Masy powietrza

Masą powietrza nazywamy dużą objętość powietrza o wymiarach poziomych rzędu tysięcy kilometrów i pionowych rzędu kilku kilometrów. Charakteryzuje się ona pewną jednorodnością swoich właściwości, np. temperaturą, wilgotnością, zapyleniem. Strefy przejściowe między masami powietrza o różnych właściwościach noszą nazwę powierzchni frontowych.

Masa powietrza zalegająca dłuższy czas (kilka dni) nad danym obszarem nabiera cech tego obszaru. Obszary, nad którymi kształtują się masy powietrza, to obszary źródłowe. Duża objętość powietrza, która zalega przez pewien czas, np. w rejonie polarnym, stanie się chłodniejsza w porównaniu do tej, która zalega nad zwrotnikiem. Masa powietrza znajdująca się dłuższy czas w obszarze źródłowym przejmuje określone właściwości od podłoża w wyniku turbulencyjnej wymiany ciepła i wilgoci oraz dzięki radiacyjnym procesom ochładzania i ogrzewania się na różnych wysokościach. Proces formowania się masy powietrza można uznać za zakończony, jeżeli temperatura powietrza w całej objętości masy osiągnie stałą wartość, która jest charakterystyczna dla warunków bilansu cieplnego danego obszaru geograficznego w danej porze roku. Wybitnie sprzyjające warunki do formowania się mas powietrza o określonych własnościach panują nad oceanami i obszarami pustyń.

Występujące na kuli ziemskiej masy powietrza są zazwyczaj klasyfikowane według kryterium termicznego lub geograficznego.

Kryterium termiczne

Zgodnie z kryterium termicznym wyróżnia się ciepłą i chłodną masę powietrza. Masę powietrza, która w czasie przemieszczania się nad danym obszarem stopniowo ochładza się, nazywamy ciepłą, a masę, która podczas przemieszczania stopniowo ogrzewa się, nazywamy chłodną. Ciepła masa powietrza oddaje ciepło podłożu, nad którym się przemieszcza. Chłodna masa powietrza pochłania ciepło od podłoża.

ciepłej masie powietrza z reguły możemy mówić, gdy powietrze:

  • przemieszcza się z niższych szerokości geograficznych w kierunku wyższych szerokości geograficznych;

  • przemieszcza się znad otwartego, wolnego od lodu akwenu morskiego nad tę jego część, która jest pokryta lodem;

  • przemieszcza się podczas zimy znad oceanu nad ląd;

  • napływa w porze letniej z wnętrza kontynentu nad obszary morskie.

Napływowi ciepłej masy powietrza początkowo towarzyszą zmiany elementów meteorologicznych związane z frontem ciepłym. Ciśnienie atmosferyczne ulega obniżeniu, wzrasta prędkość wiatru, pojawiają się narastające zachmurzenie i ciągłe opady deszczu, mżawki, w chłodnej porze śniegu, przechodzące w opady śniegu z deszczem, a następnie deszczu. Temperatura powietrza krótkotrwale obniża się, aby ponownie wzrosnąć. Po przejściu frontu na obszarze, nad którym zalega ciepła masa powietrza, ciśnienie atmosferyczne stabilizuje się, słabnie prędkość wiatru, maleje zachmurzenie i zanikają opady.

W Europie napływ ciepłych mas powietrza łączy się z wystąpieniem mgieł adwekcyjnych. Zjawisko to obserwuje się najczęściej zimą i wczesną wiosną. Reprezentatywną cechą ciepłych, kontynentalnych mas powietrza jest zmniejszona widzialność pozioma spowodowana dużym zapyleniem powietrza (np. napływ powietrza znad obszaru Afryki Północnej nad Atlantyk lub Morze Śródziemne).

Cechy chłodnej masy z reguły występują w masie powietrza, gdy powietrze:

  • przemieszcza się z wyższych szerokości geograficznych w kierunku niższych szerokości geograficznych;

  • przemieszcza się znad zlodzonych części akwenów morskich nad obszary wodne wolne od pokrywy lodowej;

  • napływa w zimie znad wychłodzonego lądu nad ocean;

  • napływa latem znad ciepłego morza nad silniej nagrzany ląd.

