۱۳۹۱/۰۴/۲۳

جو زمین

ساختمان و ترکیب جو
اتمسفر یا جو کره زمین لایه‌ای به ضخامت تقریبی ۱٠٠۰۰ کیلومتر می‌باشد که از هفت لایه مختلف تشکیل شده است و در آن همیشه مقدار تقریبی ۲۱% اکسیژن و ۷۸% نیتروژن و ۱% سایرگاز‌ها ثابت می‌باشد. نکته مهم و قابل توجه اینکه، نیمی از کل جو کره زمین حداکثر تا ارتفاع حدودن شش کیلومتری از سطح زمین قرار گرفته است. طبقات جو یا اتمسفر به شرح زیر می‌باشند.

۱)Troposphere : چنانچه از نامش پیداست، Tropo  واژه‌ای است یونانی به معنای «متغیر» یا «تغییرات» و sphere هم به معنای «کره» است. لذا این واژه به معنای کره‌ای متغیر می‌باشد، به این مفهوم که هر چه از سطح زمین در این لایه بالا‌تر رویم، درجه حرارت به میزان تقریبی ۲ درجه سانتیگراد به ازای حدودن هر ۳۰ متر تقلیل می‌یابد. حداکثر ارتفاع این طبقه در مدارهای مختلف کره زمین متفاوت است، بدین صورت که ارتفاع آن در قطبین کمتر و در استوا بیشتر است و طبیعی است که در اثر چرخش کره زمین به دور خود، قوه گریز از مرکز، باعث برآمدگی جو یا پرتاب آن به خارج می‌گردد. به هر حال ارتفاع متوسط Troposphere حدود ۱۲ کیلومتر می‌باشد. چنانچه اشاره شد، خصوصیات این لایه به این صورت است که با ازیاد ارتفاع درجه حرارت در آن به میزان پیش گفته تقلیل می‌یابد، ولی ‌‌نهایت تقلیل حدود ۶۰ درجه سانتیگراد می‌باشد.

۲)Tropopause : واژه‌ی Tropopause به معنای «توقف تغییرات» است. این لایه ضخامتی در حدود ۲ کیلومتر دارد و در این لایه، درجه حرارت‌‌ همان مقدار آخرین سطح تروپوسفر می‌باشد و ثابت و بدون تغییر در طول این لایه باقی می‌ماند و با ازدیاد ارتفاع تغییری در درجه حرارت صورت نمی‌پذیرد.

۳) Stratosphere: Strato یعنی «لایه‌لایه»، لذا استراتوسفر یعنی کره‌ی لایه لایه‌ای. از خصوصیات این لایه اینکه درجه حرارت در آن کم است و همچنین این لایه اشعه‌های مضر ماوراء بنفش خورشید را جذب می‌کند تا محیط زیست کره زمین به خطر نیفتد. بخاطر جذب اشعه ماوراء بنفش مقدار Ozone در این لایه زیاد است، لذا این لایه را به نام لایه اوزن نیز می‌شناسند. قابل ذکر اینکه با ازدیاد ارتفاع درجه حرارت بجای کاهش، ازدیاد می‌یابد، اما مقدار این ازدیاد حرارت چندان زیاد نمی‌باشد.

۴) Mesosphere: Meso به معنای «میانگین یا متوسط» می‌باشد، چرا که این لایه دقیقن در وسط طبقات ۷ گانه جو قرار گرفته است. از خصوصیات این لایه اینکه، در آن دوباره درجه حرارت شروع به تقلیل می‌نماید که حداکثر افت حرارتی، ۹۶ درجه سانتیگراد می‌باشد.

۵) Thermosphere:Thermo  یعنی «حرارت»، بدین معنا که در این لایه با ازدیاد ارتفاع، درجه حرارت شدیدن شروع به افزایش می‌کند و ازدیاد دما تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد می‌باشد.

۶) Exsosphere: Exso به معنای «خارج» می‌باشد. از خصوصیات این لایه اینکه در این لایه نیروی جاذبه کره زمین بر مولکول‌های هوا بسیار ضعیف است و در نتیجه نیروی گریز از مرکز بر نیروی جاذبه زمین غلبه می‌کند.

۷) Inosphere: Ino معنای «یونیزه شدن» است. این طبقه، لایه بسیار ضخیمی است که در فاصله ۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتری، اطراف کره زمین را می‌پوشاند و این را هم باید گفت که ضخامت این لایه را بین ۸۰ تا ۸۰۰ کیلومتر نیز تخمین زده‌اند که در اینجا مولکول‌های جو، یونیزه می‌شوند.

انواع ابرها
انواع ابر‌ها

۱) ابرهای کم ارتفاع (Low Clouds): این ابر‌ها از سطح زمین شروع شده و حداکثر تا ارتفاع حدودن ۲ کیلومتری ادامه می‌یابد. انواع ابرهای مربوط به این دسته به قرار زیر می‌باشد:

  • کومولوس یا گل کلمی، با علامت اختصاری CU
  • استراتوس یا ابرهای پهن و مسطح با علامت اختصاری ST
  • استراتوکومولوس که مخلوطی از ابرهای فوق می‌باشد، با علامت اختصاری  SC
  • مه که‌‌ همان ابرهای استراتوس چسبیده به سطح زمین می‌باشند.

