Άρθρα

Σημείο Δρόσου – Υγρό Θερμόμετρο

Άφου πλεον έχουμε ορίσει τις υγρομετρικές παραμέτρους μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα δύο ακόμα όρους της μετεωρολογίας αυτούς τους σημείο δρόσου και της θερμοκρασίας υγρού θερμομέτρου . Όποιος θέλει να βρει τους ορισμόυς των υγρομετρικών παραμέτρων μπορεί να ανατρέξει στην ενότητα «Έννοιες Μετεωρολογίας».

  • ΣΗΜΕΙΟ ΔΡΟΣΟΥ ( dew point)

Ως σημείο δρόσου ορίζουμε την θερμοκρασία πρέπει να ψυχθεί ο αέρας χωρίς μεταβολή της πίεσης ή της ποσότητας των υδρατμών ( δηλαδή της απόλυτης υγρασίας )  ώστε να κορεσθεί ως προς τους υδρατμούς ( θυμίζουμε ότι όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει ο αέρας τόσο πιο πολλούς υδρατμούς μπορεί να  »συγκρατήσει» ) . Επομένως καταλαβαίνουμε ότι η ποσότητα των υδρατμών είναι ανάλογη του σημείου δρόσου ( όσο μεγαλύτερο σημείο δρόσου τόσο μεγαλύτερη ποσότητα υδρατμών στον αέρα ) . Με άλλα λόγια το σημείο δρόσου είναι μια πολύ καλή ένδειξη για το μέτρο της απόλυτης υγρασίας . Επίσης γίνεται σαφές οτί όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας και σημείο δρόσου τόσο μικρότερη είναι η σχετική υγρασία . Όταν η θερμοκρασία και το σημείο δρόσου ταυτίζονται τότε η σχετική υγρασία είναι 100% .

  • ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΓΡΟΥ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟΥ ( wet bulb )

Με την αφορμή του υγρού θερμομέτρου θα ορίσουμε δύο έννοιες που θα βοηθήσουν στην κατανόηση του , αυτές της αδιαβατικής διαδικασίας και της λανθάνουσας θερμότητας . Όταν ένα υλικό αλλάζει την φυσική του κατάσταση ( αλλαγή πίεσης , όγκου κλπ)  χωρίς την προσθήκη θερμότητας σε αυτό ή αφαίρεση θερμότητας από αυτό , η αλλαγή αυτή λέγεται αδιαβατική. Για παράδειγμα όταν ένα θερμικά απομονωμένο από το περιβάλλον αέριο εκτονωθεί , τότε αυτό ψύχεται γιατί παράγει έργο( » προσφέρει » ενέργεια στο περιβάλλον ) χωρίς να προσφέρεται από το περιβάλλον θερμότητα σε αυτό . Οι περισσότερες ατμοσφαιρικές διαδικασίες ( π.χ ακτινοβολία ) είναι διαβατικές , ωστόσο έχει εμπειρικά διαπιστωθεί ότι για περίοδο 24 ωρών μπορούν να θεωρηθούν αδιαβατικές . Η ενέργεια που απαιτείται για την αλλάγη της κατάστασης μιας ουσίας όπως το νερό ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα  . Για παράδειγμα κατά την διαδικασία της εξάτμισης το νερό ψύχεται . Το νερό σε αέρια μορφή έχει μεγαλύτερα ποσά ενέργειας ( εντονότερες κινήσεις των μορίων του )  , έτσι τα μόρια των υδρατμών κατακρατούν μέρος της ενέργειας  των μορίων του  υγρού νερού γιαυτό και το νερό ψύχεται . Τώρα , μπορούμε πλέον να ορίσουμε την θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου . Η θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου ορίζεται  ως η θερμοκρασια που μια ποσότητα αέρα θα αποκτήσει, εαν ψυχθεί αδιαβατικα υπό σταθερή πίεση μέσω της εξάτμισης νερου στο κομμάτι αέραα αυτό , εως ότου να κορεστεί από υδρατμούς, εάν υποθέσουμε οτί όλη η λανθάνουσα θερμότητα κατά  την εξάτμιση του νερού δίνεται από την ποσότητα αέρα . Η θερμοκρασία αυτή πρακτικά είναι η θερμοκρασία που δείχνει ένα θερμόμετρο υδραργύρου όταν τυλίξουμε στην βάση του ένα βρεγμένο πανί και επιταχύνουμε την εξάτμιση . Όσο πιο ξηρός είναι ο αέρας τόσο μεγαλύτερη η εξάτμιση άρα και η ψύξη του αέρα γι αυτό όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας και θερμοκρασίας υγρού θερμομέτρου τόσο χαμηλότερη είναι η σχετική υγρασία. Είναι σαφές οτι η θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου είναι χαμηλότερη απο την πραγματική θερμοκρασία αφόυ δεσμεύεται από τον αέρα λανθάνουσα θερμότητα κατά την εξάτμιση του υγρού νερού . Άρα ελαττώνονται οι κινήσεις των μορίων του αέρα και κατ ‘ επέκταση η θερμοκρασία . Ωστόσο η θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου είναι πάντα πιο υψηλή απο το σημείο δρόσου γιατί ο αέρας  έρχεται πιο γρήγορα σε κορεσμό , αφού στους ήδη υπάρχοντες υδρατμούς προστίθενται οι υδρατμοί από την εξάτμιση του νερού . Η θερμοκρασία υγρού θερμομέτρο είναι ιδαίτερα χρήσιμη στο φαινόμενο της χιονόπτωσης , έχει παρατηρηθεί ότι όταν η θερμοκρασία υγρόυ θερμομέτρου έιναι μικρότερη ή ίση τωνμηδέν  βαθμών κελσίου ( 2 m πάνω από το έδαφος ) , τότε η διατήρηση του νερού σε στερεή μορφή μέχρι το έδαφος ( χιονονιφάδα ) είναι σχεδόν σίγουρη . Αυξημένες πιθανότητες χιονόπτωσης έχουμε μέχρι περίπου και τος 2 βαθμούς υγρού θερμομέτρου . Επίσης χρήσιμος δείκτης για την χιονόστρωση είναι η θερμοκρασία γρού θερμομέτρο 2cm πάνω από το έδαφος όμως ο υπολογισμός της είναι ιδιαίτερα δύσκολος ( κι εδώ για θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου μικρότερη ή ίση με το μηδέν η χιονόστρωση είναι σχεδόν σίγουρη ) .

