Jak Ovzduší Vytváří Oblačnost: Procesy a Typy Oblačnosti

V současné době se potýkáme s nestálým počasím plným extrémů. V zimním období nás často trápí vytrvalé deště způsobující povodně, velmi silný vítr nebo teplota kolem +10 °C bez přirozené sněhové pokrývky, střídající se se studenou frontou ze severu, která přináší velice nízké teploty kolem - 10 °C. Nahromaděný vzduch ve vrchních vrstvách atmosféry svou vahou klesá k zemskému povrchu, kde se rozbíhá do všech stran. Když klesá suchý vzduch k zemskému povrchu, přinese jasné a mrazivé počasí beze srážek. Naopak klesá-li vlhký vzduch, způsobuje inverzní oblačnost v nižších výškách, někdy doprovázenou srážkami.

Atmosférické Fronty a Jejich Vliv na Počasí

Atmosférická fronta je šikmá plocha - rozhraní - oddělující dvě vzduchové hmoty různých vlastností (lišících se od sebe především teplotou, vlhkostí vzduchu apod). Protože podél společné plochy se téměř nepromíchávají, udržuje se mezi nimi zřetelná přechodová oblast tak dlouho, dokud nedojde k vyrovnání teplot mezi studeným a teplým vzduchem. Samotné frontální rozhraní je považováno za plochu s tloušťkou kolem několika set metrů až několika kilometrů, skloněnou vůči zemského povrchu pod velmi ostrým úhlem (10' - 1°). Místo, kde frontální plocha protíná zemský povrch, se nazývá frontální čára. Délka atmosférické fronty je řádově stovky kilometrů. Atmosférické fronty se vyskytují především v troposféře. Jejich pohyb usměrňuje především všeobecná cirkulace atmosféry. Při přechodu atmosférické fronty se skokem mění počasí.

Atmosférické fronty dělíme podle jejich délky a významu pro cirkulační děje v ovzduší na hlavní a podružné; podle jejich vertikálního rozsahu na troposférické (v celém troposféře), přízemní (do výšky 2 - 3 km) a výškové (ve střední a vysoké troposféře). Další dělení je podle směru přesunu - postupuje-li rychleji teplý nebo studený vzduch, rozlišujeme teplou a studenou frontu. Pokud k pohybu nedochází, tak se fronta nazývá kvazistacionární. Hlavní fronty oddělují hlavní geografické typy vzduchovým hmot, proto je dále dělíme na fronty arktické (antarktické) a polární. Hlavní fronty zpravidla neobepínají celou polokouli, ale rozpadají se do větví a vykazují značnou prostorovou proměnlivost během roku, kdy se mění jejich počet. Podružné fronty oddělují různé části stejné vzduchové hmoty. Obvykle se vyskytují studené podružné fronty, tj. fronty uvnitř nestejnorodého arktického nebo polárního vzduchu, za nimiž postupuje chladnější část té stejné vzduchové hmoty. Často se vyskytují za hlavní atmosférickou frontou. Mají menší vertikální rozsah (vyskytují se ve spodní až střední troposféře).

Teplá Fronta

Teplý vzduch postupuje větší rychlostí než před ním ležící chladnější vzduch a je nucen, vzhledem ke své menší hustotě, vykluzovat po studeném vzduchu vzhůru. Teplý vzduch je při tom vytlačován vzhůru, rozpíná se a tím i ochlazuje. Relativní vlhkost vystupujícího vzduchu roste a v určité výšce dojde k jeho nasycení vodními parami, ke kondenzaci a k vytvoření oblaků. Kromě oblačnosti na sebe teplá fronta upozorňuje poklesem atmosférického tlaku a zhoršením vodorovné dohlednosti. Denní teplota vzduchu klesá (přibývající oblačnost tlumí sluneční svit) a noční teploty se naopak zvyšují (oblačnost zabraňuje vyzařování). Cirrostratus na obloze postupně houstne a přechází v altostratus, až konečně kolem 300 km před frontální čarou nastoupí oblaka typu nimbostratus spolu se srážkami trvalého charakteru, které padají z oblaků teplé fronty do klínu studeného vzduchu, ležícího pod nimi. Šířka srážkového pásma dosahuje až 300 km (v případě sněžení až 400 km). V oblasti srážek se vypařováním dešťových kapek často tvoří mlha, zhoršující dohlednost. Tyto srážky trvají nejméně do průchodu frontální čáry daným místem. Tlak vzduchu před teplou frontou poměrně silně klesá, po přechodu fronty zůstává stejný, případně dále zvolna klesá. Ve zvláštních případech v létě na teplé frontě vznikají konvekční oblaky druhu cumulonimbus, doprovázené bouřkami. Přechod teplé fronty v zimě většinou doprovází oteplení a trvalé sněžení, v létě déšť a v důsledku zatažené oblohy i ochlazení.

