Fyzika Atmosféry, Meteorologie A Bezpečnost (2)

Čtete pokračování článku Fyzika atmosféry, meteorologie a bezpečnost (1). Fyzika atmosféry popisuje především meteorologie, tj. věda o zemské atmosféře, jejím složení, vlastnostech, jevech a dějích probíhajících v ní. Využívá především fyzikálních poznatků a metod řešení, označována jako fyzika atmosféry.

Použité zdroje:

Klima skripta. Gisáci na UPOL: GIS GEOINFORMATIKA A ROMANTIKA [online]. Olomouc: MarijaStudio, 2007 [cit. 2017-09-03]. Dostupné z: http://www.gisaci.upol.cz/filesftp/Klima_skripta.pdf

NEČAS, Tomáš. Fyzika v atmosféře aneb základy meteorologie: Modulární systém dalšího vzdělávání pedagogických pracovníků JmK v přírodních vědách a informatice CZ.1.07/1.3.10/02.0024. Brno: Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita v Brně, 2011. Dostupné z: http://ucitele.sci.muni.cz/materialy/94_1.pdf

SKŘEHOT, Petr. Atmosférické optické jevy. Meteorologická Optická Rada. [Online 3. 9. 2017]. Dostupné z: www.astronomie.cz/download/atmosfericke-opticke-jevy.pdf

Proudění vzduchu jako fyzikální jev

Jedním ze základních rysů zemské atmosféry je neustálý pohyb a přemísťování různě velkých objemů vzduchu. Atmosféra má tendenci tyto rozdíly vyrovnávat a projevem toho je proudění vzduchu. Orientace směru proudění směřuje vždy z oblasti vyššího do oblasti nižšího tlaku vzduchu. Probíhá přenos hmotných částic, ale i tepelné energie. Pod pojmem proudění chápeme neuspořádaný pohyb, i když v atmosféře se můžeme setkat i s prouděním uspořádaným¹:

Laminární proudění – forma proudění bez turbulentních vířivých pohybů vytvářející se nad aerodynamicky hladkým povrchem. Vzduchové částice se pohybují rovnoběžně se směrem proudění. Vyskytuje se jen v tenké vrstvě nad tzv. aerodynamicky hladkým povrchem. Je krajně ojedinělé, a nevzniká při proudění nad povrchem aerodynamicky drsným (vegetace, zastavěná plocha,…).

Katabatické proudění – sestupný klouzavý pohyb chladného vzduchu, např. Podél ukloněného georeliéfu.

Anabatické proudění – výstupné klouzavé proudění podél ukloněného georeliéfu. Anabatický charakter má i výstupné proudění teplého vzduchu na anafrontách.

Konvekce – výstupné proudění způsobené horizontální nehomogenitou atmosféry. Nezbytným předpokladem pro rozvoj je přehřátí aktivního povrchu spojené se vzrůstem barického stupně. Pokud se konvekce realizuje v uzavřeném prstenci jde o konvekční buňku. Ta charakterizuje uspořádanou konvekci. Rozlišuje se konvekce termická (termická turbulence využívaná ve sportovním letectví) a vynucená (mechanická) – s přispěním počátečního impulsu proudění orografickou překážkou.

Subsidence – pomalé sestupné, sesedavé pohyby uvnitř vzduchové hmoty. Způsobuje adiabatické oteplování vzduchu a rozpouští vzniklou oblačnost.

Turbulence – nejčastější, podstata v nepravidelných a neuspořádaných vírových pohybech. Dále vertikální výšková členitost a drsnost georeliéfu. Vyvíjí se z laminárního proudění při překročení kritické rychlosti. Míra turbulence je dána charakterem termického rozvrstvení atmosféry. Turbulence je v atmosféře spjata s nárazovitostí, větru, působí na promíchávání vzduchu a přenos tepla, vodních par a látek znečišťujících ovzduší.

Víry – vznikají mechanicky (drsnost reliéfu) = orografická turbulence nebo důsledek nestability teplotního zvrstvení atmosféry – termické = konvekční čí bouřková turbulence.