Δείκτες PET και UTCI. Τι προσδιορίζουν και τι σημαίνουν για τον ανθρώπινο οργανισμό.

Μιας και τις επόμενες ημέρες η χώρα μας αλλα και μεγάλο μέρος της ανατολικής Ευρώπης και της Βαλκανικής χερσονήσου θα έρθει αντιμέτωπη με πολύ υψηλές θερμοκρασίες, που σε αρκετές περιοχές θα πληρούν τον όρο για να χαρακτηριστεί καύσωνας, αφου σε αρκετές περιοχές οι θερμοκρασίες θα ξεπεράσουν και τους 40 βαθμούς, ειναι καλή ευκαιρία να μάθουμε κάποια χρήσιμα στοιχεία. Όμως τι ακριβώς σημαίνει ο όρος καύσωνας και τι αντίκτυπο έχει στον ανθρώπινο οργανισμό; Σε γενικές γραμμές καύσωνας σημαίνει οταν η θερμοκρασία του αέρα ξεπερνάει την θερμοκρασία του σώματος, δηλαδη τους 37 βαθμους Κελσίου περίπου. Ενώ για κάθε περιοχή παίζει ρόλο και η διάρκεια που θα έχουν αυτές οι θερμοκρασίες, επίσης μεγάλο ρόλο παίζουν θερμοκρασίες που θα έχουμε κατα την διάρκεια της νύχτας, οι ελάχιστες τιμές δηλαδη, που συνήθως θα πρέπει να βρίσκονται πάνω απο τους 28 βαθμους, αλλα και η σχετική υγρασία, ο άνεμος, η νέφωση κτλ. Όλες αυτές οι παράμετροι λειτουργούν συνδυαστικά για να δώσουν την αίσθηση του καύσωνα σε κάθε άνθρωπο. Πως μπορούμε όμως να κατηγοριοποιήσουμε αυτές τις παραμέτρους, ώστε να μετρήσουμε όσο τον δυνατόν καλύτερη την θερμοκρασία που αισθάνεται ο ανθρώπινος οργανισμός όταν συνδυαστούν οι παραπάνω παράμετροι. Εδώ έρχονται οι δεικτες PET και UTCI που θα αναλύσουμε ευθύς αμέσως.

