Založiť webovú stránku alebo eShop

Články:

"Pár slov" pre záujemcov o meteorológiu 

 

VÝZNAM METEOROLÓGIE

V júni 1854 (pred 160 rokmi), požiadala britská Board of Trade o finančné prostriedky na nové meteorologické oddelenie pre zber meteorologických pozorovaní vykonaných kráľovským loďstvom a obchodnými loďami. Silné búrky a víchrice na mori vtedy predstavovali veľké prírodné katastrofy, ktoré si ročne vyžiadali množstvo životov a experimentálne oddelenie malo prvý raz predpovedať tieto javy s využitím nových vedeckých prostriedkov. Práca oddelenia sa mala rozšíriť tiež na pevninu. Počas debaty o financovaní, člen snemovne John Ball dokonca predpokladal, že: "Za pár rokov, bez ohľadu na premenlivosť počasia tejto krajiny, bude možné poznať stav počasia v našej metropole, dvadsaťštyri hodín vopred." 
Napriek tomu, že návrh vtedy vyvolal v snemovni smiech a posmešné reči, vzniklo nové meteorologické oddelenie Board of Trade, aj keď pôvodne len s dvoma pracovníkmi. Na jeho čele stál Robert Fitzroy, bývalý kapitán kráľovského loďstva, známy vedec a člen kráľovskej spoločnosti.
Fitzroy predpokladal, že kľúčom k úspešnej predpovedi je tlak vzduchu a jeho merania a začal so zobrazovaním hodnôt tlaku zozbieraných z lodí a meteorologických staníc na mapách. Na nich sa dalo potom nájsť rozloženie oblastí vysokého a nízkeho tlaku – tlakových výší a níží. Boli to vlastne predchodcovia prehľadných poveternostných máp, ktoré sa používajú dodnes, dal sa podľa nich odhadovať pohyb vzduchových hmôt a tak „predpovedať“ ďalší vývoj počasia. Ak zvážime prostriedky, ktoré vtedajší meteorológovia mali k dispozícii, bolo takéto predpovedanie skutočne veľmi odvážne. Napriek tomu meteorologické oddelenie čoskoro dokázalo svoj význam a mnoho námorníkov bolo zachránených vďaka vydaným varovaniam.   (BENKO 2014)

Po uplynutí tak dlhej doby, prešla Meteorológia mnohými zmenami a mnohé zaužívané postupy sú dnes do istej miery pomerne zjednodušené, vďaka rozvoju výpočtovej techniky, z dôvodu efektívnosti pri poskytovaní informácií do oblastí ľudskej spoločnosti, ako je napríklad letectvo, armáda a rovnako verejnosť, ktorá musí byť na poveternostné podmienky predom vhodne pripravená.  Hlavne rozvoj výpočtovej techniky posunul význam meteorológie do ešte väčšej roviny a umožnil jej vytvoriť rozsiahlejšie spektrum vedných pododborov(fyzika oblakov a zrážok, mezosynoptika, makrosynoptika, numerická meteorológia, dynamická meteorológia...). V súčastnosti sú simulácie a modelovanie predpokladaného vývoja atmosféry neodlúčiteľnou súčasťou predpovedí počasia a študovania atmosférických dejov, ktoré meteorológiu posúvajú ďalej.  Ide však o veľmi zložité fyzikálne modely, ktoré sú popísané matematicko-fyzikálnymi rovnicami dynamiky a termodynamiky atmosféry.

 