Chłodna masa powietrza, napływając nad dany obszar, nagrzewa się. Początkowo towarzyszą temu intensywne, czasem nawet gwałtowne zmiany elementów meteorologicznych związane z frontem chłodnym. Następuje konwekcja termiczna tworząca chmury. Towarzyszą im opady przelotne, często intensywne (latem deszcz, grad, burze, zimą – krótkotrwałe opady śniegu), z którymi występować może silny i porywisty wiatr, czyli szkwał. Nadciągająca chłodna masa powietrza sprzyja zmiennemu zachmurzeniu nieba. Wartości elementów meteorologicznych w chłodnych masach powietrza podlegają silnym wahaniom dobowym (przede wszystkim temperatura i wilgotność).

Rozpoznanie przemieszczających się nad danym obszarem mas powietrza jest kluczowe dla prognozy pogody. Znajomość cech fizycznych napływającego powietrza i skutków procesów zachodzących między podłożem a przemieszczającymi się nad nim masami powietrza ma ważne znaczenie w poprawnym przewidywaniu pogody oraz sytuacji pogodowych, jakie ukształtują się za kilka, kilkanaście lub kilkadziesiąt godzin.

Kryterium geograficzne

Przebywając wystarczająco długo nad jednolitym podłożem, masa powietrza nabiera cech określonych właściwościami tego podłoża i czynnikami geograficznymi, takimi jak: szerokość geograficzna, bilans promieniowania, pora roku itp. Kryterium geograficzne uwzględnia zależność cech mas powietrza od położenia geograficznego obszarów źródłowych.

W zależności od położenia geograficznego obszaru źródłowego danej masy powietrza wyróżnia się następujące główne masy powietrza:

  • powietrze arktyczne (PA) - na półkuli południowej antarktyczne (A),

  • powietrze polarne (PP) - w umiarkowanych szerokościach geograficznych,

  • powietrze zwrotnikowe (PZ),

  • powietrze równikowe (PR lub R).

R1T5spbnUQjIj
Masy powietrza i fronty atmosferyczne
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W zależności od rodzaju obszaru, nad którym zalegają masy powietrza, wyodrębnia się powietrze morskie (m) lub kontynentalne (k). Masy powietrza równikowego wyróżnia się niezależnie od ich położenia nad lądem lub oceanem. Masy powietrza dzielimy więc na: PAk, PAm, PPk, PPm, PZk, PZm oraz PR. Dla powietrza równikowego nie wyodrębnia się masy morskiej i kontynentalnej, ponieważ w powietrzu równikowym masy kształtowane nad oceanem i nad wilgotnym kontynentem różnią się nieznacznie.

Na półkuli północnej zarówno latem, jak i zimą największe obszary zajmują masy powietrza zwrotnikowego, które są w zasięgu stałych układów wyżowych. Najmniejszą powierzchnię zajmuje powietrze arktyczne i polarne. Podobne rozmieszczenie mas powietrza jest na półkuli południowej. Powietrze równikowe zalega zaś przez cały rok nad powierzchnią równą ok. 13% kuli ziemskiej. Dzieje się tak, ponieważ w strefie zbieżności pasatów spotykają się masy pochodzące z dwóch półkul. Tworzy się między nimi front rozciągający się nieprzerwanie wokół kuli ziemskiej.

Wymienione wyżej rodzaje mas powietrza w ciągu roku zmieniają położenie. Zmiany te związane są z ogólną cyrkulacją atmosfery, wywołaną zmianami  kąta padania promieni słonecznych (deklinacji SłońcaDeklinacja słońcadeklinacji Słońca) i pór roku oraz różnicą w nagrzewaniu się obszarów lądowych i morskich. Przyczyną cyrkulacji powietrza w troposferze są różnice w ogrzewaniu powierzchni Ziemi uzależnione od szerokości geograficznej. Różnice w ogrzewaniu powierzchni wywołują różnice w ogrzewaniu powietrza. Powietrze ciepłe – jako lżejsze od zimnego – unosi się, a zimne opada. Na całej kuli ziemskiej powstają w ten sposób wyże i niże baryczne. Zróżnicowanie ciśnienia jest przyczyną przemieszczania się mas powietrza.

