάδος. Επισήµανε ότι οι µικροφυσικές διεργασίες «ελέγχονται σε σηµαντικό βαθµό από τις ατµοσφαιρικές κινήσεις εντός των νεφών. Τα µακροφυσικά χαρακτηριστικά του σχηµατισµού και της ανάπτυξης των νεφών, διεργασία που προσδιορίζεται καλύτερα ως δυναµική του συστήµατος, παρέχει το πλαίσιο των περιβαλλοντολογικών συνθηκών που ορίζουν τα επίπεδα και τη διάρκεια των µικροφυσικών φαινοµένων.» Προκειµένου να αντιληφθούµε και να κατανοήσουµε τα νέφη στις διάφορες χωρικές κλίµακες, ειδικά αεροσκάφη, radar, υπολογιστές, δορυφόροι και τεχνικές αριθµητικών µοντέλων, που είναι διαθέσιµα σήµερα, χρησιµοποιούνται . 3.1 Σχηµατισµός Τα νέφη σχηµατίζονται στην ατµόσφαιρα που έχει υπερκορεστεί σε σχέση µε το νερό στην υγρή του µορφή ή πάγου. Ο πιο συνηθισµένος τρόπος µε



17

τον οποίο η ατµόσφαιρα έχει υπερκορεστεί είναι η άνοδος σωµατιδίων αέρα που οδηγεί σε αδιαβατική εκτόνωση και ψύχρανση. Τα κύρια είδη ανόδου, καθένα εκ των οποίων δηµιουργεί ξεχωριστές µορφές νεφών, είναι :• Τοπική άνοδος των θερµών σωµατιδίων αέρα σε ασταθές περιβάλλον που δηµιουργεί νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης. Τα νέφη αυτά έχουν διάµετρο που κυµαίνεται από 0.1 έως 10 km και ο αέρας ανεβαίνει εντός αυτών µε κατακόρυφες ταχύτητες της τάξης των λίγων µέτρων ανά δευτερόλεπτο, παρόλο που σε συστήµατα νεφών µεγάλης κατακόρυφης ανάπτυξης µπορούν να σηµειωθούν ταχύτητες ανοδικών αέριων ρευµάτων αρκετών δεκάδων µέτρων ανά δευτερόλεπτο. Η διάρκεια ζωής των νεφών κατακόρυφης ανάπτυξης κυµαίνεται από λεπτά µέχρι ώρες• Βίαιη ανύψωση σταθερού αέρα που δηµιουργεί στρωµατόµορφα νέφη. Τα νέφη αυτά µπορούν να δηµιουργηθούν σε ύψη από το επίπεδο εδάφους ως την τροπόπαυση και να επεκταθούν σε περιοχές εκατοντάδων χιλιάδων τετραγωνικών χιλιοµέτρων. Ο βαθµός ανύψωσης κυµαίνεται από µερικά εκατοστά ανά δευτερόλεπτο ως περίπου 10 cm s-1. Τα στρωµατόµορφα νέφη υφίστανται συνήθως για περίοδο δεκάδων ωρών.• Η βίαιη ανύψωση αέρα καθώς περνά πάνω από λόφους ή όρη δηµιουργεί ορογραφικά νέφη. Οι ταχύτητες των ανοδικών ρευµάτων που προκύπτουν εξαρτώνται στην ένταση και τη διεύθυνση του ανέµου και το ύψος του εµποδίου, αλλά µπορούν να είναι αρκετά µέτρα ανά δευτερόλεπτο. Τα ορογραφικά νέφη ενδέχεται να είναι πολύ πρόσκαιρα αλλά σε σταθερούς ανέµους µπορούν να υφίστανται για µεγάλες χρονικές περιόδους.

Αν η ατµόσφαιρα ήταν άψογα καθαρή, θα ήταν αδύνατον να δηµιουργηθούν νέφη καθώς η σχετική υγρασία θα ανερχόταν σε ποσοστό αρκετών εκατοντάδων! Το κλασσικό πρόβληµα της φυσικής νεφών είναι να εξηγήσει γιατί τα σταγονίδια νεφών σύµφωνα µε τις παρατηρήσεις σχηµατίζονται στην ατµόσφαιρα όταν ο ανοδικός αέρας µόλις που υπερβαίνει τον κορεσµό. Η απάντηση είναι ότι η ατµόσφαιρα περιέχει σηµαντικές συγκεντρώσεις σωµατιδίων µεγέθους µικρόµετρου και υποµικρόµετρου που έχουν συγγένεια µε το νερό και χρησιµεύουν ως κέντρα συµπύκνωσης. Τα σωµατίδια αυτά λέγονται Πυρήνες Συµπύκνωσης Νεφών (Cloud Condensation Nuclei/ CCN) και η διεργασία κατά την οποία τα υδροσταγονίδια σχηµατίζονται πάνω στους CCN λέγεται ετερογενής πυρηνοποίηση



18

3.2 Είδη Νεφών Η πρώτη δηµοσιευµένη κατάταξη νεφών έγινε από το Γάλλο νατουραλιστή Lamarck το 1802 και προσδιόριζε έναν περιορισµένο αριθµό σχηµάτων νεφών που παρουσίαζαν ενδιαφέρον προσδίνοντας τους και ονοµασίες (στα γαλλικά). Παρότι ποτέ δεν υιοθετήθηκαν οι ονοµασίες του Lamarck, η µέθοδος που χρησιµοποίησε για τον διαχωρισµό των περιοχών όπου τα νέφη σχηµατίζονται σε τρία στρώµατα εφαρµόζεται µε τροποποιηµένη µορφή στη σύγχρονη διεθνή κατάταξη των νεφών ("International Cloud Atlas," World Meteorological Organization, 1956). Βάση για τη διεθνή κατάταξη των νεφών αποτέλεσε το σύστηµα που πρότεινε ο Άγγλος µετεωρολόγος Howard το 1803, ο οποίος χρησιµοποίησε 4 λατινικούς όρους: cumulus (σωρός) για νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης, stratus (στρώµα) στρωµατικά νέφη, cirrus (ίνα) για ινώδη νέφη και nimbus για βροχοφόρα νέφη, µαζί µε τα σύνθετά τους (για παράδειγµα, cirrocumulus, cirrostratus). Στη διεθνή κατάταξη, ο όρος «nimbus», ή «nimbo», χρησιµοποιείται µόνο ως συνθετικό για να προσδιορίσει τα υετοφόρα νέφη (για παράδειγµα, nimbostratus, cumulonimbus). Επιπλέον, ένας πέµπτος λατινικός όρος, «altum», χρησιµοποιείται για το ύψος. Τα πέντε αυτά λατινικά λήµµατα χρησιµοποιούνται είτε ξεχωριστά ή σε συνδυασµό για να προσδιορίσουν 10 είδη νεφών που είναι αµοιβαία αποκλειόµενα (δηλ η ύπαρξη του ενός αποκλείει τα άλλα). Τα είδη αυτά έχουν ταξινοµηθεί σε τρεις οµάδες, ανάλογα µε το κανονικό ύψος της βάσης του νέφους πάνω από το έδαφος (Πίνακας 3.1). Ύψος Βάσης Νέφους

Είδος Στρώµα Πολικές περιοχές

Εύκρατες περιοχές

Τροπικές περιοχές

Cumulus Cumulonimbus Stratus Stratocumulus Nimbostratus

Χαµηλό Κάτω των 2 km

Κάτω των 2 km

Κάτω των 2 km

Altostratus Altocumulus

Μεσαίο 2-4 km 2-7 km 2-8 km

Cirrus Cirrostratus Cirrocumulus

Υψηλό 3-8 km 5-13 km 6-18 km

Πίνακας 4.1 Τα κύρια είδη νεφών

3.2.1 Χαµηλά νέφη Cumulus: (Σωρείτες) Αποµονωµένα νέφη, γενικά πυκνά µε έντονα περιγράµµατα, αναπτυσσόµενα κατακόρυφα µε µορφή ανυψούµενων σωρών, θόλων ή πύργων, των οποίων το εξογκούµενο ανώτερο τµήµα



19

µοιάζει συχνά µε κουνουπίδι. Η βάση τους είναι σχετικά σκούρα και σχεδόν οριζόντια. Οι σωρείτες υφίστανται σε διάφορα µεγέθη. Η οριζόντια και η κατακόρυφη ανάπτυξή τους είναι µικρότερη από ένα χιλιόµετρο. Ενίοτε, όταν τα σύννεφα έχουν την τάση να σχηµατίσουν συµπλέγµατα, µπορεί να αυξηθούν σε µέγεθος Cumulonimbus: (Σωρειτοµελανίες) «Βαριά» και πυκνά νέφη µε σηµαντική κατακόρυφη ανάπτυξη µε µορφή πελώριου πύργου. Πρόκειται για προηγµένο στάδιο των σωρειτών. Το ανώτερο τµήµα των νεφών αυτών συχνά εξαπλώνεται σε σχήµα άκµονα. Η κορυφή του άκµονα στα ψηλότερα νέφη βρίσκεται συνήθως κοντά στο επίπεδο της τροπόπαυσης. Κάτω από τη βάση τους, η οποία είναι συχνά πολύ σκούρα, πολλές φορές υπάρχουν χαµηλά διάσπαρτα σε τµήµατα νέφη και υετός µε µορφή ουράς (δεν φτάνει στο έδαφος) Οι σωρειτοµελανίες αναγνωρίζονται εύκολα γιατί συνδέονται µε όµβρους και καταιγίδες. Επιπλέον, είναι τα µόνα σύννεφα που δηµιουργούν χαλάζι, πράγµα που σηµαίνει ότι µπορεί να είναι πολύ καταστροφικά. Ευτυχώς, συνήθως έχουν µικρή διάρκεια ζωής (γύρω στα 30 λεπτά) Stratus: (Στρώµατα) Γενικά γκρίζο νεφικό στρώµα µε οµοιόµορφη βάση, το οποίο µπορεί να επιφέρει ψεκάδες, παγοπρίσµατα ή κόκκους χιονιού. Τα στρώµατα µερικές φορές έχουν τη µορφή διάσπαρτων τµηµάτων. Είναι γενικά δύσκολο να παρατηρήσει κανείς συνολικά αυτό το είδος νέφους από το έδαφος γιατί συχνά η µεγάλη έκτασή του οριζοντίως αποκρύπτει την κορυφή ή τις πλευρές των νεφών. Εντούτοις σε ορισµένες περιπτώσεις, όταν τα νέφη αυτά είναι διάσπαρτα σε τµήµατα, είναι πιο ευδιάκριτα επειδή έχουν µεγαλύτερη ταχύτητα

Stratocumulus (Στρωµατοσωρείτες): Γκρίζο ή υπόλευκο φύλλο ή στρώµα νέφους το οποίο σχέδον πάντα έχει σκούρα τµήµατα, αποτελούµενα από στρογγυλές µάζες, κυλίνδρους κλπ τα οποία δεν είναι ινώδη και τα οποία είναι δυνατόν να είναι ενωµένα ή οχι. Αυτό το είδος νέφους είναι συχνά παρόµοιο µε τα στρώµατα (stratus) από την άποψη ότι έχει την ίδια µεγάλη έκταση αλλά διαφέρει απ’ αυτό καθώς τα τµήµατά του είναι ευδιάκριτα. Οι στρωµατοσωρείτες µπορεί να καλύπτουν µεγάλες περιοχές της τάξης των 100 km σε οριζόντια κλίµακα και µε αυτόν τον τρόπο διαδραµατίζουν σηµαντικό ρόλο στην ενεργειακή ισορροπία του πλανήτη.

Nimbostratus (Στρωµατοµελανίες): Γκρίζο νεφικό στρώµα, συνήθως σκούρο που καλύπτει το σύνολο του ουρανού, η εµφάνιση του οποίου καθίσταται διάχυτη επειδή λίγο-πολύ πέφτει συνεχής βροχή που στις περισσότερες περιπτώσεις φτάνει στο έδαφος. Είναι αρκετά παχύ ώστε να αποκρύπτει τον Ήλιο. Η περιοχή βροχής είναι εκτεταµένη και περιορίζει



20

την οριζόντια ορατότητα. Επιπλέον, τα νέφη αυτά µπορούν να επιφέρουν χιονόπτωση. 3.2.2 Μεσαία νέφη Altostratus (Υψιστρώµατα): Υπογκρίζα ή υποκύανα νεφικά φύλλα ή στρώµατα, ινώδους ή οµοιόµορφης εµφάνισης, που ολικά ή µερικά καλύπτουν τον ουρανό και έχουν αρκετά λεπτά τµήµατα, ώστε να αποκαλύπτεται ο ήλιος τουλάχιστον αµυδρά. Η διαφορά τους µε τα στρώµατα έγκειται στη βάση των νεφών των υψιστρωµάτων που βρίσκεται σε µεσαία ύψη (Πίνακας 4.1). Το στέµµα, ένα φωτοµετέωρο που αποτελείται από έγχρωµους δακτυλίους φωτός σε ακολουθία που το κέντρο τους βρίσκεται στον Ήλιο ή τη Σελήνη συχνά συγχέεται µε υψιστρώµατα

Altocumulus (Υψισωρείτες): Λευκά ή γκρίζα νεφικά φύλλα ή στρώµατα, γενικά µε σκίαση, που αποτελούνται από στρογγυλεµένες µάζες, κυλίνδρους κλπ που ενίοτε είναι µερικώς ινώδη ή διάχυτα και που µπορεί να είναι συγχωνευµένα ή όχι. Οι υψισωρείτες συνήθως είναι πολύ λεπτοί. Εξαιτίας της σύνθεσής τους από εµφανή συστατικά είναι αρκετά ευδιάκριτοι. 3.2.3 Υψηλά νέφη Cirrus (Θύσανοι): ∆ιαχωρισµένα νέφη µε τη µορφή λευκών, λεπτών νηµάτων ή λευκών ή επί το πλείστον λευκών φύλλων ή στενών ζωνών. Τα νέφη αυτά έχουν ινώδη (σαν κόµη) εµφάνιση ή µετάξινη λάµψη

Cirrostratus (Θυσανοστρώµατα): ∆ιαφανές, υπόλευκο νεφικό πέπλο µε ινώδη (σαν κόµη) ή οµοιόµορφη εµφάνιση, που καλύπτει πλήρως ή µερικώς τον ουρανό και γενικά παράγει φαινόµενα άλω. Η άλως είναι ένα φωτοστέφανο που παράγεται από τη διάθλαση του ηλιακού φωτός σε παγοκρυστάλλους της ατµόσφαιρας

