Od czego zależy klimat danego miejsca?
Szerokość geograficzna
Kulisty kształt Ziemi powoduje, że ilość energii dostarczanej do powierzchni Ziemi jest nierównomierna. Im wyższe jest położenie Słońca nad horyzontem, tym korzystniejsze są warunki do nagrzewania powierzchni Ziemi. Obszary międzyzwrotnikowe otrzymują najwięcej energii, a obszary okołobiegunowe najmniej.
Na klimat Ziemi i występowanie pór roku wpływa także ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca i nachylenie osi kuli ziemskiej do płaszczyzny orbity tego ruchu.
Ruch obrotowy Ziemi wokół własnej osi, będący przyczyną występowania dni i nocy, powoduje również występowanie tzw. siły Coriolisa, która odchyla prądy powietrzne na półkuli północnej w prawo, a na południowej w lewo. Działanie tej siły rośnie w miarę oddalania się od równika w kierunku biegunów. Siła Coriolisa przyczynia się do powstawania komórek globalnej cyrkulacji powietrza, silnie kształtującej klimat naszej planety.
Globalna cyrkulacja powietrza, zobrazowane są komórki Hadleya, Farella i okołobiegunowa
Na obszarach równikowych, tam, gdzie Słońce góruje w zenicie, powietrze ogrzewa się najbardziej i jako lżejsze unosi się do góry. W ten sposób przy powierzchni Ziemi wytwarza się obszar niskiego ciśnienia, do którego ściągane jest powietrze z wyższych szerokości geograficznych. Tak właśnie powstają pasaty – stałe wiatry wiejące od zwrotników do równika. Jednocześnie w górnych warstwach troposfery, aby wyrównać ubytek powietrza nad zwrotnikami, w kierunku przeciwnym do pasatów wieją antypasaty. Wznoszeniu się powietrza nad równikiem towarzyszą deszcze zenitalne. Wraz ze wzrostem wysokości spada temperatura wznoszącego się wilgotnego powietrza, co powoduje skraplanie się zawartej w nim pary wodnej i powstawanie chmur deszczowych. Krążenie powietrza zmienia się w ciągu roku – zimą strefa zbieżności pasatów przesunięta jest na południe, a latem na północ od równika (wynika to pozycji Słońca, które zimą góruje nad Zwrotnikiem Koziorożca, a latem nad Zwrotnikiem Raka).
Ziemia i chmury. Wyraźnie widoczny jest równikowy pas chmur,
suchy obszar zwrotnikowy i zachmurzone rejony w okolicach 65° N, S.
Okolice biegunów otrzymują z kolei najmniej energii słonecznej i zachodzi tam sytuacja odwrotna jak na równiku. Powietrze jest chłodne, ciężkie i opada. Gdyby założyć, że nie zachodziłby ruch obrotowy Ziemi, sytuacja byłaby stosunkowo prosta. Wytworzyłaby się cyrkulacja równik–biegun–równik. Górnymi warstwami troposfery powietrze płynęłoby w kierunku biegunów, po dotarciu do których opadałoby i w przy powierzchni Ziemi odpływałoby z powrotem w kierunku równika.
Jednak sytuację komplikuje ruch obrotowy kuli ziemskiej, którego skutkiem jest oddziaływanie tzw. siły Coriolisa. W wyniku jej działania, przemieszczające się od równika ku biegunom górne prądy powietrza odchylają się od kierunku ruchu na półkuli północnej w prawo (w kierunku północno-wschodnim), a na półkuli południowej w lewo (na południowy-wschód). Działanie siły Coriolisa jest coraz silniejsze w miarę oddalania się od równika. Wreszcie około 30-35° szerokości geograficznej wiatry zmieniają kierunek na równoleżnikowy, stając się wiatrami zachodnimi.
