Θεωρητική πρόβλεψη χιονιού.

Ένα από τα πιο εντυπωσιακά καιρικά φαινόμενα είναι το χιόνι. Η πρόβλεψη του δύσκολη καθώς εξαρτάται από πάρα πάρα πολλές παραμέτρους. Μια γενική και πολύ διαδεδομένη, στις ΗΠΑ τουλάχιστον, μέθοδος πρόβλεψης του είναι η top-down μέθοδος(απο το ΝΟΑΑ). Δηλαδή από πάνω προς τα κάτω.
Με αυτήν, κοιτάμε το προφίλ(θερμοκρασία και σχετική υγρασία κυρίως) της τροπόσφαιρας από πάνω προς τα κάτω και με βάση κάποιους γενικούς κανόνες αποφασίζουμε αν θα επιβιώσει η νιφάδα στο έδαφος ή όχι.

Έτσι λοιπόν για να σχηματιστεί νιφάδα χιονιού, πρέπει καταρχήν να υπάρχουν στον αέρα πυρήνες συγκέντρωσης πάγου(ice nuclei ή ΙΝ), που επιτρέπουν να σχηματιστούν παγοκρύσταλλοι στην ατμόσφαιρα(γύρω από τα ΙΝ). Οι παγοκρύσταλλοι δημιουργούν και τις νιφάδες χιονιού.
Οι περισσότεροι ΙΝ ενεργοποιούνται σε θερμοκρασίες -8 °C και κάτω, ενώ οι ΙΝ ιωδιούχου σιδήρου ενεργοποιούνται στους -4 °C. Η θερμοκρασία των -4 °C είναι και αυτή που αποτελεί το ανω όριο ενεργοποίησης σχηματισμού παγοκρυστάλλων πάνω στα ΙΝ. Πάνω από αυτήν δεν σχηματίζονται παγοκρύσταλλοι.

Για το σχηματισμό των παγοκρυστάλλων οι γενικοί κανόνες είναι ότι λαμβάνουμε τα στρώματα της ατμόσφαιρας οπου η σχετική υγρασία είναι πολύ υψηλή(>90%) ή όπου έχουμε σαφή σχηματισμό νεφών(ενας παλιος κανόνας είναι ότι αν η θερμοκρασία απέχει λιγότερο από 4 °C από το σημείο δρόσου τότε εχουμε σχηματισμό νεφών) ΚΑΙ τότε:

•Αν -4 °C ≤ θερμοκρασία τότε εχουμε ελάχιστο ή καθόλου σχηματισμό παγοκρυστάλλων.
•Αν -10 °C ≤ θερμοκρασία < -4°C τότε εχουμε 0% εως 60% πιθανότητα για σχηματισμό παγοκρυστάλλων.
•Αν -12 °C ≤ θερμοκρασία < -10 °C τότε εχουμε 60% με 70% πιθανότητα για σχηματισμό παγοκρυστάλλων.
•Αν –15 °C ≤ θερμοκρασία < -12 °C τότε εχουμε 70% με 90% πιθανότητα για σχηματισμό παγοκρυστάλλων.
•Αν θερμοκρασία < -15 °C τότε εχουμε μεγαλυτερη απο 90% πιθανότητα για σχηματισμό παγοκρυστάλλων.
•Ενώ στους -20 °C θερμοκρασία εχουμε σχεδον 100% πιθανότητα για σχηματισμό παγοκρυστάλλων πάνω στους όποιους θα χτιστούν οι νιφάδες χιονιού.

Τα περισσότερα επεισόδια χιονιού έχουν νέφη με θερμοκρασίες κάτω των -10 °C.

Για θερμοκρασίες νεφών πάνω από -6 °C συνήθως δεν εχουμε σχηματισμό παγοκρυστάλλων και εχουμε νερό σε υπέρψυξη. Δηλαδή νερό κάτω από τους 0 °C που όμως είναι σε υγρή μορφή και «περιμένει» κάποιον ΙΝ για να γίνει στερεο(παγοκρύσταλλος).