 AKO „VZNIKÁ“ POČASIE

 Počasie môžme charakterizovať ako aktuálny stav atmosféry nad daným miestom. Atmosféra, je plynný obal Zeme (dusík, kyslík, argón...) charakteristický svojimi rozličnými fyzikálnymi vlastnosťami nad daným miestom. Medzi a) primárne fyzikálne veličiny popisujúce atmosféru patrí teplota, tlak, hustotab) sekundárne: objem,  hmotnosť, vnútorná energia atď. Tieto fyzikálne veličiny sa nazývajú stavové a v atmosfére ich možno považovať za prepojené. To znamená, že akákoľvek zmena hodnoty určitej stavovej veličiny v hypotetickom objeme ideálneho plynu (plyn, v ktorom molekuly na seba nepôsobia silou, ich zrážky sú dokonale pružné, pohyb priamočiary a ich objem možno zanedbať) v otvorenej sústave vyvolá zmenu hodnoty druhej veličiny. Tieto zmeny sa dajú popísať stavovou rovnicou ideálneho plynu, ktorá spája jednotlivé stavové veličiny: pV=NRT. (Viac o stavových veličinách si naštudujte v príslušnej učebnici Termodynamiky alebo na internete.)  Atmosféra je časovo a priestorovo premenlivá v závislosti od rotačných parametrov Zeme a príkonu energie. Najdôležitejší parameter, bez ktorého by atmosféra nebola v stave, v ktorom sa nachádza teraz,  je slnečná energia. Ak by slnečná energia dopadala na celé planetárne teleso s konštantnou intenzitou ( všade pod uhlom 90°, zanedbávajúc deň-noc), potom by hodnota prízemného atmosferického tlaku vzduchu závisela iba od gravitačnej sily a síl vychádzajúcich zo zemskej rotácie. Z toho vyplýva (ak zanedbáme vplyv planetárnej orografie), že by atmosféra bola teplotne homogénna. Reálna intenzita slnečného žiarenia závisí od uhla dopadu, ktorý zviera so zemským povrchom. Čiže ak dopadá pod uhlom nižším ako 90°, tak časť energie bude pohltená v atmosfére. Preto na rovníku je intenzita slnečného žiarenia najväčšia. Z toho dôvodu je atmosféra teplotne heterogénna a dochádza k interakciám vzduchových hmôt s rozdielnymi fyzikálnymi vlastnosťami súvisiacich s vyrovnávaním hodnôt jej stavových veličín.  Ak "pridáme" do atmosféry, najdôležitejšie skupenstvo vody v meteorológii,  vodnú paru,  potom tieto procesy budú spojené s tvorbou horizontálne aj vertikálne rozsiahlych oblačných systémov, kvázistabilných frontálnych zón, tlakových výší a níží, ktoré sú súčasťou globálnej cirkulácie atmosféry. 

 

TEÓRIA ČASTICE PRI VEĽKOPRIESTOROVEJ DYNAMIKE ATMOSFÉRY

Za pomoci tejto koncepcie môžeme jednoduchšie popísať vznik veľkých horizontálnych tokov vzduchu, ktoré by sme bez abstrahovania od makroskopického skutočného pohybu vzdušných más chápali podstatne problematickejšie. V prvom rade na atmosféru prihliadame ako na kontinuum, čiže odhliadame od jej molekulárnej štruktúry, zároveň je atmosféra braná ako stlačiteľná tekutina, ktorá je popísaná vyššie zmienenými stavovými veličinami. Pre pohyby hmôt v atmosfére, ako i v každej inej tekutine, platia 3 základné zákony zachovania a to sú: zákon zachovania hybnosti, hmotnosti a energie. Zákon zachovanie energie sa vyjadruje 1. Termodynamickou vetou, ktorá hovorí, že zmena energie sústavy sa vykoná buď tepelnou výmenou alebo konaním práce (objemovej, mechanickej...) .  Ostatné 2 zákony sú obsiahnuté v stati nižšie.

Vzdušnú časticu chápeme ako objem vzduchu, ktorý je na jednej strane dostatočne veľký, aby sme nemuseli uvažovať o vplyve jej molekulárnej štruktúry, ale na druhej strane dostatočne malý, že v každom okamyhu v ňom môžeme zanedbať priestorové zmeny meteorologických prvkov (teplota, tlak, theta-e...) a jeho pohyb nevyvoláva v okolitom vzduchu žiadne kompenzujúce pohyby (výmena vzduchu vplyvom rozdielnych hustôt). Z dôvodu gravitácie a zemskej rotácie pôsobí na časticu rad síl. Podľa 2. Newtonového pohybového zákona je časová zmena hybnosti vzdušnej častice s určitou jednotkovou hmotnosťou m , čiže jej zrýchlenie,  je rovné výslednici na ňu pôsobiacich síl.  Existujú 2 súradnicové sústavy, v ktorých môžeme opisovať jednotlivé sily.

a) absolútna súradnicová sústava, ktorá je nepohyblivá voči svetovému priestoru planetárneho telesa                                             

b) relatívna súradnicová sústava, ktorá je pevne spojená so zemou.