Cirrocumulus (Θυσανοσωρείτες): Λεπτά λευκά νεφικά φύλλα ή στρώµατα χωρίς σκίαση που αποτελούνται από πολύ µικρά στοιχεία µε µορφή κόκκων, κυµάτων κλπ συγχωνευµένα ή ανεξάρτητα και λίγο-πολύ κανονικά διατεταγµένα 3.2.4 Ορογραφικά νέφη Τα ορογραφικά νέφη µπορούν να σχηµατίζονται σε διάφορα υψόµετρα πάνω από λόφους καθώς και σε ψηλά όρη. Η εµφάνισή και το σχήµα τους καθορίζεται από το ανάγλυφο της γήινης επιφάνειας. Πολλά από τα βασικά είδη νεφών µπορούν να εµφανιστούν ή να αναπτυχθούν περαιτέρω ορεογραφικά. Για παράδειγµα, οι οροσειρές είναι γενικά τόποι εκδήλωσης οµίχλης στρωµάτων, στρωµατοσωρειτών, σωρειτών και σωρειτοµελανίων



21

ενώ οι κοιλάδες µεταξύ των βουνών συχνά ευνοούν την εκδήλωση οµίχλης. Επιπλέον, πολλά νέφη µε ορεογραφική προέλευση εµφανίζονται µε τη µορφή φακοειδών νεφών (lenticularis). Ο όρος αυτός που υποδηλώνει νέφη σε σχήµα φακών εφαρµόζεται στους στρωµατοσωρείτες, υψισωρείτες ή θυσανοσωρείτες. 3.2.5 Οµίχλη Οµίχλη µπορεί να είναι σε γενικές γραµµές οποιοδήποτε νέφος που η βάση του ακουµπά στη γη. Συνεπώς, οποιοδήποτε νέφος διαπερνά ένα βουνό θα µπορούσε να αναφερθεί ως οµίχλη από έναν παρατηρητή στο τµήµα εκείνο του βουνού που περικλείεται από το νέφος, ενώ ένας άλλος παρατηρητής που βρίσκεται κάτω από τη βάση του νέφους θα το κατέτασσε σε µια από τις κατηγορίες του Πίνακα 4.1. Εντούτοις, πραγµατική οµίχλη θεωρείται το αποτέλεσµα της ψύχρανσης του αέρα κάτω από το σηµείο δρόσου όταν έρχεται σε επαφή µε ψυχρή επιφάνεια. Τα πιο συνηθισµένα παραδείγµατα είναι η δηµιουργία οµίχλης κατά τη διάρκεια αίθριων νυχτών µε άπνοια όταν το έδαφος ψυχραθεί από την ακτινοβολία (οµίχλη ακτινοβολίας/ radiation fog) και η δηµιουργία οµίχλης (οριζόντιας) µεταφοράς advectionόταν θερµός αέρας κινηθεί πάνω από ψυχρότερες επιφάνειες, φαινόµενο που είναι ιδιαίτερα σύνηθες στις θαλάσσιες περιοχές. Καθώς η ψύξη κατανέµεται ανοδικά εξαιτίας της ανάµειξης αερίων µαζών, η οµίχλη µπορεί να ανυψωθεί και να σχηµατίσει στρώµατα (stratus) χαµηλού επιπέδου που τις περισσότερες φορές δεν ξεπερνούν τα 500 m σε πάχος και δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. 4. Υ∆ΡΟΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ

Η ατµόσφαιρα, κυρίως στο κατώτερο τµήµα της, πάντοτε περιέχει µία µεταβλητή ποσόητα νερού η οποία εµφανίζεται σε όλες τις µορφές : αέρια (υδρατµοί), υγρή (βροχή, δρόσος κτλ.) και στερεή (χιόνι, χαλάζι, παγοκρύσταλοι κτλ.). Η ποσότητα του νερού στην ατµόσφαιρα εξαρτάται κυρίως από δύο παράγοντες:Α) Την εξάτµιση από τα διάφορα επιφανειακά σώµατα νερού (π.χ. θάλασσες, λίµνες) και το χώµαΒ) Τον υετό µέσω του οποίου το νερό επιστρέφει στη γη

Ο συνεχής κύκλος του νερού παρέχει ενέργεια στα διάφορα καιρικά συστήµατα, τα οποία µε τη σειρά του επηρρεάζουν την ανθρώπινη ζωή και δραστηριότητα. Η επιστήµη η οποία µελετάει τον κύκλο του νερού στην ατµόσφαιρα, στους ωκεανούς και στη γη ονοµάζεται υδρολογία. Ειδικότερα, η υδροµετεωρολογία δίνει έµφαση στην αλληλεπίδραση της



22

την ατµόσφαιρα περιλαµβάνουν την εξάτµιση, τη διαπνοή, τη συµπήκνωση, τη µεταφορά, τον υετό, τη ροή (επιφανειακή και υπόγεια), και την επαναφορά των υπόγειων υδάτων στην επιφάνεια, και παρουσιάζονται στην παράγραφο 4.2. 4.1 Το Παγκόσµιο Ισοζύγιο του Νερού

Σχήµα 4.1 Σχηµατικό διάγραµµα των ποσοτήτων του νερού στην ατµόσφαιρα, στους ωκεανούς και στην ξηρά, και οι ετήσιες ροές

νερού µεταξύ τους. Οι ωκεανοί περιέχουν περισσότερο νερό από όλες τις άλλες δεξαµενές (υπόγεια νερά, λίµνες, ποτάµια, παγετώνες) µαζί (Σχήµα 4.1). Περίπου το 97% της υδρόσφαιρας (δηλαδή του νερού πάνω και κοντά στην επιφάνεια της γης) είναι στους ωκεανούς, συµπεριλαµβάνοντας µία µάζα νερού η οποία θα κάλυπτε την επιφάνεια της γης µέχρι ένα ύψος 2.8 χλµ. αν κατανεµόταν οµοιόµορφα. Μία ποσότητα περίπου 2.4% είναι στους παγετώνες της Γροιλανδίας και της Ανταρκτικής, ενώ περίπου το 0.62% του ολικού νερού είναι σε λίµνες και κάτω από το έδαφος. Η ατµόσφαιρα περιέχει µόνο 15.5Χ1015 kg (~0.001%) νερού (Σχήµα 4.1), σχεδόν όλο σε µορφή υδρατµών. Πράγµατι, η ολική ποσότητα των υδρατµών θα προκαλούσε βροχόπτωση µόνο 3 εκατοστών αν έπεφτε ξαφνικά στο έδαφος. Σε σύγκριση µε το ισοδύναµο βάθος του νερού των ωκεανών αυτό δείχνει ότι µόνο ένα πολύ µικρό τµήµα της υδρόσφαιρας είναι στην ατµόσφαιρα. 4.2 Ο Υδρολογικός κύκλος Η µάζα της υδρόσφαιρας είναι σχεδόν σταθερή σε όλες τις µετεωρολογικές χρονικές κλίµακες, εκτός ίσως από εκείνες που σχετίζονται µε πολύ αργές κλιµατικές αλλαγές. Όµως, µέσα στην



23

υδρόσφαιρα γίνεται µια πολύ πιο γρήγορη ανταλλαγή καθώς το νερό κινείται στον υδρολογικό κύκλο (Σχήµα 4.2).

Σχήµα 4.2 ∆ιάγραµµα των σηµαντικότερων διαδικασιών που

περιλαµβάνονται στον υδρολογικό κύκλο Ο υδρολογικός κύκλος ξεκινάει µε την εξάτµιση του νερού από τους ωκεανούς, τις λίµνες και τις υγρές επιφάνειες στην ξηρά. Η µετατροπή του υγρού νερού σε υδρατµούς διατηρείται είτε µέσω της ηλιακής ακτινοβολίας και θέρµανσης όταν υγρές επιφάνειες ξηραίνονται κάτω από τη δυνατή ηλιακή ακτινοβολία, είτε από τους ανέµους. Το νερό επίσης εξατµίζεται στην ατµόσφαιρα µέσω της διαπνοής από τα φύλλα και τον κορµό των φυτών, όταν οι πόροι είναι ανοιχτοί για το πέρασµα O2 και CO2 κατά τη φωτοσύνθεση. Τα φυτά απορροφούν νερό από το υπέδαφος µέσω των ριζών τους, έτσι ώστε να µεταφέρουν θρεπτικά συστατικά στα φύλλα τους, και αυτό το νερό µπορεί να βρίσκεται βαθειά στο έδαφος. Το 10% του ολικού εξατµιζόµενου νερού ωφείλεται στη διαπνοή. Ο όγκος του νερού που χάνεται µέσω της διαπνοής µπορεί να είναι µεγάλος. Για παράδειγµα, έχει εκτιµηθεί ότι κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης των φυτών, ένα στρέµµα σιτηρών διαπνέει περίπου 1500 κυβικά µέτρα νερό.

Ο υγρός αέρας ανυψώνεται στην τροπόσφαιρα, ψύχεται και τελικά οι υδρατµοί συµπηκνώνονται και σχηµατίζουν νέφη. Οι επικρατόντες άνεµοι µεταφέρουν την υγρασία είτε σε µορφή υδρατµών ή νεφών σε διάφορες αποστάσεις γύρω από τη γη, αλλά τελικά το νερό επιστρέφει στην επιφάνεια σαν υετός. Ο υετός µπορεί να έχει διάφορες µορφές, όπως βροχή, χιόνι, χαλάζι κτλ. Παγκοσµίως πέφτει ετησίως περίπου 1 µέτρο ισοδύναµης βροχόπτωσης, η περισσότερη από την οποία είναι στη µορφή της βροχής.

‘Οταν το νερό φτάσει στο έδαφος, µπορεί να εξατµιστεί ή να ισχωρίσει στο έδαφος και να ενσωµατωθεί στα υπόγεια ύδατα ή να διαρρεύσει στους ωκεανούς µέσω της γήινης επιφάνειας µε τη µορφή ποταµών,



24

λιµνών ή ρευµάτων. Ακόµα και τα υπόγεια ύδατα εν µέρει διαρρέουν στους ωκεανούς, στα ποτάµια ή τα ρεύµατα. Σε κάθε περίπτωση τελικά το νερό είτε θα εξατµιστεί ή θα διαπνευστεί πίσω στην ατµόσφαιρα, όπου ο κύκλος ξεκινάει πάλι.

Σαν συµπέρασµα, το νερό σε όλες του τις µορφές είναι αναγκαίο για την ύπαρξη ζωής και ο κύκλος του επιρρεάζει σηµαντικά τις δραστηριότητές µας. Το νερό είναι σηµαντικό για τη βελτίωση του βιωτικού επιπέδου, αλλά επίσης µπορεί να γίνει θανάσιµο µέσω της επίδρασής στα καιρικά φαινόµενα σε όλες τις κλίµακες. Πρέπει να θυµόµαστε ότι µερικοί αρχαίοι πολιτισµοί ωφείλαν την άνθησή τους στα γειτονικά ποτάµια (π.χ. Αίγυπτος, Βαβυλώνα), αλλά από την άλλη µεριά πολλές πόλεις της Κεντρικής Ευρώπης υπέφεραν από σηµαντικές εικονοµικές καταστροφές κατά τη διάρκεια των πλυµµηρών του 2002 (Σχήµα 4.3). Εποµένως, η σωστή διαχείρηση των υδάτινων πόρων και η ύπαρξη προστατευτικών µέτρων ενάντια στις πλυµµήρες είναι αναγκαία για τη βέλτιστη χρήση του κύκλου του νερού.

Σχήµα 4.3 Εικόνες από πόλεις της Κεντρικής Ευρώπης κατά τη διάρκεια

των πλυµµήρων το καλοκαίρι του 2002



25

5.ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Ο άνθρωπος από τα πρώτα στάδια της εξέλιξής του έχει µάθει να παρατηρεί τον ουρανό και να χρησιµοποιεί τις αισθήσεις του για τη ζέστη, την δύναµη του ανέµου κ.τ.λ. για να αντιληφθεί τις παρούσες καιρικές συνθήκες και για ενδείξεις επικείµενων καιρικών µεταβολών. Κατά αυτό τον τρόπο η παρατηρησιακή µετεωρολογία µπορεί να είναι τόσο παλιά όσο ο άνθρωπος. Η ανάγκη για µετεωρολογικές παρατηρήσεις αυξήθηκε αισθητά µε το ξεκίνηµα της γεωργικής επανάστασης περίπου πριν 10 χιλιάδες χρόνια. Η γρήγορη ανάπτυξη των θαλασσίων ταξιδιών σε µεγάλες αποστάσεις κατά τη διάρκεια της τελευταίας χιλιετίας και πιο πρόσφατα η ανάπτυξη της αεροπλοίας έχουν δηµιουργήσει µεγάλη ζήτηση για γνώση της θερµοκρασίας, ανέµου, νεφών και επικίνδυνων συνθηκών σε εκτεταµένες περιοχές σε πραγµατικό χρόνο.

Η συχνά αδύνατη και ασαφής αντίδραση πολλών ανθρώπινων αισθήσεων µειώνει σηµαντικά την ποιότητα πολλών υποκειµενικών παρατηρήσεων. Τα δεδοµένα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο σαφή και ακριβή, και εποµένως είναι απαραίτητη η χρήση µηχανικών βοηθηµάτων για να βελτιώσουµε και να επεκτείνουµε τις ανθρώπινες αισθήσεις.

∆εδοµένης της αναγκαιότητας των µηχανικών βοηθηµάτων, µερικά σηµαντικά θέµατα χρήζουν προσοχής. Για παράδειγµα, η σωστή έκθεση των διαφόρων οργάνων στις καιρικές συνθήκες και η προσεκτική τους βαθµονόµηση είναι πολύ κρίσιµοι παράµετροι για ακριβείς και συνεπώς χρήσιµες παρατηρήσεις. Επίσης, είναι σηµαντικό να θυµόµαστε ότι όλες οι µετρήσεις υπόκεινται σε περιορισµούς και λάθη, ακόµα και αν γίνονται από τελευταίας τεχνολογίας παρατηρησιακά συστήµατα.

Τέλος, πρέπει να σηµειωθεί ότι δεν υπάρχει κάποιος γενικός κανόνας για το πόσο πολύ λεπτοµέρεια και ακρίβεια στις παρατηρήσεις είναι επαρκής για την πρόγνωση. ∆εδοµένης της προφανής πολυπλοκότητας του καιρού και της περιορισµένης γνώσης του, µπορεί να φανεί ότι πρέπει να τον παρατηρούµε όσο το δυνατόν περισσότερο. Όµως, εξαιτίας των περιορισµών σε προσωπικό και οικονοµικούς πόρους, οι προγνώστες και οι ερευνητές είναι ευχαριστηµένοι µε δίκτυα παρατηρήσεων ικανά να ορίσουν καλά τα µεγάλης κλίµακας µετεωρολογικά φαινόµενα. Οι µέσης κλίµακας ή µικρότερων κλιµάκων κυκλοφορίες (π.χ. θαλάσσιες αύρες) συνήθως είτε δεν παρατηρούνται επαρκώς είτε καθόλου. Οι παραπάνω αιτίες συχνά οδηγούν σε ανεπαρκή κατανόηση των καιρικών συνθηκών και εποµένως σε κακές προγνώσεις.



