Uvodni dio
Jedan od glavnih zadataka meteorologije jest prognoza vremena u budućnosti. Da bi bili u mogućnosti izraditi bilo kakvu prognozu vremena, moramo poznavati vrijeme u nekom određenom trenutku. Ta tvrdnja polazi od činjenice da je VRIJEME stanje atmosfere u nekom trenutku i na nekom području; a buduće stanje će uvijek zavisiti od prošloga. Moderna prognoza vremena, gotovo isključivo se temelji na numeričkim modelima koji simuliraju ponašanje atmosfere u vremenu. Metode kojima se izračunava buduće stanje atmosfere u zavisnosti od prošloga se temelje na diferencijalnim jednadžbama stanja, a koje se izračunavaju putem jakih računala u prognostičkim centrima diljem svijeta. Najpoznatiji od njih su svakako sistem za prognozu na čitavoj zemaljskoj kugli – GFS, ili model za prognozu lokalnih razmjera kao Aladin. Ulazni parametri takvih prognoza (varijable) su meteorološki elementi koji se očitavaju na meteorološkim postajama diljem svijeta.
Točnost takvih modela zavisi od mnogo faktora. Naime, i uz idealne ulazne parametre (npr. točnu temepraturu na 5 decimala i slično), zbog famozne teorije kaosa, kada atmosfera prestane slijediti deterministički režim ponašanja, svi modeli padaju u vodu i prognoza vremena je tada nemoguća. Srećom, atmosfera dosta dobro slijedi deterministički režim 10-tak dana unaprijed (nekad više, nekad manje), pa je prognoza putem ovakvih modela iznimno zahvalna. Međutim, na točnost modela znatno će utjecati točnost ulaznih parametara. Pogreške u ulaznim parametrima se skupo plaćaju, na način da u trenutku kada je atmosfera na rubu determinističkog režima (prosječno cca tjedan dana unaprijed, pa čak i manje), jedan pogrešan ulazni parametar vodi prognostički model u sasvim krivom smjeru, i tada je prognoza kako bi se reklo “skroz fulana”. Zbog toga je važno da su instrumenti kojima mjerimo stanje atmosfere, što je moguće točniji, i da motritelj koji ih “čita” (ako nije automatizirano očitavanje) radi svoj posao najsavjesnije što može.
Instrumenti za prizemna meteorološka mjerenja
TEMPERATURA ZRAKA
Temperatura jest stupanj zagrijanosti neke tvari. U ovom slučaju, ta tvar je smjesa plinova koju nazivamo zrak. Jedinica za mjerenje temperature u SI sustavu je Kelvin (K), međutim za mjerenje i izražavanje temperature uobičajeno je koristiti jedinicu Celzijusov stupanj, odnosno na Američkom kontinentu Fahrenheitov stupanj. Veza između kelvina i Celzijusovog stupnja dana je izrazom T (K) = 273,15 + t (°C).
Uređaj kojim mjerimo temperaturu zraka naziva se termometar . Osim termometra još se koristi i termograf. Termometar prikazuje trenutačnu temperaturu, a termograf ju bilježi kroz vrijeme na papir ili elektronički medij. Termometri koji se koriste u meteorološke svrhe su:
– obični (suhi);
– u paru sa običnim koristi se mokri termometar za određivanje vlažnosti;
– minimalni i maksimalni (zajednički zvani ekstremni termometri)
Obični (suhi) termometar mjeri temperaturu zraka po Celzijusovoj skali. Napunjen je živom koja se slobodno širi u cjevčici s vakuumom u zavisnosti od njezine temperature. Dakle, termometar zapravo ne mjeri temperaturu zraka, već temperaturu žive u cjevčici, no temperatura žive se vrlo brzo prilagođava i prati temperaturu zraka, pod uvjetom da ne dolazi do njezinog izravnog zagrijavanja zračenjem toplinske energije s raznih izvora poput Sunca, tla i slično. Skala mu je podijeljena na cijele celzijusove stupnjeve, a ponekad i na manje jedinice, kao npr. desetinke stupnja.
