Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II.
Vzduch v pohybe
Zborník prednášok zo seminára pre učiteľov základných a stredných škôl,
ktorý sa konal 4. - 7. mája 2011 v kongresovom centre SAV ACADEMIA.
Zborník bol vydaný s podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja v
rámci projektu APVV – LPP – 0247 – 09 Meteorológia pre verejnosť.
Vydal Geofyzikálny ústav SAV, Dúbravská cesta 9, 845 28 Bratislava.
ISBN 978- 80 -85754-23-0
Editor: Dr. Anna Pribullová, Meteorologické observatórium GfÚ SAV Stará Lesná
Fotografie na obálke: anemometer s námrazou (foto D. Božik) , veterná turbína, veterná kalamita (foto A. Pribullová)
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Obsah zborníka
Predslov............................................................................................................................................................1
VZDUCH V POHYBE
Záznam počasia na synoptickej mape
Martin Benko.........................................................................................................................................................3
Modelovanie prúdenia vzduchu
Martin Gera, Eva Gerová, Ingrid Damborská.......................................................................................................8
Coriolisova sila
Eva Vargová.........................................................................................................................................................17
Predpoveď počasia, synoptické objekty a počasie s nimi spojené
Stanislav Racko...................................................................................................................................................21
Vertikálne pohyby vzduchu
Miroslav Chmelík...............................................................................................................................................27
Búrky a konvektívne javy
Róbert Kvak.........................................................................................................................................................32
Globálne rozloženie tlaku vzduchu, všeobecná cirkulácia atmosféry
Stanislav Racko...................................................................................................................................................37
Lokálne cirkulačné systémy
Norbert Polčák, Pavel Šťastný.............................................................................................................................41
Stratosférická pumpa
Anna Pribullová .................................................................................................................................................45
Meranie a modelovanie charakteristík vetra
Peter Borsányi, Štefan Soták................................................................................................................................50
Vietor na mori
Anton Pramuk......................................................................................................................................................54
Vplyv počasia a jeho zmien na zdravie a psychickú pohodu človeka
Zlatica Čabajová.................................................................................................................................................59
Vetrová kalamita v r. 2004 vo Vysokých Tatrách – príčiny, priebeh, dôsledky a obnova postihnutého územia
Peter Fleischer....................................................................................................................................................64
Zmena mikroklimatických pomerov kalamitnej plochy TANAP-u
František Matejka................................................................................................................................................69
METEOROLÓGIA A KLIMATOLÓGIA VO VYUČOVANÍ
Komplexný poznávací modul SCHOLA LUDUS: ATMOSFÉRA
Katarína Teplanová
......................................................................................................................................75
Skúmame javy okolo nás
Marián Kireš........................................................................................................................................................81
Počítačom podporované experimenty z oblasti meteorológie
Martin Hruška.....................................................................................................................................................85
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní geografie
Ivana Tomčíková..................................................................................................................................................90
Jednoduchý experiment vo fyzike – môže byť motivujúci?
Jana Ivančíková...................................................................................................................................................95
Žiacka veterná turbína
Mária Kučerová..................................................................................................................................................99
Meteorológia v učive geografie piateho ročníka základnej školy
Jana Zaťovičová Pčolinská................................................................................................................................103
Projekty s LEGO-m vo vyučovaní a v záujmovej činnosti na ZŠ
Peter Cehelský...................................................................................................................................................107
Digitálna meteorologická stanička WS1080
Dušan Božik.......................................................................................................................................................112
Práca žiakov s údajmi z meteorologickej staničky
Natália Tobiašová, Anna Glezová......................................................................................................................116
Exkurzia netradične – meranie meteorologických prvkov
Elena Malatová..................................................................................................................................................120
Fyzikálne meranie v teréne – určovanie niektorých meteorologických prvkov
Ľubica Semanová...............................................................................................................................................124
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Predslov
Druhý seminár pre učiteľov základných a stredných škôl Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní je
zameraný na problematiku cirkulácie vzduchu v atmosfére Zeme. Pohyb vzduchu, tak v horizontálnej
rovine, ako aj vo vertikálnom smere určuje charakter počasia, prevládajúce prúdenie výrazne vplýva
na podnebie v danej oblasti. Účinky pohybujúceho sa vzduchu si človek uvedomuje pri pozorovaní
následkov tornád, víchric, alebo tropických cyklón. Energiu vetra možno využiť ako alternatívny, čistý
zdroj, ktorý je v čase výkyvov cien fosílnych palív stále zaujímavejším. Pochopenie procesov výmeny
vzduchu v atmosfére je kľúčové pre ich modelovanie, či už pre predpoveď počasia, alebo pre
vytváranie scenárov vývoja klimatických podmienok na Zemi. Výmenu vzduchových hmôt sprevádza
v miernom pásme často búrlivé, frontálne počasie. Naopak, v iných častiach sveta panuje ustálené
počasie bez výrazných výkyvov teploty a množstva atmosférických zrážok. Prečo je to tak? Aké sú
súčasné možnosti predpovedať počasie? Kde sa získavajú údaje o počasí a aké charakteristiky počasie
určujú? Možno na základe atmosférických oscilácií odhadnúť krátkodobú premenlivosť podnebia?
Ako vplýva premenlivosť počasia na človeka, jeho fyzickú a psychickú pohodu? Jednoznačné
odpovede na tieto otázky často zatiaľ neexistujú, jedným z cieľov seminára je však preniesť najnovšie
poznatky a informácie o súčasnom stave poznania z oblasti meteorológie do vyučovania.
Seminár si tiež kladie za cieľ podporiť na školách záujem o amatérsku meteorológiu a klimatológiu a
ukázať, aké výchovno vzdelávacie prostriedky a metódy možno vo vyučovaní použiť, aby sa výuka,
nielen meteorológie, stala v školách pre deti zaujímavou a podnetnou.
Zborník prednášok je rozdelený na dva celky.
V prvej, hlavnej, časti Vzduch v pohybe sú sústredené príspevky odborníkov z oblasti synoptickej
meteorológie, aerológie, humánnej bioklimatológie, ale aj z oblasti lesníctva a námornej dopravy, a to
tak z výskumných, ako aj z prevádzkových a komerčných inštitúcií. Prezentácie v tejto časti sú radené
tak, aby poslucháča uviedli do problematiky synoptickej meteorológie – synoptickej mapy,
synoptických objektov, modelovania pohybu vzduchu a predpovede počasia, aerológie a sledovania
procesov v tzv. vyšších vrstvách atmosféry. Na túto problematiku nadväzujú exkurzie na aerologickej
stanici Poprad-Gánovce a na leteckej synoptickej stanici Poprad. Samostatne je prezentované
vzájomné pôsobenie atmosféry a mora. Príspevky o vplyve silného vetra na lesné porasty a o
výsledkoch výskumu zmien mikroklimatických podmienok v takto poškodených oblastiach lesa sú
prezentované na záver tejto časti. Nadväzuje na ne exkurzia na Výskumných plochách ŠL TANAP-u.
Druhá časť seminára je zameraná na prezentáciu vyučovania meteorológie a klimatológie
vysokoškolskými pedagógmi, ale aj samotnými učiteľmi základných a stredných škôl. Príspevky
možno rozdeliť na tie, ktoré prezentujú vyučovanie pomocou experimentov, druhú skupinu tvoria
príspevky zamerané na prácu s meteorologickou staničkou a na interpretáciu meteorologických meraní
a tretiu skupinu tvoria prezentácie zahrnutia meteorológie a klimatológie do vyučovania geografie.
Zborník obsahuje dvadsaťšesť príspevkov. Vychádza vďaka podpore Agentúry na podporu výskumu a
vývoja APVV, ktorá v rámci projektu LPP-0247-09 Meteorológia pre verejnosť podporila aj realizáciu
prezentovaného vyučovania meteorológie.
Seminár zorganizovali pracovníci oddelenia Fyziky atmosféry Geofyzikálneho ústavu SAV zo Starej
Lesnej. Poďakovanie patrí odborníkom, ktorí pripravili jednotlivé príspevky, ale aj učiteľom, ktorí
prejavili ochotu a tvorivosť pri realizácii vyučovania meteorológie.
Organizátori dúfajú, že seminár bude podnetným a inšpiratívnym podujatím, ktoré prispeje k
skvalitneniu vyučovania a k tomu, aby sa výuka prírodných vied stala atraktívnou tak pre žiakov, ako
aj pre učiteľov základných a stredných škôl.
V Starej Lesnej 19. apríla 2011.
Anna Pribullová
1
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Vzduch v pohybe
2
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Záznam počasia na synoptickej mape
Martin Benko
Slovenský hydrometeorologický ústav, Bratislava, [email protected]
Úvod
Je 14. november 1854, zúri Krymská vojna. Lode britskej a francúzskej flotily sa zmietajú na vlnách
rozbúreného Čierneho mora, neďaleko ruského mesta Sevastopol. Sú vydané napospas ničivej búrke
so silným vetrom, pred ktorou ich nikto
nevaroval. Až 37 lodí končí na dne
mora a s nimi sa potápa vzácny náklad
–
potraviny,
munícia
a zimné
oblečenie.
Lode nikto nevaroval, v tých časoch
ešte totiž neexistovala meteorologická
služba, ktorá by vydávala predpovede
počasia. Až tragédia stroskotanej flotily
bola impulzom, po ktorom nasledovalo
založenie
jedného
z
prvých
meteorologických úradov. Do jeho čela
bol menovaný admirál Robert FitzRoy, ktorý získaval prostredníctvom
telegrafnej siete každý deň správy
o počasí z vyše 40 meteorologických
st-níc v Európe. Z týchto synchronizovaných údajov zostavoval mapy,
ktoré ukazovali, aké bolo kde počasie
v určitom čase. Prvý raz pre ne použil
názov synoptické mapy. V roku 1861
začal na základe nich vydávať
varovania pred búrlivým počasím, tieto
telegrafoval do prístavov, ktoré ich
odovzdávali prechádzajúcim lodiam
Obrázok 1.
Historická synoptická mapa znázorňujúca prízemné tlakové pole. pomocou signálov z majákov. Pomenovanie máp „synoptické“ pochádza
z gréckeho slova synoptikos – čo
znamená súčasne pozorujúci. Vystihuje to fakt, že synoptické mapy znázorňujú počasie pozorované
v jednom časovom okamžiku.
Princípy zberu, analýzy a distribúcie údajov o počasí platia dodnes, ale realizujú sa v oveľa väčšom
meradle. Pre vykreslenie synoptických máp sa využíva rozsiahla sieť pozemných meteorologických staníc,
aerologických staníc, merania na lodiach, ťažobných vežiach, meteorologických bójach a ďalších
zariadeniach.
Synoptická mapa
Synoptická mapa je typ meteorologickej mapy, ktorá prehľadným a medzinárodne platným spôsobom
zobrazuje výsledky veľkého množstva pozorovaní siete meteorologických staníc v rovnakom predpísanom
termíne pozorovania. Synoptické mapy sa obvykle vykresľujú v tzv. hlavných synoptických termínoch –
o 00, 06, 12 a 18 hodine svetového času (UTC). Okrem hodnôt meteorologických prvkov, znázornených
v staničnom modeli, sú na synoptickej mape vykreslené izobary, ktoré spájajú miesta s rovnakým tlakom
vzduchu a znázorňujú tlakové útvary – tlakové výše a tlakové níže, sú tu zakreslené rozhrania
vzduchových hmôt – atmosférické fronty a sú tu tiež zvýraznené oblasti zrážok, hmiel a búrok.
Staničný model
Na synoptickej mape sú zobrazené pozorovania a merania z meteorologických staníc. Každá
3
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
z meteorologických staníc je znázornená staničným modelom, ktorý zahŕňa nasledovné parametre:
Staničný krúžok – krúžok, zakreslený na mieste, kde sa stanica nachádza. Je umiestnený v centre,
okolo neho sa potom vykresľujú všetky ďalšie hodnoty. V prípade horskej stanice sa vykresľuje ako
štvorček.
Obrázok 2.
Ukážka synoptickej mapy zo dňa 26.3.2011, 12:00 UTC .
Oblačnosť – vyplnenie staničného krúžka udáva mieru pokrytia oblohy oblačnosťou v osminách
pokrytia: 0/8 – jasno, 1/8 – takmer jasno, 2/8 a 3/8 – malá oblačnosť, 4/8
–
polojasno/
polooblačno, 5/8
–oblačno, 6/8–veľká
oblačnosť,
7/8 – takmer zamračené, 8/8 – zamračené, - v prípade, že obloha sa nedá rozoznať, napríklad
kvôli hmle.
Druh oblakov – zakreslený pomocou špecifických značiek. Značky pre nízku oblačnosť sú zakreslené
pod staničným krúžkom, pre strednú a vysokú oblačnosť nad ním.
Tlak vzduchu – trojčíslie udáva tlak vzduchu prepočítaný na hladinu mora, v desatinách hPa,
s vynechaním tisícok a stoviek.
Tlaková tendencia – zmena tlaku vzduchu za posledné 3 hodiny je v desatinách hPa zakreslená
priamo pod hodnotou tlaku vzduchu, aj so znázornením priebehu tlaku.
Priebeh počasia – prevládajúci typ počasia za posledných 3 resp. 6 hodín je znázornený pomocou
definovaných značiek.
Výška základne oblačnosti – úplne naspodku staničného modelu je číslom zakódovaná výška spodnej
základne oblačnosti (výška nad zemou, v ktorej začínajú oblaky).
Teplota rosného bodu – teplota, pri ktorej by bol vzduch nasýtený vodnou parou – zobrazená
v celých.
4
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Vietor – smer vetra je daný líniou ukazovateľa vetra – veternej smerovky, udávajúcej smer odkiaľ
vietor fúka. Rýchlosť vetra je určená úsečkami na konci smerovky, pričom jedna úsečka zodpovedá
rýchlosti 5 m/s.
Dohľadnosť – číselne zakódovaný údaj o vodorovnej dohľadnosti.
Aktuálne počasie – 100 rôznych meteorologických značiek používaných pre zobrazenie stavu
počasia.
Teplota vzduchu – aktuálna teplota vzduchu v 2m nad povrchom zeme je uvedená v celých °C.
Obrázok 3.
Ukážka staničného modelu, ktorým sa zobrazujú údaje z meteorologickej stanice na synoptických
mapách.
Na obrázku 3 je ukážka staničného modelu, z ktorého vieme určiť nasledovné prvky počasia:
oblačnosť – na stanici je takmer zamračené (pokrytie oblohy oblakmi 7/8), teplota vzduchu je 8 °C,
teplota rosného bodu je 5 °C, vietor je juhozápadný s rýchlosťou 7 m/s, horizontálna dohľadnosť je 9
km, stav počasia - dážď trvalý slabý, priebeh počasia za posledné 3 h - dážď, veľká oblačnosť až
zamračené, tlak vzduchu je 1015,3 hPa, tlakovú tendenciu charakterizuje pokles o 0,1 hPa za posledné
3 h, pričom tlak vzduchu klesal, ale v čase pozorovania stúpal.
Na meteorologickej stanici sa vyskytovala kopovitá oblačnosť Cumulus mediocris a Cumulus
congestus so základňou vo výške 1000 – 1500 m, stredné kopovité oblaky Altocumulus translucidus a
vysoké oblaky Cirrus fibratus alebo Cirrus uncinus, ktoré nepribúdajú.
Izobary a tlakové útvary
Izobary – čiary, ktoré na prízemnej synoptickej mape spájajú miesta s rovnakým atmosférickým
tlakom podobne, ako na turistickej mape spájajú vrstevnice miesta s rovnakou nadmorskou výškou. Sú
vykreslené buď počítačom pri procese objektívnej analýzy, alebo priamo ručne, meteorológom, pri
analýze mapy. Izobary sa kreslia plynulo, bez neodôvodnených zlomov, obvykle s krokom 5 hPa,
pričom bývajú označené hodnotou tlaku v hPa. Oblasti, kde sú vzdialenosti medzi izobarami malé,
predstavujú miesta s veľkou zmenou tlaku vzduchu na jednotku horizontálnej vzdialenosti (miesta s
veľkým horizontálnym gradientom tlaku vzduchu), v ktorých sa vyskytuje silný vietor. Naopak,
v oblastiach, kde sú izobary od seba ďaleko, prevláda len slabý vietor, alebo je tam bezvetrie.
Rozloženie atmosférického tlaku nazývame tlakovým alebo barickým poľom. V takto vykreslenom
tlakovom poli môžeme nájsť niekoľko typických základných tlakových útvarov:
Tlaková níž (cyklóna) – je oblasť nízkeho tlaku vzduchu, s najnižším tlakom v jej strede, uzavretými
izobarami, najčastejšie v tvare nepravidelného oválu, na synoptických mapách označovaná písmenom
N. Na severnej pologuli vzduch v cyklóne prúdi proti smeru hodinových ručičiek, zároveň sa stáča
smerom k stredu cyklóny. Priemer cyklóny dosahuje 100 až 3000 km a najčastejšie je charakterizovaná
5
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
oblačným počasím so zrážkami.
Tlaková výš (anticyklóna) – je oblasť vysokého tlaku vzduchu vyznačená uzavretými izobarami, aj
keď nie takými pravidelnými ako v cyklóne, s najvyšším tlakom v jej strede. Vzduch v anticyklóne
prúdi na severnej pologuli v smere hodinových ručičiek, zároveň sa stáča smerom od stredu
anticyklóny. Obvykle sa v nej vyskytuje málo oblačnosti a na synoptických mapách sa označuje
písmenom V.
Obrázok 4.
Zobrazenie základných tlakových útvarov na synoptickej mape.
Brázda nízkeho tlaku – pásmo nízkeho tlaku obvykle zakreslené ako výbežok cyklóny. Čiara, pozdĺž
ktorej je tlak vzduchu v brázde najnižší, sa nazýva osou brázdy
Hrebeň vysokého tlaku – pásmo vysokého tlaku medzi dvomi oblasťami nízkeho tlaku vzduchu.
Často je to výbežok okrajovej časti anticyklóny. Čiara, ktorá v hrebeni spája miesta s najvyšším tlakom
vzduchu, sa nazýva os hrebeňa.
Priestorové rozloženie atmosférického tlaku sa neustále mení. Prúdenie vzduchu – vietor, vzniká ako
dôsledok vyrovnávania sa tlakových rozdielov. Pri pohľade na synoptickú mapu a rozloženie izobár a
tlakových útvarov, môžeme povedať, ako vzduch nad daným územím prúdi a či k nám bude prúdiť
vzduch z vyšších alebo nižších zemepisných šírok. Oblasť, z ktorej prúdiaci vzduch pochádza, má
obvykle veľmi výrazný vplyv na charakter očakávaného počasia.
Vzduchové hmoty a fronty
V systéme prúdenia vzduchu nad zemským povrchom vznikajú podľa podmienok počasia relatívne
homogénne vzduchové hmoty obrovských rozmerov. Ak sa nachádza vzduchová hmota nad určitou
oblasťou, nadobúda vlastnosti charakteristické pre danú oblasť a ročné obdobie (napríklad suchý a
studený arktický vzduch nad oblasťami severnej Sibíri v zime). Rozhrania, či úzke prechodové zóny,
medzi vzduchovými hmotami nazývame atmosférickými frontami. Výrazné atmosférické fronty
spravidla súvisia s cyklónami a brázdami nízkeho tlaku vzduchu a práve tieto útvary sa vyznačujú
veľkými kontrastami meteorologických prvkov, najmä teploty vzduchu. V oblastiach výrazných
rozhraní sa pozorujú aj najvýraznejšie prejavy počasia, vrátane viacerých nebezpečných
poveternostných javov.
Ak sa vzduchové hmoty presúvajú tak, že teplý vzduch je nahrádzaný studeným, hovoríme
o studenom fronte a na synoptickej mape ho znázorňujeme modrou farbou, prípade dopĺňame
trojuholníčkami otočenými v smere postupu frontu. Ak je tomu naopak a studený vzduch je
nahrádzaný teplým, hovoríme o teplom fronte a na mape ho znázorňujeme čiarou červenej farby, ktorú
dopĺňame červenými polkruhmi v smere postupu frontu. Spojením studeného a teplého frontu vo
frontálnom systéme tlakovej níže vzniká front oklúzny, ktorý zakresľujeme fialovou farbou
6
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
a dopĺňame trojuholníčkami a polkruhmi v smere postupu frontu.
Obrázok 5.
Znázornenie atmosférických frontov.
Výškové mapy
Počasie sa neodohráva len v tenkej prízemnej vrstve a tak potrebujeme poznať charakteristiky
jednotlivých meteorologických prvkov aj vo väčších výškach nad zemským povrchom. Za týmto
účelom sú na tzv. aerologických meteorologických staniciach v pravidelných intervaloch vypúšťané
rádiosondy, ktoré pomocou balóna naplneného vodíkom vyletia do výšky cca 35 km. Počas svojho letu
merajú teplotu, tlak a vlhkosť vzduchu a na základe zmeny polohy sondy sa určuje smer a rýchlosť
výškového prúdenia. Tieto údaje vysiela rádiosonda počas letu. Údaje namerané rádiosondami
zobrazujeme v špeciálnom type synoptických máp, ktoré označujeme ako výškové mapy. Výškové
mapy nás informujú o stave atmosféry vo vyšších hladinách nad zemským povrchom. Medzi
najdôležitejšie výškové mapy patria mapy absolútnej topografie a mapy relatívnej topografie.
Mapa absolútnej topografie je výšková synoptická mapa, v ktorej je čiarami – izohypsami, zakreslená
výška vybranej izobarickej hladiny v geopotenciálnych metroch. V meteorológii sa používajú
nasledovné štandardné výškové hladiny: 850, 700, 500, 300, 200 a 100 hPa. Výšková mapa môže tiež
obsahovať údaje o teplote a vlhkosti vzduchu, smere a rýchlosti vetra a iné. Napríklad mapa absolútnej
topografie hladiny 500 hPa (označovaná AT500) slúži najčastejšie pre určenie prúdenia vzduchu vo
výške okolo 5 km nad zemským povrchom, mapa AT850 zobrazuje obvykle prúdenie vo výške okolo
1,5 km a priestorové rozloženie teploty v tejto výške – vhodné pre určovanie rozloženia vzduchových
hmôt a rozhraní medzi nimi.
Mapa relatívnej topografie je výšková synoptická mapa, v ktorej je zakreslená hrúbka vrstvy medzi
dvoma štandardnými tlakovými hladinami. Hrúbka tejto vrstvy je priamo úmerná priemernej teplote
vzduchu v danej vrstve – čím je vzduch teplejší, tým je vrstva hrubšia. Najčastejšie sa používa mapa
relatívnej topografie medzi hladinami 500 a 1000 hPa.
Literatúra
Burroughs, W. J. a i., 1999: Počasí. Cesty za poznáním. Praha, Svojtka, 288 s.
Chromov, S. P., 1968: Meteorológia a klimatológia. SAV, Bratislava, 456 s.
Sobíšek, B. a kol., 1993. Meteorologický slovník výkladový, terminologický. Academia, Praha, 594 s.
Schmidt, M., 1980: Meteorológia pre každého. Alfa, Bratislava, 256 s.
Zverev, A. S, 1986: Synoptická meteorológia. Alfa, Bratislava, 712 s.
7
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Modelovanie prúdenia vzduchu
Martin Gera, Eva Gerová, Ingrid Damborská
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky, Mlynská dolina 842 48 Bratislava, [email protected]
Úvod
Prúdenie vzduchu v prízemnej vrstve atmosféry patrí k najdôležitejším faktorom, ktoré ovplyvňujú
procesy na zemi. Vietor môžeme považovať za prostriedok, pomocou ktorého dochádza k prenosu
vody v atmosfére, energie, hybnosti a ďalších fyzikálnych vlastností vzduchu. Pôsobením vetra sa
zvyšuje intenzita výparu z vodnej hladiny, dochádza k vytváraniu námrazy, k odoberaniu tepla telesám
s vyššou teplotou ako je teplota vzduchu atď. Taktiež je zdrojom čistej energie, ktorá nezaťažuje
životné prostredie. Z toho vyplýva, že vietor ovplyvňuje veľkou mierou prírodné deje ako aj ľudskú
činnosť.
Hlavným zdrojom energie uvádzajúcim atmosféru do pohybu je slnečné žiarenie. Ďalší
neodmysliteľným vplyvom na pohybujúcu sa časticu je rotácia Zeme. Dôsledkom týchto vplyvov
a celého radu ďalších faktorov, ako napr. nehomogenita povrchu, je nerovnovážny stav atmosféry, čo
dáva možnosť vzniku cirkulácie vzduchu, ktorá sa snaží priviesť systém do stavu termodynamickej
rovnováhy.
Sily pôsobiace na pohybujúci sa vzduch
Pohyby v atmosfére sú zložité. Pri našich úvahách zanedbáme vplyv zakrivenia zemského povrchu.
Tento prístup nám umožní použiť pri popise fyzikálnych procesov pravouhlý súradnicový systém.
Podľa II. Newtonovho zákona sa je výsledná sila F pôsobiaca na vzduchovú časticu s hmotnosťou m
rovná súčtu síl, ktoré pôsobia na uvažovanú časticu:
dc
 = m  = m
a , ak m = 1 pohybové rovnice môžeme napísať v tvare:
F
dt
du
= X 1 X 2
u, v, w – zložky rýchlosti c v smere osi x, y, z
dt
dv
=Y 1 Y 2
dt
X1, Y1, Z1 – zložky objemových síl v smere osi x, y, z
dw
=Z 1 Z 2
dt
X2, Y2, Z2 – zložky povrchových síl v smere osi x, y, z.
(1)
Pod objemovou silou budeme rozumieť silu, pôsobiacu na všetky častice uvažovaného objemu
vzduchu. Medzi objemové sily patria: sila zemskej tiaže, Coriolisova sila, odstredivá (dostredivá sila),
sila tlakového gradientu.
Pod povrchovými silami rozumieme sily, ktoré pôsobia na častice nachádzajúce sa na povrchu
uvažovaného objemu vzduchu. Sem patrí sila trenia (molekulárneho a turbulentného), vztlaková sila.
Najdôležitejšou silou pôsobiacou na atmosféru je sila zemskej tiaže. Táto sila je výslednicou
pôsobenia gravitačnej a odstredivej sily. Gravitačná sila smeruje do stredu Zeme a jej veľkosť je
priamoúmerná súčinu hmotností vzájomne na seba gravitačne pôsobiacich telies a je nepriamoúmerná
štvorcu vzdialenosti medzi nimi, pričom ak uvažujeme vzájomné gravitačné pôsobenie Zeme a
vzduchovej častice s jednotkovou hmotnosťou:
g a =G
M
,
R 2z
(2)
kde G – gravitačná konštanta G = 6,665.10-8 cm3.g-1.s-2 , ga je gravitačné zrýchlenie, M – hmotnosť
Zeme , Rz je polomer Zeme (priemerná hodnota polomeru Zeme sa rovná 6370,2 km).
Pri otáčaní Zeme začne na uvažovaný objem vzduchu pôsobiť odstredivá zotrvačná sila, ktorá je
orientovaná v smere polomeru šírkovej kružnice s polomerom r a rovná sa:
8
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
F o =r 2 ,
(3)
kde r je vzdialenosť od osi otáčania, Ω uhlová rýchlosť otáčania Zeme =7, 29 . 10−5 s−1  .
Na póle Fo = 0 (r = 0) a na rovníku dosahuje
maximum: r =R z cos  , (ϕ – zemepisná šírka).
Potom môžeme odstredivú silu vyjadriť:
F o =R z cos  2 .
Rozložme ju na 2 zložky :
rovnobežnú so silou zemskej gravitácie Fn (normálová
zložka) a kolmú k tejto zložke Ft (tangenciálna
zložka)
1
F t =R z cos  2 sin = R z  2 sin 2 
2
Obrázok 1.
K odvodeniu zložiek odstredivej sily.
(4)
Normálová zložka odstredivej sily, ktorá smeruje proti
gravitačnej sile, spôsobuje zmenšenie tiaže
elementárneho objemu vzduchu.
Výslednicu gravitačnej sily a odstredivej sily
nazývame silou zemskej tiaže a je kolmá na povrch sféroidu. Zrýchlenie sily tiaže (sila tiaže pôsobiaca
na jednotku hmotnosti) závisí od zemepisnej šírky a výšky nad hladinou mora .
Sila zemskej tiaže je kolmá na povrch sféroidu a preto jej zložky v smere x a y sa rovnajú nule,
g x =g y=0 . Jedinou zložkou sily tiaže je vertikálna zložka: g z =−g . Pole sily tiaže si môžeme
znázorniť hladinami sily tiaže (v každom bode hladiny je sila tiaže rovnaká) a smer sily tiaže má smer
normály k týmto hladinám. Plochy rovnakých hodnôt sily tiaže sú súčasne hladinami potenciálu sily
tiaže (geopotenciálu). Ak geopotenciál si označíme  , potom platí
g =−grad  .

Vplyvom tangenciálnej zložky odstredivej sily sa hmotný bod, ktorý sa nachádza na povrchu Zeme,
snaží posunúť smerom k rovníku. Týmto sa dá vysvetliť aj tvar Zeme ako rotačný elipsoid (sféroid).
Prípadne môžeme vysvetliť vznik sily, ktorá v horizontálnej rovine odkláňa pohybujúcu sa časticu.
V prípade, že častica sa pohybuje v horizontálnej rovine v smere na východ rýchlosťou U, vyjadríme
U
˙
cez uhlovú rýchlosť =
, a dosadením do vzťahu pre tangenciálnu zložku odstredivej sily,
R cos 
hneď získame výraz:
˙ 2 R z cos sin =F t A .

