Meteo Aktuality

Konvekce

Konvekční procesy v troposféře patří mezi zajímavá a také složitá témata meteorologie. Vyložit základy vzniku a rozvoje konvekční činnosti ,včetně jejích důsledků, se pokouší tato stránka a dále stránka návazná. Ta se zabývá finálním produktem konvekce, kterým jsou bouřky. Tyto se někdy souhrnně nazývají konvekcí čili konvekčními srážkami. Stránka čtenáře informuje i principech vzniku konvekce. Dále se zabývá problematikou výstupu vzduchových částic a podmínek pro jejich odtržení od povrchu a následné stoupání. Objasňuje i související pojmy.

Témata stránky: Pojem termické konvekce, podmínky pro vznik konvekce, iniciační mechanismy pro výstup vzduchu, vlivy na přehřátí vzduchové částice, výstupná a konvektivní kondenzační hladina, energie CAPE.

Výukový materiál k tomuto tématu:

METEOROLOGIE 12

METEOROLOGIE 14


KONVEKČNÍ PROCESY A PODMÍNKY JEJICH VÝSKYTU

Konvekce je jedním ze způsobů přenosu tepla v troposféře, jak již uvádí stránka Teplota vzduchu. Proces konvekce je označován jako termika či přesněji termická konvekce, pod čímž si můžeme představit převážně vertikální cirkulaci vzduchu jako množství stoupavých proudů a tyto kompenzujících sestupných proudů vzduchu. Konvekcí dochází za vhodných podmínek ke vzniku Bouřek, které podrobně popisuje stejnojmenná stránka. Obecně jsou tedy konvekcí či konvekčními srážkami nazývány bouřky či případně přeháňky. Tato stránka se zabývá procesy vedoucími ke vzniku bouřek. Na úvodu nutno konstatovat, že termickou konvekci ovlivňuje řada faktorů ve stavu troposféry, proto jde o poměrně náročnou tématiku a to je důvodem, jak je též uvedeno na stránce o bouřkách (viz toto rozbalovací menu), že i předpověditelnost bouřek je značně obtížná. Tato stránka nabízí komplexní informace o termické konvekci (dále bude pro tento pojem používán zkrácený termín „konvekce“) a to od základních podmínek pro její výskyt, přes popis průběhu této cirkulace včetně jejích druhů až do problematiky snahy o její předpověditelnost. Důsledkem konvekce může být za určitých podmínek vznik bouřky, jejich problematikou se zabývá detailněji výše již citovaná stránka, kterou odsud vede odkaz a která je dostupná i z tohoto rozbalovacího menu. Aby vznikla bouřka, musí nejprve nastat vhodná situace pro vznik konvekce kterou lze jinými slovy zjednodušeně nazvat termika. Takže bez konvekce bouřka nevznikne, ale konvekce může existovat, aniž by vznikla bouřka a jak bude probráno dále, také aniž by vznikaly jakékoli oblaky.

Princip termické konvekce

Nyní blíže k otázce, jak vzniká a probíhá termická konvekce. Základem vzniku termiky jsou stoupavé proudy ohřátého vzduchu (vzduchové bubliny). Teplejší vzduch, bude dále označován jako vzduchová částice, vůči okolnímu vzduchu bude stoupat od zemského povrchu za splnění určitých podmínek. Nyní nejprve objasnění toho, proč dochází k ohřívání určitých částí vzduchu. Základem je zajisté přísun tepelné energie od Slunce. Sluneční záření zahřívá zemský povrch a to nehomogenně (nerovnoměrně). Některé typy povrchů se zahřívají rychleji jako například suchá travnatá plocha nebo obilné pole, ale také suchá hlína na poli, písek nebo plechové střechy. Povrch je také vůči slunečnímu záření různě nasměrován. Tím vznikají vzduchové částice, které mají vyšší teplotu než ostatní vzduch v jejich okolí. Tuto ohřátou vzduchovou částici musí nejprve něco odpoutat od zemského povrchu, aby mohl tedy vůbec započít její výstup. Výskyt konvekce pak závisí na mnoha podmínkách a to nejen atmosférických.

Základní podmínky pro vznik konvekce:

  • Vertikální chod teploty vzduchu
  • Vlhkost vzduchu
  • Délka dne (jako období mezi východem a západem Slunce jako zdroje energie pro konvekční procesy)
  • Stav krajiny (míra výskytu vegetace, její druh a tedy barva povrchu)
  • Cirkulace vzduchu
  • Existence mechanické turbulence (více viz stránka Turbulence)