Minimalni termometar prati temperaturu zraka dok ona opada; u trenutku kad ona počne rasti, on se zaustavlja na najnižoj izmjerenoj vrijednosti. Na taj način on bilježi minimalnu temperaturu dostignutu tijekom dana (standardno između 07h prethodnog i 07h dotičnog dana). Punjen je alkoholom, a minimalnu temperaturu bilježi pomoću malog štapića kojeg alkohol vuče prema nižoj temepraturi dok ona opada; kada temperatura počne rasti, alkohol prolazi pored štapića i on ostaje na minimalno dostignutoj vrijednosti.
Maksimalni termometar prati temeratutu zraka dok ona raste; u trenutku kada ona počne opadati on ostaje na najvišoj dostignutoj vrijednosti, i na taj način bilježi maksimalnu dnevnu temperaturu (standardno između 21h prethodnog i 21h dotičnog dana). Punjen je živom i radi na principu pucanja niti žive na pregibu iznad spremnika, u trenutku kada ona počne opadati. Takav termometar svi imate doma za mjerenje tjelesne temperature.
Termograf konstantno mjeri temperaturu zraka u vremenu, i izmjerene podatke bilježi na papir ili elektronički medij, ovisno o izvedbi. Klasični termograf ima bubanj na kojem je namotan papir; bubanj se vrti oko svoje osi pomoću satnog mehanizma, a ručica sa perom i tintom klizi po njemu i ostavlja trag koji označava izmjerenu temperaturu. Općenito je manje precizan od običnog termometra. Elektronički termografi bilježe temperaturu u memoriji. Kao i svi drugi elektronički termometri, imaju osjetilni element koji može raditi na više principa (termootpornik, galvanski članak i sl.). Preciznost im je najčešće upitna pa se ne koriste za ozbiljna mjerenja.
Standardno, temperatura zraka se mjeri na 2 metra visine iznad tla, na mjestu koje je zaklonjeno od izravnog sunčevog ili bilo kojeg drugog toplinskog zračenja (npr. dugovalnog sa Zemljine površine). Također, termometar ne smije biti izložen izravnom utjecaju vjetra. Najbolje mjesto koje će osigurati navedene uvjete jest termometrijska kućica (zaklon).
Minimalna temperatura zraka, osim na 2 metra visine, mjeri se i na 5 centimetara iznad tla. Ona je najčešće 2-3, pa i više celzijevih stupnjeva niža nego ona na 2m, zbog jakog noćnog hlađenja tla. Ta razlika je izraženija nad kopnom nego morem, pri vedrim noćima, te u kotlinama. Zavisi mnogo i o vrsti tla (jače nad kamenom nego nad travom i slično). Znatno zavisi i o brzini vjetra, što je ona veća, razlika je manja. Temperatura na 5cm visine je bitna zbog pojave mraza.
Termometar
VLAŽNOST ZRAKA
Vlažnost zraka se može izraziti na više načina; npr. kao relativna vlažnost (najčešće), zatim kao apsolutna vlažnost, omjer mješanja, tlak vodene pare i još poneki. Sve se te vlažnosti mogu odrediti istim instrumentima, jedino što je postupak dobivanja jedne vrijednosti iz druge, naravno drugačiji. Mi ćemo se ograničiti samo na mjerenje relativne vlažnosti. Jedinica kojom se izražava relativna vlažnost jest postotak (%). Relativna vlažnost je odnos između trenutne količine vodene pare u zraku, i maksimalne količine koju taj isti zrak može primiti a da ne dođe do zasićenja.