PET (Physiological Equivalent Temperature)

Η φυσιολογικά ισοδύναμη θερμοκρασία PET (Physiological Equivalent Temperature) ορίζεται ως εκείνη η θερμοκρασία στην οποία το ανθρώπινο σώμα έρχεται σε ισορροπία με το θερμικό του περιβάλλον. Ο υπολογισμός της πραγματοποιείται με εφαρμογή αναλυτικού μοντέλου το οποίο προσομοιώνει το ισοζύγιο θερμότητας του ανθρώπινου σώματος. Λαμβάνονται υπόψη οι επιδράσεις του ανέμου, της θερμοκρασίας, της τάσης των υδρατμών, του μεταβολισμού και του τρόπου ένδυσης.

UTCI (Universal Thermal Climate Index)

Ο UTCI (Universal Thermal Climate Index) είναι ο πιο σύγχρονος “σύνθετος” δείκτης θερμικής άνεσης, ο οποίος αναπτύχθηκε στα πλαίσια ενός πανευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος (COST Action 730, www.utci.org). Η ανάπτυξη του στηρίζεται στο ισοζύγιο θερμότητας του ανθρώπινου σώματος, ωστόσο διαφοροποιείται σημαντικά σε σχέση με τους προηγούμενους δείκτες. Η διαφοροποίηση έγκειται στο γεγονός πως ο UTCI αναπτύχθηκε, όπως δήλωνει άλλωστε και το όνομα του (universal), με βασικό κριτήριο τη δυνατότητα εφαρμογής του σε οποιοδήποτε περιβάλλον και κάτω από όλες τις δυνατές συνθήκες. Για το λόγο αυτό, αποτελεί ένα αρκετά χρήσιμο εργαλείο στην προσπάθεια πρόβλεψης της θερμικής άνεσης. Σε αντίθεση με τους προηγούμενους δείκτες, ο UTCI υπολογίζεται μέσα από πολυώνυμο πολύ μεγάλου βαθμού ως προς τις μετεωρολογικές παραμέτρους εισόδου. Παρά το γεγονός πως στηρίζεται σε θερμοφυσιολογικό μοντέλο και κάθε τιμή του αντιστοιχεί σε μοναδική θερμοφυσιολογική απόκριση, ο υπολογισμός του δεν απαιτεί τη γνώση προσωπικών παραμέτρων (π.χ. μεταβολισμός, τρόπος ένδυσης κ.α.), γεγονός που αποτελεί το συγκριτικό του πλεονέκτημα έναντι των προαναφερθέντων “σύνθετων” δεικτών. Πλεονέκτημα, το οποίο σχετίζεται κύρια με τη δυνατότητα εφαρμογής του συγκεκριμένου δείκτη σε συστήματα επιχειρησιακής πρόγνωσης του καιρού.

Πάμε να δούμε και σε γράφημα τώρα τι τιμές παίρνουν αυτοι οι δείκτες για την περιοχή της Θεσσαλονίκης ενα ανέφελο μεσημέρι της 1ης Ιουλίου. Οι μόνες παράμετροι που αλλάζουν εδωπερα ειναι η θερμοκρασία, η υγρασία και ο άνεμος. Ενω σαν δειγμα λαμβανεται ενας αντρας 35 ετων με υψος 1.75, στα 75 κιλα βαρος, με μετριο ρουχισμο και μετρια δραστηριότητα άσκησης, δηλαδη ενα χαλαρο περπάτημα ας πουμε.