۲) ابرهای میانی (Midclouds): این ابر‌ها از حدود دو کیلومتری بالای سطح زمین شروع و تا هفت کیلومتری ادامه می‌یابند. انواع ابرهای مربوط به این دسته که بیشترین فعالیت‌های بارندگی و برف و تگرگ را بوجود می‌آورند، عبارتند از:

  • آلتوکومولوس (کومولوس‌های میانی): گل کلمی شکل هستند، اما در ارتفاع بسیار بالاتری از کومولوس‌های پایینی قرار می‌گیرند، و علامت اختصاریشان AC می‌باشد.
  • آلتواستراتوس (استرتوس‌های میانی): پهن و مسطح می‌باشند، اما در ارتفاع بسیار بالاتری از استراتوس‌های پایینی قرار می‌گیرند، و علامت اختصاریشان AS می‌باشد.
  • نیمبواستراتوس: واژه Nimbo به حالتی از ابر گفته می‌شود که به مرحله فعالیت رسیده باشد (یعنی باران زا می‌باشد)، بنابراین، این ابر‌ها، ابرهایی فعال و باران زا بوده بشکل پهن و مسطح، و علامت اختصاری NS دارند.
  •  نیمبو کومولوس: چنانچه از اسمش پیداست، ابری است که گل کلمی شکل بوده و فعالیت بارانی نیز داشته باشد. علامت اختصاری آن NC است.
  •  نیبواستراتوکومولوس: مخلوطی است از ابرهای NS و NC که طبیعتن فعال بوده و دارای علامت اختصاری NSC می‌باشند.

۳) ابرهای مرتفع (High Clouds): این ابر‌ها از ارتفاع ۵ کیلومتری شروع می‌شوند و می‌تواند تا ارتفاع ۱۴ کیلومتری نیز گسترش یابند. از ویژگی‌های این نوع ابر‌ها که به سه شکل، گل کلمی، لایه‌ای و تکه تکه دیده می‌شوند، آنکه هرگز فعالیت بارانی ندارند و مولکول‌های بخار آب موجود در آن‌ها، به علت سرمای شدید منفی ۲۱ درجه سانتیگراد یا کمتر یخ زده‌اند و حالت کریستالی پیدا کرده‌اند. همچنین چون در این ارتفاع، غبارهای ریز معلق در هوا نیز وجود ندارد، هرگز ابرهای بالایی، که نام اختصاری سیروس دارند، باران یا فعالیت جوی ندارند. انواع آن عبارتند از:

  •  سیروس (Cirrus) با نام اختصاری CI
  • سیروس کومولوس (Cirrus Cumulus)
  •  سیروس استراتوس (Cirrostratus)

۴) ابرهای با رشد عمودی زیاد (Extensive Vertical Development Clouds) با نام اختصاری EVDC: این ابر‌ها، نوع ویژه‌ای هستند که معمولن دارای فعالیت‌های شدید بارندگی و تگرگ می‌باشند، ولی هرگز برف ندارند، و از نظر شکل، گلی کلمی یا موجی شکل و بسیار ضخیم می‌باشند و ارتفاع آن‌ها نیز معمولن از حدود ۳۰۰ متری از سطح زمین و ‌گاه کمتر شروع می‌شود و تا حدود ۳ کیلومتری از سطح زمین ادامه می‌یابد. لازم به ذکر است که سقف این ابر‌ها، بخاطر شدت حرکت عمودی بادهای درونشان گاهی تا حدود ۱۸ کیلومتری سطح زمین نیز می‌رسد. انواع این ابر عبارتند از:

  • ابرهای برجی شکل (Towering Clouds)، با علامت اختصاری  TC
  • ابرهای کومولونیمبوس (Cumulunimbus Clouds)، با علامت اختصاری CB که از فعال‌ترین و خطرناک‌ترین انواع ابر می‌باشد، ولی خوشبختانه فعالیت و مدت بارش این نوع ابر در هر نقطه از زمین معمولن بیشتر از ۲۰ دقیقه نمی‌باشد، اما در همین مدت کوتاه می‌تواند باران‌های سیل آسا و حتی تگرگ‌های مخربی را ایجاد نماید، ولی هرگز برف ندارند. از خصوصیات این ابر‌ها اینکه معمولن همراه با طوفان شدید حاصله از خروج بادهای پرسرعت از درونشان می‌باشد. وقتی بیننده‌ای از فواصل دور به این ابر نگاه می‌کند، می‌تواند آنرا بصورت توده بزرگی از ابرهای پر پشت، توام با دنباله‌ای که در بالای آن و در خلاف مسیر حرکت ابر گسترش یافته است، مشاهده کند.