26

5.1 Σύντοµη ιστορική αναδροµή Από τις αρχές του 19ου αιώνα είχε γίνει κατανοητό ότι ο καιρός στα µέσα γεωγραφικά πλάτη ήταν οργανωµένος σε συστήµατα µε οριζόντιες κλίµακες της τάξης των 1000 χλµ ή µεγαλύτερες. ∆εδοµένης της ταχύτητας και της ανάπτυξής τους, η ανάλυση αυτών των συστηµάτων µπορούσε να είναι µόνο ανασκοπική, αφού οι µετεωρολογικές πληροφορίες δεν διασπείρονταν αρκετά γρήγορα. Η εφεύρεση του ηλεκτρικού τηλέγραφου από τον Morse το 1844 άλλαξε αυτή την κατάσταση. Το 1863 ιδρύθηκε στη Γαλλία ένα δίκτυο µετεωρολογικών σταθµών συνδεδεµένων µέσω τηλεγράφων µε ένα κέντρο ανάλυσης και πρόγνωσης καιρού. Γρήγορα ακολούθησαν η Βρεττανία και άλλες τεχνολογικά αναπτυγµένες χώρες. Κατά αυτόν τον τρόπο ξεκίνησε το δίκτυο που σήµερα καλύπτει τις ηπειρωτικές και νησιωτικές περιοχές της γης, µολονότι πολύ ανοµοιόµορφα κατανεµηµένο (µε αυξανόµενη κάλυψη στις πλούσιες χώρες). Αυτό το δίκτυο είναι επισήµως οργανωµένο από τον Παγκόσµιο Μετεοωρολογικό Οργανισµό. Στις µέρες µας, το πλήρες σύστηµα παρατηρήσεων, επικοινωνίας, ανάλυσης και πρόγνωσης καιρού περιλαµβάνει όλα τα δίκτυα επίγειων, ανώτερης ατµόσφαιρας και δορυφορικών παρατηρήσεων. Ο σκοπός του είναι να καταγράφει την παρούσα κατάσταση της ατµόσφαιρας µε αρκετές λεπτοµέρειες και ακρίβεια έτσι ώστε να επιτρέψει την πραγµατοποίηση χρήσιµων προγνώσεων.

Αρχικά όταν υπήρχε µόνο το επίγειο δίκτυο παρατηρήσεων, η πρόγνωση αποσκοπούσε κυρίως στην παράκτια ναυσιπλοία, αλλά τώρα προσφέρει υπηρεσίες σε όλες τις θαλάσσιες, εναέριες και επίγειες µεταφορές καθώς και στη γεωργία, τη βιοµηχανία και γενικότερα στο κοινό. Σε µερικά µέρη του κόσµου δίνεται ιδιαίτερη προσοχή σε πολύ επικίνδυνα συστήµατα όπως τυφώνες ή ανεµοστρόβιλοι, καθώς η κακή εκτίµηση της θέσης και της δύναµής τους µπορεί να έχουν καταστροφικές συνέπειες. 5.2 Συστήµατα παρατηρήσεων Στις µέρες µας υπάρχει ένας µεγάλος αριθµός δεδοµένων τα οποία είναι διαθέσιµα στους προγνώστες και στους ερευνητές (Εικόνα 8.1). Τα διαθέσιµα συστήµατα παρατηρήσεων µπορούν να διαιρεθούν σε 3 κύριες κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιλαµβάνει τα συστήµατα που παρατηρούν τις καιρικές συνθήκες πάνω ή κοντά στην επιφάνεια, όπως οι επανδρωµένοι ή οι αυτόµατοι µετεωρολογικοί σταθµοί, τα πλοία και τα πλαιούµενα, ενώ η δεύτερη κατηγορία περιλαµβάνει τα συστήµατα που παίρνουν παρατηρήσεις στην ανώτερη τροπόσφαιρα όπως οι ραδιοβολίδες, τα wind profilers, και τα διάφορα ερευνητικά και πολιτικά αεροσκάφη. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών σηµαντικές πηγές δεδοµένων είναι τα συστήµατα τηλεπισκόπησης, δηλαδή



27

τα radar και οι δορυφόροι. Αυτά τα συστήµατα περιγράφονται στα κεφάλαια 9 και 10, αντίστοιχα.

Εικόνα 5.1 ∆ιάγραµµα των διαθέσιµων συστηµάτων παρατήρησης

του καιρού. Τα περισσότερα από τα διαθέσιµα δεδοµένα µεταδίδονται σχεδόν σε πραγµατικό χρόνο στα τοπικά κέντρα και στη συνέχεια στο Παγκόσµιο Σύστηµα Τηλεπικοινωνιών, για διασπορά στα διάφορα προγνωστικά κέντρα της γης. Στη συνέχεια τα µετεωρολογικά κέντρα χρησιµοποιούν αυτά τα δεδοµένα να αναλύσουν τον καιρό στην περιοχή ενδιαφέροντός τους, να αρχικοποιήσουν τα στατιστικά µοντέλα και τα µοντέλα αριθµητικής πρόγνωσης καιρού, και τελικά να παράγουν τις πιο πρόσφατες προγνώσεις για το κοινό και τους πελάτες τους. Αυτή είναι µια ατέρµονη διαδικασία που χρειάζεται πολύ προσπάθεια από το προσωπικό, µεγάλες οικονοµικές πηγές καθώς και αξιόπιστα συστήµατα παρατηρήσεων και επικοινωνίας. 5.3 Επίγειες παρατηρήσεις 5.3.1 Μετεωρολογικοί σταθµοί Στον κόσµο υπάρχουν χιλιάδες µετεωρολογικοί σταθµοί, οι οποίοι παρέχουν πληροφορίες για τις παρούσες καιρικές συνθήκες στα µετεωρολογικά κέντρα, την αεροπλοία, τις αρχές πολιτικής προστασίας και στο κοινό εν γένει. Οι περισσότεροι σταθµοί είναι τοποθετηµένοι σε πολιτικά ή στρατιωτικά αεροδρόµια, επιτρέποντας στους πιλότους να είναι ενήµεροι για τις πιο πρόσφατες µετεωρολογικές πληροφορίες πριν την προσγείωση ή την απογείωση. Το δίκτυο των επίγειων Ευρωπαϊκών σταθµών φαίνεται στην Εικόνα 8.2. ∆υστυχώς, ένας µεγάλος αριθµός σταθµών δεν εµφανίζεται στην Εικόνα επειδή χρησιµοποιούνται µόνο για εθνικούς σκοπούς χωρίς να παρέχουν δεδοµένα στο Παγκόσµιο Τηλεπικοινωνιακό Σύστεµα. Στην Ελλάδα υπάρχουν περισσότεροι από 50



28

επανδρωµένοι σταθµοί, οι οποίοι έχουν τοποθετηθεί µέσα ή πολύ κοντά σε όλες τις µεγάλες πόλεις (π.χ. Αθήνα, Θεσσαλονίκη, Πάτρα, Λάρισα, Ηράκλειο κλπ.), παρέχοντας µία ικανοποιητική κάλυψη της χώρας. Όλοι οι επανδρωµένοι Ελληνικοί σταθµοί ανήκουν στην Ελληνική Πολεµική Αεροπορία και παρέχουν παρατηρήσεις στην Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία σε πραγµατικό χρόνο. ΟΡΓΑΝΑ

Εικόνα 5.2 Tο δίκτυο των επίγειων Ευρωπαϊκών σταθµώνπου

παρέχουν δεδοµένα στο Παγκόσµιο Τηλεπικοινωνιακό Σύστηµα

Οι επιφανειακοί σταθµοί είναι εφοπλισµένοι µε ένα αριθµό καλά βαθµονοµηµένων οργάνων επιτρέποντάς τους την παροχή αντικειµενικών παρατηρήσεων. Προφανώς όλα τα όργανα είναι σχεδιασµένα σύµφωνα µε διεθνείς κανονισµούς, και χρησιµοποιούνται από προσωπικό το οποίο είναι εκπαιδευµένο να τα λειτουργεί µε κατάλληλο και συνεπές τρόπο. Παρότι µερικά όργανα είναι τοποθετηµένα µέσα στο κτίριο του µετεωρολογικού σταθµού (π.χ. το βαρόµετρο), τα περισσότερα χρειάζεται να είναι εκτεθηµένα στα καιρικά φαινόµενα και συνήθως βρίσκονται σε ένα µικρό περιφραγµένο χώρο κοντά στο σταθµό. Το πιο επιφανές χαρακτηριστικό αυτού του χώρου είναι ο Μετεωρολογικός Κλωβός (Εικόνα 5.3).



29

Εικόνα 5.3 α) Μετεωρολογικός Κλωβός, και β)το εσωτερικό του Ο Μετεωρολογικός Κλωβός (Εικόνα 5.3) σχεδιάστηκε από τον Thomas Stevenson (1818-87). Είναι ένα λευκό ξύλινο κουτί το οποίο βρίσκεται 2 µέτρα πάνω από το έδαφος και περιλαµβάνει διάφορα θερµόµετρα συν άλλα όργανα όπως το θερµογράφο, υγρογράφο κλπ. Ο κλωβός αποτελεί µία απλή, εύρωστη και αρκετά ικανοποιητική λύση για τις ειδικές συνθήκες εξαερισµού και ακτινοβολίας που χρειάζονται για αντικειµενικές µετρήσεις θερµοκρασίας και υγρασίας. Οι χαραµάδες στις πλευρές του κλωβού επιτρέπουν το φυσικό αερισµό του εσωτερικού του, και το λευκό του χρώµα ανακλά την περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Τα χοντρά του τοιχώµατα αποµονώνουν το εσωτερικό του από τη θέρµανση λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας, και από τη θέρµανση ή ψύξη λόγω της γήινης ακτινοβολίας. Η θύρα πρόσβασης βλέπει τον βορρά έτσι ώστε η ηλιακή ακτινοβολία να µην εισέρχεται κατά τη διάρκεια των µετρήσεων. Σαν αποτέλεσµα τωνπαραπάνω πλεονεκτηµάτων καθώς και του αµελητέου κόστους συστήρησης, ο µετεωρολογικός κλωβός είναι ακόµα σε χρήση σε όλους τους µετεωρολογικούς σταθµούς. 5.3.2 Παρατηρούµενες µεταβλητές και τα σχετικά όργανα Σε ιδανικές καταστάσεις οι διάφορες παρατηρήσεις των ατµοσφαιρικών συνθηκών γίνονται σε κάθε σταθµό κάθε ώρα. Στην ουσία, αυτό κάνει εφικτή την ύπαρξη µιας σύνοψις των παγκόσµιων δεδοµένων κάθε ώρα. Σε περιοχές όπου αυτή η κανονικότητα δεν µπορεί να εξασφαλιστεί, γίνονται προσπάθειες να γίνονται και να µεταδίδονται οι παρατηρήσεις στις 0000, 0600, 1200 και 1800 UTC (Παγκόσµια Ώρα). Η παγκόσµια ώρα 1200 UTC αντιστοιχεί στις 1400 Ελληνική ώρα από το τέλος του Οκτώβρη έως το τέλος του Μαρτίου, και στις 1500 Ελληνική ώρα κατά τη διάρκεια του υπόλοιπου έτους. Η µεταχείρηση της βροχόπτωσης είναι διαφορετική αφού τα χειροκίνητα βροχόµετρα παραδοσιακά διαβάζονται κάθε 3 ώρες (0000, 0300, ..., 2100 UTC), µε τις κύριες παρατηρήσεις να γίνονται στις 0900 και



30

2100 τοπική ώρα έτσι ώστε να αποκαλύπτονται οι συστηµατικές διαφορές µεταξύ µέρας και νύχτας οι οποίες µπορεί να είναι πολύ επιφανείς σε ηπειρωτικές περιοχές. Οι βασικές παρατηρούµενες ποσότητες περιλαµβάνουν την ταχύτητα και διεύθυνση του ανέµου, τη θερµοκρασία, την υγρασία, την πίεση, την ορατότητα, τον υετό και τους τύπους καιρού και νεφών, και περιγράφονται σύντοµα παρακάτω: Ταχύτητα και διεύθυνση του ανέµου: Η ταχύτητα του ανέµου συνήθως µετράται από το ανεµόµετρο (Εικόνα 5.4), το οποίο είναι ένα σύστηµα περιστρεφόµενων κυπέλων που κινούνται από τον άνεµο. Σύντοµα µε τις οδηγίες του Παγκόσµιου Μετεωρολογικού Οργανισµού οι επίσηµες µετρήσεις της ταχύτητας του ανέµου πρέπει να γίνονται σε ύψος 10 µέτρων και η αναφερόµενη τιµή αντιστοιχεί στη µέση ταχύτητα των τελευταίων 10 λεπτών. Η µόνη εξαίρεση είναι το Εθνικό Κέντρο Τυφώνων και το Κέντρο Προειδοποίησης Τυφώνων των Ηνωµένων Πολιτειών, τα οποία χρησιµοποιούν τον 1 λεπτού µέσο άνεµο για να κατατάξουν ένα σύστηµα σαν τροπικό κυκλών ή τυφώνα.

Εικόνα 5.4 Ανεµόµετρο

Είναι σηµαντικό να έχουµε υπόψιν το ότι οι επίσηµες µετρήσεις ανέµου γίνονται στα 10 µέτρα ύψος γιατί η ταχύτητα του ανέµου µειώνεται καθώς πλησιάζουµε στο έδαφος. Συνεπώς, η ταχύτητα που µετράται από ένα χειροκίνητο ανεµόµετρο στα 2 µέτρα θα είναι µικρότερη από αυτή που γίνεται στο προκαθορισµένο ύψος των 10 µέτρων.

Η ταχύτητα του ανέµου µπορεί να εκφραστεί σε διάφορες µονάδες όπως µέτρα ανά δευτερόλπετο, µίλια ανά ώρα ή κόµβους (ναυτικά µίλια ανά ώρα). Οι Ελληνικοί σταθµοί αναφέρουν την ταχύτητα σε κόµβους. Σε θαλάσσιες περιοχές είναι σύνηθες το αναφέρουµε τον άνεµο στην κλίµακα Μποφώρ (Πίνακας 8.1), η οποία είναι µια κατηγοριοποίηση της έντασης του ανέµου ως προς τα αποτελέσµατα του στη θάλασσα και τα πλοία. Αυτή η κλίµακα επιννοήθηκε από το ναύαρχο Francis Beaufort το 1806 ενώ εργαζόταν για το Βρεττανικό Βασιλικό Ναυτικό, και έγινε το πρότυπο για όλες τις παρατηρήσεις ανέµου µέχρι το 1946. Αυτή η κλίµακα χρησιµοποιείται ακόµα στις προγνώσεις καιρού για τη ναυσιπλοία.



