Počasí nás ovlivňuje den co den, 365dní v roce, a můžeme ho jen do jisté míry odhadnout nebo předpovědět.

Vznik a odtrhávání vzduchových bublin

25. ledna 2016 v 11:41 | Meteoaktuality.cz |  Zajímavosti
Co je to vzduchová bublina a jak se tvoří - rozšíření základních poznatků z článku o konvekci a kondenzaci
Jak bylo vyloženo v článku o konvekci a kondenzaci, tak vznik stoupavých proudů připisujeme nehomogennímu ohřívání zemského povrchu. Určité plochy se ohřívají rychleji, lépe, jiné zas pomaleji a tedy hůře. V důsledku toho vznikají nepoměry v teplotě zemského povrchu (viz článek Teplota povrchu, vody a půdy) Od prohřátého povrchu se ohřívá přilehlý vzduch, to bylo též v už v jiných odborných článcích řečeno. Tento vzduch se postupně od okolního jaksi přehřeje a odtrhne se, stoupá neboť je jak známe z fyziky lehčí než studený. Stoupá do určité výšky, dle poměrů v atmosféře. Nyní nastává problematika procesu odtržení dané bubliny přehřátého vzduchu od zemského povrchu a okamžik jejího zdvihání, což je dosti složitý proces a není dosud zcela probádán, existují vysvětlující teorie proč se tak děje.

Problematika odtrhávání vzduchových bublin
Otázkou je, proč nedojde ihned po zahřátí daného typu zemského povrchu který je rychle ohřívá a od něho i okolní vzduch k výstupu teplejšího vzduchu v podobě odtržení tohoto přehřátého vzduchu ve formě tzv. bubliny a tím pádem k výskytu termiky. Dle teorie fyzikálních jevů by měl zahřátý vzduch ihned stoupat, neboť se stane lehčím než vzduch okolní. Vzduch se ale ve skutečnosti zahřívá několik minut či desítek minut a poté dojde k odtržení přehřátého vzduchu od země. Existuje hypotéza, že dochází ke vzniku vzduchové bubliny na základě kondukce (vedení) tepla mezi přehřátým povrchem země a nízkou vrstvou vzduchu. Pro výpočet přenosu tepla a ohřátí vrstvy vzduchu používáme rovnici vedení tepla. Podle toho spočteme kdy bude v určité výšce jaká teplota za dosazení hodnot prvků, které známe. Jedná se o teplotu zemského povrchu a teplotu vzduchu přilehlého na zemský povrch. Použijme příklad uvedený v odborné literatuře: Teplota povrchu 50°C a teplota vzduchu 20°C. Výstupnými hodnotami bude teplota vzduchu ve 2 a 10 metrech nad zemským povrchem od počátku měření do 20. minuty. Při výše uvedených dosazených hodnotách získáme teplotu ve 2m nad zemí po 10 minutách 20.47°C a po 0 minutách 20.94°C a v 10 metrech nad zemským povrchem po 10 minutách jen 20.05°C a po 20 minutách jen 20.09°C.

Pokud se bude od rána vyskytovat oblačnost středního či vysokého patra (či se objeví během dopoledne) a bude tak způsobovat nemožnost průniku slunečních paprsků k zemskému povrchu s termikou a kupovitými oblaky Cumulus se vůbec nesetkáme, neboť sluneční paprsky nebudou prohřívat zemský povrch, od něhož se dostatečně neprohřeje okolní vzduch, který tedy nebude stoupat a tvořit stoupající bubliny, na základě nichž by v určité výšce vznikl kupovitý oblak. Pokud se tato oblačnost neodsune či nerozpadne a to alespoň po poledni, den bude bez termiky a bez Cumulů, alespoň bez těch vyvinutějších.

Přenos tepla zde probíhá na základě turbulentního promíchávání nižších vrstev. Ale velmi blízko povrchu musí vznikat tzv. mini termika, na základě níž stoupá vzduch do několika metrů, což vede k ohřevu vzduchu a vznik vzduchové bubliny. Vzduch se tedy i nadále od povrchu ohřívá a při dosažení určité teploty dojde k odtržení tohoto přehřátého vzduchu vůči okolnímu vzduchu. Do místa, kde se nacházel přehřátý vzduch se přestěhuje studenější vzduch z okolí a v daném místě dojde k výraznějšímu sestupu teploty. A opět se může při trvajících podmínkách začít nově nasunutý vzduch ohřívat a celý proces se odehrává znovu. Jak rychle se vzduch prohřívá? To záleží na okolních faktorech a to zejména na teplotě vzduchu při odtržení bubliny, kdy se na toto místo stáhne vzduch z okolí, který může mít už o něco vyšší teplotu z jiného místa, kde probíhal stejný děj jako je popsán výše, dále záleží na směru a rychlosti větru, vlhkosti vzduchu a podobně.

Termika v počáteční fázi kolem poledne. Pravé léto, obilná pole po žních a nerovnoměrně se prohřívající krajina - nad poli rychleji se prohřívající vzduch nad lesy například v pozadí pomaleji a první oblaky Cumulus, které mají už od počátku tendenci "růst" výše a nezůstane tedy jen u plochých oblaků, ale patrně se dočkáme i přeháněk či bouřek

Výrazně ohřátá vzduchová bublina se ovšem ale neodtrhne od zemského povrchu. Nestane se tak až do okamžiku, kdy dojde k nějaké síle, která přiměje vzduchovou bublinu se odpoutat od povrchu a začít stoupat. Jedná se buďto o silný aerostatický vztlak nebo mechanickou sílu v podobě, například, větru. Při nárůstu teploty vzduchu se snižuje hustota tohoto vzduchu, dochází k expanzi bubliny. Máme dvě hodnoty, teplotu bubliny a teplotu okolního vzduchu, kdy vždy bude vyšší teplota bubliny, jedná se o přehřátý vzduch vůči okolí. Opět uvedeme příklad, který prezentuje odborná literatura: Jedná se o výpočet aerostatického vztlaku při určitém tlaku vzduchu, při dané teplotě vzduchové bubliny a teplotě okolního vzduchu. Tlak vzduchu činí 970hPa (což je cca ve výšce 400m) a teplota bubliny činí 16°C, teplota okolního vzduchu 15°C = vzduch v podobě bubliny je přehřátý o 1°C. Vztlaková síla na bublinu činí 15 615 Newtonů, což je cca 1.6 tun. Tato bublina je touto silou nadnášena, při přehřátí vzduchu v bublině o 2°C se jedná o sílu 3.1 tun, při přehřátí o 3°C o 4.7 tun a při přehřátí o 5°C o sílu 7.7 tun. Celá bublina, která bude mít například rozměry 100 metrů jako průměr její základny a 50m na výšku, celá bude vážit 453 tun. Vztlaková síla vzrůstá při nižší teplotě vzduchu, takže při horkých letních dnech, kdy se teploty pohybuje například kolem 30°C bude shodná bublina o přehřátí též o 1°C oproti okolnímu vzduchu nadnášena jen silou 1.4 tun, oproti teplotě na 5°C, kdy bude nadnášena za shodných ostatních podmínek silou 1.7 tun. Proto vlivem tohoto faktu dochází k rozdílům v rychlosti odtrhávání těchto vzduchových bublin například v počátku jara a oproti tomu uprostřed léta. Existují i mechanické vlivy, pokud fouká vítr, může působit na tuto vzduchovou bublinu a způsobit její dřívější odpoutání od povrchu oproti situaci bez větru. Také působí nastupující studený vzduch od bublinou přehřátého vzduchu, který jako klín tuto bublinu vytlačí z daného místa a jaksi odřízne od zemského povrchu, vzduch začne následně stoupat. Bublinu může od země odpoutat i umělý zásah bez atmosférických jevů, které byly zmíněny v předchozích větách. Takovým umělým spouštěčem vzestupu bubliny je například průjezd automobilu. Ten při průjezdu způsobí turbulentní promíchávání vzduchu a do míst s přehřátým vzduchem se dostává chladný vzduch z okolí snáze, neboť předpokládáme nyní bezvětří a tak vítr nemůže být tím elementem, který odpoutá bublinu od povrchu. Vše zajisté závisí na míře přehřátí bubliny, pokud nemá dostatečnou teplotu, tak tento element nezpůsobí ještě její odpoutání, ale například průjezd jiného automobilu za určitý čas. Nemusí to být zajisté jen automobil, ale každé pohybující se těleso, jako je vlak nebo letadlo. A co když panuje bezvětří a v daném místě se nenachází žádná trať, dráha či komunikace a ani letiště, jednoduše tam žádné dopraví prostředky nejezdí či nelétají? Bublina začne v takovém případě stoupat při dostatečném přehřátí vzduchu jí tvořícího, tj. síla bude taková že ji sama odtrhne od povrchu a nebo, jak je popsáno výše, na tuto bublinu jaksi zatlačí studený vzduch tlačící se zespodu na místo přehřátého vzduchu. V takových situacích pak hraje velkou roli terén či denní doba.