۵) ابرهای رانده شده (Scud Clouds): این نوع ابر‌ها معمولن با پسوند فراکتو به معنای «پراکنده» همراه می‌باشند و آن زمانی است که ابر بعد از فعالیت شدید اصطلاحن از نفس افتاده باشد و سپس شروع به از هم پاشیدن نماید، که اگر ابر فعال از نوع کومولوس بوده باشد، به آن فراکتو کومولوس و اگر از نوع استراتوس یا پهن بوده باشد، به‌ آن فراکتور استراتوس می‌گویند که نام‌های اختصاریشان به ترتیب FC و FS می‌باشد. شناسایی این ابر‌ها بسیار ساده است و معمولن بعد از اتمام بارندگی (مثلن در دامنه کوه‌ها)، به خوبی قابل تشخیص می‌باشند، که در حال از هم پاشیدن یا رانده شدن می‌باشند.

چرخه‌های جوی
علت اولیه‌ی وقوع پدیده‌های آب و هوایی، گرم شدن‌های غیر منظم سطح زمین توسط خورشید می‌باشد. تشعشعات خورشیدی عاملی است که اتمسفر را به جریان و حرکت وادار می‌کند. گرم شدن‌های غیر مداوم زمین، چگالی هوا را تعییر داده، الگوهای چرخشی را بوجود آورده و باعث تغییراتی در فشار هوا می‌شود. این عامل، علت اصلی اختلاف در تنظیمات ارتفاع سنجی بین ایستگاه‌های هوا‌شناسی می‌باشد. هواشناس‌ها (Meteorologists) با مشخص کردن نقاط با فشارهای متفاوت بر روی نقشه‌ها و سپس وصل کردن نقاط با فشار برابر توسط خطوطی به نام «Isobar»، نقشه‌های فشارسنجی را بوجود می‌آورند. طرح ارائه شده توسط آن‌ها، گرادیان یا شیب‌های فشاری یا به عبارتی تغییراتی فشار در طول فواصل مختلف را آشکار می‌سازد. زمانی که ایزوبار‌ها از هم دور باشند، گرادیان، ضعیف در نظر گرفته می‌شود، در حالی که ایزوبارهای نزدیک به هم نشان دهنده گرادیان قوی می‌باشد. ایزوبار‌ها همچنین به مشخص کردن سیستم‌های فشاری، که به گروه‌های مختلفی همچون پرفشار (Highs)، کم فشار (Lows)، جبهه‌ای (Ridges, Throughs, Cols) طبقه بندی می‌شوند، کمک می‌کنند.

هوا از نقاط سرد، چگال و پر فشار به نقاط گرم، کم چگال و کم فشار جریان می‌یابد. سرعت باد تولید شده به قدرت گرادیان فشار بستگی دارد، به گونه‌ای که گرادیان‌های قوی تمایل به تولید بادهای قوی دارند و بالعکس. در سیستم‌های پرفشار، هوا به سمت خارج حرکت کرده و از مقدار هوای موجود می‌کاهد. در نتیجه سیستم‌های پر فشار و یا Ridge-ها توسط جریان‌های نزولی هوا که تمایل به پراکنده کردن ابر‌ها دارند مشخص می‌شوند. به همین دلیل، این نوع سیستم‌ها با شرایطی مانند دید مناسب، باد آرام و یا ملایم و ابرهای کم در ارتباط می‌باشند. زمانی که جریان‌ هوا به یک سیستم کم فشار همگرا می‌شوند، نمی‌تواند بر خلاف جهت گرادیان (شیب) فشار به سمت خارج حرکت کند و بنابراین باید صعود کند. به این دلیل است که سیستم‌های کم فشار و یا Trough-ها نشان دهنده‌ی جریان‌های صعودی می‌باشند که این عامل خود منجر به تولید ابر و بارندگی می‌شود و توجیه کننده‌ی شرایط نقاط کم فشار مانند هوای بد می‌باشد که شامل ابرهای پایین، دید نامناسب، بارندگی و بادهای غبار آلود و متلاطم می‌باشند. بنابراین، هوا در نقاط Trough می‌تواند خیلی نامساعد باشد.

نقاط Col می‌تواند هم نشان دهنده‌ی محیط‌های خنثی بین دو سیستم پرفشار و دو سیستم کم فشار و یا محل‌ تقاطع Ridge-ها و Trough-ها باشد. نیروی ایجاد کننده‌ی این حرکت توسط گرادیان فشار ایجاد شده و به عنوان نیروی گرادیان فشار معرفی می‌شود. اگر زمین نمی‌چرخید، نیروی گرادیان فشار، هوا را مستقیمن از مناطق پر فشار به کم فشار انتقال می‌داد. در عوض چرخش زمین نیروی جایگزینی را تحت عنوان نیروی «Colioris» ایجاد می‌کند، که جریان هوا را به سمت شرق در نیمکره شمالی و برعکس به سمت غرب در نیمکره جنوبی به حرکت وا می‌دارد.

میزان تاثیر ایجاد شده توسط نیروی کولیوریس با توجه به عرض جغرافیایی تغییر می‌کند. این نیرو در مناطق استوایی قابل چشم پوشی می‌باشد و به سمت قطب‌ها افزایش می‌یابد. همچنین این نیرو متناسب است با سرعت حرکت توده هوا؛ هرچه توده‌های هوا سریع‌تر جابجا شوند میزان تاثیرپذیری بیشتر است.