31

∆ύναµη Μποφώρ

Ταχύτητα ανέµου Κόµβοι

Περιγραφή Κατάσταση θάλασσας

0 0 Νηνεµία Θάλασσα όπως ένας καθρέπτης

1 1 - 3 Ελαφρύς άνεµος

Κύµατα χωρίς αφρό στις κορυφές

2 4 - 6 Ελαφριά αύρα Μικρά κύµατα. Οι κορυφές δεν σπάνε.

3 7 - 10 Ήρεµη αύρα Κύµατα µε ίσως διασκορπισµένες λευκές κορυφές

4 11 - 16 Μέτρια αύρα< Μικρά κύµατα µε συχνές λευκές κορυφές

5 17 - 21 Φρέσκια αύρα Μέτρια κύµατα µε πολλές λευκές κορυφές

6 22 - 27 ∆υνατή αύρα Μεγάλα κύµατα αρχίζουν να σχηµατίζονται, µε λευκές κορυφές και πιθανώς ψεκάδες

7 28 - 33 Σχεδόν θύελλα Η θάλασσα ανασηµώνεται και λευκός αφρός εκτινάσεται σε ραβδώσεις κατά τη διεύθυνση του ανέµου

8 34 - 40 Θύελλα Μετρίως µεγάλα κύµατα, µε κορυφές που αρχίζουν να σπάνε σε αφρό τρικυµίας

9 41 - 47 ∆υνατή θύελλα Μεγάλα κύµατα. Πυκνός αφρός κατά τη διεύθυνση του ανέµου. Οι κορυφές των κυµάτων αρχίζουν να αναδιπλώνονται. Οι ψεκάδες µπορεί να επηρεάσουν την ορατότητα.

10 48 - 55 Καταιγίδα Πολύ µεγάλα κύµατα µε µακριές κρεµάµενες κορυφές. Η επιφάνεια της θάλασσας παίρνει µία άσπρη εµφάνιση. Η ανατροπή της θάλασσας γίνεται βαριά και απότοµη. Η ορατότητα επηρεάζεται.

11 56 - 63 Σφοδρή καταιγίδα

Εξαιρετικά µεγάλα κύµατα. Η θάλασσα καλύπτεται τελείως από µακριά λευκά τµήµατα αφρού κατά τη διεύθυνση του ανέµου. Η



32

ορατότητα επηρεάζεται.

12 64+ Τυφώνας Τυφώνας Ο αέρας γεµίζει από αφρό και ψεκάδες. Η θάλασσα είναι τελείως λευκή µε ψεκάδες. Η ορατότητα επηρεάζεται πολύ σοβαρά.

Πίνακας 5.1 Η κλίµακα Μποφώρ

Η διεύθυνση του ανέµου µετράται από ανεµοδείκτες και η µετεωρολογική συνθήκη είναι να την περιγράφουµε από την διεύθυνση από την οποία πνέει ο άνεµος. Οι µετεωρολογικές υπηρεσίες µετράνε τη διεύθυνση σε µοίρες κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού, έτσι ώστε ένας ανατολικός άνεµος πνέει από τις 90° και ένας νοτιοδυτικός άνεµος από τις 225°. Ορατότητα: Ορατότητα είναι η µέγιστη οριζόντια απόσταση στην οποία ένα κατάλληλο αντικείµενο (π.χ. ένα σπίτι) µπορεί να φανεί και να αναγνωριστεί µε το ανθρώπινο µάτι (χωρίς βοήθεια από κυάλια κλπ.). Οι αναφορές της ορατότητας είναι σηµαντικές ειδικά στην αεροπορία κατά τη διάρκεια των απογειώσεων και προσγειώσεων. Βέβαια, εξαιτίας της υποκειµενικής φύσης των αναφορών ορατότητας, δεν προκαλεί έκπληξη το ότι διαφέρουν κάπως από άτοµο σε άτοµο. Θερµοκρασία: Η θερµοκρασία είναι µία από τις σηµαντικότερες ατµοσφαιρικές µεταβλητές και οι µεταβολές της έχουν σηµαντικές συνέπειες στην καθηµερινή µας ζωή. Το ανθρώπινο σώµα είναι ικανό να διακρίνει τις υψηλές από τις χαµηλές θερµοκρασίες αλλά δεν µπορεί να παρέχει µιά αντικειµενική εκτίµησή της αφού η αίσθηση µας για τη θερµοκρασία εξαρτάται και από την υγρασία, την ένταση του ανέµου κλπ. Συνεπώς, οι µετεωρολόγοι χρησιµοποιούν διάφορα είδη θερµοµέτρων έτσι ώστε να πάρουν µια ακριβή µέτρηση της θερµοκρασίας. Θερµοκρασία - Συνέχεια: Τα πιο κοινά θερµόµετρα είναι αυτά που χρησιµοποιούν υδράργυρο. Αυτά τελειοποιήθηκαν από τον Fahrenheit στις αρχές του 18ου αιώνα και είναι ακόµα σε ευρεία χρήση. Όµως έχουν το µειονέκτηµα ότι δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πολύ χαµηλές θερµοκρασίες αφού ο υδράργυροςπήζει στους περίπου –40 °C. Τα αλκοολούχα θερµόµετρα µπορούν να καταγράψουν πολύ χαµηλότερες θερµοκρασίες και είναι σε εύρεια χρήση σαν θερµόµετρα µέτρησης της ελάχιστης θερµοκρασίας, στα οποία το αλκοόλ κινεί ένα µεταλλικό δείκτη µέσα στην οπή του θερµοµέτρου.

Οι µετεωρολόγοι παίρνουν τακτικές παρατηρήσεις θερµοκρασίας στο ύψος



33

των 2 µέτρων από το έδαφος, χρησιµοποιώντας τα θερµόµετρα του µετεωρολογικύ κλωβού. Η θερµοκρασία του αέρα καταγράφεται από το ξηρό θερµόµετρο (Εικόνα 8.3β). Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι όλες οι συνθήκες που υπάρχουν στον µετεωρολογικό κλωβό (αερισµός, φωτισµός κλπ.) είναι απολύτως αναγκαίες για τη µέτρηση της σωστής θερµοκρασίας αέρα. Η τοποθέτηση του θερµοµέτρου απλά υπό σκιά δεν είναι αρκετή για ακριβείς µετρήσεις. Οι αναγνώσεις του ξηρού θερµοµέτρου γίνονται συνήθως κάθε µισή ή µία ώρα για να υπάρχει ένα συχνό αρχείο του ηµερίσιου θερµοκρασιακού κύκλου. Συνεχείς µετρήσεις θερµοκρασίας παίρνονται από τον θερµογράφο, ο οποίος έχει ένα µεταλλικό έλασµα που κινεί µία γραφίδα πάνω σε ένα γράφηµα τοποθετηµένο σε ένα τύµπανο περιστρεφόµενο µε ωρολογιακό µηχανισµό. Τα δύο οριζόνται θερµόµετρα του µετεωρολογικού κλωβού (Εικόνα 8.3β) παρέχουν µετρήσεις της ελάχιστης και µέγιστης θερµοκρασίας δύο φορές ηµερισίως (στις 0600 και 1800 UTC). Επιπλέον, µερικοί µετεωρολογικοί σταθµοί έχουν και θερµόµετρα µε αισθητήρες πάνω ή κάτω από την επιφάνεις του εδάφους παρέχοντας µετρήσεις της θερµοκρασίας του εδάφους σε διάφορα βάθη.Η θερµοκρασία µετράται σε βαθµούς Κελσίου. Αυτή η κλίµακα έχει το µηδέν σαν το σηµείο που παγώνει το νερό και το 100 σαν το σηµείο βρασµού του. Η αρχική κλίµακα που προτάθηκε από τον Σουηδό επιστήµονα Anders Celsius το 1742 είχε την αντίθετη φορά. Η κλίµακα Κελσίου χρησιµοποιείται στις περισσότερες χώρες εκτός των Ηνωµένων Πολιτειών όπου είναι σε χρήση η κλίµακα Φαρενάϊτ. Αυτή η κλίµακα προτάθηκε από το Γερµανό φυσικό Gabriel Fahrenheit περίπου το 1709 µε το 32 σαν το σηµείο που παγώνει το νερό και το 212 σαν το σηµείο βρασµού. Υπάρχουν 180 βαθµοί ανάµεσα στα δύο αυτά σηµεία, συγκρινόµενα µε τα 100 της κλίµακας Κελσίου. Ο πίνακας 8.2 δείχνει την αντιστοιχία ανάµεσα στις δύο κλίµακες. Κελσίου Φαρενάϊτ

50 122

30 86

10 50

0 32 Το σηµείο που παγώνει το νερό

-10 14

-20 -4

-40 -40 Οι δύο κλίµακες τέµνονται

-50 -58 Πίνακας 5.2 Οι κλίµακες Κελσίου και Φαρενάϊτ(Fahrenheit=32+1.8ΧCelsius)



34

Ατµοσφαιρική Πίεση: Η έννοια της ατµοσφαιρικής πίεσης µπορεί να γίνει κατανοητή σαν το αποτέλεσµα µιας πολύ ψηλής κολώνας αέρα πάνω σε ένα σηµείο στην επιφάνεια της γης. Οι µεταβολές της πίεσης είναι ενδεικτικές των καιρικών αλλαγών. Πτώση της πίεσης συµβαίνει όταν ένα σύστηµα χαµηλών πιέσεων πλησιάζει. Από της άλλη µεριά, υψηλές πιέσεις είναι συνήθως ενδεικτικές καλού καιρού. Συνεπώς, οι µετεωρολογόγοι ενδιαφέρονται πολύ για τις µεταβολές τις πίεσης καθώς και για τη χωρική της κατανοµή η οποία τους επιτρέπει να αναγνωρίσουν τη θέση των βαροµετρικών συστηµάτων υψηλών και χαµηλών πιέσεων.

Οι µετεωρολόγοι µετράνε την ατµοσφαιρική πίεση χρησιµοποιώντας το βαρόµετρο, το οποίο είναι συνήθως δύο τύπων – υδραργυρικό και ανεροϊδές. Σηµειώνεται ότι αυτά τα όργανα δεν χρειάζεται να είναι εκτεθηµένα στα καιρικά στοιχεία και τοποθετούνται µέσα στο κτίριο του µετεωρολογικού σταθµού.

Ένα υδραργυρικό βαρόµετρο (Εικόνα 8.5α) κατασκευάζεται µε ένα γυάλινο σωλήνα κλειστό στη µία άκρη, γεµίζοντάς τον µε υδράργυρο, βουλώνοντας το ανοικτό άκρο και ανατρέποντάς τον έτσι ώστε η βουλωµένη άκρη να γίνει ένα ρεζερβουάρ υδραργύρου. Μία ποσότητα υδραργύρου θα τρέξει από τον σωλήνα στο ρεζερβουάρ, αφήνοντας ένα κενό πάνω από τον υδράργυρο στο σωλήνα. Το ύψος του υδραργύρου αντιπροσωπεύει την ισορροπία ανάµεσα στην ατµοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια του υδραργύρου στο ρεζερβουάρ και στην πίεση που ασκείται από την κολώνα του υδραργύρου στο σωλήνα. Μία αύξηση της ατµοσφαιρικής πίεσης θα αναγκάσει το υγρό στο σωλήνα να ανέβει, ενώ µία µείωση της πίεσης θα επιτρέψει στο υγρό να πέσει. Η ατµοσφαιρική πίεση µπορεί να καθοριστεί µετρώντας το ύψος του υδραργύρου στο σωλήνα, και συνήθως ορίζεται σε hPa ή χιλιοστά υδραργύρου (mm Hg). Τα εναλλακτικά, πιο µοντέρνα όργανα είναι τα ανεροϊδή βαρόµετρα. Στα πιο απλά από αυτά µία µικρή µεταλλική κάψουλα ή κύλινδρος που περιέχει ένα κενό αέρα συνδέεται µε ένα δείκτη, και καθώς η πίεση αυξάνεται ο κύλινδρος συµπιέζεται και ο δείκτης κινείται πάνω σε µια διαβαθισµένη ταινία. Όλοι οι παραπάνω τύποι βαροµέτρων παρέχουν µετρήσεις της ατµοσφαιρικής πίεσης στην τοποθεσία και ύψος του σταθµού. Όµως, η έννοια της µέσης πίεσης στη στάθµη της θάλασσας (δηλαδή η πίεση στο ύψος της θάλασσας και όχι στο ύψος του σταθµού) είναι πολύ πιο χρήσιµη στους µετεωρολόγους. Αυτό συµβαίνει επειδή συχνά χρειάζεται να γίνουν



35

κατανοητές συγκρίσεις της πίεσης σε σταθµούς που βρίσκονται σε διαφορετικά ύψη. Για να µετατραπεί η πίεση σε πίεση στη µέση στάθµη θάλασσας, χρειάζεται να προστεθεί µία διορθωτική ποσότητα στην ανάγνωση του βαροµέτρου του σταθµού.

Ένα µειονέκτηα των παραπάνς βαροµέτρων είναι το ότι δεν είναι ικανά να παρέχουν συνεχή αρχεία µετρήσεων. Αυτό λύνεται µε τη χρήση του παραδοσιακού βαρογράφου (Εικόνα 8.5β), στο οποίο η κίνηση µιας ανεροϊδής κάψουλας µεταβιβάζεται µηχανικά σε µια γραφίδα που γράφει σε ένα γράφηµα που κινείται µε ορολογιακό µηχανισµό. Κατά αυτό τον τρόπο, οι τάσεις της πίεσης αναπαρίστανται γραφικά, και αυτό είναι πολύ χρήσιµο στην ανάλυση και πρόγνωση του καιρού.

Εικόνα 5.5 Το υδραργυρικό βαρόµετρο, και ο βαρογράφος Υετός: Οι µετρήσεις του υετού είναι πολύ µεγάλης σηµασίας για τους υδρολόγους που ενδιαφέρονται µε τη διαχείρηση των ποταµών και άλλων υδάτινων δεξαµενών, καθώς και για τους µετεωρολόγους. Το µεγαλύτερο µέρος του υετού πέφτει στο έδαφος σαν βροχή αλλά ο όρος (υετός) περιλαµβάνει όλες τις µορφές που το νερό και ο πάγος πέφτουν στο έδαφος. Αυτές περιλαµβάνουν όλους τους τύπους χιονιού, χαλαζιού καθώς και τη βροχή και τις ψεκάδες. Όταν είναι εφικτό, τα ποσά του χιονιού και χαλαζιού εκφράζονται σαν ισοδύναµα βροχής. Η ποσότητα της βροχόπτωσης σε µια χρονική περίοδο υπολογίζεται µέσω των βροχοµέτρων (Εικόνα 5.6) και δηλώνεται από το ύψος του νερού που εναποτίθεται σε µια οριζόντια επιφάνεια (εµβαδού ενός τετραγωνικού µέτρου). Τα βροχόµετρα τοποθετούνται στην περιφραγµένη έκταση του σταθµού (κοντά στον µετεωρολογικό κλωβό). Ένα βροχόµετρο έχει ένα



36

κυκλικό στόµιο διαµέτρου περίπου 13 εκατοστών, και ένα πολύ στενότερο διαβαθµισµένο σωλήνα στον οποίο καταλήγει το νερό. Η ικανότητα του βροχοµέτρου να αναλύει χρονικές µεταβολές βροχόπτωσης εξαρτάται από το ρυθµό δειγµατολειψίας και όχι από λάθη του οργάνου. Για παράδειγµα, συνήθως γίνονται αναγνώσεις των µη-αυτόµατα βροχοµετρων µία ή δύο φορές τη µέρα, το οποίο είναι αρκετό σε κάποιες περιπτώσεις αλλά ανεπαρκές να αναλύσει όλες τις σηµαντικές µεταβολές που συµβαίνουν στά ενδιάµεσα χρονικά διαστήµατα. Αυτές οι µεταβολές αποκαλύπτονται από τα αυτόµατα βροχόµετρα που σηµείνουν το ποσό της βροχόπτωσης πάνω σε ένα γράφηµα.