Porovnaním získaného výrazu s výrazom pre tangenciálnu zložku odstredivej sily získame vyjadrenie
pre Coriolisovu silu A:
U
A= 2
U sin  .
R cos 
A=2 U sin ,
Rozmerovou analýzou získaného výrazu prídeme k výsledku:
čo nie je nič iné ako Coriolisova sila.
Coriolisova sila, vo všeobecnosti je záporne vzatý dvojnásobný vektorový súčin uhlovej rýchlosti
otáčania Zeme Ω, a rýchlosti pohybu častice c vzhľadom na zemský povrch

 ×c ] .
A=−2 [ 
(5)
Uhlová rýchlosť otáčania Zeme Ω je vektor smerujúci pozdĺž osi otáčania Zeme od juhu na sever. Je
to meridionálny vektor a preto sa jeho zložka v smere x rovná nule  x=0 .
 ×c ] v štandardnom súradnicovom systéme pomocou
Rozpísaním vektorového súčinu −2 [ 
determinantu pre horizontálny pohyb c(u,v) dostaneme
9
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
∣
k
z
0
i
j

A=−2 [  ×c ]=−2 0  y
u v
∣
A=2 z v i −2  z u j2  y u 
k .
V zložkách
A x =2  z v ; A y=−2  z u ; A z =2 y u .
(6)
Vektorový súčin dvoch vektorov je vektor kolmý na rovinu preloženú uvažovanými vektormi a
smeruje od tejto plochy, t.j. je kolmý na smer pohybu častice vzduchu. Na severnej pologuli (ϕ > 0)
smeruje vpravo pri pohľade v smere rýchlosti, na južnej pologuli (ϕ < 0) smeruje vľavo.
Ďalším vplyvom, ktorý spôsobuje pohyb častice je
nerovnomerné rozloženie tlaku na vybranej ekvipotenciálnej
hladine. Gradient tlaku vyjadruje sila vzťahujúca sa k
d
F
=−∇ p
objemovej jednotke dV
. Uvažujme rovnobežnosten s
¿
rozmermi dx, dy, dz. Celková sila tlaku na ľavú stenu bude
pdydz. Analogicky na pravú stenu bude pôsobiť celková sila
∂p
dx dydz . Výsledná sila pôsobiaca v smere osi x
tlaku p
∂x
je daná rozdielom uvedených síl
∂p
∂p
pdydz − p
dx dydz =−
dydzdx .
Obrázok 2.
∂x
∂x



K odvodeniu Coriolisovej sily.

Túto výslednú silu v smere osi x označme bx , t.j.
b x=−
1 ∂p
,
ρ ∂x
dxdydz = dV.
bx sa vzťahuje na jednotku hmotnosti (predchádzajúcu rovnicu
sme vydelili hmotnosťou ρdV).
Podobne pre zložky sily barického gradientu v smere osi y a
z dostaneme
1 ∂p
1 ∂p
b y =−
; b z =−
. (7)
ρ∂y
ρ ∂z
Obrázok 3.
K odvodeniu sily tlakového gradientu.
Celková sila barického gradientu je vektor:


1 ∂ p ∂ p ∂ p 
1

b =−
i
j
k =− ∇ p .
ρ ∂x
∂y
∂z
ρ
(8)
b pôsobí kolmo na izobarické plochy a smeruje na stranu nižšieho tlaku vzduchu. Sila barického
gradientu je jednou zo síl, ktorá spôsobuje prúdenie vzduchu. Ak je vzduch v relatívnom pokoji
vzhľadom na rotujúcu Zem, hovoríme o hydrostatickej rovnováhe.
Vertikálna zložka sily tlakového gradientu je presne v rovnováhe so silou zemskej tiaže a platí:
−
1∂p
=g
ρ ∂z
alebo
∂ p=− ρg ∂ z .
Aj keď táto rovnica (rovnica hydrostatickej rovnováhy) je odvodená za podmienok relatívneho pokoja
atmosféry vzhľadom k zemskému povrchu, pri pohyboch vzduchu bežne pozorovaných v atmosfére
platí s dostatočnou presnosťou. Len pri intenzívnych vertikálnych pohyboch (napr. v búrkových
oblakoch) a pri veľkých vertikálnych zrýchleniach nie je vhodné používať túto rovnicu. V skutočnosti
táto rovnica je zjednodušená forma pohybovej rovnice vo vertikálnom smere.
Pretože izobarické plochy sú sklonené k horizontálnej rovine pod veľmi malým uhlom, horizontálne
zložky sily barického gradientu sú oveľa menšie ako vertikálna zložka.
10
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Ďalšou silou je sila trenia. Vzniká dvomi spôsobmi:
a) vzájomným pôsobením jedných vrstiev vzduchu na druhé
b) vzájomným pôsobením pohybujúceho sa vzduchu a pod ním ležiacim povrchom.
Základné rovnice dynamiky atmosféry
Dynamický stav atmosféry môžeme popísať základnými rovnicami. Máme na mysli pohybové
rovnice pre tekutinu, rovnicu kontinuity, prvú vetu termodynamickú, stavovú rovnicu a prípadne ďalšie
rovnice popisujúce napr. vlhkosť, existenciu aerosólov, ozónu atď. Mnohé modely atmosféry pracujú
na základe týchto uvedených rovníc. Aby sme mohli riešiť systém takýchto rovníc, musíme mať
rovnaký počet neznámych, ako je počet rovníc.
Pre pochopenie dynamiky atmosféry je potrebné poznať rozloženie silových účinkov na vybraný
objem vzduchu (môžeme hovoriť o častici vzduchu) a teda rozlišovať, aké sily pôsobia na časticu
vzduchu. Okrem delenia, ktoré sme uviedli vyššie môžeme sily rozdeliť na inerciálne a neinerciálne
sily.
Medzi inerciálne sily zaraďujeme sily, ktorých pôvod v skúmanom systéme vieme určiť. Hovoríme
o tzv. Newtonovských silách. V atmosfére Zeme medzi ne patrí b sila barického gradientu (objemová
 t − sila trenia (molekulárne, turbulentné) a ga − gravitačná sila.
sila), F
Neinerciálne sily reprezentujú Fo − odstredivá sila (Huygensova sila) a 
A − Coriolisova sila,
hovoríme o tzv. zotrvačných silách.
Pohybová rovnica, vychádzajúca z rovnováhy hore uvedených síl, zachytávajúca pôsobenie síl na
časticu vzduchu v neinerciálnom vzťažnom systéme (spojený s rotujúcim povrchom) má tvar:
 t , alebo
= 
g+ 
F
b + A + F
d c
1
 c  F
 .
= g − ∇ p−2 ×
t
dt
ρ
(9)
Vzhľadom na to, že uvedená vektorová pohybová rovnica v sebe zahŕňa tri zložkové rovnice
a neznámych je v rovnici päť, je nutné pridať ďalšie rovnice. Rovnica pre hustotu ρ , vychádzajúca zo
zákona zachovania hmotnosti, voláme ju aj rovnicou kontinuity, má tvar:
1 dρ
∇ . 
v =0 .
(10)
ρ dt
Ďalšou rovnicou je I. veta termodynamická:
Q=c v
dT
dα
p
,
dt
dt
(11)
kde T je teplota vzduchu, p je tlak vzduchu, cv je merné teplo pri konštantnom objeme a Q je teplo. Po
zavedení novej veličiny, potenciálnej teploty môžeme uvedenú rovnicu prepísať do nasledujúceho
R/c p
d ln θ
p0
tvaru: Q=c p T
, kde θ je potenciálna teplota definovaná vzťahom θ=T
, kde p0 je tlak
dt
p
na vybranej hladine, ku ktorej sa redukuje teplota vzduchu, R je merná plynová konštanta a cp je merné
teplo pri konštantnom tlaku. Vzťah pre potenciálnu teplotu je odvodený z adiabatického deja, t.j.
predpokladom je Q=0.
Poslednou potrebnou rovnicou pre uzavretie nášho systému rovníc je stavová rovnica:
 
p= ρ RT , alebo pomocou merného objemu pα =RT .
Vektorový tvar pohybovej rovnice je invariantom na zmenu súradníc. Pri riešení problémov je ale
zväčša potrebne rozpísať vyjadrenie danej vektorovej rovnice do zložkového tvaru. Riešením týchto
rovníc sú rôzne typy fyzikálnych procesov. Rovnice v sebe zahŕňajú, popis napr. zvukových
vztlakových , povrchových a Rossbyho vĺn.
Rovnice horizontálneho pohybu bez trenia v štandardnom súradnicovom systéme majú tvar:
du
1∂p
=−
2 sin  v ,
dt
ρ ∂x
dv
1 ∂p
=−
−2 sin  u ,
dt
ρ∂y
11
0=−
1 ∂p
−g2 cos  u
ρ ∂z
(12)
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Rovnice horizontálneho pohybu v prirodzenom súradnicovom systéme majú tvar (pri rýchlosti
prúdenia neuvádzame index „s“)
γ s=
dv
1 ∂p
=−
,
dt
ρ ∂s
2
γ n= K
v 1 ∂p
=
−2 sin  v ,
r ρ ∂r
γ z =0=−
1 ∂p
− g2 n v
ρ ∂z
(13)
V druhej rovnici sme zaviedli pojem krivosti trajektórie alebo prúdnice KH, ktorá je nepriamo úmerná
1
polomeru krivosti, K H = r . Jeho znamienko závisí od toho, či trajektória je cyklonálne zakrivená,
k
vtedy KH >0, alebo anticyklonálne, kedy KH <0. Pre jednoduchšiu orientáciu sme zaviedli symbol K,
ktorý v sebe nesie informáciu o znamienku,
1
definovaný výrazom K H =K
(r je teraz
r
polomer kružnice). Štandardný systém súradníc
sa používa hlavne pri teoretických úvahách.
Prirodzený systém sa viac používa pri riešení
praktických otázok.
Prvá rovnica systému (13) sa nazýva
tangenciálna pohybová rovnica a druhú rovnicu
nazývame normálovou rovnicou.
V hraničnej vrstve atmosféry pre podmienku
rovnováhy horizontálnych síl platí:
bn + An + (τ - τo) = 0,
(14)
Obrázok 4.
kde
b
sila
horizontálneho
barického
n je
Štandardný systém súradníc (vľavo) a prirodzený systém
gradientu, An je Coriolisova sila tiež
súradníc (vpravo).
v horizontálnej rovine, ktorá je kolmá na vektor
rýchlosti prúdenia a smeruje vpravo (na severnej pologuli) a (τ - τo) je brzdiaca sila trenia (R)
pôsobiaca v smere opačnom k smeru rýchlosti prúdenia (c). Preto vektor rýchlosti horizontálneho
prúdenia c sa odkláňa od izobár na stranu s nižším tlakom vzduchu a s izobarami zviera uhol α. .
Vo voľnej atmosfére sila horizontálneho barického gradientu bn je približne v rovnováhe s
Coriolisovou silou An (vertikálna zložka Coriolisovej sily je asi o 4 rády menšia ako sila zemskej tiaže,
a preto ju môžeme zanedbať). Vektor rýchlosti (cg) je kolmý na smer horizontálneho barického
gradientu, t.j. je rovnobežný s izobarami. cg je vektor rýchlosti geostrofického vetra.
Typy prúdenia v atmosfére
Horizontálne prúdenie, smerujúce pozdĺž izobár a teda kolmé k horizontálnemu tlakovému gradientu
dv
=0, t.j. v bodoch s
sa nazýva geostrofický vietor, obrázok 7. Jestvuje v tých bodoch , kde
dt
konštantnou alebo extrémnou rýchlosťou (maximálna, minimálna). Geostrofické prúdenie je teda
definované ako rovnováha sily barického gradientu a Coriolisovej sily. To znamená, že platí
1 ∂p
v2
−2 sin  v . Z tohto vzťahu ľahko získame
γ n=0= a z druhej rovnice v (13) máme 0=
ρ ∂r
r
vzťah pre rýchlosť geostrofického vetra.
Pre názornú predstavu o okamžitom rýchlostnom poli zostrojujeme prúdnice, t.j. krivky, ktoré v
každom časovom momente majú taký tvar, že v každom ich bode je smer dotyčnice zhodný so smerom
vektora rýchlosti prúdenia. Prúdnice sa menia v čase. Ak sa nemenia, potom prúdenie nazývame
ustáleným (stacionárnym). Od prúdnic odlišujeme trajektórie, t.j. čiary spájajúce body polohy určitej
častice v rôznych časových momentoch. Trajektórie popisujú skutočnú dráhu danej častice za určitý
časový interval. Trajektórie a prúdnice sa zhodujú pri stacionárnom pohybe (ustálenom pohybe). Vo
voľnej atmosfére horizontálne prúdenie sa len nepatrne mení v čase. Ak máme zrýchlený pohyb,
potom sa vzduch trocha odchyľuje od izobár a prúdi cez izobary smerom k nízkemu tlaku vzduchu. Ak
je pohyb spomalený, vzduch tečie šikmo cez izobary smerom k vyššiemu tlaku vzduchu. Obyčajne sú
prúdnice vo voľnej atmosfére blízke izobarám. Má to veľký praktický význam, pretože nám to
umožňuje urobiť dosť jasnú predstavu o prúdení vo voľnej atmosfére len podľa poľa tlaku. Pri prúdení
12
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
inom ako pri tlakovom poli tvorenom priamkovými izobarami si musíme pri pôsobiacich silách ako
sila barického gradientu a Coriolisovu sila všímať aj odstredivú silu. V ľubovoľnom okamihu a pri
ľubovoľnom pohybe sa teda sily bn, An a odstredivá sila navzájom vyrovnávajú (ak opomenieme silu
trenia). Rôzne typy pohybov, ktoré sa môžu vyskytovať, sú určené rôznymi vzťahmi medzi týmito
silami. Budeme predpokladať, že rýchlosť vetra a zemepisná šírka sú známe veličiny. Potom je daná aj
Coriolisova sila.
Obrázok 5.
Rovnováha horizontálnych síl v hraničnej vrstve.
Obrázok 6.
Rovnováha horizontálnych síl vo voľnej atmosfére.
V závislosti od smeru a veľkosti normálovej horizontálnej
zložky tlakového gradientu (bn) sa môžu v atmosfére
vyskytnúť tieto typy pohybov: 1. Cyklonálne prúdenie
(barický pohyb) . Z obrázku 7- časti (1) je zrejme, že pre
tento typ prúdenia platí γ n ↑ ↑ An , odstredivá sila má
súhlasný smer s horizontálnou zložkou Coriolisovej sily,
pri ktorom normálna zložka barického gradientu je v
absolútnej hodnote väčšia ako Coriolisova sila ∣b n∣∣An∣ .
Vyskytuje sa v cyklónach a brázdach nízkeho tlaku
vzduchu. Opäť z druhej rovnici v (13) pre cyklonálne
prúdenie, K= +1, máme:
r ∂p
v 22 . r sin v−
=0 ,
kvadratická
ρ ∂r
rovnica, z ktorej získame vzťah pre rýchlosť:
v 1,2 =−

fr
f 2r2 r ∂ p ,
±

2
4
ρ ∂r
Obrázok 7.
Barické (1), antibarické (2), cyklonálne (3) a
anticyklonálne
(4)
prúdenie
na
severnej pologuli.
kde f = 2 Ω sin ϕ
(15)
Obidva členy pod odmocninou sú kladné a preto reálny koreň rovnice dostaneme pri ľubovoľnej
∂p
hodnote
. Rýchlosti v cyklóne a gradienty tlaku nie sú ohraničené (môžu byť ľubovoľne veľké).
∂r
2. Anticyklonálne prúdenie. Ako vidno z obrázku 7- časti (4), platí γ n ↑ ↓ An , normálová
zložka tlakového gradientu je v absolútnej hodnote menšia ako Coriolisova sila bn < An . Vyskytuje
sa v anticyklónach a hrebeňoch vysokého tlaku vzduchu.
2
Z rovnováhy síl získame vzťah :
v 1 ∂p

−2  sin v=0 .Podľa definície v anticyklóne platí
r ρ ∂r
13
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.

∂p
fr
f 2r2 r ∂ p .
0 . Opäť ide o kvadratickú rovnicu, ktorej riešenie má tvar:
v
=
±
−
1,2
∂r
2
4
ρ ∂r
2 2
r ∂p f r
Rovnica bude mať reálny koreň, ak
. Rýchlosť nemôže mať 2 hodnoty (jednoznačnosť

ρ ∂r
4
rýchlosti).
Ak
∂p
=0 , potom dostaneme
∂r
v 1,2 =

fr
f 2 r 2 fr fr
±
= ± ⇒ 2  r sin  .
2
4
2 2
(16)
Táto podmienka bude splnená, ak pred odmocninou bude znamienko +. Ak pred odmocninou
∂p
=0 aj rýchlosť sa bude rovnať nule. Vyššie spomínané
zoberieme znamienko (-), potom pre
∂r
prúdenia voláme aj gradientový vietor.
Vlnové pohyby v atmosfére
Matematickým riešením rovníc (12) alebo (13) sú vlnové pohyby. V tiažovom poli Zeme existuje
v dôsledku nerovnováhy síl horizontálne prúdenie. Rozkmitaním vzduchových častíc vo zvislom
smere môžu vznikať priečne gravitačné vlny objavujúce sa v kvázi horizontálnych rozhraniach
v atmosfére, napr. na hranici vrstiev s teplotnými inverziami. Gravitačné vlny sa môžu vytvárať i pri
bezvetrí, môžeme ich pozorovať i v závetrí hrebeňov pri pretekaní vzduchového prúdu cez orografické
prekážky. Tento typ vlnenie klasifikujeme ako povrchové gravitačné vlny.
Aj zvukové vlny sú riešením našich rovníc. Zvukové vlny patria do skupiny pozdĺžnych vlnení, je to
periodicky opakujúci sa proces zhustenia a zriedenia vzduchu, tento rozruch sa šíri určitou rýchlosťou,
ktorá závisí na teplote a vlhkosti vzduchu. Významnou vlastnosťou zvukových vĺn je adiabatickosť,
medzi oblasťami zhustenia a zriedenia vzduchu nedochádza k výmene tepla. Následkom toho vzniká
pri zhusťovaní adiabatický nárast teploty a pozorujeme vznik odchýlok hustoty, tlaku a teploty
Δρ , Δp , ΔT vo zvukovej vlne od pozaďového poľa (okolia) ρ , p , T .
Ďalším typom riešenia sú vnútorne gravitačné vlny. Zdrojom týchto vĺn sú vztlakové (archimedovské)
sily. Vyskytujú sa vnútri objemu tekutiny. Pre jednoduchosť si predstavme zjednodušený model
atmosféry, ktorý zachytí a popíše podstatu a chovanie sa týchto oscilácií. Nech v sledovanom objeme
vzduchu sa nachádza častica vzduchu, ktorá má inú teplotu ako okolitý objem vzduchu. Rýchlosť
termodynamickej výmeny medzi časticou a okolím je v tomto prípade pozvoľný. Predpokladáme, že
teplota a hustota sa na rozdiel od tlaku v častici s okolím vyrovnávajú.
Tieto predpoklady nám umožňujú vypočítať zrýchlenie častice. Veličiny predstavujúce okolie
m
F
označíme ρ a T . Zrýchlenie častice vypočítame zo vzťahu F =m. a , kde ρ= . Takže a= . Na
V
m
časticu pôsobia dve sily, tiažová a vztlaková sila. Výsledná sila F je teda rozdielom týchto dvoch síl,
F − F vz
T −T
keďže sily pôsobia proti sebe. a=− g
, kde T je teplota častice vzduchu.
=−g
m
T
Znamienko mínus súvisí s orientáciou osi z a smerom tiažového zrýchlenia. Zrýchlenie častice
R /cp
p
môžeme vyjadriť cez potenciálnu teplotu, θ=T o
,
p
 
dw
dz 2
θ −θ
.
= a=
= g
2
dt
θ
dt
(17)
Predstavme si, že častica vystupuje adiabaticky, v tomto prípade je potenciálna teplota
konzervatívnou charakteristikou daného procesu, θ=const . . Pri vychýlení častice o element δz sa ale
∂ θ
δz ... využili sme Taylorov rozvoj. Zoberúc lineárnu časť
zmení teplota okolia, θ  z δz = θ  z  
∂z
rozvoja a dosadením tohto výrazu do vzťahu pre zrýchlenie získavame vzťah:
2
d  δz  −g ∂ θ
= 
dz .
(18)
θ ∂z
dt 2
14
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
g ∂
θ
2
Daná rovnica (18) je rovnicou oscilátora s uhlovou frekvenciou N = 
. Frekvenciu nazývame
θ ∂z
Brunt- Väisäläová frekvencia. Riešenie tejto úlohy hľadáme v tvare δz= AeiNz  Be−iNt . Z riešenia
∂ θ
nám vyplýva, že pri stabilnom zvrstvení (
> 0) riešenie bude v tvare vlny a vzniknú harmonické
∂z
g ∂ θ
∂
θ
oscilácie s frekvenciou 
. Pri instabilnom zvrstvení (
< 0) výchylka časom zaniká
θ ∂z
∂z
a nedochádza k vlnovému pohybu. Riešenie je v tomto prípade v tvare exponenciálnej funkcie. Zo
získaných výsledkov je zrejmé, že vnútorné gravitačné vlny pozorujeme len pri stabilnom zvrstvení
a ich šírenie závisí od prostredia, v ktorom sa šíria. V praxi ich môžeme napr. pozorovať pri preprave
lietadlom, kedy sa prítomnosť týchto vĺn prejavuje trasením lietadla. Vtedy hovoríme aj o turbulencii,
v prípade dostatočne suchého vzduchu, kedy na hrebeňoch týchto vĺn nevzniká kondenzáciou
oblačnosť, hovoríme o turbulencii v bezoblačnom ovzduší CAT – (clear air turbulence).
Ďalším typom vlnenia, ktorý ma veľký význam pre vývoj počasia sú Rossbyho vlny. Pod pojmom
Rossbyho vlny rozumieme dlhé vlny v horizontálnej rovine, ktoré sú unášané v zonálnom prúdení. Sú
významnou súčasťou všeobecnej cirkulácie atmosféry. Tieto vlny priamo súvisia s prejavmi počasia.
Môžeme ich priamo stotožniť s existenciou tlakových útvarov. Pre popísanie týchto vĺn si
skonštruujeme jednoduchý barotrópny model (izoplochy stavových prvkov sa nepretínajú), v ktorom
bude prevládať zonálne prúdenie. Vzhľadom na rozmery procesov, budeme predpokladať platnosť
kvázi-geostorfickej rovnováhy a nestlačiteľnosť tekutiny. V tomto modeli stavové premenné
1
p , T , α= budú funkciou iba jednej stavovej premennej, keďže predpokladáme, že izolínie týchto
ρ
premenných sa nepretínajú (neexistujú solenoidy). Prúdenie bude teda horizontálne, nedivergentné,
bez interakcií so zvukovými a gravitačnými vlnami.
Základom pre náš model bude redukovaná rovnica absolútnej vorticity:
d
 ζ  f  =0 .
(19)
dt
∂v y
∂v x
, kde v x je horizontálna zložka prúdenia
∂x ∂ y
v smere osi x, v y je horizontálna zložka prúdenia v smere osi y a f je Coriolisov parameter definovaný
ako f =2 sin  , kde Ω je uhlová rýchlosť rotácie Zeme a φ je zemepisná šírka.
Nech U je zonálna referenčná rýchlosť prúdenia v smere osi x v štandardnom súradnicovom systéme,
budeme predpokladať konštantnosť tejto veličiny. Celkovú zonálnu rýchlosť zapíšeme ako
v x =U v 'x , kde v 'x je zložky rýchlosti vlnového pohybu v smere osi x. Obdobne definujeme y
'
zložku rýchlosti v y=v y , iba s tým rozdielom, že referenčná
meridionálna zložka je nulová.
Predstavme si, že našu časticu unášanú v zonálnom prúdení
vychýlime v smere y. Ak sa častica vychýli na sever, Coriolisov
parameter f
sa začne zväčšovať a relatívna vorticita
zmenšovať. V tejto časti trajektórie rastie anticyklonálne
zakrivenie. Tento fakt vyplýva z platnosti konzervatívnosti
absolútnej vorticity v našom modeli, viď rovnica (19). V bode,
kedy sa častica pohybuje smerom na juh, začína klesať
Coriolisov parameter a narastať relatívna vorticita. Tento
proces môžeme cyklicky opakovať. Výsledkom je oscilačný
pohyb častice vzduchu v horizontálnej rovine.
Obrázok 8.
Schematické znázornenie Rossbyho vĺn. Numerické modely
Relatívna vorticita ζ
je definovaná ζ =
−
Pri riešení rovníc (12) alebo (13) sa stretávame s matematickými obtiažami. Keďže nie sme schopní
daný systém rovníc riešiť analyticky, pristupujeme k numerickým riešeniam. Tento druh riešenia
prináša celý rad ďalších problémov. Vymenujme aspoň niektoré: stabilitu, konzistentnosť, nelineárnu
instabilitu. Pre riešenie tak komplikovaných systémov, ktoré majú zachytiť prepojenie interakcií
oceánskej a atmosférickej cirkulácie, zachytenie energetických tokov medzi povrchom a atmosférou,
15
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
tokov v rámci atmosféry, fázové prechody vody, krátkovlnnú a dlhovlnnú bilanciu žiarenia, turbulentné
premiešavanie, chemizmus atmosféry, vplyv slapových javov a mnoho ďalších procesov sa konštruujú
meteorologické alebo klimatologické modely. Pod meteorologickým modelom rozumieme model,
ktorý predpovedá počasie na obdobie niekoľkých dní. Klimatologický model rieši scenár vývoja klímy
na stáročia dopredu. Fyzikálny základ oboch modelov je rovnaký, ale vzhľadom na vytýčený cieľ
predpovede sa líšia v priestorovej a časovej škále simulácie prebiehajúcich procesov. Pri
klimatologických modeloch musíme napr. zahŕňať zmeny v zložení porastov, zmeny v koncentrácií
plynov v atmosfére. Pri meteorologických modelov si všímame fyzikálne procesy omnoho detailnejšie
a riešime napr. interakciu veľkosti morských vĺn a ich vplyv na rýchlosť prúdenia v hraničnej vrstve
atmosféry, viacej sa venuje tvorbe oblakov a pod.. Miera fyzikálnych zjednodušení závisí od
výpočtového výkonu. Preto sa konštruujú globálne modely, ktoré popisujú vývoj atmosféry na celej
Zemi v menej detailnejšej štruktúre. Tento nedostatok sa nahrádza lokálnymi modelmi (obr. 9 - 11),
ktoré sú vnorené do globálneho modelu, preberajú vstupné a okrajové podmienky a riešia vlastnosti
atmosféry omnoho detailnejšie ako globálne modely.
Výstupy z týchto modelov nám poskytujú informácie o vybraných prvkoch, ktoré popisujú budúci
stav atmosféry.
Obrázok 9.
Pole prúdnic deformovaných hrebeňom Malých Karpát.
Obrázok 10.
Pole horizontálnej zložky vetra kolmej na hrebeň
Malých Karpát.
Literatúra
Obrázok 11.
Priemerná ročná rýchlosť vetra na Slovensku modelovaná pomocou
lokálneho modelu prúdenia za obdobie 1970 až 1999.
16
Gera, M. a kol., 2011, Fyzika
hraničnej vrstvy atmosféry,
Knižničné a edičné centrum FMFI
UK, ISBN 978-80-89186-80-8,
Bratislava, 173 strán
Chromov, S. P., 1968, Meteorológia
a klimatológia. SAV, Bratislava,
456 strán, 157 obrázkov.
Konček, M. a kol. 1974, Klíma
Tatier, VEDA, Bratislava
Otruba, Ján, 1964:, Veterné pomery
na Slovensku. Vydavateľstvo
Slovenskej akadémie vied,
Bratislava, 284 strán
Petrovič, Š. (ed.) a kol., 1969,
Podnebí ČSSR. Souborná studie.
Hydro-meteorologický ústav,
Praha, 357 strán
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Coriolisova sila
Eva Vargová
Katedra teoretickej fyziky a astrofyziky, Prírodovedecká fakulta UPJŠ, Park Angelínum 9, 04154 Košice
Úvod
Je nesporným faktom, že o Zemi, jej štruktúre, vlastnostiach, o pôvode magnetického poľa a iných
vlastnostiach vieme žalostne málo – o Slnku toho vieme asi viac. Jednou zo „záhad“ vyskytujúcich sa
na Zemi (ale aj na iných rotujúcich) planétach je aj Coriolisova sila. Je to sila, ktorá spôsobuje rotáciu
vzdušných vírov, tak dobre známych z predpovedí počasia a aj iné, menej známe javy. O pôvode tejto
sily a jej účinkoch budeme hovoriť v nasledujúcich častiach.
Odkiaľ pochádza názov „Coriolisova sila“?
Už starovekí Gréci vedeli, že naše podnebie je ovplyvnené tým, ako sa Zem „nakláňa“ ku Slnku 1.
V tropických oblastiach slnečné lúče dopadajú prakticky kolmo na zemský povrch, preto je jeho
ohrievanie veľmi intenzívne. V polárnych oblastiach dopadajú slnečné lúče šikmo, sú oslabené dlhou
cestou cez atmosféru a ich energia sa rozloží na veľkej ploche. Takto vzniká veľký rozdiel v teplote
ekvatoriálnych a polárnych oblastí; keďže studený vzduch je hustejší ako teplý, v polárnych oblastiach
možno namerať relatívne vysoký a v tropických oblastiach relatívne nízky tlak vzduchu.
Keby sa zem netočila okolo svojej
osi, potom by na nej bolo veľmi
jednoduché
prúdenie
vzduchustudený vzduch by prúdil po
poludníkoch k rovníku pri povrchu
Zeme a vzduch, ohriaty na rovníku by
vo výške prúdil naspäť ku pólom (obr.
1).
Lenže
skutočné
prúdenie
vzdušných más na Zemi je oveľa
zložitejšie, čoho dôvodom je, okrem
vplyvu
iných
faktorov
(napr.
nerovnomerné rozloženie pevniny a
Obrázok 1.
mora), zemská rotácia. Rotácia
Keby sa naša Zem netočila (a považovali by sme ju za teleso s spôsobí zmenu smeru prúdenia
homogénnym povrchom), potom by nerovnomerné vzdušných más a namiesto severného
zohrievanie povrchu slnečným žiarením spôsobovalo prúdenia (na severnej pologuli) sa
jednoduchý kolobeh vzdušných más, schematicky zobrazený pozoruje v tropických oblastiach
na obrázku vľavo. Skutočnosť (na rotujúcej Zemi s prevládajúce východné a v miernom
homogénnym povrchom) je iná (obrázok vpravo).
pásme západné prúdenie.
Prvý seriózny výklad tohto javu
2
pochádza od Hadleyho z roku 1735. Poukázal na fakt, že obvodová rýchlosť rotácie bodov na
zemskom povrchu závisí od zemepisnej šírky, lebo body blízko rovníka sú ďalej od osi rotácie Zeme,
a teda ich obvodová rýchlosť je väčšia ako rýchlosť bodov v polárnych oblastiach, ktoré sú blízko osi
rotácie. Ak sa vzdušná masa pohybuje od pólu k rovníku, nesie so sebou menšiu rýchlosť a možno si to
predstaviť tak, že Zem sa pod touto masou „otočí“ smerom na východ, vzdušné masy teda zaostávajú
a nutne naberajú smer z východu na západ. Takto sa vytvárajú v tropickej oblasti (na severnej pologuli)
severovýchodné vetry - pasáty. Na 30-tej rovnobežke prejde každý bod na rotujúcej Zemi dráhu 403 m
za sekundu, ale na rovníku je rýchlosť rotácie 465 m/s. Keď sa vzdušná masa s rýchlosťou 403 m/s
dostane do pásma s rýchlosťou 465 m/s, teoreticky by mal vzniknúť vietor s obrovskou rýchlosťou 62
m/s.
Našťastie, trenie o zemský povrch zmierni rýchlosť vetra. Podľa Hadleyho , vzdušné masy, ktoré sa
ohriali v oblasti rovníka a vystúpili do výšky, sa v miernom pásme ochladia a v oblasti obratníkov
1 slovo klíma pochádza z gréckeho „klinein“ – ohýbať sa
2 John Hadley, anglický matematik a astronóm, vynálezca oktantu - predchodcu sextantu používaného pro mámornej
plavbe
17
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
klesnú ku zemskému povrchu. Keďže so sebou nesú väčšiu tangenciálnu rýchlosť získanú pri rotácii v
oblasti rovníka, odklonia sa na východ a to spôsobuje, že vo výške v tropickej oblasti sa pozorujú
prevládajúce (na severnej pologuli) juhozápadné vetry - antipasáty. Vystupujúci ochladený vzduch
klesá k povrchu v oblasti tzv subtropických tlakových výší. Táto oblasť je neslávne známa pri
bezmotorovej plavbe na mori, kedy uplynú aj týždne bez závanu vetra,. Pre plachetnice to znamenalo
zdržanie na otvorenom mori, hlad a následné ochorenie námorníkov na skorbut3.
Hadleyho vysvetlenie prúdenia vzduchu bolo bez výhrad prijímané až do polovice 19-ho storočia. Pri
dnešných vedomostiach majú tieto vysvetlenia veľké nedostatky - nevedia zdôvodniť napríklad fakt,
že rotujúca Zem ovplyvňuje nielen prúdenie pozdĺž poludníkov (meridionálne), ale aj pozdĺž
rovnobežiek (zonálne). Až Coriolis4 vysvetlil mechanické dôsledky zemskej rotácie na pohyb vzduchu
a v roku 1860 William Ferrel5 spresnil Hadleyho teóriu o globálnej cirkulácii vzduchu. Bolo
definitívne dokázané, že rotácia Zeme mení smer pohybu telies, pohybujúcich sa po jej povrchu a v
jeho blízkosti. Na severnej pologuli bol pozorovaný odklon od smeru pôvodného horizontálneho
prúdenia doprava, na južnej doľava. Sila , ktorá ovplyvňuje pohyb telies voči Zemi bola nazvaná
Coriolisovou. Veľkosť tejto sily je úmerná rýchlosti pohybujúceho sa telesa. Horizontálne zložky a
vertikálna zložka Coriolisovej sily sa menia so zemepisnou šírkou. Na póloch je Coriolisova sila v
horizontálnej rovine najväčšia, smerom k rovníku sa postupne zmenšuje a nakoniec na samotnom
rovníku Coriolisova sila horizontálny pohyb vzduchu (vietor) neovplyvňuje.
Pozrime sa teda, ako je na rotujúcej Zemi rozložený atmosférický tlak a ako sa v dôsledku spoločného
pôsobenia Coriolisovej sily, sily tlakového gradientu a trenia formuje pohyb vzdušných más na celej
Zemi. V polárnych oblastiach vzniká termicky oblasť vysokého tlaku a v rovníkovej oblasti zase
oblasť nízkeho tlaku vzduchu. V meridionálnom smere vidíme najväčšie rozdiely a zmeny tlaku
v miernom pásme – v oblasti polárneho frontu (rozhranie medzi pôvodom polárnymi a tropickými
vzdušnými hmotami), kde sa pozoruje silné západné prúdenie, ktoré nadobúda vo výške 10 – 15 km
obrovskú rýchlosť – sú to dýzové prúdenia, tzv. jet-streamy polárneho frontu. Poloha dýzového
prúdenia polárneho frontu často ovplyvňuje pri zemskom povrchu vytváranie frontálnych anticyklón
(vysoký tlak) alebo cyklón (nízky tlak), pričom tieto postupujú, často v sériách za sebou v oblasti
polárneho frontu na východ a spôsobujú premenlivé počasie mierneho pásma. Frontálne cyklóny
a anticyklóny sú zodpovedné za prenos energie z tropických do polárnych oblastí.
V polárnych oblastiach ako i okolo rovníka prevládajú východné vetry. Rovnomerné východné až
severovýchodné prúdenie vzduchu v tropickom pásme predstavuje pasáty. Moreplavci ich veľmi dobre
poznali a aj ich výdatne používali. Už Kolumbove krehké plachetnice hnali pasáty od Kanárskych
ostrovov do Nového sveta. Tieto vetry hrali dôležitú úlohu aj v medzinárodnom obchode (anglický
názov - trade winds). Odtiaľto pochádza aj meno pasát: z holandského passagie - prejsť. V rovníkovej
oblasti sa stretávajú východné pasáty severnej a južnej pologule, nastáva zbiehavosť - konvergencia
prúdenia. Zbiehavosť prúdenia spolu so súčasným masívnym zohrievaním zemského povrchu vedie
ku silným vzostupným prúdom vzduchu – k tzv. konvekcii, následne k vzniku mohutných búrkových
oblakov Cumulonimbus a k častým lejakom. Dôvodom je to, že stúpajúci horúci vzduch sa postupne
ochladí , vodná para v ňom kondenzuje a z nej sa vytvorí búrková oblačnosť. Oblasť tropickej
konvergencie prúdenia je často označovaná skratkou ITC6, alebo ITCZ.
Keby bola os rotácie Zeme kolmá na rovinu ekliptiky, potom by boli dni a noci vždy a všade rovnako
dlhé, počas roka by neboli zmeny v insolácii7 nikde na Zemi a v miernom pásme by sme nepoznali
pojem „ročné obdobie“. Rotačná os Zeme zviera cca 66,5o s rovinou ekliptiky, a teda pol roka je k
Slnku viac naklonená severná a pol roka južná pologuľa. Všetky zložky globálneho cirkulačného
systému tak počas roka menia svoju polohu. Práve tento posun cirkulačných systémov ovplyvňuje
ročný chod meteorologických prvkov jednotlivých oblastí. Aj intertropická oblasť zbiehavosti
prúdenia sa v letnom polroku posúva k pólu tzv. letnej pologule a opačne. Ak sa táto oblasť nachádza
mimo rovníka, kde je Coriolisova sila nenulová, vznikajú v nej niekedy podmienky pre vznik
tropických cyklón. V týchto tlakových útvaroch je možná aj rotácia opačná, ako v prípade frontálnych
cyklón mierneho pásma (obr. 2).
3 skorbut je – ako je známe , choroba spôsobená nedostatkom vitamínu C, môže byť aj smrteľná
4 Gaspard-Gustave de Coriolis: 1792 – 1843, francúzsky matematik a inžinier
5 Ferrel, William: 1817-1891, americký meteorológ
6 ITC: Internal Tropical Convergence
7 Insolácia – energia slnečného žiarenia dopadajúceho na povrch s plochou 1 m² za jednotku času
18
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Matematické odvodenie
Coriolisovej sily
Pri matematickom odvodení
Coriolisovej sily uvažujeme
rovnomerný pohyb vzduchovej
častice voči rotujúcej Zemi.
Chceme zistiť, aké sily pôsobia
na vzduchovú časticu, ktorá sa
rovnomerne
pohybuje
voči
rotujúcej Zemi. Pri odvodení
uvažujeme
nerotujúcu
Obrázok 2.
súradnicovú sústavu, ktorej stred
Tajfún Higos z roku 2002 (vľavo) a hurikán Catarina z roku 2004
je pevne spojený so stredom
(vpravo). Tieto tropické cyklóny majú opačnú rotáciu.
Zeme, osi x, y sú v rovine
rovníka a os z je v osi otáčania Zeme (inerciálna sústava). Rýchlosť vzduchovej častice pohybujúcej sa
voči Zemi va možno vyjadriť súčtom relatívnej rýchlosti voči rotujúcej Zemi vr a a rýchlosti,
ktorú by mala daná vzduchová častica, ak by bola so Zemou pevne spojená vZ : va =vZ  vr .
 , ktorého polohový
Obvodovú rýchlosť bodu na povrchu Zeme rotujúcej uhlovou rýchlosťou Ω
vektor, vzhľadom na stred absolútnej súradnicovej sústavy je r sa dá vyjadriť nasledovne:
 r . Potom platí:
vz= Ω×
 ×r  d r  , čo znamená, že zmena polohového vektora r v
 ×r  vr , alebo  d r  = Ω
va = Ω
dt a
dt r
absolútnej, inerciálnej, súradnicovej sústave je daná súčtom zmeny tohto vektora v relatívnej
súradnicovej sústave pohybujúcej sa voči nej a rýchlosti, ktorú má neinerciálna sústava voči
inerciálnej.
Zrýchlenie vzduchovej častice sa dá vyjadriť ako derivácia vektora rýchlosti va :
d v
d va
 va
 a  =
 Ω×
dt a
dt r
 ×r  vr za va sa dá dostať nasledovné vyjadrenie pre zrýchlenie
Dosadením do vzťahu va = Ω
vzduchovej častice v absolútnej súradnicovej sústave:
 r vr 
d va d  Ω×
 × Ω
 ×r vr  ,
=
Ω
dt
dt
čo na základe znalostí vlastností vektorového súčinu a za predpokladu konštantnej uhlovej rýchlosti
rotácie Zeme možno prepísať na tvar:
d va d vr  
 Ω2