Co je to termický cyklus?
Jedná se o denní průběh termické konvekce, popsané v odstavcích výše. Je známo, že později večer a v noci se s termikou rozhodně nesetkáme (viz též článek Kondenzace, konvekce a termika) a naopak v poledních a brzkých odpoledních hodinách či v létě i pozdějších odpoledních hodinách dosahuje tento proces vrcholné fáze. Podobně se s termikou většinou nesetkáme v zimním období, obecně v chladné části roku s tím, že při vhodných podmínkách se mírná termická konvekce v okrajových částech chladné části roku již objevuje. Termickým cyklem rozumějme denní chod termické konvekce, podobně jako denní chod teploty či vlhkosti vzduchu. Jinak lze tento jev nazvat také letním denním chodem oblačnosti, kde máme na mysli právě kupovitou konvekční oblačnost typu Cumulus.

Letní slabá termika v nížinné oblasti nad slunečnicovým polem a okolím, ploché oblaky Cu humilis napovídají, že v atmosféře není dostatek energie a příliš vlhkosti k tomu, aby oblaky "rostly" do větších výšek a produkovaly srážky

Termika existuje od východu až po západ Slunce za vhodných podmínek v teplé části roku a tomu se říká termický cyklus. Podmínkou je, jak je uvedeno výše či v článku o kondenzaci, konvekci a termice, zejména dostatečně intenzivní sluneční záření, které bude ohřívat zemský povrch, který se ohřívá vždy nerovnoměrně. Takového dostatečného ohřátí povrchu a od něho okolního vzduchu nemůže být dosaženo v chladné části roku, od listopadu do března se s termikou setkáme výjimečně, naopak od května do srpna téměř každý den. Podmínkou je absence ostatní oblačnosti, vrstevnaté oblačnosti bránící slunečním paprskům dosahovat na zemský povrch a ohřívat ho, to k termice buď nedojde a pokud už trvá a přibude oblaků například středního patra, tak termika zanikne, kupovité oblaky již utvořené se rozpadnou a další se netvoří. Za předpokladu dalších podmínek, jejichž výčet najdete v patřičném článku, dochází k termickému cyklu, který probíhá nějak následovně:

Výše je popsán princip zformování a odtržení vzduchové bubliny, resp. bubliny přehřátého vzduchu vůči okolí na základě nehomogenního ohřívání povrchu Země a vzduchu v okolí. Nejprve tato vrstva přehřátého vzduchu mohutní, po určitém impulsu (popsáno výše) se odtrhne tento teplý vzduch od povrchu a stoupá. Při výstupu vzduchu se uspořádávají menší částice vzduchu a tvoří postupně větší celky, termika je uspořádána do sloupců. Na stoupavé proudy poté působí mnoho faktorů, mezi stěžejní patří vítr ve výšce cca 300-500m nad povrchem, dále výraznost instability v přízemní vrstvě a nehomogenita teploty. Platí, že čím více nestabilní a mohutná je přízemní vrstva a čím více je teplota u zemského povrchu rozmanitější, tak tím turbulentnější je vrstva neuspořádané terminy a také budou o to rychlejší stoupavé proudy. Výše zmíněné sloupce teplého vzduchu se ve výšce rozdělují a opět spojují a nabývají také různých rychlostí podle daných podmínek v určité výškové hladině. Jak je známo, vystupující vzduch se postupně ochlazuje a má-li dostatečnou vlhkosti, dosáhne v určité výšce stavu nasycení a na základě toho vzniká kupovitý oblak. Při tomto procesu, kondenzace, se uvolňuje latentní teplo (tzv. skupenské) a vystupující vzduch tak mění teplotní poměry nad kondenzační hladinou. Stoupavý proud musí též udržet ve vzduchu větší tělesa kapiček v gravitačním poli a je spotřebovávána energie tohoto proudu. U povrchu se vyčerpá přehřátý vzduch a dojde k přerušení spojení proudu s povrchem. Tento proud vystoupí tak vysoko, jak mu energie dovolí. Celý cyklus se poté opakuje tak, že na místo ohřátého vzduchu se nasune vzduch chladnější z okolí a při pokračujících vhodných podmínkách se začíná opět ohřívat. Uprostřed léta probíhá dlouhá řada několito se děje v podvečer, kdy se kupovité oblaky při nezměněné synoptické situaci rozpadají či kupovité oblaky Cka takovýchto cyklů za sebou do doby, než začne sluneční svit slábnout a nedodá povrchu dostatečnou energii, umulus se přetvářejí v táhlé Stratocumuly a nebo se zvyšují a tvoří se z nich poté Altocumuly, často se během večera ale zcela vyjasní.

Zde je pohled na zformovanou bouřku, kdy oblak Cumulus přeroste v Cumulonimbus a má možnost růst až do doby než narazí na spodní vrstvě stratosféry, což se v tomto případě ještě nestalo, poté co na tuto vrstvu narazí, začne se rozrůstat do šířky - vzniká jistě známá kovadlina a jedná se o vrcholnou fázi vývoje bouřkového oblaku

Závěrem lze konstatovat, že termika je společně s fyzikou vzniku oblaků a jejich srážkové činnosti velice složitým jevem. Pro případné zájemce vydáme další články, rozšiřující tématiku a prohlubující znalosti z oblasti kondenzace, konvekce a následného vzniku oblaků, neboť oblaky nevznikají jen na základě výstupu vzduchových částic. Vedle toho, že se jedná o složitý jev, je tento projev také zajímavý a vyplatí se v takový vhodný "termický den" pozorovat důkladněji oblohu a také sbírat praktické poznatky například i pro možnost v budoucnu počasí dobře odhadnout. Během léta je takových dnů mnoho a můžeme si jen vybírat.


Doporučená a použitá literatura: Dvořák, P. Atlas oblaků, 2012
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama

Meteo Aktuality - aneb vše o počasí

> Webová stránka MA (články, aktuality, další aplikace jako například radar, detekce blesků ČHMÚ, diskuzní fórum a další)

http://meteoaktuality.cz


> FCB stránka MA (aktuality z dění v počasí a všeobecně)

http://facebook.com/pocasi.aktuality

> Twitter profil (propojen s Facebookem)

https://twitter.com/meteoaktuality

> Google+ stránka (nejdůležitější aktuality a zajíamvosti)

Google+ MA

> Blog MA (nově založený pro psaní zajímavostí z meteopraxe i teorie, pro informace zde na Blog.cz, jste právě zde!)

> TV video kanál MA (videa o počasí, vše zajímavé i důležité v jeho dění)

http://www.youtube.com/user/MeteoaktualityTV?feature=mhee