Ατμοσφαιρική ενέργεια

Οι μεγαλύτερες διαταράξεις κατ΄ όγκο και κατ΄ έκταση που μπορεί να συμβούν στον πλανήτη Γη είναι αυτές που συμβαίνουν στη μάζα της ατμόσφαιράς του, και που ποικίλλουν από μερικά εκατοστά μέχρι χιλιάδες χιλιόμετρα. Κάθε τέτοια διατάραξη σε κίνηση ονομάζεται άνεμος, που μπορεί να είναι από ένα μικρό αεράκι σ΄ ένα πάρκο, μέχρι ένας τυφώνας, ή ακόμη μεγαλύτερο ρεύμα αέρος που ξεχύνεται από τους τροπικούς σε μεγαλύτερα πλάτη. Σε κάθε τέτοια μετακίνηση ο αέρας, εκτός του ότι μεταφέρει μεγάλες ποσότητες θερμότητας, υγρασίας και ορμής, παράγει επίσης και άλλες μορφές ενέργειας. Και αυτό γιατί οι παραγόμενοι άνεμοι αποτελούν συνέπεια της άνισης κατανομής της ηλιακής ενέργειας (θερμότητας) στην επιφάνεια της Γης. Για να κατανοηθεί το πόσο διαφορετικά η ηλιακή ενέργεια επιδρά στα διάφορα γεωγραφικά πλάτη, είτε στη ξηρά, είτε στη θάλασσα, και θέτει την ατμόσφαιρα σε κίνηση, θα πρέπει πρώτα να εξετασθούν οι διάφορες μορφές ατμοσφαιρικής ενέργειας, καθώς επίσης και η μετάπτωσή τους από την μια μορφή στην άλλη.

 Καθίσταται φανερό πως το αποτέλεσμα της θερμικής ενέργειας του Ήλιου είναι ν΄ ανεβάζει την θερμοκρασία τόσο της ατμόσφαιρας, όσο και της υποκείμενης αυτής επιφάνειας της Γης (ξηράς ή θάλασσας). Και ενώ συμβαίνει αυτό ένα άλλο μέρος της ηλιακής ενέργειας αρχίζει να μετατρέπεται σε άλλες μορφές κατ΄ ακόλουθη σειρά: Στη αρχή, η ηλιακή ενέργεια είναι εσωτερική, δηλαδή ενέργεια οφειλόμενη σε μοριακή κίνηση γνωστή ως θερμότητα. Έτσι τα μόρια του θερμού αέρα κινούνται ταχύτερα από εκείνα του ψυχρού. Αυτή η ενέργεια μετριέται ως θερμοκρασία. Έπειτα, επειδή ο αέρας έχει ζεσταθεί και διαστέλλεται, και το κέντρο βάρους του ανεβαίνει ψηλότερα έχει ως αποτέλεσμα ν΄ αυξάνει η δυναμική του ενέργεια, που αυτή στην Μετεωρολογία ονομάζεται γεωδυναμική ενέργεια. Ο συνδυασμός Θερμικής ενέργειας + γεωδυναμικής ενέργειας χαρακτηρίζεται:Ολική δυναμική ενέργεια.΄ Μια άλλη επίσης μορφή ενέργειας περιέχεται στους υδρατμούς που παράγονται από την εξάτμιση των επιφανειακών υδάτων (κυρίως των θαλασσών), των υδροσταγόνων στα σύννεφα, στα υγρά εδάφη κ.λπ. είτε ακόμη από την εξάτμιση των επιφανειακών ιστών των φύλλων των φυτών που εν προκειμένω λέγεται διαπνοή. Εξ'ορισμού η λανθάνουσα θερμότητα είναι το ποσό της θερμότητας που απαιτηται για την μετατροπή 1 kg νερού θερμοκρασίας βρασμού σε ατμό ίδιας θερμοκρασίας . Ονομάζεται έτσι γιατι δεν εντοπίζεται αλλαγή θερμοκρασίας αλλα μόνο αλλαγή καταστασης του νερού. Η δε λανθάνουσα αυτή θερμότητα αποδίδεται πάλι όταν ο ατμός συμπυκνώνεται σε νερό. Έτσι τελικά η κίνηση του αέρα -που οφείλεται αρχικά στη πρόσληψη απ΄ αυτόν θερμότητας ή εσωτερικής ενέργειας- του δίνει την κινητική ενέργεια. Στην ατμόσφαιρα υπάρχει ελεύθερος ηλεκτρισμός στον αέρα και στα σύννεφα λόγω της ηλεκτρικής επαγωγής με την επιφάνεια της Γης. Ο ηλεκτρισμός της ατμόσφαιρας δεν έχει κάποιο συγκεκριμένο φορτίο, αλλά κατά κανόνα είναι πάντα αντίθετο με αυτό της Γης. Σε καλό καιρό το δυναμικό φτάνει τα 100 Βολτ ανά μέτρο. Παρατηρείται λοιπόν πως η ατμοσφαιρική ενέργεια μεταβάλλεται αδιάκοπα από την μια μορφή της σε άλλη αν και το σύνολό της παραμένει πάντα σταθερό, όταν δεν υπάρχει βέβαια ενεργειακό πλεόνασμα ή έλλειμμα λόγω ακτινοβολίας. Η σειρά αυτών των ενεργειακών μεταβολών είναι η ακόλουθη: Η ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από τη Γη και την ατμόσφαιρα μετατρέπεται σε δύο μορφές ενέργειας στην εσωτερική και στην γεωδυναμική.Η ολική δυναμική ενέργεια αυτή, μετατρέπεται στη συνέχεια εν μέρει σε κινητική ενέργεια ανέμων και σε λανθάνουσα θερμότητα των υδρατμών. Και οι δύο αυτοί τύποι ενέργειας ξαναμετατρέπονται αργότερα η μεν πρώτη σε θερμότητα ή κινητική (με την τριβή που αναπτύσσεται ανάμεσα στον άνεμο και την επιφάνεια της Γης, και ανάμεσα στα μόρια του αέρα), η δε λανθάνουσα με την συμπύκνωση των υδρατμών. Το μεγαλύτερο μέρος της ατμοσφαιρικής ενέργειας είναι η εσωτερική και η δυναμική της μορφή. Μόνο ένα πολύ μικρό μέρος της είναι σε κινητική και λανθάνουσα. Και επειδή το ολικό ποσό της κινητικής ενέργειας της ατμόσφαιρας παραμένει σταθερό συνεπάγεται πως αυτή παράγεται στον ίδιο ρυθμό που διασπείρεται. Η ποσότητα της ατμοσφαιρικής κινητικής ενέργειας εκφραζόμενη σε τζάουλ -δηλαδή σε μονάδες έργου-, υπολογίζεται ίσο με 2 περίπου τζάουλς ανά τετραγωνικό μέτρο, δηλαδή τιμή που αντιπροσωπεύει μόλις το 0,57% της εισερχόμενης στην ατμόσφαιρα ηλιακής ενέργειας. Αν και αυτό το ποσοστό φαίνεται πολύ μικρό στην πραγματικότητα είναι αρκετό για να διατηρεί την ατμόσφαιρα σε μια συνεχή κίνηση, έτσι ώστε να εξισορροπείται η άνιση κατανομή πάνω στην επιφάνεια της Γης, της θερμότητας που παράγεται τόσο από την ηλιακή ακτινοβολία όσο και από την Γήινη ακτινοβολία.