Συνήθως υπάρχει ένα μη-κορεσμένο στρώμα(στρώμα χωρίς νέφη) μεταξύ 2 κορεσμένων στρωμάτων(νεφών), πάνω και κάτω(με το κάτω να είναι συνήθως και πιο παχύ). Το πάνω κορεσμένο στρώμα συνήθως είναι κάτω από -10 °C και προκαλεί ρίψη παγοκρυστάλλων οι οποίοι τροφοδοτούν το κάτω κορεσμένο στρώμα νεφών το οποίο αν αποτελείται από νερό σε υπέρψυξη, δημιουργούνται σε αυτό παγοκρύσταλλοι. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται σπορά από το πάνω νέφος.
Για να είναι δυνατή η σπορά, πρέπει η απόσταση των 2 στρωμάτων νεφών να είναι το πολύ 1000 με 1500 μέτρα, αλλιώς δεν υφίσταται σπορά.

Επιπροσθέτως κατά την κάθοδο παγοκρυστάλλων από το πάνω στρώμα, καθώς περνάει από το μη κορεσμένο στρώμα οι παγοκρύσταλλοι υφίστανται εξάτμιση/εξάχνωση και έτσι πολλές φορές το ακόρεστο στρώμα υφίσταται κορεσμένο και δημιουργείται νέο στρώμα νέφους. Αυτές οι περιπτώσεις είναι δύσκολες και δεν υπάρχουν γενικοί κανόνες για να εχουμε συμπεράσματα.

Όταν λοιπόν υπάρχει σχηματισμός και ρίψη παγοκρυστάλλων από ένα ψυχρό στρώμα νεφών από πάνω, και αρα σχηματισμός νιφάδων, τότε θέλουμε να ξέρουμε όταν θα περάσει μέσα από ένα θερμό(με θερμοκρασία > 0 °C) κορεσμένο στρώμα(νέφος), που συνήθως υπάρχει ενδιάμεσα στο ψυχρό στρώμα πάνω και στο έδαφος, αν θα επιβιώσει η νιφάδα ή αν θα λιώσει.
Έτσι εχουμε τους γενικούς εμπειρικούς κανόνες:

►Οταν ΥΠΑΡΧΕΙ θερμό ΚΟΡΕΣΜΕΝΟ στρώμα, δηλαδή θερμό νέφος(και όχι απλώς θερμο στρώμα αέρα), μεταξυ ψυχρου νεφους που δημιουργει παγοκρυσταλλους και του εδαφους:
•1η περίπτωση: Αν κάτω από το θερμο κορεσμένο στρώμα, στο PBL(ατμοσφαιρικο οριακό στρώμα, δηλαδή το στρώμα αέρα από το έδαφος εως και περίπου 1000 εως και 1500 μέτρα το οποίο ανω ύψος μεταβάλλεται κάθε φορά) δηλαδή, ολο το θερμοκρασιακό προφίλ έχει θερμοκρασία κάτω από 0 °C(εγκλωβισμός δηλαδή) τοτε εχουμε:


•2η περίπτωση: Αν κάτω από το θερμο κορεσμένο στρώμα, στο PBL δηλαδή, ολο το θερμοκρασιακο προφίλ έχει θερμοκρασία πάνω από 0 °C.
Τότε ολος ο υετός πέφτει με την μορφή βροχής συνήθως, εκτός από πολύ οριακές περιπτώσεις όπου παρουσία σποράς, η σπορά γίνεται από νέφη με πολύ χαμηλή θερμοκρασία (-12 °C και κάτω) και η απόσταση πάνω και κάτω κορεσμένου στρώματος είναι μικρή και το θερμοκρασιακο προφίλ του PBL είναι πολύ κοντά στους 0 °C και αντιμετωπιζονται παρομοια με την επομενη κατασταση.

►Όταν όμως ΔΕΝ υπάρχει θερμο ΚΟΡΕΣΜΕΝΟ στρώμα, δηλαδή αν δεν υπάρχει θερμο νέφος, οπως ισχυει τις περισσοτερες φορες, τότε το αν επιβιώσει το χιόνι(οι νιφάδες) κάτω στο έδαφος εξαρτάται από το θερμοκρασιακο προφίλ του PBL. Αυτές οι περιπτώσεις μπορούν να αντιμετωπιστούν εμπειρικά αναλόγως με την περιοχή, αλλά ενας γενικος κανόνας είναι:
Οτι σχεδόν σίγουρα(εξαιρέσεις είναι όταν η σχετική υγρασία είναι κάτω από 20% περίπου, περισσότερα περι αυτού πιο κάτω) χιόνι πέφτει σχεδον σιγουρα τουλαχιστον εως εκείνο το στρώμα οπου η θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου(wet bulb temperature) είναι 0 °C ή και λιγο πιο κατω.
Το στρωμα αυτο λέγεται και wet bulb zero level στα διάφορα σαιτ.

