Troposféra
Troposféra jako část atmosféry Země. Stránka detailněji vykládá o atmosférické vrstvě velmi důležité z hlediska projevů počasí různého druhu. Troposféra a její dělení na jednotlivé dílčí vrstvy a jejich charakteristika, proměny vrstev v závislosti na období a počasí.
Témata stránky: Troposféra a její charakteristika, pojem troposféra, troposféra a její dělení, troposféra – charakteristika pod vrstev.
Anglické názvy: Troposphere (troposféra), ground layer (přízemní vrstva), boundary layer (mezní vrstva), free atmosphere (volná atmosféra).
Výukový prostředek k tomuto tématu: METEOROLOGIE 3
TROPOSFÉRA A POČASÍ
Atmosférická vrstva která se vyskytuje nejblíže nám, troposféra, sahá od povrchu Země do průměrné výšky cca 11km nad povrchem. Je vrstvou, ve které se odehrává veškeré počasí – troposféra. Není možno ale říci, že úplně veškeré, tedy 100% projevů počasí. Neboť minimální část se může odehrávat i ve spodních vrstvách stratosféry (například prorůstání mohutných oblaků Cumulonimbus do oblasti této vrstvy). Na což připadá dejme tomu 1% jevů. Takže vztah k počasí a jeho projevům je zde silný.
Výška vrstvy kolísá dle místa i roční doby či teploty vzduchu. Nad rovníkem může sahat cca do 17km, v polárních oblastech jen do 7km. U nás jde v ročním průměru o 10-11km. V této vrstvě klesá teplota vzduchu s výškou o 6.5°C na každý kilometr výšky. Průměrná roční teplota u povrchu činí 26°C, na pólech pak -23°C. V horní části troposféry činí průměrná teplota -65 až -70°C. Troposféra obsahuje 75-80% hmotnosti celé atmosféry Země.
Troposféra její dělení
Troposféra se dělí na jednotlivé podvrstvy, které nejsou pevně určeny dle výšky nad zemským povrchem, ale určuje je převládající počasí a tedy stav meteorologických prvků. Počasí se zde odehrává nejintenzivněji. Vrstvy určuje též roční doba. Teplota vzduchu v nich převážně klesá, avšak ne neustále. Mocnost pod vrstev atmosféry určují podmínky počasí, denního režimu i druhu povrchu v dané oblasti. Někdy je těžké zodpovědět otázku, kam až sahá aktuálně mezní vrstva v dané oblasti a odkud již jde o tzv. volnou atmosféru.
Obr. 1 Zjednodušený náčrt pod vrstev troposféry ve vztahu k atmosféře Země ve středoevropských podmínkách – vlevo terén bez větších svahů, vpravo s vysokými horami
Troposféra se dělí na:
- Přízemní vrstvu (podvrstvu) – povrch až cca 20 – 50m
- Mezní vrstvu (vrstvu tření) – povrch až 1000 – 2000m
- Volnou atmosféru – od 2000m až k vrcholu troposféry (u nás průměrně 10-11km, někde i 17-18km)
Troposféra: Přízemní a mezní vrstva
Přízemní vrstva je specifická vrstva atmosféry a tzv. podvrstva troposféry, která přiléhá těsně k zemskému povrchu. Dosahuje tedy od povrchu až do výšky 20-50 metrů nad zemí. Obvykle se za ni považuje ale výška, tzv. horní hranice, kde již neprobíhá bezprostřední interakce atmosféry a povrchu Země. Probíhá zde tepelná výměna (viz též stránka Teplota povrchu, půdy a vody jako rozšiřující problematiky o teplotě povrchu a jejím chodu) a intenzivní turbulentní promíchávání vzduchu, neboť u povrchu fouká vítr. Toto promíchávání předává teplo, vlhkost a mechanickou energii do okolí. Měří se zde většina meteorologických prvků (viz pro rozšíření znalostí o meteorologických prvcích a jejich měření slouží Meteorologické prvky). Jedná se o přízemní teplotu v 5cm nad povrchem, teplotu ve 2m nad povrchem a též dohlednost a vítr v 10m nad povrchem.
Mezní vrstva je tedy vzdušnou vrstvou s přímým vlivem zemského povrchu na průběh meteorologických prvků. Při pohledu ohledně proudění jde o vrstvu tření = mechanicky se v ní projevuje tření vzduchu o povrch. Též ji lze ještě rozdělit na směšovací vrstvu, která sahá do spodní hranice nejnižší zádržné vrstvy. Můžeme tuto dělit i na další druhy podle toho, o jakém prvku hovoříme. Vždy se tato vrstva posuzuje z hlediska závislosti denního chodu meteorologických prvků s vlivem podkladu. Mezní vrstva je nejnižší vrstvou atmosféry. Proudění vzduchu je zde značně ovlivněno třením o zemský povrch, proto se pro ní také používá název vrstva tření. V této vrstvě se odehrává intenzivní turbulence a značné promíchávání vzduchu. V této vrstvě dochází ke vzniku některých meteorologických jevů jako jsou například konvekční oblačnost nebo mlhy.
Rozlišujeme mezní vrstvu turbulentní = jedná se o běžnou mezní vrstvu, mezní vrstvu laminární = v důsledku laminárního proudění se vyskytuje nad hladkými povrchy, například nad vodní hladinou za slabého větru či nad uhlazenou sněhovou pokrývkou. ⇒ Více informací o turbulentním a laminárním proudění najdete na stránce Turbulence.
Mezní vrstva, její mocnost a chování
Nad oceány se mění jen málo, nejvíce se zde mění při vertikálním přenosu jiné vzduchové hmoty nad tyto oblasti či vlivem advekce tohoto vzduchu. Vysvětlení: advekce = nasunutí vzduchu, známe advekci teplého vzduchu a následný vznik advekčních mlh. Jedná se o důsledek změn, které přináší jiná vzduchová hmota. Tyto změny si vyložme jako vyrovnávání teploty mezi oceánem a vzduchem. Po vyrovnání kolísá tloušťka mezní vrstvy. Obecně platí, že je mezní vrstva tenčí v oblastech anticyklonálních, naopak v oblastech s nízkým tlakem vzduchu se hranice mezní vrstvy posouvá výše a to vlivem výstupných pohybů. V cyklonách se současně hranice mezní vrstvy mění často i během hodiny může dojít k výrazné změně. Je tedy obtížné stanovovat, kde se horní hranice mezní vrstvy zrovna nachází. Nad povrchem je naopak v anticyklonách mezní vrstva dobře patrná, má i značný denní chod.
Přízemní vrstva dosahuje 10% celé vrstvy mezní. Dále tzv. mikrovrstva, jinými slovy přechodová vrstva, se nachází v prostoru od zemského povrchu jen do několika centimetrové výšky. Mocnost celé mezní vrstvy velmi silně závisí na druhu terénu, nad kterým ji posuzujeme. Na rovinným povrchem bez výskytu turbulence dochází k méně významnému tření. Tím má i mezní vrstva menší tloušťku. Též pokud se neodehrává konvekční činnost a tedy stoupavé proudy přehřátého vzduchu s kompenzujícími klesavými, tak má mezní vrstva menší mocnost. Tyto proudy vzduchu tento promíchávají s okolím. Tím dochází k přenosu vzduchu z nižších vrstev s jinými vlastnostmi do vyšších výšek. Velmi silný vliv na vlastnosti mezní vrstvy má termická konvekce. Vyskytuje se při vývoji bouřkové nebo kupovité oblačnosti (Cu) s větším vertikálním vývojem též na atmosférických frontách. Odehrává se v mezní vrstvě, takže i vlastnosti mezní vrstvy ovlivňují konvekci.
Denní a noční režim mezní vrstvy
V noci je mezní vrstva za předpokladu utišení větru zeslabena, zasahuje tak jen do výšky několika desítek či stovek metrů.
Přes den zasahuje tato vrstva o poznání výše. Když začne Slunce ohřívat zemský povrch dochází i intenzivnějšímu kontaktu mezi povrchem a okolní atmosférou, zesiluje vítr a teplota se zdvihá od zemského povrchu do atmosféry. Dále dochází k rozvoji turbulence a k přenosu tepla jak ve vertikálně, tak i v horizontálně. Při určitých podmínkách dochází ke konvekci, čímž je promícháván vzduch mezní vrstvy, vzniká oblačnost, vyskytují se případně i srážky a dochází tedy k toku hmoty tepelné energie v této vrstvě.
Mezní vrstva = není pevně zcela stanovena na rozdíl od ostatních definovaných, ale mění se a doslova závisí na vlivu zemského povrchu, resp. interakci s ním. Tato vrstva reaguje na vlivy terénu během hodiny či v kratším čase. Teplotní změny ve výškách kolem 1.5km u nás již většinou nejsou důsledkem přímého vlivu toku sluneční radiace od zemského povrchu. Jen malá část záření se pohltí do vzduchu v mezní vrstvě. Nejvíce se dostává do zemského povrchu a to až 90% slunečního záření. Právě změny teploty povrchu teprve působí na mezní vrstvu prostřednictvím přenosu tepla. Tento přenos právě uskutečňuje specifická cirkulace vzduchu, o jejímž vlivu pojednáváme následně.
Troposféra: Vliv turbulence
Turbulence je jedním z nejdůležitějších procesů přenosu energie. Někdy se tento druh cirkulace používá jako definiční parametr mezí vrstvy. Zemský povrch ovlivňuje nepřímo celou oblast troposféry, nicméně tyto změny se mimo mezní vrstvu odehrávají velmi pomalu. Víření v důsledku turbulence vzniká převážně působením povrchu. Tření vzduchu o povrch při výskytu větru vede ke střihům větru se značnou turbulencí. Proudění zakřivují také veškeré překážky v podobě stromů či budov nebo obdobných staveb. V jejich závětří vzniká turbulence, podobně jako když voda proudí přes překážky v korytě vodního toku (typicky kameny). Největší turbulentní víry lze srovnat s rozměry mezní vrstvy, s průměrem až 3000m. Jedná se o nejintenzivnější turbulentní víření.
Turbulence vede k tomu, aby mezní vrstva reagovala na změny působení povrchu. Slabá turbulence nad mezní vrstvou signalizuje to, že volná atmosféra již nemá prakticky žádnou spojitost s povrchem. Volná atmosféra se projevuje tak, jakoby neměla hranici narušování. Vyjma proudění u horní hranice této pod vrstvy.
Troposféra: Oblaky spojené s mezní vrstvou
Zmiňovány jsou dva druhy oblaků souvisejících s mezní vrstvou a je to oblak Cu hum, který je nazýván jako oblak pěkného počasí. Spojíme si ho s termikou (více informací o problematice zejména v článku Základy termické konvekce) v této vrstvě.
Druhý jen Sc vyskytující v horní části dobře promíchané mezní vrstvy s kondenzací vodní páry. Projevy v souvislosti s mezní vrstvou jsou i mlhy a stejně také bouřky bez vlivu zemského povrchu na ně mohou změnit ráz mezní vrstvy a to vtahováním vzduchu z mezní vrstvy či sestupnými pohyby vzduchu z velkých výšek až k zemskému povrchu. Tento meteorologický jev ale moc často tuto vrstvu neovlivňuje, pouze při jeho výskytu u zemského povrchu. V případě bouřek, tyto mohou změnit mezní vrstvu v případech, kde na ně nemá vliv zemský povrch i v řádu několika minut. A to vlivem výstupu vzduchu do vnitřní části bouřkového oblaku Cb či propadem studeného vzduchu (sestupného proudu) z volné atmosféry k povrchu. Tento jev ale nehraje příliš velkou roli v ovlivnění mezní vrstvy.
Četný výskyt turbulence u povrchu znamená odlišující znak mezní vrstvy od klidné atmosféry, tzv. volné. Nad mezní vrstvou se turbulence vyskytuje hlavně v oblasti jet streamu, kdy panuje velký střih větru (výskyt Clear Air Turbulence – bezoblačné turbulence). Na rozvoj termiky v mezní vrstvě nemá turbulence v bezoblačném prostředí vliv.
⇒ O atmosféře Země, jejím vzniku a složení se dočtete na samotné stránce – viz odkaz.
Reference
Použitá a doporučená literatura:
DVOŘÁK, P. Letecká meteorologie 2017. Cheb: Svět Křídel, 2017.
DVOŘÁK, P. Pozorování a předpovědi počasí. Cheb: Svět Křídel, 2014.
BEDNÁŘ, J. KOPÁČEK, J. Jak vzniká počasí? Praha: Karolinum, 2005
MÍKOVÁ, T. KARAS, P. ZÁRYBNICKÁ, A. Skoro jasno. Praha: Česká Televize, 2007