Ένα µειονέκτηµα των διαφόρων παλιών βροχοµέτρων είναι ότι δεν είναι ακριβή στις µετρήσεις πολύ µικρών ποσών βροχής, π.χ. 0.1 χιλιοστά ανά 12 ή 24 ώρες. Όµως, η πιο σηµαντική αδυναµία όλων των τύπων βροχοµέτρων έχει να κάνει µε τη χωρική αναπαράσταση της βροχόπτωσης. Η χωρική κατανοµή της βροχής αναπαρίσταται καλύτερα µε τα µοντέρνα radar αλλά το κόστος της εγκατάστασης και συντήρησής τους τα κάνει απαγορευτικά για πολλές χώρες. Συνεπώς, τα βροχόµετραι είναι ακόµα σε ευρεία χρήση παγκοσµίως.

Εικόνα 5.6 Το βροχόµετρο

Τύποι καιρού και νεφών: Τα ποσά, οι τύποι και τα ύψη των νεφών συνήθως κρίνονται µε το µάτι, χρησιµοποιώντας διεθνείς κατηγορίες νεφών (δες κεφάλαιο 4). Στις µέρες µας, µερικά αεροδρόµια είναι εφοδιασµένα µε όργανα τελευταίας τεχνολογίας που µετρούν τις βάσεις νεφών αντικειµενικά. Οι κατηγορίες του τύπου και ύψους νεφών έχουν επιλεγεί έτσι ώστε οι αναφορές καιρού να δίνουν έµφαση σε παράγοντας που µπορεί να δίνουν σηµάδια της



37

παρουσίας συγκεκριµένων συστηµάτων. Κατά τον ίδιο τρόπο ο παρών καιρός περιγράφεται µέσω µιας σειράς 99 τύπων κατανεµηµένων σε αυξάνουσα σειρά σηµασίας, µε µόνο τον πιο σηµαντικό τύπο να αναφέρεται σε κάθε περίπτωση. Για παράδειγµα, η οµίχλη είναι λιγότερο σηµαντική από την βροχή, και ο πιο σηµαντικός τύπος είναι η δυνατή καταιγίδα µε χαλάζι και βροντές. Ο παρελθών καιρός, δηλαδή ο καιρός στην περίοδο (συνήθως 6 ώρες) αµέσως πριν από την παρατήρηση, περιγράφεται παροµοίως µέσω µιας λίστας 10 τύπων.

Μερικοί µετεωρολογικοί σταθµοί είναι εφοδιασµένοι µε επιπρόσθετα όργανα για να παρέουν επιπλέον παρατηρήσεις όπως εξάτµισης, ηλιοφάνειας κλπ.

Η εξάτµιση είναι ένα σηµαντικό κλιµατικό στοιχείο που συχνά παραβλέπεται. Η εξάτµιση επιρρεάζει τη χλωρίδα και την πανίδα και είναι ένας σηµαντικός παράγοντας για την ανθρώπινη άνεση. Ο συνήθης τρόπος µέτρησης της εξάτµισης είναι µέσω ενός τύπου εξατµισίµετρου, της λεκάνης εξάτµισης (Εικόνα 8.7). Η ανοξείδωτη λεκάνη συνήθως τοποθετείται σε µια ξύλινη βάση σε µια χλοώδη τοποθεσία. Η λεκάνη γεµίζεται µε νερό βάθους περίπου 20 εκατοστών, και γίνονται ηµερίσιες µετρήσεις του ύψους του νερού. Όταν το νερό πέσει περίπου στα 17 εκατοστά, η λεκάνη ξαναγεµίζεται. Οι ηµερίσιες µετρήσεις διορθώνονται λαµβάνοντας υπόψη την βροχόπτωση. Το τελικό χάσιµο νερού στη δεξαµενή είναι η εξάτµιση στη θεωρούµενη χρονική περίοδο, συνήθως 24 ωρών. Επειδή το ποσό εξάτµισης είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας, υγρασίας, ανέµου και άλλων παραγόντων, και έχοντας στόχο τη συσχέτιση της εξάτµισης µε τις παρούσες ή αναµενόµενες καιρικές συνθήκες, η µέγιστη και ελάχιστη θερµοκρασία του νερού και η ένταση του ανέµου στο ύψος της λεκάνης καταγράφονται µαζί µε την εξάτµιση.

Εικόνα 5.7 Η λεκάνη εξάτµισης

Ένας σηµαντικός τύπος παρατηρήσεων που πρέπει να αναφερθεί ασχολείται µε την ηλιακή ακτινοβολία. Για περίπου ένα αιώνα, οι περίοδοι ηλιοφάνειας καταγράφονταν µέσω του ηλιογράφου Campbell-Stokes



38

(Εικόνα 5.8α). Ο ηλιογράφος Campbell-Stokes είναι µία γυάλινη σφαίρα που εστιάζει τις ηλιακές ακτίνες σε µία ειδική κάρτα (Εικόνα 5.8β), παράγοντας ένα ίχνος όταν υπάρχει ζωηρή ηλιοφάνεια. Το µήκος του ίχνους καθορίζει τη διάρκεια ηλιοφάνειας. Το κατώτερο όριο για ζωηρή ηλιοφάνεια (βασιζόµενο στον ηλιογράφο Campbell-Stokes) είναι ανάµεσα στα 70 W/m2 (για πολύ ξηρό αέρα) και 280 W/m2 (για πολύ υγρό αέρα).

Εικόνα 5.8 Ο ηλιογράφος Campbell-Stokes και οι χρησιµοποιούµενες

κάρτες. 5.3.3 Κώδικες αναµετάδοης µετεωρολογικών πληροφοριών Οι διάφορες παρατηρήσεις αναµεταδίδονται στα διάφορα προγνωστικά κέντρα και βάσεις µε κωδικοποιηµένη µορφή έτσι ώστε να είναι διεθνώς αναγνωρίσιµα. Οι δύο κύριοι κώδικες είναι οι κώδικες METAR και SYNOP.

Τα ΜΕΤΑΡ είναι ένας διεθνής κώδικας για αναµετάδοση ωριαίων (ή ηµίωρων) επιφανειακών παρατηρήσεων. Το ακρωνύµιο προέρχεται από το Γαλλικό “ρουτίνας αναφορές καιρού για την αεροπορία”. Είναι ένας απλός κώδικας που επιτρέπει την εύκολη κατανόηση του παρόντος καιρού σε µια δεδοµένη τοποθεσία, αλλά παρέχει περιορισµένες πληροφορίες. Επιπρόσθετα, υπάρχει ο κώδικας SPECI που είναι ίδιος µε τον κώδικα METAR αλλά χρησιµοποιείται µόνο για να ανακοινωθούν σηµαντικές καιρικές µεταβολές κατά τη διάρκεια των τελευταίων λεπτών. Ένα παράδειγµα µηνύµατος ΜETAR είναι το ακόλουθο: LGAV 211750Z 13006KT 8000 -RA FEW010 SCT030 SCT030 16/15 Q1008 ΣΥΜΒΟΛΟ ΕΞΗΓΗΣΗ

LGAV Το METAR είναι από το Ελληνικό αεροδρόµιο (LG) Ελευθέριος Βενιζέλος (AV)

211750Z Ηµεροµηνία: 21Ώρα: 17:50 UTC

13006KT ∆ιεύθυνση ανέµου: 130 µοίρες (από νοτιοανατολικά) Ταχύτητα ανέµου: 6 κόµβοι

8000 Ορατότητα: 8 χιλιόµετρα



39

-RA Φαινόµενα: Ασθενής βροχή

FEW010

SCT030

SCT030

Νέφη: 1-2/8 του ουρανού καλύπτονται από νέφη µε βάση στα 1000 πόδια 3-4/8 του ουρανού καλύπτονται από νέφη µε βάση στα 3000 πόδια 5-7/8 του ουρανού καλύπτονται από νέφη µε βάση στα 7000 πόδια

16/15 Θερµοκρασία αέρα: 16 °C Θερµοκρασία σηµείου δρόσου: 15 °C

Q1008 Πίεση στη µέση στάθµη θάλασσας: 1008 hPa

Από την άλλη µεριά ο κώδικας SYNOP είναι ένας πιο περίπλοκος κώδικας που χρησιµοποιείται για την αναµετάδοση πληροφοριών για τις συνθήκες του παρόντος και παρελθόντος καιρού σε µια τοποθεσία, κάθε 3 ώρες. Τα µηνύµατα SYNOP περιλαµβάνουν περισσότερες πληροφορίες από τα METAR, παρέχοντας πληροφορίες για την ακριβή θερµοκρασία, υγρασία, πίεση, τύπο, ποσό και βάση νεφών, βροχόπτωση ή χιονόπτωση, διάρκεια φαινοµένων, µέγιστη και ελάχιστην θερµοκρασία, ηλιοφάνεια, εξάτµιση κλπ. Εποµένως, τα SYNOP είναι πολύ χρήσιµα στους µετεωρολόγους, αλλά όχι τόσο πολύ στους πιλότους αεροσκαφών λόγω του ποσού των πληροφοριών. 5.4 Παρατηρήσεις ανώτερης ατµόσφαιρας Ραδιοβολήσεις: Η ραδιοβολίδα είναι ένα µικρό, αναλώσιµο κιβώτιο οργάνων, το οποίο κρέµεται κάτω από ένα µεγάλο µπαλόνι γεµισµένο µε υδρογόνο ή ήλιο. Η ραδιοβολίδα αποτελείται από αισθητήρες που µετράνε αρκετές µετεωρολογικές παραµέτρους και είναι συνδεδεµένοι µε ένα αναµεταδότη και συγκεντρωµένοι σε ένα ελαφρύ κουτί (Εικόνα 8.9). Οι µετεωρολογικοί αισθητήρες παίρνουν δείγµατα της θερµοκρασίας, υγρασίας και πίεσης του αέρα µέσα από τον οποίο ανέρχονται. Ο όρος ραδιοβολίδα, που ήταν αρχικά ραδιο-µετεωρογράφηµα, προέρχεται από τον H. Hergesell. Οι ραδιοβολίδες απελευθερώνονται από τους σταθµούς ανώτερης ατµόσφαιρας στις 0000 και 1200 UTC καθηµερινά, και ανέρχονται µε ταχύτητα 5 µέτρων το δευτερόλεπτο µέχρι το ύψος των 20 έως 30 χιλιοµέτρων, όπου το µπαλόνι σπάει και το κιβώτιο µε τα όργανα επιστρέφει µε αλεξίπτωτο για πιθανή επαναχρησιµοποίηση. Κατά τη διάρκεια της πτήσης οι µετρούµενες θερµοκρασίες, υγρασίες και πιέσεις αναµεταδίδονται στο σταθµό εδάφους και η θέση της ραδιοβολίδας



40

εποπτεύεται µε ειδικό radar. Η ραδιοβολίδα έχει τόσο λίγη αδράνεια που της επιτρέπει να κινείται µε τον οριζόντιο άνεµο των επιπέδων από τα οποία διέρχεται. ∆ιαδοχικές οριζόντιες θέσεις της ραδιοβολίδας µπορούν εποµένως να αποφέρουν το κατακύρυφο προφίλ του οριζόντιου ανέµου. Τα δεδοµένα που στέλνει η ραδιοβολίδα επεξεργάζονται και µπορούν να αποσταλούν πριν το σπάσιµο του µπαλονιού. Τα δεδοµένα της υγρασίας πάνω από το ύψος των 10 χιλιοµέτρων συνήθως δεν λαµβάνονται υπόψη επειδή οι αισθητήρες είναι αναφιόπιστοι στις πολύ χαµηλές θερµοκρασίες που επικρατούν πάνω από αυτό το ύψος.

Εικόνα 5.9 Η ραδιοβολίδα.

Σε αυστηρά επιστηµονικό λόγο, οι ραδιοβολίδες δεν µετρούν ένα κατακόρυφο προφίλ, αφού το ίχνος τους µπορεί να είναι κεκλιµένο εξαιτίας δυνατών ανέµων. Όµως, δεν κάνουµε σοβαρό λάθος αν υποθέσουµε ότι το προφίλ είναι σχεδόν κατακόρυφο στις πιο πολλές αναλύσεις.Το δίκτυο των σταθµών που κάνουν ραδιοβολίσεις είναι πυκνό πάνω από περιοχές µε πλούσιες χώρες, όπως η Βόρεια Αµερική και η Ευρώπη. Η Ελλάδα έχει 3 επιχειρησιακούς σταθµούς ραδιοβολήσεων, στην Αθήνα, τη Θεσσαλονίκη και το Ηράκλειο. Από την άλλη µεριά το δίκτυο είναι πολύ αραιό πάνω από µεγάλες περιοχές όπως η Αφρική και η Ασία και σχεδόν κενό πάνω από τους ωκεανούς. Αυτό είναι ένα πολύ σηµαντικό πρόβληµαπου οδηγεί σε ελλιπείς αναλύσεις των επικρατόντων συστηµάτων και εποµένως σε λάθη στην πρόγνωση. ∆εδοµένα ανώτερης ατµόσφαιρας πάνω από θαλάσσιες περιοχές είναι διαθέσιµα από λίγα µόνο ειδικά εξοπλισµένα πλοία που παραµένουν στο Βόρειο Ατλαντικό και Βόρειο Ειρηνικό ωκεανό, µετά την µείωση του αριθµού τους λόγω κόστους κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών. Αυτά παρέχουν ανεκτίµητη αλλά ανεπαρκή δειγµατολιψία του 70% της τροπόσφαιρας πάνω από τους ωκεανούς. Συνεπώς, σε αυτές τις περιοχές είναι αναγκαία η χρήση συµπληρωµατικών συστηµάτων παρατήρησης, όπως οι δορυφόροι (κεφάλαιο 10), για τη βελτίωση της ποιότητας των προγνώσεων.