Studená Fronta

Studený vzduch postupuje větší rychlostí než před ním ležící teplý vzduch a vzhledem ke své větší hustotě se tlačí jako klín pod vzduch teplý, který je nucen vystupovat podél frontálního rozhraní vzhůru. Pohyb přízemní vrstvy studeného vzduchu je valivý. Teplý vzduch se při výstupu rozpíná a tím i ochlazuje. V určité výšce se vzduch vodními parami nasytí, dojde ke kondenzaci par a vzniku oblačnosti. Druh oblaků závisí na teplotě a vlhkosti vytlačovaného teplého vzduchu, především na stabilitě a instabilitě jeho teplotního zvrstvení. Je-li teplý vzduch dostatečně vlhký, leží základna vzniklých oblaků dost nízko a oblaky narostou do značných výšek, dochází k lijákům a bouřkám. Rozeznáváme dva typy studených front: studenou frontu 1. druhu a studenou frontu 2. druhu.

Čtěte také: Liberecký kraj a kvalita ovzduší

Studená fronta 1. druhu je charakterem oblačného systému podobná frontě teplé, ale sled jednotlivých druhů oblačnosti je obrácený. To znamená, že srážky následují až po přechodu frontální čáry a poté postupně ustávají. Srážkové pásmo bývá šiřoké 200 až 300 km. Studená fronta 2. druhu se pohybuje rychleji než studená fronta 1. druhu. Tvar frontální plochy v blízkosti frontální čáry je silně deformovaly. Je to následek většího odporu, způsobeného hlavně drsností zemského povrchu, vůči pohybu frontální plochy. Díky této skutečnosti studená fronta 2. druhu při svém pohybu vyvolává na svém čele silné výstupné pohyby vzduchu a často bývá vyjádřena jen pásem cumulonimbu postupujících spolu s frontou. Za příznivých podmínek se cumulonimby tvoří i na čele studené fronty 1. druhu. Viditelnými příznaky blížící se studené fronty 2. druhu jsou bouřkové oblaky druhu cumulonimbus, silné přeháňky, intenzívní bouřky a prudké nárazy větru převyšující někdy i rychlost 100 km/h. Šířka oblačného pásma a oblasti srážek bývá jen několik desítek kilometrů, tzn. že srážky vypadávají jen po dobu asi 30 až 60 minut. Intenzita srážek bývá místně rozdílná. Po přechodu frontální čáry dojde k vyjasnění oblohy. Na podzim znamená příchod studené fronty ukončení mlhavého počasí. Tlak vzduchu před studenou frontou klesá, někdy hodně prudce, za frontou strmě stoupá. Teplota se při některých studených frontách téměř nemění, při některých dojde během pár hodin k poklesu o 20 °C.

Okluzní Fronta

Za teplou frontou obvykle postupuje studená fronta ve stejném směru. Obě fronty vlastně ohraničují jednu a tutéž vzduchovou hmotu, která leží mezi nimi. Vzhledem k tomu, že se studená fronta pohybuje rychleji než teplá, vzdálenost mezi nimi se postupně zmenšuje a nakonec se obě studené fronty setkají, tomuto procesu se říká okludování. Jedna, která ustupovala před teplou frontou, a druhá která postupovala za studenou frontou. Teplý vzduch, který ležel mezi oběma frontami, je vytlačen nad zemský povrch a pokračuje ve výstupném proudění po frontálních plochách dotýkajících se front. Mají-li obě studené vzduchové hmoty (které se setkají) stejné teploty, začne se jejich rozhraní u zemského povrchu rozplývat a mluvíme o tzv. neutrální okluzi. Frontální plochy se vzdalují od zemského povrchu. Systém oblačnosti, vzniklý spojením oblačnosti dřívější teplé a studené fronty, se rozvněž zvedá vzhůru.

