Fizikalni termini

Za razumijevanje atmosferskih procesa nužno je prethodno poznavanje osnovnih fizikalnih termina kojima se opisuju ti procesi. U slijedećim paragrafima ukratko su opisani osnovni fizikalni termini koji se koriste u meteorološkoj literaturi.

Masa. Masa je osobina tvari koja je uzrokom da tvar ima težinu u gravitacijskom polju. Masa i težina nisu isti pojam; masa je osobina tvari a težina je sila. Mjerna jedinica za masu u SI sustavu je kilogram (kg). Mjerna jedinica za težinu je Njutn (engl. Newton) (N) kao i za svaku drugu silu. Masa i težina su povezane relacijom w=mg, gdje je w težina (weight), m masa (mass), a g je mjera za gravitaciju, odnosno ubrzanje gravitacijskog polja (na površini Zemlje g iznosi oko 9,8 m/s²). Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_versus_weight

Sila. Sila je djelovanje na neki objekt koje uzrokuje promjenu u njegovog gibanju ili obliku, odnosno, djelovanje sile na neko tijelo očituje se u njegovoj akceleraciji (ubrzanju, usporenju, promjeni smjera gibanja i slično). Sila je jednaka produktu mase i akceleracije; F = ma, gdje je m masa tijela na koje djeluje sila, dok je a akceleracija koja se opaža pri djelovanju sile F. Mjerna jedinica za silu je Njutn (engl. Newton) (N). Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Force

Tlak. Tlak je sila koja djeluje na neku jedinicu površine. Može se predstaviti relacijom P = F/A, gdje je F sila koja djeluje na površinu A i pritom stvara tlak P. Rezultat te jednadžbe je N/m², što odgovara mjernoj jedinici Paskal (engl. Pascal) (Pa). U meteorologiji se za atmosferski tlak najčešće koristi mjerna jedinica hektopaskal, tj. stotinu puta veća vrijednost od paskala. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Pressure

Gustoća. Gustoća je masa u jedinici volumena neke tvari. Izražava se jednadžbom ρ = m/V, gdje je m masa u volumenu V neke tvari. U meteorologiji se često barata pojmom gustoće zraka, pri čemu je ona jednaka masi zraka (kg) u volumenu od jednog kubičnog metra (m³). Zrak je tvar u plinovitom stanju, pa unatoč činjenici da je golim okom nevidljiva, ipak kao i svaka druga tvar ima svoju masu. Gustoća se izražava u mjernim jedinicama kilogram po kubičnom metru (kg/m³). Gustoća zraka je direktno ovisna o njegovoj temperaturi i tlaku. Ovisnost ove tri fizikalne veličine dana je jednadžbom idealnog plina koja glasi P = ρrT, gdje je P tlak zraka, ρ gustoća zraka, r je plinska konstanta (287 Jkg^-1K^-1), dok je T temperatura zraka. Valja napomenuti da zrak nije idealan plin već njegova svojstva ponešto odstupaju od svojstava idealnog plina. Stoga se zrak ne ponaša precizno po navedenoj jednadžbi, ali za praktične potrebe smatra se da jednadžba idealnog plina vrijedi i za zrak. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Pressure

http://www.indiana.edu/~geog109/topics/10_Forces&Winds/GasPressWeb/PressGasLaws.html

Temperatura. Temperatura je zagrijanost neke materije i ne smije se poistovjećivati s toplinom. Toplina je energija koja se izražava u džulima (J), dok je temperatura svojstvo materije i izražava se u Kelvinima (K), odnosno u meterologiji znatno češće u Celzijevim stupnjevima (°C). Celzijeve stupnjeve dobijemo iz Kelvina tako da odbijemo 273,15 (°C = K-273,15). Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature

http://www.theweatherprediction.com/habyhints/39/

Temperatura rosišta. Temperatura na kojoj će pri hlađenju vlažnog zraka započeti ukapljivanje vodene pare u tekuće stanje ili depozicija pare u kruto stanje, naziva se temperatura rosišta (engl. dewpoint) (T_d). Kad se dosegne ova temperatura na određenoj visini iznad tla, iz vodene pare u zraku započinje formiranje oblaka. Temperatura rosišta je zavisna samo o količini vodene pare u zraku, što znači da je temperatura rosišta zapravo i mjera za količinu vodene pare u jedinici volumena zraka. Veća količina vodene pare dat će višu temperaturu rosišta i obratno. Temperatura rosišta uvijek je niža od temperature zraka, ili ista (dok traje proces ukapljivanja/depozicije). Temperatura rosišta je tako jedna od najvažnijih osobina zraka, s obzirom da je vodena para najbitniji sastojak atmosfere koji stvara vremenske procese. Temperatura rosišta se ne može izravno mjeriti već se dobija izračunom. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Dewpoint

Rosišna razlika. Izračunamo li aritmetičku razliku temperature zraka i temperature rosišta dobit ćemo rosišnu razliku. Rosišna razlika je manja kad je zrak blizu zasićenja vodenom parom (vlažan), a veća kad je zrak daleko od zasićenja (suh). Onda kad je rosišna razlika nula, tj. kad su temperatura zraka i temperatura rosišta jednake, zrak sadrži maksimalnu količinu vodene pare koju može primiti u plinovitom stanju pri toj temperaturi. I najmanjim daljnjim hlađenjem dolazi do ukapljivanja ili depozicije vodene pare u tekuće/kruto agregatno stanje. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Dewpoint_depression

Temperatura mokrog termometra. Temperatura mokrog termometra je ona temperatura na koju će se zrak direktno uz vodu/led ohladiti isparavanjem vode ili sublimacijom leda u vodenu paru (engl: wet bulb temperature) (T_w). Ova temperatura se može izravno mjeriti pomoću tzv. mokrog termometra. Vrijednost temperature mokrog termometra je uvijek između temperature zraka i temperature rosišta, i najčešće je malo bliža temperaturi rosišta. Valja primjetiti, da će za istu temperaturu zraka u suhome zraku temperatura mokrog termometra biti niža nego u vlažnijem zraku, što u praksi ima za posljedicu da će u suhom zraku temperatura jače pasti s početkom oborina nego u vlažnom. Naime, oborine isparavaju tijekom padanja prema tlu, osim ako relativna vlažnost nije jednaka 100%, a na proces isparavanja se troši latentna toplina pri čemu se snižava temperatura. Što zrak sadrži manje vlage, isparavanje je jače a time je i pad temperature zbog trošenja latentne topline veći. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Wet_bulb_temperature

Omjer miješanja. Podijelimo li masu vodene pare u kubičnom metru volumena s masom suhog zraka u istom volumenu, dobit ćemo omjer miješanja (engl. mixing ratio). Omjer miješanja se izražava u gramima vodene pare po kilogramu suhog zraka (g/kg). Omjer miješanja je odličan pokazatelj količine vodene pare u zraku, kao i temperatura rosišta. Nezavisan je o temperaturi, ali je obratno proporcionalan tlaku. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Mixing_ratio#Mixing_ratio_or_humidity_ratio

Zasićeni omjer miješanja (engl. saturation mixing ratio). Ova veličina predstavlja maksimalni mogući omjer miješanja za određenu čest zraka. On je proporcionalan temperaturi česti. Rezultat dijeljenja stvarnog omjera miješanja s zasićenim omjerom miješanja daje relativnu vlažnost zraka. 