W tej strefie następuje stłoczenie powietrza, co powoduje, że zaczyna ono opadać. W ten sposób na obydwu półkulach powstają zwrotnikowe strefy wysokiego ciśnienia uwarunkowane przyczynami dynamicznymi. Następnie część powietrza odpływa dołem ku równikowi, a część w stronę biegunów. Przemieszczające się dołem ku równikowi prądy powietrzne zmieniają pod wpływem siły Coriolisa kierunek odchylając się bardziej na zachód. Masy powietrza zbliżając się do równika poruszają się coraz wolniej, nabierają wilgoci od podłoża, siła Coriolisa działa słabiej i ruchy pionowe (wznoszące) zaczynają przeważać nad poziomymi. W ten sposób międzyzwrotnikowy układ cyrkulacyjny zamyka się i nosi nazwę komórki Hadleya.
Strefa międzyzwrotnikowa
W kierunku zwrotników, górą przemieszcza się powietrze suche, zawierające małą ilość pary wodnej.
W okolicy zwrotników następuje jego opadanie i ogrzewanie się zgodnie z gradientem suchoadiabatycznym (1°C/100 m). W tej strefie częstym zjawiskiem są cisze atmosferyczne lub słabe wiatry z różnych kierunków. Wzrost temperatury opadającego powietrza wskutek wspomnianego procesu adiabatycznego powoduje, że już na wysokości 1200-2000 m, w swobodnej atmosferze, występuje ciepła warstwa inwersyjna, zwana inwersją pasatową. Taki układ temperatury w pionie hamuje dodatkowo rozwój prądów wstępujących od podłoża, ograniczając do maksimum powstawanie chmur i opadów.
Strefa wyżyn zwrotnikowych jest więc obszarem o dużym usłonecznieniu i bardzo skąpych opadach. Wysokie położenie Słońca w ciągu roku w połączeniu z bezchmurnym niebem powoduje, że na obszarach lądowych tej strefy występują najwyższe temperatury na Ziemi.
Cyrkulację w komórce Hadleya można określić również jako cyrkulację pasatową. Dzięki niej wytworzył się charakterystyczny układ stref klimatyczno-roślinnych między zwrotnikami. Przemieszczając się od nich w kierunku równika można spotkać obszary coraz wilgotniejsze i tym samym coraz bogatsze w roślinność – od pustyń gorących, przez półpustynie, sawanny aż po równikową dżunglę tropikalną. Najlepiej strefowość ta jest wykształcona w Afryce.
Strefa szerokości umiarkowanych
Od zwrotnikowej strefy wysokiego ciśnienia w kierunku biegunów, aż do około 65° szerokości geograficznej, rozciąga się strefa umiarkowanych szerokości. Część powietrza opadającego w strefie zwrotników przemieszcza się w dolnych warstwach troposfery w stronę wyższych szerokości geograficznych. Z drugiej strony również masy powietrza opadające wskutek wychłodzenia nad biegunami, przemieszczają się w stronę niższych szerokości geograficznych. Spotkanie się tych dwóch prądów powietrznych na szerokości około 60-65° powoduje wytworzenie się strefy zbieżności i wznoszenie powietrza. Powstaje pas niskiego ciśnienia, który stanowi granicę między cyrkulacją strefy umiarkowanej a cyrkulacją strefy okołobiegunowej. Układ cyrkulacyjny między strefą zwrotnikowego pasa wysokiego ciśnienia, a okołobiegunową strefą niskiego ciśnienia, nosi nazwę komórki Ferrela.
Istotną cechą umiarkowanych szerokości geograficznych są częste zaburzenia cyrkulacji związane z powstawaniem, rozwojem, przemieszczaniem się i zanikiem układów barycznych, zwłaszcza niżowych. W strefie tej, szczególnie na półkuli północnej, występuje zmienność kierunków wiatru i w konsekwencji duża zmienność typów pogody. Układy baryczne, pchane przez wiatry zachodnie, mają wyraźną tendencję do przemieszczania się w kierunku wschodnim. Ich trwałość jest stosunkowo niewielka, rzadko przekracza kilkanaście dni.