Jinak je tomu pokud má přední studený vzduch jinou teplotu než zadní studený vzduch. Je-li např. studený vzduch za studenou frontou teplejší než studený vzduch před teplou frontou, pak hovoříme o teplé okluzi. Okluze nabývá povahy teplé fronty, podél které teplejší zadní vzduch proudí na přední chladnější vzduch. V průběhu vývoje teplé okluze se stará studená fronta odpoutává od zemského povrchu a leží na frontální ploše dřívější teplé fronty. Ztrácí kontakt se zemským povrchem, a proto se vytváří přízemní teplá fronta a výšková studená fronta. Oblaky druhu cirrus a cirrostratus přecházejí v oblaky druhu altostratus a nimbostratus, ze kterých vypadávají trvalé srážky, které pak náhle přecházejí v přeháňky z oblaků druhu cumulonimbus.

Ke studené okluzi dochází tehdy, je-li zadní studený vzduch chladnější než přední studený vzduch. Zadní chladnější vzduch proudí pod přední teplejší studený vzduch a vytlačuje jej do výšky. Dřívější teplá fronta vystupuje po ploše nastupujícího klínu chladnějšího vzduchu. Nahoru se zvedá i rozhraní teplé fronty. Tehdy se vytváří přízemní studená fronta a výšková teplá fronta. Oblačný systém teplé fronty postupně zaniká. Zánik těchto oblaků postupuje zdola, tzn. nejprve mizí oblaky druhu nimbostratus. V té míře, jak se rozhraní teplé fronty stále více zdvíhá vzhůru, se na čele nastupujícího chladnějšího vzduchu vytvářejí bouřkové oblaky druhu cumulonimbus, ze kterých vypadávají přeháňky.

Schéma okluzních front platí jen v nejpříznivějších případech. Ve skutečnosti složité děje v atmosféře deformují oblačné systémy okluzních front natolik, že ve skutečnosti nedokážeme spolehlivě oddělit oblačnost výškových front od nově vznikajících okluzních front. Někdy bývá složité určit, zda se jedná o teplou nebo studenou okluzi.

Čtěte také: Elektromotory a znečištění: Překvapivé výsledky

Stacionární Fronta

Stacionární (nepohyblivá) fronta nemění svou polohu v prostoru. Odděluje vzduchové hmoty pohybující se podél obou stran frontálního rozhraní (bez výstupních pohybů), rovnoběžně s rozhraním, každá v opačném směru. Jedná se ale o ideální model. Skutečné fronty jsou kvazistacionární (málo pohyblivé). Kvazistacionární fronta prochází zhruba rovnoběžně s izobarami. Téměř bez pohybu zůstává jen poměrně krátkou dobu - pak se její jednotlivé části začnou pohybovat v závislosti na aktivitě teplé nebo studené fronty. Kvazistacionární fronta je také rozhraní mezi tropickou a polární vzduchovou hmotou, případně mezi vzduchovou hmotou polární a arktickou.

Jako zvlněná fronta se označuje vznik vln na pomalu se pohybujícím frontálním rozhraní. Nejčastěji se úsek studené fronty mění vlivem změněných cirkulačních podmínek na teplou frontu - vzniká studená zvlněná fronta.