Advekce – přenos určitého objemu vzduchu prouděním v atmosféře.

Příčiny pohybu – příčiny vyvolávající pohyb jsou síla horizontálního tlakového gradientu, Coriolisova síla (zemskou rotací, stáčení hmot na S doprava a na J doleva – viz obrázek 39), síla tření (proti směru pohybu). „Vítr, který obsahuje převládající horizontální složku pohybu vzduchu lze vyjádřit vektorem v a charakterizuje se směrem a rychlostí“ – vzorec viz zdroj².

Geostrofický vítr – nejjednodušší pohyb vzduchu, ideální horizontální rovnoměrné přímočaré proudění bez tření. Postavíme-li se zády proti větru, TN je nalevo vepředu, TV je napravo vzadu.

Cyklony –fáze – fronta, vlna, mladá cyklóna, okluze, odumírající cyklóna.

Rychlost větru – měří se v m.s ^-1, max. Mt. Washington 416 km/h. Vítr o rychlosti více než 5 m/s je nárazovitý.

Směr větru – severní vítr je ze severu. Je-li změna větší než 45° je to vítr proměnlivý.

Beaufortova stupnice 13 stupňů:

0 – bezvětří 1 km/h,

1 – vánek,

2 až 8 – slabý vítr až bouřlivý,

9 až 11 – vichřice,

12 – orkán > 118 km/h.

Denní chod rychlosti – max. je kolem 14.hod, min. je v noci, nebo ráno. Směr pro severní polokouli – zvyšování rychlosti ráno a stáčení doprava, snižování po poledni a stáčení doleva.

5.8 Systémy cirkulace atmosféry

Cirkulace atmosféry je vždy doprovázena přenosem energie, hybnosti a vody. Základní druhy: Tryskové proudění, cirkulace vzduchu v cyklonálních a anticyklonálních systémech, pasátová a monzunová cirkulace. Mezoprostorové cirkulace – vichřice, smrště, brízy, horské a údolní větry ³.

Cirkulaci dle zdroje⁴ ovlivňují:

Zářivá energie Slunce – nerovnoměrné rozložení zářivé energie je jedním z hlavních podnětů cirkulace.

Rotační pohyb Země – v důsledku vzniku Coriolisovy síly, na rovníku=0, na pólech nejvíce.

Nehomogenita zemského povrchu – ovlivňuje teplotu vzduchu a v důsledku turbulentního promíchávání se projevuje v celé troposféře.

Tření vzduchu o zemský povrch – jde o snižování rychlosti a změnu směru, pouze do výšek cca 1,5 km.

Kdyby se Země netočila a měla stejný povrch, bylo by to ideální – teplý vzduch z rovníků k pólům – ochlazení a zpět k rovníku. Kolem rovníku se tvoří tropické pásmo tišin = tropická zóna konvergence = NT, pasátové proudění na severní polokouli SV, na jižní JV. Tropické cyklony představují poruchy v atmosféře v nízkých zem. šířkách. Od netropických se liší menší velikostí, nízkými hodnotami tlaku ve středech a vysokými rychlostmi. Vzdušné víry o průměru maximálně několik set km. Jejich pohyby kopírují směr pasátů. Vznikají vždy nad oceánem a v oblasti tišin. Zdrojem je povrchová voda tropických částí oceánů s teplotou více než 26°C. Tropické cyklony podle místa výskytu – hurikán nebo uragán – stř. Am., tajfun – Dálný V, orkán – J Indického oc., cyklón – Bengálský zál., Willy-Willies – mezi Austrálií a Kokosovými ovy ⁵.

3 základní typy atmosférické cirkulace dle ⁶:

1. Zonální cirkulace – podél rovnoběžek, pro Z a stř. E příliv teplého a vlhkého vzduchu z Atlantiku v zimě a chladného vlhkého v létě. Určující pro velký oběh vody.

2. Meridionální – poledníků, studené C a teplé A, umožňuje vpád studeného vzduchu z Arktidy a teplého ze subtropů do E.

3. Smíšená – obě.

Místní cirkulační větry s různými vlastnostmi: brízové větry, údolní a horské větry, ledovcový vítr, fén, bóra, maloprostorové vzdušné víry – húlava, tromby, tornáda, městský vítr.