 vr  .
=
Ω  Ω r r  Ω
Ω×
dt
dt
Pre zjednodušenie predchádzajúceho výrazu môžeme vyjadriť priemet polohového vektora r do
roviny kolmej na rotačnú os Zeme 
R=r cos φ a potom
R pomocou zemepisnej šírky φ ako 
dostávame:
d va d vr
 vr  .
=
Ω 2 
R2 Ω×
dt
dt
Zrýchlenie vzduchovej častice v absolútnej súradnicovej sústave možno vyjadriť ako súčet zrýchlenia
v relatívnej súradnicovej sústave pohybujúcej sa spolu s rotujúcou Zemou, odstredivého zrýchlenia
2
 vr  , z čoho vyplýva pre Coriolisovu silu pôsobiacu na
Ω 
R a Coriolisovho zrýchlenia 2  Ω×
 vr  . Coriolisova sila je kolmá na vektory Ω
 a vr . Keďže
časticu s hmotnosťou m: FC =2 m Ω×
uhlová rotačná rýchlosť Zeme smeruje na sever, z vlastností vektorového súčinu vyplýva, že na
severnej pologuli Coriolisova sila spôsobuje odklon horizontálneho prúdenia od pôvodného smeru
19
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
doprava, a na južnej pologuli doľava.
Zložky Coriolisovej sily možno v neinerciálnej súradnicovej sústave rotujúcej sa spolu so Zemou,
ktorej os x je orientovaná zonálne, os y meridionálne a os z vertikálne, vyjadriť nasledovne:
F Cx=2 m Ω v x sin φ , F Cy=2 m Ω v y sin φ , F Cz=2 m Ω v z cos φ .
Z tohto vyjadrenia vyplýva, že Coriolisova sila neovplyvňuje horizontálne prúdenie v oblasti rovníka,
kde je zemepisná šírka φ rovná 0. Naopak, nad rovníkom Coriolisova sila najviac ovplyvňuje pohyb vo
vertikálnom smere. Nad pólmi Coriolisova neovplyvňuje pohyb vo vertikálnom smere, ale pôsobí na
vzduch prúdiaci v horizontálnej rovine.
Prejavy Coriolisovej sily
Pôsobením Coriolisovej sily možno objasniť mnohé zaujímavé javy na Zemi. Spomeňme len niektoré:
Položme si otázku: Padá teleso prísne po vertikále? Odpoveď znie – nie celkom. Prísne po vertikále
padajú iba telesá na póloch! Tam sa smer rotačnej osi Zeme a smer vektora rýchlosti pohybu
padajúceho telesa zhodujú, a preto tam Coriolisova a sila nepôsobí. Iná je situácia pri vertikálnych
pohyboch vzduchu v oblasti rovníka – tu zvierajú vektory rotačnej uhlovej rýchlosti Zeme a rýchlosti
telesa pohybujúceho sa vo vertikálnom smere pravý uhol. Voľne padajúce teleso sa na severnej
pologuli odkloní od vertikálneho smeru na východ. Veľkosť odklonu na východ je maximálna na
rovníku a klesá na nulu v oblasti severného pólu.
Pokus Foucaultovým kyvadlom dokazuje to, že Zem sa točí. Najznámejšie Foucaultovo kyvadlo je 90
kg ťažká pozlátená guľa s priemerom 30 cm zavesená na 23 m dlhom oceľovom drôte. Je upevnené na
strope Pantheónu v Paríži. Koniec kyvadla kreslí na horizontálnu rovinu stopu (trajektóriu pohybu),
ktorá má tvar tzv. „rozetky“. To, že kyvadlo nekmitá v jednej rovine, spôsobuje Coriolisova sila.
Coriolisova sila je kolmá na os rotácie Zeme a kolmá je i na vektor rýchlosti kyvadla. Inak povediac,
Coriolisova sila je kolmá na rovinu kyvu kyvadla a bude túto rovinu bez prestania otáčať. Kyvadlo,
ktoré sa kolíše na zemepisných póloch, zachováva rovinu kyvu. Mimozemský pozorovateľ by tento jav
nevysvetlil pomocou Coriolisovej sily, ale tým, že Zemský povrch pod kyvadlom sa hýbe a v rovnakej
fáze sa kyvadlo nachádza vždy nad iným miestom povrchu pod kyvadlom.
S Coriolisovou silou musí počítať delostrelectvo. Delo „Berta“, s ktorým Nemci obliehali v čase
prvej svetovej vojny Paríž sa nachádzalo asi 110 km od cieľa. Odchýlka delovej gule od pôvodného
smeru spôsobená Coriolisovou silou bola v tomto prípade 1600 metrov. Pri zanedbaní Coriolisovej sily
je to už poriadne minutie cieľa.
Okrem delostrelectva a aviatiky musia počítať s Coriolisovou silou aj iné odvetvia. Napríklad
železničiari. V dôsledku pôsobenia Coriolisovej sily sa jedna koľajnica odiera podstatne viac ako
druhá (ktorá koľajnica sa opotrebuje viac, zavisí od toho, na ktorej zemskej pologuli sa nachádzame).
Od tohto trápenia sú ušetrení iba železničiari v rovníkových krajinách.
Podmývanie pravých brehov riek na severnej pologuli má na svedomí taktiež Coriolisova sila. Je
zaujímavé, že odklon smeru toku riek je tiež ovplyvnený Coriolisovou silou. Rieky na severnej
pologuli spravidla obchádzajú prekážky z pravej strany.
Jedným z dôsledkov pôsobenia Coriolisovej sily je to, že vietor nefúka priamo z tlakovej výše do
tlakovej níže kolmo na izobary, ale pozdĺž izobár a to tak, že pozorovateľ, ktorý sa na severnej
pologuli otočí chrbtom k vetru, má oblasť nízkeho tlaku vzduchu po ľavej ruke. Okolo tlakových níží
sa vzduch krúti na severnej pologuli proti smeru chodu hodinových ručičiek, na južnej naopak. Aj
pasáty sa nezbiehajú do intertropickej oblasti zbiehavosti prúdenia ako severné (na severnej pologuli) a
južné prúdenie (na južnej pologuli), ale ako severovýchodné (na severnej pologuli) a juhovýchodné (na
južnej pologuli) vetry. Ako už bolo spomenuté v úvode, Coriolisova sila výraznou mierou ovplyvňuje
cirkuláciu vzduchu a rozloženie a charakter cirkulačných systémov na Zemi.
Literatúra
Hajko, V., Daniel Szabó: Základy Fyziky. VEDA, Bratislava, 1980.
Baker, R.H.: Astronomy. D.Van Nostrand Company, Princeton, 1955
Koppány, Gy.: Az idöjárás hosszútávú elörejelzése. Magvetö Kiadó Budapest, 1984.
Landau, L.D.: Fizičeskije tela, Nauka Moskva, 1984.
Probáld F.: Változik-e éghajlatunk? Gondolat Budapest, 1981.
20
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Predpoveď počasia, synoptické objekty a počasie s nimi spojené
Stanislav Racko
Český hydrometeorologický ústav Praha, [email protected]
Úvod
Predpovedanie počasia je pre verejnosť nesporne najznámejšou činnosťou meteorológov.
Predpovedanie prírodných úkazov, vrátane atmosférických, bolo spočiatku doménou astrológov, a teda
vzniklo ešte skôr ako samotná veda – meteorológia. Až po vynájdení fyzikálnych prístrojov,
merajúcich meteorologické veličiny (najmä teplotu a tlak vzduchu) a s rozvojom fyzikálnej teórie,
najmä termodynamiky, mohla vniknúť meteorológia taká, ako ju poznáme dnes. V súčasnosti je
predpovedanie počasia primárne založené na využívaní výsledkov numerických výpočtov, ktoré na
princípe modelovania atmosférických procesov spracovávajú výkonné počítače.
Stručný prierez históriou predpovede počasia
Nie je jasné, kedy sa človek pokúsil prvýkrát predpovedať počasie. Môžeme sa len domnievať, že
prvé snahy súviseli so začiatkami vývoja poľnohospodárstva v dejinnom vývoji ľudstva. Z toho sa dá
predpokladať, že prvé predpovedanie súviselo so vzťahmi medzi správaním sa flóry a fauny
a nasledujúcim počasím, príp. sledovanie rôznych prírodných úkazov (napr. kruh okolo Mesiaca, farby
oblakov a oblohy pri východe a západe Slnka, a pod.) ako prejav blížiacej sa zmeny počasia, čo dnes
nazývame „predpoveďou počasia podľa miestnych príznakov“.
Celú históriu predpovedania počasia môžeme zjednodušene rozdeliť do dvoch základných časových
úsekov. Prvou etapou je prehistória meteorologických predpovedí, kedy sa robili predpovede na
základe pozorovania prírodných úkazov a druhou je etapa moderných meteorologických predpovedí,
ktorú ešte môžeme rozdeliť na dve menšie časové obdobia (prvé obdobie sa začína používaním
synoptickej metódy zavedenej R. Fitz-Royom, ktorú prepracovali V. Bjerknes a jeho spolupracovníci,
druhé obdobie sa začína používaním numerických výpočtov).
Počiatky moderných meteorologických predpovedí súvisia s poveternostnými udalosťami, ktoré mali
vplyv na vojenské operácie. Následky „Balaklavskej víchrice“ v novembri 1854 (Munzar, 1990) neboli
len negatívne pre britské a francúzske námorníctva, ktoré utrpelo nesmierne straty v Čiernom mori, ale
aj pozitívne pre rozvoj synoptickej meteorológie . Dospelo sa k poznaniu, že používaním
telegrafického prenosu správ o počasí by bolo možné výrazné zmeny počasia predpovedať a tieto
predpovede využiť pri plánovaní vojenských operácií. Ďalšou udalosťou, ktorá mala neskôr vplyv na
rozvoj synoptickej metódy predpovedania počasia, bolo stroskotanie parníku Royal Charter (Munzar,
1990) na pobreží Walesu v októbri 1859, kedy zahynulo asi 400 cestujúcich. Vyšetriť meteorologickú
príčinu nešťastia a preskúmať možnosť jeho predpovedania dostal za úlohu kontraadmirál britského
vojenského námorníctva Robert Fitzroy, ktorý neskôr dostal prezývku „krstný otec“ synoptickej mapy.
Nielenže odhalil možnosti predpovedania pomocou máp, ktoré nazval „synoptické“, ale zaviedol
v Anglicku od roku 1861 aj pravidelné vydávanie predpovedí počasia a výstrahy na víchrice „storm
warning“. Aj ďalšie tragické udalosti, príčinou ktorých bolo počasie, uviedli do pohybu záujem o
predpovedanie v meteorológii. Technické možnosti, najmä vďaka rozvoju telegrafu, druhej polovice
19. st. tieto plány postupne umožňovali. S rozvojom techniky sa vyvíjali aj teoretické základy
meteorológie. Pre synoptickú meteorológiu mali veľký význam poznatky zavedené v 20-tych rokoch
20. stor. tzv. „nórskou školou“ pod vedením. V. Bjerknesa. Zaviedol sa pojem „atmosférický front“ ako
rozhranie medzi vzduchovými hmotami a odvtedy majú prízemné synoptické mapy až dodnes takmer
nezmenenú podobu.
Pre vývoj v predpovedaní počasia malo zásadný význam zavedenie numerických predpovedných
metód. V roku 1922 sa pokúsil o numerickú predpoveď stavu atmosféry anglický matematik a fyzik L.
F. Richardson. Jeho pokus skončil neúspechom, ale myšlienky, na ktorých stál tento pokus, sa stali
základom pre neskorší vývoj numerických predpovedí počasia. Až v roku 1950 sa podarilo zmeniť sen
na skutočnosť. Maďarský matematik, žijúci v USA, J. von Neumann s kolegami skonštruoval počítač
ENIAC, na ktorom s J. Charneym a ďalšími vedcami vyskúšali predpovedať stav atmosféry na 24
hodín dopredu. Výpočet trval celý mesiac, ale výsledky boli tak uspokojivé, že tento rok sa považuje
21
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
za začiatok numerických predpovedí počasia. V roku 1955 bola rýchlosť výpočtov už na takej úrovni,
ktorá v USA umožňovala numerické predpovede používať v každodennej praxi (Krška a Šamaj, 2001).
Spočiatku boli počítané len základné polia meteorologických veličín ako sú tlak a teplota vzduchu pri
zemi a v štandardných výškových hladinách. Rozvojom numerických metód sa postupne začali
používať predpovede veličín, ktoré sú súčasťou všeobecných predpovedí počasia, ako sú množstvo
oblačnosti a zrážok, minimálna a maximálna teplota vzduchu, smer a rýchlosť vetra. Vývoj
numerického predpovedania sa prejavuje nielen v zlepšovaní presnosti výpočtov, ale aj v zahusťovaní
výpočtovej siete (lokálne upresňovanie predpovedí) a v predlžovaní predpovedaného obdobia.
Krátka úvaha o možnosti predpovedať budúci stav atmosféry
Skutočnosť, že je možné predpovedať počasie s určitou presnosťou aspoň na obmedzene krátku dobu
dopredu, je dnes nediskutovateľná. Poznámky typu „meteorológovia aj tak nič nevedia“ sú založené na
momentálne nepriaznivej emocionálnej situácii niektorých ľudí, ktorým počasie skazilo plány,
prípadne im spôsobilo materiálne alebo iné škody. Presvedčiť sa o tom, že predpovedanie počasia
prináša aspoň na krátku dobu dopredu oveľa lepšie výsledky ako predpovedanie počasia náhodným
procesom, nie je vôbec problematické, takže aj úprimní skeptici by v tomto smere museli ustúpiť pred
štatistikou.
Atmosféra má povahu deterministického chaosu, z čoho pri predpovedaní vyplývajú určité,
prírodnými zákonmi dané obmedzenia, podobne ako v teoretickej fyzike existuje pravidlo známe ako
Heisenbergov princíp neurčitosti. O týchto obmedzeniach je možné sa bližšie dočítať v článku Raidla
(1997). Na tomto mieste uvedieme na ilustráciu názor prof. J. Bednářa (2001) ktorý sa snažil v jednej
vete načrtnúť problém predpovedateľnosti počasia: „Jsem si plně vědom, že konečná interpretace
všech matematicky formulovatelných diagnostických a prognostických veličin může být do značné
míry počítačově objektivizována a že výsledky vlastních numerických prognostických modelů lze
s úspěchem podrobit automatizovanému „postprocessingu“ pomocí statistických modelů či vhodných
objektivně fungujících expertních systémů, přičemž je ovšem nutno počítat s objektivně existujícím, a
tedy principiálně nepřekonatelným omezením prediktability deterministického typu v důsledku
nelineárního charakteru dynamického systému zemské atmosféry.“
Synoptické objekty a počasie s nimi súvisiace
Opis všetkých typov počasia, ktoré sa môžu vyskytnúť v jednotlivých tlakových útvaroch a v oblasti
atmosférických frontov by zabralo objemnú publikáciu. Pre stručnosť sa budeme venovať len
základným typom počasia, ktoré sú pre dané prípady charakteristické. Také ich môžeme nájsť aj
v základných učebniciach meteorológie alebo v populárno-náučných
knihách.
V nasledujúcich kapitolách budeme
väčšinou používať termíny anticyklóna
(synonymum termínu „tlaková výš“)
a cyklóna
(synonymum
termínu
„tlaková níž“).
Medzi najdôležitejšie činitele, ktoré
pôsobia na vývoj a premiestňovanie sa
cyklón a anticyklón môžeme zaradiť:
advekciu teploty, stabilitu vzduchových hmôt, vlnové pohyby veľkej
mierky, nestacionárnosť atmosféricObrázok 1.
kých pohybov a divergenciu hybnosti,
Predná strana anticyklóny (c), anticyklóna (b) a tyl anticyklóny (a) pôsobenie vírivej zložky prúdenia,
na synoptickej mape.
vplyv
prízemnej
vrstvy trenia,
Coriolisovu silu a vplyv orografie. Tieto faktory pôsobia spoločne, niekedy prevláda vplyv jedných
faktorov, inokedy ďalších. Väčšinu teórií vzniku a vývoja cyklón a anticyklón spája zdôrazňovanie
významu baroklinity atmosféry a prítomnosť veľkých horizontálnych gradientov teploty vzduchu
(Kopáček a Bednář, 2005). V dôsledku spolupôsobenia všetkých uvedených činiteľov dochádza
22
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
k nekonečnej variabilite prejavov atmosférických procesov, tak v oblasti atmosférických frontov, tak aj
mimo nich.
Počasie v oblasti anticyklón
Predstava počasia v anticyklóne je vo verejnosti spojená s ustáleným slnečným počasím. Táto
zjednodušená predstava platí len pre prípady letných, vertikálne vyvinutých anticyklón. V zimných
anticyklónach prevláda často inverzný charakter počasia s nízkou oblačnosťou a hmlami, najmä
v centrálnej a zadnej (teplej) časti anticyklóny. V prednej časti anticyklón sa vyskytuje prevažne
chladné prúdenie a počasie má premenlivejší charakter (obr. 1). V prípadoch, kedy anticyklóna nie je
vertikálne vyvinutá a je možné ju zobraziť len na prízemných synoptických mapách, sa môže vo
vyšších vrstvách troposféry vyskytovať tlaková níž alebo brázda nízkeho tlaku vzduchu, ktoré potom
určuje prevládajúci charakter počasia. Tlakové výše môžeme rozdeliť: a) na teplé, studené a teplotne
asymetrické; b) na putujúce a stacionárne. Teplé (troposférické) anticyklóny sa vyskytujú
predovšetkým v subtropickom pásme a studené anticyklóny v zimnom období nad pevninou. Teplotne
asymetrické anticyklóny sú väčšinou putujúce, vertikálne vyvinuté tlakové útvary, ktoré súvisia
s cyklonálnou činnosťou v miernych zemepisných šírkach. O sezónnych a celoročných tlakových
útvaroch (tzv. akčných centrách atmosféry) sa píše v príspevku „Globálne rozloženie tlaku vzduchu,
všeobecná cirkulácia atmosféry“.
Predná strana anticyklóny je u nás spojená s prevažne severným až severozápadným prúdením.
V závislosti od ročného obdobia, teplotného zvrstvenia a vlhkosti vzduchu sa môžu vyskytovať aj
prehánky, ojedinele aj intenzívne, najmä v prípadoch výraznej studenej advekcie. Ak je anticyklóna
teplá (je vyjadrená aj vo vyšších vrstvách troposféry), vyskytuje sa málooblačné, niekedy aj pomerne
ustálené počasie. Centrálna časť anticyklóny má prevládajúce zostupné pohyby vzduchu, následkom
čoho sa zvrstvenie ovzdušia stabilizuje, prevláda jasné alebo polojasné počasie. V chladnom polroku
sa v centrálnych častiach anticyklón vyskytujú teplotné inverzie, následkom čoho môže prevládať
zamračené počasie s nízkou oblačnosťou, hmlami, príp. aj s výskytom mrholenia alebo v zime slabého
sneženia. Na zadnej strane anticyklóny prevláda teplé prúdenie, prevažne vo vyšších vrstvách
ovzdušia, čo má v zimnom období za následok podobné počasie ako v centrálnej časti anticyklóny
a v letnom období výrazne teplé počasie. Dlhodobejší prílev teplého vzduchu na zadnej strane
anticyklóny môže viesť v letnom polroku k výskytu extrémne teplého počasia.
Počasie v anticyklónach môže byť v závislosti od konkrétnej geografickej polohy veľmi rozmanité.
Škandinávske anticyklóny alebo tie, ktorých stred sa udržuje nad severovýchodnou Európou,
spôsobujú v zime v našej oblasti neraz veľmi studené počasie. Naopak, anticyklóny, ktoré putujú
z oblasti Azorských ostrovov na východ - nad stredomorskú oblasť, príp. až nad Balkán a Čierne more,
k nám prinášajú obvykle teplé počasie, v prípadoch prílevu tropického vzduchu na ich zadných
stranách, aj extrémne vysoké teploty.
Počasie v oblasti cyklón
Tlakové níže - cyklóny, vznikajú na
rozhraniach vzduchových hmôt, ktoré
nazývame
atmosférickými
frontami.
Začiatky teórie vzniku cyklón siahajú do 19.
stor., ale konzistentnú teóriu vybudovali až
v 20-tych rokoch 20. stor. (tzv. „nórska
škola“ v synoptickej meteorológii). Popísať
vznik a vývoj frontálnych cyklón s ich
rozmanitými prejavmi je nad rámec tohto
príspevku. Podrobnejšie vysvetlenia podáva
Zverev (1985). Sústredíme sa len na
základnú schému frontálnej cyklóny spojenú
s jednou frontálnou vlnou. Frontálna vlna
predstavuje počiatočnú fázu života tlakovej
Obrázok 2.
níže. Predná strana mladej cyklóny je
Predná strana cyklóny (c), teplý sektor frontálnej cyklóny (a)
spojená s teplou advekciou a na prízemnej
a tyl cyklóny (b) na synoptickej mape.
synoptickej mape môžeme nájsť teplý front,
ktorý oddeľuje chladný vzduch od aktívnejšieho teplého, ktorý prúdi za teplým frontom. Na zadnej
strane (v tylovej časti) cyklóny prúdi chladný vzduch na čele so studeným frontom, ktorý uzatvára
23
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
teplý sektor mladej cyklóny. V zrelom štádiu dochádza k okludovaniu frontálneho systému a vzniku
oklúzneho frontu.
Počasie súvisiace s tlakovou nížou môže byť veľmi rozmanité. Schematicky je možné typickú mladú
cyklónu rozdeliť na tri zóny: 1. predná a stredná časť studeného sektoru, 2. tylová časť studeného
sektoru, 3. teplý sektor (obr. 2). V prvej zóne je počasie ovplyvňované najmä teplým frontom na
prednej strane cyklóny, druhá zóna má počasie veľmi závislé na rýchlosti anticyklonalizácie tlakového
poľa a stabilite studenej vzduchovej hmoty a počasie teplého sektoru je zase veľmi závislé od ročnej
doby, blízkosti stredu cyklóny a rýchlosti prúdenia.
Počasie, typické pre „štandardné“ teplé, studené a oklúzne fronty, ktoré súvisia s cyklónami, si
popíšeme v nasledujúcich častiach.
Počasie teplého frontu
Teplý front (obr. 3) oddeľuje studený
vzduch od aktívnejšieho teplého, ktorý po
sklonenej frontálnej ploche vystupuje nad
klin studeného vzduchu. Vertikálne rýchlosti
vystupujúceho
teplého
vzduchu
sú
v priemere dosť malé (rádovo cm/s), a preto
sa pred teplým frontom vyskytuje typická
vrstevnatá oblačnosť. Oblačnosť teplého
frontu zasahuje stovky km pred prízemnú
čiaru frontu. Pred príchodom teplého frontu
sa ako prvé objavujú vysoké oblaky druhu Ci
a Cc, postupne aj Cs, ktorý potom prechádza
Obrázok 3.
do hustnúcej oblačnosti As. Z As už
Schematické znázornenie teplého frontu.
obyčajne vypadávajú zrážky, ktoré v letnom
období niekedy ani nedosahujú zemský povrch. Po As nastupuje vertikálne mohutná vrstva oblakov
Ns, z ktorých vypadávajú zrážky niekedy viac, inokedy menej súvislé. Všeobecne sú zrážky pred
teplým frontom v chladnom polroku výdatnejšie ako v teplom polroku. Zrážky teplého frontu sú v
priemere intenzívnejšie v blízkosti stredu cyklóny. Vietor spočiatku juhovýchodný sa po prechode
frontu stáča na južný až juhozápadný. Tlak vzduchu pred frontom klesá, za frontom stúpa alebo je
ustálený. Tendencie tlaku vzduchu sú veľmi závislé na celkovom vývoji cyklóny, ktorá s týmto teplým
frontom súvisí. V prípadoch prehlbovania sa cyklóny môže tlak vzduchu klesať aj po prechode frontu,
ale už miernejšie. Naopak, v prípadoch vypĺňajúcej sa cyklóny môže tlak vzduchu pred frontom
stúpať, avšak po prechode frontu stúpa ešte viac.
Počasie studeného frontu
Obrázok 4.
Schematické znázornenie studeného frontu – vľavo pomaly postupujúceho, vpravo rýchlo postupujúceho.
Studený front (obr. 4) postupuje rýchlejšie ako teplý front. Studený vzduch je hustejší ako teplý, preto
pri svojom prenikaní podteká pod teplý vzduch, ktorý je nútený vystupovať pozdĺž frontálnej plochy
nahor. Vertikálne rýchlosti vystupujúceho teplého vzduchu sú rádovo m/s, pri veľmi výrazných
frontoch na čele studeného frontu aj desiatky m/s. Oblačnosť studeného frontu nie je tak súvislá
a kompaktná ako oblačnosť teplého frontu, tvoria ju prevažne konvektívne oblaky druhu Cu a Cb.
Rozoznávame studené fronty prvého druhu a studené fronty druhého druhu. V prvom prípade je
24
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
frontálna oblačnosť plošne rozsiahlejšia a po oblakoch druhu Cu a Cb nasleduje po prechode
studeného frontu ešte sled oblačnosti opačný ako pri postupne teplého frontu, teda Ns – As – Cs.
Studený front prvého druhu sa vyskytuje najmä v blízkosti stredu cyklón. Ďalej od stredu cyklón sa
vyskytuje častejšie studený front druhého druhu, ktorý je typický užším pásmom prevažne
konvektívnej oblačnosti. Zrážky na studených frontoch majú zväčš charakteru prehánok a najmä
v letnom období môžu byť veľmi intenzívne. Za studeným frontom dochádza k výraznému
zlepšovaniu dohľadnosti, pri vyvinutejších cyklónach aj k zosilneniu vetra. Smer vetra sa mení
z južného až juhozápadného pred frontom na západný až severozápadný za frontom. Tlak vzduchu
pred studeným frontom obvykle klesá a za frontom stúpa, ale podobne ako je to v oblasti teplého
frontu, aj tu závisia tendencie tlaku vzduchu od štádia vývoja cyklóny. V prípadoch vyplňujúcej sa
cyklóny môže tlak vzduchu stúpať aj pred frontom, ale v tom prípade stúpa za frontom výraznejšie.
V prípadoch prehlbujúcej sa cyklóny tlak vzduchu klesá aj pred aj za studeným frontom, ale pred
frontom je pokles väčší.
Počasie oklúzneho frontu
Obrázok 5.
Schematické znázornenie oklúzneho frontu – vľavo studenej oklúzie a vpravo teplej.
Oklúzny front vznikne, ak rýchlejšie postupujúci studený front dobehne teplý front. Teplý vzduch,
ktorý bol v teplom sektore cyklóny, býva vytlačovaný do vyšších vrstiev troposféry, takže po prechode
oklúzneho frontu býva „starý“ studený vzduch nahradený „novým“ studeným vzduchom. V závislosti
na tom, či „nový“ studený vzduch je teplejší alebo chladnejší ako „starý“, rozlišujeme teplé a studené
oklúzne fronty (slangovo „teplá oklúzia“ a „studená oklúzia“). Po prechode teplého oklúzneho frontu
(častejší výskyt v zime ako v lete) sa oteplí, pričom oblačnosť a zrážky majú charakter bližší
oblačnosti a zrážkam teplého frontu. Pri prechode studeného oklúzneho frontu (častejší výskyt v lete
ako v zime) častejšie sa vyskytuje oblačnosť a zrážky charakteristické pre prechod studeného frontu.
V závislosti od ročnej doby, vyvinutosti cyklóny súvisiacej s oklúznym frontom, od zvrstvenia
vzduchových hmôt pred a za frontom môžeme v oblasti oklúzneho frontu pozorovať prakticky všetky
možné prejavy počasia. Vietor sa, podobne ako pri prechodoch teplého a studeného frontu, stáča
doprava a tendencie tlaku vzduchu sú viac závislé od štádia vývoja cyklóny - prevládajú vzostupy
tlaku vzduchu ako dôsledok vyplňovania sa cyklóny.
Ďalšie synoptické objekty
S tlakovými výšami, tlakovými nížami, brázdami nízkeho alebo hrebeňmi vysokého tlaku vzduchu,
s atmosférickým frontami alebo vzduchovými hmotami sa široká verejnosť môže stretnúť každodenne
prostredníctvom vysielania meteorologických informácií v masmédiách, a to najmä v televízii.
Existujú však ďalšie synoptické objekty, ktoré boli identifikované až na základe rozvoja pozorovacích
metód a najmä vďaka využívaniu informácií, ktoré poskytujú meteorologické rádiolokátory
a meteorologické družice. Meteorológovia sa postupne dostávali do problémov interpretovať všetky
prejavy počasia klasickými spôsobmi synoptickej analýzy, čo sa postupne ukázalo ako neudržateľné.
Ako typický príklad je možno uviesť objavenie čiar instability. Pred studenými frontami sa niekedy za
istých podmienok tvoria pásy vyvinutej konvektívnej oblačnosti, následne v sprievode prehánok alebo
búrok, neraz veľmi intenzívnych. Na základe prejavov počasia boli tieto pásy pri analýze synoptických
máp omylom zaradené medzi studené fronty. Až používaním podrobnejších rozborov s použitím
radarových a družicových údajov bolo zistené, že sa tieto prehánky a búrky tvoria ešte pred studenými
frontami v teplom vzduchu. Meteorológovia ich nazvali čiarami instability (instability line), niekedy aj
čiarami húľav (squall line) – obrázok 6. Existujú aj ďalšie synoptické objekty, ktoré boli meteorológmi
25
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
objavené, ale pri kreslení klasických prízemných synoptických máp sa nepoužívajú, sú to napríklad
mezosynoptické konvektívne systémy, teplé prenosové pásy a pod.
Synoptická a numerická metóda predpovede počasia
V druhej časti tohto príspevku sú uvedené dva časové úseky moderných meteorologických
predpovedí: prvé obdobie môžeme zjednodušene nazvať obdobím synoptickým a druhé obdobie
numerickým. Ani jedno obdobie nie je možné ohraničiť jedným konkrétnym rokom alebo jednou
udalosťou, pretože historický vývoj je viac-menej kontinuálny (aj keď je možné vysledovať „zlomové
udalosti“).
V hrubom priblížení môžeme za začiatok obdobia synoptickej metódy považovať druhú polovicu 19.
stor. (R. FitzRoy) a koniec v závere 20. stor., kedy bola synoptická metóda postupne vytlačená
numerickou metódou.
Synoptická predpovedná metóda je založená na analýze synoptických máp s intervalom obyčajne 6
hodín s použitím štatistických a empirických metód. Hlavný
dôraz bol kladený na skúsenosť meteorológa - prognostika,
ktorý pri predpovedaní musel použiť svoje poznatky o dejoch
v atmosfére (teória) a skúsenosti, ktorú nadobúdal
v predpovednej službe (prax). Z tohto dôvodu bol skúsený
synoptik nenahraditeľný. Použitie empirických pravidiel spolu
s poznatkami dynamickej klimatológie viedlo ku krátkodobým
predpovediam s presnosťou zodpovedajúcou možnostiam
danej doby.
Numerická metóda predpovede počasia je založená na časovej
integrácii prognostických rovníc fyzikálneho modelu
atmosféry, tvorená na počítačoch metódami numerickej
matematiky. Základom modelu je sústava rovníc z oblasti
Obrázok 6.
termodynamiky a hydrodynamiky (pohybové rovnice, prvá
Oblačnosť studeného frontu (SF) a čiara
hlavná veta termodynamická, rovnica kontinuity, stavová
instability (ČI) na radarovej snímke červené
odtiene
predstavujú rovnica ideálneho plynu a rovnica bilancie vodnej pary).
intenzívnejšie zrážky ako zelené a Vďaka vývoju numerických metód a rýchlym zlepšovaním
výkonnosti počítačov bolo možné postupne uviesť do
modré.
prevádzky také výsledky numerických predpovedí, ktoré je
v súčasnosti možné priamo aplikovať bez zásahu človeka. Keďže existuje viacero numerických
modelov, ktoré denne v intervale 6 alebo 12 hodín produkujú stále nové výsledky výpočtov a je možné
ich vzájomne porovnávať a vziať do úvahy aj ich časovú konzistentnosť (či sa výsledky výpočtov po
čase veľmi menia), je stále úloha meteorológa – synoptika nezastupiteľná v rozhodovacom procese pri
tvorbe predpovedí obzvlášť za poveternostných situácií, ktoré vedú k výskytu extrémnych prejavov
počasia (povodne, víchrice a pod.).
Literatúra
Kopáček, J. , Bednář, J., 2005. Jak vzniká počasí. Karolinum, Praha. 228 s.
Krška, K. , Šamaj, F., 2001. Dějiny meteorologie v českých zemích a na Slovensku. Karolinum, Praha. 568 s.
Meteorologický slovník výkladový a terminologický, 1993. Academia a Ministerstvo životního prostředí, Praha. 594 s.
Munzar, J. a kol., 1989. Malý průvodce meteorologií. Mladá fronta, Praha. 248 s.
Munzar, J. Pejml, K. Krška, K., 1990. Meteorologie skoro detektivní. Horizont, Praha. 288 s.
Raidl, A., 1997. K problému předpověditelnosti počasí. Meteorol. zprávy, roč. 50, č. 3, s. 77-81.
Bednář J. v článku Synoptická meteorológia a predpovedanie počasia v blízkej budúcnosti (odpovede meteorológov
v rámci ankety), 2001. Meteorologické zprávy, roč. 54, č. 2, s. 33 - 36.
Zverev, A. S., 1986. Synoptická meteorológia. Alfa, Bratislava. 712 s.
26
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Vertikálne pohyby vzduchu
Miroslav Chmelík
Slovenský hydrometeorologický ústav, Aerologické a radiačné centrum Gánovce,,
[email protected]
Úvod
Vietor je vektor, ktorý v určitom čase a mieste atmosféry popisuje pohyb častice vzduchu. V praxi sa
ako vietor označuje len jeho horizontálna zložka, ktorá vzniká hlavne pôsobením horizontálnej zložky
sily barického gradientu a Coriolisovej sily a ktorá je ovplyvňovaná silou trenia a odstredivou silou. V
reálnych podmienkach ako dôsledok turbulencie, pohybu vzduchu v cirkulačných a frontálnych
systémoch, pôsobenia Archimedovej sily, vlnových pohybov a obtekania prekážok nadobúda pohyb
vzduchovej častice určitú vertikálnu zložku. Vertikálne pohyby v meteorológii označujeme obyčajne
súhrnným názvom konvekcia. S pojmom konvekcia sa však častejšie stretávame iba v súvislosti s
termickou konvekciou, ktorá vzniká pôsobením Archimedovej sily v nehomogénnom teplotnom poli.
V tomto príspevku budeme konvekciou rozumieť termickú konvekciu.
Vertikálne pohyby vzduchu majú v atmosfére veľký význam bez ohľadu na to, či ide o pomalé
pohyby na frontálnych plochách alebo rozvinutú konvekciu v búrkových oblakoch.
Ak sa častice pohybujú smerom nahor hovoríme o výstupných pohyboch vzduchu. Patria medzi ne:
a) pohyby vznikajúce následkom konvekcie, b) pohyby pri obtekaní orografických prekážok na
náveternej strane, c) dynamicky podmienené pohyby v oblasti nízkeho tlaku vzduchu, d) kĺzavé
pohyby teplého vzduchu na anafrontoch, e) pohyby na spodnej hranici vrstvy s inverziou teploty
vzduchu.
Ak sa častice pohybujú smerom dolu hovoríme o zostupných pohyboch vzduchu. Patria medzi ne:
a) pohyby kompenzujúce konvektívne výstupné pohyby, b) pohyby pri obtekaní orografických
prekážok na záveternej strane hrebeňov (vyskytujú sa spolu s výstupnými pohybmi pri prúdení v tvare
vĺn, c) subsidenčné pohyby v oblasti vysokého tlaku vzduchu, d) kĺzavé pohyby teplého vzduchu na
katafrontoch, e) pohyby na spodnej hranici vrstvy s inverziou teploty vzduchu.
Základná rovnica statiky atmosféry
Pri úvahách a výpočtoch súvisiacich s vertikálnymi pohybmi
vzduchu budeme potrebovať základnú rovnicu statiky atmosféry,
ktorá popisuje zmenu atmosférického tlaku s výškou.
Predpokladajme, že poznáme tlak na určitej výškovej hladine a
zaujíma nás tlak v tom istom okamihu vo vyššej alebo nižšej
hladine.
Predstavme si vertikálny stĺpec vzduchu jednotkového prierezu a
vymedzíme v ňom nekonečne tenkú vrstvu (obr. 1). Na spodnú
základňu vrstvy vymedzeného elementárneho objemu vo výške z
Obrázok 1.
Sily pôsobiace na elementárny pôsobí zdola okolitý vzduch silou, ktorá sa číselne rovná tlaku
vzduchu p, vzťahujúcemu sa k tejto hladine. Na hornú základňu
objem vzduchu.
uvažovaného elementárneho objemu vo výške z + dz pôsobí okolitý
vzduch zhora silou, ktorá sa číselne rovná tlaku p + dp. Predpokladajme, že vzduch nie je v pohybe a
výslednica tlakov z bočných strán sa rovná 0.
Na vzduch v uvažovanom elementárnom objeme pôsobí sila tiaže, ktorá smeruje nadol a rovná sa
tiažovému zrýchleniu vynásobenému hmotou vzduchu v danom objeme. Objem vzduchu s
jednotkovou plochou základne sa rovná dz a jeho hmotnosť sa rovná ρdz, kde ρ je hustota vzduchu.
Sila tiaže sa potom rovná gρdz. Predpokladajme, že vzduch nie je v pohybe ani vo vertikálnom smere,
čo znamená že tlak a sila tiaže sa navzájom vyrovnávajú. Sily pôsobiace zhora gρdz a p + dp
uvažujeme so záporným znamienkom a tlak p zdola s kladným znamienkom. Súčet všetkých troch síl
položíme rovný nule a po úprave dostaneme základnú rovnicu statiky atmosféry:
dp = -gρdz.
(1)
Hustota vzduchu sa priamo nemeria, preto ju vyjadríme zo stavovej rovnice plynov pomocou teploty a
27
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
tlaku vzduchu:
ρ=
p
.
RT
(2)
Dosadením do rovnice (1) po úprave dostaneme:
 
