Tlak vzduchu
Na stránce je pojednáno o základech tlaku atmosféry. Stručně je zmíněna vazba na tlak vzduchu na vzdušné proudění.
Témata stránky: Pojem tlaku vzduchu, izobary a izohypsy, tlakové pole a proudění vzduchu, barický stupeň.
Anglické názvy: Air pressure (tlak vzduchu), isobara (izobara), strong (síla), pressure field (tlakové pole), baric grade (barický stupeň), terrestrial circulation (zemská cirkulace).
Prezentace k tématu: METEOROLOGIE 6 METEOROLOGIE 17
ATMOSFÉRICKÝ TLAK
Tlak je síla, která působí na jednotku plochy. Vzduchové částice, jako molekuly, které se různě pohybují a narážejí do sebe a odrážejí se do všech stran. Každá molekula má hmotu a rychlost (kinetickou energii a hybnost) a tyto utvářejí neustálou sílu. Pascalův zákon zní, že tlak se šíří všemi směry rovnoměrně. Tlak vzduchu je skalární veličina bez určitého směru. Gradient tlaku vyjadřuje změnu tlaku podle souřadnic a změna má určený směr, počátek i velikost a orientaci. Tlak společně s teplotou a objemem jsou vzájemně se ovlivňující veličiny.
Jde o hydrostatický tlak, způsobený tíhou vertikálního sloupce vzduchu sahající od hladiny moře či od jiné libovolné hladiny až k horní hranici atmosféry. Tlak má podobu síly, působící kolmo na jednotkovou plochu.
Úvodní informace pojmy
Kde končí atmosféra? Dozvíte se z informací na stránce Atmosféra, včetně jejího dělení na další pod vrstvy.
Základní jednotka tlaku je pascal (Pa) = síla 1 N na plochu 1m2. Dříve se používala jednotka mm vodního sloupce rtuti (mm/hg či torr). Pro vyjádření tlaku vzduchu nutno používat větší jednotku a to hektopascal (hPa), kdy 1 hPa = 100 Pa. Další převodní vztahy mezi jednotkami, kdy vycházíme podle normálního atmosférického tlaku na hladině moře 1013.25hPa. Takže 1013.25hPa = 1013.25mbar = 760mm/hg = 760torr.
Izobary jsou pomyslné čáry, které spojují místa se stejným tlakem vzduchu. Izohypsy jsou též pomyslné čáry, které spojují ale místa stejné nadmořské výšky jedné tlakové hladiny. Izobary mohou být na mapách zakreslovány v určitých intervalech (například po 5hPa, kdy budou uvedeny izobary třeba 1000hPa, 995hPa, 990hPa a podobně, totéž bude platit pro vyšší tlak vzduchu).
Pojem absolutní topografie znamená doslova atmosférické tlakové hladiny, tedy pokud k bodům tlakové hladiny ideálního mořského povrchu, nadmořské výšky. Jedná se o izobarickou plochu, kterou nepovažujeme vlivem nenulových horizontálních rozdílů tlaku vzduchu za horizontální hladinu. Popisujeme ji jako topografii v určitých výškách nad referenční hladinou. Za tu zvolíme hladinu mořského povrchu. Výsledkem je tedy absolutní topografie určité hodnoty atmosférického tlaku. V meteorologii se zpracovávají topografie standardních tlakových hladin, jimiž jsou hladiny 850 hPa (1 500m), 700hPa (3 000m), 500hPa (5 500m), 300hPa (9 000m), 200hPa (12 000m) a 100hPa (15 000m).
Relativní topografie znamená mocnost vrstev vertikálně vymezených dvěma hladinami absolutní topografie (viz výše). A zobrazení jejího prostorového rozložení pro určitou vrstvu shora a zdola omezenou určitými tlakovými hladinami za pomoci relativních izohyps (viz výše).