Monzuny – nerovnoměrné zahřívání pevnin a oceánů.

El-Niño – tento jev je nejznámějším projevem narušení všeobecné cirkulace atmosféry. Překlad znamená „Jezulátko“ to podle toho, že se pravidelně vyskytuje v období Vánoc. Vzniká po období zesíleného působení pasátů, které vede v rovníkových oblastech k přemístění zvýšeného objemu mořské vody západním směrem. Tedy ve směru pravidelných proudů. Po zeslabení pasátového proudění dochází k proudění nahromaděné vody zpět. Projevuje se zánikem studeného Peruánského proudu podél západního pobřeží J Am. U pobřeží Peru, Ekvádoru a Kolumbie dochází k zvýšení teploty vody (1983 o 11°C)! a k zvýšení hladiny o několik cm. Důsledky: Přívalové deště, vliv na faunu i floru, úhyn ryb v nedostatku potravy – dopad na místní rybáře. El-Niño doprovází i změny tlaku – ENSO – El-Niño Southern Oscillations. Změna všeobecné cirkulace atmosféry. Je prokázané, že tato anomálie má vliv i na jiné jevy – sucha v rovníkové Africe, záplavy v povodí Mississippi,… (obecně ohrožuje život ptáků, korálové rifty, lesní požáry, život v moři, pobřežní eroze, sucha, záplavy a tropické bouře)⁷.

La Niña – systém proudění vzduchu, zesílené pasátové větry zintenzivňují výstup studené oceánské vody, zesílení studených moř. proudů. > přenos studené vody z V části Pacifiku na Z, výraznější zvýšení povrchové teploty na Z Pacifiku. Jakoby opak El Nina ⁸.

Vznik oblačnosti a srážek, optické jevy

Při kondenzaci vodních par v ovzduší, vznikají z mikroskopických kondenzačních jader vodní kapky, tyto mikroskopické kapky se shlukují do větších oblačných kapek a ledových krystalků. Při nahromadění dochází ke vzniku oblaků. Vodní kapky se udržují v určité výšce, díky vzestupným proudům v atmosféře. Při teplotě do -4°C se tvoří oblaka jen s vodními kapkami, při teplotě pod -12°C – hladina ledových jader, výhradně ledová jádra. Vodní obsah oblak udává množství vody, které se v nich nachází. 1 m 3 = 0,2-5,0 g ⁹.

Oblaka a jejich klasifikace, optické jevy

Oblačnost je tvořena kapičkami vody, které vzniknou kondenzací na jemných částečkách prachu ve vzduchu (tzv. kondenzačních jádrech), dle zdroje ¹⁰:

– vodní pára zkondenzuje v případě dosažení rosného bodu; to nastane většinou tak, že vlhký vzduch stoupá a tím klesá jeho tlak a teplota.

– co způsobí stoupání vzduchu? (viz obrázek)

• je ohříván od prohřátého povrchu Země (termická konvekce),

• narazí na překážku – hory,

• narazí na jinou vzduchovou hmotu – teplá a studená fronta.

Oblačnost teplé fronty – Teplejší vzduch pomalu proniká do oblasti vzduchu studenějšího a musí stoupat; vzniká vrstevnatá oblačnost, spojená většinou se souvislým srážkovým pásmem.

Oblačnost studené fronty – Studený vzduch proniká rychle do oblasti vzduchu teplého a vytlačuje jej vzhůru.; vzniká kupovitá oblačnost, často doprovázena bouřkou, srážky jsou většinou prudké a kratší.

Mezinárodní klasifikace oblačnosti používá latinské názvy a dělí oblaka do 3 hlavních skupin ¹¹: Cirrus (řasa), Stratus (sloha) a Cumulus (kupa).

Z nich bylo odvozeno 10 základních druhů, k přesnému určení se používá Mezinárodní atlas oblaků¹²:

Cirrus (Ci) – řasa, z ledových krystalků, tenké nitky nebo vlákna, rovné, nepravidelně zkřivené a propojené.

