Základy termické konvekce

26. 4. 20191812 zobrazení 11 minut čtení konvekce, termická konvekce, vzduchová bublina, vzduchová částice

Hodnocení článku

Termická konvekce, zkráceně nazývaná “termika”, je asi nejzajímavější tématikou v meteorologii. Může vést k výskytu vertikálně vyvinuté až mohutné oblačnosti s výskytem bouřek. Často i intenzivních s velmi zajímavými oblačnými strukturami, což vybízí k pozorování a to i v terénu. Tyto projevy a oblačné struktury a jejich vznik/výskyt závisí na různých cirkulacích a jiných podmínkách v troposféře. V tomto textu dáváme informace o základech termické konvekce. Zejména se budeme věnovat o jejím vzniku, přesném významu a různých vlivech na její výskyt a průběh. Podmínky pro výskyt konvekce již byly stručně popsány v článcích vydaných zde v minulosti. A některé pak mohou být detailněji popsány v článcích vydaných po tomto. O tom, co je to termická konvekce a jak přesně k ní dochází či kdy jí očekávat. O tom pojednává tento text dále. Seznámí vás se základy termické konvekce.

Základy termické konvekce: Pojem termická konvekce

Termická konvekce jsou stoupavé proudy teplého ohřátého vzduchu s kompenzací v podobě sestupných proudů. Jde o vertikální cirkulaci v atmosféře. Atmosféra, ve které se odehrávají konvekční procesy se nazývá směšovací vrstvou. Dle definice je to “vrstva ovzduší mezi zemským povrchem a spodní hranicí nejnižší zadržující teplotní vrstvy. A vertikální teplotní gradient v této vrstvě odpovídá instabilnímu nebo indiferentnímu či mírně stabilnímu teplotnímu zvrstvení vzduchu”. Příměsi v ní se rozptylují v celém jejím rozsahu. Tloušťka této vrstvy se nazývá směšovací vrstva. Vždy tedy budeme při uvažování o konvekční činnosti hodnotit:

Zda konvekce začne, kdy a jak rychle.
Do jaké výšky budou zasahovat stoupavé proudy přehřátého vzduchu.
Jak rychle budou proudy postupovat.
Zda mělká konvekce přeroste do tzv. hluboké konvekce a dojde ke vzniku bouřek.
V jaké výšce se bude nacházet kondenzační hladina.
Do jaké výšky se vyvinou vrcholky oblaků.
Jak se při konvekčních procesech uplatní turbulentní proudění.
Jak často se budou odtrhávat (viz dále) bubliny prohřátého vzduchu od povrchu.
Jak četné budou konvektivní proudy.

Předpověď konvekční činnosti je obtížná, neboť závisí na mnoha faktorech. Termická konvekce je závislá především na:

Typ povrchu (vliv vegetace).
Vystavení terénu vůči slunečnímu svitu či větru.
Proudění vzduchu.
Mechanická turbulence.
Doba mezi východem a západem Slunce.

Základy termické konvekce. Podstata konvekce a problematika odtrhávání vzduchových částic

Konvekce je vertikální cirkulací vzduchu v různě silné vrstvě atmosféry. Pohyby vzduchu směrem nahoru jsou vyvolány aerostatickou vztlakovou sílou. Vzduch přijímá teplo a pokud získá dostatečné množství tepla a má ho přebytek, odpoutá se od povrchu (mechanismů, které toto odpoutání způsobí je celá řada, budou probrány dále) a začne stoupat. Přitom se dostává do oblastí s nižším atmosférickým tlakem. Tlak uvnitř tohoto vzduchu se vyrovnává s tlakem v jeho okolí. Klesající tlak kolem vzduchové částice působí její rozpínání. Výměna energie mezi vnitřkem částice a okolím neprobíhá. Při rozpínání dochází ke snižování teploty, vzduch se tedy při vzestupu ochlazuje (při poklesu je tomu naopak).