PET, UTCI

Και πάμε να δούμε τώρα τις τιμές για αργα το βράδυ πως επηρρεάζονται:

PET, UTCI

Όπως βλέπουμε οταν εχουμε 30 βαθμους, με 20% υγρασία ο δείκτης PET έχει τιμή τους 48 βαθμούς και ο δεικτης UTCI τους 32. Με την ίδια θερμοκρασία αλλα με την υγρασία στο 85%, ο δείκτης PET αγγίζει τους 51 βαθμους και ο δεικτης UTCI τους 41.5, οπότε με αυτά τα κριτήρια άνετα χαρακτηρίζεται ημέρα καύσωνα μια ημέρα με αυτές τις συνθήκες, και ας εχει μονο 30 βαθμους. Οταν τώρα έχουμε άνεμο οι τιμές αυτές πέφτουν αισθητά, ας πουμε με 30 βαθμους, 20% υγρασία και άνεμο στα 40Km/h δηλαδη περιπου 5 μποφορ, ο δείκτης PET ειναι στους 30.8 βαθμους και ο UTCI στους 29.7, ενω με 85% υγρασια ειναι στους 32.9 και 34.1 βαθμους αντίστοιχα. Οπότε ο άνεμος βλέπουμε οτι παίζει καθοριστικό ρόλο ως προς την αίσθηση της ζέστης. Βέβαια απο ένα σημείο και μετά και ειδικα όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 35-36 βαθμους, οι δεικτες αυτοι παιρνουν τιμές πανω απο τους 40-41 βαθμους, οπότε οτι συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας και να επικρατήσουν εχουμε καύσωνα, και απλά το μόνο που κάνουν ειναι να επιτείνουν την  αίσθηση της ζέστης. Οπότε το γενικό συμπέρασμα ειναι οτι μια ημέρα με χαμηλή θερμοκρασία ας πουμε περι τους 30-31 βαθμους, με απουσία ανεμου και υψηλή υγρασία μπορει να εχει την ίδια αίθηση με μια ημέρα που να εχει 40 βαθμους, αλλα να εχει χαμηλή υγρασία και δυνατό άνεμο. Στον ανθρώπινο οργανισμό τουλάχιστον οι αντιδράσεις θα ειναι αντίστοιχες. Φυσικα για καθε ανθρωπο αυτες οι τιμες μεταβάλλονται αναλογα με το βαρος, τον ρουχισμό, τον σωματότυπο και άλλες παραμέτρους. Για αυτο καλό ειναι να γνωρίζουμε πάντα, στις ημέρες με πολυ ζέστη, τι υγρασία και ανεμος θα επικρατεί. Για αυτο το Northmeteo θα ειναι εδω να βγαζει ενδεικτικούς πίνακες για τις ημέρες που θα έχουμε καύσωνα.

Μαθήματα μικροφυσικής των νεφών στο παράθυρο ενός αεροπλάνου

Πολλές φορές βλέπουμε να σχηματίζονται κρύσταλλοι πάνω στο παράθυρο του αεροπλάνου. Σε αυτό το σύντομο άρθρο θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε δύο ερωτήματα:
1. Πως δημιουργούνται αυτοί οι παγοκρύσταλλοι;
2. Από τι εξαρτάται το σχήμα τους?

Πριν απαντήσουμε σε αυτές τις δύο ερωτήσεις θα πρέπει να εξοικιωθούμε με κάποιους όρους και διαδικασίες.

Η θεωρία Bergeron-Findeisen
Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία [Bergeron, 1935], η τάση των υδρατμών στην επιφάνεια ενός παγοκρυστάλλου είναι αρκετά μικρότερη από αυτήν στην επιφάνεια των μικρότερων νεφοσταγονιδίων. Για να γίνει πιο κατανοητή αυτή η πρόταση αρκεί να φανταστούμε απλουστευμένα ότι ο άερας ασκεί πολύ μικρότερη πίεση στα μόρια μίας ευρείας επιφάνειας σε σχέση με τα μόρια μίας περιορισμέμνης επιφάνειας. Για τον λόγο, λοιπόν, αυτόν, δημιουργείται μία ροή από τις υψηλότερες προς τις χαμηλότερες τάσεις υδρατμών και άρα από τα μικρά νεφοσταγονίδια προς τους μεγαλύτερους παγοκρυστάλλους. Με τον τρόπο αυτόν, σε ένα νέφος μικτής φάσης, όπου οι θερμοκρασίες κυμαίνονται μεταξύ 0 και -37oC και άρα η συνύπαρξη της υγρής (υπεψυγμένες σταγόνες) και της στερεάς (παγοκρυστάλλια) φάσης του νερού είναι δυνατή, οι παγοκρύσταλλοι θα αυξάνουν σε μέγεθους σε βάρος των νεφοσταγονιδίων.