dp
g
=−
p
RT
dz .
(3)
Termodynamické deje, ktoré vedú k vertikálnym pohybom vzduchu
Základné princípy termodynamiky sú vyjadrené v hlavných termodynamických vetách. Prvá hlavná
termodynamická veta vyjadruje zákon zachovania energie v termodynamických dejoch a hovorí, že
teplo dodané určitej sústave sa spotrebuje na rast vnútornej energie a na vykonanie vonkajšej práce.
Pre ideálny plyn ju môžeme napísať v nasledujúcom tvare:
dQ = cvdT + pdv,
(4)
kde dQ je množstvo tepelnej energie dodanej jednotkovej hmote ideálneho plynu, cvdT je zmena
vnútornej energie plynu pdv je práca vynaložená na rozpínanie alebo stláčanie.
Pri suchoadiabatickom deji dQ = 0 a prvú hlavnú termodynamickú vetu môžeme napísať v tvare
cvdT + pdv = 0,
(5)
čo znamená, že práca, ktorá sa vynakladá na rozpínanie proti vonkajšiemu tlaku, sa koná na úkor
vnútornej energie a práca, ktorú konajú vonkajšie sily pri stláčaní, zväčšuje zásobu vnútornej energie.
Prvá hlavná veta termodynamická pre suchoadiabatický dej je jedným z najvýznamnejších vzťahov
používaných v meteorológii.
V atmosférických dejoch je veľmi dôležité, že teplota vzduchu sa môže meniť adiabaticky teda bez
výmeny tepla s okolím. Ideálne adiabatické deje v atmosfére pravdaže nejestvujú. Ak však prebiehajú
dostatočne rýchlo, výmenu tepla s okolím môžeme zanedbať. Ak sa vzduchová hmota v atmosfére
adiabaticky rozpína, klesá v nej tlak aj teplota. Pri adiabatickom stláčaní stúpa tlak aj teplota. Zmeny
teploty nesúvisia s výmenou tepla, ale s premenou vnútornej energie plynu na prácu a naopak. Pri
rozpínaní vzduchovej hmoty sa koná práca proti vonkajšiemu tlaku na úkor vnútornej energie
vzduchovej hmoty. Vnútorná energia plynu je priamo úmerná absolútnej teplote, preto pri rozpínaní
klesá. Práca na stláčaní vzduchovej hmoty zvyšuje jej vnútornú energiu a tým stúpa aj jej teplota.
Rovnica (5) nie je vhodná pre výpočty, pretože špecifický objem sa priamo nemeria. Pri úprave
rovnice použijeme stavovú rovnicu plynov. Po diferenciácii a úprave stavovej rovnice dostaneme:
pdv = RdT −
RT
dp .
p
(6)
Ak dosadíme (6) do rovnice (5) budeme mať:
 R  c v  dT − RT
dp
=0 .
p
(7)
Závislosť špecifického tepla pri stálom objeme od špecifického tepla pri stálom tlaku udáva rovnica:
R + cv = cp
(8)
Po dosadení do (4) a úprave vychádza:
dT
R dp
=
.
T
cp p
(9)
Túto rovnicu môžeme integrovať v medziach od hodnôt teploty a tlaku na počiatku adiabatického deja
T0, p0 po hodnoty na konci deja T, p. Dostaneme:
T
=
T0
 
p
p0
R
cp
.
(10)
Rovnica (10) je Poissonova rovnica resp. rovnica suchoadiabatického deja v integrálnom tvare a
28
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
vyjadruje závislosť medzi počiatočnými a konečnými hodnotami teploty a počiatočnými a konečnými
hodnotami tlaku.
Vypočítame o koľko metrov musí pri suchoadiabatickom deji vystúpiť alebo klesnúť vzduch, aby sa
jeho teplota zmenila o 1°. Pre individuálnu časticu i, ktorá sa premiestňuje vo vertikálnom smere
dp
použijeme rovnicu (9) a
dosadíme zo základnej rovnice statiky atmosféry (3). Po úprave
p
dostaneme:
 
