Informace o dynamických procesech v atmosféře, důležitých pro vliv cirkulace v atmosféře uvnitř oblaků i v jejich blízkosti. Stejně jako pro trvání a intenzitu mikrofyzikálních procesů důležitých pro vznik a růst oblačných elementů. Na dynamické procesy navazují dále termodynamické procesy atmosféry, které jsou popsány na samotné stránce (odkaz dole). Tyto procesy ovlivňují mnohé meteorologické jevy a prvky, které popisují další samostatné stránky. Na této stránce jsou popsány základy dynamiky atmosféry zaměřené na střední zeměpisné šířky. Na stránce dynamika atmosféry jsou vyloženy základy dynamických procesů a související problematiky. Detailnější popis jednotlivých témat je na dalších stránkách. Ty jsou dle potřeby v textu označeny odkazy.
Témata stránky: Pojem dynamika atmosféry, velkoprostorová dynamika atmosféry, baroklinita, mezosynoptická cirkulace a planetární mezní vrstva.
Anglické názvy: Atmospheric dynamics (dynamika atmosféry), large-scale dynamics (velkoprostorová dynamika), mesosynoptic circulation (mezosynoptická cirkulace), planetary boundary layer (planetární mezní vrstva), baroque atmosphere (baroklinní atmosféra), equation of motion (pohybová rovnice), continuity equation (rovnice kontinuity), gravity power (gravitační síla), friction force (síla tření), pressure gradient (tlakový gradient), geostrophic wind (geostrofický vítr), laminar flow (laminární proudění).
OBSAH STRÁNKY
- Pojem a úvody do dynamiky atmosféry
- Pohyb vzduchu v atmosféře
- Velkoprostorová dynamika
- Pohybové rovnice
- Ageostrofické proudění
- Baroklinní instabilita
- Mezosynoptická situace
- Planetární mezní vrstva
- Základní pojmy
DYNAMIKA ATMOSFÉRY – ZÁKLADNÍ PŘEHLED
Dynamika atmosféry a její principy jsou souvislostí mezi atmosférickými silami a výslednými pohyby vzduchu za pomoci dynamiky kontinua. To bude objasněno dále. Dynamice atmosféry se věnuje speciální odvětví meteorologie a tím je dynamická meteorologie. Ta má za úkol zjišťovat, jaké je výsledné proudění, pokud je známo proudění silové. A dále jaké síly působí v pozorovaném poli proudění, za předpokladu že je známo pole tohoto proudění. Jde o problematiku a zjištění, podle kterých je možno zpracovat předpověď počasí. Dále podle které je možné pochopit fyzikální podstatu daného jevu. Jednotlivé části dynamiky atmosféry jsou probrány v následných kapitolách stránky.
Dynamika atmosféry hledí na atmosféru jako na kontinuum = tekutina, u níž je odhlíženo od molekulárního složení. Předpokladem je, že fyzikální veličiny jsou teplota, tlak a hustota. Tyto popisují stav atmosféry. Zákony mechaniky a termodynamiky kontinua s určením pohybů v atmosféře je možné popsat parciálními diferenciálními rovnicemi s časem a prostorovými souřadnicemi jako nezávislými proměnnými. Soustava rovnic s kompletním a jednoznačným popisem pole proudění je příliš složitá a nemůže tak existovat obecné řešení. V rovnicích je ale možné zavádět systémová zjednodušení (aproximace).
Pojem pole meteorologického prvku: Jde o rozložení hodnot daného prvku v prostoru k danému termínu. Základním případem je tlakové pole daného území.
Pohyb vzduchu v atmosféře je řízen:
- Principem zachování hmotnosti
- Zachování hybnosti
- Zachování energie (viz termodynamika atmosféry)
Velkoprostorová dynamika
Dále budou stručně objasněny rovnice velkoprostorové dynamiky atmosféry:
- Pohybová rovnice v relativní souřadnicové soustavě
- Pohybová rovnice v systému se zobecněnou vertikální souřadnicí
- Ageostrofické proudění
- Termální vítr
- Rovnice kontinuity
Pohybová rovnice
Pohyb vzduchu v atmosféře se popisuje podle druhého Newtonova pohybového zákona. Jde o základ oblasti dynamika atmosféry. Pojem vzduchová částice je objemem vzduchu a to dostatečně velký, aby nebylo nutné brát v úvahu vlivy molekulární struktury. Ale také dostatečně malý, že lze vždy uvnitř tohoto zanedbat prostorové změny meteorologických prvků a jeho pohyb nepůsobí v okolním vzduchu kompenzující pohyby.
Druhý Newtonův pohybový zákon:
Časová změna hybnosti vzduchové částice vztažená k jednotkové hmotnosti (zrychlení částice) se rovná výslednici sil na částici působících.
Tento zákon je platný v absolutní souřadnicové soustavě, která není pohyblivá vůči světovému prostoru. Pohyb v atmosféře ve vztahu k absolutní souřadnicové soustavě ovlivňují tyto síly:
- Gravitační síla
- Třecí síla
- Síla tlakového gradientu
Gravitační síla směřuje do těžiště Země a velikost síly je podle zákona (Newtonův gravitační zákon) přímo úměrná kvadrátu vzdálenosti částice od těžiště.
Třecí síla je vyvolána molekulární a turbulentní difuzí vzduchu a směřuje proti směru pohybu částice vzduchu a velikost síly je v daném místě přímo úměrná velikosti rychlosti pohybu částice a to v prvním přiblížení. Tato se projevuje do výšky 2km nad povrchem )mezí vrstva atmosféry, též vrstva tření), dále je její vliv méně významný.
Síla tlakového gradientu směřuje kolmo k plochám konstantního atmosférického tlaku (izobarické plochy) do oblastí s nižším hodnotami tlaku. Velikost síly se rovná gradientu (rozdílu) tlakového pole.
V praxi je nutné pole proudění vyjádřit druhým Newtonovým pohybovým zákonem, viz výše. A to v tzv. relativní souřadnicové soustavě pevně spojené s rotující Zemí. S původem v rotaci Země zde působí další síly, vedle výše již uvedených. Především jde o Coriolisovu sílu a odstředivou sílu.
Pohybová rovnice v systému se zobecněnou vertikální souřadnicí
Místo souřadnice výšky (z, tzv. z-systém) se použije zobecněná souřadnice a nejčastěji se používá tlak označený p (p-systém). V oblasti dynamické meteorologie se používá nahrazení souřadnice veličinou omega (omega systém). Tento se používá v předpovědních modelech, kde se zahrnuje vliv orografie na atmosférické procesy a jevy.
Ageostrofické proudění
Úplná dynamická rovnováha nastává v případě, kdy v celé atmosféře je striktně geostrofické proudění. Za této rovnováhy by nedocházelo bez nějakého vnějšího impulsu k vývoje pole proudění a změnám v tlakovém poli a poli teploty. Existuje ne nulový rozdíl mezi skutečnou rychlostí proudění a geostrofickým větrem = rychlost ageostrofického proudění. Vlivem tohoto stavu se odehrávají veškeré dynamické změny v atmosféře.
Definice geostrofického proudění
Též zvaného geostrofický vítr, jde horizontální cirkulaci bez vlivu tření s tangenciálním i běžným zrychlením rovnajícím se nule. Směřuje podél přímkových izobar a izohyps. při výskytu proudění jsou horizontální složky síly tlakového gradientu a Coriolisovy síly shodné, ale opačného směru.
Rychlost ageostrofického proudění definuje rovnice: Va = V – vg (V = rychlost proudění, vg = geostrofický vítr, Va = ageostrofické proudění.
Přítomnost ageostrofického proudění je podstatná pro dynamiku jevů v atmosféře. Zejména je možné zmínit důležitost pro vznik oblačných a srážkových útvarů v cyklonách a blízkosti atmosférických front.
Termální vítr
Je vztah mezi teplotním polem a polem větru v případě hydrostatické a geostrofické rovnováhy. Vyjadřuje ho rovnice termálního větru. Užívá se pro diagnostické studie jako je například popis tlakových útvarů v synoptickém měřítku (viz definice měřítka v meteorologii). Dále se užívá pro zpracování aerologických výstupů.
V případě ne nulového horizontálního gradientu teploty je nutná existence ne nulového vertikálního střihu geostrofického větru. Jde o změnu směru a rychlosti tohoto větru s výškou. Tento vertikální střih geostrofického větru signalizuje baroklinitu atmosféry. I v ní závisí hustota vzduchu na teplotě a tlaku vzduchu.
Definice baroklinní atmosféry
Je rozložení hustoty vzduchu, ve které leží pomyslné čáry spojující místa se shodnou hustotou vzduchu různoměrně s plochami čar spojujících místa se shodným tlakem vzduchu. Opakem je barotropní atmosféra.
Termální geostrofický vítr vane na severní polokouli Země podél izohyps relativní topografie = čar spojujících místa se shodnou vzdáleností dvou izobarických hladin vyjádřenou v geopotenciálních metrech. Pro objasnění doporučíme článek Co je to geopotenciál? Pokud stojí pozorovatel čelem ve směru termálního geostrofického větru, tak vyšší hodnoty teploty má napravo a naopak.
Rovnice kontinuity
Definice rovnice kontinuity
Hmota vzduchu nemůže v atmosféře vzniknout, ani zaniknout.
Matematicky tato vyjadřuje zákon zachování hmotnosti při atmosférických dějích. Když se částice vzduchu pohybuje tam, kde dochází k vtékání proudění do určitého objemu vzduchu (konvergence proudění), tak se objem částice zmenšuje a hustota zvětšuje. Opakem je divergence proudění, roste pak objem částice a hustota klesá. Atmosféra je stlačitelnou tekutinou. Při popisu chování konvekčních bouří nelze tuto stlačitelnost zanedbávat.