bergeron

Δημιουργία υδροσταγόνων και παγοκρυστάλλων ετερογενώς
Για τη δημιουργία παγοκρυστάλλων σε πραγματικές συνθήκες, όπως και για τη δημιουργία υδροσταγόνων, συνήθως είναι απαραίτητη η ύπαρξη πυρήνων συμπύκνωσης (ετερογενής πυρηνοποίηση). Τέτοιοι μπορεί να είναι μικροσκοπικά κομμάτια πάγου ή κάποια άερζολς (πχ αφρικανική σκόνη, το αλάτι της θάλασσας, προιόντα αποσάθρωσης του εδάφους της γης κλπ). Αυτοί μεταφέρονται μέσω των ανοδικών ρευμάτων σε μεγαλύτερα ύψη και όντας μεγαλύτεροι από τα νεφοσταγονίδια, τα προσελκύουν. Έτσι δημιουργούνται οι πρώτες υδροσταγόνες. Αν αυτή η διαδικασία συμβεί σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 0oC, δημιουργούνται παγοκρυστάλλια. Ωστόσο, το σημείο πήξης του νερού εξαρτάται από τον πυρήνα συμπύκνωσης και το πόσο καλά αυτός «ταιριάζει» στην κρυσταλλική δομή του πάγου. Να σημειωθεί ότι το καθαρό νερό χωρίς προσμίξεις παγώνει σε θερμοκρασίες <-37οC [Houze, 2014]. Σχέση του σχήματος παγοκρυστάλλων με τη θερμοκρασία και υγρασία του περιβάλλοντος δημιουργίας τους
Στο παρακάτω σχήμα που αποτελεί προϊόν έρευνας των Kobayashi [1961], Magono and Lee [1966] και Bailey and Hallett [2009], φαίνεται κάτω από ποιες συνθήκες ένα παγοκρυστάλλιο θα πάρει κάποια συγκεκριμένη μορφή.

kobayashi

Έτσι λοιπόν, όταν στο παράθυρο του αεροπλάνου ξεμείνουν κάποιες μεγάλες σταγόνες αλλά και αρκετές μικρότερες που είναι ορατές σαν υγρασία πάνω στο τζάμι, κάποιες από αυτές θα παγώσουν νωρίτερα από κάποιες άλλες. Αυτό έχεις ως αποτέλεσμα, οι παγωμένες πλέον σταγόνες να προσελκύσουν τα μικρότερα υδροσταγονίδια και να αναπτυχθούν σε παγοκρύσταλλους. Το σχήμα των τελευταίων θα εξαρτάται από την εκάστοτε θερμοκρασία και υγρασία του αέρα. Ωστόσο, συνήθως παρατηρούμε οι κρύσταλλοι να έχουν αρκετά πιο περίπλοκα σχήματα από έναν απλό δενδρίτη ή εξάγωνο. Σύμφωνα με τους Bailey and Hallet [2009], σε θερμοκρασίες μεταξύ των -20 και -70οC (όπου συνήθως πετάει ένα αεροπλάνο), οι παγοκρύσταλλοι παίρνουν στηλόμορφες δομές ή ροζέτες ή συνδυασμό αυτών των δύο μοτίβων. Τέλος, είναι χαρακτηριστική η απουσία υδροσταγονιδίων περιφερειακά των παγοκρυστάλλων πάνω στο τζάμι (βλ. φώτο). Αυτό οφείλεται ακριβώς στη θεωρία Bergeron-Findeisen (που εξηγήθηκε νωρίτερα).

IMG_0981

Αναφορές

Bailey, Matthew P., and John Hallett. «A comprehensive habit diagram for atmospheric ice crystals: Confirmation from the laboratory, AIRS II, and other field studies.» Journal of the Atmospheric Sciences 66.9 (2009): 2888-2899.

Bergeron, T. 1935. On the physics of cloud and precipitation.Proc.5th Assembly U.G.G.I. Lisbon.Vol. 2, .p. 156.

Houze Jr, Robert A. Cloud dynamics. Vol. 104. Academic press, 2014.

Kobayashi, T. «The growth of snow crystals at low supersaturations.» Philosophical Magazine 6.71 (1961): 1363-1370.

Magono, C., and C. W. Lee, 1966: Meteorological classification of natural snow crystals. J. Fac. Sci., Hokkaido Univ., Ser. 7, 2, 321–335