Cirrocumulus (Cc) – řasová kupa, tenké velké skupiny bílých mraků, beránky, bez stínů,

Cirrostratus (Cs) – řasová sloha, průsvitný závoj oblaků, vláknitého nebo hladkého vzhledu, pokrytí úplné nebo jen částečné – halové jevy.

Altocumulus (As) – vyvýšená kupa, bílé a šedé mraky se stíny, skupiny nebo vrstvy, představa vln a valounů, viz obrázek 43 – orografická oblačnost.

Altostratus (Ac) – vysoká sloha, šedavá až modravá plocha, vláknitá až žebrovitá struktura, pokrytí plné nebo část, tenké, ale bez halových jevů,

Nimbostratus (Ns) – dešťová sloha, šedá až tmavá oblačnost, matný vzhled vlivem vypadávání dešťových a sněhových srážek, silná vrstva, Slunce neprojde,

Startocumulus (Sc) – slohová kupa, šedé až bělavé skupiny mraků, mají tmavá místa,

Stratus (St) – sloha, šedé, jednotvárná základna, mrholení, ledové jehličky a zrna,

Cumulus (Cu) – kupa, osamocené oblaky, husté s dobře ohraničenými obrysy, vývoj nahoru do věží a kup, horní část květák.

Cumulonimbus (Cb) – bouřkový mrak, mohutný a hustý, horní část jako kovadlina zploštělá, vydatné srážky a tmavý.

Další rozdělení dle zdroje¹³:

Vysoká oblaka – Ci, Cc, Cs – základna h = 5-13 km, z ledových krystalků, bílé a průsvitné.

Střední oblaka – As, Ac – h = 2-7 km

Nízká oblaka – Ns, St, Cu, Sc – šedé a srážky, do 2 km

Oblaka s vertikálním vývojem – Cu,Cb – bouřkové mraky, krupobytí.

Oblaka z konvekce – vznikají uvnitř vzduchových hmot, nebo na frontě. V silně nestabilních vzduchových hmotách.

Vlnová oblaka – Sc, Ac

Oblaka z výstupných pohybů, oblaka z vyzařování.

Zvláštní: perleťová oblaka (přechlazené kapičky), noční svítící oblaka (kosmický prach), kondenzační pruhy (letadla), oblaka z požárů, sopečná oblaka.

Oblačnost způsobuje ochlazení povrchu Země – nedostává se k povrchu tolik záření. Oblačnost výrazně ovlivňuje klima. Synoptická meteorologie – osminy, klimatologie desetiny¹⁴.

Optické jevy v atmosféře – fotometeory dle:

Halové jevy – odraz a lom slunečního světla na ledových krystalcích rozptýlených ve vzduchu. Jsou to světlé, bělavé, slabě duhové pruhy, oblouky nebo kola na obloze. Rozlišuje se malé halo (velice časté) a velké halo (méně časté) středem je vždy Slunce. Velice řídkým je i vedlejší Slunce – 1/rok, dále pak halový sloup, cirkumzenitální oblouk, protislunce ¹⁵.

Gloriola a korona – v tenkých vodních oblacích pozorujeme před slunečním i měsíčním kotoučem tzv. malé kruhy (věnce) = korona. Korona je důsledkem ohybu světla na částicích oblaků Ac, Cc, Cs. Tyto kruhy bývají namodralé až načervenalé. Občas se jim říká aureola ¹⁶.

Barevné kruhy kolem stínů předmětů na oblacích se nazývají gloriola ¹⁷..

Duha – asi nejznámější optický úkaz – lom světla při průchodu paprsku vrstvami vzduchu s větším množstvím kapiček vody. Vnitřní strana je fialová, vnější je červená ¹⁸.