گرادیان فشار و نیروهای Colioris بطور مشترک جهت ایجاد باد عمل می‌نماید. نیروی گرادیان فشار باعث می‌شود که هوا از مناطق پر فشار به مناطق کم فشار جریان یابد. با شروع جریان یافتن هوا نیروی Colioris این توده‌های هوا را در نیمکره شمالی به سمت مشرق متمایل می‌کند، که باعث تولید یک جریان ساعتگرد به گرد یک منطقه پرفشار می‌گردد. این تاثیر پذیری تا آنجا ادامه می‌یابد که نیروهای Colioris و نیروهای گرادیان فشار به تعادل برسند و جریان حرکت باد، موازی با ایزوبار‌ها گردد. با جریان یافتن هوا به سوی مناطق کم فشار این توده‌ها در جهت پادساعتگرد به دور مناطق کم فشار بحرکت در می‌آیند.

رطوبت
آب و هوا به مراتب بستگی به میزان رطوبت موجود در هوا دارد. اگر هوا خشک باشد، معمولن هوا خوب است (یعنی پدیده‌ی قابل توجهی نداریم). اما اگر هوا خیلی مرطوب باشد، باعث بوجود ‌آمدن هوای نامناسبی با شدت‌های کم تا زیاد می‌گردد.

آب موجود در جو به سه حالت جامد، مایع و گاز وجود دارد. تغییرات حالتهای آب می‌تواند به ۵ روش مختلف انجام پذیرد. بخار آب موجود در اتمسفر که گازی شکل است، طی فرایندهای تبخیر (Evaportion) یا تصاعد (Sublimation) به جو اضافه می‌شود. بخار آب مذکور، طی فرآیندهای تراکم (Condensation) یا تصاعد (Sublimaticon) از جو خارج می‌شود.

تصاعد (Sublimation) فرآیندی است که در طی آن یخ (شکل جامد آب) مستقیمن به بخار آب تبدیل می‌شود و یا برعکس از بخار آب به یخ تبدیل می‌شود. در تصاعد، حالت آبی شکل (مایع) وجود ندارد و بطور جهشی تغییر حالت از گاز به یخ و یا برعکس انجام می‌گیرد.

ذوب تغییر فرم جامد به آب، و انجماد تغییر شکل مایع به جامد می‌باشد. با تغییر حالت آب از یک حالت فیزیکی به حالتی دیگر، تبادل حرارتی صورت می‌گیرد که در واقع هر فرآیند فیزیکی آب و هوایی توسط این مبادله حرارتی همراه می‌گردد.

زمانیکه آب تبخیر می‌شود حرارت جذب می‌شود. حرارت جذب شده تحت عنوان «گرمای نهان تبخیر» شناخته می‌شود. زمانی که بخار آب متراکم می‌شود، حرارت جذب شده توسط آب در حین تبخیر آزاد می‌شود. حرارت آزاد شده، تحت عنوان گرمای نهان تراکم شناخته می‌شود، که عامل مهمی در تشکیل ابر می‌باشد. گرمای مبادله شده بین ذوب شدن و یخ زدن ناچیز بوده و تاثیر کمی بر روی آب و هوا دارد.

با کاهش درجه حرارت از میزان رطوبتی که هوا می‌تواند در خود نگه دارد کاسته می‌شود. حالت اشباع هوا زمانی اتفاق می‌افتد که نقطه شبنم حاصل گردد و آن زمانی است که هوا تمام رطوبتی را که می‌تواند در خود نگه دارد، جذب کرده باشد. در این حالت رطوبت نسبی هوا ۱۰۰ درصد می‌باشد. می‌توان این گونه بیان کرد که با کاهش دما و رسیدن به نقطه‌ی شبنم، رطوبت نسبی افزایش می‌یابد.

با سرد شدن هوا به سوی نقطه اشباع، فرآیند تراکم و تصاعد، بخار آب نامرئی را تبدیل به حالت مرئی می‌کند. زمانی که بخار آب متراکم می‌گردد، ابر، مه و شبنم تشکیل می‌شود. ابر‌ها از قطرات بسیار ریز آب یا کریستال‌های یخ تشکیل شده‌اند. زمانی که ابری‌ در نزدیکی سطح زمین تشکیل می‌شود، تحت عنوان مه شناخته می‌شود. می‌توان تشکیل مه را از روی میزان درجه حرارت و نقطه شبنم پیش‌بینی کرد. زمانی که اختلاف درجه حرارت و نقطه شبنم برابر ۲ درجه یا کمتر شود، هوا به حد اشباع خود نزدیک می‌شود. حال زمانی که قطرات آب به اندازه‌ای بزرگ ‌شوند که دیگر لایه ابر قادر به تحمل وزن آنها نباشد، این قطرات به شکل باران فرو می‌ریزند. بارانی که در عین داشتن دمایی کمتر از حد انجماد به صورت مایع می‌باشد، تحت عنوان آب فوق سرد (Supercooled Water) شناخته می‌شود. زمانی که آب فوق سرد به شیئی مانند هواپیمای در حال پرواز و یا سطح زمین برخورد می‌کند، تبدیل به یخ می‌شود. همچنین، در شب‌های سرد، دمای اجسام ممکن است به کمتر از نقطه شبنم برسد. در این حالت رطوبت هوا، متراکم شده و به شکل شبنم در می‌آید. حال اگر نقطه شبنم زیر نقطه انجماد باشد، رطوبت موجود در هوا، متصاعد شده و به شکل برفک بر روی اجسام ظاهر می‌شود.