Εμπειρικά παρουσία ικανου υετού, χιόνι θα φτιάσει και σε υψόμετρα 200 εως και 400 μέτρα μερικες φορες κάτω από το στρώμα των 0 °C θερμοκρασίας υγρού θερμομέτρου. Αυτό διότι παρουσία διαρκους υετού και ΕΝΤΟΝΩΝ φαινομενων και εάν η wet-bulb είναι 0 °C πχ σε υψόμετρο 400 μέτρων, τότε πολύ γρήγορα(περίπου 5 °C με 10 °C ψύξης του περιβάλλοντος (λογω εξατμισης ή εξαχνωσης υετου) ανα ωρα) η θερμοκρασία αέρα θα γίνει 0 °C και το υψόμετρο οπου η wet-bulb είναι 0 °C θα κατέβει.

Θεωρητικά για να επιβιώνει η νιφάδα σε ένα περιβάλλον αέρα, πχ στο έδαφος(να ξέρουμε δηλαδή αν θα επιβιώνει η νιφάδα/το χιόνι όταν εχουμε δεδομένη χιονόπτωση, να ξέρουμε αν θα στρώνει δηλαδή στο έδαφος), πρέπει για μια δεδομένη θερμοκρασία T(σε βαθμούς Κελσίου) να εχουμε μια συγκεκριμένη σχετική υγρασία. Αυτο το ζευγος θερμοκρασιας/σχετικη υγρασιας που επιβιωνει η νιφαδα χιονιου ονομαζεται θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας(και νοειται για μια συγκεκριμενη σχετικη υγρασια).

Αυτό το συγκεκριμένο ζεύγος θερμοκρασιας-σχετικης υγρασίας θεωρητικής επιβίωσης της νιφάδας, παριστάνεται με κοκκινο στο παρακάτω διάγραμμα για καθε τιμη σχετικης υγρασιας.
(κλικ στην εικονα για μεγεθυνση)

Το διάγραμμα δίνει με κόκκινη γραμμή την θεωρητική θερμοκρασία επιβίωσης νιφάδας για κάθε σχετική υγρασία, με λαχανί γραμμή την θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου που αντιστοιχεί σε αυτό το ζεύγος θεωρητικής θερμοκρασιας-σχετικης υγρασίας και με μπλε γραμμή το σημείο δρόσου που αντιστοιχεί σε αυτό το ζεύγος θεωρητικής θερμοκρασιας-σχετικης υγρασίας(το σημείο δρόσου δηλαδή που χρειάζεται για να μην λιώνει η νιφάδα για καθε τιμη της θερμοκρασιας).

Βλέπουμε πχ ότι για 20% σχετική υγρασία(οριζόντιος άξονας χ), η θεωρητική θερμοκρασία επιβίωσης της νιφάδας είναι 7 °C. Κάτω από 7 °C δηλαδή με 20% σχετική υγρασία η νιφάδα επιβιώνει. Πάνω από 7 °C με 20% σχετική υγρασία, τότε λιώνει.

Βλέπουμε επίσης ότι για σχεδόν μηδενικές σχετικές υγρασίες η μέγιστη θερμοκρασία επιβίωσης μιας νιφάδας είναι οι 10.5 °C.

Βλέπουμε από το διάγραμμα ότι είναι δύσκολο να βρεθεί εμπειρικος κανόνας ή εμπειρικος τύπος για την θερμοκρασία επιβίωσης της νιφάδας για κάποια σχετική υγρασία.
Το ιδιο «ανώμαλα» μεταβάλλεται και το σημείο δρόσου(μπλε γραμμή) πράγμα που δείχνει ότι το σημείο δρόσου δεν είναι καλος προγνώστης για το αν επιβιώνει ή όχι η νιφάδα. Και ότι ο εμπειρικος κανόνας για σημείο δρόσου μικρότερο των 0 °C συνεπάγεται ότι εχουμε χιόνι είναι παντελώς αυθαίρετος και λάθος.

