Dynamika atmosféry

Hodnocení stránky

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 popisujeme na samotné stránce (odkaz dole). Tyto procesy ovlivňují mnohé meteorologické jevy a prvky, které popisují další samostatné stránky. Na této stránce popisujeme základy dynamiky atmosféry zaměřené na střední zeměpisné šířky. Na stránce dynamika atmosféry vykládáme základy dynamických procesů a související problematiky. Detailnější popis jednotlivých témat se nachází 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 DYNAMIKA ATMOSFÉRY

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 objasňujeme dále. Dynamice atmosféry se věnuje speciální odvětví meteorologie a to 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 možno popsat parciálními diferenciálními rovnicemi s časem. A též 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 se řídí:

Principem zachování hmotnosti
Zachování hybnosti
Zachování energie (viz termodynamika atmosféry)

Velkoprostorová dynamika atmosféry

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. To proto, 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 má v daném místě přímou úměrnost k 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 nutno 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 se striktně uplatňuje geostrofické proudění. Za této rovnováhy by nedocházelo bez nějakého vnějšího impulsu k vývoji 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: V_a= V – v_g (V = rychlost proudění, v_g= geostrofický vítr, V_a = ageostrofické proudění.

Přítomnost ageostrofického proudění je podstatná pro dynamiku jevů v atmosféře. Zejména můžeme zmínit důležitost pro vznik oblačných a srážkových útvarů v cyklonách a blízkosti atmosférických front.

Termální vítr

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

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. Tedy 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.

Baroklinní instabilita

Baroklinní atmosféra – objasnění o několik málo odstavců výše. Nyní objasněme pojem baroklinní instabilita. A dále pojednejme o o pojmu baroklinní vlna ve vztahu k instabilitě a jejím vlivu na vznik cyklon a anticyklon.

Definice baroklinní instability

Hydrodynamická instabilita proudění v baroklinní atmosféře. V takové situace roste kinetická energie poruch v pozaďovém proudění ve vztahu k dostupné potenciální energii. Ve spojení s horizontálním teplotním gradientem. Vzhledem k tomu roste tlakový gradient v oblastech s výstupnými pohyby vzduchu a oblastech s přílivem teplého vzduchu na jedné straně. A mezi oblastmi s působením sestupných pohybů vzduchu a oblasti s přílivem studeného vzduchu na straně druhé.

Baroklinní instabilita je tedy děj, při němž narůstá kinetická energie baroklinních vln. Vývoj takové baroklinní vlny může přejít v případě výskytu baroklinní instability ve vznik cyklony a anticyklony. Pak nazýváme takovou jako baroklinní. Se zesilováním poruchy dochází u povrchu a následně i ve výšce k výskytu uzavřené cyklonální cirkulace.

Formování systému front

Následně také vzniká systém front utvořené cyklony. Příliv studeného vzduchu se vyskytuje na západní okraji přízemní brázdy. Vznikne studená fronta jako rozhraní mezi studeným vzduchem na západě a teplým vzduchem uvnitř teplého sektoru dané níže. Slabší příliv teplého vzduchu se odehrává na východě přízemní brázdy, tam vzniká opačná, teplá fronta. Jde o rozhraní mezi teplým vzduchem uvnitř teplého sektoru cyklony a studeného vzduchu na východě.

Vývoj frontálního systému pokračuje dále. Studená fronta postupuje rychleji než teplá, jak známo z obecných základů tématiky. Dochází k vytlačování teplého sektoru cyklony do vyšších výšek. Pole teploty je symetrické vůči studenému středu cyklony. Osa spojující přízemní a výškovou brázdu se srovnává do vertikálního směru. Podél pomyslné čáry spojující místa se shodnou teplotou v podobě maxima teploty. Ta spojuje přízemní střed cyklony a místo spojení teplé a studené fronty (okluzní bod) vzniká okluzní fronta. Zastavuje se narůst kinetické energie baroklinní vlny. Aplikace v dynamické meteorologii považují atmosférické fronty za oblasti spojitého přechodu mezi jednotlivými vzduchovými hmotami. Na těchto rozhraních se vyskytuje silná baroklinita a vysoké rozdíly hodnot meteorologických prvků, nejen teploty vzduchu. Atmosférické fronty vznikají v troposféře a zasahují desítky kilometrů co do plošného rozsahu a stovky kilometrů ve vertikálním rozsahu.

Dynamika atmosféry: Mezosynoptická cirkulace

Celým názvem cirkulace mezosynoptického měřítka. Mezosynoptické měřítko charakterizují jevy o horizontálních rozměrech v desítkách až stovkách kilometrů a mnoha subsynoptickými ději. Zde můžeme uvést jako příklad tropické cyklony. V oblastech se zvýšeným rozdílem tlaku vzduchu na rozhraní vzduchových hmot odlišných teplotních vlastností vznikají atmosférické fronty. V oblastech frontálních zón je vertikální cirkulace vzduchu odpovědna za nárůst oblačnosti a výskyt srážek. Jde o jeden z nejvýznamnějších mezosynoptických jevů v rámci fyziky oblaků.

Mimotropické frontální cyklony jsou základním zdrojem oblačnosti a srážek v podmínkách střední Evropy. Podle provedených studií, zaměřených na rozsah, pohyb a rozložení systémů srážek, ukazují možnost výskytu srážek ve všech oblastech cyklony. Dále také hierarchickou strukturu srážkových systémů. Tyto se vyskytují v určitých uspořádáních v podobě tvaru často pásů s vlastní pásovou strukturou.

Srážkové pásy mezosynoptického měřítka v oblasti cyklony

V oblasti cyklony existují následující srážkové pásy:

Srážkový pás teplé fronty
Úzký srážkový pás studené fronty a široký srážkový pás studené fronty
Zvlněný pás
Pás teplého sektoru cyklony
Za frontální pás

Druhy srážkový pás teplé fronty, široký pás studené fronty a zvlněný pás vyznačují oblasti se zvýšením intenzity srážek z vrstevnaté oblačnosti. Jde o tzv. vrstevnaté srážky trvalého charakteru, které mají větší územní zásah. Úzký pás studené fronty pak odráží oblast intenzivních konvekčních srážek bouřkového charakteru. Jde naopak o srážky lokální, v přeháňkách. Takže náhlé, krátkodobé, ale i velmi silné. V druhu srážkového pásu teplého sektoru a za frontálního pásu se objevují často též lokální konvekční srážky.

Planetární mezní vrstva atmosféry

Jedná se o spodní část atmosféry s přímým vlivem zemského povrchu. Jde o nejširší pojetí mezní vrstvy jako pod vrstvy troposféry. Tato vrstva obsahuje i mezní vrstvy vznikající v důsledku obtékání horských překážek prouděním vzduchu nad odlišný povrch. Jedná se o teoretický model mezní vrstvy s předpokladem turbulentního proudění. Plus s nezávislostí veličin na čase a horizontálních souřadnicích. V této vrstvě se projevuje působení povrchu přímo nejen na proudění, ale i na teplotu a vlhkost.

Turbulentní a laminární proudění

Turbulentní proudění se charakterizuje tím, že se v něm částice vzduchu stávají součástí chaoticky se pohybujících vírů. Tyto nazýváme turbulentními víry, které mají různá prostorová měřítka a též různou dobu trvání. Proudění v reálné atmosféře je převážně považováno za turbulentní. Působí zde síly tření a to významněji než v případě proudění laminárního.

V případě laminárního proudění se částice vzduchu pohybují ve vrstvách podélně proudnic, které se neprotínají. Pohybují se stálou rychlostí bez přechodu mezi jednotlivými vrstvami. Mezi těmito se odehrává jen vertikální výměna molekul vzduchu vzhledem k jejich neuspořádanému termickému pohybu. Toto proudění se stává po překročení určité rychlosti v důsledku především vazkosti a drsnosti povrchu turbulentním prouděním.

Pro další (podrobnější) informace k této tématice dále odkážeme na naší stránku Turbulence.

Závěr: Dynamika atmosféry

Na stránce poskytujeme základní přehled dynamiky atmosféry ve vztahu k mírným zeměpisným šířkám, do nichž naše území patří. Jednotlivá témata dynamiky atmosféry jsou případně rozpracována detailněji na samostatných stránkách. Pravidla dynamiky atmosféry ukazují souvislosti mezi silami působícími v atmosféře. A výslednými pohyby vzduchu při využití základů dynamiky kontinua. Základní úkoly pod oboru dynamika atmosféry, kterými se zabývá dnes obor dynamická meteorologie, uvádíme v úvodu této stránky.

S dynamikou atmosféry a jejími procesy se velmi úzce pojí mnohé děje a jevy související s počasím. Jde zejména o vznik a chování oblačnosti se spojitostí s pohyby vzduchu velkých prostorových i časových měřítek. Dále jde o vývoj srážkové činnosti v takové oblačnosti a vývoj či změny tlakových útvarů a atmosférických front s nimi spojených. Neuvést nelze také proudění vzduchu v atmosféře. V poslední řadě také na tuto problematiku navazuje oblast termodynamiky atmosféry. Tu vykládáme na samotné stránce, viz odkaz.

Vedle již uvedených stránek na našem webu doporučíme pro další informace o souvisejících jevech, o nichž je řeč v tomto textu stránky i některé další. Z pohledu procesů vzniku tlakových útvarů a atmosférických front jsou to stejnojmenné stránky. Stejně jako je tomu v případě vzduchových hmot.

Také doporučíme informace na stránkách Oblaky, Atlas oblaků nebo Atmosférická cirkulace či Atmosférické srážky. A navazující problematiku na stránce Termodynamika atmosféry.

Reference a doporučená literatura

ŘEZÁČOVÁ, D. SETVÁK, M. NOVÁK, M. KAŠPAR, M. Fyzika oblaků a srážek. Praha: Academia, 2007

DVOŘÁK, P. Letecká meteorologie 2017. Cheb: Svět Křídel, 2017

BEDNÁŘ, J. KOPÁČEK, J. Jak vzniká počasí? Praha: Karolinum, 2005