Konvekční procesy jsou převážně vertikální cirkulací v určité části troposféry. Vertikální pohyby vzduchu vyvolává aerostatická vztlaková síla. Vzduchová částice se ohřívá od zemského povrchu, který je zahříván slunečním zářením. Pokud je daná částice zahřáta dostatečně, dojde vlivem určitých mechanismů k jejímu odtržení od povrchu a započne tak její vzestup. Mezi mechanismy, které částici odpoutají patří například vítr nebo také průjezd automobilu či vlaku v krajině. Při vzestupu se částice přesouvá do oblastí s nižším tlakem vzduchu a uvnitř stoupající bubliny dochází k vyrovnávání tlaku s tlakem okolního vzduchu. Při klesání tlaku dochází k rozpínání stoupající částice. Mezi její vnitřní a vnější částí neprobíhá žádná výměna energie a vzduchová částice se při vzestupu ochlazuje. Ochlazuje se přesně o 0.98°C na 100m výšky, po zaokrouhlení se běžně uvádí hodnota 1°C/100m výšky. Tato částice má také svoji určitou tíhu. Částice stoupá do výšky díky své vztlakové síle. Ta musí být větší než tíhová síla, aby částice stoupala dále vzhůru. Pokud jsou tíhy shodné, tak částice nemění výšku a pokud je vztlaková síla menší než tíhová, tak začne klesat. Vztlaková síla bude větší v případě, kdy má vzduchová částice nižší hustotu než okolní vzduch. Nižší hustoty uvnitř částice bude dosaženo zvýšením teploty.

Atmosféra (více viz stejnojmenná stránka) Země má také velký vliv na přísun tepla ze slunečního záření. Toto je po vstupu do atmosféry jednak rozptylováno, jednak vstřebáváno a jednak také odráženo. K povrchu se dostane tedy jen část energie ze slunečního záření. Po dopadu na povrch se záření promění na teplo a intenzita dodaného tepla pak závisí na typu povrchu (více informací o teplu na stránce Teplota vzduchu). Část energie i samotný povrch určitou část záření odrazí a část vstřebá. Odrazivost zemského povrchu jako poměr mezi dopadajícím a odraženým zářením se obdobně nazývá albedo. Samotný povrch také vyzařuje přeměněné záření v podobě tepla zpět do atmosféry. Nejvyšší albedo mají světlé povrchy, naopak nejmenší tmavé, které se tak zahřívají podstatně rychleji a více. Na bílou ledovou a sněhovou pokrývkou tedy konvekci hledat nebudeme, neboť rozsáhlé oblasti se sněhem či ledem mají nejvyšší albedo. Opakem jsou tmavé lesy, louky se suchou trávou nebo pole s hnědými či žlutými plodinami (typicky a zejména obilné pole).

Pro konvekční procesy v atmosféře jsou dále důležité teplotní a vlhkostní poměry. O těchto pojednávají stránky Teplota vzduchu a Vlhkost vzduchu, kde jsou k dispozici podstatné informace o těchto veličinách a jsou tam objasněny další pojmy.

Pro konvekci jsou tedy důležité zejména:

  1. Podnícení výstupu částice vzduchu (iniciační mechanismu jako proces či jev, který přinutí částici stoupat)
  2. Zvrstvení v dostatečně silné atmosférické vrstvě dovoluje částici využít své energie ke stoupání
  3. Pro vznik oblaků, musí umožnit vzduch takovou vlhkost, aby se při výstupu stal vzduch nasyceným (100% relativní vlhkost)

Iniciačním mechanismem může být celá řada projevů a lze je rozdělit na termodynamické, které mají spojitost s ostatními projevy počasí a na mechanické, které mohou spočívat i v lidské činnosti. Jedná se zejména o vanutí větru přes horskou překážku, kdy je tento vzduch přinucen stoupat (nucený výstup vzduchu). Dále jde o přízemní turbulenci (objasnění jevu, viz stejnojmenná stránka). A též jde často o advekci teplejšího vzduchu nad studený terén (například na zastíněnou část povrchu), kdy za této situace příchozí teplejší vzduch vyklouzne po studenějším do výšky a je tedy podnícen jeho další výstup. K nejintenzivnějšímu ohřívání částí vzduchu dochází při velkých tepelných rozdílech na povrchu o velké členitosti a rozmanitosti prostředí, například různé povrchy s různou odrazivostí slunečního záření, jak je již popsáno výše.

Instabilita nebo-li labilita atmosféry, tedy nestabilní zvrstvení (stratifikace). Stratifikace je vertikální teplotní gradient teploty vzduchu vůči změně teploty vystupující částice vzduchu. Toto je detailněji objasněno na stránce Teplota vzduchu.

Dostatečná vlhkost vzduchu je zásadní pro tvorbu oblaků, kterými se může, ale nemusí konvekce projevovat. Pokud nedosáhne vzduch patřičné vlhkosti, může konvekce probíhat, ale nebudou vznikat kupovité oblaky = bezoblačná konvekce. Pro konvekci s tvorbou oblaků a případným následným vývojem bouřek je potřebné, aby vzduch obsahoval dostatečné množství vlhkosti a postupně se stal při výstupu vzduchové částice v určité výšce nasyceným. Suchý vzduch neobsahuje žádnou vlhkost, vlhký vzduch jí obsahuje určité množství, kromě nulového až do 1 jednotky (vyjadřujeme jako relativní vlhkosti od 1 do 99%). Nasycený vzduch obsahuje při dané teplotě maximální množství vlhkosti, tedy 100% vlhkosti (bezrozměrně celou 1 jednotku jako absolutní vlhkost v podobě hmotnosti vody v jednotce objemu, což je možno vyjádřit v gramech na metr krychlový). Další informace týkající se vlhkosti a procesu nasycení vzduchu najdete na stránce Vlhkost vzduchu.

Na přehřátí vzduchové částice vůči okolí má vliv:

  • Druh povrchu (asfalt a vegetace)
  • Intenzita záření (dle roční doby – maximum od cca konce května do konce července, dle denní doby – maximum od 11 do 15 hodin)
  • Nastavení k paprskům (osluněná a zastíněná místa)
  • Prohřívání a jeho trvání (vliv větru)
  • Rozsah území (které je ohříváno)
  • Rozdíl teploty (ohřívaný povrch a okolí)
  • Turbulence (přenos ohřátého vzduchu do výšky)
  • Chod teploty a vlhkosti vzduchu s výškou (stratifikace, viz stránka Teplota vzduchu)

Vlivem vztlakové síly vzduchová částice po odpoutání se od povrchu stoupá do výšky. Po určité době se tato síla rovná třecí síle. Částice vzduchu zrychluje blízko nad povrchem do několika stovek metrů a následně začne zpomalovat a pohybuje se shodnou rychlosti. Stoupá do doby, než dosáhne shodné teploty s jejím okolím. Dostoupá do určité výšky – zádržná vrstva (hladina nulového vztlaku). Poté pokračuje ve výstupu pomaleji, setrvačností a postupně se zastaví. Částice dostoupá do výšky, kde je stabilní stratifikace. Dojde k vyčerpání nasbírané energie, další již částice nedostává a dodaná energie se po určité době vyčerpá. Teplota okolního vzduchu postupně dosáhne teploty vzduchové částice. Následně začne částice klesat.

Výstupná kondenzační hladina (LCL)

V anglickém názvosloví, odkud pochází běžně užívaná zkratka, Lifting Condesation Level je výškou, ve které dojde při výstupu přehřáté částice vzduchu k jeho nasycení (dosažení 100% relativní vlhkosti). Nenasycený vzduch se při výstupu ochlazuje suchoadiabaticky. S konvekcí ovšem tuto hladinu spojovat nelze, neboť jde v tomto případě o hladinu, do které vystoupá částice nuceně (typicky při výstupu vzduchu přes překážku).

Konvektivní kondenzační hladina (CCL)

V anglickém názvosloví, odkud opět pochází běžně užívaná zkratka, Convective Condensation Level je hladinou (výškou), do níž pokud vystoupí nenasycená částice vzduchu na základě své síly vztlaku, dojde v ní k jeho nasycení. Teplota konvekce je teplota, při které dosáhnou vystupující částice této výšky a začne vznikat kupovitá oblačnost. Tato výška se objevuje pouze v nestabilním zvrstvení, při stabilním nikoli. V případě nestability je shodná s výše uvedenou LCL.

Energie CAPE

Vzduchová částice potřebuje ke svému stoupání energii pro překonání tíhové síly. Tato síla je rovna zrychlení tělesa s jednotkovou hmotností. Síla vztlaku odpovídá rozdílu teploty částice a okolního vzduchu. Energii spotřebovanou částicí vzduchu stoupající vzhůru můžeme přirovnat k obdélníkům, které postupně přičítáme tak, jak částice stoupá vzhůru. Jedná se o dráhu vzduchové částice při jejím výstupu. Dráha vynásobenou silou se rovná práci čili energii. Součet veškerých těchto ploch obdélníků je roven celkové energii CAPE. Tato je výkonností termické konvekce a čím bude větší, tím rychleji budou vzduchové částice vystupovat – jde o zjednodušené vyjádření.

Popis základních veličin pro vznik a rozvoj bouřkové činnosti, včetně energie CAPE, je k dispozici na další stránce tohoto rozbalovacího menu, Bouřky.

Reference

Použitá a doporučená literatura:

DVOŘÁK, P. Atlas oblaků. Cheb: Svět Křídel, 2012

DVOŘÁK, P. Pozorování a předpovědi počasí. Cheb: Svět Křídel, 2012

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

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

MÍKOVÁ, T. KARAS, P. ZÁRYBNICKÁ, A. Skoro jasno. Praha: Česká Televize, 2007

DVOŘÁK, P. Atlas oblaků 2016. Cheb: Svět Křídel, 2016

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

WHITAKER, R. a kol. The Encyklopedia of Weather and Climate Change. Sydney: Weldon Owen Pty Limited, 2010 (CZ verze STAŘECKÁ, E. PAUER, M. Encyklopedie počasí a změna klimatu. Praha: Svojtka a Co, 2012)

SIMONS, P. a kol. Nature´s Mighty Powers: Extreme Weather. Londýn: Toucan Books, Reader´s Digest Association Limited, 2006 (CZ verze Vereš, P. a kol. Extrémy počasí: Síly přírody. Praha: Reader´s Gidest Výběr, 2010)

%d blogerům se to líbí:
Přejít k navigační liště