Pohyby v atmosfére vztiahnuté na absolútnu súradnicovú sústavu ovplyvňujú sily, ktoré nemajú pôvod v zemskej rotácii a sú to: gravitačná sila, sila tlakového gradientu, sila tiaže, sila trenia, zároveň sú nezávislé na zvolenej súradnicovej sústave.  Avšak existujú aj sily, ktoré majú pôvod v zemskej rotácii, sú to: Coriolisova sila a odstredivá sila. Je vhodné pripomenúť známy fakt, že ide len o fiktívne sily s nereálnym zdrojom energie v klasickej mechanike. 

a) Gravitačná sila smeruje do ťažiska zeme a jej veľkosť je, podľa Newtonového zákona gravitácie,  nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti častice od ťažiska. Čiže, čím ďaľej je od povrchu tým bude pôsobenie slabšie.

b) sila tlakového gradientu smeruje kolmo k plochám konštantného atmosférického tlaku  (izobarám) do miest s nižším tlakom a jej intenzita je priamo úmerná veľkosti gradientu tlakového poľa.  
 

c) sila trenia je generovaná molekulárnou a turbulentnou difúziou vzduchu, kedy jej vektor smeruje proti smeru pohybu častice a jej veľkosť je v danom bode pri prvom priblížení priamo úmerná veľkosti rýchlosti pohybu častice. Jej prejavy sú však obmedzené približne na 1. 3km nad zemským povrchom v tzv. medznej planetárnej vrstve atmosféry.

Keďže sa meteorologické merania často vzťahujú k určitému miestu na zemi preto sa k praktickému štúdiu poľa prúdenia prihliada na využitie druhého Newtonovho zákona v relatívnej súradnicovej sústave, ktorá je pevne spojená so zemou. Pričom súradnicový systém pozostáva z horizontálnej osi x smerujúcej na východ, horizontálnej osi y smerujúcej na sever a vertikálnej osi z kolmo k horizontálnej rovine preloženej rovnovážnou polohou.  Druhý Newtonov zákon sa píše v tzv. z-systéme kde vertikálna zložka z je ztotožnená s geometrickou výškou nad zemským povrchom tzv. vertikálnym rovnobežkám  (rovnicu aj s vektorovou formou si nájdete na internete). Veľkosť uhlovej rotácie zeme je daná jednou celou otočkou Zeme okolo svojej osy. Coriolisova sila sa prejavuje iba pri častici, ktorá sa pohybuje vzhľadom k rotujúcej Zemi, čiže je to fiktívna sila, ktorá nemá žiadny hmotný zdroj. Smeruje kolko k osy zemskej rotácie a smeru pohybu častice, pričom pri jej pôsobení sa častica v horizontálnej rovine uchyluje na severnej hemisfére smerom na západ  a južnej na východ. Na póloch pôsobí C. sila iba v horizontálnej rovine, keďže smeruje kolmo k osi zemskej rotácie, a na rovníku sa prejavuje iba vo vertikálnej rovine.  Tiažové zrýchlenie g  je dané výslednicou gravitačnej a odstredivej sily a jeho veľkosť závisí na zemepisnej šírke a nadmorskej výške (rozdielna hustota vzduchu a rozdielny zemský potenciál). Veľkosť odstredivej sily klesá od rovníka smerom k pólom, kde je =0 a gravitačná sila klesá smerom od ťažiska Zeme. Vplyvom poklesu veľkosti odstredivej sily so zemepisnou šírkou a elasticity planetárneho telesa je Zem na póloch oproti rovníku mierne zploštená a tiažové zrýchlenie smeruje v každom bode kolmo k zemskému povrchu. Okrem pólov a rovníka tak nieje smer tiažového zrýchlenia presne totožný so smerom gravitačnej sily.  V praxi sa však väčšinov šírková a výšková závislosť zanedbáva a konvenčne sa skôr prihliada k využitiu tzv. gravitačného zrýchlenia prepočítaného na hladinu mora o hodnode: 9,81 m.s-2. Pri pohybových rovniciach a modelovaní (máp barickej topografie) sa však využíva zovšeobecnená vertikálna súradnica p-systému kde je hladina konštantného tlaku odlišná od čisto výškovej súradnice z (konštantnej geometrickej výšky) z dôvodu rôznych fyzikálnych vlastností atmosféry. 

TOPlist