Soumrakové jevy – po západu Slunce nebo před jeho východem je část oblohy osvětlována rozptýleným slunečním světlem, pokud tomu ovšem nebrání úplné pokrytí oblohy hustými oblaky. Při tom lze pozorovat některé optické úkazy, na jejichž vzniku se společně podílejí lom, rozptyl a absorpce slunečních paprsků v atmosféře ¹⁹: fialová záře, zelený paprsek, zdánlivé zvětšení slunečního nebo měsíčního disku, ostatní.

Optické jevy v atmosféře – ostatní dle zdroje ²⁰:

Blesky – čárový, rozvětvený, kulový nebo plošný blesk – Blesky jsou výboje atmosférické elektřiny vznikající při bouřkách, jež spolu s hřměním provázejí. Bouřky rozlišujeme podle vzniku na bouřky frontální a místní – vznikající tzv. z tepla. Výboje atmosférické elektřiny mohou probíhat uvnitř bouřkových oblaků nebo mezi jednotlivými oblaky navzájem, anebo mezi oblakem a zemí, která plní formu kladně nabitého kondenzátoru. Ve všech třech případech dochází k výboji mezi různě nabit ými oblastmi formou rychle probíhajícího blesku.

Eliášův oheň – při bouřkách může na hrotech a vyvýšených kovových předmětech docházet k naakumulování náboje a k výbojům atmosférické elektřiny. Silné hrotové výboje jsou provázeny i zvukovými efekty (praskáním) a někdy dobře patrnými zrakovými vjemy spočívajícími v jiskření a sršení.

Polární záře – mají paprsčitou nebo nepaprsčitou strukturu. V prvém případě jde zpravidla o rychle se pohybující světelné jevy ve tvaru barevných paprsků, závěsů, drapérií apod. Druhý typ bývá pozorován v podobě nepohyblivých nebo jen málo pohyblivých oblouků, popř. pouze difúzního světla. Polární záře se nejčastěji vyskytují v oblastech kolem zemských magnetických pólů, největší četnost jejich výskytu bývá přibližně podél kružnice vedené po zemském glóbu v úhlové vzdálenosti cca 20 – 25° od zmíněných pólů [19]. Polární záře se vytvářejí interakcí elektricky nabitých částic s molekulami silně zředěného vzduchu, tedy ve výškách od 80 do 1000 km nad zemským povrchem.

Tyndallův jev – je založen na difúzním rozptylu světla procházejícím opticky heterogenní soustavou, projevující se tím, že dráha paprsku procházejícího dispersí pozorovaná kolmo k jeho směru, je viditelná. Z bílého světla se rozptylují nejvíce záření o kratší vlnových délkách a rozptýlené světlo pak nese modrobílý nádech.

Bishopův kruh – červenohnědý prstenec kolem Slunce, jehož vnitřní okraj má rozměry kolem 10° a vnější kolem 20°. Při snižování výšky Slunce nad obzorem se oba poloměry zvětšují. Vzniká ohybem světla na pevných částicích, obvykle vulkanického původu.

Meteory – zářící jasné světelné úsečky. Jeho příčinou je malé tělísko o velikosti obvykle řádu mikrometrů až milimetrů obíhající po eliptické dráze kolem Slunce rychlostí v řádech kilometrů za sekundu. Dojde-li k náhodnému setkání tělíska se Zemí, vniká toto tělísko do našeho ovzduší a svým průletem atmosférou se silně zahřívá a budí okolní částice vzduchu k záření. Při průletu atmosférou dochází na straně tělíska k roztavování povrchových vrstev popř. i celého tělesa vlivem tření tělíska o molekuly vzduchu.

Atmosférické srážky

Atmosférické srážky jsou částice, které vznikly v atmosféře kondenzací vodní páry a které se vyskytují v atmosféře, na zemském povrchu, nebo na předmětech v kapalném, nebo pevném skupenství ²¹.

Vertikální srážky jsou ty, které padají z oblaků. Nejznámější formy jsou déšť a sníh. Srážky trvalého rázu vypadávají nejčastěji z oblaků výstupného klouzání Ns, As. Bouřkové mraky Cb přinášejí obvykle jen srážky přeháňkové. Kromě trvalých srážek pozorujeme také mrholení – typické pro teplé a stabilní vzduchové hmoty a oblaka St, Sc. Vertikální srážky dle zdroje²²:

Déšť – vodní srážky, v podobě kapek, průměr od 0,5 do 7,0 mm, o dešti hovoříme, i když kapky jsou menší než 0,5 mm, ale vypadávají hustě.