Fyzika Oblaků a Srážek

Základním procesem nezbytným pro vytvoření oblaků je kondenzace vodní páry. Z termodynamických úvah i z laboratorních výsledků však vyplývá, že v homogenním plynném prostředí je vznik zárodků kapiček vody spontánním spojováním jednotlivých molekul H2O nesmírně energeticky náročným a statisticky nepravděpodobným dějem, který by mohl v potřebném rozsahu nastávat až při přesycení vodní páry řádově několik stovek procent (vzhledem k nasycené vodní páře nad rovinným vodním povrchem). Na druhé straně empirická zkušenost ukazuje, že v reálné atmosféře dochází ke kondenzaci prakticky ve všech případech, kdy je dosaženo stoprocentního nasycení vodní páry vůči rovinnému vodnímu povrchu. Jediné možné vysvětlení pak spočívá v existenci určitých aerosolových částic přítomných v ovzduší, které v důsledku svých vhodných fyzikálně-chemických vlastností mohou působit jako účinná centra kondenzace a usnadňovat tak vznik zárodků vodních kapiček. Tyto částice nazýváme kondenzační jádra a velikosti jejich poloměrů dosahují řádově hodnot 10 - 8 až 10 - 5 m.

Fyzika oblaků a srážek zná řadu mechanismů, jejichž prostřednictvím aerosolové částice působí jako kondenzační jádra.

Mechanismus Vzniku Srážek

Mechanismus vzniku padajících atmosférických srážek (deště, mrholení, sněžení, krup atd.) tedy musí spočívat v tom, že z určitého důvodu část maličkých oblačných elementů, tj vodních kapiček, popř. ledových částic, začne intenzivně narůstat na úkor ostatních.

Čtěte také: Zlepšení ovzduší Dolní Domaslavice

1. Ke vzniku srážek je v mírných a vyšších zeměpisných šířkách nezbytná přítomnost ledových částic v oblaku.
2. Představme si v tomto směru situaci, kdy při teplotách pod 0 °C menší část přechlazených vodních kapiček obsahující vhodná krystalizační jádra zmrzne v ledové částečky.
3. Protože tlak nasycené vodní páry nad ledem je menší než tentýž tlak nad kapalnou vodou, vytvoří se pak záhy stav, kdy se kapičky přechlazené vody vypařují, zatímco ledové částice narůstají postupným ukládáním molekul vodní páry na svém povrchu.
4. Kromě toho je přechlazená voda z termodynamického hlediska v metastabilní fázi, a jestliže se kapička přechlazené vody srazí při teplotě pod 0 °C s ledovou částicí, takřka okamžitě na ni namrzne.

Typy Oblaků a Jejich Charakteristika

Oblak je podle Světové meteorologické organizace definován jako „Viditelná soustava nepatrných částic vody nebo ledu, popřípadě obojího, v ovzduší. V následujícím textu si představíme šest druhů oblačnosti, které můžete na obloze poznat při pohledu prostým okem a které vám pomohou lépe pochopit změny počasí.

Oblaky se rozdělují podle výšky do pater:

• Vysoké oblaky (výšky 6--9 km, popř. i výše, v zimě naopak někdy níže):
  • cirrus (Ci) - řasa
  • cirrocumulus (Cc) - řasová kupa, lidově malé beránky
  • cirrostratus (Cs) - řasová sloha
• Střední oblaky (výšky nejčastěji 2--5 km nad terénem):
  • altostratus (As) - vysoká sloha
  • altocumulus (Ac) - vysoká kupa
• Nízké oblaky (se spodní základnou obvykle do výšky 2 km nad terénem):
  • stratus (St) - sloha
  • stratocumulus (Sc) - slohová kupa
  • nimbostratus (Ns) - dešťová sloha
• Do této skupiny patří i oblaky s vertikálním vývojem, tzv. konvekční (konvektivní) oblaky:
  • cumulus (Cu) - kupa
  • cumulonimbus (Cb) - bouřkový oblak

Charakteristika jednotlivých oblaků:

• Cirrus - jemné bílé obláčky bez vlastních stínů, s vláknitou strukturou v podobě jednotlivých vláken nebo jejich svazků, popř. shluků, často s hedvábným leskem.
• Cirrocumulus - menší bělavé plošky ve tvaru zrn, vloček apod., často s perleťovým nádechem (tzv. iridescence).
• Cirrostratus - jemný bílý závoj částečně nebo zcela zakrývající oblohu. Sluneční záření zpravidla není zeslabováno natolik, aby zcela zmizely stíny vrhané předměty, obrysy slunečního disku bývají dobře patrné.
• Altostratus - oblačná vrstva plsťového vzhledu, nejčastěji světle šedá, sluneční disk často prosvítá jako za matným sklem, ale předměty nevrhají stíny. Mohou vypadávat "slabé srážky", které se v letním období zpravidla stačí vypařit ještě před dopadem na zemský povrch.
• Altocumulus - jednotlivé skupiny nebo vrstvy bělavých až tmavošedých oblaků v podobě valounů, jež mohou být uspořádány do řad orientovaných v jednom nebo ve dvou směrech. Zdánlivá úhlová šířka největších z valounů je kolem pěti úhlových stupňů, okraje oblaků někdy mívají perleťové zbarvení (iridescence). Zvláštním tvarem altocumulu je altocumulus lenticularis (Ac len) v podobě velkých čoček.
• Stratus - jednotvárná šedá oblačná vrstva bez patrné struktury, spodní základna se někdy jeví zvlněná. Mohou vypadávat pouze velice slabé srážky projevující se jako mrholení nebo v zimě slabé sněžení.
• Stratocumulus - vrstvy hrubých oblačných valounů, světlých až tmavošedých, někdy uspořádaných do řad.
• Nimbostratus - oblak vzhledu beztvaré, jednolité a tmavé vrstvy, dosahuje značné tloušťky (až několik km). Jde o typický dešťový oblak, zpravidla je oblakem smíšeným, tj.
• Cumulus - hustý oblak vyvíjející se do výšky v podobě kup. Vytváří se působením vzestupných proudů vzduchu vznikajících nejčastěji následkem nerovnoměrného zahřívání zemského povrchu slunečním zářením. Nízké cumuly, u nichž zdánlivý poměr vertikálního rozměru k rozměru horizontálnímu je přibližně 1 : 1 nebo menší, nazýváme cumulus humilis (Cu hum); je-li tento poměr zhruba 1,5 : 1 až 2 : 1, jde o cumulus mediocris (Cu med); vysoké kumuly mající často vzhled květákových hlávek označujeme jako cumulus congestus (Cu con). Cumulus je zpravidla oblakem složeným z vodních kapek, vyšší partie Cu con však mohou obsahovat i ledové částice.
• Cumulonimbus - bouřkový oblak, vertikální rozsah nejméně několik kilometrů, někdy může prorůstat až do spodní stratosféry. Má vzhled vysokých věží, odspodu tmavý, ozářené boky jasně bílé, vrcholky s vláknitou strukturou. Horní partie bývá protažena ve směru výškového proudění, čímž vzniká charakteristická podoba kovadliny.

Praktické využití znalostí o oblacích

Pozorováním oblohy pouhým okem a využitím základních znalostí o tom, jak oblaka vznikají, můžete například předpovědět, jestli se blíží déšť.

• Cumulus - malé bílé načechrané obláčky. Pokud je jasný slunečný den, záření Slunce zahřívá zemský povrch, který pro změnu zahřívá vzduch v jeho těsné blízkosti. Tento zahřátý vzduch v důsledku konvekce stoupá vzhůru (protože je lehčí) a vytváří oblaka typu cumulus.
• Cumulonimbus - s charakteristickým tvarem kovadliny. Když si všimnete zvětšujících se kumulů, které stoupají v atmosféře do větší výšky, je to signál, že se již blíží intenzivní déšť. K tomu nejčastěji dochází v létě, kdy se oblaka typu cumulus v dopoledních hodinách začnou vyvíjet do nevyzpytatelných oblaků označovaných jako cumulonimbus, která se nejčastěji v odpoledních hodinách změní v bouřková oblaka.
• Cirrus - tato oblaka mohou znamenat příchod teplé fronty. Jestliže jsou oblaka typu cirrus unášeny vodorovně větry vanoucími různou rychlostí, získávají charakteristický zahnutý tvar. Avšak pokud si všimnete, že oblaka typu cirrus začínají pokrývat větší část oblohy, klesají dolů a stávají se hustšími, je to známka toho, že se přibližuje teplá fronta.
• Stratus - temná skličující oblaka. Stratus jsou nízká souvislá oblaka pokrývající celou oblohu. Jsou vytvářena pozvolna stoupajícím vzduchem nebo mírným větrem přinášejícím vlhký vzduch nad studený terén nebo povrch moře.
• Lenticular - oblaka vznikající nad horským pásmem. Tato oblaka hladkých tvarů se vytvářejí za vhodných podmínek za horskými hřebeny a vrcholky kopců ve výškách několika kilometrů.
• Kelvin-Helmholtz - oblaka se podobají mořským vlnám. Když se masy vzduchu na různých výškách pohybují vodorovně odlišnými rychlostmi, situace se stává nestabilní. Rozhraní mezi vrstvami vzduchu se začne vlnit a nakonec vytváří větší vlny.

