1
Atmosféra a hydrosféra Země
Lekce 4
Tlak a proudění vzduchu
RNDr. Jiří Jakubínský, Ph.D. | 9. 4. 2019
• barometrický (atmosférický) tlak – „tlak atmosféry na všechna tělesa v
ovzduší a na zemský povrch bez zřetele na orientaci stěn těles, rovnající se
hmotnosti vzduchového sloupce nacházejícího se nad nimi“ (Netopil a kol.
1984)
• hektopascal (hPa), milibar (mbar), Torr
• prům. hodnota tlaku vzduchu na hladině moře při teplotě 15 °C činí
1013,25 hPa
• na tlaku vzduchu je přímo závislá jeho hustota a nepřímo také teplota
• pokles tlaku i hustoty vzduchu s výškou (v důsledku poklesu hmotnosti
vzduchového sloupce působícího silou na jednotkovou plochu
• pokles hustoty s výškou je pomalejší než pokles tlaku vzduchu (klesá i
teplota)
• vertikální tlakový (barický) gradient – změna hodnoty tlaku vzduchu na
100 m
• barický stupeň – převrácená hodnota tlakového gradientu, výškový rozdíl
odpovídající poklesu tlaku o 1 mbar (hPa)
Tlak vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
2
• tlakové (barické) pole
– rozložení tlaku vzduchu v atmosféře
– proměnlivost v prostoru a čase
– charakterizováno pomocí ploch o stejném tlaku vzduchu (izobarické
plochy)
– průsečíky izobarických ploch o různém tlaku s povrchem (hladinou
moře) vyjadřujeme pomocí izobar
– změna tlaku vzduchu v horizontálním směru vyjádřena horizontálním
tlakovým gradientem
– horizontální + vertikální tlakový gradient = celkový tlakový gradient
(prostorový vektor směřující v každém bodě izobarické plochy po
normále n k této ploše na stranu nižšího tlaku vzduchu)
Tlak vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
• charakteristické tlakové útvary
– oblast vysokého tlaku vzduchu (tlaková výše, anticyklóna)
• vymezena uzavřenými, koncentricky uspořádanými izobarami, s nejvyšším
tlakem uprostřed
– oblast nízkého tlaku vzduchu (tlaková níže, cyklóna)
• vymezena uzavřenými, koncentricky uspořádanými izobarami, s nejnižším
tlakem uprostřed
– hřeben vysokého tlaku vzduchu
• pásmo vyššího tlaku vybíhající z tlakové výše nebo oddělující dvě tlakové
níže
• nejvyšší tlak v ose hřebenu
– brázda nízkého tlaku vzduchu
• pásmo nižšího tlaku vybíhající z tlakové níže nebo oddělující dvě tlakové výše
• nejnižší tlak v ose brázdy
– barické sedlo
• část barického pole mezi dvěma protilehlými tlakovými výšemi a nížemi, či
mezi dvěma hřebeny a brázdami
Tlak vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
3
Tlak vzduchu
zdroj: Ruda 2014zdroj: Netopil a kol. 1984
Animace vzniku cyklony a anticyklony zde.
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
• denní chod tlaku vzduchu
– výrazná amplituda (až 4 mbar) pouze v rovníkových oblastech (2 maxima – před
polednem a půlnocí a 2 minima – brzy ráno a po poledni)
– příčinou je zejm. nerovnoměrné zahřívání AP
– zmenšování amplitudy směrem k vyšším z. š.
– v mírných šířkách již denní amplituda neexistuje – je překryta neperiodickými
změnami tlaku
• roční chod tlaku vzduchu
– pevninský typ (max. v zimě, min. v létě – sezónní anticyklóny, resp. cyklóny)
– oceánský typ vysokých šířek (max. počátkem léta, min. v zimě)
– oceánský typ mírných šířek (nemonzunový) – 2 nevýrazná maxima v létě a v
zimě a 2 nevýrazná minima na jaře a na podzim
– monzunový typ (max. v zimě, min. v létě)
Tlak vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
4
• geografické rozložení tlaku vzduchu (přepočteného na hladinu moře)
– oblasti s převládajícím výskytem tlakových výší a níží – akční centra atmosféry
– v průběhu roku nebo jeho části zde převládá opakovaná tvorba a zánik stejných
tlakových útvarů
– centra stálá (permanentní) a sezónní
– leden:
• pás nízkého tlaku vzduchu podél rovníku (3 výrazné tlak. níže – nad J Amerikou,
Afrikou a Austrálií)
• tento pás je lemován subtropickými oblastmi vysokého tlaku (zejm. nad oceány)
– stacionární tlak. výše – např. azorská, havajská
• v mírných a subpolárních šířkách S polokoule se střídají stacionární níže
(islandská, aleutská) se sezónními výšemi (asijská, kanadská)
• na J polokouli se v mírných šířkách vyskytuje souvislý pás nízkého tlaku
• v polárních oblastech – tlakové výše (výrazná zejm. nad Antarktidou)
– červenec:
• přesun rovníkového pásu nízkého tlaku na sever
• v subtropických šířkách setrvávají tl. výše
• mírné a subpolární šířky S polokoule = souvislý pás nízkého tlaku
• nárůst tlaku k pólům
Tlak vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
Tlak vzduchu
zdroj: de Blij 2004
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
5
• nerovnoměrné rozložení tlaku vzduchu → tendence k vyrovnávání rozdílů
prouděním z oblasti vyššího tlaku do oblasti nižšího tlaku
• proudění laminární a turbulentní (vírové)
• horizontální složka pohybu vzduchu = vítr (určený směrem a jeho rychlostí)
• hlavní příčiny proudění:
– síla horizontálního tlakového gradientu – 𝑮
– Coriolisova síla – 𝑨 (stáčení směru pohybujícího se objektu na S
polokouli vpravo a na J polokouli vlevo)
– odstředivá síla – 𝑪 (pohyb vzduchu po křivočaré trajektorii)
– síla tření – 𝑹 (vliv zemského povrchu a vnitřního tření atmosféry)
• přemisťování objemu vzduchu o jednotkové hmotnosti v tlakovém poli lze
vyjádřit rovnicí pohybu:
𝑑 𝑣
𝑑 𝑡
= 𝐺 + 𝐴 + 𝐶 + 𝑅
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
• proudění vzduchu probíhá ve směru horizontálního tlakového gradientu
(kolmo na izobary)
→ vliv Coriolisovy síly (𝐴) kolmé na směr pohybu vzduchu
• bez vlivu dalších sil dochází k proudění ve směru přímkových izobar – nízký
tlak je na levé straně → geostrofický vítr
• v případě vlivu 𝑮, 𝑨 a 𝑪 - proudění při zakřivených izobarách → gradientový
(cyklostrofický) vítr
Proudění vzduchu
zdroj: Netopil a kol. 1984
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
6
• proudění je reálně ovlivňováno silou tření 𝑹 → zpomalování větru a změna
jeho směru
• s rostoucí výškou se větry na S polokouli stáčejí více doprava a na J
polokouli doleva (Eckmannova spirála)
• s rostoucí výškou roste rychlost větru (nižší vliv tření o zemský povrch)
• přímkové izobary
– hodnota vektoru 𝑮 se musí rovnat součtu opačného působení vektorů 𝑨
a 𝑹
– na S polokouli orientace Coriolisovy síly 𝑨 vpravo → vektor větru se stáčí
vzhledem k vektoru 𝑮 směrem k nižšímu tlaku o úhel β
– úhel β lze zjistit rozkladem 𝑮 na 𝑮 𝟏 a 𝑮 𝟐 (nulový na rovníku, max. na
pólech)
• zakřivené izobary
– hodnota vektoru 𝑮 musí kromě 𝑨 a 𝑹 zohledňovat také vektor
odstředivé síly 𝑪
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
Proudění vzduchu
zdroj: Netopil a kol. 1984
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
7
Proudění vzduchu
zdroj: Netopil a kol. 1984
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
• vliv charakteru reliéfu na proudění vzduchu
– ohyb a přiblížení proudnic vzduchu (tj. čar vyjadřujících okamžitý stav
pole proudění) na návětrné straně překážky – konfluence proudnic
– vyšší hustota proudnic = vyšší rychlost proudění
– na závětrné straně překážky se proudnice rozbíhají (difluence proudnic)
a rychlost proudění se zpomaluje
– vysoké překážky způsobují zvlnění proudnic (vznik vírových pohybů,
vlnových oblak a turbulencí v horní troposféře)
Proudění vzduchu
zdroj:
Netopil a kol. 1984
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
8
• místní cirkulační systémy a místní větry
– vznik vlivem rozdílných vlastností AP
– místní větry = důsledek výrazného reliéfu, ovlivňujícího všeobecnou
cirkulaci vzduchu (fén, bóra)
– cirkulační systémy = důsledek rozdílů v energetické bilanci AP (vzniklých
fyzikálními vlastnostmi povrchu nebo utvářením reliéfu – rozdíly v
intenzitě ozáření)
– změna orientace mezi dnem a nocí
– bóra
• hromadění a přetékání studeného vzduchu přes horské překážky podél
pobřeží
• velmi nízká původní teplota (při přetékání) → adiabatické ohřátí není
dostatečné → prudký pokles teploty u hladiny moře
• výskyt zejména na pobřeží Jaderského moře, Bajkalu, údolí Rhôny („mistral“)
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
9
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
– bríza (pobřežní vánek)
• teplotní rozdíly mezi povrchem vody a pevniny za jasného a klidného počasí
• insolace → zahřívání pevniny a vzdalování izobarických ploch nad pevninou
→ horizontální tlakový gradient orientovaný ve směru od moře na pevninu
(mořský vánek / bríza)
• v noci orientace opačná
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
10
– horské a údolní větry
• podmíněné anabatickým prouděním (výstupné proudy vzduchu
vzniklé zahříváním povrchu) na ozářených svazích
• v době insolace výstup vzduchu z údolí směrem po svazích – „údolní
vítr“
• v noci ochlazování svahů efektivním vyzařováním – sestupné,
katabatické proudění („horský vítr“)
• cirkulační buňka v rámci údolí
• systém podélné a příčné cirkulace vzduchu
– ledovcový vítr
• nárazovité katabatické proudění vzduchu
• vzniká ochlazováním přízemní atmosféry od povrchu ledovců nebo
firnovišť
[detailní přehled názvů místních větrů ve skriptech Ruda, A.: Klimatologie a
hydrogeografie pro učitele]
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
11
• vírová proudění maloprostorového měřítka
– vznik vlivem výrazné instability teplotního zvrstvení atmosféry
– intenzivní výstupné a sestupné proudy v rámci konvektivní buňky
– konvektivní bouře – jednobuněčné / multicely / supercely
– húlava
• vzniká na rozhraní vzestupných a sestupných proudů v přední a týlové
části bouřkových oblaků
• horizontální osa
• krátkodobá zesílení větru, rychlost překračuje 20 m.s-1
– prachové víry (s vertikální osou, průměr jednotek metrů)
– víry vázané na bouřkové oblaky (s vertikální osou)
• nad mořem tzv. smrště, nad pevninou tromby, v S Americe a Karibiku
tornáda
• oblaka typu Cb, viditelný vzdušný vír vzniklý kondenzací vodní páry
(„chobot“)
• uprostřed nízký tlak vzduchu
• Fujitova stupnice intenzity tornád (F0 – F5)
Proudění vzduchu
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
Proudění vzduchu
zdroj: Strahler 2011
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
12
Proudění vzduchu
zdroj: Strahler 2011
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
Proudění vzduchu
tornádo supercela
húlava
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý
13
Proudění vzduchu
tromba – atmosférický vír s
nehorizontální osou rotace
(malé tromby v Česku
označovány jako „rarášci“)
A t m o s f é r a a h y d r o s f é r a Z e m ě | J . J a k u b í n s k ý