Strefa obszarów okołobiegunowych
Cyrkulacja w obszarach okołobiegunowych jest uwarunkowana termicznie. Niewielka ilość docierającej energii słonecznej powoduje znaczne wychłodzenie powierzchni tych regionów, a co za tym idzie, zalegającego nad nimi powietrza. Stwarza to warunki do prądów opadających i utrzymywania się układów wysokiego ciśnienia. Opadające powietrze odpływa dołem w kierunku niższych szerokości geograficznych. Masy powietrza docierając do okołobiegunowej strefy zbieżności (niskiego ciśnienia) poddane są pionowemu wznoszeniu, po czym powietrze wraca górną troposferą w kierunku biegunów. Taki schemat ogólny panuje w obydwu komórkach okołobiegunowych.
Różnice między nimi wynikają z regionalnej odmienności ich powierzchni. Arktyka jest obszarem wodnym pokrytym pakiem lodowym, natomiast Antarktyda jest wysoko wyniesionym kontynentem pokrytym lądolodem. Nad tym pierwszym regionem pojawiają się znacznie częściej układy niżowe, natomiast Antarktyda znajduje się przez cały rok pod wpływem stabilnych ośrodków wyżowych. Kontynent ten jest otoczony bruzdą niskiego ciśnienia, w której panują najniższe na kuli ziemskiej średnie roczne wartości ciśnienia, jednak niże z tego obszaru rzadko przedostają się w głąb kontynentu.
Duża różnica ciśnień między wnętrzem Antarktydy a otaczającymi ją morzami przyczynia się do występowania na jej wybrzeżach bardzo silnych wiatrów wiejących od wnętrza kontynentu, których siła jest dodatkowo wzmacniana przez grawitacyjne spadanie zimnych i gęstych mas powietrza z wysoko położonego płaskowyżu lądolodu w stronę oceanu (tzw. wiatry katabatyczne). Zarówno napływ suchego powietrza od biegunów, jak i niskie jego temperatury ograniczające zawartość w nim pary wodnej powodują, szczególnie na Antarktydzie, że są to rejony bardzo suche.
Rozkład lądów i oceanów
Wskutek regionalnych i lokalnych zmian rozkładu ciśnienia, temperatury i rzeźby terenu pojawiają się całoroczne, sezonowe lub występujące w cyklu dobowym cyrkulacje regionalne (np. monsuny, oscylacja południowa Walkera) i lokalne (np. bryza, wiatry fenowe).
Oddalenie od mórz i oceanów zwiększa tzw. kontynentalizm klimatu – powietrze zawiera mniej wilgoci, opady są niższe i występują głównie w porze letniej, różnice temperatur dobowych i rocznych zwiększają się, występuje mniejsze zachmurzenie. Można ogólnie stwierdzić, że kontynentalizm klimatu jest tym silniejszy, im lepiej izolowany jest dany obszar od wpływów morskich (oceanicznych) mas powietrza. Odwrotnością klimatu kontynentalnego jest klimat oceaniczny. Duże masy lądowe, mogą zaburzać globalną cyrkulację powietrza, czego przykładem są monsuny występujące na kontynencie azjatyckim – latem nagrzewające się powietrze unosi się do góry tworząc głęboki Niż Południowoazjatycki, który ściąga do siebie wilgotne powietrze znad oceanów. Z kolei w zimie w głębi lądu rozbudowuje się potężny Wyż Wschodnioazjatycki, który kieruje suche i mroźne powietrze do wschodnich i południowych wybrzeży. Powstające w ten sposób wiatry – wilgotny monsun letni i suchy monsun zimowy mają zasadniczy wpływ na klimat w całej Azji Południowej i Wschodniej.