Deklinacja słońca
R9F3kZJSjNMQS
Rozkład ciśnienia atmosferycznego na świecie w styczniu
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1TtEc0mbBny4
Rozkład ciśnienia atmosferycznego na świecie w lipcu
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Rodzaje frontów atmosferycznych

Obszar atmosfery, który stanowi strefę przejściową między dwiema różnymi masami powietrza, nazywa się powierzchnią frontową. W miejscu jej przecięcia się z powierzchnią Ziemi front atmosferyczny wyznacza linię frontu. Powierzchnia frontowa jest warstwą o grubości rzędu kilkuset metrów (czasem 1 do 2 km), nachyloną względem powierzchni Ziemi pod bardzo małym kątem. Linia przecięcia się powierzchni frontalnej z powierzchnią Ziemi jest również strefą o szerokości kilkudziesięciu kilometrów. Jest to niewiele w porównaniu z wymiarami poziomymi mas powietrza i w związku z tym na mapach synoptycznych przedstawia się je za pomocą linii.

Fronty atmosferyczne powstają nieustająco – przechodzą określone fazy rozwoju i zanikają.

Do powstania frontu konieczne jest wzajemne zbliżenie dwóch różnych mas powietrza i towarzyszący temu wzrost poziomych gradientów temperatury. Front jest strefą dynamicznych zmian nie tylko temperatury, ale również ciśnienia i wiatru.

Ze względu na liczbę mas powietrza, którą rozdzielają, wyróżniamy:

  • fronty proste – rozdzielają dwie masy powietrza

  • fronty złożone (zokludowane, okluzja) – rozdzielające trzy masy powietrza.

Ze względu na znaczenie w ogólnej cyrkulacji atmosfery wydzielamy:

  • fronty główne – oddzielające podstawowe geograficzne rodzaje mas powietrza,

  • fronty wtórne – oddzielające różne części tej samej głównej masy powietrza.

Fronty główne rozdzielają podstawowe geograficzne rodzaje mas powietrza. Ze względu na różne właściwości tych mas powietrza fronty te nazywa się również klimatologicznymi.

Wyróżnia się:

  • front arktyczny – oddzielający masy powietrza arktycznego od polarnego,

  • front antarktyczny – oddzielający masy powietrza antarktycznego od polarnego,

  • fronty polarne – oddzielające powietrze polarne od zwrotnikowego,

  • fronty zwrotnikowe (zwane również równikowymi) – oddzielające masy powietrza zwrotnikowego od powietrza równikowego.

R9JlURZnv8Pco1
Przekrój pionowy przez troposferę – schemat
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., oprac. na podstawie A. Woś, Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996, licencja: CC BY-SA 3.0.

Położenie głównych frontów ulega zmianie i w poszczególnych dniach może znacznie odbiegać od ich położenia średniego. Rozpatrując na mapach położenie głównych frontów klimatologicznych w różnych porach roku, można wydzielić obszary, nad którymi w ciągu roku przeważają masy powietrza danego rodzaju, a także te, nad którymi przeważa ponawiająca się wymiana mas powietrza różnorakiej genezy. Fronty atmosferyczne zazwyczaj przemieszczają się z zachodu na wschód, ponieważ w średnich szerokościach geograficznych, gdzie fronty powstają, częstsze są wiatry zachodnie. Jednak szczególnie w niższych warstwach atmosfery fronty mogą być modyfikowane przez różne elementy środowiska geograficznego, jak góry czy duże zbiorniki wodne.

W zależności od przemieszczania się (rodzaju adwekcji) fronty można podzielić na:

  • chłodne – adwekcja masy chłodnej,

  • ciepłe – adwekcja masy ciepłej,

  • zokludowane – powstające wskutek połączenia się frontu chłodnego z ciepłym.

RpFyoeClCMZog
Rys. 8. Sposoby prezentowania frontów na mapach synoptycznych
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Front ciepły

Powstaje wtedy, gdy powietrze ciepłe (lżejsze) przemieszcza się (zwykle z prędkością 15–20 km/h) i wślizguje się na powietrze chłodne, jednocześnie stopniowo je wypiera. Wówczas to ciepłe powietrze unosi się, ochładza, osiąga temperaturę punktu rosy, następuje kondensacja pary wodnej, powstają chmury (najpierw Ci, następnie Cs i As, a bezpośrednio na froncie – Ns, a czasem dodatkowo St), a następnie opady deszczu. Są one zwykle mało intensywne, lecz długotrwałe (nawet kilkudniowe), gdyż szerokość strefy frontu ciepłego obejmuje zwykle około 300–600 km (ze względu na niewielki kąt nachylenia powierzchni frontu), a szerokość strefy chmur – nawet do 1000 km.