Tlak a proudění vzduchu
Obr. 1 Všeobecná cirkulace atmosféry na Zemi, zdroj: slidetodoc.com
Základní příčnou tlakových změn je nehomogenita teploty povrchu, která se neustále mění. Nerovnováha tlakového pole na Zemí či jinými slovy rozdíly tlaku vzduchu jsou vyrovnávány prouděním vzduchu, jinými slovy větrem. Vítr vane vždy z oblasti s vyšším tlakem vzduchu směrem do nižšího tlaku vzduchu. To je příčinou neustálého vanutí větrů zvaných pasáty ze subtropických oblastí k rovníku a to z obou stran polokoule, ze severní i z jižní. Na Zemi se vyskytuje specifická cirkulace, která je rozdělena do těchto buněk na každé z polokoulí planety.
- Hadleyova buňka se nachází v oblasti od rovníku po subtropy, zde vanou již zmíněné pasáty směrem k rovníku.
- Ferrelova buňka se nachází v mírných šířkách, tedy i u nás. Vanou zde převážně západní až jihozápadní větry na severní polokouli, na jižní severozápadní.
- Polární buňka se, jak název napovídá, vyskytuje nad polárními oblastmi obou polokoulí.
O proudění vzduchu je detailněji pojednáno na stránce Vítr.
Tlakové pole a barický stupeň
Tlakové pole a jeho stav je důležitý pro počasí nejen v přízemní vrstvě, ale i v různých tlakových hladinách (ve výškách), například ve výšce 500hPa (cca 5.5km nad povrchem). Dle barometrické rovnice klesne tlak vzduchu během 5500m vždy o polovinu. Pokud je na hladině moře tlak vzduchu 1000hPa, ve výšce 5500m to bude 500hPa, tato tlaková hladina odpovídá tedy výšce 5500m. Výšce přibližně 1500m bude odpovídat tlak 850hPa, proto hovoříme o výškové tlakové hladině 850hPa, v níž se běžně uvádí i předpovídá zejména teplota vzduchu, ale i rychlost a směr větru.
Barický stupeň je rozsah výšky, během které se změní tlak o 1hPa. Tloušťka vrstvy mezi dvěma tlakovými hladinami je závislá na teplotě této vrstvy a nazývá se relativní topografie. Tloušťka vrstvy mezi hladinami 850hPa a 1000hPa je 150hPa. Tlakové pole jedné tlakové hladiny (například hladiny 850hPa) se nazývá absolutní topografie.
Pokud tlak vzduchu klesá, klesá i jeho hustota. Tato s rostoucí teplotou vzduchu též klesá a totéž platí o rostoucí vlhkosti vzduchu.
Detailnější informace o vyjadřování a přepočtech tlaku vzduchu najdete také na stránce Letecká meteorologie.
Změna tlaku vzduchu s výškou a další změny
Jak vyplývá z definice a podstaty tlaku vzduchu. Působí zde tíha vzduchového sloupce o jednotkovém průřezu a výšce, která se rovná vertikálnímu rozsahu atmosféry. Pokud se zvýší výška, tak se zmenší výška vzduchového slupce, čímž se sníží jeho tíha. Hmotnost atmosféry nad danou výškou se zmenšuje a tím tedy klesá i tlak vzduchu. Podle toho odvozujeme základní hydrostatickou rovnici – tzv. rovnici hydrostatické rovnováhy. Tato rovnice je v meteorologii jednou z nejdůležitějších, neboť se uplatňuje při řešení mnohých úloh. Více informací nejen o této problematice nabízíme i pro pokročilé na stránce Dynamika atmosféry.
Tlak vzduchu se značně mění v prostoru i čase, jeho změnu za jednotku času označujeme jako tendenci nebo též trend. Tendenci tlaku vzduchu nám ukazuje každá digitální meteorologická stanice, neboť každá má v sobě zabudovaný barometr a měří tedy tlak vzduchu. Podle jeho tendence mimochodem vypočítává i předpověď počasí na nejbližší hodiny. Též hodnotíme rychlost změny tlaku vzduchu, tedy intenzitu a rychlost jeho změny za určitý čas. Většinou uvádíme tendenci během jednoho celého dne nebo i v rámci předpovědi na kratší dobu několika hodin jako části dne. Rozdělit tyto změny tlaku vzduchu lze na periodické a neperiodické.
Pro tendenci tlaku vzduchu v čase užíváme většinou šipky s názvy druhu tendence: → Setrvalý stav (bez tendence, u nás méně často), ↑ Vzestup (slabý, mírný …) a ↓ Pokles (slabý mírný …).
Neperiodické změny
Nazývané též aperiodické změny se projevují kolísáním tlaku vzduchu bez jasné pravidelnosti. tíha sloupce vzduchu ve vertikále se mění v důsledku termických a dynamických příčin. Takže jde o změny tlaku vzduchu, které se odehrávají v závislosti na celkových podmínkách atmosféry a to neustále. Atmosféra nezná klidový stav, neustále se mění a tím se mění na celé Zemi i rozložení a tedy hodnoty tlaku vzduchu v konkrétních lokalitách.
Hlavní příčiny těchto změn tlaku:
- Nehomogenní zahřívání povrchu
- Přenos vzduchových hmot v atmosféře
- Hromadění vzdušných mas v určitých oblastech na straně jedné a odčerpávání vzduchu v jiných oblastech na straně druhé = i jeho ředění
- výměny vzduchových hmot různých vlastností – teplejších a lehčích chladnějšími a těžšími
Změny tlaku bývají i extrémní. Absolutní světové maximum tlaku vzduchu činí 1083.8hPa z 31.12.1968 v Agatě. Minimum pak činí 870hPa z 12.10.1979 – střed tajfunu v Čínském moři. U nás v podmínkách střední Evropy se hodnoty tlaku vzduchu také značně mění. Ale většinou se pohybují v rozmezí 1000 až 1030hPa, v případě hlubokých cyklon klesá tlak na extrémy pod 980hPa a v případě mohutných výší stoupá i nad 1040hPa.
Periodické změny
Jde o obdobný chod tlaku vzduchu v rámci časových období dne a roku, za která se chod prvků v meteorologii nejčastěji sleduje a udává. Průběh tlaku vzduchu během jednotlivých měsíců roku se odvíjí od změn barického pole na povrchu. Změny se odlišují na pevnině a nad oceány, jiné jsou i v různých zeměpisných šířkách. Chod tlaku vzduchu se proto v různých oblastech liší a to následovně.
- Na pevninách dosahuje maxima v zimním období a naopak minima v letním
- Ve vysokohorských oblastech jde o opačný chod, maximum v létě a minimum v zimě
- Nad oceány vykazuje trend tlaku dvě maxima i minima. Maxima zde tlak dosahuje v létě a v zimě a minima na jaře a na podzim
- V polárních oblastech jde o opačný trend oproti oceánům a to maxima tlaku na jaře a na podzim, minima v létě a v zimě
Denní chod tlaku vzduchu
Denní periodický chod tlaku vzduchu též existuje, u nás bývá ale ne příliš patrný. Překrývají ho totiž neperiodické změny tlaku uvedené v kapitole výše. Tento trend se projeví jen při velmi stabilních situacích zejména anticyklonálního typu. V tropech jde o pravidelnější změny. Dle průměrných hodnot v jednotlivých hodinách dne ale můžeme zjistit díky odbourání vlivu neperiodických změn určitý pravidelný chod tlaku a to následující.
- Dvojitý vývoj tlaku během dne se dvěma maximy tlaku a to kolem 10. a 22. hodiny dne a dvěma minim tlaku a to kolem 4. a 16. hodiny dne
- Denní výchylka tlaku jako rozdíl mezi maximum a minimem daného dne klesá s rostoucí zeměpisnou šířkou
- Takže v tropech jde o jednotky hPa, v mírných zeměpisných šířkách (tj. u nás) desetiny a to asi 0.3-0.6hPa
- Denní kolísání tlaku odvisí od kolísání teploty vzduchu a slapů v atmosféře
Rozložení teploty vzduchu vždy ovlivňuje tlakové pole, tedy rozložení tlaku vzduchu nad danou oblastí. Takto vznikají tlakové útvary a v souvislosti se styčnými místy dvou rozdílných vzduchových hmot se vyvíjejí také atmosférické fronty.
⇒ Jak píšeme podrobněji též v článcích Vznik a vývoj cyklony a Vznik a vývoj anticyklony.
Rozložení tlaku na Zemi
Co se týče prostorového rozložení tlaku vzduchu na Zemi lze navzdory velké proměnlivosti tlaku v různých místech a časových obdobích vypozorovat stabilní tlak a tzv. tlakové útvary. Jde o oblasti s trvale nižším (stabilní cyklony) a vyšším (stabilní anticyklony) tlakem vzduchu. Zřejmě jste o některých těchto útvarech již četli nebo slyšeli. Tyto označujeme též jako akční centra atmosféry, která s vyskytují na daných místech téměř celoročně. Některé bývají v určitém ročním období významnější než v jiném. Na Zemi najdeme 5 hlavních a další dílčí centra se stabilním tlakem vzduchu, tzv. stacionární tlakové útvary. Nebo přesněji kvazi stacionární útvary, neboť zcela neměnné nemůže být v atmosféře nic.
Hlavní stabilní útvary s celoročním výskytem
Mezi hlavní stabilní tlakové útvary patří:
- Islandská cyklona – vliv počasí na severu Atlantiku a v Evropě (pozorujeme téměř neustále)
- Aleutská cyklona – vliv u Aleutských ostrovů poblíž Aljašky
- Pás nízkého tlaku vzduchu kolem rovníku Země – rovníková čili ekvatoriální tlaková deprese
- Azorská anticyklona – útvar a nikoli zcela souvislý pás s vlivem i na počasí u nás
- Havajská anticyklona – severní polokoule
Další stabilní tlakové útvary se vyskytují na jižní polokouli a to na jihu Atlantiku, Tichého a indického oceánu. Též se setkáme s útvary vyjádřenými sezónně. Většinou vznikají v dané oblasti pouze v teplé nebo naopak chladné části roku.
Sezónní tlakové útvary
Jde zejména o následující:
- Sibiřská anticyklona – nejvýznamnější s méně významným protějškem nad Severní Amerikou
- Kanadská anticyklona – obdoba sibiřské v oblasti Severní Ameriky
- Perská tlaková deprese – střed nad Íránem, mělká, ale prostorově rozsáhlá oblast nízkého tlaku vzduchu
Doplňme na závěr, že anticyklony vznikají nad pevninami ve významně studených vzduchových hmotách. Při intenzivním prohřívání vzduchu klesá i jeho tlak, proto se vytvářejí cyklony. Nad pevninami nebývají nijak významné, nejlepší podmínky pro vznik a značné prohloubení mají tyto nad velmi teplými vodami velkých oceánů.
Reference
Použitá a doporučená literatura:
DVOŘÁK, P. Letecká meteorologie 2017. Cheb: Svět Křídel, 2017
DVOŘÁK, P. Pozorování a předpovědi počasí. Cheb: Svět Křídel, 2012
MÍKOVÁ, T. KARAS, P. ZÁRYBNICKÁ, A. Skoro jasno. Praha: Česká Televize, 2007
BEDNÁŘ, J. KOPÁČEK, J. Jak vzniká počasí? Praha: Karolinum, 2005
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)
COENRAADS, R. a kol. Extreme Earth. New York: The Reader´s Digest Association, 2015 (CZ verze MERTINOVÁ, J. MÍČKOVÁ, K. HANUŠOVÁ, K. a kol. Nespoutané živly planety Země. Praha: Tarsago Česká Republika, 2015)