ΜΑΘΗΜΑ  ΠΕΜΠΤΟ

ΥΔΡΟΣΥΜΠΥΚΝΩΣΕΙΣ

Όταν ο υγρός αέρας ψύχεται, με κάποιον τρόπο, τότε ψύχονται, προφανώς, και υδρατμοί που περιέχει. Όταν  όμως η θερμοκρασία των υδρατμών φθάνει στην τιμή Θd, γνωστή ως θερμοκρασία του σημείου δρόσου, τότε οι υδρατμοί παύουν να είναι αέριο (αόρατοι) και μετατρέπονται σε μια υγροσκοπική κατάσταση γνωστή με τον όρο νεφοσταγονίδια. (η ομίχλη είναι σύνολο νεφοσταγονιδίων). Η φυσική αυτή διαδικασία της μετατροπής των υδρατμών από αέρια σε υγρή-υγροσκοπική φάση ονομάζεται "συμπύκνωση" των υδρατμών. Με τη διαδικασία αυτή οι υδρατμοί αποβάλλουν ποσά θερμότητας της τάξεως (L=600 cal/gr), δηλ. αποβάλλουν τη "λανθάνουσα" θερμότητα  εξάτμισης που κουβαλούσαν ύστερα από τον σχηματισμό τους, λόγω εξάτμισης των επιφανειακών υδάτων, γενικώς.

Είναι όμως γεγονός ότι για να επιτευχθεί η συμπύκνωση των υδρατμών δεν αρκεί μόνον η ψύξη τους μέχρι το σημείο δρόσου. Θα πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχουν και οι "πυρήνες συμπύκνωσης". Οι πυρήνες αυτοί είναι, κυρίως, μικροσκοπικά σωματίδια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα.. Τα μόρια του NaCl, π.χ., που προέρχονται από την εξάτμιση των υδροσταγονιδίων που αποσπώνται από τις κορυφές των κυμάτων της θάλασσας, όταν υπάρχει θαλασσοταραχή, είναι ιδανικοί πυρήνες συμπύκνωσης. Επίσης και άλλα ιόντα ή μικροσκοπικά μερίδια σκόνης είναι πυρήνες συμπύκνωσης των υδρατμών. Έτσι, το κάθε νεφοσταγονίδιο περιλαμβάνει: τον πυρήνα του και υγροποιημένο-συμπυκνωμένο υδρατμό.

Πρέπει στο σημείο αυτό να αναφερθεί ότι: όταν η θερμοκρασία του σημείου δρόσου του αέρα είναι μικρότερη του μηδενός τότε η διαδικασία συμπύκνωσης οδηγεί στο σχηματισμό παγοκρυσταλλίων και όχι νεφοσταγονιδίων. Η μόνη διαφορά τους είναι ότι στα παγοκρυστάλλια οι υδρατμοί είναι στη στερεή τους φάση (πάγος) και όχι υγρή όπως στα νεφοσταγονίδια.

 Κάθε ορατό σύνολο από υδροσταγονίδια ή παγοκρυστάλλια ή από υδροσταγονίδια και παγοκρυστάλλια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα ονομάζεται σύννεφο. Τα σύννεφα, ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους, αποκαλούνται: α) Σύννεφα λόγω ανοδικών κινήσεων του υγρού αέρα, β) σύννεφα λόγω ατμοσφαιρικών διαταράξεων (μέτωπα, βαρομετρικά χαμηλά) και γ) σύννεφα λόγω ορογραφίας.

Το μέγιστο ύψος των νεφών δεν ξεπερνά τα 15 Km. Ανάλογα με το ύψος στο οποίο σχηματίζεται-βρίσκεται το κάθε νέφος, διακρίνουμε τέσσερις (4) ομάδες νεφών: α) τα κατώτερα, β) τα μέσα, γ) τα ανώτερα και δ) τα νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης.