در ابرهایی با جریانات عمودی شدید و دمای پایین، قطرات آب یخ می‌زنند. این قطرات یخ زده آب در حین بالا و پایین رفتن در درون ابر با دیگر قطرات یخ زده موجود برخورد کرده و بزرگتر می‌شوند تا آنجا که دیگر جریانات هوا در داخل ابر، قادر به فائق آمدن بر وزن این ذرات یخ زده نبوده و این اجرام به شکل تگرگ فرو می‌ریزند.

بارندگی‌هایی که تحت تاثیر تصاعد بوجود آمده‌اند، به شکل برف فرو می‌ریزند. حالت بارش ممکن است در اثر تغییرات درجه حرارت تغییر کند. مثلن، دانه‌های برف ممکن است در حین عبور ازر لایه‌های گرم پایین‌تر ذوب شده و به شکل باران فرو بریزند.

میلابی (Virga) نوع دیگری از بارندگی است که بعد از فرو ریختن از ابر و در مسیر حرکت به سوی زمین، بعلت برخورد با درجه حرارت بسیار بالا، مجددن به بخار آب تبدیل می‌شود که این نوع قطرات باران هرگز به زمین نمی‌رسند.

پایداری جوی
پایداری، به مقاومت اتمسفر در برابر حرکات عمودی گفته می‌شود. پایداری یک توده‌ی هوا، مشخص کننده آنست که این توده، نسبت به هوای اطرافش صعود یا سقوط خواهد کرد. هوای پایدار در برابر حرکات عمودی مقاومت می‌کند، در حالی که هوای ناپایدار تمایل به جابه‌جایی عمودی دارد.

تأثیر توأم دما و رطوبت، وضعیت پایداری هوا را مشخص می‌کند. بیشترین ناپایداری زمانی اتفاق می‌افتد که هوا هم گرم و هم مرطوب باشد. آب و هوای مناطق گرمسیری که همراه با فعالیت‌های توفانی روزانه می‌باشند، نمونه‌ی خوبی از آب و هوای ناپایدار می‌باشد. همچنین پایدار‌ترین حالت مربوط به زمانی است که هوا هم سرد و هم خشک باشد. مثال خوبی برای این حالت، مناطق قطبی در زمستان می‌باشد که شرایط پایدار باعث هوای بسیار سرد و دید بسیار عالی می‌شود.

هوایی که به طرف بالا حرکت می‌کند، به لایه‌های کم فشار جوی گسترش می‌یابد و زمانی که جریان هوا به سمت پائین حرکت می‌کند، توسط افزایش فشار لایه‌های پایین‌تر فشرده می‌شود. زمانی که فشار یک توده هوا تغییر کند، دمایش نیز تغییر می‌کند. تغییر دما طی فرآیندی که با عنوان گرم شدن یا سردشدن «بی‌درو» (Adiabatic) شناخته می‌شود، اتفاق می‌افتد که عبارت است از تغییرات درجه حرارت در حین توسعه یا تراکم بدون دادن یا گرفتن انرژی از هوا. با بالا رفتن و انبساط مولکول‌های هوا، دما کاهش می‌یابد و بالعکس. میزان کاهش دما با افزایش ارتفاع تحت عنوان «میزان انحراف» (Lapse rate) شناخته می‌شود. با افزایش ارتفاع، دما به میزان ۲ درجه سانتیگراد در ازای هر ۳۰۰ متر کاهش می‌یابد. میزان انحراف آدیاباتیک یک توده‌ی هوا، بستگی به مقدار رطوبت موجود در هوا دارد. میزان انحراف آدیاباتیک هوای خشک ۵/۳ درجه سانتیگراد در هر ۳۰۰ متر می‌باشد. میزان انحراف آدیاباتیک هوای مرطوب از ۱/۱ تا ۸/۲ درجه سانتیگراد در هر ۳۰۰ متر متغیر می‌باشد. با این وجود، این میزان همیشه کمتر از میزان انحراف هوای خشک است. در واقع، هوای مرطوب پایداری کمتر و میزان انحراف کمتری نسبت به هوای خشک دارد.

با مقایسه میزان انحراف آدیاباتیک مشخص می‌شود که می‌توان از آن به عنوان شاخصی برای پایداری هوا استفاده کرد. برای مثال هوای مرطوب، ناپایدار‌تر از هوای خشک است، زیرا به میزان کندتری سرد می‌شود. این به آن معنا می‌باشد که هوای مرطوب باید بیشتر بالا رود تا دمای آن سرد‌تر از هوای اطرافش شود. زمانی که هوای گرم و مرطوب در یک جریان عمودی شروع به بالارفتن می‌کند، ابرهای کومولوس در ارتفاعی که دما و نقطه شبنم با هم برابر می‌شوند، تشکیل می‌شوند. با افزایش ارتفاع، هوای غیر اشباع در حدود ۵/۳ درجه سانتیگراد در هر ۳۰۰ متر سرد می‌شود و دمای نقطه شبنم در حدود ۵۵/۰ درجه سانتیگراد در هر ۳۰۰ متر کاهش می‌یابد. می‌توان از این مقادیر برای تخمین تراز ابر‌ها استفاده کرد.

گرچه دما با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد، عکس این موضوع نیز گاهی اوقات صادق می‌باشد. زمانی که دما با افزایش ارتفاع، افزایش می‌یابد، وارونگی دما (Temperature Inversion) ایجاد می‌شود. وارونگی ممکن است در نزدیکی سطح زمین و یا در ارتفاعات بالا‌تر اتفاق بیفتند، که این پدیده مانند یک سرپوش برای هوا و یا آلودگی‌ها عمل می‌کند. دید معمولن توسط عواملی مانند مه، غبار، دود و ابرهای کم ارتفاع مسدود می‌شود. وارونگی معمولن در هوای پایدار بدون وزش باد و یا توربلانس اتفاق می‌افتد. همچنین وارونگی می‌تواند، زمانی که هوای سرد در زیر هوای گرم حبس شده و یا زمانی که هوای گرم در بالای هوای سرد قرار می‌گیرد، ایجاد شود. به این حالت، وارونگی جبهه‌ای (Frontal Inversion) گفته می‌شود.

هوای پایدار و ناپایدار دارای خصوصیات قابل پیش‌بینی در قالب نوع ابر، بارندگی، دید، توربلانس، و یخ زدگی می‌باشند. برای مثال اگر هوای پایدار در امتداد یک شیب به طرف بالا رانده شود، ابرهای از نوع استراتوس ممکن است تشکیل شود. اگر همین هوای رانده شده به سمت بالا در امتداد شیب، ناپایدار بوده و رطوبت کافی موجود باشد، ابرهایی با گسترش عمودی ممکن است تشکیل شوند. در هوای ناپایدار هر گونه جریان به سمت بالا، باعث بارندگی می‌شود. با مشاهده این مشخصات، هوای پایدار و ناپایدار از هم قابل تشخیص می‌باشند.

توده‌های هوا  (Air Mass)
هر‌گاه توده عظیمی از هوا منطقه وسیعی را بپوشاند و حین حرکت یا توقف در آن منطقه، خصوصیات فیزیکی آنجا را به خود بگیرد، به آن توده هوا می‌گویند. توده‌های هوا به دو دسته اصلی استوایی (Tropical) و قطبی (Polar) تقسیم می‌شوند. از توده‌های استوایی می‌توان به توده‌های گرم و خشک قاره‌ای و توده‌های مرطوب و گرم دریایی اشاره کرد. همچنین از توده‌های قطبی می‌توان به توده‌های مشابه اشاره نمود.

نکاتی از ارتباط با توده‌های هوا:

اگر توده هوا از زیر گرم شود، پایداری هوا تقلیل یافته و در نتیجه ابرهای کومولوس یا گل کلمی ایجاد می‌شود.
اگر توده هوا از زیر سرد شود، پایداری هوا زیاد شده و در نتیجه ابرهای استراتوس یا مسطح ایجاد می‌شود.
اگر توده هوا از زیر بخار آب جذب نماید (در زمان گذشتن از روی دریا‌ها و اقیانوس‌ها)، پایداری هوا کاهش می‌یابد.
اگر توده هوا از زیر بخار آب دفع نماید (ببارد)، در نتیجه با گذشت مدت زمان بارندگی، پایداری نیز متناوبن افزایش یافته و باعث بهبود و آرامش هوا می‌گردد.

جبهه  (Front)
هرگاه دو توده‌ی هوا که دارای خصوصیات فیزیکی متفاوت باشند، در کنار هم قرار گیرند، فصل مشترک یا مرز بین آن‌ها را جبهه گویند. نکته قابل توجه در مورد جبهه‌ها اینکه تمام جبهه‌ها از سیستم‌های کم فشار پدید می‌آیند. در طول جبهه‌ها ۴ تغییر اساسی ایجاد می‌شود: تغییر درجه حرارت، تغییر نقطه شبنم، تغییر فشار و در ‌‌نهایت تولید باد. هرگاه جبهه‌ای در حال عبور یا جایگزین شدن با جبهه دیگری باشد، بادهای شدیدی به وجود می‌آیند، که جهت ورزش این باد‌ها نیز ثابت نبوده و تغییر می‌یابد. همچنین با ورود یک جبهه، فشار هوا کاهش یافته و با خروج جبهه، فشار هوا افزایش می‌یابد. نکته مهم اینکه اگر عبور مربوط به جبهه سرد باشد، فشار بطور سریع و ناگهانی تقلیل می‌یابد و اگر عبور مربوط به یک جبهه گرم باشد، فشار بصورت تدریجی افزایش می‌یابد.

انواع جبهه‌ها

  •  جبهه سرد (Cold Front): جبهه‌های سرد به واسطه داشتن تراکم بیشتر، در امتداد سطح حرکت کرده و توده‌های کم تراکم‌تر و گرم هوا را به سمت بالا می‌رانند. سرعت یک جبهه سرد معمولن نشان دهنده‌ی نوع آب و هوای مرتبط با جبهه است. خصوصیات عمده جبهه‌های سرد عبارتند از: ابرهای کومولوس، شامل ابرهای سیروس کومولوس، توربلانس، بارندگی، بادهای قوی و غبار آلود، آسمان صاف و دید خوب پس از عبور جبهه.
  • جبهه سرد تندرو (Fast-moving Cold Fronts): در این نوع جبهه‌ها، هوا بسیار ناپایدار بوده و توأم با ابرهای جوششی زیاد می‌باشند. باران یا تگرگ متناوب و منقطع و شدید می‌بارد. دید در این حالت بسیار خوب است و بادهای شدید از جوانب مختلف می‌وزد که شدید‌ترین فعالیت‌ها مربوط جلوی جبهه است که به آن خط Squall می‌گویند، که در این نقطه بروز رعد و برق‌ها شدید‌تر و باران‌های سیل آسا وقوع می‌یابند.
  • جبهه گرم (Warm Front): وقتی که جبهه‌ی سردی از منطقه‌ای بیرون رود، آنچه که باقی می‌ماند جبهه گرم است. خصوصیات عمده جبهه‌های گرم عبارتند از: ابرهای استراتوس (اگر هوا مرطوب و پایدار باشد)، توربلانس کم (به جز در توده‌های هوای ناپایدار)، بارندگی در جلوی جبهه، دید ضعیف همراه با غبار و مه و محدوده وسیع بارندگی. پایداری و میزان رطوبت هوا در یک جبهه گرم، نوع ابرهایی که تشکیل می‌شود را مشخص می‌کند. اگر هوا گرم و مرطوب و پایدار باشد، ابرهای پهن استراتوس درست می‌شود و اگر هوا گرم و مرطوب و ناپایدار باشد، ابرهای جوششی یا کومولوس تشکیل می‌شود.
  • جبهه ساکن (Stationary Front): زمانیکه نیروهای متقابل دو توده‌ی هوا تقریبن متعادل باشند، جبهه‌ای که این دو توده را از هم جدا می‌کند، ساکن بوده و شرایط پروازی را در منطقه مربوطه برای چند روز تحت تاثیر قرار می‌دهند. هوا در یک جبهه ساکن معمولن ترکیبی از جبهه‌های سرد و گرم است.
  • جبهه مخلوط (Occluded Front): زمانی تشکیل می‌شود که یک جبهه سرد تندرو و یک جبهه گرم کندرو با یکدیگر تلافی نمایند. اختلاف دما در هر سیستم جبهه‌ای، عامل مهمی است که نوع جبهه تشکیل شونده آتی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. یک جبهه مخلوط سرد (Cold Front Occlusion) وقتی تشکیل می‌شود که جبهه سرد تند رو، سرد‌تر از هوای جبهه گرم کندروی مقابلش باشد و چون هوای سرد سنگین است به زیر آن فرو می‌رود. در این حالت هوای گرم به بالا رانده می‌شود. یک جبهه مخلوط گرم (Warm Front Occlusion) زمانی بوجود می‌آید که جبهه گرم کندروی مقابل آن سرد‌تر از هوای داخل جبهه سرد تندرو باشد. در این حالت جبهه سرد به روی جبهه گرم رفته و جبهه سرد بسوی بالا رانده می‌شود.
  • یک موج جبهه‌ای (Frontal Wave) پدیده دیگریست که اصولن از تلاقی دو توده هوای متضاد بوجود می‌آید. این موج معمولن بصورت یک اغتشاش (Disturbance) در امتداد یک جبهه سرد کندرو و یا یک جبهه ساکن پدید می‌آید. اگر این اغتشاشی تداوم یابد، این موج گسترش می‌یابد و چرخش‌های ساعتگرد (Cyclonic) تشکیل می‌شوند. قسمتی از این جبهه شروع به حرکت بصورت یک جبهه گرم کرده و قسمتی دیگر بصورت یک جبهه سرد حرکت خواهد کرد. این تغییر حالت‌‌ همان موج جبهه‌ای می‌باشد. فشار در قله (Peak) موج افت می‌نماید و یک مرکز کم فشار را بوجود می‌آورد. سپس با تشدید چرخش ساعتگرد، باد جبهه را به حرکت در می‌آورد. از آنجا که یک جبهه سرد سریع‌تر از یک جبهه گرم حرکت می‌نماید، لذا جبهه سرد به جبهه گرم رسیده و با یکدیگر ادغام می‌شوند و در نتیجه یک جبهه ترکیبی بوجود می‌آید. شرایط آب و هوایی به سرعت در این جبهه‌های ترکیبی تغییر می‌نماید و معمولن در مراحل ابتدایی تشکیل این نوع جبهه‌ها بسیار شدید می‌باشد. جبهه‌های ترکیبی آب و هوای هر دو جبهه‌ی سرد و گرم را با یکدیگر ترکیب کرده و آنرا به یک سیستم گسترده مبدل می‌سازد. بارندگی و دید مناسب در یک منطقه وسیع در هر دو طرف سطوح جبهه‌‌ی ترکیبی وجود دارند.

توربلانس  (Turbulance)
تغییرات ناگهانی و نامنظم جوی را توربلانس یا اغتشاشات هوا می‌گویند.

انواع توربلانس:

  • توربلانس‌ گرم یا بالارونده (Thermal or Convection Turbulance): این نوع توربلانس خود بر دو نوع است: ۱) بالا رونده مرطوب و ۲) بالا رونده خشک. این نوع توربلانس به علت حرکت بالاروندگی هوای گرم و عدم بالاروندگی در فواصل هواهای گرم بوجود می‌آید.
  • توربلانس مکانیکی (Mechanical or Surface Friction Turbulance): این نوع توربالانس زمانی بوجود می‌آید که باد در اثر برخورد با عوارض زمینی اغتشاش پیدا کند.
  • توربالانس‌ کوهستانی (Mountainous Turbulance): همانطور که از نامش پیداست در مناطق کوهستانی و به خاطر وجود پستی‌ها و بلندی‌های کوهستان بوجود می‌آید.
  • توربالانس‌ دنباله‌ای (Wake Turbulances): این نوع توربالانس‌ بعلت حرکت جسمی (مانند قطار، ماشین، هواپیما و …) در هوا بوجود می‌آید، که در دنباله و پشت جسم محرک بوجود می‌آید.
انواع توربلانس از نظر شدت: توربلانس ملایم (Light)، توربلانس متوسط (Moderate)، توربلانس شدید (Severe)، توربلانس بسیار شدید (Extreme).

عوامل لازم برای بوجود آمدن توربلانس: وجود هوای ناپایدار که یکی از نتایج آن باد است، عامل و یا عوامل بالا برنده جریانات هوا که می‌تواند هم عوارض زمین مثل کوه، تپه و ساختمان باشد و هم وجود سطحی گرم که هوای فوقانی خود را به سمت بالا هدایت نماید، و وجود رطوبت.

شدید‌ترین نوع توربلانس نوعی است بنام گردباد (Thunderstorm) که در مرکز توده‌های هوای کم فشار درست می‌شود و بزرگ‌ترین آن Hurricane و یا Typhoon می‌باشد. گردباد یک موتور غیر قابل کنترل است که سوخت آن بخار آب و استارت آن جریان‌های بالاروندگی هوای گرم است و انرژی آن توسط گرمای نهان (Latent Heat) تهیه می‌شود.

جریان جتی (Jet stream)
عبارت است از جریان شدیدی از باد که با سرعتی بیش از ۹۰ کیلومتر بر ساعت در امتداد یک محور تقریبن افقی جریان داشته باشد. جت‌ها تونل‌هایی از جریان بادهای شدید می‌باشند که بیضی شکل بوده و همواره مثل کمربندی اطراف کره زمین را در می‌نوردند و طول آن بین ۱۶۰۰ تا ۴۸۰۰ کیلومتر می‌باشد و ارتفاع آن‌ها حدود ۹۰۰ تا ۲۱۰۰ متر می‌باشد. همچنین پهنای آن‌ها نیز حدود ۱۶۰ تا ۶۴۰ کیلومتر می‌باشد. در فصول گرم به قطبین نزدیک می‌شوند و در زمستان با سمت استوا حرکت می‌کنند. سرعت باد در آن‌ها اغلب حدود ۱۸۵ تا ۲۸۰ کیلومتر بر ساعت می‌باشد و گاهی تا حدود ۳۷۰ کیلومتر بر ساعت افزایش یافته و به ندرت به ۴۶۰ کیلومتر بر ساعت می‌رسد.

(Saint Elmo`s Fire) رعد و برق المو 
رعد و برق  (Thunder)
در نتیجه اصطحکاک مولکول‌های آب با یکدیگر در داخل ابر انرژی عظیمی ذخیره می‌گردد که‌‌ رها شدن یا تخلیه ناگهانی آنرا بصورت رعد (صدای مهیب) و برق (قوس الکتریکی ناگهانی) می‌توان مشاهده نمود. در این حین، تبادل الکتریکی ین‌ها و تخلیه الکتریکی بارهای مثبت و منفی داخل ابر صورت می‌پذیرد.

انواع رعد و برق:

  • رعد و برق‌های داخلی که در داخل ابر ایجاد می‌شوند.
  • رعد و برق ابر به زمین که از خطر ناک‌ترین نوع رعد و برق بوده و به‌ آن آذرخش یا صائقه می‌گویند.
  • رعد و برق پرتابی از ابر‌ها به آسمان (Bolt from Blue) که از طرف ابر به سمت هوای باردار اطراف ابر اتفاق می‌افتد.
  • رعد و برق ابر به ابر.
  • رعد و برق سنت المو (Saint Elmo`s Fire): این نوع رعد و برق که در اصطلاح هوا‌شناسی به آن آتش الموی مقدس یا درخت کریمس می‌گویند، حالتی است که تخلیه الکتریکی در درون ابر انجام می‌گیرد. در نتیجه پرتوی نور آن، اطراف ابر را روشن می‌کند و هاله‌ی زیبایی را در پیرامون آن برای لحظه‌ای بوجود می‌آورد.