dT i
g
=−
dz
cp
Ti
Te
(11)
Indexom i je označená teplota individuálnej častice a indexom e teplota stĺpca atmosféry. Po dosadení
g = 9,81 m.s-2 a c = 1 004 J.kg-1 .K-1 a úvahe, že podiel absolútnych teplôt v zátvorke je vždy blízky 1,
vychádza suchoadiabatický gradient teploty rovný 0,0098 K.m-1. Pre praktické použitie môžeme
povedať, že pri suchoadiabatickom výstupe klesá teplota častice vzduchu o 1 °C na 100 m.
Suchoadiabatický dej používame aj pri popise vlhkého vzduchu, v ktorom vodná para nedosiahla stav
nasýtenia. V tomto prípade teplotu individuálnej častice vyjadríme tzv. virtuálnou teplotou vlhkého
vzduchu, čo je teplota suchého vzduchu, ktorý by mal rovnakú hustotu ako reálny vlhký vzduch.
Vystupujúca častica vlhkého vzduchu môže v určitej výške dosiahnuť stav nasýtenia. Táto výška sa
nazýva kondenzačnou hladinou. Pri ďalšom výstupe vlhký vzduch nasýtený vodnou parou sa už
ochladzuje pomalšie ako nenasýtený vzduch, pretože pri kondenzácii sa uvoľňuje latentné teplo, ktoré
zmenšuje pokles teploty. Hodnota poklesu teploty v nasýtenom vzduchu závisí od teploty a tlaku
vzduchu.
Zrýchlenie konvekcie
Konvekcia má vždy turbulentný charakter, avšak pri vertikálnych termických gradientoch blízkych
adiabatickým môžu vznikať mohutné a horizontálne rozsiahle viac menej usporiadané vertikálne prúdy
vzduchu. Predpokladajme, že pri konvekcii vystupuje alebo klesá určité množstvo vzduchu v dôsledku
rozdielov teploty medzi ním a okolitým vzduchom bez vzájomného premiešavania. Na časticu
vzduchu, ktorá sa premiestňuje vo vertikálnom smere pôsobia dve sily: sila tiaže smerujúca nadol a
sila barického gradientu. Zrýchlenie častice môžeme napísať ako výsledok pôsobenia týchto síl na
jednotku hmoty:
d2 z
1 dp
=− g −
.
2
ρi dz
dt
(12)
Pre okolitú atmosféru platí základná rovnica statiky atmosféry (3). Po dosadení do (12) a úprave
dostaneme:
 ρ e − ρi 
d2 z
=
g
,
ρi
dt 2
(13)
alebo ak hustotu vzduchu nahradíme teplotou podľa stavovej rovnice plynov
2
T − T e 
d z
=g i
2
Ti
dt
.
(14)
Pri rozdiele teplôt Ti – Te = 1° C a teplote blízkej 0° C (273° K) vychádza hodnota vertikálneho
zrýchlenia okolo 0,035 ms-2.
Pre vývoj konvekcie je dôležité, aby sa v ovzduší pri premiestňovaní častice zachovával rozdiel teplôt
Ti – Te, alebo sa zväčšoval. Častica suchého aj vlhkého nenasýteného vzduchu sa pri adiabatickom
výstupe ochladzuje a pri adiabatickom zostupe ohrieva o 1 °C na 100 m. Pre zachovanie tohto rozdielu
a teda aj určitého zrýchlenia konvekcie je potrebné, aby v atmosfére existoval vertikálny gradient
teploty rovnajúci sa suchoadiabatickému. V tomto prípade hovoríme o indiferentnom teplotnom
zvrstvení ovzdušia. Ak má vertikálny gradient v atmosfére menšiu hodnotu ako suchoadiabatický,
rozdiel Ti – Te aj zrýchlenie konvekcie sa bude zmenšovať a v hladine Ti = Te dosiahne zrýchlenie
nulovú hodnotu. Teplotné zvrstvenie ovzdušia je stabilné. Ak má vertikálny gradient v atmosfére
väčšiu hodnotu ako suchoadiabatický, rozdiel Ti – Te aj zrýchlenie konvekcie sa bude zväčšovať.
29
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Takéto teplotné zvrstvenie ovzdušia nazývame instabilným.
Podobné zákonitosti existujú aj v prípade vertikálneho pohybu vzduchu nasýteného vodnou parou.
Kritériom stability je však vlhkoadiabatický gradient a ten, ako sme si už povedali, závisí od teploty a
tlaku vzduchu, preto je hodnotenie stability zložitejšie. Navyše si treba uvedomiť, že zostupujúca
častica vzduchu si môže zachovať stav nasýtenia iba ak obsahuje vodu v kvapalnej a tuhej fáze, inak sa
pri zvýšení teploty stráca stav nasýtenia.
Termodynamické diagramy
Podmienky chovania sa častice vzduchu v reálnej atmosfére je výhodné graficky zobraziť na
termodynamickom diagrame. Existujú rôzne druhy termodynamických diagramov odlišujúce sa
súradnicovým systémom, počtom súradníc a čiar, ich vzájomným usporiadaním atď.. Výhodné je, keď
je diagram energetický, to znamená, že plocha ohraničená krivkou uzavretého transformačného cyklu
je úmerná práci vykonanej sústavou. Na takomto diagrame je možné kvantitatívne určiť energiu
vertikálnej instability. V minulosti sa zakresľovali výškové rádiosondážne merania na účely
vyhodnotenia a zostavenia meteorologických správ. Dnes už celý proces prebieha v počítači pozemnej
prijímacej stanice. Diagramy však stále poskytujú názorný obraz o vertikálnom zvrstvení
meteorologických prvkov a pre zainteresovaných užívateľov aj informáciu o stave atmosféry z
hľadiska rozvoja vertikálnych pohybov a ďalších dejov, ako je napr. tvorba oblakov a zrážok v
závislosti od termodynamických podmienok v ovzduší. Termodynamické diagramy so zakresleným
vertikálnym zvrstvením tlaku, teploty a vlhkosti je možné nájsť na početných meteorologických
serveroch.
Na obr. 2 a 3 sú Stüveho diagramy, na ktorých sú zobrazené časti aerologických meraní na stanici
Poprad-Gánovce o 12 hodine v dňoch 3. 4. 2011 a 17. 8. 2009.
Obrázok 2.
Obrázok 3.
Časť aerologického diagramu z merania na stanici Časť aerologického diagramu z merania na stanici
Poprad Gánovce dňa 3. 4. 2011 o 12 UTC.
Poprad Gánovce dňa 17. 8. 2009 o 12 UTC.
Na Stüveho diagrame sú vodorovné čiary rovnakého tlaku - izobary, vertikálne čiary rovnakej
teploty - izotermy, šikmé čiary začínajúce od ľavého okraja - suché adiabaty, čiary ohýbajúce sa s
výškou doľava - vlhké adiabaty a šikmé čiary s najmenším uhlom s vertikálnou osou - izogramy (čiary
rovnakej špecifickej vlhkosti). Lomenými hrubými čiarami sú zobrazené vertikálne zvrstvenie teploty
(krivka vpravo) a vertikálne zvrstvenie teploty rosného bodu (krivka vľavo). V oboch prípadoch sú v
atmosfére splnené podmienky pre konvekciu. Zvrstvenie teploty v spodnej vrstve je priaznivé pre
adiabatický výstup vzduchovej častice až po konvektívnu kondenzačnú hladinu CCL, čo je výška, v
ktorej dochádza ku kondenzácii vodnej pary a vzniku oblakov Kým na obr. 2 sa zvrstvenie mení nad
tlakovou hladinou 700 hPa, ktorá leží vo výške približne 3 km, na stabilné, na obr. 3 je príklad
nestabilného zvrstvenia až do tlakovej hladiny 225 hPa, ktorá sa nachádza vo výške približne 11 km.
Významnou prekážkou pre rozvoj konvektívnych pohybov v atmosfére sú vrstvy s inverziou teploty.
Príklad takejto vrstvy je na obr. 2 pod tlakovou hladinou 500 hPa.
30
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Indexy stability
Mieru stability vertikálneho teplotného zvrstvenia ovzdušia môžeme číselne vyjadriť pomocou
indexov a číselných parametrov stability. Tieto indexy a čísla sa používajú pri predpovediach
konvektívnych pohybov, turbulencie, charakteru obtekania prekážok, prehánok a búrok. Na
meteorologických serveroch bývajú uvedené spolu s termodynamickými diagramami a niektoré možno
nájsť aj vo forme mapového spracovania. Najčastejšie sa používajú: Showalterov index, Faustov
index, CAPE index (CAPE je skratka pre využiteľnú potenciálnu energiu na konvekciu - Convective
Available Potential Energy), Richardsonovo číslo, Reynoldsovo číslo a iné.
Vstupnými parametrami sú kombinácie teploty v rôznych výškových hladinách, adiabatické gradienty,
vlhkosť, vietor a iné, pričom môžu byť použité len niektoré z menovaných parametrov. V odbornej
meteorologickej literatúre sa dajú nájsť vzťahy pre výpočet indexov a čísel stability a kategorizácia ich
hodnôt. Ako príklad uvádzame, že hodnota CAPE indexu 1 - 1500 J/kg znamená rozvoj konvekcie,
1500 - 2500 J/kg silnú konvekciu a nad 2500 J/kg extrémnu konvekciu. Pri hodnote Showalterovho
indexu menšej alebo rovnej 0 sa dá očakávať vývoj búrok, do hodnoty +3 možno očakávať prehánky.
Krátky popis niektorých druhov vertikálnych pohybov v atmosfére
V úvode článku sme vymenovali rôzne druhy vertikálnych pohybov vzduchu v atmosfére. V ďalšom
texte sme sa venovali hlavne termickej konvekcii, v súvislosti s ktorou sme odvodili základnú rovnicu
statiky atmosféry, rovnicu suchoadiabatického deja a zrýchlenie konvekcie. Stručne si popíšme ďalšie
druhy vertikálnych pohybov uvedených na začiatku, ktoré vznikajú kombináciou dynamických a
termodynamických faktorov, pričom použijeme triedenie z úvodu:
(b) Ak vzdušný prúd narazí na orografickú prekážku vertikálna výstupná zložka prúdenia na
náveternej strane a zostupná zložka na záveternej strane závisí od veľkosti a tvaru prekážky a stability
teplotného zvrstvenia.
(c) Zbiehavosť prúdenia v spodnej časti tlakových níží je spojená s výstupnými pohybmi v ich
centrálnej časti. Rozbiehavosť prúdenia v spodnej časti tlakových výší je spojená s pomalými
zostupnými pohybmi v ich centrálnej časti.
(d) Pri postupe teplej vzduchovej hmoty teplý vzduch pomaly adiabaticky kĺže nahor po frontálnej
ploche teplého frontu, ktorá ho oddeľuje od studenej vzduchovej hmoty, pričom sa vytvára typická
oblačnosť teplého frontu. Podobne kĺže teplý vzduch po frontálnej ploche postupujúceho studeného
frontu. Postup studeného frontu býva rýchlejší a v prízemnej vrstve sa vplyvom trenia o zemský
povrch spomaľuje, čo má za následok, že výstupné konvektívne pohyby teplého vzduchu na čelnej
strane frontálnej plochy sú mohutnejšie a vhodné na tvorbu búrkovej oblačnosti. Pri veľmi rýchlo
postupujúcom studenom fronte môže nahromadenie studeného vzduchu na čele frontu spôsobiť
vydutie klinovitej frontálnej plochy a na vzniknutej priehlbine za touto oblasťou môže teplý vzduch
kĺzať smerom dolu. Takýto typ atmosférického frontu sa odborne nazýva katafront, fronty s výstupným
pohybom teplého vzduchu sa nazývajú anafronty.
(e) Vizuálnym prejavom mnohých vertikálnych pohybov v ovzduší sú oblaky. Osobitnou skupinou sú
vlnové oblaky, ktoré vznikajú v stabilných vzduchových hmotách pod inverznou vrstvou, kde
dochádza k nahromadeniu vodnej pary (obr. 4). K zvlneniu inverznej vrstvy dochádza poruchami v
poli prúdenia a teploty, alebo vplyvom horských prekážok, cez ktoré vzduchová hmota postupuje. Pri
výstupných pohyboch na hrebeňoch vĺn vodná para kondenzuje a ak pri zostupných pohyboch pod
dolinami vĺn ku kondenzácii nedochádza vlnová štruktúra oblakov je dobre viditeľná aj pre
pozorovateľa pri zemskom povrchu.
Obrázok 4. Schéma vlnových oblakov.
Literatúra
Chromov, S. P., 1968: Meteorológia a klimatológia. SAV, Bratislava, 456 strán.
Pechala, F., Bednář, J., 1991: Příručka dynamické meteorologie. Academia v spolupráci s MŽP ČR, Praha, 372 strán,
57 obrázkov.
Sobíšek, B. a kolektív autorov, 1993: Meteorologický slovník výkladový a terminologický. MŽP ČR, Praha, 594 strán.
31
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Búrky a konvektívne javy
Róbert Kvak
Gymnázium Kremnica, Štefana Moyzesa 77/12 Žiar nad Hronom 96501, [email protected]
Úvod
Pojmom konvekcia sa vo fyzike označuje prúdenie častíc s vyššou energiou v látkach s rozličnou
hustotou. Zmena hustoty látky je často spôsobená jej teplotou a následný pohyb vyvolávajú gravitačná
a vztlakové sily, keďže teplejšia látka má hustotu menšiu a chladnejšia hustotu väčšiu. Tento proces
prebieha každodenne aj v atmosfére okolo nás. Je pre nás veľmi dôležitý z dôvodu tvorby oblačnosti
a následných zrážok. Najvýraznejšie sa konvekcia prejavuje na našom území počas teplého polroka
a to najmä v lete. Prehrievanie povrchu, vznik kopovitej oblačnosti a neskôr zrážková činnosť. To sú
prejavy, ktoré môžeme pozorovať počas teplých dní. Nemálo ľudí je nespokojných, keď sa opakujú
deň čo deň a ovplyvňujú ich aktivity. Konvekciu niekedy sprevádzajú nebezpečné meteorologické
javy - búrky. Sprievodné búrkové javy nemusia spôsobiť škody, ale búrka samotná je veľmi
nebezpečná.
Vznik konvektívnych oblakov
Búrky sa vyskytujú v oblasti
kopovitých
konvektívnych
búrkových
oblakov
Cumulonimbus (Cb). Vznik
konvektívnych oblakov sa
neviaže výlučne na teplé dni
v roku. Kopovitá oblačnosť so
zrážkami sa vyskytuje aj
v zime, ak pre jej vznik
nastanú v atmosfére vhodné
podmienky.
Tvorbu
konvektívnych oblakov možno
ohraničiť tromi podmienkami:
(1)
nestabilné
zvrstvenie
teploty vzduchu (instabilita) aj
vo vyšších hladinách, (2)
vysoká vlhkosť vzduchu a (3)
konvekcia. Vplyvom týchto
faktorov konvektívne oblaky
vznikajú na postupujúcich
frontoch počas roka alebo aj
mimo oblastí atmosférických
frontov, ak sú splnené všetky
podmienky. Teplý a vlhký
Obrázok 1.
vzduch stúpa postupne do
Aerologické sondážne merania z Prahy-Libuš (23.7.2009, 12UTC).
horných chladných vrstiev
Index CAPE je úmerný červenej ploche medzi krivkou zvrstvenia
atmosféry, kde sa ochladzuje,
teploty vzduchu a adiabatickou krivkou .
vodná
para
kondenzuje
a vzniká oblačnosť. Tento proces možno pozorovať na postupujúcich frontoch alebo počas teplých
slnečných dní, kedy sa nerovnomerne prehrieva povrch zeme. V meteorológii rozlišujeme dva typy
konvekcie, termickú a dynamickú. Termická konvekcia sa týka teplých dní, kedy sa výrazne prehrieva
zemský povrch. Dynamickú konvekciu pozorujeme na atmosférických frontoch a často v oblasti hôr,
teda terénnych prekážok, ktoré zosilňujú výstupné prúdy v troposfére, najmä ak vzduch prúdi kolmo
na svahy hôr. Najvýraznejšiu tvorbu oblakov však pozorujeme pri prechode frontov, kedy má
vertikálny a horizontálny rozsah oblačných systémov aj najväčšie rozmery. Studený vzduch sa svojim
postupom podsúva pod teplý a vytláča ho do vyšších vrstiev atmosféry.
32
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
V prvom štádiu vývoja búrkových
kopovitých oblakov sa tvoria oblaky
druhu Cumulus (Cu). Tie prechádzajú z
vývojového štádia Cumulus humulis, cez
Cumulus
mediocris
až
vniká
a predbúrkový tvar Cumulus congestus
(obr. 2), často spojený s prehánkami.
Zrážky vo forme prehánky sú jedným
z prejavov konvektívnej oblačnosti.
Konvektívne oblaky sa vyskytujú počas
celého
roka
a sú
sprevádzané
krátkodobými intenzívnymi zrážkami,
Obrázok 2.
ktoré
majú
skupenstvo
a tvar
Cumulus congestus, ktorý vznikol dynamickou konvekciou v závislosti od teplotných podmienok
na severozápadných svahoch Poľany, foto R. Kvak, 2009. v kopovitom oblaku. Pokiaľ sú výstupné
prúdy vzduchu dostatočne silné, vzniká
búrkový oblak druhu Cumulonimbus (Cb). Tvorba oblakov a zrážková činnosť s ňou spojená závisí od
termických a dynamických podmienok v atmosfére.
Podmienky v atmosfére, ktoré prajú,
alebo neprajú vývoju búrkových oblakov,
vyjadrujú rôzne indexy, ktoré sa počítajú
na základe informácií o vertikálnom
teplotnom zvrstvení atmosféry, o zvrstvení
vlhkosti vzduchu a na základe informácií o
smere a rýchlosti vetra v rôznych výškach
nad povrchom. Jedným z najjednoduchších
indexov vyjadrujúcich termickú stabilitu
atmosféry, ako jednu z podmienok vzniku
búrok, je index CAPE (Convective
available potential energy)- obr. 1. Pri
Obrázok 3.
búrkových situáciách sa pohybuje hodnota
Životný cyklus búrkového oblaku – zľava vývoj indexu CAPE v J/kg v stovkách, často až
búrkového oblaku,štádium maximálneho rozvoja a zánik v tisíckach. V tropických cyklónach
búrkového oblaku(Back building thunderstorm NOAA , dosahuje CAPE index hodnoty desiatok
2011)
tisíc J/kg. LI (Lifted index), CIN
(Convective inhibition), Shear (Wind Shear), Downdraft- zostupný prúd, SREH (Storm Relative
Helicity - Helicita vzhľadom na pohyb búrok), TI (Tompson index) a mnohé ďalšie indexy sa
používajú pri indikácii búrok. Indexy nestability atmosféry vychádzajú z aerologických údajov, napr.
pre Slovensko z meraní aerologickej stanice Poprad-Gánovce, kde sa tieto indexy vypočítavajú
z meraných veličín, ako teplota, vlhkosť vzduchu, vietor. O búrke však hovoríme až v prípade, ak sa
vyskytne v oblaku elektrický výboj.
Búrky
Búrka je atmosférický jav, pri ktorom sa vyskytujú blesky - elektrické výboje sprevádzané optickými
a akustickými efektmi. Za búrku sa však neoznačuje samovoľné vybitie elektrického náboja vo voľnej
atmosfére. Blesky v búrkovom oblaku vznikajú medzi centrami elektrického náboja opačnej polarity.
Môžu sa vyskytnúť medzi kladným a záporným nábojom vo vnútri oblaku, medzi oblakmi, medzi
oblakom a zemou(obidvoma smermi) a taktiež medzi oblakom a atmosférou. Spätný elektrický výboj
sa šíri rýchlosťou až 20 000km/s a jeho teplota dosahuje 30 000°C. Z tohto dôvodu nastáva rýchly
nárast teploty vzduchu a vzniká tlaková vlna, ktorá spôsobuje hrmenie.
Búrky sa rozlišujú hlavne svojou štruktúrou a niekedy aj podľa podmienok, pri ktorých vznikli.
Búrkové oblaky v chladnom a v teplom polroku vznikajú rovnako. Búrka potrebuje pre svoju
existenciu energiu, ktorú získava aj ako skupenské teplo uvoľnené pri kondenzácii vodnej pary
obsiahnutej vo vystupujúcom objeme vzduchu. Najsilnejšie búrky vznikajú pri výrazných vertikálnych
teplotných gradientoch – pri výraznom poklese teploty vzduchu s výškou, t.j. pri nestabilnom
33
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
teplotnom zvrstvení v troposfére. Búrkový oblak vytvára prostredie, v ktorom zosilňujú výstupné
prúdy a do oblaku je ďalej nasávaný teplý vzduch.
Každý búrkový oblak sa počas svojej existencie
nachádza v troch štádiách: vývoj, zrelosť a rozpad.
Všetky tieto tri štádiá sa pri búrkach zložených z
viacerých konvektívnych buniek môžu vyskytovať
súčasne.
Podľa spôsobu vzniku sa búrky delia na: frontálne,
orografické a búrky z tepla. Búrku, ako oblačný
systém, môže tvoriť jedna, alebo niekoľko buniek
s výstupnými a zostupnými prúdmi vzduchu.
Jednobunkové búrky (single cell) prežívajú
najkratšie a vyskytujú sa pri nie veľmi vhodných
podmienkach pre konvekciu, či už z hľadiska
Obrázok 4.
stability atmosféry, alebo dynamických podmienok
Prúdenie vzduchu v búrkovom oblaku, (Encyclope- v nej (strih vetra). Tieto búrky môžu trvať len
dia Britannica, 2011).
niekoľko minúť, pričom v horských oblastiach
môžu pretrvať dlhšie ako na nížinách. Ich
http://www.britannica.com/
sprievodné javy nedosahujú intenzitu väčších
búrkových systémov, avšak môžu sa pri nich vyskytnúť krúpy, silný dážď alebo silné nárazy vetra.
V každej konvektívnej bunke sa nachádza hlavný výstupný a zostupný prúd charakterizovaný rôznymi
fyzikálnymi vlastnosťami. Rýchlosť výstupných a zostupných prúdov v búrkovom oblaku môže
dosiahnuť až 70 m/s. Chladný zostupný prúd sa obyčajne nachádza v oblasti, kde z búrkového oblaku
vypadávajú zrážky, pričom zostupné prúdy studeného vzduchu v tyle búrkového oblaku sú často
turbulentné.
Mnohobunková
búrka
(multi-cell)
je
najčastejšie sa vyskytujúcim druhom búrok.
Tvorí ju niekoľko buniek, ktoré sú
rozoznateľné
ako
samostatné
vežičky
búrkových oblakov. Osobitným druhom
viacbunkových búrok je štádium tzv.
superbunky (super-cell) kedy sa pozoruje
rotácia konvektívnych buniek okolo spoločnej
osi, ktorá vytvára podmienky pre vznik
mezocyklóny, teda tlakovej níže stredného
(mezo) rozsahu. Supercelly vznikajú pri
najideálnejších podmienkach pre vznik búrok.
Obrázok 5.
Oblačný systém supercelly má jeden hlavný
Klasická štruktúra búrkového systému supercelly (anvil- výstupný a dva zostupné prúdy. Sú
nákova, wall cloud-stenový oblak, flanking line - čiara
sprevádzané
intenzívnymi
sprievodnými
Cumulov, a overshooting top - prestreľujúci vrchol).
javmi, jedným z nich je aj tornádo. Ich výskyt
(http://www.bbc.co.uk/blogs/weather/ianfergusson/2010/04/missi je u nás skôr výnimočný, no môžeme ho
ssipi-tornado-puts-our-uk.shtml)
označiť za pravidelný. Supercelly sa
vzhľadom na svoje správanie delia na: (1) klasické, (2) so slabými zrážkami alebo (3) so zrážkami
výraznými.
Búrky sú jedny z najvýraznejších prejavov počasia v troposfére. Sú sprevádzané prívalovými
zrážkami, krupobitím (priemer ľadových krúp až niekoľko cm), elektrickou aktivitou a silnými
nárazmi vetra, ktoré spôsobuje prúd zostupujúceho chladného vzduchu z búrky. Najnebezpečnejšími
prejavmi búrok sú tornáda – downbursty (micro a macrobursty), krupobitie a pod. Po prechode
frontálnych búrok môže teplota v našich podmienkach poklesnúť až o 25 °C.
Búrokové oblaky sa špecificky prejavujú na meteorologických radarových snímkach, najmä ak
obsahujú ľadové krúpy, javia sa ako meteorologické objekty s vysokou odrazivosťou. U nás búrky
bežne dosahujú odrazivosť okolo 60 dBz, napr. v USA až cez 70 dBz.
Jednotka dBz predstavuje odrazivosť (z) v decibeloch. z vyjadruje počet kvapiek v 1 m3 vzduchu
34
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
vynásobené cca 6-násobkom priemeru dažďovej kvapky 106 mm (106 x 1 m-3 ). V radarovej meteorológii
sa používajú jednoduché prevodné vzťahy medzi odrazivosťou detegovaného oblaku v dBz a
intenzitou zrážok v mm/h.
Radarové odrazy môžu tvoriť pri búrkach rôzne obrazce, ktoré sú charakteristické vlastnými prejavmi
a názvami. Radarové snímky slúžia na klasifikáciu búrok a odhad jej prejavov (obr. 6).
Obrázok 6.
Vľavo hore- radarové odrazy typické pre búrkové komplexy (25.5.2010, 14.54 UTC), vľavo dolu blesková detekcia (25.5.2010, 15.30 UTC), (ČHMÚ, 2010), vpravo hore- radarové odrazy v tvare tzv.
hook echa neďaleko obce Blahová (odraz v podobe háku, ktorý charakterizuje rotáciu búrky), (ČHMÚ,
2010),vpravo dolu - družicové zábery búrkového komplexu 25.5.2010 o 19.30 UTC,( Eumetsat, 2010).
Predpovede búrok
Predpovedať búrky je zložitá práca
a vyžaduje skúsenosti v tomto smere. Pri
predpovediach búrok sa musí sledovať
poveternostná situácia nepretržite, pretože
konvekcia prebieha veľmi rýchlo a rozloženie
oblačnosti a jej vývoj sa neustále mení. Pri
búrkach si treba všímať všetky sprievodné
javy a ich intenzitu. Tak isto ako pre klasické
predpovede, tak aj pre tie búrkové, slúžia
Obrázok 7.
predpovedné numerické modely, ktoré
Fotografia supercelly, búrka sa vyskytla juhovýchodne od
potrebné podmienky modelujú prostredBratislavy 25.5.2010 (foto P. Csőrgei).
níctvom
dostupných
základných
meteorologických prvkov a indexov stability (obr. 8).
35
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Obrázok 8.
Ukážka predpovedí indexov nestability atmosféry MLCAPE, CAPE a SHEAR (Estofex, 2010)
(http://www.estofex.org/)
Záver
Búrky sú jedny z najzložitejších atmosferických systémov. Ich štruktúra a správanie je veľmi zložité
a dá sa pomenovať desiatkami názvov a poučiek. Tie môžete nájsť na webovej stránke
http://www.bourky.com/slovnik-stormchasera/ , kde terminológiu búrok spracoval Tomáš Púčik, člen
združenia Skywarn Czechoslovakia. Každá búrka je sama o sebe nebezpečná a preto netreba jej
aktivitu podceňovať. Predpovede konvektívnych javov môžete nájsť na webovej stránke
http://www.skywarn.cz.
36
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Globálne rozloženie tlaku vzduchu, všeobecná cirkulácia atmosféry
Stanislav Racko
Český hydrometeorologický ústav, Praha, [email protected]
Všeobecná cirkulácia atmosféry
Všeobecná cirkulácia atmosféry je definovaná ako systém atmosférického prúdenia v planetárnom
alebo kontinentálnom rozsahu, ktorá sa prejavuje meridionálnou (v smere poludníkov), zonálnou (v
smere rovnobežiek) a vertikálnou výmenou vzduchu spojenou s prenosom energie, hybnosti a vody v
zemskej atmosfére. Všeobecná cirkulácia atmosféry patrí k základným faktorom, ktoré vytvárajú
klimatické pásma Zeme.
Ak chceme pochopiť, ako funguje globálny systém vzdušných
prúdení veľkej mierky, musíme si najprv vytvoriť zjednodušený
model všeobecnej cirkulácie atmosféry a uvažovať o príčinách
pohybu vzduchu. Energia slnečného žiarenia dopadajúca na jednotku
plochy zemského povrchu nie je na Zemi rozdelená rovnomerne –
najväčšia je v oblasti rovníka a najmenšia v polárnej oblasti.
Predstavme si, že Zem nie je rozdelená na oceány a pevniny
a neotáča sa. Teplý vzduch by v takomto jednoduchom prípade
stúpal v rovníkovej oblasti od povrchu a bol by nahradzovaný
chladnejším vzduchom prúdiacim priamo pozdĺž poludníkov
z polárnych oblastí. Teplý vzduch by sa vo vyšších vrstvách
troposféry v oblasti pólov zostupoval k povrchu a pri povrchu prúdil
Obrázok 1.
späť k rovníku (obr. 1). Takto by vznikol jednoduchý uzavretý
Zjednodušená schéma prúdenia
systém vzdušných prúdení, ktorý by bol rušený len rozdielom
vzduchu na nerotujúcej Zemi s
v teplote vzduchu medzi privrátenou a odvrátenou stranou Zeme
homogénnym povrchom .
voči Slnku. Uvažujme ďalej, že sa Zem začne otáčať okolo svojej
osi. Na častice vzduchu bude pôsobiť (podobne ako na všetkých rotujúcich telesách) Coriolisova sila.
V dôsledku toho sa prúdenie vzduchu bude na severnej pologuli
odchyľovať od pôvodného smeru doprava a na južnej pologuli
doľava. Prúdenie vzduchu sa z hľadiska veľkopriestorového
(planetárneho) ustáli do podoby ako je na obr. 2. Táto schéma ešte
nepočíta s rozložením pevnín a oceánov, ale už zodpovedá
základnému rozloženiu vzdušného prúdenia na Zemi. Podľa tejto
schémy je Zem rozdelená na základné pásma s typickým
rozložením tlaku vzduchu a smerom prevládajúceho prúdenia. Na
severnej pologuli je nad pólom vysoký tlak vzduchu, z ktorého sa
vzduch rozteká na juh a v dôsledku Coriolisovej sily sa uchyľuje
doprava. V tejto časti Zeme prevláda severovýchodné prúdenie,
Obrázok 2.
Všeobecná cirkulácia atmosféry, ktoré sa v oblasti okolo 60. rovnobežky dostáva do kontaktu s
juhozápadným prúdením. Rozhranie medzi pôvodom polárnymi a
základná schéma.
tropickými vzduchovými hmotami sa nazýva polárnym frontom. Na
polárnom fronte sa vytvárajú podmienky pre tvorbu frontálnych cyklón a anticyklón. Pre oblasť okolo
60. rovnobežky je preto typické premenlivé počasie. Oblasť okolo 30. rovnobežky je typická vyšším
tlakom vzduchu (subtropické anticyklóny). Vzduch v tlakových výšach sa rozteká. Medzi 30. a 60.
rovnobežkou na sever (na severnej pologuli) od subtropických tlakových výší sa vytvára pásmo
prevládajúceho juhozápadného prúdenia. Na juh (na severnej pologuli) od subtropických tlakových
výší sa tvorí pásmo prevládajúceho severovýchodného prúdenia (severovýchodný pasát). V oblasti
rovníka môžeme pozorovať pás nižšieho tlaku vzduchu s charakteristickou zbiehavosťou prúdenia.
Pásmo, kde sa stretávajú severovýchodné (zo severnej pologule) a juhovýchodné (z južnej pologule)
pasáty v blízkosti rovníka, sa nazýva „intertropická zóna konvergencie – zbiehavosti prúdenia“ a jej
poloha je niekedy dobre viditeľná na družicových snímkach ako pás výraznej búrkovej oblačnosti (obr.
3). Vo vyšších vrstvách troposféry je prúdenie opačné ako v prízemnej vrstve a pôsobí ako
kompenzujúci prvok v cirkulácii ovzdušia. Na obr. 4 je vidieť systém uzavretých cirkulačných buniek,
37
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