Na mapach synoptycznych jest on oznaczany zwykle czerwoną linią z czerwonymi półkolami zwróconymi w stronę powietrza chłodniejszego (w stronę przemieszczania się frontu).

RpyhfQba9wzF8
Uproszczony schemat ciepłego frontu atmosferycznego na mapie synoptycznej na tle wartości temperatury powietrza (°C)
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.
RGGOOCHR25G4X
Schemat prezentujący przejście frontu ciepłego
Źródło: Englishsquare .pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, oprac. na podstawie: www.mojapogoda.com/leksykon-meteorologiczny/fronty-atmosferyczne.html.
R1O8FA65EXLF31
Zmiany elementów meteorologicznych podczas przechodzenia frontu ciepłego
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, oprac. na podstawie: A. Woś, Zarys klimatu Polski, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 1996.

Front chłodny

Powstaje wtedy, gdy powietrze zimne (cięższe) przemieszcza się (z prędkością 25–50 km/h) i wpływa pod powietrze ciepłe (lżejsze), które jest wypychane w górę. Wówczas to ciepłe powietrze ulega ochłodzeniu i kondensacji, powstają chmury (głównie chmury kłębiaste: Cu i Ac, a bezpośrednio na froncie: Cb) i opady atmosferyczne (krótkotrwałe – maksymalnie dwugodzinne, lecz intensywne, często z wyładowaniami atmosferycznymi czy gradem w ciągu lata lub intensywnymi śnieżycami w ciągu zimy). Strefa frontu obejmuje zwykle około 50–200 km ze względu na duży kąt nachylenia powierzchni frontowej. Jest to również przyczyna silnych prądów wstępujących i intensywnej kondensacji pary wodnej, prowadzących do rozwoju silnie rozbudowanych w pionie chmur.

Na mapach synoptycznych jest on oznaczany zwykle niebieską linią z niebieskimi trójkątami (ząbkami) zwróconymi w stronę powietrza cieplejszego.

R1Fv1hW9F5EHX
Uproszczony schemat chłodnego frontu atmosferycznego na mapie synoptycznej na tle wartości temperatury powietrza (°C)
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.
RS8QPOHMOAN64
Schemat prezentujący przejście frontu chłodnego
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, oprac. na podstawie: www.mojapogoda.com/leksykon-meteorologiczny/fronty-atmosferyczne.html, licencja: CC BY-SA 3.0.
R1MXCCNSH37LK1
Zmiany elementów meteorologicznych podczas przemieszczania się frontu chłodnego
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, Oprac. na podstawie: A. Woś, Zarys klimatu Polski, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 1996.
Fronty atmosferyczne- film edukacyjny
R6TK3FQ6BT2CU
Film charakteryzuje front ciepły.

Front zokludowany

Zjawisko łączenia się frontów nazywamy okluzją, a nowy front – frontem zokludowanym. Jeżeli chłodna masa powietrza za frontem chłodnym jest cieplejsza od masy chłodnego powietrza za frontem ciepłym, dochodzi do okluzji ciepłej. Powierzchnia frontowa frontu ciepłego przecina się z powierzchnią Ziemi i wyznacza przebieg frontu dolnego. Jeżeli chłodna masa powietrza za frontem chłodnym jest chłodniejsza od masy powietrza chłodnego za frontem ciepłym, to w wyniku połączenia się dochodzi do okluzji chłodnej.

R115BPH5FAN25
A – Schemat powstawania zjawiska okluzji
B – Powstawanie okluzji o charakterze frontu ciepłego
C – Powstawanie okluzji o charakterze frontu chłodnego
Źródło: A. Woś, Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000, Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu).