Za istodobno određivanje temperature zraka i vlažnosti koristi se psihrometar . On se sastoji od običnog (suhog) termometra i mokroga, kojemu se rezervoar sa živom moči vlažnom krpicom. Ako zrak nije zasićen vodenom parom, s krpice isparava voda i pritom se troši latentna toplina; posljedica toga je snižavanje temperature mokrog termometra. Što je manje vlage u zraku, to je i isparavanje jače, te je razlika mokrog i suhog termometra veća. Iz očitanja ova dva termometra, ulaskom u tablice, ili računanjem formulama, dobijaju se sve gore navedene vlažnosti, te temperatura rosišta. Valja napomenuti da ukoliko je na krpici led a ne voda, da se koriste preračunate tablice ili formule.
Osim psihrometra za određivanje vlažnosti mogu se koristiti i higrometri. Oni izravno mjere relativnu vlažnost, a radi na principu upijanja vlage organskih tvari (ljudska ili konjska dlaka i slično) koje promjenom vlažnosti zraka ponešto mijenjaju duljinu.
Higrograf je instrument koji bilježi relativnu vlažnost u vremenu i zapisuje ju na papir ili elektronički medij.
Higrograf
ATMOSFERSKI TLAK
Jedinica za mjerenje tlaka je paskal, a uobičajeno je u meteorologiji koristiti 100 puta uvećanu jedinicu (hektopaskal – hPa). Hektopaskal odgovara milibaru (1hPa = 1mbar). Očitanje atmosferskog tlaka se obavezno svodi na morsku razinu (visinu od 0 metara) i temperaturu 0°C, da bi se mogle uspoređivati vrijednosti izmjerene na različitim postajama. To se (kao i obično) radi tablicama ili formulama.
Atmosferski tlak se mjeri vertikalno postavljenim živinim barometrom . To je cjev ispunjena vakuumom u kojem se živa slobodno diže, zavisno od tlaka zraka koji pritišće otvoreni kraj cijevi. Po tom instrumentu, za atmosferski tlak, prije se često koristila jedinica milimetri žive (mmHg; 1mmHg = 1,333… hPa). Visina stupca žive određuje atmosferski tlak. Očitanje takvog barometra je potrebno ispraviti za temperaturu žive, što se lako obavi tablicama ili formulom.
Aneroidni barometar je drugi instrument za mjerenje atmosferskog tlaka, i radi na principu deformacije elastičnih metalnih kutija zbog promjene okolnog tlaka. Tlak prikazuje kazaljkom. Ovi bearometri su temperaturno kompenzirani, pa se izmjerena vrijednost ne svodi na 0°C. Valja napomenuti da su manje precizni od živinih barometara.
Barograf mjeri i bilježi vrijednost atmosferskog tlaka kroz vrijeme. Crta izmjerene vrijednosti na papir, ili pamti u elektroničkom obliku.
Barometar
VJETAR
Vjetar je vektorska veličina, koja je potpuno određena tek kada poznamo obje njegove komponente – smjer i brzinu. Smjer vjetra je strana horizonta odakle vjetar puše, a brzina je put čestica zraka prevaljen u jedinici vremena [ili kako bi rekli fizičari, prva derivacija puta u vremenu ;-)]. Smjer se označava kardinalnim stranama svijeta ili po azimutu (u stupnjevima 0 do 360), dok se brzina mjeri u metrima u sekundi (m/s), kilometrima na sat (km/h), čvorovima (kn) ili nekom drugom dopuštenom jedinicom za brzinu. U pomanjkanju uređaja za mjerenje brzine, ona se procjenjuje Beaufortovom skalom (točnije, procjenjuje se jačina vjetra).