z ktorých systém tropickej cirkulácie nazývame Hadleyova bunka, cirkulačnú bunku v rámci miernych
zem. šírok Ferrelova bunka a polárnou bunkou nazývame cirkuláciu medzi pólmi a cca 60.
rovnobežkou.
Obrázok 3.
Okrem spomenutých prevládajúcich globálnych prúdení,
existuje aj systém regionálnych vzdušných cirkulačných
systémov, ktoré má sezónny charakter a zasahuje rozsiahlejšie
časti pevnín alebo oceánov (nie je však celú Zem). Medzi takéto
systémy patrí monzún a jeho príčinou je rozdiel tepelnej
kapacity pevniny a oceánu, čo vedie k termicky podmieneným
rozdielom tlaku vzduchu. Rozoznávame letný monzún (teplý
a vlhký vzduch prúdi z oceánu nad pevninu) a zimný monzún
(chladný a suchý vzduch prúdi z pevniny nad oceán).
Najvýraznejší monzún sa prejavuje medzi ázijskou pevninou
a Indickým oceánom. Z geografického hľadiska rozlišujeme
monzúny tropické a mimotropické.
Pás búrkovej oblačnosti medzi rovníkom a 10. rovnobežkou, ktorý súvisí Termické a dynamické príčiny rozloženia tlaku vzduchu na
s intertropickou zónou konvergencie. Zemi
V dôsledku viacerých činiteľov je tlak vzduchu na zemskom povrchu rozložený nerovnomerne a mení
sa aj v čase. Hlavnými faktormi, ktoré určujú jeho rozloženie z celoplanetárneho hľadiska, sú: žiarivá
energia Slnka, rotácia Zeme a rozloženie pevnín a oceánov. Ďalšími faktormi môžu byť: trenie
vzduchu o zemský povrch a teplotná stratifikácia atmosféry. Ako sme videli v predchádzajúcej
kapitole, rozloženie tlaku vzduchu na Zemi má zonálny (najväčšie zmeny tlaku vzduchu sú pozdĺž
poludníkov, oveľa menšie pozdĺž rovnobežiek) charakter. To je pochopiteľne len všeobecný model
rozloženia tlaku vzduchu, pretože v dôsledku
atmosférickej cirkulácie sa tlakové útvary, najmä
v miernych
zemepisných
šírkach,
neustále
premiestňujú, vyvíjajú sa nové a zanikajú staré.
Prevaha zonálneho prúdenia nad meridionálnym patrí
k základným charakteristikám všeobecnej cirkulácie
atmosféry. Medzi ďalšie charakteristiky patria
predovšetkým: vyššia horizontálna rýchlosť prúdenia
než
vertikálna,
prevažne
vírivý
charakter
atmosférických pohybov a sezónne zmeny smeru
a rýchlosti prúdenia. Termické (dôsledok zohrievania
vzduchu od zemského povrchu zohriateho Slnkom)
Obrázok 4.
a dynamické (dôsledok prúdenia vzduchu) príčiny
Systém cirkulačných buniek všeobecnej cirkulácie zmien tlaku vzduchu a jeho rozloženie na Zemi pôsobia
atmosféry.
(až na výnimočné prípady) súčasne. V princípe
môžeme povedať, že anticyklóny nad pólmi a pás
nízkeho tlaku vzduchu nad rovníkovou oblasťou sú termicky podmienenými tlakovými útvarmi, zatiaľ
čo pás nízkeho tlaku vzduchu okolo 60. rovnobežky a pás vysokého tlaku vzduchu okolo 30.
rovnobežky sú dynamicky podmienenými tlakovými útvarmi.
Termické cyklóny a anticyklóny
Zmeny teploty vzduchu nad pevninami sú v dôsledku ich menšej tepelnej kapacity výraznejšie než
nad oceánmi, čo sa následne odráža aj na zmenách tlaku vzduchu, najmä pri dlhodobo konštantnej
radiačnej bilancii, teda za ustálených poveternostných situácií. Chladný vzduch je hustejší a preto
vyvoláva vyšší tlak než teplý, menej hustý vzduch. V dôsledku toho ochladzovanie pevnín v zimnom
období zapríčiňuje v spodných vrstvách troposféry vznik termických anticyklón a v lete otepľovanie
pevniny vyvoláva vznik termických cyklón. Na rozdiel od frontálnych cyklón, ktoré sa tvoria na
rozhraniach vzduchových hmôt, termické cyklóny sa tvoria vo vnútri teplej vzduchovej hmoty a sú
vertikálne málo vyvinuté – vo vyšších vrstvách troposféry môžeme zvyčajne pozorovať nad prízemnou
termickou cyklónou hrebeň vyššieho tlaku vzduchu. Termické anticyklóny sa tvoria vo vnútri studenej
vzduchovej hmoty a, podobne ako u termických cyklón, majú malý vertikálny dosah – nad
38
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
prízemnými termickými anticyklónami zvyčajne pozorujeme vo vyšších vrstvách troposféry nižší tlak
vzduchu. Menej vyvinuté termické tlakové útvary môžu mať denný chod – termická anticyklóna, ktorá
sa vytvorí v zimnom období v nočných hodinách, môže cez deň zaniknúť. Podobne aj termická
cyklóna môže v letnom období vzniknúť cez deň a v noci zanikne.
Akčné centrá atmosféry
Ak si na globálnu mapu zobrazíme dlhoročné priemery tlaku vzduchu na hladine mora na Zemi,
môžeme rozoznať centrá vysokého a centrá nízkeho tlaku vzduchu, ktoré sa niekedy označujú ako
„akčné centrá atmosféry“. Vzhľadom na veľký vplyv ročného obdobia na rozloženie tlaku vzduchu na
Zemi sa mapy rozloženia tlaku vzduchu v januári odlišujú od máp, zobrazujúcich priemerné hodnoty
tlaku vzduchu v júli. Niektoré akčné centrá atmosféry sa vyskytujú v danej oblasti celý rok (nazývame
ich permanentné alebo celoročné centrá), iné sa objavujú len v teplom alebo v chladnom období
(nazývame ich sezónne centrá).
Na severnej pologuli môžeme vidieť tieto permanentné akčné centrá: islandská cyklóna, azorská
anticyklóna, aleutská cyklóna, havajská anticyklóna. Zo sezónnych akčných centier sú to v zime
sibírska anticyklóna, kanadská anticyklóna a v lete juhoázijská (iránska) cyklóna a severoamerická
cyklóna. Vidíme, že nad pevninou sa striedajú sezónne centrá (v zime anticyklóny, v lete cyklóny)
a nad oceánmi zotrvávajú celoročné akčné centrá, pričom v lete sú vyvinutejšie anticyklóny a v zime
cyklóny.
Výšková frontálna zóna a dýzové prúdenie (jet-stream)
Ako je uvedené pri popise základnej schémy všeobecnej
cirkulácie atmosféry, v oblasti okolo 60. rovnobežky
dochádza
k zbiehaniu
chladného
prúdenia
od
severovýchodu a teplého od juhozápadu. Zóna styku týchto
vzduchových hmôt sa nazýva polárny front. Na ňom
prebieha tvorba mimotropických frontálnych cyklón.
Striedanie cyklonálneho a anticyklonálneho počasia je
charakteristické pre mierne zem. šírky, a teda aj pre oblasť
strednej Európy. Ak sa pozrieme na priemerné rozloženie
tlaku vzduchu v stredných alebo vysokých vrstvách
troposféry, uvidíme nad pólom oblasť nízkeho tlaku
vzduchu a nad rovníkovou oblasťou pásmo vysokého tlaku
Obrázok 5.
Príklad možnej polohy mimotropického vzduchu. Horizontálny barický gradient smeruje (na
dýzového prúdenia (1), ktorý súvisí severnej pologuli) z juhu na sever a prúdenie v tejto časti
s planetárnou výškovou frontálnou zónou troposféry má prevažne západný smer. V oblasti, približne
a subtropického dýzového prúdenia (2). zodpovedajúcej polohe polárneho frontu, môžeme na
výškových synoptických mapách pozorovať pásmo
nahustenia izohýps (izohypsy sú čiary, ktoré spájajú miesta s rovnakou výškou izobarickej hladiny)
a izoteriem, ktoré nazývame planetárnou výškovou frontálnou zónou (obr. 5).
Väčšinou má tvar meandrujúcej rieky. Niekedy môže obopínať celú zemeguľu, ale obvykle býva
prerušovaná v závislosti na pomere medzi zonálnou a meridionálnou zložkou cirkulácie. Vo výškovej
frontálnej zóne sa často vyskytuje dýzové prúdenie (známejší je anglický ekvivalent jet-stream). Ide
o veľmi silné prúdenie vzduchu v tvare sploštenej trubice, ktoré sa nachádza obvykle 1 až 2 km pod
tropopauzou (horná hranica troposféry). Podľa definície je táto oblasť ohraničená rýchlosťou 30 m.s -1,
horizontálnym strihom vetra aspoň 5 m.s-1 na 100 km a vertikálnym strihom vetra 5 až 10 m.s-1 na 1
km. Horizontálne rozmery pozdĺž osi dýzového prúdenia sú tisíce km a vertikálne rozmery niekoľko
km. Dýzové prúdenie sa vyskytuje aj v stratosfére a v mezosfére a ak sa vyskytuje v spodnej
troposfére, nazývame ho nízkohladinovým dýzovým prúdením. Okrem mimotropického dýzového
prúdenia poznáme aj dýzové prúdenie subtropické a rovníkové. V oblasti dýzového prúdenia sa veľmi
často vyskytuje silná dynamická turbulencia, preto poznanie aktuálnej polohy a intenzity dýzového
prúdenia v hornej troposfére je veľmi dôležité pre meteorologické zabezpečenie leteckej prevádzky.
Vzduchové hmoty
39
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
So všeobecnou cirkuláciou atmosféry súvisí aj geografická klasifikácia vzduchových hmôt
a vymedzovanie klimatických oblastí Zeme. Pod vzduchovou hmotou rozumieme v tomto zmysle
veľké množstvo vzduchu v troposfére, vnútri ktorého sú horizontálne zmeny meteorologických prvkov
malé na rozdiel od rozhraní (atmosférických frontov) medzi vzduchovými hmotami, kde sú výrazné.
Vzduchová hmota má svoje charakteristické vlastnosti, ktoré získava transformáciou v ohnisku vzniku,
kde prijíma vlastnosti podkladu typické pre danú geografickú oblasť. Geografická klasifikácia
vzduchových hmôt rozlišuje tieto vzduchové hmoty: (1.) arktickú (antarktickú) – výskyt približne
medzi pólom a 65. rovnobežkou , (2.) polárnu (vzduch miernych zem. šírok) – výskyt medzi 65. a 35.
rovnobežkou, (3.) tropickú – výskyt medzi 35. a 10. rovnobežkou a (4.) rovníkovú (ekvatoriálnu)
vzduchovú hmotu – výskyt okolo rovníka do približne 10. rovnobežky. Okrem rovníkovej vzduchovej
hmoty rozdeľujeme každú z nich ešte na morskú (maritímnu) a pevninskú (kontinentálnu) vzduchovú
hmotu. Vidíme, že výskyt vzduchových hmôt podľa tejto klasifikácie sa približne kryje s pásmovým
rozložením tlaku vzduchu a smerom prevládajúceho prúdenia podľa základnej schémy všeobecnej
cirkulácie atmosféry.
Klimatické pásma Zeme
Medzi základné klimatotvorné faktory patria popri astronomických, radiačných, geografických
a antropogénnych aj cirkulačné faktory. Zatiaľ čo všeobecná cirkulácia atmosféry ovplyvňuje podnebie
veľkých oblastí, mezocirkulačné a mikrocirkulačné faktory sa prejavujú v klimatických pomeroch
menších oblastí.
Na vymedzenie a popis klimatických
oblastí Zeme sa používa klimatické
rajónovanie, známe ako klasifikácia
klimatických oblastí Zeme. Existuje
viacero klasifikácií, pravdepodobne
najrozšírenejšia
je
klasifikácia
Köppenova (alebo Köppen-Geigerova),
založená na posúdení teplotného režimu
a stupňa zavlažovania. Jednoduchšou
klasifikáciou klimatických oblastí Zeme
je klasifikácia Alisovova, ktorá je
vytvorená podľa podmienok všeobecnej
cirkulácie atmosféry (obr. 6). Základom
pre túto klasifikáciu je prevládajúci
výskyt geografického typu vzduchových
Obrázok 6.
hmôt v určitej oblasti.
Klimatické pásma Zeme podľa Alisova.
Klimatické pásma podľa Alisova sú
tieto: (1.) ekvatoriálne (rovníkové), (2).
subekvatoriálne pásmo (rovníkových monzúnov), (3.) tropické pásmo, (4.) subtropické pásmo, (5.)
pásmo miernych šírok, (6.) subarktické (subantarktické) pásmo, (7.) arktické (antarktické) pásmo.
Každé z uvedených šírkových pásiem sa ešte člení na 4 základné typy podnebia, a to kontinentálne,
oceánske, západných pobreží a východných pobreží.
Väčšina pojmov, spomenutých v tomto príspevku, je založená na poznávaní a výskume Zeme
a atmosféry trvajúcich celé stáročia. Popisný význam týchto geografických a fyzikálnych faktov je
dodnes platný. V dobách pred vznikom počítačového modelovania atmosférických procesov a
numerického predpovedania stavu atmosféry mali tieto poznatky nielen popisný, ale aj zásadný
prognostický význam. V súčasnosti, v dobe neustáleho vylepšovania počítačmi spracovávaných
predpovedí, sa pojmy ako atmosférický front, vzduchová hmota a pod. používajú naďalej
v diagnostickom zmysle, ale svoj prognostický význam už postupne strácajú.
Literatúra
Chromov, S. P., 1968. Meteorológia a klimatológia. Vydavateľstvo SAV, Bratislava 1968. 456 s.
Meteorologický slovník výkladový a terminologický, 1993. Academia a Ministerstvo životního prostředí, Praha. 594 s.
Vysoudil, M., 2004. Meteorologie a klimatologie. Univerzita Palackého v Olomouci, Olomouc 2004. 282 s.
Zverev, A. S., 1986. Synoptická meteorológia. Alfa, Bratislava. 712 s.
40
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Lokálne cirkulačné systémy
Norbert Polčák, Pavel Šťastný
Slovenský hydrometeorologický ústav Bratislava, [email protected] , [email protected]
Úvod
Lokálne cirkulačné systémy vznikajú ako dôsledok nerovnomerného zohrievania aktívneho povrchu
na mikroklimatickej a topoklimatickej úrovni. Nerovnomerné zohrievanie povrchu spôsobuje rozdiely
v tlaku vzduchu na malom priestore. Rozdiely sú vyvolané rozličnými fyzikálnymi vlastnosťami
aktívnych povrchov a georeliéfom. Vznikajú miestne (lokálne) cirkulačné systémy, ktoré označujeme
ako miestne vetry. Patrí sem: bríza, bóra, horský a dolinový vietor, föhn, ľadovcový vietor, lesný
vietor a malopriestorové vzdušné víry.
Miestne vetry
Bríza vzniká na pobreží morí a veľkých jazier dôsledkom
nerovnomerného zohrievania pevniny a mora v priebehu
dňa a noci pri radiačnom type počasia. Vytvára uzavretý
systém miestnej cirkulácie. Počas dňa je pevnina teplejšia
než vodná plocha, vzniká tu lokálna oblasť nižšieho tlaku
vzduchu, teplejší ľahší vzduch stúpa hore a je nahrádzaný
chladnejším a vlhkejším vzduchom od mora alebo jazera,
nad ktorým sa nachádza lokálna oblasť vyššieho tlaku
vzduchu. Bríza vanie z vodnej plochy na pevninu. V noci
sa pevnina rýchlejšie ochladí (lokálna oblasť vyššieho
tlaku vzduchu), vodná plocha je teplejšia (oblasť nižšieho
tlaku vzduchu), vzduch stúpa hore a na jeho miesto sa
nasúva chladnejší suchší vzduch z pevniny. Bríza siaha
vertikálne do výšky 2 - 4 km, horizontálne (v závislosti od
teplotných a tlakových rozdielov) od niekoľkých
kilometrov
po
niekoľko
desiatok
kilometrov.
Najvýraznejšie sa prejavuje v oblastiach tropických
tlakových výší a pri studených morských prúdoch, kedy sú
kontrasty v teplote vzduchu medzi pevninou a morom
najväčšie. V týchto oblastiach má brízová cirkulácia veľký
Obrázok 1.
Schéma brízovej cirkulácie. (TN – relatívne význam. Zasahuje do pevniny, zmierňuje denné amplitúdy
nízky tlak vzduchu, TV – relatívne vysoký teploty vzduchu a zvyšuje vlhkosť, čo ovplyvňuje napr.
vegetačné pomery. Schéma brízovej cirkulácie je
tlak vzduchu). (Polčák, 2009)
znázornená na obr.1.
Bóra je studený padavý nárazový vietor podmienený reliéfom. Pri prúdení studeného vzduchu na
náveternú stranu horskej prekážky prichádza k jeho hromadeniu sa. Keď dosiahne výšku horskej
prekážky, vzhľadom na to, že je veľmi studený a ťažký,
obrovskou rýchlosťou na záveternej strane vplyvom
gravitácie padá dole. Vzniká silný studený nárazový vietor.
Názov pochádza z Dalmácie v Chorvátsku (bura), kde sa
vyskytuje najmä v chladnejšej časti roka, kedy chladný
vzduch z náhorných plošín a pohorí z vnútrozemia
prepadáva cez horskú prekážku smerom k pobrežiu
teplejšieho mora, nastáva prudké ochladenie. Pre vznik
bóry je dôležité aj rozloženie tlakových útvarov
Obrázok 2.
podporujúce prúdenie vzduchu cez horskú prekážku. Bóra
Schematické znázornenie bóry na Jadranskom je lepšie vyvinutá, ak je nad pevninou oblasť vyššieho
pobreží (Polčák a Šťastný , 2010) .
tlaku vzduchu a nad Jadranom nižšieho tlaku vzduchu.
Podobne je tomu napr. i v ruskom Novorosijsku pri pobreží Čierneho mora. Silná bóra na Jadranskom
41
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
pobreží spôsobuje napr. aj atypické naklonenie lesného porastu v smere bóry. Schematické znázornenie
bóry na Jadranskom pobreží je na obr. 2, konkrétny príklad oblasti výskytu na obr. 3, atypický sklon
lesného porastu na obr. 4.
Obrázok 3.
Obrázok 4.
Oblasti výskytu bóry na juhozápadných svahoch Atypicky sklonený porast borovíc v smere prúdenia
pohoria Biokovo v Chorvátsku.
bóry na juhozápadných svahoch pohoria Biokovo
v Chorvátsku. Vľavo sa nachádza pobrežie
Jadranského mora, vpravo pohorie Biokovo.
V Antarktíde sa silné padavé vetry označujú ako blizard, v USA je rovnakým názvom označovaný
studený silný vietor s rýchlosťou väčšou ako 15 m/s, kedy je pri zvírenom snehu dohľadnosť menšia
ako 150 m. Blizard prúdi v zime po západnom okraji tlakovej níže. Silný severný a severovýchodný
vietor na Sibíri, prúdiaci po západnom okraji tlakovej níže sa nazýva buran. Prináša cyklonálne
počasie, ktoré je v ostrom kontraste s anticyklonálnym charakterom počasia v období zimy. Prudký
severovýchodný vietor na Aljaške v zime sa označuje ako burga, silná snehová víchrica v tundrových
oblastiach severnej Európy a severnej Sibíre má názov purga. V Andách sa studené padavé vetry
označujú ako pampero (Argentína), alebo papagajo (Guatemala, Nicaragua). V doline Rhôny vo
Francúzsku často prúdi studený nárazový suchý vietor charakteru bóry s názvom mistral. Mistral sa
vyskytuje počas celého roka, najčastejšie v decembri, januári a júni. Vzniká dôsledkom presunu
azorskej tlakovej výše nad západné a stredné Francúzsko. Po jej východnom okraji prúdi medzi
pohorím Central Massif a Alpami chladný suchý vzduch. Rýchlosť prúdenia je zosilňovaná dýzovým
efektom v doline Rhôny. Spôsobuje náhle a silné ochladenie na pobreží Lyonského zálivu, niekedy aj
počas letnej turistickej sezóny. Sprievodným javom je odvievanie teplej vody pri pobreží, ktorá je
nahrádzaná studenou vodou z hĺbky. Mistral spôsobuje i vznik tzv. Janovskej cyklóny, ktorá pri
postupe na severovýchod môže
ovplyvniť počasie aj v strednej Európe
formou výdatných atmosférických
zrážok. Na Slovensku sa bóra ako
padavý studený nárazovitý vietor
vyskytuje na záveternej strane pohorí
pri vpáde studeného vzduchu od
severozápadu až severu (Tatry, Malé
Karpaty, Biele Karpaty).
Föhn, fén – je teplý padavý suchý
vietor, vyskytujúci sa na záveternej
strane horských prekážok. Jeho
pôvodný názov pochádza z Álp, kde bol
najčastejšie pozorovaný. Spočiatku
Obrázok 5.
prevládal názor, že je to teplý vietor
Schéma cirkulácie pri féne.
vanúci zo Sahary. Tento jav bol
Zdroj: www.kstst.sk/pages/vht/meteo/oblaky4.htm
pozorovaný i v iných oblastiach Zeme,
42
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
takže táto teória bola odmietnutá. Princípom vzniku je rozdielny tlak vzduchu na oboch stranách
pohorí. Na náveternej strane sa vzduch spočiatku ochladzuje podľa suchoadiabatického gradientu
(1°C/100 m). Keď dosiahne stav nasýtenia a nastane proces kondenzácie a depozície, začne sa
ochladzovať podľa vlhkoadiabatického gradientu (0,6 °C/100 m). Na náveternej strane horskej
prekážky vzniká oblačnosť a atmosférické zrážky. Na záveternej strane je vzduch suchý, klesá dole
a otepľuje sa v celom profile podľa suchoadiabatického gradientu (1°C/100 m). Výsledkom je teplejší
a suchší vzduch na záveternej strane horskej prekážky. Rozdiely medzi záveternou a náveternou
stranou môžu byť 10 i viac °C, v našich podmienkach do 5°C. Vyskytuje sa na juhozápadnom
Slovensku pri juhozápadnom prúdení (záveterná poloha Álp), v Tatrách, Nízkych Tatrách tento vietor
môžeme pozorovať i v nižších polohách napr. v oblasti Žiliny, Martina, na strednom Považí,
v Hornonitrianskej kotline, Košickej kotline, Kamenici nad Cirochou a pod. V Poľsku má názov wiatr
halny, na Slovensku sa vyskytuje v oblasti Javoriny zo severnej strany Tatier.
Horský a dolinový vietor sú vetry miestnej cirkulácie
v horských oblastiach, vyznačujú sa dennou periodicitou.
Vyskytujú sa pri radiačnom type počasia. Počas dňa sa
k Slnku privrátené svahy intenzívne zohrievajú, teplejší
ľahší vzduch stúpa hore, na jeho miesto prúdi vzduch
z doliny ako dolinový vietor (anabatické - výstupné
prúdenie, obr.6) V noci chladnejší vzduch zo svahov
steká do doliny v podobe chladnejšieho horského vetra
(katabatické - zostupné prúdenie obr.6). Schéma prúdenia
je znázornená na obr. 6. V niektorých oblastiach je táto
cirkulácia natoľko výrazná, že tieto vetry majú i svoj
názov, napr. v oblasti jazera Lago di Como v Taliansku sa
horský vietor nazýva tivano a dolinový breva.
Ľadovcový vietor prúdi nad ľadovcom alebo
firnoviskom v smere jeho spádu (katabatické prúdenie).
Vzniká ako dôsledok ochladzovania sa prízemnej vrstvy
vzduchu od ľadovca, ktorá je chladnejšia než okolie.
Stekanie chladného vzduchu je celodenné. Zaraďujeme
Obrázok 6.
Schéma vzniku katabatického a anabatického sem aj silné studené vetry vznikajúce na okraji
zaľadnenej Antarktídy.
prúdenia ( Polčák a Šťastný , 2010) .
Lesný vietor vzniká na okraji lesa dôsledkom rozdielu
teploty vzduchu medzi lesom a jeho okolím. Vanie od lesa, jeho rýchlosť nie je vysoká (do 1 m.s-1).
Tromba je malopriestorový vír v atmosfére. Rozoznávame malé a veľké tromby.
Obrázok 8.
Obrázok 7.
Malá tromba.
http://old.gemerland.sk/view.php?cisloclanku=2007090010
Veľká tromba – tornádo.
http://old.gemerland.sk/view.php?
cisloclanku=2007090010
Malé tromby sa vytvárajú od zemského povrchu ako dôsledok silného prehriatia. Ich výška dosahuje
od niekoľkých metrov po niekoľko stoviek metrov. Vyskytujú sa v lete v púštnych oblastiach, ale
i v našich zemepisných šírkach. Majú krátke trvanie od niekoľkých sekúnd po niekoľko desiatok
43
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
sekúnd. Okrem zvýšeného množstva prachu a piesku v ovzduší vzhľadom na svoju menšiu intenzitu
nespôsobujú väčšie škody (obr. 7).
Veľké tromby sa vytvárajú vo vyšších vrstvách vzduchu v nestabilnej vzduchovej hmote. Vznikajú
z búrkových oblakov nad pevninou i morom v teplých oblastiach. Vplyvom silnej rotácie vzniká veľký
rozdiel tlaku vzduchu medzi osou víru a okrajom a dochádza ku kondenzácii vodnej pary, čím sa stáva
vír viditeľný v podobe lievika visiaceho z búrkového oblaku (obr.8). Veľké tromby sú mimoriadne
nebezpečným javom. Rýchlosť prúdenia vzduchu dosahuje aj viac ako 100 m/s-1. Šírka veľkej tromby
je od niekoľkých metrov po niekoľko desiatok metrov, dráha od stoviek metrov po niekoľko
kilometrov. Každoročne spôsobujú obrovské škody na ľudských životoch a majetku. V USA majú
veľké tromby názov tornáda. Tornáda sa najčastejšie vyskytujú na jar v štátoch USA medzi
Appalačskými vrchmi a Skalnatými vrchmi na styku chladných vzduchových hmôt zo severu a zo
Skalnatých vrchov, s teplými a vlhkými vzduchovými hmotami postupujúcimi od Mexického zálivu.
V Európe sa veľké tromby vyskytujú v južných oblastiach, sú oveľa zriedkavejšie než v USA.
S globálnym otepľovaním sa atmosféry v ostatných desaťročiach sa veľké tromby vyskytujú i vo
vyšších zemepisných šírkach, boli zaznamenané napr. na Slovensku, v Maďarsku v Českej republike
i v južnom Poľsku.
Literatúra
Polčák, N., 2009. Základy klimatológie pre geografov. FPV UMB, Banská Bystrica, 116 s.
Polčák, N., Šťastný, P., 2010. Vplyv reliéfu na veterné pomery Slovenskej republiky. UMB Banská Bystrica, SHMÚ
Bratislava, 132 s.
Sobíšek, B. a kol., 1993. Meteorologický slovník výkladový, terminologický. Academia, Praha, 594 s.
Trizna, M., 2007. Meteorológia, klimatológia a hydrológia pre geografov. Bratislava : Geografika, 144 s.
Vysoudil, M., 2000. Meteorologie a klimatologie pro geografy. Univerzita Palackého, Olomouc, 282 s.
44
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Stratosférická pumpa
Anna Pribullová 1,2
1
Slovenský hydrometeorologický ústav, Poprad Gánovce, 2 Geofyzikálny ústav SAV, [email protected]
Úvod
Podľa toho, ako sa mení teplota vzduchu s výškou, možno vyčleniť v atmosfére Zeme nasledovné
vrstvy vzduchu: (1) troposféru, pre ktorú je typický pokles teploty vzduchu s výškou, (2) stratosféru,
kde teplota vzduchu s výškou rastie, (3) mezosféru, kde teplota vzduchu s rastúcou vzdialenosťou od
povrchu klesá a (4) termosférou, kde teplota vzduchu opäť rastie, ale iba v termodynamickom
význame (ako miera kinetickej energie vzduchových častíc). Stratosférou sa nazýva vrstva vzduchu
siahajúca od výšky cca 7 km (v oblasti pólov) - 18 km (v oblasti trópov) nad povrchom po cca 50 km
nad povrchom. Kým v troposfére (vrstve vzduchu, ktorá je najbližšie k povrchu Zeme) pri normálnych
meteorologických podmienkach teplota vzduchu s výškou klesá (v priemere o 6ºC/km), v stratosfére
začína teplota vzduchu s výškou rásť. V troposfére priebeh teploty vzduchu s výškou predstavuje
priaznivé podmienky pre výstupné pohyby vzduchu zohriateho od povrchu Zeme, ktoré sú zároveň
kompenzované zostupnými pohybmi relatívne chladnejšieho vzduchu k povrchu Zeme. V stratosfére
stabilné zvrstvenie teploty vzduchu zabraňuje jeho intenzívnemu vertikálnemu premiešavaniu.
Odlišný charakter stratosféry a troposféry vyjadrujú aj ich názvy. V Gréčtine slovo tropein znamená
premenlivý – a charakterizuje intenzívne premiešavanie vzduchu vo vertikálnom aj v horizontálnom
smere, ktorého následkom je tvorba oblačnosti a premenlivosť počasia, ktorej sme každodenne
vystavení pri zemskom povrchu. Latinské slovo stratus môžeme prekladať ako vrstevnatý, čo odráža
veľmi pomalé vertikálne pohyby vzduchu, ktoré v stratosfére pozorujeme. Kým dobu, za ktorú sa
vzduchová častica presunie cez celú troposféru môžeme vyjadriť v prípade intenzívnej búrkovej
činnosti v minútach a v prípade tzv. pekného počasia v dňoch, v stratosfére sa časy presunu
vzduchovej častice cez túto vrstvu vyjadrujú
v rokoch (obr. 1). Troposféru a stratosféru
oddeľuje prechodová izotermická vrstva vzduchu,
ktorá sa nazýva tropopauza. V aerológii je začiatok
tejto vrstvy presne definovaný, zjednodušene
môžeme povedať, že je to vrstva vzduchu, kde sa
pokles teploty vzduchu s výškou zastavuje – kde
sa pozoruje izotermia. V rámci stratosféry ešte
rozlišujeme spodnú stratosféru (do výšky cca 25
km), a hornú stratosféru (od výšky cca 35 km).
Vrstva medzi hladinami vo výške 25 km a 35 km
predstavuje prechodovú oblasť medzi spodnou
a hornou stratosférou. Vzostup teploty vzduchu v
Obrázok 1.
Vek vzduchu v jednotlivých oblastiach stratosféry stratosfére je spôsobený prítomnosťou ozónosféry
v januári vyjadrený v závislosti od zemepisnej šírky (vrstvy vzduchu s najväčšou koncentráciou ozónu
a nadmorskej výšky. Pod vekom sa myslí dĺžka v atmosfére Zeme) a exotermickými reakciami,
zotrvania vzduchovej častice v stratosfére od jej ktoré sú súčasťou dynamicky prebiehajúcej tvorby
prieniku z troposféry do stratosféry (WMO, 1999).
a fotochemického rozpadu molekúl ozónu.
Výskum stratosférického ozónu a dynamických
procesov, ktoré prebiehajú v stratosfére sú veľmi úzko spojené a v nasledujúcom texte sa súvis medzi
týmito javmi bude spomínať. Ozón a vodná para predstavovali prvé zložky vzduchu, ktoré sa ako tzv.
tracery („stopovacie látky“) používali na nepriamu detekciu dynamických procesov prebiehajúcich v
stratosfére (na základe globálneho rozloženia ich koncentrácie a jej variability počas roka). Tento
článok sa však nesústreďuje na problematiku fotochemizmu ozónu v stratosfére, ale na objasnenie
cirkulácie vzduchu v stratosfére a procesov, pri ktorých nastáva výmena vzduchu, medzi stratosférou a
troposférou.
História
Existencia stratosféry bola nezávisle zistená dvomi vedcami, ktorí zároveň položili základy aerológie,
45
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