41

Αεροσκάφη: Μεγάλα πολιτικά αεροσκάφη είναι συχνά εξοπλισµένα µε αυτόµατους αισθητήρες, έτσι ώστε να αναµεταδώσουν εν πτήσει δεδοµένα πίεσεως, θερµοκρασίας και ανέµου. Ο συνολικός αριθµός αναφορών από αεροσκάφη είναι ηµερισίως άνω των 2000. Η σηµασία τους έγκειται στο γεγονός ότι είναι διαθέσιµα σε περιοχές µε ελάχιστα άλλα δεδοµένα όπως οι ωκεανοί. Όµως, τα δεδοµένα θερµοκρασίας και ανέµου δεν είναι πολύ αξιόπιστα, και είναι πολύ συγκεντρωµένα στα ύψη των 9 µε 10 χιλιοµέτρων κατά µήκος των µεγάλων αεροδιαδρόµων, αδυνατόντας να παρέχουν µια τρισδιάστατη εικόνα της ατµόσφαιρας. Wind Profilers: Η γνώση του τρισδιάστατου ανεµολογικού πεδίου είναι πολύ σηµαντική για την αριθµητική πρόγνωση. Μετρήσεις από ραδιοβολήσεις είναι για την ώρα τα µόνα επιχειρησιακά εργαλεία που µας δίνουν πληροφορίες αυτού του πεδίου, σε τοπική και διεθνή κλίµακα. Από την άλλη µεριά, τα συστήµατα τηλεπισκόπησης από το διάστηµα περιορίζονται στον υπολογισµό του ανέµου µέσω της κίνησης των νεφών, η οποία παρατηρείται από τους γεωστατικούς δορυφόρους και σε περιορισµένη κατακόρυφη ανάλυση. Αυτό πρόκειται να βελτιωθεί µετά το 2003 µε το ραδιόµετρο δεύτερης γενιάς του Meteosat. Παλαιότερα, η πλήρης τρισδιάστατη εικόνα του ανέµου µέσω της χρήσης των Doppler lidars δεν µπορούσε να θεωρηθεί επιχειρησιακή. Η µόνη βελτίωση σχετικά µε παρατηρήσεις του ανεµολογικού πεδίου, που έχει επιτευχθεί και που φαίνεται να προάγεται στο µέλλον, σχετίζεται µε radar wind profiler (Εικόνα 5.10).

Εικόνα 5.10 Tο wind profiler.

Στις µέρες µας, τα wind profilers διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες:



42

α. Τα radar των 50 MHz (VHF) που επιτρέπουν την απόκτηση προφίλ ανέµου µέχρι τα 20 χλµ ένα επίπεδο που επιτυγχάνεται και από τα µπαλλόνια καιρού.β. Τα radar των 400 MHz (VHF) που επιτρέπουν την απόκτηση προφίλ ανέµου µέχρι την τροπόπαυση (10 χλµ).γ. Τa radar των 1000 MHz (UHF) που επιτρέπουν την απόκτηση προφίλ ανέµου µέχρι το περιορισµένο ύψος των 3 χλµ.

Από πειραµατική χρήση, τα wind profilers φαίνεται να έχουν τα παρακάτων πλεονεκτήµατα, σε αντίθεση µε τις µετρήσεις από ραδιοβολίδες:α. Κάνουν εφικτή τη σχεδόν συνεχή παρατήρηση του ανέµουβ. Το προφίλ του ανέµου µετράται ακριβώς πάνω από τη θέση του radarγ. Μπορούν να λειτουργήσουν κάτω από σχεδόν όλες τις συνθήκες καιρού.∆υστυχώς, το δίκτυο των wind profilers είναι πολύ αραιό παρέχοντας περιορισµένες πληροφορίες στους επιχειρησιακούς προγνώστες και στους ερευνητές. Τέλος, είναι σηµαντικό το ότι προς το παρών δεν υπάρχουν καθόλου wind profilers στην Νοτιοανατολική Ευρώπη περιλαµβάνοντας και την Ελλάδα. 6. Μετεωρολογικά RADARs Τα Radar αναπτύχθηκαν στη Βρετανία και τις Ηνωµένες Πολιτείες στις αρχές του Β’ Παγκοσµίου Πολέµου για να βοηθήσουν στον εντοπισµό πλοίων και αεροπλάνων σε µακρινές αποστάσεις. Ο όρος Radar αποτελείται από τα αρχικά των λέξεων “RAdio Detection And Ranging” που σηµαίνει ραδιοεντοπιστής διευθύνσεως και αποστάσεως. Από την αρχή παρατηρήθηκε ότι κατά τη διάρκεια άστατων καιρικών συνθηκών ένα είδος εκτεταµένης παρεµβολής εµφανιζόταν συχνά στην οθόνη του radar και έκρυβε τους στρατιωτικούς στόχους. Θεωρητικές και πειραµατικές εργασίες τη δεκαετία του 1940 κατέδειξαν ότι οι «ανακλάσεις καιρού» προέκυπταν από τη διάχυση των κυµάτων radar εξαιτίας του υετού. Αυτές οι πρώιµες ανακαλύψεις έχουν σήµερα βελτιωθεί σε σηµείο που οι περισσότερες µετρούµενες ιδιότητες των σηµάτων radar- –πλάτος, φάση, πολικότητα και συχνότητα- µπορούν να ερµηνευτούν στα πλαίσια των µεγεθών, σχηµάτων, κινήσεων ή θερµοδυναµικής φάσης των σωµατιδίων υετού. Προσφάτως, η ικανότητα Doppler έχει προστεθεί σε πολλά συστήµατα µετεωρολογικών radar για επιτρέπει τη µέτρηση της ταχύτητας του ανέµου του υετού της ταχύτητας του ανέµου που έχει σχέση µε τον υετό. Εξαιτίας της ικανότητάς τους να παρατηρούν και να καταµετρούν την ταχύτητα του ανέµου γρήγορα, έγκαιρα και από µακρινές αποστάσεις, τα radar έχουν καταστεί σηµαντικά βοηθήµατα στην έρευνα φυσικής νεφών και στην παρατήρηση και πρόγνωση καιρού. 6.1 Βασικές Αρχές Κύρια εξαρτήµατα του radar είναι ο ποµπός, η κεραία και ο δέκτης. Ο



43

ποµπός παράγει µικρούς παλµούς ενέργειας στη ραδιοσυχνότητα του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Οι παλµοί αυτοί εστιάζονται από την κεραία σε µία στενή δέσµη. ∆ιαδίδονται προς τα έξω κατ’ ουσία στην ταχύτητα του φωτός. Αν οι παλµοί παρεµποδίσουν ένα αντικείµενο µε διαφορετικά ανακλαστικά χαρακτηριστικά από εκείνα του αέρα (πχ σταγονίδια βροχής), αναταράσσονται επιφέροντας διασκορπισµό λίγης ενέργειας. Μέρος της διασκορπισµένης ενέργειας θα κατευθύνεται γενικά όπισθεν προς την κεραία, κι αν το τµήµα που θα οπισθοσκεδαστεί είναι αρκετά µεγάλο, θα το εντοπίσει ο δέκτης (Εικόνα 6.1.). Τα µεγάλα µήκη κύµατος διαπερνούν τον υετό και δεν παράγουν καµία χρήσιµη ανάκλαση, ενώ τα µεγάλα µήκη κύµατος απορροφούνται από τον υετό και δεν παράγουν ούτε αυτά χρήσιµες ανακλάσεις.

Εικόνα 6.1. Τα Κατάλληλα Μήκη Κύµατος ∆ιαπερνούν τον Υετό και

Παράγουν Χρήσιµες Ανακλάσεις Ο κύριος στόχος του radar είναι η µέτρηση της εµβέλειας των οπισθοσκεδασµένων αντικειµένων ή «στόχων». Η µέτρηση της εµβέλειας επιτυγχάνεται από ένα κύκλωµα χρονοµέτρησης που µετρά το χρόνο που µεσολαβεί από την εκποµπή ενός παλµού ως τη λήψη ενός σήµατος. Η διεύθυνση καθορίζεται σηµειώνοντας την γωνία κατ’ αζιµούθιο (οριζόντια) και καθ’ ύψος (κάθετα) τη στιγµή λήψης του σήµατος.

Η ποσότητας της ισχύος που επιστρέφεται από ένα στόχο radar καθορίζει αν θα είναι ανιχνεύσιµος και µπορεί να υπολογιστεί εφαρµόζοντας την εξίσωση Probert-Jones. Η ισχύς αυτή καθορίζεται από την ένταση, το µέγεθος και το είδος (βροχή, χιόνι, χαλάζι, παγοκρυστάλλους, κλπ.) του υετού. Το ελαφρύ και ξηρό χιόνι αποτελεί πολύ ασθενές κάτοπτρο των σηµάτων radar, ενώ οι κόκκοι χαλαζιού που είναι νωποί στη εξωτερική τους επιφάνεια αποτελούν πολύ ισχυρά κάτοπτρα και οι υγρές σταγόνες βροχής αποτελούν ενδιάµεση κατάσταση ανάλογα µε το µέγεθος των σταγόνων. Η εξίσωση της εµβέλειας radar, που παρουσιάζεται παρακάτω, εκφράζει µαθηµατικά τη σχέση µεταξύ της επιστρεφόµενης ενέργειας καθώς και τα χαρακτηριστικά του radar και του στόχου.



44

Pr Ανακλώµενη ισχύς σήµατος που λαµβάνεται στην κεραία radar

Pt Εκπεµπόµενη ισχύς- καθορίζεται από τη σχεδίαση του ποµπού

G Απολαβή Κεραίας- καθορίζεται από τη σχεδίαση της κεραίας

θ Εύρος ∆έσµης Κεραίας- καθορίζεται από τη σχεδίαση της κεραίας

H Εύρος Παλµών- περιορίζεται σε συγκεκριµένες τιµές εξαιτίας της σχεδίασης του ποµπού

K2 Φυσική Σταθερά - συνήθως 0.93 για βροχή ή 0.197 για πάγος

L Παράγοντες Απωλειών- καθορίζονται από την εγκατάσταση του radar και από ατµοσφαιρικούς παράγοντες

Z Ανακλαστικότητα Στόχου- καθορίζεται από το είδος και την ένταση του υετού

λ Μήκος Κύµατος Ποµπού- καθορίζεται από τη σχεδίαση του ποµπού

D Εµβέλεια- απόσταση µεταξύ κεραίας radar και στόχου

Στην πράξη, ο δέκτης του radar µετρά την ισχύ που ανακλάται πίσω (το επιστρεφόµενο σήµα, Pr) και το λογισµικό radar επιλύει την εξίσωση Probert-Jones για την τιµή Z που προκάλεσε την ανάκλαση αυτή. Η ένταση υετού (R) υπολογίζεται στην περίπτωση αυτή από την τιµή Z εφαρµόζοντας τον τύπο:

Όπου : Z = παράγοντας ανακλαστικότητας υετού σε dBz

R = ποσοστό βροχής σε mm/hr a = εµπειρικά οριζόµενη σταθερά b = εµπειρικά οριζόµενη σταθερά Ο παράγοντας ανακλαστικότητας εξαρτάται από το είδος και την ένταση του υετού. Συνηθισµένες τιµές ανακλαστικότητας (Z) ως συνάρτηση του ποσοστού βροχής (R) παρατίθενται στον Πίνακα 6.1. Ωστόσο, η ερµηνεία της έννοιας της ανακλαστικότητα δεν είναι εύκολη υπόθεση και απαιτεί µετεωρολογικές γνώσεις και εµπειρία των τοπικών συνθηκών. Ως ακραίο



45

παράδειγµα τοπικών συνθηκών, υπάρχουν µέρη όπου, κατά τη δύση του ηλίου, ένας µεγάλος αριθµός νυχτερίδων που εξέρχονται από τις κρυψώνες τους κατά τη διάρκεια της ηµέρας µπορεί να εµφανιστεί στο radar ως ισχυρή µετωπική γραµµή.

dBz R (mm/hour)

20 0.76 30 3.05 40 11.94 50 48.26

Πίνακας 6.1 Η Ανακλαστικότητα ως συνάρτηση του ποσοστού βροχόπτωσης (R) για την περίπτωση ασθενούς στρατόµορφου υετού

(Z=200R1.6) 6.2 Είδη RADAR Τα περισσότερα µετεωρολογικά radar µετρούν µόνο εµβέλεια και ανακλαστικότητα. Ονοµάζονται µη συµφασικά ή συµβατικά radar. Το radar που είναι εξοπλισµένο για να καθορίζει την ταχύτητα του στόχου λέγεται Doppler radar, ενώ το radar που παρέχει πληροφορίες για την πολικότητα του σήµατος λέγεται πολωσιµετρικό ή πολυπολικό radar. Τα radar αυτά λειτουργούν συνήθως σε µήκη κύµατος της τάξης των 1-30 cm, µε πιο συχνά χρησιµοποιούµενα τα 3, 5, και 10 cm. Η ακτινοβολία σε αυτά τα µήκη κύµατος διαχέεται κυρίως από σωµατίδια σε σχήµα υετού και η κύρια χρήση των µετεωρολογικών radar είναι η χαρτογράφηση και η ανάλυση του πεδίου υετού και της ανάλογης φυσικής και δυναµικής. Σε αυτά τα µήκη κύµατος µπορούν να εξασφαλιστούν χρήσιµα σήµατα µετεωρολογικών radar από ισχυρές τυρβώδεις διακυµάνσεις στον καθαρό αέρα και από σωµατίδια τα οποία παρεµποδίζουν τα radar, που σκοπίµως έχουν εισαχθεί στον αέρα καθώς και από έντοµα. Τα δεδοµένα αυτά βοηθούν στον καθορισµό της δοµής της ατµόσφαιρας που περιβάλλει και µόλις προηγείται της εκδήλωσης των υετοφόρων νεφικών συστηµάτων.

Τα σήµατα radar που εκπέµπονται στο µικρότερο άκρο της κλίµακας µήκους κύµατος από 1- 30-cm είναι ευαίσθητα σε πιο ασθενώς ανακλώµενους στόχους και δεν χρειάζονται κεραία µεγάλης διαµέτρου για να εστιάσουν την κεραία. Εντούτοις, υπόκεινται σε εξασθένιση σήµατος σε ισχυρή βροχόπτωση. Το µήκος κύµατος των 10-cm (S-band) είναι το µικρότερο στο οποίο µπορεί να περιοριστεί ουσιαστικά η εξασθένιση από βροχή. Ωστόσο, η κεραία που απαιτείται για να εστιάσει τη δέσµη µήκους κύµατος 10-cm είναι πολύ µεγάλη, και ο εξοπλισµός radar είναι συνεπώς ογκώδης και ακριβός. Παρ’ όλα αυτά, οι κύριες εγκαταστάσεις radar που έχουν ως βάση τους τη γη έχουν συνήθως µήκος κύµατος 10 cm. Τα radar που είναι



46

εγκατεστηµένα σε πλοία ή αεροπλάνα, από την άλλη µεριά, είναι συνήθως συστήµατα 5 cm (C-band) ή 3 cm (X-band) εξαιτίας του περιορισµένου χώρου. Παρόλο που µετεωρολογικά radar εγκατεστηµένα σε δορυφόρους δεν έχουν ακόµα χρησιµοποιηθεί, προβλέπεται ότι θα έχουν µήκος κύµατος γύρω στα 2 cm (Ku band)—επίσης εξαιτίας του περιορισµένου µεγέθους. Οι συνέπειες την εξασθένισης θα πρέπει να αντιµετωπίζονται µε προσοχή όταν χρησιµοποιούνται δεδοµένα απ’ αυτά τα µικρότερα συστήµατα µήκους κύµατος. Ωστόσο, εφόσον αντιµετωπιστούν µε προσοχή, τα δεδοµένα αυτά µπορεί να είναι χρήσιµα.

