Meteorologie

Historie meteorologie

Název

Pochází z řečtiny – 4 stol. př. n. l.

"Meteora" = vše ve vzduchu (kláštery, meteority, ...)

17. století

Meteorologie se oddělila od astronomie

První pozorovací přístroje – Toricelliho objev barometru (1643)

Stoletý kalendář

Opat Moritz Knauer věřil, že počasí každého roku ovlivňuje jedna z "planet" (tehdy Merkur, Venuše, Mars, Jupiter, Saturn, Slunce a Měsíc)

Jeho kalendář nemohl platit v celé Evropě, ani v celém Německu

Christopher Helwig zápisky o minulém počasí použil jako obchodník – minulý čas nahradil budoucím; předpovědi vycházely z cca 39 %

18. století

Lomonosov

Ruský vědec v 1. pol. 18. st.

Poprvé aplikoval numerické metody

Formuloval zákon zachování hmotnosti, hybnosti a energie

Stál u založení univerzity v Moskvě

Jako první přišel s myšlenkou, že podstatou tepla je pohyb "malých částeček" – studoval i polární záři a elektřinu

Navrhnul létající zařízení, pomocí kterého prováděl meteorologická měření nad Zemí

Zkonstruoval barometr pro námořní lodní dopravu

Jako první popsal vznik bouřek a blesků při pohybu teplých a studených větrných proudů

Coriolis a Beaufort

Francouzští vědci

Coriolisova síla

Beaufortova stupnice síly větru

Prokop Diviš

Farář z Přímětic u Znojma

Postavil bleskosvod

Chtěl odvádět ne výboj, alž už náboj, aby k blesku nedošlo

Vesničané jeho vynález roku 1759 zničili

19. století

1803 – Luke Howard (lékárník) sestavil první klasifikaci mraků, některé latinské názvy se používají dodnes

1835 – Vynález telegrafu $\to$ zrychlení komunikace

1854 – Balaklavská vichřice – potopeno mnoho lodí v Černém moři; Laverier se snaží o předpovědi, pro ně jsou potřebná data z více zemí

1856 – Ukončení Rusko-Francouzské války $\to$ měření mohlo začít

1857 – Meteorologie jako věda – Zákon o tlakových nížích a výších, pojem atmosférická fronta, ...

20. století

1922 – Numerické modely a metody

1830 – První studium meteorologie na VŠ

1945 – A. C. Clark předpověděl využití geostacionárních družic

1950 – První úspěšná numerická předpověď počasí – počítač ENIAC

1951 – Mezinárodní meteorologická organizace

1961 – E. N. Lorentz – deterministický chaos

1972 – Efekt motýlích křídel

Historie u nás

Nejstarší záznamy: 1717–1720

1772 – Zahájení souvislého měření teploty v Klementinu

1804 – Zahájení měření srážek

1919 – Československý meteorologický ústav v Praze

2012 – 735 meteorologických stanic

Coriolisova síla

Značí se $F_\text{c}$

Pokud se kotouč neotáčí, zakreslíme úsečku; pokud se kotouč otáčí, pozorovatel uvidí křivku

$\alpha$ ... úhel mezi $\vec{\omega}$ a $\vec{v_\text{t}}$

Způsoby řešení:

1. Pohyb po rovnoběžce $\to \alpha = 90°$
2. Pohyb po poledníku $\to \alpha$ je zeměpisná šířka
3. Obecně

Atmosféra

Dělení podle teploty

1. Troposféra
2. Stratosféra
3. Mezosféra
4. Termosféra
5. Exosféra

Mezi troposférou a stratosférou je tropopauza

Mezi stratosférou a mezosférou je stratopauza

Mezi mezosférou a termosférou je mezopauza

1. Troposféra

Nejnižší vrstva atmosféry

Vysoká 8–9 km na pólech a 16–18 km na rovníku

V našich zeměpisných šířkách 11 km

V zimě je však pravidelně širší než v létě

Vliv vzestupných proudů v tropech a zemské rotace

Rozhodující vliv pro formování počasí

Tlak a teplota klesají téměř lineární s výšku

3/4 hmotnosti celé atmosféry

Téměř veškerá atmosférická voda

Tropopauza = tenká přechodová vrstva mezi troposférou a stratosférou

2. Stratosféra

Výška do 50 km, součástí je ozónová vrstva

Při analyzování meteorologických dat a při předpovědích počasí uvažujeme spodních 30 km atmosféry $\to$ takže i stratosféra má vliv na počasí

3. Mezosféra

Šířka asi 30 km

Teplota s rostoucí výškou klesá

4. Termosféra

Teplota s rostoucí výškou roste

Horní hranice termosféry: 400–500 km

5. Exosféra

Vzduch přechází ve vakuum

Dělení podle ionizace vzduchu

Ionizace slunečním a kosmickým zářením

Do vzdálenosti asi 60–70 km neutrosféra, nad neutrosférou se nachází ionosféra

Vzduch v ionosféře je silně zředěn a ionizován, ionosféra má další vnitřní strukturu

Jednotlivé elektricky vodivé pásy označujeme: D, E, F, F₁, F₂

Volně se pohybující ionty a elektrony odrážejí zpět k Zemi různá pásma elektromagnetického záření: TV, radio, telefony

Dělení podle intenzity větru

Homosféra (do 100 km), heterosféra (od 100 km)

Chemické složení

Dokonale suchá a čistá atmosféra

Meteorologie a klimatologie

Meteorologie – popisuje dlouhodobý průběh meteorologických prvků

Klimatologie – popisuje dlouhodobý průběh klimatologických prvků

Meteorologické prvky:

• Tlak, teplota, vlhkost, proudění vzduchu
• Oblačnost, srážky, sluneční záření, výpar vody
• Elektrické a optické jevy v atmosféře

Meteorologie – nejdůležitější je tlak vzduchu

Klimatologie – nejdůležitější jsou srážky a teplota, používá statistiku

Všeobecná $\times$ aplikovaná (agro-, aero-, bio-, ... + meteorologie)

Synoptická meteorologie – studuje vývoj počasí a jeho změny

Meteorologické prvky

1. Tlak vzduchu

Poprvé změřil Torriceli v roce 1643

Změna s nadmořskou výškou – do výšky 1 km cca 1 hPa na 10 m

Změna horizontální bývá menší, ale stejně důležitá

Vznik: vlastní váhou vzduchu, 1 m³ váží asi 1,3 kg

99 % vzduchu je do vzdálenosti 30 km

Kdyby atmosféra byla homogenní, měla by výšku 7991 m

Tlak vzduchu se přepočítává na hladinu moře

Teplejší vzduch stoupá – má menší hustotu

V teplém vzduchu klesá tlak s výškou pomaleji než ve vzduchu studeném

Babinetova formule:

Normální atmosférický tlak vzduchu: $101 \ 325 \ \text{Pa}$ (viz Torriceliho pokus)

Další (starší) jednotky tlaku:

Cyklony a anticyklony jsou projev Coriolisovy síly

Tlaková níž (cyklona)

Doprovázena srážkami

Můžeme kolem tohoto místa najít aspoň jednu uzavřenou izobaru

Nejsou-li izobary uzavřené, ale mají tvar podkovy, mluvíme o brázdě nízkého tlaku nebo o hřebenu vysokého tlaku

Trvalé tlakové níže: u Islandu (celoroční), Írán (v létě)

Tlaková výš (anticyklona)

Srážky jen zřídkakdy

Bývají rozsáhlejší než níže

Na severní polokouli ve směru hodinových ručiček

Trvalé tlakové výše: Azorské ostrovy (celoroční), Sibiř (v zimě)

Měřidla tlaku

Barometr, aneroid, samopisné přístroje (např. staniční barograf)

Aneroidy mají pružné víko (tzv. Vidieho dóza)

V Evropě je tlak nejnižší v dubnu, nejvyšší v říjnu

Absolutní maximum na Zemi bylo zaznamenáno na Sibiři dne 31. 12. 1968 – 1083,8 hPa

2. Teplota

Měříme:

• Teplotu vzduchu (2 m nad zemí a ve stínu)
• Přízemní teplotu (5 cm nad zemí)
• Teplotu půdy (5, 10, 20, 50 a 100 cm) i vody

Podle dosažených teplot rozlišujeme tyto dny:

• Den ledový – teplot vzduchu byla trvale po 0 °C
• Den mrazový – teplota vzduchu klesla pod 0 °C
• Den letní – teplota vzduchu dosáhla alespoň 25 °C
• Den tropický – teplota vzduchu dosáhla alespoň 30 °C

V troposféře klesá téměř lineárně: asi o 0,65 °C na každých 100 m

Studená fronta (značení: modrá izoterma s trojúhelníky) – vznikající cumulonimbová mračna přinášejí krátké a silné srážky; prší/sněží při průchodu studené fronty

Teplá fronta (značení: červená izoterma s půlkruhy) – aktivnější teplejší vzduchová hmota horizontálně tlačí na vzduch studenější a částečně se nad něj nadsouvá, při tom vznikají mračna; prší většinou v okamžiku, kdy teplejší vzduch nahradí i vrstvy vzduchu studenějšího ve středních a nižších výškách, blízko země je však ještě studený vzduch

Okluzní fronta (fialová izoterma se střídanými trojúhelníky a půlkruhy) – fronta složená z jedné studené fronty a jedné teplé; teplejší vzduch je obepnut studenějším z obou stran a ztrácí kontakt s povrchem, protože je nucen stoupat vzhůru

Největší denní rozdíl teplot v ČR – z 31. 12. 1978 na 1. 1. 1979 se ochladilo o 23,4 °C – teplota se snížila z 11,4 °C na –18 °C

Teplotní stupnice

• Celsiova stupnice:

  Teplota tání vody: 0 °C

  Teplota varu vody: 100 °C

• Termodynamická stupnice:

  0 K = –273,15 °C

• Fahrenheitova stupnice:

  Teplota tání vody: 32 °F

  Teplota varu vody: 212 °F

Historie teploměrů

1. pol. 17. st. – Galileo Galilei – teplotní roztažnost vzduchu

1631 – Jean Rey – kapalinový teploměr s vodou

1641 – toskánský velkovévoda Ferdinand II. nahradil vodu lihem

• Fahrenheit:

  Dolní teplota: 0 °F – rovnováha ledu, vody a salmiaku

  Horní teplota: 96 °F – teplota lidského těla

Teploměry

• Kapalinový teploměr:

  Rtuť (kdysi) nebo líh

• Teploměr minimo-maximální

• Galileův teploměr:

  Funguje na principu Archimedova zákona

• Segerovy jehlance:

  Jehlany z amorfní látky, které se při určité teplotě začnou topit (řádově vyšší stovky až tisíce °C)

  Kdysi využívány např. ve vysokých pecích

3. Vlhkost

Mokrý vzduch $\times$ suchý vzduch

Absolutní vlhkost vzduchu ($\Phi$) = hmotnost vodních par v $1 \ \text{m}^3$ vzduchu

Maximální absolutní vlhkost vzduchu (= hustota nasycených vodních par nad vodou) závisí na teplotě

Relativní vlhkost vzduchu ($\varphi$) = poměr absolutní vlhkosti vzduchu a absolutní vlhkosti vzduchu, který by byl při téže teplotě sytý vodními parami

Pro člověka je ideální relativní vlhkost vzduchu mezi 40 a 60 %

Zjednodušený hygrometrický graf (dle Molliera):

Čím nižší je teplota vzduchu, tím snáze lze udržet stálou relativní vlhkost (je třeba méně vody)

Zvýší-li se teplota vzduchu, klesne jeho hustota

Hustota vlhkého vzduchu je překvapivě nižší než hustota vzduchu suchého – vysvěltení: relativní molární hmotnost vzduchu je cca 29, relativní molární hmotnost vodní páry je 18

Za stejného objemu je voda a led o mnoho hmotnější než pára (asi 825krát) $\implies$ pokud jsou ve vzduchu kapičky vody nebo mikroskopické kousky ledu, tak se hustota zvyšuje

Rosný bod = teplota, při které se vzduch stává nasyceným

Rosný bod v praxi: rosa, orosené sklenice, okna

Vlhkost se měří vlhkoměry

Vlhkoměry

• Danielův rosný vlhkoměr
• Asmanův aspirační psychnometr
• Hygrograf

4. Proudění vzduchu

Směrem větru se rozumí směr, odkud vítr fouká

Výrazně souvisí s tlakem vzduchu – cyklóny a anticyklóny

Vítr se reálně pohybuje podél izobar a ke středu níže či od středu výše

Větrná růžice – určuje rychlost a směr větru

Rychlost větru se měří anemometrem

Beaufortova stupnice

Udává rychlost větru

Beaufortovo číslo – rozsah 0 (bezvětří) až 12 (hurikán)

Místní větry

• Föhn:

  Jeseníky, jižní Polsko, Skalisté hory, Alpy, ...

  V závětří hor je teplý, suchý

• Bóra:

  Původně pobřeží Chorvatska, dnes i podobné větry ve vnitrozemí

  Studený, nárazový, bouřlivý

• Mistral:

  Podobný jako bóra

  Chladný severní vítr

• Shiroko:

  Nejvíce v Arábii a Itálii

  Vane z jihu

  Je teplý

• Suchovej:

  Stepi jižního Ruska

  Obsahuje zrnka písku a prachu

  Malá relativní vlhkost, teplota až 40 °C

• Smršť:

  Dráha tvaru šroubovice

  Vzniká při velkých rozdílech teplot

• Bríza:

  U moře

5. Oblačnost

Čím teplejší vzduch, tím více vody pojme

Základní typy mraků:

• Cirrus (řasa):

  Jsou vysoko (řádově 10 km)

  Lehký, bílý, vláknitý

  Tvoří periodické obrazce

• Cumulus (kupa):

  "Beránky", ostře ohraničené, husté

  Neprší z něj

• Stratus (sloha):

  Velmi nízko

  Jednolitá šedá plocha

Další, speciální typy mraků (zajímavost):

• Pyrocumulus:

  Vznikají po výbuchu sopky

Dělení oblačnosti:

• Jasno:

  Obloha bez oblaků

  Pokrytí oblohy oblaky do 1/8

• Skoro jasno:

  Pokrytí oblohy oblaky do 2/8

• Polojasno:

  Pokrytí oblohy oblaky do 4/8

• Oblačno:

  Do 6/8

• Skoro zataženo:

  7/8

• Zataženo:

  Úplné pokrytí (8/8)

6. Srážky

1 mm srážek = 1 litr vody na metr čtvereční

Déšť, sníh a kroupy

Dělení srážek podle směru:

• Vertikální (padající):

  Déšť, sníh

• Horizontální (usazené):

  Rosa, jinovatka, námraza

Dělení srážek podle skupenství:

• Kapalné:

  Déšť, mrholení, rosa

• Tuhé:

  Namrzající déšť, sníh, kroupy, jinovatka

• Smíšené

Ombrograf = zařízení na měření srážek

V ČR je ročně 104,7 srážkových dnů

Kroupy mají hmotnost až 1 kg

7. Sluneční záření

Vlastnosti Slunce:

• Povrchová teplota cca 5700 °C
• Vzdálenost od Země asi 150 mil. km
• 7 % UV
• 48 % viditelné světlo 390–760 mm
• 45 % IČ

Solární konstanta = množství energie, které za jednotku času dopadá na jednotku plochy

Hodnota solární konstanty: $1365 \ \text{W} \cdot \text{m}^{-2}$

Heliograf = historické zařízení pro měření slunečního záření

Halové jevy – vznikají rozkladem slunečního/měsíčního světla na krystalcích ledu

Duha

Tvoří ji nekonečně mnoho barev

Při výskytu 2 duh má druhá duha opačné pořadí barev

Polární záře

Tvořena v okolí magnetických pólů Země díky přitahování částic

8. Bouře

Zdroj: cumulonimbus

Blesk = jiskrový výboj

Vyrovnávají se rozdílné elektrické potenciály mezi mraky nebo mezi mrakem a zemí – rozdíl až $10^9 \ \text{V}$

Teplota uvnitř kanálu: až 31 000 °C

Během $10^{-3}$ až $10^{-6} \ \text{s}$ proud až $10^5 \ \text{A}$

V ČR je v průměru za 1 rok 33,7 bouřkových dnů

Hrom – hrozí pouze ohluchnutí a infrazvuk; vznik: rozepnutí vzduchu při průchodu blesku

Fulgurit = hornina roztavená po úderu blesku – zahřátí až na 1800 °C

Předpověď počasí

Spodní vrstvy atmosféry $\to$ přímo

Ve vyšších vrstvách atmosféry pomocí družic

Družice

• Arthur C. Clarke:

  Spisovatel sci-fi a vědec

  Za války pracoval u RAF u radaru, napsal Vesmírnou odyseu

  Předpověděl telekomunikační a meteorologické družice

  V roce 1954 vyzval meteo službu USA, aby využívali satelity k předpovědím

  1960 odstartovala 1. úspěšná družice TIROS-1

  1976: předpověděl, že bude existovat síť, která propojít znalosti lidstva, videohovory, mobily i hodiny umějící komunikovat

2 typy družic:

1. Geostacionární:

   Letová výška: 36 000 km nad Zemí

   Dříve hlavně méně kvalitní snímky

   Dráha je rovnoběžná s rovnoběžkami $\to$ nachází se stále nad stejným místem

2. Polární družice:

   Letová výška: 600–1500 km nad Zemí $\to$ vyšší kvalita snímků

   Dráha je kolmá na rovník a družice přelétávají polárními oblastmi

   Hmotnost: 2–4 tuny

   Oběžná doba: asi 100 min

V ČR jsou 2 meteorologické radary – Skalka, Brdy

Aplikovaná meteorologie

Aero meterologie

V ČR 5 stanic: Ruzyně, Tuřany, Mošnov, Karlovy Vary, Liberec

Transmisometr – měření dráhové dohlednosti

Ceilometr – měření spodní výšky oblačnosti

Forwardscatterometr = "měřič dopředného rozptylu"

Bio meteorologie

ČR dělíme na 7 oblastí s podobnými synopticko-klimatologickými vlastnostmi

Pocitová teplota závisí na rychlosti větru a vlhkosti

Silniční meteorologie

Senzor s elektrodami:

• Měří koncentraci soli
• Teplotu povrchu
• Výšku vodního filmu
• Pomocí mikrovln
• Přítomnost ledu a sněhu

Agro meteorologie

Poskytuje ochranu před vodní a větrnou erozí půdy a před šířením nemocí a škůdců