Počasie a meteorológia

Počasie je stav ovzdušia na určitom mieste a v určitom časovom okamihu. To, čo vytvára počasie na našej Zemi je vlastne Slnko a pohyby Zeme. Obdobia sa striedajú, lebo sa mení množstvo slnečného žiarenia zasahujúceho Zem. Slnko rozohrieva pevninu aj oceány, a tým spôsobuje vírenie vzduchu. Táto energia ovplyvňuje aj naše počasie. Počasie sa odohráva v jednej z vrstiev atmosféry – troposfére.

Troposféra je najspodnejšia časť atmosféry a jej priemerná výška je v miernom pásme 10 kilometrov, nad pólmi 8-9 km a nad rovníkom dosahuje až 15-17 km. Od ostatných vrstiev atmosféry je oddelená tzv. tropopauzou. Obsahuje 8/10 vzduchu a takmer všetku vodu resp. vodnú paru. Je tomu tak preto, lebo gravitačná sila to všetko drží pri Zemi. Len pre zaujímavosť, všetka voda z troposféry by mohla zaliať Zem rovnomerne do výšky jedného metra.

Vertikálne rozdelenie teploty
Priemerný tepelný úbytok v troposfére je cca 0,6 ˚C na 100 m (vertikálny gradient). Ide o kinetickú teóriu tepla – neusporiadaný pohyb molekúl – čím rýchlejšie sa pohybujú molekuly telesa, tým sa viac otepľuje. Odovzdávanie tepla v nižších vrstvách atmosféry (a teda aj v troposfére) sa deje cez molekulárnu vodivosť – Zem priamo odovzdáva teplo molekulám vzduchu nad ňou. Lenže ak by to fungovalo len takto, tak by sa vyššie vrstvy atmosféry, napr. termosféra, stratosféra otepľovali len veľmi, veľmi pomaly a úbytok teploty by bol extrémny. To sa však meraniami neosvedčilo, takže určite musí existovať aj iný proces. A je to proces, ktorý sa nazýva vertikálna výmena tepla. Tento proces ovplyvňujú turbulentné (vírivé) a konvektívne (usporiadané vertikálne) pohyby, a deje sa to tak, že týmito pohybmi sa častice zohrejú a idú hore a na ich miesto prídu chladnejšie - teplo zo Zeme sa prenesie do vyšších vrstiev atmosféry. Pokles teploty s výškou je spôsobený tým, že vzduch, ktorý stúpa sa dostáva do výšok, kde je nízky atmosférický tlak vzduchu, sa rozpína.

Rozpínanie vyžaduje množstvo tepelnej energie, ktorá je v objeme spomínaného stúpajúceho vzduchu. Rozdiel je aj v tom, či je vzduch suchý alebo vlhký.
Zmeny teploty vnútri sledovaného objemu bez výmeny tepla s okolím nazývame adiabatickými zmenami teploty, vystupujúci vzduch sa teda ochladzuje adiabaticky. Adiabatický gradient charakterizuje iba vystupujúce alebo klesajúce vzduchové hmoty pri výskyte vertikálnych prúdov; vo vzduchu, ktorý obklopuje premiestňujúcu sa vzduchovú hmotu (a zostáva bez pohybu), môže byť pokles teploty celkom iný.

Pokles teploty vo vzduchu ktorý sa nezúčastňuje na vertikálnych pohyboch sa nazýva faktickým alebo skutočným gradientom (gradient teplotného zvrstvenia). Od vzájomného vzťahu medzi adiabatickým a skutočným gradientom závisia dané termodynamické stavy, ktoré sa nazývajú rovnovážnymi stavmi atmosféry.
No nie vždy platí, že s výškou klesá teplota – existuje predsa aj izotermia alebo inverzia:
a.) Inverzia -obrátený priebeh teploty
b.) Izotermia -rovnaká teplota

Vertikálny gradient je dobré poznať, a to nielen vtedy, ak ste meteorológ. Pre lepšiu ilustráciu uvádzame príklad: Ste na dovolenke v poľskom Zakopanom, ktoré leží cca vo výške 850 m.n.m. Je tam teplota 20˚C a vy neviete ako sa máte obliecť, keďže zamýšľate ísť na výlet na Kasprový vrch (1988 m.n.m.). Predpokladajme, že vertikálny gradient je 1˚C/100m, takže si vyrátame 1988-850=1138, čiže výškový rozdiel je zhruba 1100m – to znamená, že teplotný rozdiel by mal byť cca 11,1˚C. Hore bude teda 9˚C, a teplo sa treba obliecť aj preto, že na vrchu bude fúkať vietor silnejšie, ako dole v Zakopanom.