Virtualna temperatura. Virtualna temperatura (engl. virtual temperature) (T_v) je ona temperatura koju bi trebao imati potpuno suh zrak a da ima istu gustoću kao što ju ima čest na koju se odnosi ta virtualna temperatura. S obzirom da vlažan zrak ima manju gustoću od suhog zraka, te da topliji zrak ima manju gustoću od hladnijeg zraka, to je virutalna temperatura uvijek viša od stvarne temperature. Virtualna temperatura bi bila jednaka stvarnoj onda kad zrak ne bi sadržavao nimalo vodene pare. Prema tome, veća vlažnost zraka ima za posljedicu višu virtualnu temperaturu i obratno. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_temperature

Relativna vlažnost. Relativna vlažnost (engl. relative humidity, RH) predstavlja omjer stvarne količine vodene pare i maksimalne količine vodene pare u nekoj česti zraka. Izražava se u postotcima. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Relative_humidity

Potencijalna temperatura. Potencijalna temperatura (engl. potential temperature, theta) (Θ) je ona temperatura koju bi čest zraka imala kad bi ju suhoadijabatski doveli na tlak od 1000 hektopaskala. Što to znači? To znači da mijenjamo tlak česti bez njezine interakcije s okolinom. Primjerice, to je ona temperatura česti koju s tlaka od 500hPa dovedemo na tlak od 1000hPa bez razmjene topline ili vodene pare s okolinom. Povećanjem tlaka česti njezina temperatura raste. Potencijalna temperatura tako je dobra fizikalna veličina za uspoređivanje temperatura česti koje se nalaze na različitim visinama. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Potential_temperature

Jednadžba stanja (zakon idealnog plina). Jednadžba stanja (engl. equation state) je bitna za razumijevanje međusobnog odnosa tlaka, temperature i gustoće zraka. Kao što je već spomenuto, ona se može pisati kao P = ρrT, gdje je P tlak zraka u Paskalima, ρ gustoća zraka u kilogramima po kubnom metru, r je plinska konstanta (287 Jkg^-1K^-1), dok je T temperatura zraka u Kelvinima. Za razumijevanje primjene ove jednadžbe u teorijskim tumačenjima atmosferskih procesa, jednostavno postavljamo jednu varijablu kao konstantu i zatim pratimo kako promjena druge varijable utječe na onu preostalu varijablu u jednadžbi. Tako dobijamo tri različita procesa, zavisno o varijabli koju proglasimo konstantom:

a) Izotermni proces (konstantna temperatura). Pri konstantnoj temperaturi T, tlak i gustoća su proporcionalni. Porastom tlaka raste i gustoća i obratno. Tako će primjerice pri jednakoj temperaturi zraka, njegova gustoća biti manja na Sljemenu nego u Zagrebu, jer je na Sljemenu manji tlak.

b) Izobarni proces (konstantan tlak). Pri konstantnom tlaku P, gustoća i temperatura zraka su obratno proporcionalni. Tako će primjerice gustoća zraka u Zagrebu biti viša od gustoće zraka u Splitu, ako obje lokacije imaju isti tlak a Zagreb nižu temperaturu od Splita.

c) Izopikni proces (konstantna gustoća). Pri konstantnoj gustoći, tlak i temperatura su proporcionalni. Tako će se čest koju spustimo s 5km na 2km visine zagrijati zbog porasta tlaka (na manjoj visini je viši tlak).

Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Equations_of_state

Hidrostatska jednadžba. Izvan Zemljine atmosfere nalazi se vakuum (tlak=0). Zbog toga atmosfera ima tendenciju da "pobjegne" od Zemlje u prazan prostor Svemira, s obzirom da u atmosferi postoji tlak. Međutim, toj težnji atmosfere suprostavlja se Zemljino gravitacijsko polje, i stvara pritom balans sile; gravitacijska sila koja privlači molekule zraka prema Zemlji balansirana je, tj. jednaka ali suprotnog smjera, atmosferskom tlaku koji odbija te iste molekule prema Svemiru gdje je tlak jednak nuli. Matematički se ovo uravnoteženje opisuje hidrostatskom jednadžbom (engl. hydrostatic equation): ΔP/ΔZ = -ρg gdje ΔP/ΔZ predstavlja vertikalni gradijent tlaka (promjenu tlaka s promjenom visine), dok je ρ gustoća a g vrijednost ubrzanja Zemljine sile teže. Detaljnije:

http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid_statics#Hydrostatic_pressure

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrostatic_equilibrium

http://www.theweatherprediction.com/habyhints/62/