Smjer vjetra se određuje vjetruljom (vjetrokazom). To je lagani pokazatelj u obliku strelice, montiran na vertikalnoj osovini koja se slobodno zakreće oko svoje osi. Za usmjeravanje strelice prema vjetru, ona na stražnjoj strani ima vertikalnu ploču, koja služi kao “kormilo”. Brzina vjetra se mjeri anemometrom (vjetromjerom). Postoji više izvedbi, a mi ćemo opisati najčešće korištenu. To je vertikalna osovina sa 3 ili 4 šuplje polukugle (Robinsonov križ) koje se vrte pod utjecajem vjetra. Što je vjetar jači, one se brže vrte i vrtnja se lako pretvara u mehanički ili električni ekvivalent, baždaren u jedinicama brzine vjetra. Umjesto polukugli, ponekad se koristi mali propeler.
Mjeriti se može srednja brzina vjetra u nekom razdoblju (obično 2 ili 10 minuta), ili pak trenutna. Mjerenje se standardno vrši na visini 10 metara nad tlom.
Anemograf mjeri brzinu vjetra u vremenu i zapisuje izmjerene podatke na papir ili ih čuva u elektroničkom obliku.
Anemometar
OBORINA
Oborina se mjeri visinom ili količinom vodenog taloga koji padne na Zemljinu površinu u određenom vremenskom razdoblju. Ta oborina može biti u tekućem ili krutom stanju; ako se mjeri visinom onda se obično izražava u milimetrima (kiša), odnosno centimetrima (snijeg). Ako se mjeri u količini, onda se izražava u litrama po kvadratnom metru površine, jedinici koja je ekvivalentna milimetrima visine taloga. To znači, na primjer, 10 mm = 10 l/m². Količina napadalog snijega se mjeri samo visinom. Napadala kiša se mjeri kišomjerom. To je obično valjkasta posuda, postavljena uspravno, s otvorom na vrhu, površine 200 cm². Kroz taj otvor ulazi kiša, koja se slijeva u kanticu na dnu. Oko kantice se nalazi zatvoreni zračni prostor radi toplinske izolacije, da bi se spriječilo isparavanje nakupljene kiše. Kod očitanja, iz kantice se voda ispušta u menuzuru sa skalom u milimetrima i očitava njezina količina. Kišomjer se obično postavlja na stup, na visinu od 1 metar iznad tla.
Osim napadale količine kiše, može se mjeriti i njezin intenzitet. Intenzitet kiše se izražava u milimetrima u minuti (mm/min). Mjeri se instrumentom koji se naziva ombrograf .
Visina snijega se mjeri štapom baždarenim u centimetrima. Postavlja se na ravnom mjestu, koje nije u privjetrini ni zavjetrini, niti je zaklonjeno nekim okolnim objektom (stablo, građevina,…). Mjeri se ukupna visina snježnog pokrivača, ali i novi snijeg, napadao u posljednja 24 sata.
Kišomjer
SUNČEVO ZRAČENJE
Sunce, kao i svako drugo tijelo, emitira određen spektar elektromagnetskog zračenja, koji ovisi o njegovoj temperaturi. Što je ona veća to je spektar jače pomaknut prema višim frekvencijama. Međutim, za potrebe meteorologije, od Sunčeva zračenja, mjere se dvije veličine: trajanje osunčavanja neke točke na Zemljinoj površini u određenom vremenskom razdoblju (dan, mjesec, godina), te energija koja stigne sa Sunca na određenu površinu u nekom vremenskom razdoblju.
Trajanje osunčavanja se izražava u satima (h), a mjeri instrumentom koji se naziva heliograf . To je instrument koji ima kuglastu leću; ona žari papirnatu traku, te se na taj način, po izgorenim dijelovima trake, očitava vrijeme osunčavanja heliografa.
Energija koju prima određena površina od Sunca mjeri se obično piranografom ili piradiografom, a izražava npr. u džulima po metru kvadratnom u jednom satu (J/m²/h), ili nekoj drugoj odnosnoj jedinici. Ne treba isticati da svi ovi instrumenti moraju biti na otvorenom mjestu, koje nije zaklonjeno nekim okolnim objektom poput stabala, zgrade i slično. Pod te objekte se naravno ne ubrajaju planinske prepreke i brda.
Heliograf