Horizontálne rozdelenie teploty
Teplota sa mení v priebehu roka aj v priebehu dňa. Je to spôsobené otáčaním Zeme okolo vlastnej osi » denné výkyvy; a rotáciou Zeme okolo Slnka » ročné výkyvy. Obiehanie okolo Slnka sa deje po elipse, v ktorej jednom z ohnísk sa nachádza práve naše Slnko. Ako sme už spomínali, ročné obdobia ovplyvňuje práve táto rotácia, nakoľko zemská os podlieha zmenám. Typické príklady rozdielneho naklonenia Zeme sú: deň letného slnovratu (22.júna), deň zimného slnovratu (22.decembra), deň jarnej (21.marca) a jesennej (23.septembra) rovnodennosti.
V deň letného slnovratu je na južnej pologuli zima a na severnej leto. Nad Arktídou panuje polárny deň a v Antarktíde je polárna noc.
V deň zimného slnovratu je na južnej hemisfére leto a na zimnej naopak zima. Na severnom póle nie je žiadne slnečné svetlo. Množstvo tepla vzrastá smerom na juh.

V čase rovnodenností je na pologuliach jar a jeseň a obe hemisféry dostávajú rovnaké množstvo tepla.
Na rozloženie teploty vplýva okrem intenzity slnečného žiarenia aj rozloženie pevnín a morí. Pevnina sa otepľuje v porovnaní s vodnými plochami rýchlejšie, ale sa aj rýchlejšie ochladzuje, vody naopak pomaly strácajú svoje nahromadené teplo, pretože majú veľkú tepelnú kapacitu. Teplota pevnín je v zimných mesiacoch oveľa nižšia ako nad oceánmi (v rovnakej zemepisnej šírke) a tým pádom je aj vzduch nad pevninami chladnejší, v letnom období je to naopak – a teda vzduch nad pevninami je teplejší.

Vzťahy pre teplotu: -charakteristika tepelného stavu ovzdušia priamoúmerná strednej kinetickej energii molekúl, z kt. sa vzduch skladá:
T=1/3 m v2 k-1 ,kde m je molekulová hmotnosť, v2 stredná kinetická rýchlosť pohybu molekúl, k je Boltzmannova konštanta a T je teplota vzduchu v Kelvinoch.

Meteorológia

Niečo z histórie meteorológie
Meteorológia je veda, ktorá sa zaoberá všestranným štúdiom javov v ovzduší. Sústavným pozorovaním týchto javov sa dá dopracovať k predpovedi počasia.

Pravek
Pravekí ľudia si tieto procesy nevedeli vysvetliť, a preto ich pripisovali rôznym božstvám. S pribúdajúcimi znalosťami matematiky, fyziky a ostatných prírodných vied sa postupne atmosférické javy podarilo vysvetliť.

Starovek
Prelom spôsobil Aristoteles, žijúci pred dvetisíc tristo rokmi, svojím štvorzväzkovým dielom Meteorológia, kde objasňoval kométy, meteority, zrážky, vetry, búrky, zemetrasenia, víchry, a svetelné javy v atmosfére.
Prvým meteorologickým prístrojom bol zrejme zrážkomer, o ktorom sa píše už v čínskych kronikách. Gréci používali 8-hrannú a starovekí Rimania 12-hrannú ružicu na určovanie smeru vetra.