Układ ciśnień i wiatry w styczniu
Rys. Układ ciśnień i wiatry w lipcu. Źródło: wiking.edu.pl
Wysokość nad poziomem morza i góry
Wraz ze zwiększaniem wysokości nad poziomem morza temperatura powietrza spada w granicach 0.6-1.0°C/100 m. W górach występują więc niższe temperatury niż na nizinach. Oprócz wysokości bardzo istotne znaczenie ma układ rzeźby terenu. Łańcuchy górskie i tereny wyżynne stanowią przeszkodę dla poruszających się poziomo mas powietrza. Na przykład Himalaje stanowią praktycznie przeszkodę nie do pokonania dla wymiany mas powietrza między wnętrzem Azji a Niziną Gangesu i Półwyspem Indyjskim. Wymuszenie wznoszenia się przepływających mas powietrza przez przeszkody górskie wywołuje bądź intensyfikuje proces kondensacji pary wodnej (powstawania chmur) i powoduje wzrost sum opadów.
Zwiększenie prawdopodobieństwa opadów w wyżej położonych obszarach następuje również dlatego, że masy wilgotnego powietrza z zachmurzeniem przepływają wolniej wskutek hamowania ich przez wyniesione wyżej tereny. Warto dodać, że zwiększanie się sum opadów następuje w wysokich górach tylko do pewnej wysokości (np. w Tatrach do około 1800 m n.p.m.), gdyż wyższe partie położone są powyżej najczęstszego poziomu kondensacji i podstawy chmur opadowych.
Duże znaczenie w przypadku opadów, a także wiatru, ma ekspozycja stoków. Ich wystawienie w kierunku, z którego następuje napływ wilgotnych mas powietrza powoduje wyraźne zwiększenie ilości opadów, z kolei na stokach osłoniętych opady są wyraźnie mniejsze.
Prądy morskie
Prądy morskie decydują w równie dużym, a może nawet większym, stopniu jak globalna cyrkulacja atmosferyczna o międzystrefowej wymianie ciepła i wilgoci na kuli ziemskiej. Badania klimatologiczne wykazały niezwykle silne związki między temperaturą powierzchniowych wód oceanów i mórz, a także prądów morskich z cyrkulacją atmosferyczną. Prądy morskie wywierają znaczny wpływ na temperaturę i wilgotność powstających nad nimi mas powietrza.
Ciepła woda ogrzewa powietrze, które przenoszone jest nad obszary lądowe. Cieplejsze powietrze posiada równocześnie większą zdolność pochłaniania pary wodnej, której źródłem jest w tym przypadku powierzchnia oceanów. W tych warunkach tworzą się chmury i opady, które są również przenoszone nad przylegające lądy. Prądom ciepłym towarzyszą więc wilgotne i ciepłe masy powietrza. Znaczenie ciepłych prądów morskich w kształtowaniu termicznych cech klimatu zwiększa się w miarę wzrostu szerokości geograficznej. Jednym z lepszych przykładów oddziaływania omawianych prądów morskich na klimat jest Prąd Zatokowy Golfstrom, płynący przez Atlantyk od Zatoki Meksykańskiej do Morza Barentsa. Łagodzi on znacznie klimat Europy Zachodniej i Środkowej nadając mu cechy bardziej oceaniczne i przyczynia się do wzrostu opadów (zwłaszcza zimą). Zimą Golfstrom dostarcza do Europy więcej energii, niż promieniowanie słoneczne.
Odwrotnie wpływają na klimat prądy chłodne. Ochładzają one zalegające nad nimi mas powietrza i przyległe obszary lądowe, decydując równocześnie o suchości klimatu.
Przykładami są prądy płynące wzdłuż zachodnich wybrzeży kontynentów – Prąd Peruwiański, Benguelski czy Zachodnioaustralijski. Ich wpływ spowodował powstanie m.in. pustyń nadbrzeżnych – Atacama, Namib, wpływając też na klimat Australii.