Mrholení – drobné kapky o průměru do 0,5 mm, ale nemají dostatečnou intenzitu, abychom je považovali za déšť.

Sníh – tuhé srážky skládající se z ledových krystalků, nebo jejich shluků rozličných tvarů. Základním tvarem je šesticípá destička – vločka. Při vyšších teplotách jsou to chomáče, při teplotách pod -5°C jsou to menší vločky.

Sněhové krupky – tuhé srážky, složené z bílých neprůhledných ledových částic, padají za přeháněk kolem bodu mrazu, průměr 2-5 mm, při dopadu se tříští.

Sněhová zrna – tuhé srážky, jsou z ledu a jsou menší než sněhové krupky, menší než 1 mm. Při dopadu se netříští. Při teplotách pod bodem mrazu a připomínají mrholení.

Námrazové krupky – sněhová zrna obalená vrstvou ledu, průměr cca 5 mm, při teplotě kolem bodu mrazu, doprovázejí déšť, odskakují a tříští se.

Zmrzlý déšť – padající průhledná, poloprůhledná ledová zrna o průměru 5 mm, vznikají zmrznutím dešťových kapek, někdy mají uvnitř vodu.

Kroupy – kuličky, kusy, nebo úlomky ledu 5-50 mm, o váze až 0,5 kg.

Ledové jehličky – jednoduché ledové krystalky ve tvaru jehlic, vznášející se, nebo padající velice pomalu. Typické pro polární oblasti, u nás jen při silných mrazech.

Srážky usazené (horizontální) – pokud proces kondenzace proběhl na zemském povrchu, nebo na předmětech na něm (budovy, stromy, el. Vedení,…):

Rosa – usazenina vody ve formě malých kapiček, na zemském povrchu, rostlinách, nebo různých předmětech. Vznik souvisí s radiačním ochlazováním, kdy teplota klesne pod teplotu rosného bodu. Nejčastěji večer nebo v noci v teplém půlroce. V extrémech 10-30 mm ročně. U kontinentálního podnebí je to doplněk srážkového úhrnu.

Zmrzlá rosa – zmrzlé kapky rosy.

Jíní – krystalická usazení podobná rose, ale vždy pod bodem mrazu, ledové šupinky a jehličky s jemnou strukturou, na trávě a vodorovných plochách, ne však na stromech a drátech.

Jinovatka – jemné jehličky, trsy s jasnou krystalickou strukturou, usazuje se při silných mrazech na stromech a el. vedení.

Ovlhnutí – vodní kapky na návětrných polohách.

Námraza – bílá průhledná zrnitá usazenina složená ze sněhobílých trsů na návětrné straně předmětů. Vzniká za mlhy při teplotách od -2 do -10°C na zemi, předmětech, stromech, el.vedení, letadlech za letu.

Ledovka – souvislá průhledná usazenina ledu, zmrzlé kapičky při dešti, či mrholení.

Náledí a zmrazky – zmrznutí kapiček až po jejich dopadnutí na zem.

Inverze

Inverze – termín označuje zvláštní nenormální vertikální rozložení teploty vzduchu. V určité vrstvě „inverzní“ se teplota vzduchu s rostoucí výškou zvyšuje. Většinou zasahuje nepříliš mocné vrstvy troposféry. Jsou charakterizovány výškou (přízemní a výškové), ve které se vyskytují, mocností (horní a spodní hranice inverze), rozdílem teplot a teplotním gradientem. Pokud se inverze vyskytuje v několika vrstvách nad sebou – smíšená inverze. Podle příčiny vzniku dělíme: advekční, frontální, radiační, subsidenční, turbulentní a pasátové²³.

Fyzika atmosféry, meteorologie a bezpečnost (2)

Štítky:Atmosféra Bezpečnost Fyzika Meteorologie