Stredovek
Stredoveká meteorológia spočiatku stagnovala, len mnísi a profesori robili zápisy o počasí. Až v 15. storočí sa dá hovoriť o určitom pokroku, kedy Nicolaus Cusanus zostrojil prístroj na meranie vlhkosti. Takýto prístroj zostrojil aj Leonardo da Vinci, ktorý okrem iného skonštruoval aj prvý anemometer- merač vetra.

Renesancia
Prelomovým a dôležitým je rok 1597, kedy Galileo Galilei zostavil prístroj na meranie teploty vzduchu. Evangelista Torricelli navrhol v prvej polovici sedemnásteho storočia princíp ortuťového tlakomera, ktorý sa využíva dodnes. Významným bol aj G. Perrier, ktorý meral tlak na vrchole vyhasnutej sopky Puy de Dôme, a zistil, že atmosférický tlak sa s výškou znižuje.

Novoveká meteorológia
Najvýznamnejší vedci v tomto období boli napríklad Ferdinand II. Toskánsky (vlhkomer- ygrometer), Christian Huygens, ktorý pridal do teplotnej stupnice body tuhnutia a varu vody, Daniel Fahrenheit, Anders Celsius, Benjamin Franklin (bleskozvod) či Knut Johan Ångström (merač intenzity slnečného žiarenia- pyrheliometer).
V období medzi dvoma svetovými vojnami vedci objavili atmosférické fronty, príčiny tlakových útvarov a pôvod vzduchových hmôt a bola vynájdená rádiosonda.
Analýza poveternostnej situácie
Zaoberá sa stavom a vývojom najmä tých meteorologických procesov, ktoré majú vplyv na súčasný stav počasia a jeho očakávaný vývoj na určitom území. V zjednodušenej forme je prezentovaná v televíznej alebo rozhlasovej predpovedi počasia. Na vypracovanie takejto mapy je potrebné dôkladné pozorovanie počasia, sústreďovanie informácií a poznatkov o ňom a analýza synoptických (z gréčtiny- sin= súčasne, optein= vidieť) máp. Hlavne posledná spomenutá vec je v meteorológii nenahraditeľná. Základom synoptickej meteorológie je porovnávanie údajov súčasne nameraných a zakreslených do mapy, na základe ktorých sa analyzuje a predpovedá počasie. Prvú veľmi jednoduchú synoptickú mapu nakreslil nemec H.W. Brandes v rokoch 1816 až 1820, pojem „synoptická mapa“ však vyslovil až v šesťdesiatych rokoch devätnásteho storočia Robert Fitzroy.

Analýza synoptických máp
Synoptickú mapu sme už niekoľkokrát spomenuli, no čo to v skutočnosti vlastne je? Je to vlastne akási „momentka počasia“, ktorá obsahuje zakreslené informácie o poveternostnej situácii v určitom čase na určitom mieste. Súčasťou je tzv. staničný krúžok (schém stavu počasia zakreslená v symboloch). Rozbor synoptickej mapy prevádza meteorológ- synoptik a výsledkom sú izobary, izalobary, fronty, hmly, búrky a oblasti atmosférických zrážok. Spájajú sa miesta s rovnakým tlakom a z toho potom vzniknú tlakové výše a níže.

Sústreďovanie a medzinárodná výmena meteorologických správ
V súčasnosti na celom svete funguje cca 8000 profesionálnych meteorologických staníc. Správy o pozorovaní sa neustále vymieňajú medzi stanicami zakódované do súborov päťciferných čísiel charakterizujúcich danú stanicu a výsledky pozorovania. Toto kódovanie sa nazýva SYNOP. Tieto správy majú jednotný tvar pre všetky met. stanice, aby aj londýnsky meteorológ vedel zhodnotiť priebeh počasia v Pekingu apod.
Spolupráci meteorologických staníc výrazne napomohol vynález telegrafu v roku 1832, začala sa organizovať medzinárodná výmena meteorologických informácii, čo v súčasnosti zabezpečuje svetová meteorologická organizácia (WMO).