(časť meteorológie, ktorá sa zaoberá výskumom tých vzduchových vrstiev, ktoré nie sú z povrchu
Zeme prístupné). Francúzsky vedec Léon Philippe Teisserenc de Bort (pôvodne vojenský dôstojník)
zistil pomocou vypúšťania balónov napustených vodíkom vybavených teplomermi, že vo výške okolo
11 km nad povrchom teplota vzduchu s výškou prestáva klesať. V roku 1902 na základe týchto
experimentov vyslovil záver, že atmosféra sa skladá z dvoch odlišných vrstiev vzduchu. Nemecký
vedec (pôvodne lekár) Richard Assmann (pôsobil na observatóriu v Lindenbergu) potvrdil existenciu
vrstvy vzduchu, kde teplota s výškou rastie a tiež to, že pozorovaný vzostup teploty vzduchu s výškou
nie je spôsobený ohrevom teplomernej nádoby slnečným žiarením. To, ako v stratosfére cirkuluje
vzduch, odhadol zo spektrofotometrických meraní množstva celkového ozónu anglický vedec Gordon
Miller Bourne Dobson. Dobson predpokladal, že vzostup teploty vzduchu s výškou v hornej stratosfére
súvisí s fotochemickým rozkladom molekuly ozónu slnečným ultrafialovým žiarením. Predpokladal,
že najväčšia koncentrácia ozónu v atmosfére by mala byť tam, kde dopadá na hornú hranicu atmosféry
najviac slnečného žiarenia – v tropickej oblasti. Merania ukazovali opak – najväčšie množstvo
celkového ozónu bolo zistené vo vysokých zemepisných šírkach. Už okolo r. 1930 Dobson
predpokladal, že v stratosfére musí existovať prenos vzduchu z tropickej oblasti do polárnych oblastí.
Nezávisle jeho teóriu potvrdil Alan West Brewer, kanadský vedec, ktorý počas II. svetovej vojny slúžil
v britských Kráľovských leteckých silách. Brewerove merania obsahu vodnej pary v stratosfére
pomocou lietadiel v roku 1949 potvrdili, že obsah vodnej pary v tejto časti atmosféry je veľmi malý,
stratosféra je suchá a vodná para výrazne neovplyvňuje radiačnú bilanciu tejto vzduchovej vrstvy.
Merania obsahu vodnej pary v stratosfére nad oblasťou Panamy však odhalili zaujímavý jav –
množstvo vodnej pary pripadajúce na jednotku objemu vzduchu tu bolo menšie, než by sa dalo čakať
podľa teploty tropopauzy v tejto oblasti. Predpokladalo sa, že obsah vodnej pary v stratosfére závisí od
toho, aká bola teplota vzduchu tropopauzy, cez ktorú pôvodom troposférický vzduch bohatý na vodnú
paru do stratosféry prenikal – závislosť tlaku nasýtenia vodnej pary od teploty). To sa dalo vysvetliť
iba tým, že vodná para pozorovaná v stratosfére nad Panamou, musela do stratosféry preniknúť cez
veľmi vysoko položenú tropopauzu s nízkou teplotou. Také vlastnosti má tropická tropopauza.
Brewerove merania tak potvrdili existenciu stratosférickej cirkulácie, ktorú predpokladal Dobson.
Dobson a Brewer usúdili že v stratosfére existuje prenos vzduchu charakteristický výstupnými
pohybmi v trópoch (pričom trópy sú oblasťou, kde do stratosféry preniká najviac pôvodom
troposférického vzduchu) a zostupom vzduchu vo vyšších zemepisných šírkach. V súčasnosti sa
veľkoškálová stratosférická výmena vzduchu nazýva termínom Brewerovsko-Dobsonovská cirkulácia
(obr. 2), alebo aj stratosférická (extratropická) pumpa. Doba, za ktorú vzduchová častica absolvuje
jeden stratosférický cirkulačný cyklus sa odhaduje na 5 rokov. Pôvodne sa predpokladalo, že nasávanie
troposférického vzduchu do stratosféry cez tropickú tropopauzu umožňuje intenzívna tvorba
búrkových oblakov, ktoré často prenikajú až do stratosféry. Ukázalo sa, že tieto procesy nie sú pre
Brewerovsko-Dobsonovskú cirkuláciu podstatné.
Stratosférická pumpa
Meridionálna
stratosférická
BrewerovskoDobsonovská cirkulácia prebieha pomaly a je vždy
výraznejšia na tzv. zimnej pologuli. V letnom období,
po skončení polárnej noci, sa táto stratosférická
cirkulácia
výrazne
spomalí.
BrewerovskoDobsonovská cirkulácia v stratosfére (obr. 2) má tri
časti – (i) oblasť s výstupnými pohybmi vzduchu
v trópoch, (ii) oblasť transportu vzduchu od trópov
k pólom v subtropických zemepisných šírkach a (iii)
oblasť zostupných pohybov vzduchu v miernom
pásme (tzv. ‘surf‘ zóna) a v polárnom pásme (polárny
Obrázok 2.
Schematické
znázornenie
Brewerovsko- vortex). Kým v oblasti miernych zemepisných šírok
zostupujúci stratosférický vzduch preniká až do
Dobsonovskej cirkulácie (Holton, 1995).
troposféry, v polárnych oblastiach zostupuje do
spodnej stratosféry (tropopauza je v polárnych oblastiach nízko, v priemere cca 7 km nad povrchom
Zeme). Najkratšou dobou zotrvania v stratosfére (obr. 1) sa vyznačujú vzduchové hmoty v spodnej
tropickej stratosfére (rádovo mesiace) a najdlhšie cirkulujú v stratosfére vzduchové hmoty, ktoré sa
46
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
zostupnými pohybmi dostali až do spodnej stratosféry mierneho a polárneho pásma (4 – 5 rokov).
Vzduch v trópoch sa z hladiny 16 - 18 km (pribl. hladina tropopauzy) dostane do hladiny 27 km až za
cca 0,5 roka. Do hornej stratosféry sa dostane iba veľmi malá časť pôvodom troposférického vzduchu,
ktorý prenikol do spodnej stratosféry – prevažná časť (90%) je do výšky 32 km transportovaná
smerom k zemepisným pólom. Hoci troposférický vzduch obsahuje veľmi málo ozónu, pri transporte
cez tropickú stratosféru koncentrácia ozónu stúpa vďaka fotochemickým reakciám. Pri pohybe
smerom k pólom, už okolo 30º severnej a južnej zemepisnej šírky sa začína prejavovať, okrem
meridionálneho pohybu vzduchu, aj zostupný pohyb. Na ozón bohatý vzduch sa pri poklese dostáva do
oblasti s väčšou hustotou vzduchu, kde je menej atómového kyslíka (UV žiarenie, ktoré spôsobuje
rozklad molekulárneho kyslíka je takmer úplne pohltené vo vyšších vrstvách atmosféry) – reakcie, pri
ktorých sa ozón rozkladá, prebiehajú zriedkavo, stredná doba života aj koncentrácia ozónu,
v porovnaní s tropickou oblasťou, rastú. Od rovníka smerom k zemepisným pólom preto pozorujeme
nárast celkového množstva ozónu a vo vyšších zemepisných šírkach sa zaznamenáva výrazný ročný
chod celkového ozónu s maximom po skončení polárnej noci na príslušnej pologuli (obr. 3).
Výraznejší meridionálny pohyb vzduchu od trópov
k pólu v zime je vyvolaný prudkým ochladením
v polárnej oblasti počas polárnej noci. Studený
vzduch klesá k povrchu nielen v troposfére, ale aj
v stratosfére. Nedostatok vzduchu, ktorý klesol
k povrchu, je v stratosfére kompenzovaný prúdením
od rovníka k pólu. Takéto ‘nasávanie’ vzduchu do
polárnej stratosféry sa nazýva aj ‘extratropická
pumpa’. Výrazný teplotný gradient medzi extrémne
studenými polárnymi oblasťami a nižšími
zemepisnými šírkami vyvoláva veľký rozdiel tlaku
vzduchu, pričom sa v polárnej stratosfére na zimnej
pologuli formuje silné západné prúdenie, ktoré
Obrázok 3.
Ročný chod celkového ozónu v Poprade- môže nadobúdať charakter jet-streamu (nočný
Gánovciach v roku 2010, dlhodobý priemer polárny jet-stream sa pozoruje vo výške cca 50 km).
vypočítaný za obdobie 1961-1990 (merania v Táto uzavretá západná cirkulácia sa nazýva polárny
Hradci Králové) a odchýlka od dlhodobého vortex. Pôvodne sa predpokladalo, že Brewerovskopriemeru (www.shmu.sk).
Dobsonovská cirkulácia, je podobne, ako to
predpokladá Hadleyho cirkulačná schéma v troposfére, vyvolaná nerovnomerným ohrevom zemského
povrchu. Neskôr sa zistilo, že táto cirkulácia môže prebiehať iba pôsobením planetárnych vlnových
pohybov vzduchu, ktoré spôsobujú vzostup vzduchu v trópoch a pokles vo vyšších zemepisných
šírkach stratosféry. Kým rozloženie teploty vzduchu v troposfére je také, že teplota klesá smerom od
rovníka k pólu (výraznejšie na tzv. zimnej pologuli), v stratosfére sa pozoruje takmer rovnomerný
pokles teploty vzduchu od pólu tzv. letnej pologule k extrémne chladnému pólu zimnej pologule.
Takéto rozloženie teploty je spôsobené tým, že stratosféra sa neohrieva iba vplyvom samotnej
insolácie (vplyv insolácie je dominantný na letnej pologuli), ale aj pri chemických procesoch vedúcich
k vzniku a rozpadu ozónu (zdroj tepla, ktorý je dominantný pre ohrev stratosféry na zimnej pologuli).
Kým na južnej pologuli sa pozoruje jednoduché zonálne rozloženie teploty vzduchu, na severnej
pologuli, najmä v zime, sa pozorujú výrazné zonálne nepravidelnosti v štruktúre poľa izoteriem
v stratosfére. To sa prejavuje intenzívnou tvorbou atmosférických vĺn na severnej pologuli, hlavne
v zime.
Prúdenie vzduchu v spodnej stratosfére a planetárne vlny
Na prenose stratosférického ozónu sa podieľajú hlavne Rossbyho stacionárne planetárne vlny.
Vznikajú vplyvom meridionálneho teplotného gradientu a pôsobením Coriolisovej sily. Na vznik
planetárnych vĺn s veľkým horizontálnym (vlnová dĺžka je rádovo 10 000 km) a vertikálnym
rozsahom (rádovo 10-ky km) tiež vplýva rozloženie terénnych prekážok, akými sú napr. veľké pohoria.
Keďže na severnej pologuli sa vyskytujú rozsiahle oblasti pevniny s vysokými pohoriami, ktoré sa
striedajú s oblasťami oceánov, aj Rossbyho vlny sú tu výraznejšie v porovnaní s južnou pologuľou,
kde v miernom pásme prevláda prítomnosť oceánu. Rossbyho vlny môžu byť stacionárne, avšak
spravidla sa pohybujú z juhovýchodu na severozápad. Dynamika Rossbyho vĺn sa medziročne mení
47
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
a s tým súvisia aj medziročné výkyvy množstva stratosférického ozónu v miernom pásme (obr.
3). Práve planetárne vlny a ich rozdielny charakter na severnej a na južnej pologuli ovplyvňujú
rozdiely vo formovaní severného a južného polárneho vortexu. Predpokladá sa, že výrazné vlnové
prúdenie na severnej pologuli pri kontakte s oblasťou polárneho vortexu (tzv. lámanie planetárnych
vĺn) narúša silné západné prúdenie vortexu a teda zabraňuje vytvoreniu studenej izolovanej
vzduchovej hmoty v okolí severného pólu. Dynamický pokles vzduchu pri vlnovom prúdení tiež
prispieva k zvýšeniu teploty vzduchu. Preto je vzduchová hmota v oblasti polárneho vortexu na
severnej pologuli teplejšia a menej izolovaná, v porovnaní s južnou pologuľou, kde polárny vortex nie
je výrazne narúšaný vplyvom planetárnych vĺn. Výrazné Rossbyho vlny na severnej pologuli tiež
spôsobujú nesymetrické umiestnenie centra polárneho vortexu, vzhľadom na zemepisný pól, pričom
centrum polárneho vortexu sa tu posúva smerom ku Škandinávii. Na južnej pologuli je centrum
polárneho vortexu totožné so zemepisným južným pólom.
Výmena vzduchu medzi stratosférou a troposférou
Vertikálne pohyby vzduchu v stratosfére, pri ktorých nastáva výmena vzduchu medzi troposférou
a stratosférou, sú vyvolané termickými vplyvmi a tiež dynamickými vplyvmi – najmä v súvislosti
s vlnovými pohybmi v atmosfére. Stratosféricko-troposférická výmena vzduchu môže prebiehať
v procesoch, ktoré sú malého rozsahu (stratosféricko-troposférická výmena vzduchu v miernom pásme
prostredníctvom blokujúcich anticyklón, výškových izolovaných cyklón a udalostí s ohybom
tropopauzy do troposféry), alebo majú veľký rozsah (veľkoškálové nasávanie troposférického vzduchu
do stratosféry v Brewerovsko-Dobsonovskej cirkulácii prostredníctvom extratropickej pumpy
a zostupné pohyby vzduchu v extratropických oblastiach). Maloškálová stratosféricko-troposférická
výmena vzduchu prebieha najmä v oblasti mierneho pásma a iba v spodnej stratosfére. Vzduch, ktorý
v mimotropických oblastiach zostúpi z hornej do spodnej stratosféry (veľkoškálové procesy) sa odtiaľ
potom dostáva do troposféry prostredníctvom lokálnych procesov malého rozsahu. Poloha tropopauzy
je ovplyvnená prítomnosťou a vertikálnym rozsahom synoptických tlakových útvarov. Blokujúce
anticyklóny umožňujú prenikanie vzduchových hmôt nižších zemepisných šírok smerom k pólom.
Keďže tieto vzduchové hmoty obsahujú menej ozónu, prítomnosť anticyklóny sa prejaví poklesom
množstva celkového ozónu. Ďalším faktorom, ktorý vplýva na pokles množstva celkového ozónu sú
zostupné pohyby a s tým spojený ohrev vzduchu v anticyklóne, ktorý sa prejaví posunom tropopauzy
do väčšej výšky. Tak sa dostáva do výšok, v ktorých je obyčajne na ozón bohatý polárny vzduch,
pôvodom subtropický vzduch s menšou koncentráciou ozónu. Väčší podiel troposférického vzduchu
v celkovom vzduchovom stĺpci v anticyklóne sa tak prejaví poklesom množstva celkového ozónu.
Výškové uzavreté cyklóny sa formujú v oblastiach deformácie troposférického jet-streamu. Ak sa
takáto oblasť nízkeho tlaku vzduchu izoluje, je v nej obsiahnutý pôvodom polárny vzduch, bohatý na
ozón, ktorý sa dostane do nižších zemepisných šírok. Takéto cyklóny sa formujú hlavne v lete, kedy
intenzívna konvekcia zabezpečuje prísun vzduchu zo spodnej troposféry až k tropopauze. Vplyv
mohutnej konvektívnej oblačnosti sa prejavuje narušením až zánikom tropopauzy. Nastáva
premiešanie vzduchu z hornej troposféry a spodnej stratosféry. Tropopauza, ktorá sa potom vytvorí až
nad vrstvou intenzívneho premiešavania vzduchu, izoluje pôvodne stratosférický vzduch s vysokou
koncentráciou ozónu v hornej troposfére. Za prítomnosti výškových cyklón tak pozorujeme
v celkovom vzduchovom stĺpci prevahu na ozón bohatého, pôvodom stratosférického vzduchu, čo sa
prejaví relatívnym vzostupom množstva celkového ozónu. Situácie, pri ktorých nastávajú intrúzie
stratosférického vzduchu do troposféry zostupom stratosférického vzduchu za troposférickým jetstreamom, sa označujú termínom ohyb tropopauzy. Takéto javy nastávajú na západnom okraji
výškových cyklón. Pozorovania ukázali, že pri takýchto situáciách sa taktiež do spodnej stratosféry
dostáva troposférický vzduch chudobnejší na ozón, ale bohatý na aerosóly a antropogénne
znečisťujúce látky. Ohyb tropopauzy je najúčinnejším procesom maloškálovej stratosférickotroposférickej výmeny vzduchu. Súvislosť medzi prítomnosťou tlakovej výše a krátkodobým
poklesom množstva celkového ozónu a naopak, vzostupom množstva celkového ozónu pri tlakovej
níži sa pôvodne mala využívať pri krátkodobých predpovediach počasia.
Atmosférické oscilácie a dynamika prenosu vzduchu v stratosfére
Krátkodobé (časová škála dní) výkyvy množstva celkového ozónu spôsobené uvedenými
synoptickými javmi predstavujú cca 10 % z celkovej variability celkového ozónu. Celkové množstvo
48
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
ozónu sa však prirodzene mení aj na dlhšej časovej škále rokov, alebo desaťročí. Periodické zmeny
cirkulácie vzduchu v rôznych častiach atmosféry ovplyvňujú hlavne dynamické procesy súvisiace
s rozložením stratosférického ozónu. Napr. vplyvom kvázi-bienálnych oscilácií (QBO) môžu
medziročné zmeny celkového množstva ozónu predstavovať viac ako 10%. QBO sa prejavujú
periodickými zmenami smeru a rýchlosti zonálneho prúdenia v tropickej stratosfére. Perióda týchto
zmien je približne 26 - 32 mesiacov. Keďže tieto periodické zmeny smeru vetra v stratosfére boli prvý
krát objavené pomocou aerologických meraní v Singapúre, tento jav sa niekedy označuje termínom
Singapúrske vetry. QBO sa prejavujú postupným poklesom hladiny, v ktorej sa pozoruje východné
prúdenie, k tropopauze, pričom vo vyššie položených hladinách je východné prúdenie postupne
nahrádzané západným prúdením. Počas jednej periódy nastane vo výškach 20 – 25 km vystriedanie
východného prúdenia západným a opačne. Východné prúdenie dosahuje väčšie rýchlosti a zotrváva
dlhšie v hornej stratosfére, naopak, západné prúdenie rýchlo “zostupuje” do spodnej stratosféry, kde sa
udrží dlhšiu dobu. QBO sa pozoruje v oblasti medzi 15º SZŠ a 15º JZŠ. Príčinou zmien západného
prúdenia na východné v tropickej stratosfére a naopak, je odovzdávanie momentu hybnosti
troposférických planetárnych vĺn po dosiahnutí tropickej tropopauzy, vzduchovým hmotám
v stratosfére (disipácia energie vlnového prúdenia). Tropická troposféra je charakterizovaná
intenzívnou konvekciou, ktorá umožňuje transport troposférických vĺn až do relatívne vysoko
položenej tropopauzy. Odovzdaný moment hybnosti prispieva k zrýchleniu/spomaleniu existujúceho
východného/západného prúdenia v spodnej stratosfére a naopak. Zatiaľ nie je jasné, aké atmosférické
vlny sa podieľajú na tejto výmene energie medzi stratosférou a troposférou. Signál oscilácií QBO je
pozorovaný tak v tropických, ako aj v extratropických meraniach celkového ozónu (Pribullová a kol.,
2006). Vplyv Južnej oscilácie (ENSO – El Niño Southern Oscillation) na ozón sa prejavuje len pri
extrémne výrazných teplých fázach ENSO, pričom v miernom pásme je zanedbateľný. V miernom
a polárnom pásme severnej pologule predstavuje dominantný mód klimatickej variability tzv. severná
arktická oscilácia (AO). AO charakterizujú rozdiely priemerného tlaku vzduchu v polárnej oblasti
a v oblasti subtropických tlakových výší severnej pologule. Za súčasť AO sa považuje zimný mód tejto
cirkulácie v severnom Atlantiku tzv. severoatlantická oscilácia (NAO). S intenzitou riadiacich
tlakových útvarov v Atlantickom oceáne súvisí aj poloha tropopauzy v tejto oblasti, čo ovplyvňuje
dynamiku vzduchu v stratosfére a krátkodobú variabilitu celkového ozónu v miernom pásme severnej
pologule.
Vplyv globálneho oteplenia na dynamiku stratosféry
Merania ukazujú, že teplota v spodnej stratosfére klesla do r. 1995 o 1 - 2 °C, vo vrchnej stratosfére o
4 – 6 °C, v ďalšom období je pokles teploty nesignifikantný. Na tomto jave sa podieľa vplyv úbytku
stratosférického ozónu, ale aj oteplenie v troposfére. Modely predpokladajú, že s globálnym oteplením
vzrastie intenzita Brewerovsko-Dobsonovskej cirkulácie. Bude to znamenať zmenu v globálnom
rozložení ozónu, pravdepodobne vzostup koncentrácie vody a metánu v stratosfére, čo bude vplývať na
koncentráciu stratosférického ozónu a na radiačnú bilanciu stratosféry. Pochopenie dynamiky a
fotochemizmu stratosféry a vyšších vrstiev vzduchu je pravdepodobne kľúčovým pre zistenie vplyvu
Slnka na variabilitu podnebia na Zemi.
Literatúra
Holton, J.R., P.H. Haynes, M.E. McIntyre, A.R. Douglass,
R.B. Rood, and L. Pfister, 1995: Stratosphere-troposphere
exchange. Revs. Geophys., 33(4), 405--439, November
1995.
Pribullová, A., Nowaková, B., Chmelík, M., 2006:
Modelling of long-term and short-term total ozone
variability at Poprad-Gánovce, Slovakia. Contributions to
Geophysics and Geodesy, 36/3, 283-303
WMO, Scientific Assessment Panel, UNEP/WMO, 1999:
Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998.
Obrázok 4.
Korelačný koeficient medzi medzi mesačným ozónom WMO, Scientific Assessment Panel, UNEP/WMO, 2004:
v Hradci Králové a indexom QBO, ktorý bol oproti Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2003.
hodnotám ozónu posunutý o 0 – 20 mesiacov
(Pribullová a kol., 2006).
49
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Meranie a modelovanie charakteristík vetra
Peter Borsányi, Štefan Soták
Slovenský hydrometeorologický ústav, Regionálne stredisko Banská Bystrica, Zelená 5,
[email protected], [email protected]
Úvod
Vietor v spodných vrstvách atmosféry je vyvolaný tromi činiteľmi: rozdielmi v barickom poli,
rozdielmi v teplotnom režime ovzdušia a geografickými odlišnosťami krajiny. Poloha a intenzita
barických cirkulačných útvarov nad Európou určuje bezprostredne rýchlosť a smer vetra aj na území
Nízkych Tatier. Teplotný režim ovzdušia v dennej dobe závislý najmä od radiačnej bilancie, je
priestorovo a časovo premenlivý a jeho vyrovnávanie určuje denný chod rýchlosti a smeru vetra.
Geografická rôznorodosť krajiny, najmä rôznosť nadmorských výšok a členitosti reliéfu výrazne
modifikuje rýchlosť a smer prúdenia vzduchu. Charakteristiky vetra sú ovplyvnené aj polohou meracej
stanice. Vietor, najmä svojimi extrémnymi prejavmi, významne ovplyvňuje vývoj ekosystémov. Silné
víchrice až orkány pri spolupôsobení ďalších prírodných a antropogénnych záťaží vyraďujú
nerezistentné a nestabilné druhy porastov a v lese dochádza k rozsiahlym vetrovým polomom.
Priestorová analýza mnohých predispozičných faktorov ovplyvňujúcich výskyt veterných kalamít sa
vyhodnocuje prostredníctvom modelovania, technológiou GIS, diaľkového prieskumu Zeme
i leteckých snímok. Týmito metódami priestorovú diferenciáciu biotických aj abiotických faktorov
ovplyvňujúcich záťaž lesných ekosystémov vyhodnotili napr. Bucha (2009), Papaj a Tuček (2007).
Priestorové pole veternosti sa takmer nevyhodnocuje. Cieľom tohto príspevku je prispieť k
hlbšiemu poznaniu priestorovej analýzy veľmi silnej veternosti ako primárneho abiotického činiteľa
vetrových polomov.
Vietor v oblasti Nízkych Tatier
Na území Nízkych Tatier je dlhodobé prístrojové meranie vetra anemografom na dvoch
meteorologických staniciach: Chopok a Telgárt. Smery a rýchlosti vetra sme vyhodnotili zo
štatistického súboru 8760 údajov za každý rok a z numerického vyčíslenia anemografických
kontinuitných záznamov. Silnú veternosť sme zhodnotili podľa častosti výskytu víchrice, silnej
víchrice, mohutnej víchrice a orkánu. Priestorovú analýzu veterných pomerov v oblasti
Kráľovohoľských Tatier sme vyhodnotili prostredníctvom modelového výpočtu WAsP (Wind Atlas
Analysis and Application Program) vyvinutého v Riso National Laboratory v dánskom Roskilde
a podľa digitálneho modelu reliéfu. Modelový priestorový výpočet veternosti sa vykonával za
priestorový celok v základnom kroku 200 x 200 m. Podkladom pre priestorovú diferenciáciu veternosti
boli homogénne údaje o prúdení vzduchu z profesionálnych meteorologických staníc Chopok
a Telgárt. Za obdobie 2000 - 2009 sme spracovali z týchto staníc priemerné častosti smerov vetra,
priemerné rýchlosti vetra z jednotlivých smerov a maximálne mesačné rýchlosti vetra. Silnú veternosť
sme zhodnotili podľa početnosti výskytu silnej víchrice, mohutnej víchrice a orkánu. Z priebehu
výskytu orkánov vo vysokohorských a predhorských polohách sme zistili najveternejšie dni za
posledných 10 rokov v oblasti Kráľovohoľských Tatier. V najveternejších dňoch sme zisťovali
priestorové vymedzenie najveternejších oblastí. Modelovým výpočtom boli zistené absolútne
maximálne nárazové rýchlosti vetra, absolútne maximálne priemerné hodinové rýchlosti vetra
a maximálne ročné stredné rýchlosti vetra s pravdepodobnosťou výskytu raz za 50 rokov. Extrémne
rýchlosti vetra spolupôsobia pri rôznych hospodárskych škodách, najmä pri veterných polomoch a tým
z hospodárskeho hľadiska sa prejavujú škodlivými účinkami. Z ekologického hľadiska vietor a ostatné
meteorologické prvky najmä svojimi extrémnymi prejavmi sa podieľajú na dynamike prírodného
výberu, a tým sa zachovávajú len tie ekosystémy, ktoré v daných krajinných, ale predovšetkým
klimatických podmienkach sú schopné reprodukcie. Výskyt silnej veternosti najmä vo vysokohorských
polohách Nízkych Tatier nie je ojedinelým javom. Výsledky práce Sotáka a Borsányiho (2007)
poukazujú, že mohutná víchrica s nárazovými rýchlosťami vetra 103 - 117 km/hod sa v týchto
polohách vyskytuje v priemere v 6 % početnosti a orkán s nárazovými rýchlosťami vetra nad 118
km/hod v priemere v 3 % početnosti. V predhoriach Nízkych Tatier je početnosť zastúpenia mohutnej
víchrice až orkánu výrazne nižšia, v priemere v 0,1 - 0,2 % početnosti. Na zoslabení veternosti
50
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
v predhorí sa výrazne podieľajú aj geografické faktory, najmä nižšie nadmorské výšky, konkávne tvary
reliéfu, zvýšená drsnosť povrchu i záveterné efekty. Extrémne hodnoty rýchlosti vetra
Zo
spracovania
maximálnych
mesačných
víchricou a orkánom na Chopku a v Telgárte v období 2000 – 2009.
nárazov
vetra
z anemografických
záznamov meteorologických
staníc za obdobie 2000 2009 (tab. 1) vyplýva, že
najväčšia
veternosť
sa
z priestorového
hľadiska
vysky-tuje
vo
vysokohorských
polohách
a z chronologického hľadiska
v zimnom polroku. Silná
veter-nosť
v lete
je
v priemere menej častejšia
a slabšia, ale občas pri
výrazných
konvektívnych
javoch spojených najmä
s vlhkými
nestabilnými
vzduchovými
hmotami
a búrkami
sa
vyskytujú
výrazné extrémne rýchlosti
vetra.
V auguste
2007
v Telgárte
i v júli
2007
v Poprade bol zaznamenaný
náraz vetra o rýchlosti 37 m/
s, t.j. 133 km/hod. so silou
orkánu. V zimnom polroku
sú extrémne rýchlosti vetra
spojené prevažne s polohou
a intenzitou
hlbokých
tlakových níži. Najmä veľký
tlakový gradient určuje smer
a rýchlosť
extrémnych
vetrov. Najväčšia nárazová
rýchlosť vetra 52,5 m/s, t. j.
189
km/hod
bola
v poslednom desaťročí na Chopku dňa 1. 2. 2007 a súvisela s výrazným tlakovým gradientom medzi
tlakovou výšou 1032 hPa nad západnou Európou a hlbokou tlakovou nížou 990 hPa nad severnou
Európou. V ročnom chode sa silné víchrice, mohutné víchrice i orkány vyskytujú najčastejšie
v zimnom polroku. Silné víchrice o nárazových rýchlostiach vetra 24,5-28,4 m/s sa vo vysokohorských
polohách vyskytujú v zime v priemere v 3-5 dňoch, v predhorí v 0,1 - 0,7 dňoch (tab. 1). V predhorí je
silná veternosť výrazne znížená a v niektorých rokoch sa tu silné víchrice nevyskytujú. Vo
vysokohorských polohách sa vo veterných rokoch (2006 - 2008) vyskytlo 50 - 60 dní so silnou
víchricou. Mohutné víchrice s nárazovými rýchlosťami vetra 28,5 - 32,6 m/s sa vo vysokohorských
polohách vyskytujú v zime obdobne často ako silné víchrice, v predhorí už len ojedinele. Za
posledných 10 rokov boli v Telgárte zaznamenané len 2 dni s mohutnou víchricou (tab. 1). V predhorí
je obdobne nízky aj výskyt orkánov s nárazovými rýchlosťami vetra 32,6 m/s a viac. Vo
vysokohorských polohách sa orkány vyskytujú najmä v zime pomerne často. V januári 2007 bolo na
Chopku 11 dní s orkánom a v januári 2008 až 13 dní s orkánom (tab. 1). Silná veternosť je výrazne
ovplyvňovaná geografickou rôznorodosťou krajiny, rôznou tvárnosťou a členitosťou reliéfu. Reliéf
modifikuje nielen rýchlosti, ale i smery prúdenia vzduchu. Najsilnejšia veternosť je spravidla
Tabuľky 1. Maximálne nárazy vetra, početnosti dní s víchricou, silnou
51
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
dosahovaná pri prevládajúcich smeroch prúdenia vzduchu a z kvadrantu západ až sever v súvislosti
s najväčšou dynamikou poveternostných procesov pri prechodoch frontálnych poveternostných
systémov a najčastejších vpádov labilných vzduchových hmôt z týchto smerov. Tieto interakcie sa
prejavujú aj v oblasti Kráľovohoľských Tatier. Najsilnejšia veternosť vo vysokohorských aj
predhorských polohách sa tu v priemere vyskytuje pri prevládajúcich smeroch prúdenia vzduchu
a z kvadrantu západ až sever (obr. 1).
Pri synergickom vplyve geografických, cirkulačných a termických
faktorov dochádza ku zosilňujúcemu
účinku
rýchlosti
vetra
najmä
v prípadoch,
keď
spravidla