Ομως, βλέπουμε ότι η θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου(η λαχανί γραμμή) έχει εκπληκτική συνέπεια στο να προβλέπει εάν επιβιώνει ή όχι η νιφάδα! Αφου μεταβαλλεται πολυ λιγο για καθε θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας σε σχεση με την σχετικη υγρασια.

Έτσι λοιπόν για σχετικές υγρασίες από 30% εως 100% βλέπουμε ότι εάν η wet bulb είναι κοντά στους 0 °C ή ακόμα και λίγο θετική(πχ +0.3 °C) τότε η νιφάδα επιβιώνει.
Μπορούμε να εξάγουμε δηλαδή τον εμπειρικο κανόνα ότι για σχετικές υγρασίες από 30% εως 100%, για wet bulb κάτω από 0.4 °C τότε το χιόνι δεν λιώνει.
Για σχετικές υγρασίες μάλιστα κάτω από 30% βλέπουμε ότι το χιόνι δεν λιώνει για ακόμα μεγαλύτερες θερμοκρασίες wet bulb, εως και 0.8 °C περίπου!

Άρα συμπερασματικά η θερμοκρασια υγρού θερμομέτρου είναι ενας από τους καλύτερους προγνώστες για χιόνι στην επιφάνεια.
►Αφου εαν ειναι κοντα στο 0 °C σε ολο το θερμο θερμοκρασιακο προφιλ του PBL καθως και στην επιφανεια φυσικα τοτε το χιονι όχι μόνο θα επιβιωνει ως την επιφανεια και θα εχουμε χιονοπτωση(και οχι χιονονερα ή βροχες) αλλά πιθανοτατα θα στρωνει κιολας.
Φυσικα ολες οι επιφανειες εχουν καποια θετικη θερμοκρασια και συνηθως μεγαλυτερη της θερμοκρασιας ψηλοτερα και ειδικα οι επιφανειες απο τσιμεντο, πισσα, κλπ εχουν μεγαλα ποσά θερμικης ενεργειας οποτε για να στρωθουν θελουν πρωτα να «εξουδετερωθει» αυτη η θερμικη ενεργεια και να φτασουν σε σχεδον μηδενικη θερμοκρασια υγρου θερμομετρου και αυτες.

♦Διαλεγοντας τυχαια 50 περιπτωσεις διαφορετικων ημερων χιονοπτωσεων για το κεντρο της Θεσσαλονικης, και 36 περιπτωσεων διαφορετικων ημερων χιονοπτωσεων για τα πεδινα/ημιπεδινα της Αττικης (με το 1/3 να διαλεξαμε να ειναι με στρωσιμο) μπορουμε να εξετασουμε κατα πόσο η θεωρητικη τιμη επιβιωσης νιφαδας για καθε σχετικη υγρασια επαληθευεται.

Οι περιπτωσεις που εξεταζονται ειναι 2:
1)Υπηρξε χιονοπτωση ΚΑΙ ΔΕΝ εστρωνε χιονι τη στιγμη της παρατηρησης.
2)Υπηρξε χιονοπτωση ΚΑΙ εστρωνε χιονι τη στιγμη της παρατηρησης.

Θεωρητικα στην 1η περιπτωση η θερμοκρασια της περιοχης (με την εκαστοτε σχετικη της υγρασια) πρεπει να ειναι ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ της θερμοκρασια διατηρησης νιφαδας για την σχετικη υγρασια της περιοχης τοτε.
Ενω θεωρητικα στην 2η περιπτωση η θερμοκρασια της περιοχης (με την εκαστοτε σχετικη της υγρασια) πρεπει να ειναι ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ή ΙΣΗ της θερμοκρασια διατηρησης νιφαδας για την σχετικη υγρασια της περιοχης τοτε.
(κλικ στην εικονα για μεγεθυνση)