Σχήμα 5.1

Στο Σχ. 5.1 απεικονίζονται οι 4 αυτές ομάδες με τα είδη των νεφών που περιλαμβάνει η κάθε μια. Διατηρούμε τη διεθνή ονοματολογία τους για καλύτερη, πιστεύουμε, ενημέρωση.

Ο όρος νέφωση αναφέρεται στο ποσοστό της έκτασης του ουράνιου θόλου που είναι καλυμμένος με νέφη. Η νέφωση εκφράζεται, διεθνώς, σε όγδοα καλυμμένου ουρανού. Δηλαδή, νέφωση (0) δηλώνει: ουρανός τελείως ακάλυπτος από νέφη. Νέφωση 8/8 δηλώνει: ουρανός τελείως καλυμμένος από νέφη (νεφοσκεπής).

Είναι προφανές ότι η νέφωση συνδέεται άμεσα με την ηλιοφάνεια, δηλ. το χρονικό διάστημα της ημέρας που ο ήλιος είναι ορατός και ανεμπόδιστα φτάνει στην επιφάνεια του εδάφους η ενέργειά του.

Η δρόσος είναι το αποτέλεσμα της συμπύκνωσης των υδρατμών, του παρεδάφιου ατμοσφαιρικού στρώματος, σε μορφή των γνωστών υδροσταγόνων (μεγάλο πλήθος νεφοσταγονιδίων) πάνω στη χλόη, τα φύλλα των δένδρων κ.λ.π.
Οι συνθήκες που ευνοούν τον σχηματισμό δρόσου είναι: α) ανέφελος ουρανός, β) άπνοια ή υποπνέων άνεμος και γ) αυξημένη υγρασία του παρεδάφιου ατμοσφαιρικού στρώματος. Με τέτοιες καιρικές συνθήκες η εκπεμπόμενη από το έδαφος "γήινη ακτινοβολία" συμβάλλει ώστε τα φύλλα των δένδρων και η χλόη, γενικότερα, να ψύχονται με έντονο σχετικά ρυθμό. Με τη διαδικασία αυτή της ψύξης κάποια στιγμή αποκτούν τη θερμοκρασία του σημείου δρόσου του εφαπτόμενου σ΄ αυτά υγρού ατμοσφαιρικού αέρα. Έτσι, οι υδρατμοί του αέρα συμπυκνώνονται, σε μορφή υδροσταγόνων, πάνω στα φύλλα, τη χλόη και το έδαφος, γενικότερα, αποδίδοντας το γνωστό μας φαινόμενο της δρόσου.

Το φαινόμενο της πάχνης είναι ακριβώς ανάλογο-αντίστοιχο εκείνου της δρόσου. Η διαφορά τους έγκειται στο γεγονός ότι η πάχνη, ως σύνολο παγοκρυσταλλίων και όχι νεφοσταγονιδίων, σχηματίζεται εάν και εφόσον η προβλεπόμενη "θερμοκρασία σημείου δρόσου" του παρεδάφιου αέρα είναι μικρότερη του μηδενός (Θ_d < 0°C) και μπορεί να επιτευχθεί λόγω ψύξης του εδάφους από τη διαδικασία εκπομπής της γήινης ακτινοβολίας.

Είναι δυνατόν αρκετά εκτεταμένη επιφάνεια του εδάφους να καλύπτεται από τους παγοκρυστάλλους αυτούς; οπότε τότε το έδαφος χαρακτηρίζεται ως παχνοσκεπές.
Η πάχνη είναι μάλλον καταστρεπτική για τα φυτά.

ΟΜΙΧΛΗ

Η ομίχλη είναι ένα παρεδάφιο νέφος, της μορφής stratus, το οποίο περιορίζει την οριζόντια ορατότητα κάτω του 1 Km. Το νέφος αυτό αποτελείται από υδροσταγονίδια - νεφοσταγονίδια που προέρχονται από τη συμπύκνωση του παρεδάφιου στρώματος του αέρα.
Ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού της ομίχλης, διακρίνουμε τους εξής τύπους:

1.    Ομίχλη ακτινοβολίας

Κατά τις αίθριες νύχτες (ξαστεριά) της χειμερινής περιόδου ο ρυθμός ψύξης του εδάφους, λόγω εκπομπής της γήινης ακτινοβολίας, είναι έντονος. Έτσι και το παρεδάφιο στρώμα του υγρού αέρα (κυρίως μέσα σε κοιλάδες) ψύχεται (ψύξη λόγω ακτινοβολίας) και η θερμοκρασία του κατεβαίνει μέχρι το σημείο δρόσου. Τότε, αν υπάρχουν πυρήνες συμπύκνωσης αρχίζει συμπύκνωση των υπαρχόντων υδρατμών υπό μορφή μικροσκοπικών υδροσταγονιδίων που τελικά, ως σύνολο, αιωρούνται κοντά στην επιφάνεια του εδάφους υπό μορφή νέφους. Τα αρχικά νεφοσταγονίδια συμπεριφέρονται ως "μέλανα" σώματα, στα μήκη κύματος των ακτινοβολιών που απορροφούν και έτσι συντηρείται η ψύξη και η συμπύκνωση του αέρα και καθ΄ ύψος. Το πάχος του παρεδάφιου αυτού νέφους είναι, κατά μέσο όρο, 300 m περίπου.

Σχηματίζεται μόνον κατά τη διάρκεια της νύχτας, πάνω από την ξηρά (πεδινές εκτάσεις και κοιλάδες) αλλά αν υπάρχει παρακείμενη θάλασσα είναι δυνατόν να μετακινείται και προς τη θάλασσα σε απόσταση μέχρι και 10 Km, περίπου.
Το είδος αυτό της ομίχλης είναι πολύ σύνηθες στα αεροδρόμια και της χώρας μας με τα γνωστά πάντοτε προβλήματα ματαιώσεων πτήσεων λόγω ομίχλης.
Η διάλυση της ομίχλης, με φυσικά αίτια, πραγματοποιείται μόνο με απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά την ημέρα, οπότε τα νεφοσταγονίδια εξατμίζονται ή με επιφανειακό άνεμο που συνήθως δεν υπάρχει καθ΄ ότι η προϋπόθεση σχηματισμού ομίχλης κατά τη νύχτα προϋποθέτει άπνοια.

2.    Ομίχλη μεταφοράς

Το είδος αυτό της ομίχλης είναι και πάλι ένα νέφος εδάφους, σύνολο υδροσταγονιδίων, που περιορίζει την οριζόντια ορατότητα κάτω από 1 Km. Ο τρόπος συμπύκνωσης των υδρατμών σε υδροσταγονίδια γίνεται λόγω μεταφοράς υγρών αερίων μαζών πάνω από περιοχές ψυχρότερες. Οι ομίχλες μεταφοράς έχουν μεγάλη συχνότητα εμφάνισης και στη χώρα μας και συνήθως συμβαίνουν με το πέρασμα "θερμών" ή "ψυχρών μετώπων".

3.    Ομίχλη βουνών

Ο τύπος αυτός της ομίχλης σχηματίζεται όταν υγρός επιφανειακός άνεμος κινείται ανοδικά στις πλαγιές βουνών. Η ανοδική αυτή κίνηση του αέρα, λόγω αδιαβατικής εκτόνωσης, οδηγεί σε ψύξη του μέχρι και το γνωστό "σημείο δρόσου" οπότε οι υδρατμοί συμπυκνώνονται σε νεφοσταγονίδια , το σύνολο των οποίων συνιστά την ομίχλη των βουνών.

4.    Ομίχλη εξάτμισης ή Θαλάσσιος καπνός

Ο τύπος αυτός της ομίχλης σχηματίζεται στην επιφάνεια των θαλασσών όταν συμβαίνει η θερμοκρασία του αέρα να είναι σχετικά χαμηλή και συγχρόνως να υπάρχει μεγάλη, σχετικά θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ αέρα και θάλασσας.
Στις περιπτώσεις αυτές έχουμε έντονη εξάτμιση του θαλάσσιου νερού οπότε οι παραγόμενοι υδρατμοί συμπυκνώνονται σχεδόν αμέσως μέσα στον παρακείμενο ψυχρό αέρα. Ο τύπος αυτός της ομίχλης παρατηρείται, συνήθως, στις θάλασσες, λίμνες και ποτάμια των μεγάλων γεωγραφικών πλατών και στις αρκτικές επίσης θάλασσες (arctic sea smoke).

5.    Ξηρή και υγρή αχλύς

Όταν ο περιορισμός της οριζόντιας ορατότητας είναι μικρότερος από 5 Km αλλά μεγαλύτερος από 1 Km τότε το αίτιο ονομάζεται "αχλύς". Τη διακρίνουμε σε ξηρή ή υγρή ανάλογα με το αν αυτή οφείλεται σε λεπτή σκόνη που αιωρείται ή είναι μικροσκοπικά αιωρούμενα υδροσταγονίδια.

ΥΕΤΟΣ

Με τον όρο "υετός" (αρχαία ελληνική λέξη) εννοούμε το σύνολο των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων που περιέχουν μετρήσιμη ποσότητα νερού σε μρφή: βροχής, χιονιού, χαλάζης, χιονόλυτου κ.ά. Προφανώς, τα νέφη είναι η μοναδική πηγή προέλευσης του υετού.
Οι σημαντικότερες μορφές υετού είναι:

Α. Βροχή

Ο όρος βροχή αναφέρεται στο φαινόμενο της πτώσης από το σύννεφο προς το έδαφος, των νεφοσταγονιδίων, σε μορφή των γνωστών βροχοσταγόνων. Είναι γεγονός ότι όλα τα νέφη δεν είναι βροχοφόρα και αυτό γιατί η βροχόπτωση γενικώς προϋποθέτει:
1)    τη συνύπαρξη των τριών φάσεων του νερού στο νέφος
2)    την ύπαρξη διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των γειτονικών περιοχών του νέφους.
3)    Την ύπαρξη αναταρακτικών κινήσεων μέσα στο νέφος.

Η βροχή είναι μία από τις βασικότερες μετεωρολογικές παραμέτρους. Εκείνο που ενδιαφέρει ιδιαίτερα είναι η ποσότητα του νερού που πέφτει σε μια επιφάνεια. Αυτή μετριέται με τα "βροχόμετρα" και εκφράζεται με το "ύψος βροχής" το οποίο ορίζεται ως εκείνο το ύψος στο οποίο θα έφτανε η στάθμη του νερού της βροχής αν έπεφτε πάνω σε μια οριζόντια επιφάνεια, αποκλείοντας τους παράγοντες: διαρροή, απορρόφηση και εξάτμιση.

Μονάδα μέτρησης του "ύψους βροχής" είναι, διεθνώς, το mm. Λέγοντας ύψος βροχής     1mm εννοούμε, στην πράξη, 1Kgr/m²  ή 1m³ νερού/στρέμα (10mm βροχής = 10Kgr/m² = 10 m³ νερού/στρέμα.

Μια άλλη χρήσιμη βροχομετρική παράμετρος είναι η ένταση ή ραγδαιότητα της βροχής που εκφράζεται με το ποσό της βροχής ανά μονάδα χρόνου.


Β. Το χιόνι

Το χιόνι είναι το συνηθέστερο από τα στερά υδροαποβλήματα. Αναφέρεται στο φαινόμενο της πτώσης παγοκρυσταλλίων που προέρχονται από ορισμένα νέφη και φθάνουν μέχρι το έδαφος χωρίς να τακούν. Αυτό προϋποθέτει, φυσικά, το στρώμα του αέρα κάτω από το σύννεφο και μέχρι το έδαφος να έχει θερμοκρασία μικρότερη του μηδενός.


Οι παγοκρύσταλλλοι αυτοί του χιονιού παρουσιάζουν πολύπλοκους, εξαγωνικούς συνήθως, σχηματισμούς. (Σχ. 5.2)
Όταν η θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού στρώματος είναι στην πρώτη αρνητική δεκάδα (μέχρι -10°C) τότε οι παγοκρύσταλοι του χιονιού παρουσιάζουν υγρή, σχετικώς, επιφάνεια και με τη σύγκρουση μεταξύ τους, κατά την πτώση τους, σχηματίζουν τις γνωστές "νιφάδες" χιονιού που, ως γνωστόν, παρουσιάζουν ακανόνιστο σχήμα και μεγάλες σχετικώς διαστάσεις και πέφτουν γι αυτό το λόγο σιγά-σιγά.
Στις πολικές περιοχές, όπου το παρεδάφιο ατμοσφαιρικό στρώμα έχει θερμοκρασίες χαμηλότερες από -10oC δεν σχηματίζονται νιφάδες. Εκεί, το χιονόστρωμα αποτελείται από κόκκους πάγου οι οποίοι όταν πνέουν άνεμοι μεταφέρονται από περιοχή σε περιοχή (παρασυρόμενο χιόνι).
Αξίζει να σημειωθεί ότι το έδαφος απορροφά από το χιονόστρωμα περισσότερο νερό απ΄ ότι από τις βροχές.
Το χιόνι μετριέται με το ύψος του χιονοστρώματος (20 πόντοι χιόνι, μισό μέτρο χιόνι κ.λ.π.) ή με το ισοδύναμο νερό που παίρνουμε όταν λιώσουμε το χιόνι που είναι τοποθετημένο μέσα στο βροχόμετρο.
Όταν το χιόνι τήκεται μερικώς κατά την πτώση του και πέφτει στο έδαφος ως λεπτή και ψυχρή βροχή τότε ονομάζεται "χιονόλυτος".

Γ. Το χαλάζι.

Οι γνωστοί μας "χαλαζόκοκκοι" δημιουργούνται μόνο μέσα στα νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης, τα γνωστά, δηλαδή, Cumulunibus (Cb) και αυτό είναι μια βασική διαφορά τους με τους "χιονόκοκκους". Η πιθανότερη άποψη για τον σχηματισμό των χαλαζόκοκκων είναι:

Στις ανώτερες περιοχές των νεφών του τύπου Cb η θερμοκρασία είναι πολύ κάτω του μηδενός και εκεί, για διάφορους λόγους, πιστεύεται ότι συμβαίνει αυτόματη πήξη των υδροσταγονιδίων που βρίσκονται εκεί σε "υπέρτηξη". Στη συνέχεια, οι αρχικοί αυτοί παγοκρύσταλλοι, λόγω των έντονων ανοδικών και καθοδικών κινήσεων που επικρατούν μέσα στα νέφη αυτά, συγκρούονται μεταξύ τους και αυξάνουν έτσι σε μέγεθος. Οι σχηματιζόμενοι έτσι χαλαζόκοκκοι όταν αποκτούν βάρος ικανό να υπερνικήσει την άνωση εγκαταλείπουν το νέφος και πέφτουν στην επιφάνεια του εδάφους πριν προφτάσουν να τακούν, δίνοντας έτσι το φαινόμενο του χαλαζιού ή της χαλαζόπτωσης.


Οι χαλαζόκοκκοι έχουν ακανόνιστο ή κυρίως σφαιρικό ή κωνικό σχήμα και οι διαστάσεις τους ποικίλλουν από μέγεθος μπιζελιού μέχρι πορτοκαλιού. (Σχ. 5.3)


Η θεωρία Bergeron - Findeisen για το σχηματισμό του υετού.