Pozorovanie počasia
Zahŕňa nielen vizuálne sledovanie a predpovedanie atmosférických javov, ktoré nemožno merať (búrka, rosa, hmla...), ale aj meranie meteorologických prvkov ako napríklad teplota, tlak a vlhkosť vzduchu, smer a rýchlosť vetra, množstvo zrážok, výška snehovej pokrývky pomocou prístrojov.
Počasie pozorujú meteorologické stanice vo vopred stanovených termínoch. Existujú presne stanovené štandardy na meranie počasia- to zaručuje porovnateľnosť zistených informácii. K meteorologickému meraniu je potrebná takzvaná záhradka, v ktorej sa nachádzajú prístroje na meranie atmosférických javov. My sme mali možnosť navštíviť meteorologickú záhradku SHMU, v prílohe môžete vidieť fotografie z tejto exkurzie. Časť zo zariadení je v meteorologickej žalúziovej búdke.
Niektoré prístroje pre pozorovanie a meranie javov v počasí

a.) Meranie teploty
Meria sa teplomerom, ktorý je v priamom kontakte so vzduchom. V meteorológii sa za vystihujúce považuje meranie teplomerom umiestneným v met. búdke. Meria sa minimálna nočná, minimálna prízemná, maximálna denná a vyrátava sa priemerná denná teplota. Merania sa rozlišujú. Priemerná teplota sa vypočítava z troch denných meraní: td=(t7+t14+t21)/4. Pri výmene správ sa vždy uvádza teplota v ˚C. Existuje aj Farenheitova a Kelvinova stupnica.
Na meranie sa využíva aj termograf, čo je vlastne stočený bimetalický pásik, ktorý sa pri zmenách teploty skrúca alebo narovnáva.

b.) Meranie tlaku
Používajú sa tri typy meračov tlaku vzduchu:
Ortuťový tlakomer tvorí uzavretá sklená rúrka ponorená do nádoby s ortuťou. Aneroid je kovový prístroj, ktorého škatuľka sa pri zmenách tlaku deformuje. Mikrobarograf je sústava škatuliek, ktoré menia svoj objem pri zmenách tlaku. Tlak sa meria v pascaloch.

c.) Meranie dĺžky slnečného svitu
Dĺžka slnečného svitu ovplyvňuje dennú teplotu vzduchu. Na tento účel sa používa heliograf.

d.) Meranie smeru a sily vetra
Smer vetra znamená odkiaľ vietor vanie, nie kam vanie, ako sme si mnohí mysleli. To znamená, že severný vietor fúka na juh, južný na sever a juhozápadný na severovýchod atď.
Meranie smeru a rýchlosti vetra sa vykonáva anemometrom, čo je vlastne rotujúci miskový kríž a smerovka. Tento prístroj, pokiaľ je jeho súčasťou aj registračné zariadenie, sa nazýva anemograf.

e.) Meranie množstva atmosférických zrážok
Môžeme merať množstvo zrážok v milimetroch spadnutých na určitú plochu. Na toto nám slúži:
Zrážkomer – prístroj na meranie množstva spadnutých zrážok (kvapalné aj tuhé skup.). Je to nádoba v tvare valca z kovu umiestnená vo výške 1 meter nad zemou.
Ombrograf neprestajne zaznamenáva množstvo zrážok na papier navinutý na valci otáčaný hodinovým strojom.
Existuje aj snehomerná lata, ktorá sa využíva na meranie výšky snehu.

Ako sa získavajú informácie o priebehu počasia
Z bežnej stanice umiestnenej na zemi alebo na lodi vznikajú prízemné meteorologické mapy. Pozorovania a mapy sa robia v trojhodinových intervaloch podľa svetového času.
Existujú aj aerologické stanice, pretože posudzovať počasie zo zeme by nebolo dostačujúce. Z týchto staníc, ktorých je však podstatne menej (cca 500), sa v šesťhodinových intervaloch vypúšťajú héliové balóny nesúce sondy, ktoré merajú teplotu, vlhkosť, vzduch, tlak a vietor. Po uskutočnení merania balón praskne a sonda sa znesie padákom na zem.
Prístup k predpovedi je však subjektívny, pretože každý meteorológ vkladá do predpovede svoj osobný pohľad na vec a môže si jeden fakt vysvetliť mierne odlišne ako jeho kolega.