Τα περισσότερα µετεωρολογικά radar έχουν σαρώσιµες κεραίες που επιτρέπουν στη δέσµη radar να δείχνει προς µια καθορισµένη κατεύθυνση. Με συνεχή σάρωση κατ’ αζιµούθιο (οριζόντια) και καθ’ ύψος (κάθετα), τα radar µπορούν να εξασφαλίσουν τρισδιάστατα δεδοµένα µε διακριτική ικανότητα σε υψηλές χρονικές µονάδες σε όλα τα σηµεία του χωρικού όγκου που περιβάλλει το radar. Ανάλογα µε το µέγεθος του τοµέα που πρόκειται να σαρωθεί, µια οµάδα τρισδιάστατων δεδοµένων µπορούν να εξασφαλιστούν περίπου κάθε 2-10 min, παρότι κεραίες S, C, και X-band µετεωρολογικών radar µπορούν να εντοπίσουν τον υετό σε οριζόντιες εµβέλειες µέχρι και 200-400 km. Οι ποσοτικές µετρήσεις, ωστόσο, µπορούν συνήθως να εξασφαλιστούν µόνο στα όρια µεταξύ 100-200 km της θέσης του radar. Επιπλέον, η δυνατότητα αυτή επιτρέπει τη χαρτογράφηση του υετού σε περιοχές µεσοκλίµακας µε αποτέλεσµα τα δεδοµένα να εξασφαλίζονται µε υψηλή ανάλυση. Κάθε παλµός radar επεκτείνεται σε πολύ µικρή (—100 m) αύξηση εµβέλειας.

Τα µετεωρολογικά radar µε πολύ µικρά µήκη κύµατος (ζώνες γύρω στα 1 και 8 mm) είναι χρήσιµα για τον εντοπισµό νεφικών σωµατιδίων. Ωστόσο, οι ζώνες αυτές εξασθενίζουν παρά πολύ µε τη βροχή ώστε να αποβούν χρήσιµα σε ισχυρό υετό. Τα Lidar χρησιµοποιούν laser (σε X ~ 0.3-10 imm) για την παρατήρηση ατµοσφαιρικών σωµατιδίων αερολυµάτων και της δοµής των νεφών. 84 Radar µε µήκη κύµατος σε ζώνες UHF (75 cm) και VHP (6 m) είναι χρήσιµες για ατµοσφαιρική ήχηση. Τα radar αυτά καλούνται profiler. Σε γενικές γραµµές, τα µικροκυµατικά αυτά radar χρησιµοποιούνται ευρύτατα για φυσικέ υετού και δυναµική νεφών. 6.3 ∆ίκτυο RADAR Σήµερα σε ολόκληρο τον Ευρωπαϊκό χώρο λειτουργούν περισσότερα από 110 µετεωρολογικά radars και περίπου 150 radar στα ηπειρωτικά των ΗΠΑ, καθώς και στο Πουέρτο Ρίκο, την Αλάσκα, τη Γουάµ και τη Χαβάη. Όλα τα Αµερικανικά radar και περισσότερα από 60 Ευρωπαϊκά είναι Doppler radar και ο αριθµός τους αυξάνεται ραγδαία. Τα συστήµατα Doppler έχουν καθιερωθεί πια ως επιχειρησιακά πρότυπα . Τα περισσότερα συστήµατα λειτουργούν στη ζώνη C-band, µε εξαίρεση το Ισπανικό δίκτυο



47

µετεωρολογικών radar, το οποίο αποτελείται από S-band Doppler radars και το Doppler radar πολλαπλών παραµέτρων στο Chilbolton του Ηνωµένου Βασιλείου, που λειτουργεί σε ζώνη S-band. Το Ηνωµένο Βασίλειο, η Γαλλία και η Ισπανία διαθέτουν εθνικά δίκτυα radar. Επιπλέον υπάρχουν στην Ευρώπη 8 Doppler radar διπλής / πολλαπλής πολικότητας τα οποία χρησιµοποιούνται κυρίως για ερευνητικούς σκοπούς. Στην Ιταλία, κάποια απ’ αυτά τα συστήµατα χρησιµοποιούνται επίσης για επιχειρησιακές εφαρµογές Nowcasting (Πρόγνωση Πολύ Μικρής ∆ιάρκειας).

Σχήµα 6.2 Το δίκτυο RADAR στην Ευρώπη ∆υστυχώς, δεν υπάρχει δίκτυο µετεωρολογικών radar στην Ελλάδα. Η Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία (ΕΜΥ) και οι υπηρεσίες αεροπορίας χρησιµοποιούν ένα µικρών αριθµών συµβατικών radar παλιάς τεχνολογίας που λειτουργούν στα αεροδρόµια σε Αθήνα, Θεσσαλονίκη, Λάρισα και Ανδραβίδα (Βορειοδυτική Πελοπόννησο) και προφανώς δεν µπορούν να παρέχουν πλήρη εικόνα των καιρικών συνθηκών στην Ελλάδα. Η ΕΜΥ βρίσκεται τώρα στη διαδικασία αγοράς και εγκατάστασης σύγχρονων Doppler µετεωρολογικών radar στην Ελληνική επικράτεια. Το δίκτυο αυτό θα



48

συµβάλλει σε µεγάλο βαθµό στην επιχειρησιακή πρόγνωση καθώς και στην αεροναυτιλία και την έρευνα. 6.4 Εφαρµογές Τα τελευταία χρόνια, το πεδίο εφαρµογών των δεδοµένων από τα µετεωρολογικά διευρύνεται συνεχώς. Παρόλο που η βασική χρήση των radar είναι η παροχή στιγµιαίων εικόνων των ιχνών βροχόπτωσης, ο µεγάλος όγκος των δεδοµένων υψηλής ανάλυσης που διαθέτουν τα σύγχρονα Doppler radar και τα πoλωσιµετρικά radar παρέχει τεράστιες δυνατότητες για περαιτέρω εκµετάλλευση των δυνατοτήτων radar. Κάποιες από τις εφαρµογές που έχουν τα δεδοµένα radar περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω :

Πρόγνωση ισχυρών καταιγίδων συµπεριλαµβανοµένων πληµµύρων και ανεµοστρόβιλων Παρατηρήσεις µπόρων και γενικότερων φαινοµένων διατµητικού ανέµου(wind shear)κυρίως εντός ή πλησίον αεροδροµίων Υπολογισµός της χωρικής κατανοµής των φαινοµένων υετού για υδρολογικούς σκοπούςΠαροχή δεδοµένων υψηλής ανάλυσης για αριθµητικά µοντέλα πρόγνωσης καιρού Καλύτερη κατανόηση της δυναµικής των καιρικών φαινοµένων µεσοκλίµακας 7. ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ∆ΟΡΥΦΟΡΟΙ 7.1 Σκοπός Η µετεωρολογία και η κλιµατολογία είναι δύο επιστηµονικοί κλάδοι που χρειάζονται αλλεπάλληλα δεδοµένα παρατήρησης από κοντινές µεταξύ τους περιοχές σε ολόκληρο τον πλανήτη. Τα συµβατικά συστήµατα στην επιφάνεια της γης µπορούν να παρατηρούν την ατµόσφαιρα µε ικανοποιητική ακρίβεια αλλά δεν µπορούν να παρέχουν παγκόσµια κάλυψη σε αντίθεση µε τους µετεωρολογικούς δορυφόρους που παρέχουν την απαραίτητη παγκόσµια κάλυψη στον απαιτούµενο χώρο και χρόνο.

Η χρησιµότητα των δορυφόρων έγινε αµέσως προφανής µε τον πρώτο πειραµατικό µετεωρολογικό δορυφόρο “Tiros I”, που εκτοξεύθηκε από τις ΗΠΑ σε µικρή γήινη τροχιά την 1η Απριλίου 1960. Για πρώτη φορά, οι µετεωρολόγοι µπορούν να δουν την κατανοµή των µετεωρολογικών συστηµάτων πάνω από την επιφάνεια της γης και δεν επαφίενται πια στα συµπεράσµατα που εξάγουν εµπειρικά από τις διάσπαρτες συµβατικές παρατηρήσεις . Μέσα σε µια δεκαετία, οι ΗΠΑ καθιερώνουν τα δύο είδη µετεωρολογικών δορυφόρων και θέτουν τις βάσεις για το σύστηµα εκείνο που γίνεται επιχειρησιακό από τα τέλη της δεκαετίας του 1970. Ο πρώτος



49

µετεωρολογικός δορυφόρος είχε χαµηλή γήινη τροχιά, τη λεγόµενη πολική τροχιά. Στους δορυφόρους µε πολική τροχιά προστίθεται ένας δακτύλιος ισηµερινού από τους γεωστατικούς µετεωρολογικούς δορυφόρους που παρατηρούν τη γη από µια σταθερή θέση στο διάστηµα 7.2 ∆ορυφορικές Εικόνες Οι µετεωρολογικοί δορυφόροι είναι εξέδρες για ηλεκτροµαγνητική σάρωση της ατµόσφαιρας από ψηλά. Η σάρωση είναι παθητική µε την έννοια ότι η δορυφόροι εκµεταλλεύονται σε πολύ µικρό βαθµό την υπάρχουσα ακτινοβολία που εκπέµπεται ή ανακλάται από την ατµόσφαιρα, χωρίς να την επαυξάνουν όπως κάνουν τα radar. Τα ραδιόµετρα που χρησιµοποιούνται για την ανίχνευση ακτινοβολίας είναι ευαίσθητα σε µία ή περισσότερες συχνότητες µήκους κύµατος στα ορατά και υπέρυθρα πεδία του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος.

Οι δορυφορικές εικόνες διακρίνονται ανάλογα µε τα µήκη κύµατος που χρησιµοποιεί το ραδιόµετρο. Τα παρακάτω τρία είδη δορυφορικών εικόνων είναι τα πιο συνηθισµένα : Ορατές Εικόνες: Οι ορατές δορυφορικές εικόνες (VIS) θα µπορούσαν κάλλιστα να προκύψουν αν τραβήξουµε µια ασπρόµαυρη φωτογραφία από το παράθυρο του δορυφόρου. Το µάτι είναι ευαίσθητο στην ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία σε µήκη κύµατος µεταξύ 0.4 και 0.7 µm.Το πεδίο αυτό αποτελεί το φάσµα φωτός. Οι ορατές δορυφορικές εικόνες της σύγχρονης σειράς δορυφόρων του NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) εξασφαλίζονται σε κανάλια από 0.6 ως 0.9µm, ενώ ο Ευρωπαϊκός δορυφόρος METEOSAT χρησιµοποιεί το φασµατικό πεδίο µεταξύ 0.45 και 1 µm. Κατά συνέπεια, τα µήκη κύµατος που χρησιµοποιούν οι δορυφόροι είναι στην ουσία εκτός ορίων που είναι ορατά µε γυµνό µάτι αλλά έχουν παρόµοια χαρακτηριστικά.

Η φωτεινότητα των επιφανειών όπως φαίνεται σε ορατή εικόνα εξαρτάται από το ύψος του ηλίου, την οπτική γωνία του αισθητήρα, την ανακλαστικότητα της επιφάνειας καθώς και τη διακριτική ικανότητα του δορυφορικού συστήµατος και χρησιµοποιείται στην εξαγωγή συµπερασµάτων για το είδος των νεφών που εµφανίζονται στην περιοχή που καλύπτει η δορυφορική εικόνα. Τα πιο πυκνά νέφη έχουν µεγαλύτερη ανακλαστικότητα και σε µια ορατή εικόνα εµφανίζονται πιο φωτεινά από τα αραιότερα νέφη. Εντούτοις, ο διαχωρισµός µεταξύ χαµηλών, µεσαίων και υψηλών νεφών σε µια εικόνα VIS είναι γενικά δύσκολος. Παρότι οι εικόνες VIS είναι χρήσιµες για την πρόγνωση και την έρευνα, επειδή ακριβώς εξαρτώνται από το ανακλώµενο από τον ήλιο φως, ένα πέρασµα δορυφόρου τη νύχτα παράγει µια κατάµαυρη εικόνα. Για τους παραπάνω λόγους, οι υπέρυθρες δορυφορικές εικόνες χρησιµοποιούνται επί 24ώρου



50

βάσεως. Υπέρυθρες Εικόνες: Οι υπέρυθρες εικόνες (IR) συλλέγονται από σαρωτή (scanner) που είναι ευαίσθητος σε µήκη κύµατος του απώτερου υπέρυθρου τµήµατος (> 3 µm) του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Για παράδειγµα, ο δορυφόρος Meteosat χρησιµοποιεί φασµατικό πεδίο µεταξύ 5.7 και 7.1 µm. Οι θερµές περιοχές όπως είναι οι περιοχές της ξηράς κατά τη διάρκεια της ηµέρας εκπέµπουν περισσότερη θερµότητα από τις χιονισµένες περιοχές ή τις κορυφές νεφών, διευκολύνοντας έτσι τον διαχωρισµό µεταξύ των διάφορων τοπογραφικών ή νεφικών χαρακτηριστικών. Οι φωτογραφίες IR ερµηνεύονται συµβατικά µε βάση τα χρώµατα, όπου το θερµό απεικονίζεται µε µαύρο χρώµα, το ψυχρό µε λευκό και οι ενδιάµεσες περιοχές µε αποχρώσεις του γκρίζου. Τα ραδιόµετρα επιτρέπουν πολύ ακριβείς µετρήσεις των θερµοκρασιών των κορυφών νεφών, το ύψος των οποίων µπορεί να υπολογιστεί επίσης µε µεγάλη ακρίβεια.