Vzduchová částice stoupá do doby, než vyčerpá svůj přebytek energie pro překonání tíhového zrychlení. Vztlakovou sílu danou Archimédovým zákonem = těleso ponořené do tekutiny, je nadlehčováno silou, která je rovna tíze tekutiny tělesem vytlačené. Tato síla tak musí být větší než tíha této vzduchové částice. Pokud se síla vztlaku vyrovná tíhové síle, vzduchová částice zůstává ve stejné výšce. Tento proces lze připodobnit k horkovzdušnému balonu. Pokud začne být tíhová síla větší, začne vzduch logicky klesat. Vztlaková síla je větší než tíha vzduchu v případě, že má tento vzduch nižší hustotu než okolí. Nehomogenita teploty a tedy i hustoty vzduchu je podstatou konvekčních projevů, zejména v oblasti blízko zemského povrchu. Vznik termické konvekce je tedy závislý na dosažení prostorové proměnlivosti teploty a tím i hustoty vzduchu.

Důvody přehřívání vzduchu

Proč dochází k přehřívání částic vzduchu? Zemský povrch absorbuje sluneční záření rozdílně. Záleží na typu povrchu a rozdíly v typu povrchu jsou v letním období významné. Dochází k velkým kontrastům typů povrchů v krajině a tím k nerovnoměrnému prohřívání povrchu a vzduchu v okolí. Některé typy povrchů absorbují záření lépe a rychleji se zahřívají (například obilné pole nebo suché uvláčené pole, tmavý asfalt, plechové střechy aj.). Vedle těchto povrchů jsou tu ty, které se naopak zahřívají pomalu a více záření odrážejí nebo se zahřívají déle (typicky sněhová pokrývka nebo vodní hladina).

Pro vznik konvekce platí:

Dochází k nerovnoměrnému zahřívání zemského povrchu a k přehřívání určitých částí vzduchu (Dále vzduchové částice nebo-li bubliny přehřátého vzduchu).
Dojde k procesu, který tuto částici přinutí k výstupu.
Vertikální profil teploty vzduchu v dostatečně silné vrstvě umožní částici výstup.
Pro vznik oblaků při konvekčním procesu musí vzduch obsahovat dostatek vlhkosti, aby při výstupu dosáhl vzduch stavu nasycení (100% relativní vlhkosti).

Základy termické konvekce. Typická bouřka na konci jara ve stádium vývoje kolem 15. hodiny

Odpoutání přehřáté částice vzduchu od povrchu

Kdy může dojít k odpoutání vzduchové částice od zemského povrchu? Příčin, které přinutí vzduch stoupat a odtrhnout se od povrchu je mnoho. Tyto jevy, které mají na přinucení vzduchové částice k vzestupu vliv rozdělujeme na mechanické a termodynamické. Příkladem termodynamického jevu, povětrnostního vlivu, je vanutí větru přes členitý terén. Při překonání nerovnosti v podobě překážky musí vzduch částečně stoupat. Turbulentní proudění při zemi též ovlivňuje odtržení prohřátých vzduchových částic od povrchu. A též lze uvést přenesení prohřátého vzduchu nad zastíněný a chladnější povrch větrem. Přenesený teplejší vzduch po chladnějším vyklouzne a podpoří se jeho další výstup. Mezi mechanické vlivy, které odpoutají teplejší vzduchovou částici patří typicky průjezd automobilu nebo vlaku. K odtržení vzduchové bubliny (částice) stačí opravdu málo.

Základy termické konvekce: Podmínky pro vznik konvekce

Konvekce nejlépe vznikne:

Při co největších tepelných kontrastech krajiny (též teplotní nehomogenity).
Při co největší členitosti terénu.
Při velké rozmanitosti krajiny (lesy, pole, louky, zastavěné území atd.).
Při podmínce nestability atmosféry (vertikální gradient teploty vzduchu ve vztahu ke změně teploty vystupující nebo sestupující částice vzduchu.

Stoupavé proudy přehřátého vzduchu vznikají nepravidelně, jsou různě veliké, průměrné s různým obsahem vlhkosti, mají různý tvar atp. Na přehřátí vzduchu vůči okolí mají vliv různé faktory, jsou to zejména:

Typ povrchu (pole, les, vodní plocha).
Umístění povrchu vůči slunečním paprskům a intenzita záření.
Doba prohřívání (závisí na dalších jevech jako je například vítr).
Rozsah plochy povrchu, kde dochází k přehřívání.
Teplotní rozdíl povrchu a okolí.
Turbulence při zemi.

Průběh konvekce po odpoutání vzduchu od povrchu a předpovědi konvekce

Vzduchová částice se odpoutá od povrchu a postupuje směrem nahoru čím dál rychleji. Postupně dojde k rovnováze síly vztlaku a tření a vzduch postupuje nahoru stálou rychlostí. Postupuje nahoru do doby, než dojde k vyrovnání teploty této vzduchové částice s okolní teploto. A to ve výšce výskytu tzv. zádržné vrstvy (především jde o teplotní inverzi v dané výšce, tzv. hodnoty CIN) – hladina nulového vztlaku. Vzduchová částice stoupá setrvačností dále, postupně zpomaluje až dojde k jejímu zastavení. Následně začne klesat. Vzduchová částice vystoupí nad hladinu nulového vztlaku díky energii, kterou načerpala pod touto hladinou.

Zda budou při konvekční činnosti vznikat oblaky nebo se budou dokonce vyvíjet bouřkové oblaky závisí na dalších faktorech. Důležitá je vlhkost vzduchu a to zda stoupající vzduchová částice dosáhne stavu nasycení. Přesněji řečeno v jaké výšce dosáhne stavu nasycení při tomto samovolném výstupu částice vzduchu (tzv. konvekční kondenzační hladina KKH/CCL). Pro upřesnění suchý vzduch je vzduch, který neobsahuje žádnou vodní páru. Takový se v atmosféře nevyskytuje. Vždy je vzduch vlhký s obsahem vodní páry dle relativní vlhkosti od 1 do 99%, není ale nasycený. Nasyceným se stane po dosažení 100% relativní vlhkosti.

Základy termické konvekce: Podmínky pro vznik oblaků

Více též stránka vlhkost vzduchu. Do doby než dojde k nasycení vzduchové částice (pod konvekční kondenzační hladinou, tzv. KKH nebo-li angl. CCL) nevznikají kupovité oblaky. Jedná se o tzv. bezoblačnou konvekci. Konvekce se odehrává, ale není z našeho pohledu viditelná. Dobře vidíme konvekci při vzniku kupovitých oblaků Cumulus, o významných výstupných pohybech vzduchových částic vypovídají vertikálně vyvinuté oblaky Cumulus, stádia congestus. Které případně dalším vývojem přecházejí v bouřkové oblaky Cumulonimbus. Podle vývoj oblaků můžeme o termické konvekci mnoho vypozorovat i bez sledování předpovědí či případě výpočtů na základě aktuálního stavu atmosféry. Konvekci spolehlivě zabrání nástup vrstevnaté oblačnosti.

Pokud se na obloze objeví vysoká oblačnost a této stále přibývá až začne pokrývat většinu oblohy. Konvekce bude ustávat a pokud jde o oblačnou konvekci, můžeme očekávat rozpad dosud vytvořených kupovitých oblaků. Konvekce tak zanikne. Podobně pokud se například zpočátku dne bude nad danou oblastí nacházet pás jiné oblačnosti (třeba Altocumulu), konvekce nezapočne. Započne po jejím rozpadu či odsunutí z daného místa. To platí i v případě prvním, pokud se stačí včas oblačnost opět rozpadnout či postoupit dále. A další oblačnost nebude přicházet, konvekce bude začínat či se obnoví, tedy bude pokračovat. Pokud se tak ale stane k večeru, již se konvekční procesy nijak neobnoví a nová kupovitá oblačnost se tvořit nebude.

Jiná než konvekční oblačnost na obloze

Bude-li konvekci dlouho bránit v průběhu dne výskyt jiné oblačnosti na obloze, bouřka s největší pravděpodobností tento den už nevznikne. Byť kupovité oblak se vyvíjet budou. Jestliže se oblačnost z místa odsune či rozpadne včas, mohou nejen započít konvekční procesy. Ale konvekce může dospět i do stádia odpolední bouřky. Které oblaky naopak bouřku během dne signalizují? Jsou to ranní, spíše brzké ranní, oblaky Altocumulus castellanus v podobě věží a cimbuří, tyto značí velkou nestabilitu v atmosféře. Podobnou prognózu nám přinesou i oblaky Altocumulus floccus v podobě vloček. Pokud budeme na obloze pozorovat již značně vyvinuté oblaky Cumulus congestus, je velká pravděpodobnost že tyto přerostou v bouřkové oblaky. Zvláště bude-li se tak dít už kolem poledne.

Dále též posuzujeme energii částice dostupnou pro konvekční proces, jinými slovy jde o energii spotřebovanou částicí na její posun vzhůru – CAPE. Na této energii závisí rychlost výstupných pohybů vzduchu. Blíže o problematice energie CAPE pojedná další článek. Jde o základy termické konvekce, nicméně tuto problematiku je nutné vyložit šířeji.

Základy termické konvekce obohacené o další informace o konvekční činnosti najdete též na naší stránce Konvekce, která pokládá základy o konvekční činnosti.

Závěr: Základy termické konvekce

Konvekce není jednoduchý meteorologický jev či řekněme proces. Ale lze ho v základech pochopit. Po přečtení tohoto článku základy termické konvekce by se tak mělo stát. Vzhledem k tomu, že konvekci a obecně vznik oblaků (konvekci oblačnou) ovlivňuje mnoho faktorů i její předpověď je dosti těžká. Mnohdy s ní velmi bojují i superpočítače v podobě numerických modelů. Proto je velmi obtížné konvekci předpovědět dle průběhu počasí a oblaků na obloze. Několik základních pouček, které se snaží čtenáři předat právě tento text ale existuje.

Zkušený pozorovatel dokáže o konvekci a jejím pravděpodobném vývoji během dne mnoho zjistit právě z oblohy a průběhu počasí se znalostí místních poměrů i dalších predikovaných prvků (např. synoptický vývoj). Pokud se k dané oblasti blíží atmosférická fronta (studená fronta) nebo jiný zdroj vlhkosti. Pak bude docházet k podpoře vývoje oblaků a zvyšování energie vzduchových částic, čímž budou zrychlovány výstupné pohyby vzduchu. Vlivem přísunu vlhkosti bude docházet při výstupu vzduchu k jeho nasycení a tvorbě oblaků. V takovém případě nebude tedy docházet k zániku kupovitých oblaků. A nebude se tak dít ani později večer.

Znaky signalizující pravděpodobnost výskytu bouřek

Určitě jste někdy pozorovali naopak jejich nárůst a vznik bouřek přímo v místě, kde se nacházíte nebo v bezprostředním okolí tohoto místa. V tomto případě konvekční procesy ovlivňuje právě atmosférická fronta nebo oblast nízkého tlaku vzduchu, souhrnně zdroj vlhkosti. Za běžných podmínek se s vývojem kupovité oblačnosti a se vznikem bouřek ve večerních hodinách po západu Slunce nesetkáme. Stejně tak neuvidíme brzy ráno značně vyvinuté oblaky Cumulus. Jen v případě podpory fronty, kdy se nachází ve vzduchu mnoho vlhkosti a dochází k podpoře výstupných pohybů vzduchu.

O obtížnosti odhadu výskytu konvekce a vzniku bouřek svědčí právě to, že jejich výskyt závisí na mnoha faktorech, včetně velmi důležitého typu lokality. Právě to objasňuje, proč se v ČR nacházejí místa, která bouřky často vynechávají či jaksi obcházejí. Není to tedy proto, že by byla tato místa zakletá nebo že by se zde vyskytovalo něco jiného nadpřirozeného. Ale je to proto, že tam nejsou dány dostatečné podmínky pro konvekční činnost.