Strefy klimatyczne na Ziemi
Pokrycie powierzchni Ziemi – szata roślinna, pokrywa śnieżna i lodowa, zabudowa
Zróżnicowanie pokrycia powierzchni lądów przyczynia się w różny sposób do kształtowania elementów klimatycznych. Różne cechy fizyczne podłoża atmosfery, które zmieniają się także w ciągu roku, decydują na przykład o odmiennym stopniu nagrzewania się. Bardzo istotne znaczenie ma w tym przypadku albedo powierzchni terenu. Oznacza ono zdolność do odbijania promieniowania słonecznego przez różne powierzchnie. Wyraża się stosunkiem promieniowania odbitego od danej powierzchni do natężenia promieniowania, które do niej dochodzi. Najczęściej jest podawane w %. Im wyższe albedo, tym większa zdolność odbijania promieniowania słonecznego i potencjalnie mniejsze nagrzewanie się obszaru.
Szczególnie silnie ten element występuje w miastach. Czarny asfalt i budynki mają niskie albedo (czyli dobrze pochłaniają ciepło), liczne źródła ciepła, nawet 2-3 krotnie wyższe stężenie CO2 i brak chłodzącego parowania wynikający z niewielkiej powierzchni gruntów i zieleni, potrafią zmienić klimat miast. Może nawet dochodzić do formowania się tzw. bryzy miejskiej, kiedy to nagrzewające się w mieście powietrze unosi się do góry, opada za miastem i ponownie do niego napływa.
Bryza miejska
To doskonałe warunki do koncentrowania się nad miastem wszelkich zanieczyszczeń, powstawania smogu i problemów zdrowotnych.
Temperatura w centrum może być często wyższa o kilka stopni Celsjusza, zanotowany w Nowym Jorku rekord to temperatura o 14°C wyższa niż na przedmieściach. Nie trzeba zresztą jechać do Nowego Jorku. Poniżej znajduje się zdjęcie termiczne Wrocławia z nocy w maju 2001.
Zdjęcie termiczne Wrocławia w dniu 22.05.2001, godzina 23 UTC. Temperatura w °C (Dubicki i in., 2002)
Zjawiska takie, jak miejskie wyspy ciepła muszą być oczywiście brane pod uwagę przez naukowców badających zmiany klimatu, i oczywiście ma to miejsce. Problem ten oczywiście nie dotyczy pomiarów satelitarnych prowadzonych w rejonach słabo zurbanizowanych, a najwyższy wzrost temperatury notuje się właśnie w Arktyce (co jest rezultatem dodatniego sprzężenia zwrotnego związanego z zanikiem pokrywy lodowej) czy w bezludnych rejonach Syberii (za co z kolei odpowiada możliwość pełnego ujawnienia się efektu cieplarnianego z dala od bezwładnych termicznie mas oceanu, oraz zaniku pokrywy śnieżnej).
Warto zauważyć, że strefy klimatyczne przesuwają się ostatnio prawie na naszych oczach. Aktualnie w Polsce panuje klimat, jaki kilkanaście lat temu był charakterystyczny dla leżących setki kilometrów na południe Węgier. Dolny Śląsk ma obecnie klimat taki, jaki jeszcze niedawno panował w północno-wschodnich Węgrzech, w rejonie znanym z produkcji Tokaju, a granica tropików w ciągu ostatnich 25 lat przesunęła się o 200-500 kilometrów.
Czytaj więcej o przesuwaniu się stref klimatycznych na BBC News 
, o wpływie zmian klimatu na tropiki na National Geographic News , o klimacie na IMGW 
, na Wikipedii , oraz o zmianach klimatu na ESPERE
By zrozumieć zmiany klimatyczne, należy dobrze poznać atmosferę ziemską i procesy w niej zachodzące. Bez atmosfery i działającego w niej efektu cieplarnianego życie roślinne i zwierzęce na powierzchni Ziemi nie mogłoby w ogóle istnieć. W słoneczny dzień w szklarni temperatura jest znacznie wyższa niż ta poza nią, a rolę szkła pełni atmosfera. Czym jest efekt cieplarniany ? A co to jest efekt supercieplarniany? W rozdziale Efekt cieplarniany-wprowadzenie przedstawiamy proste wyjaśnienie tego zjawiska.