Chłodne masy powietrza różnią się między sobą temperaturą. W przypadku gdy masa powietrza doganiająca jest cieplejsza od tej przed nią, powstaje front zokludowany ciepły. Towarzyszy mu określone następstwo rodzajów chmur. Najpierw możemy zaobserwować chmury piętra wysokiego Ci (cirrus), które z biegiem czasu przechodzą w Cs (cirrostratus). Następnie pojawiają się położone niżej i gęstsze chmury As (altostratus). Ostatni etap rozwoju zachmurzenia to obecność chmur deszczowych Ns (nimbostratus), którym towarzyszą rozbudowane chmury burzowe Cb (cumulonimbus). W miarę upływu czasu ten układ zachmurzenia ulega rozmyciu i pozostaje układ chmur niskich typowy dla frontu ciepłego.

R1UU7EPE5L8QA
Przekrój pionowy przez okluzję o charakterze frontu ciepłego
Źródło: A. Woś, Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000, Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu).

Okluzji o charakterze frontu ciepłego na początku towarzyszą opady ciągłe związane z chmurami rodzaju Ns. Następnie opady te przechodzą w ulewy związane z chmurami Cb. Następnie można zaobserwować można mżawki oraz mgłę związane z zachmurzeniem rodzaju St (stratus). Typ okluzji ciepłej występuje częściej niż okluzji chłodnej.

Drugi z typów frontu zokludowanego ma charakter frontu chłodnego. Powstaje, gdy następująca masa powietrza ma temperaturę niższą od masy powietrza poprzedzającej. Frontowi temu towarzyszy niezbyt duże zachmurzenie. Układ chmur jest po części zbliżony do tego obserwowanego przy okluzji ciepłej. Po wystąpieniu chmur piętra wysokiego (Ci, Cs) oraz średniego (As) następuje wyraźny rozwój chmur o budowie pionowej Cu i Cb (cumuluscumulonimbus).

R11BU22PZH3EX
Przekrój pionowy przez okluzję o charakterze frontu chłodnego
Źródło: A. Woś, Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000.

W przypadku tego frontu tworzy się wyraźna strefa opadów przelotnych. Z czasem układ zokludowany może przekształcić się w prosty front chłodny.

Główną różnicą między okluzjami jest położenie frontu dolnego i jego stosunek do frontu górnego. W przypadku okluzji ciepłej front górny wyprzedza front dolny o 200–300 km. Przy okluzji chłodnej front górny podąża 40–60 km za frontem dolnym.

RYmr6HzlpwPBv
Okluzja frontów
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Układy baryczne i warunki pogodowe w pytaniach i odpowiedziach

Pytanie

Odpowiedź

Czy opady występują tylko wtedy, kiedy przechodzi front atmosferyczny?

Nie, opady zależą także od czynników lokalnych. Na przykład mogą wystąpić popołudniem w gorący, letni dzień na skutek silnej konwekcji. Prawdą jest jednak, że opad zawsze towarzyszy przechodzeniu frontów.

Czy fronty atmosferyczne mają początek w niżu i wyżu?

Nie, fronty atmosferyczne swój początek biorą w niżu atmosferycznym.

Czy ciepło jest wtedy, kiedy rozwija się wyż atmosferyczny, a zimno, kiedy jest niż?

Nie ma to znaczenia, który z układów barycznych występuje w danym momencie. O temperaturze decyduje przede wszystkim napływ mas powietrza o określonych właściwościach i pora roku.

Czy jeżeli występują koło siebie wyż i niż atmosferyczny, to zawsze powstanie front?

Nie. Warunkiem koniecznym jest to, aby wyż i niż występowały w różnych masach powietrza. Jeżeli oba wystąpią w tej samej masie, nie dojdzie do powstania frontu atmosferycznego.

Czy na mapach synoptycznych wyże atmosferyczne mają zawsze powyżej 1013 hPa, a niże poniżej?

Nie zawsze. 1013,25 hPa to wartość tzw. normalnego ciśnienia atmosferycznego, liczonego w odniesieniu do poziomu morza. To prawda, że ciśnienie niższe określa się mianem niżu, a wyższe – wyżu. Na mapach synoptycznych może jednak dojść do sytuacji, kiedy np. na całym analizowanym obszarze ciśnienie jest bardzo wysokie i nie ma obszarów o ciśnieniu niższym niż np. 1020 hPa. Wówczas, jeżeli wystąpi zamknięty układ izobar o malejącym ciśnieniu do wewnątrz, zostanie on oznaczony przez synoptyka jako niż (mimo że wartość jego jest wyższa niż 1013 hPa).