Vznik Bouřky

Stejně jako déšt nebo přeháňky vzniká bouřka vzestupným pohybem vzduchu. Při vzestupném pohybu vzduchu dochází k jeho adiabatickému ochlazování, ke kondenzaci vodní páry a tím ke vzniku oblačnosti a při pokračující kondenzaci i k vypadávání srážek. Při trvalém dešti dochází ke vzestupnému proudění v důsledku velkoplošných pohybů v atmosféře a jeho rychlost se pohybuje v centimetrech za sekundu. Při bouřce je tomu jinak. V důsledku instabilního zvrstvení dojde k tomu, že na relativně malé ploše se vzduch, který se dá do pohybu směrem vzhůru, udržuje a urychluje v tomto pohybu, dochází ke kondenzaci vodní páry, vzniká a roste kupovitý oblak, zdola je nasáván další teplý a vlhký vzduch, vystupující sloupec teplého vzduchu dále zrychluje svůj pohyb, a při dostatečné energii instability dosahuje rychlosti desítek metrů za sekundu. Když dosáhne dostatečné výšky a jeho teplota klesne pod nulu, část zkondenzované vody zmrzne, ale část zůstane ve formě přechlazené vody. Ve výšce, kde teplota klesne pod cca -30 °C až -40 °C, již je prakticky všechna voda zmrzlá.

Sluneční záření a jeho vliv na teplotu atmosféry

Sluneční záření (elektromagnetické i korpuskulární - proud elektricky nabitých částic elektronů, protonů, neutronů aj.) je převážným zdroje energie v rámci celého planetárního systému. Ostatní existující energetické zdroje (geotermální energie, energie kosmického nebo radioaktivního záření, energie z elektrických výbojů v atmosféře) se podílejí jen nepatrnou částí (0,024 %). Kvantitativně lze velikost záření vyjádřit jeho intenzitou ve wattech (W) na metr čtvereční (m-2). Za časový interval vyjadřujeme celkovou intenzitu ve Wh (watt hodinách) nebo kWh (kilowatt hodinách). Celkovou intenzitu elektromagnetického záření Slunce, které dopadá na horní hranici atmosféry na plochu 1 m2 kolmou k paprskům, nazýváme při střední vzdálenosti Země - Slunce solární konstanta. Její hodnota se pohybuje okolo 1366 W.m-2. Protože však Země obíhá kolem Slunce po eliptické dráze a obecně platí, že intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdáleností od zdroje záření, mění se tak v průběhu roku také hodnota solární konstanty (v perihéliu je asi o 3,43 % vyšší a v aféliu asi o 3,26 % nižší). Od konce 19. století se hodnota solární konstanty odvozovala z pozemských měření (např. pyrheliometrem) a od roku 1978 se přidala i družicová měření, přičemž se zjistilo, že hodnota solární konstanty kolísá v čase v souladu s proměnami sluneční aktivity.

tags: #jak #ovzduší #vytváří #oblačnost #proces

Oblíbené příspěvky:

• Negativní vliv dopravy: Hluk a emise
• Ekologie hlavačky poloměsíčité
• Harmonogram svozu odpadu v Kopřivnici
• Stavební odpad Most
• Metodika číslování