Η θεωρία αυτή ισχύει, κατ΄ αρχήν, μόνο για την περίπτωση που το συγκεκριμένο βροχοφόρο νέφος περιέχει νερό στις τρεις φάσεις του, δηλαδή υδρατμούς, υδροσταγονίδια και παγοκρυστάλλια.
Είναι γνωστό ότι η συνύπαρξη μέσα στο νέφος και των τριών φάσεων του νερού δημιουργεί αστάθεια. Είναι, επίσης, γνωστό (διάγραμμα του τριπλού σημείου) ότι η μέγιστη τάση των υδρατμών που συνυπάρχουν με παγοκρυστάλλια είναι μικρότερη εκείνης των υδρατμών που συνυπάρχουν με νεφοσταγονίδια σε υπέρτηξη. Νεφοσταγονίδια σε υπέρτηξη υπάρχουν , συνήθως, μέσα στα νέφη, ακόμη και σε θερμοκρασίες -30°C. Έτσι, δημιουργείται μέσα στη νεφική μάζα μια συνεχής ροή των υδρατμών από τα νεφοσταγονίδια σε υπέρτηξη (μεγάλη e_s). Με τον τρόπο αυτό πετυχαίνεται τελικά αύξηση των παγοκρυσταλλίων σε μέγεθος και βάρος, οπότε κάποια στιγμή αυτά εγκαταλείπουν το νέφος και πέφτουν προς το έδαφος.
Τα παγοκρυστάλλια αυτά όταν κατά την πτώση τους συναντούν ατμοσφαιρικό στρώμα με θερμοκρασία μεγαλύτερη του μηδενός τήκονται και πέφτουν ως βροχοσταγόνες -βροχή, διαφορετικά πέφτουν ως χιονόκοκκοι - χιόνι.


Στο Σχ. 5.4 φαίνεται η όλη διαδικασία σχηματισμού παγοκρυσταλλίων μεγάλου, σχετικά, μεγέθους ώστε να εγκαταλείψει τη νεφική μάζα, σύμφωνα με τη θεωρία Bergeron - Findeisen. Η όλη αυτή διαδικασία λειτουργεί ικανοποιητικά στα στρωματόμορφα νέφη, πάχους 2-4 Km.


Η Θεωρία της "σύγκρουσης και συνένωσης" των νεφοσταγονιδίων.

Η θεωρία αυτή αναφέρεται στα νέφη, των τροπικών κυρίως περιοχών, που δεν περιέχουν στην νεφική τους μάζα παγοκρυστάλλια.
Στην περίπτωση αυτή, σύμφωνα με τη θεωρία "σύγκρουσης και συνένωσης" των νεφοσταγονιδίων, ισχύει:
Ως γνωστόν, η μέγιστη τάση των υδρατμών e_s γύρω από μια σφαιρική επιφάνεια είναι αντιστρόφως ανάλογος της ακτίνας της σφαιρικής αυτής επιφάνειας. Η τάση, δηλαδή, των υδρατμών γύρω από τα μικρά, σε μέγεθος, νεφοσταγονίδια είναι μεγαλύτερη εκείνης γύρω από τα μεγαλύτερα, σε μέγεθος, νεφοσταγονίδια.
Έτσι, εμφανίζεται μια συνεχής ροή των υπαρχόντων στη νεφική μάζα υδρατμών προς τα μεγαλύτερα νεφοσταγονίδια. Στη συνέχεια, λαμβάνει χώρα σύγκρουση και συνένωση των νεφοσταγονιδίων αυτών, με τελικό αποτέλεσμα τη δημιουργία βροχοσταγόνων, ικανών να εγκαταλείψουν το νέφος και να πέσουν προς το έδαφος ως βροχή.


Στο Σχ. 5.5  φαίνεται ο ως άνω μηχανισμός δημιουργίας βροχοσταγόνων σύμφωνα με τη θεωρία αυτή.
Σημειώνεται ότι η ύπαρξη μέσα στη νεφική μάζα νεφοσταγονιδίων διαφορετικού μεγέθους οφείλεται στο γεγονός ότι οι πυρήνες συμπύκνωσης δεν είναι όλοι όμοιοι, ούτε ως προς το μέγεθος, ούτε ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες.