Large confetti Metody dálkové detekce RNDr. Milan Šálek Český hydrometeorologický ústav salek@chmi.cz Osnova předmětu * Úvod * Základy fyziky oblaků a srážek * Základy fyziky elektromagnetického záření, šíření elmg. vln v atmosféře. * Meteorologické družice * Radary a jejich použití v meteorologii (detekce a odhad srážek, měření větru) * Detekce a identifikace významných povětrnostních jevů * Integrace měřících metod > Předběžný program a místa konání přenášek * 25. 2.: nebude * 4.3. Základy nauky o záření v atmosféře (ve vztahu k metodám dálkové detekce) * * Výuka bude stále ve stejné učebně Z6, případnou změnu včas oznámím * • * Předběžný program a místa konání přenášek * 23. 3.: Základy radarové meteorologie (Brandlova) * 30. 3.: Základy radarové meteorologie, odhady srážek (ČHMÚ) * * Adresa ČHMÚ, pobočky Brno: Kroftova 43 * Spojení: Trolejbus 36, případně tram 3, 11, zastávka Sochorova, potom ulicemi Maničky a Navrátilova * Výukové materiály a používané programy pro cvičení • * Literatura: nŘezáčová a kol, 2007: Fyzika oblaků a srážek, Academia, Praha n nBednář, J., 1989. Pozoruhodné jevy v atmosféře. Optika, akustika a elektřina atmosféry. Akademia, Praha, 236 s. Výukové materiály a používané programy pro cvičení (pokr.) • nMeischner, P. (Ed.) et al., 2003. Weather Radar: Principles and Advanced Applications. Springer monograph series "Physics of Earth and Space Environment", 337 p. nSalek, M., et al., 2004. Radar techniques for identifying precipitation type and estimating quantity of precipitation. Document of COST-717, http://www.smhi.se/cost717/doc/WDF_01_200407_1.pdf n nDalší materiály (prezentace) n * Cvičení: ngnuplot, popř. EXCEL nebo jiný tabulkový kalkulátor Metody dálkové detekce * podle Meteorologického slovníku jsou podmnožinou sondáže ovzduší (do které patří i aerologická měření) * Pozorování a měření objektů na zem. povrchu a v atmosféře bez přímého fyzického kontaktu měřících zařízení s nimi. Angl. termín: remote sensing * Rozdělení: npasívní (zařízení pouze zpracovává přijatý signál) naktivní (zařízení signál též vysílá) Metody dálkové detekce * Hlavní využití v meteorologii: nsoučást „klasického“ monitoringu ovzduší, významná především v oblastech s nedostatkem „staničních“ měřících systémů nzákladní výzkum (fyzika oblaků a srážek) n * Nejdůležitější výhody metod dálkově detekce: naktuálnost měření (dostupnost dat většinou v řádu minut) nprostorová i časová rozlišovací schopnost měření Vývoj konvektivních bouří z meteorologické družice 200207151500_radar Large confetti Studium změn klimatu (Advanced) Microwave Sounding Unit, družice NOAA lower_tropo200901_MSU Large confetti Průměrná teplota spodní troposféry severní polokoule UAH_NH Large confetti Průměrná teplota spodní troposféry jižní polokoule UAH_SH Large confetti Monitoring mořského ledu Pomocí senzoru SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager, umístěného na vojenských družicích F1-F15, lze získat informace o koncentraci mořského ledu Large confetti Vývoj rozsahu mořského ledu v Arktidě (University of Illinois) Large confetti Vývoj rozsahu mořského ledu u Antarktidy Historická zmínka • * poměrně mladý obor – počátek v polovině 20. století * první meteorologické družice – 60. léta, první met. radary – 50. léta, u nás 60.-70. léta * vývoj těchto metod svázán s celkovým rozvojem techniky (často vojenské ...) * v posledních 20. letech je významný vliv informačních technologií Kapitoly z fyziky atmosféry Vlhkost vzduchu * Parametry: * (parciální) tlak (napětí) vodní páry e * napětí nasycení tlaku vodní páry E * relativní vlhkost: r=e/E * spec. vlhkost: q=0.622e/(p-e) * poměr směsi: w=0.622e/(p-0.378.e) * Tlak nasycené vodní páry nad vodou Ewv: ntlak vodní páry, která je ve stavu termodynamické rovnováhy s rovným povrchem čisté vody za dané teploty a tlaku vzduchu. Vlhkost vzduchu (pokr.) * Tlak nasycené vodní páry nad ledem Eiv: ntlak vodní páry, která je ve stavu termodynamické rovnováhy s rovným povrchem čistého ledu za dané teploty a tlaku vzduchu npřibližné vztahy: Základy fyziky oblaků a srážek * Srážky: nhorizontální nvertikální * Vznik vertikálních srážek: ndosažení stavu nasycení, případně přesycení vzduchu vodní parou ochlazením vzduchu na (a pod) teplotu rosného bodu n(zřejmě okrajový) vliv mísení vzduchových hmot * Příčina ochlazení vzduchu nizobarické ochlazení (většinou vyzařování) nvýstupné pohyby nvelkoprostorové nkonvektivní Oblačnost vznikající izobarickým ochlazením • • * vznik podinverzní, případně inverzní oblačnosti (St, mlha), která se během dne může rozpustit * většinou není příčinou významných srážek Vazba typu výstupných pohybů na druh oblačnosti * velkoprostorové výstupné pohyby: především Ci, Cs, As, Ns * konvekce (výsledek archimedovských vztlakových sil v atmosféře): Cu, Cb • * poznámka: Termodynamické rozdělení srážek nemusí být vždy jednoznačné * vznik kapiček vody spontánním spojováním molekul v. páry je statisticky nepravděpodobné * v reálné atmosféře: kondenzace okamžitě po dosažení nasycení * klíčový význam kondenzačních jader nvelikost 10-8 – 10-6 m n n nA konst. nesr tlak nasyc. v. páry nad kapičkou o poloměru r nes∞ tlak nas. v. páry nad rovinným vodním povrchem n Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra Curvature_effect * mnohé aerosolové částice jsou tvořeny rozpustnými látkami (především mořské soli) * kapičky jsou roztokem určité látky * Raoultův zákon pro disoc. roztoky: • • * es tlak nasyc. v. páry nad čistou vodou * esl tlak nasyc. v. páry nad roztokem, obsahujícím v n kilogrammmolekulách vody n' kilogrammmolekul rozpuštěné látky * k van't Hoffův faktor závislý mj. na disoc. látce Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra (pokr.) • * vliv elektrického náboje (snižuje napětí nasycení v. páry především u kapiček do r=10-6 m) * vznik el. náboje: absorbování částice s el. nábojem, vznik el. nábojů zejm. v bouřkových oblacích Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra (pokr.) Nasycení / přesycení v. páry nad kapičkou roztoku Velikosti kapiček Koalescence v oblacích * Narůstání v. kapek: nkondenzace nkoalescence (splývání) * Koalescence: nspontánní (Brownův pohyb) - nevýznamná ngravitační (při dostatečném „rozrůznění“ velikosti kapek) nelektrostatická nturbulentní nhydrodynamická (zhuštění proudnic u souhlasně se pohybujících kapek) Large confetti Vznik ledových částic v oblacích * Mrznutí vodních kapiček: nvodní kapičky zůstávají v kapalné fázi při až do -42 st. C. núloha krystalizačních (ledových) jader * Ledové částice v oblacích: njednotlivé led. částice: -5ºC nvzrůst s poklesem teploty, avšak počet kapiček je obvykle výrazně vyšší do teplot -30 až -40ºC * Přímá sublimace (depozice) v atmosféře je krajně nepravděpodobnou příčinou vzniku ledových částic (nikoliv narůstání) > Tvary ledových krystalků * sloupek * destička * dendrit * Závislost na teplotě: n0 až -5ºC: převládají segmenty šestibokých destiček, dendrity n-5 až -10ºC: sloupky, tenké jehlice n-10 až -25ºC: šestiboké destičky nkolem -14ºC: dendrity n-25 až -40ºC: sloupky, složitější agregáty Teorie vzniku srážek * spontánní koalescence je nepravděpodobnou příčinou vzniku srážek * Bergeronova-Findeisenova teorie: ntlak nasycené vodní páry nad ledem je nižší => narůstání ledových krystalků na úkor ledových kapiček, příp. mrznutí kapiček ledu na krystalcích ledu (ozrnění, angl. riming) ntento mechanismus vysvětluje vznik vert. srážek v mírných šířkách npředpokladem je tzv. koloidní nestabilita Bergeronova-Findeisenova teorie Riming – „ozrnění“ Large confetti 'Hole-punch' – neobvyklý důsledek koloidní instability hole06 Příčina: Emise z letadel (kondenzační sledy – „contrails“) Teorie vzniku srážek (pokr.) * v tropech: intenzívní srážky z „teplých“ konvekčních oblaků (oblaka bez podstatné ledové fáze) * koalescenční teorie vzniku srážek: nobří kond. jádra (10-6m a větší), zřejmě tvořené mořskými solemi => kapičky „větší než obvyklé“, tudíž začíná „pracovat“ gravitační koalescence nkapičky padají dolů, narůstají a rozpadávají se, mohou být dále unášeny nahoru výstupnými pohyby (v tropech jsou konvektivní bouře symetričtější) noslabení výstupného proudu – vypadávání srážek Teorie vzniku srážek (pokr.) * další koalescenční teorie vzniku srážek z „teplých“ vodních oblaků je založena na předpokladu, že vtahování okolního suššího vzduchu na vrcholu Cb i po stranách výstupného proudu umožňuje „zploštění“ spektra kapiček a vytvoření „obřích“ kapek • * Tyto procesy se mohou objevit i mimo tropické šířky Pádová rychlost srážkových elementů * Závislá na fázi a velikosti částic a tlaku vzduchu * Déšť: při zemi do cca 9 m/s, typicky kolem 4-5 m/s (při průměru kapky cca 1-1.5 mm) * Sníh: při zemi do cca 1-2 m/s terminal_velocity_storm terminal_velocity_snowflakes Tvar kapky deště při pádu drop_deform Kapka dosahuje maximálního průměru kolem 5mm; při dosažení či překročení tohoto průměru se rozpadá Rozpad kapky při pádu Ovlivňování srážek * umělé srážky: * infikování oblaku kondenzačními a krystalizačními jádry * aplikace AgI * V současné době: potlačování ničivých krupobití (obřích krup) nPředpoklad: aplikací AgI do vtoku vzduchu do Cb vede k urychlení vzniku většího počtu menších krup nV praxi: Francie, Chorvatsko, USA, Řecko ... Příklad umělé infekce oblačnosti Konvektivní (konvekční) oblačnost • * Příčina: narchimedovské vztlakové síly npodmíněná (příp. potenciální) instabilita * Tvar konvekční oblačnosti: nza ideálních podmínek symetrický tvar (šestiúhelníkové Bénardovy buňky) nv reálné atmosféře vlivem střihu větru asymetrický tvar+proces Cb_stages Precip_mech_in_Cb Large confetti Úkoly pro cvičení * Úkol č. 1. Nakreslete závislost tlaku nasycené vodní páry na teplotě vzduchu v rozmezí –40 až 0 st. C. nad ledem a nad vodou a vhodně znázorněte jejich rozdíl. Při jakých teplotách je rozdíl nejvyšší? Použijte Magnusův vzorec. Large confetti Úkoly pro cvičení * Úkol č. 2. Nakreslete závislost teploty nasyceného vzduchu (tj. teploty rosného bodu) na tlaku nasycené vodní páry v rozmezí 0.2 až 6.11 hPa nad ledem a nad vodou a vhodně znázorněte jejich rozdíl. Použijte opět Magnusův vzorec. Odvoďte z něj závislost tnasys=f(E).