Είναι προφανές ότι το πλεονέκτηµα των υπέρυθρων εικόνων έναντι των ορατών έγκειται στο γεγονός ότι είναι διαθέσιµες τόσο τη νύχτα όσο και την ηµέρα. Η ερµηνεία της φωτεινότητας των στοιχείων µιας εικόνας IR είναι πιο απλή από την ερµηνεία µιας εικόνας VIS αφού οι διαβαθµίσεις της λευκότητας ή χρώσης σε µια υπέρυθρη εικόνα αντιστοιχούν απλά σε θερµοκρασία γνωστής κλίµακας. Μια εικόνα IR µοιάζει συχνά µε την αντίστοιχη εικόνα VIS στα πλαίσια των σχηµάτων των νεφικών συστηµάτων, µε τη διαφορά όµως ότι παρέχει περαιτέρω συµπληρωµατικά δεδοµένα για τα ίδια τα νέφη. Κατά τη διάρκεια της ηµέρας, η παράλληλη χρήση εικόνων IR και VIS καθιστά πιο κατανοητή την απεικόνιση. Εικόνες Υδρατµών: Εκτός από τα παραπάνω είδη δορυφορικών εικόνων, οι εικόνες υδρατµών (WV), που εξασφαλίζονται στα κανάλια φάσµατος µεταξύ περίπου 10.5 ως 12.5 µm, χρησιµοποιούνται για να υποδείξουν περιοχές υγρού ή ξηρού αέρα. Οι εικόνες αυτές παρέχουν επιπρόσθετες πληροφορίες για την πορεία στροβίλων µέσης τροπόπαυσης, αεροχειµάρρων και περιοχών µε σηµαντική κατακόρυφη µεταφορά. Τα πιο σκούρα χρώµατα υποδεικνύουν την ύπαρξη ξηρότερου αέρα ενώ οι πιο φωτεινές αποχρώσεις του λευκού αντιστοιχούν σε υγρότερες αέριες µάζες. Σε γενικές γραµµές, οι εικόνες αυτές παρέχουν περισσότερες πληροφορίες για τις συνθήκες που επικρατούν από τα µεσαία στα ψηλότερα στρώµατα παρά στα χαµηλότερα στρώµατα τροπόπαυσης. .3 Είδη ∆ορυφόρων ∆ύο είδη δορυφορικής τροχιάς βρίσκονται σε εφαρµογή : ∆ορυφόρος ηλιοσύγχρονης ή πολικής τροχιάς : Ο δορυφόρος περιστρέφεται σε τροχιά 1500 km (ένα τέταρτο της ακτίνας της γης) πάνω από την



51

επιφάνεια, περνώντας πάνω από τους πόλους αλλά σχηµατίζοντας γωνία µε τους µεσηµβρινούς, ικανή να επιτρέψει την αποτελεσµατική σταθεροποίηση της τροχιάς σε σχέση µε τον ήλιο. Ο δορυφόρος χρειάζεται περίπου 115 λεπτά για να περάσει διαδοχικά πάνω από τον έναν ή τον άλλον πόλο, ενώ τα ραδιόµετρά του σαρώνουν την εξερευνούµενη περιοχή του πλανήτη περνώντας συνεχώς από κάτω. Ο δορυφόρος µπορεί να περάσει από οποιοδήποτε γεωγραφικό σηµείο µία φορά ανά 12ωρο µε αναµενόµενες µεταβολές ώρας .

∆ορυφόρος γεωσύγχρονης ή γεωστατικής τροχιάς : Ο δορυφόρος περιστρέφεται σε τροχιά 36.000 km πάνω από τον Ισηµερινό και κινείται στην ίδια διεύθυνση µε την περιστροφή της Γης. Επειδή η περίοδος της τροχιάς για αυτή την απόσταση είναι ακριβώς µια πραγµατική ηµέρα, ο δορυφόρος αιωρείται κάθετα πάνω από ένα σταθερό σηµείο του Ισηµερινού. Το οπτικό πεδίο είναι σχεδόν ένα ηµισφαίριο, παρότι βεβαίως το οπτικό πεδίο για τις πολικές περιοχές και τα δυτικά και ανατολικά άκρα δεν είναι πολύ ξεκάθαρο λόγω της καµπυλότητας της γης.

Οι δορυφόροι πολικής τροχιάς παρέχουν εικόνες µεγαλύτερης ανάλυσης από εκείνες των γεωστατικών δορυφόρων, αφού πετούν σε χαµηλότερο ύψος πράγµα που επιτρέπει την καλύτερη αναγνώριση των διάφορων νεφικών χαρακτηριστικών. Από την άλλη, οι γεωστατικοί δορυφόροι έχουν το πλεονέκτηµα της κάλυψης σχεδόν ολόκληρου ηµισφαιρίου παρέχοντας µια πληρέστερη εικόνα των µετεωρολογικών συστηµάτων σε δεδοµένο χρόνο 7.4 Το παγκόσµιο δορυφορικό δίκτυο Η σηµασία των δορυφόρων για τη µετεωρολογία αλλά και για γενικότερα περιβαλλοντολογικά ζητήµατα έγινε γρήγορα αντιληπτή σε όλον τον κόσµο οδηγώντας στην ανάπτυξη δορυφορικών συστηµάτων από χώρες που είχαν ήδη ή επιθυµούσαν να αποκτήσουν διαστηµική τεχνολογία..

Για την παρατήρηση του καιρού παγκοσµίως, η κάλυψη του πλανήτη είναι πλέον ολοκληρωτική µε την ύπαρξη 5 γεωστατικών δορυφόρων σε ίση απόσταση κατά µήκος του Ισηµερινού (Εικόνα 7.1). Η τάση για καλή κάλυψη όσο πλησιάζουµε τα χαµηλά γεωγραφικά πλάτη εξισορροπεί εν µέρει την πολύ χαµηλή απόδοση του συνοπτικού δικτύου σε αυτές τις µεγάλες περιοχές. Επιπλέον, τα σηµεία των γεωστατικών δορυφόρων ευνοούν τον εντοπισµό και την παρακολούθηση των τροπικών κυκλώνων, καθώς οι τελευταίοι σχηµατίζονται σε χαµηλά γεωγραφικά πλάτη. Πριν την εµφάνιση των δορυφόρων, η έγκαιρη ανίχνευση τέτοιων µετεωρολογικών συστηµάτων καθώς και χαµηλών µέσων γεωγραφικών πλατών που σχηµατίζονταν πάνω από τους ωκεανούς βασιζόταν σχεδόν εξολοκλήρου στα πλοία, καθιστώντας πολύ δύσκολη την έκδοση έγκαιρων και αξιόπιστων προειδοποιήσεων για



52

τις παράκτιες περιοχές

Εκτός από τους γεωστατικούς δορυφόρους, αρκετοί δορυφόροι πολικής τροχιάς επιτρέπουν την παρατήρηση οποιουδήποτε σηµείου στη γη σε πραγµατικό χρόνο

Εικόνα 7.1Το παγκόσµιο δορυφορικό δίκτυο

.5 MeteoSat: Ο Ευρωπαϊκός ∆ορυφόρος Η Ευρώπη δεν αποτέλεσε εξαίρεση στην εποχή των δορυφόρων και την ανάπτυξη του Meteosat ακολούθησε µια πρωτοβουλία της Γαλλίας που πραγµατοποίησε τις πρώτες µελέτες σκοπιµότητας. Μέχρι το 1972, οι µελέτες αυτές είχαν καθιερωθεί ως ένα Ευρωπαϊκό πρόγραµµα που ανέλαβαν αρχικά 8 συµµετέχοντα κράτη στον πρώην Ευρωπαϊκό Οργανισµό ∆ιαστηµικής Έρευνας (European Space Research Organisation) που αργότερα αποτέλεσε την Ευρωπαϊκή ∆ιαστηµική Εταιρεία (European Space Agency). Το πρόγραµµα αυτό οδήγησε στην εκτόξευση του πρώτου δορυφόρου Meteosat στις 23 Νοεµβρίου 1977 και αποτέλεσε την αρχή για την επιτυχία του συστήµατος Meteosat (Εικόνα 10.2). Το πρόγραµµα αυτό συνεχίζεται µέχρι και σήµερα µε τη συµµετοχή 17 κρατών, µε δορυφόρους Meteosat νέας γενιάς που παρέχουν σε συνεχή βάση εικόνες δορυφόρου από την Ευρώπη και την Αφρική.



53

Εικόνα7.2 Ο δορυφόρος Meteosat

Ο επιχειρησιακός δορυφόρος Meteosat περιστρέφεται σε τροχιά µε ύψος που φτάνει περίπου τα 36000 km πάνω από τον Ισηµερινό και τον Μεσηµβρινό του Γκρήνουιτς. Αυτή είναι η καθορισµένη θέση του, αλλά εξαιτίας του ανοµοιόµορφου σχήµατος της γης και της επιρροής από την βαρύτητα της σελήνης και του ηλίου, ο δορυφόρος δεν παραµένει σταθερός σε αυτή τη θέση. ∆ύο είναι οι κύριες επιδράσεις, η βαθµιαία αύξηση της κλίσης του δορυφόρου και η παρέκκλισή του που επηρεάζουν τη διατήρηση βορρά-νότου και ανατολής-δύσης αντίστοιχα. 7.6 Προϊόντα ∆ορυφόρου Τα βασικά προϊόντα που παρέχουν οι µετεωρολογικοί δορυφόροι είναι οι Ορατές, οι Υπέρυθρες εικόνες καθώς και οι εικόνες Υδρατµών που περιγράφονται στην παράγραφο 10.2. Επιπλέον, πολλά µετεωρολογικά προϊόντα προέρχονται είτε από τις παραπάνω εικόνες ή εξασφαλίζονται χάρη στα όργανα υψηλής τεχνολογίας µε τα οποία είναι εξοπλισµένοι οι δορυφόροι. Τα πιο σηµαντικά από αυτά είναι :

Άνεµοι Κίνησης Νεφών: Μια σειρά εικόνων χρησιµοποιείται για να ορίσει την κίνηση των νεφών από τη µία εικόνα στην άλλη και κατά αυτόν τον τρόπο εξάγει την ταχύτητα και τη διεύθυνση του ανέµου. Παρότι ο ευρύτερος όρος για το προϊόν αυτό είναι Άνεµοι Κίνησης Νεφών, οποιοδήποτε ανιχνευτικό στοιχείο, όπως είναι οι υδρατµοί, µπορεί να χρησιµοποιηθεί. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατόν να παράγονται ανύσµατα ανέµων σε περιοχές και επίπεδα όπου δεν υπάρχουν καθόλου νέφη και κατά συνέπεια να διευρύνουν την κάλυψη του προϊόντος.

Θερµοκρασίες Επιφανείας Θάλασσας(SST) : Το προϊόν αυτό προέρχεται από τα εικονοστοιχεία (pixels) των δορυφορικών εικόνων που βλέπουν τη θάλασσα. Γίνονται διορθώσεις στα δεδοµένα ακτινοβολίας για να περιοριστούν οι επιπτώσεις της ατµοσφαιρικής απορρόφησης και το τελικό προϊόν αποτελεί µέτρηση της θερµοκρασίας επιφανείας του ωκεανού. Τα αποτελέσµατα υποβάλλονται σε ποιοτικό έλεγχο βάση σύγκρισης µε ένα συνεχώς ανανεούµενο πεδίο. Επιπλέον, επιτελείται συνεχής στατιστική



54

σύγκριση µεταξύ του προϊόντος SST και των παρατηρήσεων από τα πλοία.

Ανάλυση Νεφών: Το προϊόν αυτό παρέχει το ποσοστό νεφοκάλυψης και τη θερµοκρασία κορυφής νεφών µέχρι τρία διαφορετικά στρώµατα νεφών σε κάθε εικονοστοιχείο (pixel) της δορυφορικής εικόνας

Ύψη κορυφών νεφών: Το ύψος της κορυφής νεφών είναι σηµαντικό στην επιχειρησιακή πρόγνωση του καιρού για την αεροναυτιλία και το προϊόν υποστηρίζει αυτήν την απαίτηση. Παράγεται µε τη χρήση θερµοκρασιών κορυφών νεφών (από τις εικόνες IR) και την κατατοµή της θερµοκρασίας µε το ύψος.

Ποσοστά Βροχόπτωσης: Είναι ένα πειραµατικό προϊόν που καταδεικνύει τα ποσοστά βροχόπτωσης στο έδαφος. Παράγεται µε τη χρήση θερµοκρασιών κορυφών νεφών (από τις εικόνες IR) και τις στατιστικές σχέση µεταξύ των παρατηρούµενων ποσοστών βροχόπτωσης και τις θερµοκρασίες κορυφώννεφών σε κάθε γεωγραφική περιοχή. Το προϊόν αυτό θα αποβεί πολύ χρήσιµο για την επιχειρησιακή πρόγνωση και έρευνα όταν γίνει πλήρως επιχειρησιακό, γιατί θα παρέχει πληροφορίες βροχόπτωσης σε περιοχές που στερούνται δεδοµένων. ∆υστυχώς, το προϊόν για τα ποσοστά βροχόπτωσης που προέρχονται από το δορυφόρο δεν είναι απόλυτα αξιόπιστο ακόµα.

Στα επιπρόσθετα προϊόντα που έχουν γίνει διαθέσιµα τα τελευταία χρόνια περιλαµβάνονται οι κάθετες κατατοµές θερµοκρασίας, οι κάθετες κατατοµές υγρασίας, το στρωµατικό υετίσιµο νερό και το συνολικό υετίσιµο νερό. Το στρωµατικό υετίσιµο νερό (mm) υπολογίζεται συνήθως σε τρία στρώµατα (1000 -900 mb, 900 -700 mb, 700 -300 mb) χρησιµοποιώντας την ανακτηµένη κατατοµή υγρασίας. Αντιπροσωπεύει τους συνολικούς ατµοσφαιρικούς υδρατµούς που περιέχονται σε µια κάθετη στήλη διατµηµένης περιοχής που εκτείνεται µεταξύ των επιπέδων πίεσης που αναφέρονται παραπάνω. Οµοίως, το συνολικό υετίσιµο νερό (mm) αντιπροσωπεύει τους συνολικούς ατµοσφαιρικούς υδρατµούς που περιέχονται σε µια κάθετη στήλη διατµηµένης περιοχής που εκτείνεται από την επιφάνεια της γης ως την «κορυφή» της ατµόσφαιρας.

Τέλος, οι περιβαλλοντολογικοί δορυφόροι υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών παρακολούθησης περιβαλλοντολογικών συνθηκών που συµπεριλαµβάνει µετρήσεις θερµοκρασιών επιφανείας θάλασσας σε όλη τη γη, µετρήσεις χιονοκάλυψης, ατµοσφαιρικές ηχήσεις θερµοκρασίας και υγρασίας, έρευνα δυναµικής ωκεανών, παρακολούθηση ηφαιστειακών εκρήξεων, ανίχνευση δασικών πυρκαγιών, ανάλυση παγκόσµιας βλάστησης και τοπογραφίας ξηράς, µετρήσεις ύψους αερολυµάτων και συγκέντρωσης



55

καθώς και πολλές άλλες εφαρµογές.

Γενικές αρχές Μετεορολογίας

Documents

Transcript of Γενικές αρχές Μετεορολογίας