•Βλεπουμε απο το διαγραμμα οτι πραγματι σχεδον ολες οι περιπτωσεις εκτός απο 1(υπαρχουν και αλλες 2 που ομως ειναι πολυ κοντα στην θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας) που χιονισε και δεν εστρωσε στην Αττική, ειχε θερμοκρασια κατω απο την θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας. Στην μια οπου χιονισε και δεν εστρωσε αλλά η θερμοκρασια ηταν κατω απο την θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας(παντα για την σχετικη υγρασια που ειχε τοτε) μπορουμε να το εξηγησουμε οτι απλως το εδαφος ισως ηταν αρκετα θερμο και δεν προλαβαινε το χιονι να πιασει και ελιωνε ενω σε ενα εδαφος με 0 °C θα επιανε το χιονι. Οποτε υπαρχει μεγαλη επιβεβαιωση της θεωρητικης τιμης.
Απο την αλλη βλεπουμε οτι παρα πολλες περιπτωσεις χιονισε χωρις να στρωσει με την θερμοκρασια να ειναι πανω απο την θερμοκρασια διατηρησης νιφαδας(παντα για την σχετικη υγρασια που ειχε τοτε) οποτε βλεπουμε οτι χιονιζει και κατω απο το μηδενικο επιπεδο wet bulb χωρις ομως να στρωνει.
•Βλεπουμε απο το διαγραμμα οτι πραγματι σε ΟΛΕΣ τις περιπτωσεις που χιονισε και εστρωσε στην Αττική, ειχε θερμοκρασια κατω απο την θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας. Οποτε υπαρχει απολυτη επιβεβαιωση της θεωριας.
Οποτε για την Αττικη μπορουμε να πουμε οτι για να χιονοστρωσει οταν χιονιζει, αναγκαια συνθηκη ειναι η θερμοκρασια υγρου θερμομετρου να ειναι πολυ κοντα στο μηδεν ή αρνητικη φυσικα(να πιανει η wet bulb zero level το μερος που θελουμε να στρωσει). Δεν ειναι ομως και ικανη συνθηκη αφου υπηρξαν περιπτωσεις που δεν εστρωσε παροτι η web bulb ηταν κοντα στo 0 °C.

•Βλεπουμε απο το διαγραμμα οτι πραγματι σχεδον ολες οι περιπτωσεις εκτός απο 2 που χιονισε και δεν εστρωσε στην Θεσσαλονικη, ειχε θερμοκρασια κατω απο την θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας. Και παλι μπορουμε να το εξηγησουμε οτι ισως το εδαφος ηταν αρκετα θερμο και δεν προλαβαινε το χιονι να πιασει και ελιωνε ενω σε ενα εδαφος με 0 °C θα επιανε το χιονι. Οποτε υπαρχει μεγαλη επιβεβαιωση της θεωρητικης τιμης.
Απο την αλλη βλεπουμε οτι σε 6 περιπτωσεις χιονισε χωρις να στρωσει με την θερμοκρασια να ειναι πανω απο την θερμοκρασια διατηρησης νιφαδας(παντα για την σχετικη υγρασια που ειχε τοτε) οποτε βλεπουμε οτι χιονιζει και κατω απο το μηδενικο επιπεδο wet bulb χωρις ομως να στρωνει.
•Βλεπουμε απο το διαγραμμα οτι πραγματι σε ΟΛΕΣ ξανα τις περιπτωσεις που χιονισε και εστρωσε στη Θεσσαλονικη, ειχε θερμοκρασια κατω απο την θερμοκρασια επιβιωσης νιφαδας. Οποτε υπαρχει απολυτη επιβεβαιωση της θεωριας και παλι.
Οποτε και για την Θεσσαλονικη μπορουμε να πουμε οτι για να χιονοστρωσει οταν χιονιζει, αναγκαια συνθηκη και παλι ειναι η θερμοκρασια υγρου θερμομετρου να ειναι πολυ κοντα στο μηδεν ή αρνητικη φυσικα(να πιανει η wet bulb zero level το μερος που θελουμε να στρωσει). Δεν ειναι ομως και ικανη συνθηκη αφου υπηρξαν 2 περιπτωσεις που δεν εστρωσε παροτι η web bulb ηταν κοντα στo 0 °C.

Please follow and like us: