Geopotencijal

- potencijal sile teže. Čest koja se nalazi u polju Zemljine sile teže, posjeduje potencijalnu energiju. Prikažemo li tu potencijalnu energiju po jedinici mase česti, dobivamo geopotencijal (J kg-1):

,

gdje je z geometrijska visina tijela mjerena od srednje razine mora (m), a g je akceleracija sile teže. Geopotencijal je numerički jednak radu potrebnom da se jedinična masa podigne sa srednje razine mora na zadanu geometrijsku visinu z. 

U meteorologiji je uobičajeno prikazivati polje geopotencijala na odabranoj izobarnoj plohi. Tako dobivamo kartu apsolutne topografije.

Izobarna ploha

- ploha na kojoj je tlak konstantan. Atmosferske izobarne plohe trodimenzionalne su. Njihov oblik prikazujemo apsolutnom topografijom.

Kako se atmosfera se ponaša poput idealnog plina, primjenom hidrostatičke aproksimacije nalazimo da tlak u hladnijem zraku brže opada s visinom:

p = - (pg/RT) z,                                                     (1)             

gdje je p tlak, g je akceleracija sile teže, T je temperatura zraka, R je specifična plinska konstanta zraka, a z je visina. Stoga su izobarne plohe bliže tlu u polarnim nego u ekvatorijalnim područjima (vidi sliku 1). U skladu s tim prosječni geopotencijal na nekoj promatranoj nadmorskoj visini opada idući od ekvatora prema polovima.

 

Slika 1. Meridionalni presjek kroz atmosferu od Sjevernog pola (90oN) do ekvatora. Slika prikazuje prosječno stanje atmosfere. Hladan zrak u polarnom produčju označen je slovom H, a topao u ekvatorijalnom slovom T. Posljedica jednadžbe (1) je ta da su u polarnim područjima

izobarne plohe bliže jedna drugoj, dok su u ekvatorijalnim područjima međusobno udaljenije. U skladu s tim, prosječni geopotencijal duž horizontalne plohe (z = konst.) opada idući od ekvatora

prema polovima.

U meteorologiji je prema međunarodnom dogovoru uobičajeno prikazivati i analizirati stanje atmosfere na standardnim izobarnim plohama: 1000, 925, 850, 700, 500, 300, 250, 200, 100, 50, 30 i 10 hPa (vidi tablicu 1). Visinskim radiosondažama na tim plohama se mjere tlak, temperatura, temperatura rosišta, te smjer i brzina horizontalnog vjetra.

 

Tablica 1. Standardne izobarne plohe u donjoj atmosferi i njihova prosječna nadmorska visina u umjerenim zemljopisnim širinama.

Tlak (hPa) Prosječna visina (km) Napomena

1000 0

925 0.8 nije obavezna

850 1.5

700 3.5

500 5.5 približno u visini troposfere

300 11-12 približno na granici tropopauze

Apsolutna topografija

- topografija izobarne plohe prikazana poljem geopotencijala. Svaka izobarna ploha ima svoj reljef (vidi sliku 1) – negdje je udubljena (bliže tlu), a drugdje ispupčena uvis (udaljenija od tla). Točke u kojima je izobarna ploha udaljenija od srednje razine mora imaju veći geopotencijal od točaka koje su bliže srednjoj razini mora.

Slika 1. Topografija izobarne plohe na kojoj je tlak p. Pogledajmo tri točke (A, B i C) koje se nalaze na toj izobarnoj plohi. Točka A je najudaljenija je od srednje razine mora, a točka B joj je

najbliža (zA > zC > zB). Stoga je i geopotencijal u točki A najveći a u točki B najmanji.

Prikažemo li polje geopotencijala promatrane izobarne plohe izolinijama geopotencijala, dobiti ćemo njenu apsolutnu topografiju. Geopotencijal se najčešće izražava u geopotencijalnim metrima (gpm), gdje porast geopotencijala za 1 gpm približno odgovara geometrijskom pomaku u vis za 1 metar. Slika 2 prikazuje apsolutnu topografiju izobarne plohe p = 850 hPa nad Europom za 6. siječnja 2002. godine. Ovakav prikaz nazivamo visinska karta. U praksi se često koriste visinske karte za tlakove 850, 700, 500 hPa. Prosječne nadmorske visine tih izobarnih ploha su 1.5 km (850 hPa), 3.5 km (700 hPa) i 5.5 km (500 hPa). Meteorološka polja koja su na njima prikazana određena su na temelju visinskih mjerenja koja nazivamo visinske radiosondaže. 

Vidi geopotencijal, izobarna ploha, relativna topografija. 

Slika 2. Apsolutna topografija izobarne plohe p = 850 hPa za 6. siječnja 2002. godine u 12 UTC (13 h srednjeeuropskog vremena). Geopotencijal je dan u geopotencijalnim dekametrima. Nad

zapadnom Europom nalazi se polje visokog tlaka sa središtem nad sjeverozapadnom Francuskom – gdje je geopotencijal veći od 1600 gpm. Jadran se također nalazi u polju visokog tlaka, ali nad njim izobarna ploha ima vrijednosti geopotencijala između 152 gpdkm i 160 gpdkm. Uz izolinije geopotencijala prikazano je i polje vjetra, te su dani podaci o temperaturi i rosištu (vidi sliku 3).

 

Slika 3. Podaci koji se prikazuju na visinskim kartama, a dobiveni su putem visinske radiosondaže. Položaj postaje prikazan je kružićem. Smjer vjetra poklapa se sa smjerom

zastavice tako da se zupci, gledajući u smjeru strujanja prema postaji, nalaze ulijevo. (Za primjer na ovoj slici smjer vjetra je približno sjeveroistočni.) Brzina vjetra prikazana je brojem i

duljinom zubaca. Dulji zubac znači brzinu od 5 m s-1, a kraći brzinu od 2.5 m s-1. Brzina od 25 m s-1 prikazuje se punim trokutićem. (U ovom primjeru brzina vjetra je 12.5 m s-1.) Temperatura i

rosište prikazani su u desetinkama oC. (Ovdje je temperatura 0oC, a rosište -2.5oC). Geopotencijal

je prikazan u geopotencijalnim dekametrima, ali bez prve znamenke. Ako se radi o 850 hPa plohi, prva znamenka je 1. (U ovom primjeru geopotencijal je 159 gpdkm). Ako se radi o 700

hPa plohi, prva znamenka je 2 ili 3, a za 500 hPa plohu prva znamenka je 5.

Relativna topografija

- polje razlike geopotencijala (link geopotencijal) između dvije izobarne plohe (vidi sliku 1). Na gornjoj plohi tlak je p2, a na donjoj p1, relativna topografija RT p2/p1 jednaka apsolutnoj topografiji plohe p2 umanjenoj za apsolutnu topografiju plohe p1. Polje relativne topografije određuje se na temelju podataka dobivenih visinskim radiosondažnim mjerenjima. 

Slika 1. Slika prikazuje izobarne plohe (link izobarna ploha) p2 i p1. Kako je u stupcu A zrak topliji (rjeđi) nego u stupcu B, to su u tom području izobarne plohe međusobno udaljenije. (U rjeđem zraku tlak se sporije mijenja s visinom nego u gušćem zraku. Tako npr. da bi izmjerili

promjenu tlaka od -1 hPa, moramo se u toplom zraku više penjati u vis nego u hladnom.) Stoga je i razlika geopotencijala = (p2)-(p1) u području A veća nego u području B: A > B.

Prikažemo li polje razlike geopotencijala na karti, dobivamo relativnu topografiju RT p2/p1. U meteorologiji je uobičajeno analizirati relativnu topografiju izobarnih ploha 500/1000 hPa. Jedan primjer RT 500/1000 hPa prikazan je na slici 2. 

Slika 2. . Relativna topografija RT 500/1000 hPa nad Europom 4. siječnja 2002. u 12 UTC (13 SEV). Osim izolinija , koje su prikazane u geopotencijalnim dekametrima, na karti se vidi i

polje vjetra na 500 hPa plohi. (Polje vjetra prikazuje se na isti način kao i na visinskim kartama – vidi sliku 3 u apsolutnoj topografiji). U ovom primjeru uočava se područje hladnog zraka sa

središtem u jugoistočnoj Europi, gde je razlika geopotencijala manja od 512 gpdkm. Južno od središta hladnog zraka (jug Italije i Grčke te zapadna Turska) horizontalni gradijenti temperature

su izrazito veliki. Istovremeno, na istočnom rubu Atlantika nalazi se topao zrak. Tako se npr. Britansko otočje nalazi u području visokih vrijednosti RT koje su u rasponu od 544 do 548

gpdkm.

Polje relativne topografije usko je povezano sa poljem temperature (vidi sliku 1), odnosno s postojanjem horizontalnih gradijenata temperature koji su pak u vezi s poljem strujanja. Ako se temperatura zraka duž horizontalne ravnine mijenja, to znači da se u promatranom području i geostrofički vjetar mijenja s visinom. Drugim riječima, tamo gdje postoje horizontalni gradijenti razlike geopotencijala (odnosno horizontalni gradijenti temperature), postoji i termalni vjetar.