Meteorologické družice a radary sú pomocné diagnostické prístroje. Meteorológom môžu takéto fotografie spresniť frontálnu analýzu najmä nad oceánom.
Na fotografii z družice je vidno aj veľmi rozsiahle meteorologické objekty ako napríklad cyklóny, či fronty. Okrem toho dokáže robiť aj snímky v infračervenej časti spektra- v noci.
Rádiolokátor je veľmi užitočný aj v krátkodobých predpovediach v búrkových situáciách.
Existujú dva typy meteorologických družíc: obežná a geostacionárna. Obežná monitoruje celú Zem, pretože okolo nej obieha. Geostacionárna monitoruje jedno miesto 24 hodín, pretože sa postupne otáča vo výške 36 000 km.

Teória chaosu alebo Čo by bolo, keby...
Začali by sme citáciou Henriho Poincarého, matematika a astronóma žijúceho na prelome 19. a 20. storočia: „...môže sa stať, že malý rozdiel v počiatočných podmienkach vyprodukuje obrovský rozdiel v konečnom stave. Malá chyba v minulosti vytvorí obrovskú chybu v budúcnosti. Predpoveď sa stáva nemožnou a budúcnosť sa stáva náhodnou...“.
Tradične sa chaos definuje ako niečo neusporiadané, zmätočné. Chaos pre nás znamená absenciu štruktúry či systému. Pomysleli ste však niekedy na to, že chaos by mohol byť len sofistikovaný systém na veľmi vysokej úrovni, ktorému nerozumieme pre nízky záber nášho chápania? Nie? Možno by ste mali, pretože podľa teórie chaosu je to len vyššie zriadenie, ktoré nedokážeme pochopiť.

Pri tejto teórii sa môžeme stretnúť aj s tzv. efektom motýlích krídel, v prenesenom význame to znamená, že aj malá chyba v začiatku sa môže stať obrovskou anomáliou v závere. Nič sa nedá merať so stopercentnou presnosťou, takže nám niektoré merania môžu vyjsť úplne odlišne od reality. Takéto javy sa nazývajú chaotické, no je to len naše pomenovanie pre niečo, čomu nerozumieme.
Teraz sa už dostávame k tomu, ako táto teória súvisí s počasím. Veľmi jednoducho- predvídanie počasia zahŕňa toľko zložitých vzorcov, že sme ho nútení charakterizovať ako dlhodobo nepredpovedateľné.
Obzvlášť meteorológovia často pracujú so systémami, ktoré majú vysoký stupeň chaosu, no nie ú schopné vykazovať nejaký periodický cyklus.
Aj keby sme poznali všetky pôsobiace sily, nikdy nebudeme poznať všetky začiatočné podmienky natoľko presne, aby sme dokázali urobiť dokonalú dlhodobú predpoveď, lebo aj malá chyba na začiatku môže byť enormnou chybou na konci.

Ako je to na Slovensku
Na Slovensku existuje 23 profesionálnych staníc (väčšina je automatizovaná), ktoré potom posielajú do centrály, kde sa nachádza centrálny počítač, kódované správy (SYNOP) o aktuálnom stave počasia.
Na podobnom princípe prichádzajú aj správy z okolitých krajín, ktoré ale nie sú také podrobné.
Meteorológ vykresľuje synoptickú mapu raz za šesť hodín.

Na základe toho, čo sa práve v „povetrí“ deje, sa predpokladá to, čo sa v blízkej budúcnosti stane.
Existujú aj dobrovoľné stanice, ale tie merajú len jeden údaj ako napríklad množstvo zrážok. Takýchto staníc je zhruba 700.
Každých desať minút sa tieto správy obnovujú a informujú centrálu o aktuálnej teplote, slnečnom svite, tlaku vzduchu, atď. Niekedy sa automatika pomýli a niektoré údaje sú chybné, to už však patrí k nedokonalosti strojov. Následne sa vytvárajú grafy vlhkosti, teploty...