najsilnejšia veternosť od západu až
severu je spojená s veľkým tlakovým
a teplotným gradientom i s orografickým zosilnením veternosti pri
súhlasnom smerovaní zúžených dolín
s týmito smermi a tiež v kombinácii
s padavým prúdením vzduchu. Pri
Obrázok 1.
súčasnej
kombinácii
týchto
Početnosť smerov a rýchlosti vetra na Chopku a v Telgárte za
zosilňujúcich faktorov sa orkánové
obdobie 2000 – 2009.
rýchlosti vetra vyskytujú nielen vo
vysokohorských, ale aj v mnohých predhorských polohách. Za posledných 10 rokov sa v oblasti
Kráľovohoľských Tatier vyskytlo 5 mimoriadne veterných dní so širším priestorovým záberom
mimoriadne silnej veternosti od predhorských až po vysokohorské polohy (obr. 2).
Rýchlosť vetra so silou orkánu bola,
okrem Chopku, zaznamenaná aspoň
v jednej z predhorských meteorologických staníc v dňoch 31. 1. 2000, 19. 11.
2004, 1. 2. 2007, 23 .8. 2007 a 27. 1. 2008.
Extrémna veternosť od západu až severu
v týchto dňoch, okrem 23. 8. 2007, bola
určovaná
polohou
a intenzitou
cirkulačných barických útvarov, najmä
Obrázok 2.
výraznými tlakovými gradientami pri
Analýza smeru a rýchlostí vetra na staniciach Chopok, Poprad orkánoch Silvio, Kyrill, Olli a Emma. Dňa
a Telgárt počas vybraných dní, kedy sa na Chopku a aj na 23. 8. 2007 bola extrémna veternosť
predhorských staniciach vyskytol vietor so silou orkánu.
spojená s konvektívnymi javmi pri
výraznom studenom búrkovom fronte a najsilnejšie rýchlosti vetra boli zo smerov juhozápad až západ.
V týchto 4 z 5 najveternejších situácií v posledných 10 rokoch sa extrémna veternosť vyskytla aj
účinkom padavého vetra. Jeho dynamický zosilňujúci účinok sa prejavuje najmä v stredohorí vplyvom
výrazných tlakových a teplotných kontrastov v spolupôsobení s orografiou. Najvýraznejšie sa vplyv
padavého vetra typu studenej bóry prejavil na záveternej strane Kráľovohoľských Tatier dňa 19. 11.
2004, kedy v Telgárte bola zaznamenaná nárazová rýchlosť vetra 39 m/s, t.j. 140 km/hod. Priestorový
rozsah silnej veternosti sme určili modelovým výpočtom WAsP. Namerané údaje o smeroch
a rýchlostiach vetra z meteorologických staníc boli týmto modelom najprv prepočítané vzhľadom
k parametrom drsnosti daného povrchu, k okolitej orografii a k prekážkam a následne prostredníctvom
digitálneho modelu reliéfu sa vymedzila veternosť v priestore. Týmto modelovým výpočtom bolo
zistené, že dňa 19. 11. 2004 sa najsilnejší vietor vyskytol vo vrcholových polohách a v stredohorských
juhovýchodných svahoch Kráľovohoľských Tatier a to najmä v ich východných častiach v okolí
Kráľovej hole (obr. 3, mapa 1). Priemerné ročné rýchlosti vetra v najveternejších vysokohorských
polohách sú v rozsahu 8 - 10 m/s, (obr. 3, mapa 2). Najsilnejší vietor zo všetkých smerov je, okrem
hrebeňových polôh tiahnúcich sa v smere JZ – SV, najmä v centrálnych vrcholových polohách
Kráľovohoľských Tatier tiahnúcich sa v smere Z – V. Nárazy vetra zo severozápadného smeru
vyskytujúce sa raz za 50 rokov dosahujú vo vysokohorských oblastiach Kráľovohoľských Tatier
prevažne rýchlosť orkánu 200-240 km/hod (obr. 3, mapa 3).
52
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
V predhoriach sú tieto extrémne rýchlosti
nižšie, ale stále dosahujú úroveň mimoriadne
silného orkánu. Táto extrémna veternosť
pôsobí na ekosystémy záťažovo svojou
dynamikou, rotačnými vírmi, turbulenciou,
ale najmä náhlym náporom tlakovej sily, ktorá
je pri týchto rýchlostiach 5 až 10 krát väčšia
ako pri bežnej víchrici, kedy už dochádza
k vývratom stromov. V prostredí, v ktorom sa
vyskytujú tieto záťaže, majú prirodzenú
reprodukčnú existenciu zabezpečenú len tie
spoločenstvá, ktoré sa daným extrémnym
klimatickým podmienkam prispôsobili.
Záver
Modelový výpočet priestorového rozloženia
a diferenciácie veternosti neumožňuje presne
určiť a preskúmať mnohé miestne, viac, alebo
menej veternejšie, lokality v dôsledku
absencie meracích staníc v stredných
horských polohách skúmaného územia
i limitujúcich podmienok samotného modelu,
ale umožňuje zo širšieho mezoklimatického
hľadiska objasniť priestorové rozloženie,
nielen
priemernej
veternosti,
ale
i maximálnej, pri zohľadnení smeru vetra
a tým výsledky modelovania umožnia nájsť
oblasti, v ktorých je možné očakávať
najväčšie riziko výskytu škôd vyvolaných
orkánom. Výsledky práce naznačujú, že silná
veternosť v oblasti Kráľovohoľských Tatier je
výrazne vyššia vo vysokohorských ako
v predhorských polohách. Napriek tomu sú aj
ekosystémy
v predhorí
sporadicky,
s pravdepodobnosťou raz za 50 rokov
vystavené silnej záťaži orkánu s okamžitými
Obrázok 3.
Priestorové zobrazenie modelových výpočtov priestorového nárazovými rýchlosťami vetra 150 - 170
km/hod. Uvedenému ničivému účinku
rozloženia rýchlosti vetra v Nízkych Tatrách.
nárazového vetra so silou orkánu môžu odolať
stabilné, zdravé porasty zodpovedajúce pôvodnej štruktúre lesa v Tatrách. Získané poznatky
o priestorovej štruktúre silnej veternosti môžu byť nápomocné pri identifikácii najviac exponovaných
lokalít ohrozených prírodným rizikom mimoriadne silnej veternosti a tým aj pre prijímanie správnych
preventívnych environmentálnych opatrení.
Literatúra
Borsányi, P., Soták, Š., 2004: Monitoring klímy SHMÚ na území Nízkych Tatier. Príroda Nízkych Tatier. Zborník referátov z 25. výročia vyhlásenia
Národného parku Nízke Tatry. NAPANT, Banská Bystrica, s.275-282.
Bucha, T., 2009: Využitie satelitných snímok pri vyhodnotení stavu a vývoja smrekových porastov na Slovensku. Životné prostredie 43, č.4, s. 230-234.
Holý, D., 1984: Veterné pomery na severných a južných svahoch Nízkych Tatier a v oblasti Chopka. Meteorologické Zprávy, 37, ČHMÚ, Praha, s. 52 58.
Huth, R., Štekl, J., 1989: Struktura pole větru pri zemi. Práce a štúdie 41, Bratislava, SHMÚ, s.115-125.
Polčák, N., Bochníček, O., 2008: Vplyv geografických faktorov na veterné pomery Horehronia. In.: Geografická revue,roč.4., č.2. FPV UMB, Katedra
geografie a krajinnej ekológie, Banská Bystrica, s. 364-374, ISSN 1336-7072.
Soták, Š., 2000: Metódy a aplikácie systémového prístupu pri priestorovej diferenciácii klímy. Geografický časopis 52, č.2
Soták, Š., Borsányi, P., 2007: Variabilita vetra v horskej krajine. In: Strelcová, K., Škvarenina, J. & Blaženec, M. eds.):Bioclimatology and natural
hazards, Polana, 17.-20.09.2007, ISBN 978-80-228-17-60-8, 5 strán.
Papaj, V., Tuček, J., 2007: Analýza faktorov ovplyvňujúcich vznik veterných kalamít smreka v oblasti Nízkych Tatier.
www.postgis.vsb.cz/GISacek2007/sbornik/papaj_gisacek07.pdf www.napant.sk/info/napant_ročenka_2004
53
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Vietor na mori
Anton Pramuk
R.C.A., Mlynská 27, Košice, [email protected]
Vietor na mori je prírodným fenoménom, ktorý sa naviac mení. Od sily ľahkých bríz až po orkán,
určuje podmienky pre plavbu ma mori. Nikto nie je tak závislý od počasia ako námorný jachtár – bez
vetra sa nedá plachtiť, v prisilnom vetre je to zase riskantné, niekedy až životu nebezpečné.
Plachetnica je takmer dokonalý vynález, ktorý využíva prirodzenú silu vetra a mora, pričom aj v
turbulentnom, nárazovom vetre je šikovný jachtár schopný udržať smer a rýchlosť plavidla. Námorník
pri jachtingu sa musí vedieť skoncentrovať nielen na vietor, ale aj na vlny a na celú dynamiku mora.
Využívaniu sily vetra na mori sa môžu venovať všetci, či už ide o deti a mládež, alebo starších ľudí.
Z histórie námornej plavby
Obchod, objavy nových kontinentov a súperenie o nové územia a trhy boli hnacími silami, ktoré zo
svetových námorných veľmocí urobili silné a prosperujúce krajiny. Kľúčom k tejto expanzii bolo
ovládnutie mora a majstrovstvo konštruktérov a námorníkov, ktorí postavili a riadili obrovské
množstvo plachetníc. Po tisíce rokov svetová doprava závisela výlučne od pohonu vetrom – teda
plachtou. V každom kúte sveta miestni obyvatelia hľadali vlastné riešenia, ako využiť silu vetra.
Začiatky sa datujú od čias, keď veľká časť ostrovov Tichého oceána bola osídlená obyvateľmi
Polynézie, ktorí na pohon svojich kanoe z vydlabaného kmeňa a člnov s vahadlom využívali lodné
plachty. Všeobecne je známe, že Číňania podnikali pravidelné pobrežné obchodné plavby po Ázii na
džunkách približne v tom istom čase. Na najstarších plachetniciach sa využívali len plachty na zadný
vietor, keď vietor fúkal v smere ich plavby. Ak sa starí Gréci chceli dostať z Atén na Krétu, využili
priaznivý miestny letný etéziový vietor nazývaný aj meltemi. Pri návrate si ale museli počkať, kým sa
zmení na južné scirocco, alebo museli pádlovať. Nie obchodníci, ale otroci, pre ktorých to boli
ozajstné galeje.
Ľudstvo potrebovalo prísť na to, ako sa plaviť proti vetru. A to sa podarilo až použitím vratiráhnovej
takeláže (oplachtenia). Východ a orient mal opäť v tomto objave pred tzv. západným svetom časový
náskok. V čase veľkých západných objavných ciest už španielske, holandské i anglické lode niesli na
sťažňoch dostatočné vratiráhnové oplachtenie, ktorým sa dokázali plaviť na bočný vietor a dokonca i
mierne proti vetru. Anglický kráľ Karol II. sa ako prvý člen kráľovskej rodiny začal zaujímať o
jachtárstvo aj ako o šport, a práve jemu vďačíme za aristokratický charakter jachtingu. Modernému
oplachteniu – takeláži, chýbalo už len odstránenie pozostatku rahnovej a lugovej plachty a nahradili sa
vysokými a úzkymi trojuholníkovými plachtami.
Vietor a vlny na mori
Búrlivé počasie si na mori vyberá svoju daň medzi plavidlami všetkých druhov, tvarov a rozmerov.
Tí, čo prežili, vedia rozprávať o nekonečných úzkostiach a strachu pri kvílení a hučaní burácajúceho
vetra v lanoví. Následné prevrátenie lode podľa analytickej štúdie vypracovanej Spoločnosťou lodných
konštruktérov USA (SNAME), spôsobujú dve charakteristické príčiny – sila vetra pôsobiaca na takeláž
(o tej sme už hovorili) a druhé nebezpečenstvo pre lode sú dôsledky vetra – vlny. A to nie všetky veľké
vlny, ale špeciálne sú to prúdové sily lámajúcich sa vĺn.
Prúdenie vody sa odchyľuje od prúdenia vzduchu o cca 45° doprava (na severnej pologuli) a jeho
rýchlosť je cca 1,5% rýchlosti vetra, pričom s hĺbkou sa prúdenie vody viac odchyľuje doprava a klesá
rýchlosť prúdenia.
Vznik a vývoj vĺn
Jachta je ďaleko od brehu, je bezvetrie a hladina je kľudná. Čo sa stane s morskou hladinou, keď sa
objaví vietor? Keby vietor tvoril dokonale pravidelný a rovnomerný prúd vzduchu a morská hladina by
bola dokonale plochá a hladká, nevznikli by žiadne vlny. K tomu, aby vlny vznikli sú nutné poryvy
vetra, ktoré morskú hladinu narušia.
Skutočný vietor je nárazový, búrlivý a vírivý - turbulentný. Ovplyvňuje morskú hladinu do výšky asi
100 metrov. Vznikajú tu turbulencie v rozsahoch od niekoľkých milimetrov po desiatky metrov. Tieto
54
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
turbulencie štartujú vlnenie mora. To je počiatočná fáza vzniku vĺn a je relatívne pomalá.
Akonáhle ale vlny na morskej hladine vzniknú, ich vývoj rýchle (exponenciálne) pokračuje. Čím je
viac vĺn, tým je morská hladina hrubšia, to vedie k väčšej turbulencii vetra, ktorý zase produkuje viac
vĺn, atď. Pochopiteľne tento proces nemôže pokračovať do nekonečna. Pre každú danú rýchlosť vetra,
či už slabého alebo silného, existuje tzv. stav nasýtenia. Je to stav, keď sa veterná energia vytvárajúca
vlny dostane do rovnováhy s úbytkom energie vĺn. Tento úbytok je spôsobený buď odbehnutím vĺn z
oblasti vzniku, alebo ich zalamovaním. Exponenciálny vývoj vĺn ale nekončí stavom nasýtenia,
pokračuje, a na krátku dobu je do vĺn prenesené toľko energie, že už ju nemôžu absorbovať. Tomuto
javu sa hovorí presýtenie a toto je pre jachty nanajvýš nebezpečné, pretože vlny sa musia zbaviť
energie väčším zalamovaním. Práve takéto vlny spôsobujú prevrátenie plavidla, zlomenie sťažňa, resp.
potopenie lode.
Nakoniec more dosiahne stabilný stav ktorý sa nezmení, pokiaľ sa nezmení smer alebo sila vetra. Ak
vietor bude naďalej zosilovať, vlny budú pokračovať vo vývoji, ak zoslabne, vlny sa znížia. Ak dôjde k
zmene smeru vetra, čo je potenciálne najhoršia situácia v extrémnych podmienkach, začnú sa na
pôvodných vlnách vyvíjať vlny nové. Výsledkom budú križujúce sa vlny, prudko sa rozvíjajúce,
nakoľko more je už zvlnené a vietor turbulentný.
Vodné častice robia pri prechode vlnou takmer kruhový pohyb. Priemer kružnice potom na povrchu
zodpovedá vzdialenosti medzi hrebeňom a dolinou vlny. Na vrchole hrebeňa sa voda pohybuje priamo
vpred, v doline priamo vzad. Od určitého bodu predného a zadného úbočia vlny sa potom voda
pohybuje priamo hore a dole. Vodné častice sa taktiež pohybujú pod povrchom, v hĺbke ktorá závisí na
dĺžke vlny. To je veľmi dôležité pre plavbu v oblastiach plytčín, ak je v smere vĺn hĺbka dna menšia
než zasahuje prúdenie vodných častíc, dotkne sa vlna dna.
Medzi dĺžkou vlny, jej periódou a rýchlosťou existuje špecifická závislosť. Vlna môže nadobudnúť
akúkoľvek výšku, ale danej dĺžke vlny prináleží iba jedna možná rýchlosť a jedna možná perióda.
Dlhé vlny sa pohybujú rýchlejšie, ako krátke (v hlbokých vodách). Ak v priebehu búrky vznikne v
určitom mieste množstvo vĺn rôznych dĺžok, dlhé opustia oblasť vzniku rýchlejšie, než krátke. To je
pôvod tzv. mŕtveho vlnenia – rýchle sa pohybujúce dlhé vlny sa môžu objaviť v predstihu pred
prichádzajúcou búrkou.
Extrémne vlny
Existujú dva druhy extrémnych – veľmi vysokých vĺn. Tie, ktoré sa môžu vytvoriť normálnym
priebehom udalostí, a tie ktoré sú vyvolané neobvyklými okolnosťami. Presnejšie povedané, v druhej
kategórii sa obvykle hovorí o „monštruóznych“ vlnách, a tými sa budeme zaoberať najskôr.
Japonský výraz tsunami nahradil názov „prílivová“ vlna (nemá nič spoločné s prílivovými javmi) a
znamená veľmi dlhú, veľmi rýchlu vlnu vyvolanú podmorskou geologickou aktivitou – vulkanickou
erupciou alebo podmorským zemetrasením. Medzi pozoruhodné prípady v histórii patria vlny
spôsobené v roku 1704 zemetrasením v Lisabone a výbuchom sopky Krakatoa v roku 1873 v dôsledku
čoho vlny prekonali Pacifik za 12 hodín, rýchlosťou 300 uzlov. Dĺžka tsunami je okolo 100 námorných
míľ (Nm) s 10 až 20 minútovými intervalmi medzi hrebeňmi. Tieto vlny sú na otvorenom oceáne
ťažko postrehnuteľné a nie sú strmé. Na lodi je človek pred ich následkami v bezpečí. Svoju
deštruktívnu silu ukazujú až keď dorazia do plytkých vôd, kedy narastú do výšky a začnú sa
zalamovať.
Tropické cyklóny (tajfúny, hurikány) vyvolávajú extrémne lokálne vlnenie mora odlišné od okolitého
priemeru. Najsilnejší vietor (so silou nad 8 stupňov Bf) a ním vyvolané najväčšie vlnenie sa obvykle
vyskytuje v oblasti s polomerom 100 Nm (námorných míľ) od stredu tropickej cyklóny. Extrémne vlny
môžu v uzavretých a polouzavretých moriach, ako je Severné more, dosiahnuť výšku 6 až 8 metrov, na
otvorenom oceáne 20 metrov a v severnom Atlantiku sa môže dokonca objaviť jednotlivá vlna s
výškou 40 metrov. Predpokladá sa, že niektoré extrémne vlny vznikajú náhodnou superpozíciou vĺn na
mori a ich výskyt je nepredvídateľný.
Silný vietor a búrlivé more
Nikto si neželá, aby ho na otvorenom mori zastihli ťažké plavebné podmienky. Ich hodnotenie bolo
často veľmi subjektívne. To viedlo k zjednoteniu klasifikácie sily vetra a stavu mora do podoby
Beaufortovej stupnice vetra. Tá je založená na empirických meraniach a popise prejavov vetra v
55
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
závislosti od pozorovaného stavu mora. Na pevnine je kategorizácia založená na fyzikálnych účinkoch
vetra pôsobiaceho na vegetáciu. Stupnica bola vytvorená v roku 1806 a jej tvorcom je Sir Francis
Beaufort – britský admirál a hydrológ narodený v Írsku.
Stupnica má 13 stupňov (od 0 do 12), najprv bola odvodená od stavu plachiet a veľkosti plachiet na
ktoré bolo možné použiť pri jednotlivých stupňoch. Až neskôr, v roku 1906, bola definovaná
Beaufortova stupnica podľa toho, ako sa prejavuje morská hladina a neskôr bola táto stupnica
rozšírená aj o prejavy vetra na pevnine. Beaufortova stupnica bola rozšírená o ďalšie stupne v roku
1940 (až po stupeň 17). Avšak stupne 13 až 17 sa využívajú len v špeciálnych prípadoch, ako sú
tropické cyklóny a tornáda. Tropické cyklóny a tornáda sú atmosférické javy, ktoré sprevádza
najsilnejší vietor a pre námornú plavbu sú mimoriadne nebezpečné.
Tabuľka 1. Beaufortova stupnica sily vetra.
Tropické cyklóny – najnebezpečnejšie javy na mori
Pasátové pásma so stálymi pravidelnými vetrami a morskými prúdmi sú najvýhodnejšie pre diaľkovú
plavbu. Obzvlášť ich vyhľadávali námorníci v čase plachetníc. No ani vtedy, keď sa s využitím
pasátov vybrali na cestu, nebolo možné vopred hovoriť o úspešnom konci plavby. Aj tu sa niekedy
lode ocitli v prudkých búrkach, pri ktorých vietor obrovskou silou prevracia hladinu oceána. Tieto
nebezpečné búrky sú v skutočnosti veľmi výrazné tlakové níže, tzv. tropické cyklóny. Tropické
cyklóny (TC) vznikajú nad oceánmi vo vzdialenosti 10º až 12º na sever alebo na juh od rovníka. Tu sa
nad prehriatou vodou koncom leta, alebo začiatkom jesene formujú oblasti nízkeho tlaku vzduchu
sprevádzané výraznou konvekciou a tvorbou búrkových oblakov. Táto vcelku nevinná prehriata
vzduchová hmota prejavujúca sa pri povrchu nízkym tlakom vzduchu sa dá do pohybu – rotačného,
obvykle ako v tlakovej níži a zároveň posuvného. Aby sa zaistila dostatočná vlhkosť a zdroj tepla pre
konvekciu, je nutné aby teplota mora bola aspoň 26 ºC. Keď vlhký horúci vzduch začne stúpať,
rozpínať sa a ochladzovať, dôjde ku kondenzácii vodnej pary a formou skupenského tepla kondenzácie
sa uvoľní ohromné množstvo energie. Malá časť stúpajúceho vzduchu sa na vrchole systému stáča do
vnútra a klesá.
Tento pokles suchého vzduchu potom vytvára bezoblačné oko cyklóny. Počiatočná trasa tropických
cyklón vedie na severnej pologuli väčšinou západným smerom, rýchlosťou až 10 až 15 uzlov s
miernym odklonom k pólom. Ak je pohyb tropickej cyklóny riadený troposférickým prúdením, v
oblasti medzi 20. a 30. rovnobežkou (v závislosti od polohy pásma subtropického vysokého tlaku
vzduchu) sa trasa TC stáča smerom k pólom pri rýchlosti TC nad 20 uzlov. Akonáhle systém opustí
tropickú cirkuláciu (Hadleyho bunku), riadenie pohybu ovládne západné prúdenie stredných
zemepisných šírok. Tropické cyklóny sa v miernych zemepisných šírkach menia na rozsiahle
extratropické tlakové níže – náhle zväčšujú svoj plošný rozsah a pri postupnom spomaľovaní rotácie a
ochladzovaní sa od povrchu sa vypĺňajú. Práve náhle zväčšenie rozsahu tropickej cyklóny je
nebezpečné pre námornú plavbu, pretože ramená TC, s veľkou rýchlosťou vetra, môžu náhle
zasiahnuť plavidlo v relatívne veľkej vzdialenosti od stredu TC, navyše celá oblasť oceánu, ktorá bola
56
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
v kontakte s týmto tlakovým útvarom sa prejavuje rozbúreným, pre rekreačnú plavbu nebezpečným
morom. Pravidlá plavby v TC neexistujú, existujú však svetové centrá monitorujúce výskyt týchto
javov http://severe.worldweather.org/tc/, ktoré vydávajú varovania na TC pre námornú dopravu (vo
varovaní sa uvádza stupeň a geografická poloha TC a predpoveď polohy TC na 24, 48 h a 72 h, vedúci
plavidla zakreslí aktuálne a predpovedané polohy TC do námornej mapy a pre bezpečnú plavbu sa
odporúča dodržiavanie tzv. trojkového pravidla, ktoré hovorí že chyba predpovede polohy TC môže
byť 100 námorných míľ, preto sa okolo predpokladanej polohy TC urobí kruh s týmto polomerom a
táto oblasť sa považuje za nebezpečnú zónu pre plavbu, rovnako sa postupuje pre predpoveď na 48 a
72 h, pričom polomer nebezpečnej oblasti sa zväčšuje na každých 24 h predpovede o 100 námorných
míľ).
Tabuľka 2. Tropické cyklóny – miestne názvy, početnosť výskytu a prejavy.
Pri pobreží TC spôsobujú najväčšie škody vtedy, keď sa presúvajú rovnobežne s pobrežím a pobrežie
zasahujú ramená TC – oblasti s búrkovou
oblačnosťou, lejakmi a extrémne silným
vetrom. Najhoršie situácie nastanú, keď sa TC
dotkne pobrežia sektorom, v ktorom je rýchlosť
vetra najväčšia – na severnej pologuli je to
pravý predný sektor, kde je výsledná rýchlosť
vetra daná súčtom rotačnej zložky rýchlosti a
posuvnej zložky rýchlosti pohybu samotnej TC.
Okrem lejakov, silného vetra a búrkových javov
spôsobuje TC pri pobreží tzv. dodatočný príliv a
zaplavenie pobrežia morom. Vydvihnutie
morskej hladiny o niekoľko metrov je vyvolané
nízkym tlakom vzduchu v TC.
TC sa klasifikujú podľa Saffir- Simpsonovej
Obrázok 1.
Na mape sú zobrazené dráhy TC zaznamenané do r. 2006 stupnice – prvým štádiom vývoja je tropická
(údaje Národného hurikánového centra USA a Spo- depresia, ďalším tropická búrka a nasledujú
ločného centra pre varovanie pred Tajfúnmi), farebne sú vývojové štádiá TC zodpovedajúce stupňom 1 odlíšené TC podľa Saphir- Simpsonovej stupnice. V 5.
juhovýchodnom Pacifiku a v Južnom Atlantiku sa TC Tropické cyklóny majú rôzne názvy podľa
nevyskytujú kvôli studeným morským prúdom.
oblasti, v ktorej vznikajú (tab. 2), napr. v
http://www.physicalgeography.net/
Austrálii sa tento jav nazýva termínom wiliwili, v oblasti Filipín sa tajfúny označujú termínom baguio, podľa mesta Baguio, v okolí ktorého sa
často formujú. Sú to sezónne javy. Svetová meteorologická organizácia, alebo svetové centrá, ktoré sa
zaoberajú monitorovaním TC prideľujú týmto systémom mužské, alebo ženské mená, podrobnosti o
pravidlách
ich
prideľovania
možno
nájsť
napr
na
tejto
internetovej
stránke:
http://www.srh.weather.gov/srh/jetstream/tropics/tc_names.htm .
Tornáda
Tornáda (veľké tromby) sa vyskytujú spolu s búrkovými (Cb), výnimočne s kopovitými (Cu) oblakmi.
Tornádom (Angl. twister) sa nazýva rotujúci stĺpec vzduchu (hoci existujú aj tornáda iných tvarov –
napr. viacnásobné tromby, alebo tromby nedosahujúce povrch) medzi povrchom a základňou oblaku s
rozsahom do cca 80 m, výnimočne do 2 km. Tornáda sformované nad vodnou hladinou sa nazývajú
vodnými smršťami, ich trvanie, rozsah a intenzita sú menšie, v porovnaní s pevninou (oblasti výskytu
– napr. Florida, severný Jadran). Tromba je viditeľná vďaka skondenzovanej vodnej pare, ale aj
57
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
čiastočkám (pôdy, vody a pod.) z povrchu, ktoré sa do rotujúceho systému dostali. Tornáda s najväčšou
silou sa často formujú z búrkových oblačných systémov – tzv. superciell – rotujúcich okolo spoločnej
osi, pričom v hladinách od 2 do 10 km nad povrchom sa nad takýmito systémami začína formovať tzv.
mezocyklóna (oblasť nízkeho tlaku vzduchu) – supercelulárne tornáda. Obyčajne v tých oblastiach
búrok, kde studený vzduch spolu s intenzívnymi zrážkami dopadá na povrch, vznikajú podmienky na
zostup mezocyklóny búrkového systému k povrchu. Ak sa mezocyklóna búrkového systému dostane k
povrchu, vzniká tornádo. Pri rotácii sa sila tlakového gradientu a odstredivá sila dostanú do
rovnovážneho stavu a vytvoria rotujúci systém tornáda. Ak je mezocyklóna búrkového systému pri
povrchu, začína nasávanie vzduchu od zemského povrchu do výšky. Ak trenie o povrch naruší
rovnovážny stav medzi odstredivou silou a silou tlakového gradientu, výsledná sila smeruje do centra
tromby – tromba zaniká. Tromba (komín, chobot) ktorá sa rozpína od základne búrkového oblaku, je v
prevažnej miere tvorená kvapalnou alebo pevnou fázou vody, pričom kondenzáciu spôsobuje pokles
tlaku v trombe. Keď rozpínanie prebieha nízko nad povrchom, odtrháva z morskej hladiny vodnú triešť
a z pevného povrchu prach a trosky. Rotácia v tornádach je obyčajne cyklonálna, asi v 1 % prípadov sa
však vyskytli aj tornáda rotujúce anticyklonálne.
Silné a divoké tornáda vznikajú väčšinou nad pevninou, kde vietor môže dosiahnuť rýchlosť až 313
uzlov. Slabé tornáda sa môžu sformovať pod rýchlo sa zväčšujúcimi búrkovými oblakmi, ktoré
vznikajú na atmosférických frontoch. Na radarových (Dopplerovské radary) snímkach sa búrkové
oblaky, z ktorých sa potenciálne môžu vyvinúť tornáda prejavujú tzv. hákovým efektom.
Pre kategorizáciu sily tornád, najmä v USA, sa zaužívala Fujitova stupnica, alebo rozšírená enhanced
Fujitova stupnica (Enhancend Fujita Scale - EFS) zohľadňujúca stupeň deštrukcie budov spôsobenej
vetrom. Je rozdelená na 6 stupňov (od 0 po 5). Prvýkrát bola použitá pri niekoľkonásobných tornádach
na Floride, kde najsilnejšie dosahovalo stupeň EFS 3a. Prvýkrát bolo stupňom EFS 5 klasifikované
tornádo z dňa 4. mája 2007 v Kanssase, až 95% mestečka Greensburg bolo zničené.
Najčastejšie sa tornáda vyskytujú v strede USA, medzi Apalačským pohorím a Skalistými horami.
Tornáda sú nebezpečné búrkovými prejavmi (elektrickými javmi, krupobitím, silným vetrom) a
prejavmi samotnej tromby – deštrukčné účinky spôsobené veľkou rýchlosťou rotujúceho vzduchu a
extrémne nízkym tlakom vzduchu (efekt vývevy). Sú to však lokálne javy s malým priestorovým
rozsahom, ktorým je možné sa na mori vyhnúť.
Záver
MORE PRAJE PRIPAVENÝM! To je základný predpoklad prežitia a príjemnej plavby na mori pre
všetkých tých, ktorí raz budú kormidlovať plavidlo k nekonečným horizontom. Neznalosť,
ľahkomyseľnosť a hazard more neodpúšťa.
Literatúra
Peter Bruce: Jachting v bouřích, Vydavateľstvo Yachting, 2010.
Mike Barton: Napni plachty, Vydavatelstvo INA, spol. s.r.o., 1997.
Steve Sleight: Jachting pre každého, IKAR, 2002.
Václav Červenka: Jachting pro radost a rekreaci, Praha 1981, ČUV ČSTV.
Petr Dvořák: Meteorologie pro plachtaře, Grada 1998.
Dagmar Kotláriková: Učený text Meteorológia pre námorných jachtárov.
Internet: wikipedia.org , http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7u.html
58
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Vplyv počasia a jeho zmien na zdravie a psychickú pohodu človeka
Zlatica Čabajová
BMP (BIOMET), Jurigovo nám.3, 84105 Bratislava, e-mail: [email protected]
Úvod
Človek a prostredie, v ktorom žije a pôsobí, tvoria biologickú jednotu. Z tohto dôvodu sa zmeny
počasia, ako aj zmeny klímy, spätne odzrkadľujú aj na ľudskom organizme. Preto si človek vytvoril
súbor zložitých regulačných mechanizmov, pomocou ktorých sa vyrovnáva s pomerne častými
zmenami životného prostredia.
Na človeka pôsobia všetky zložky atmosférického prostredia – fyzikálne, chemické aj biologické.
Veda, ktorá študuje vzájomné vzťahy medzi organizmami a vzdušným prostredím sa nazýva
bioklimatológia. Jej súčasťou, okrem iných odborov, je humánna bioklimatológia, ktorá sa delí na:
1) humánnu biometeorológiu
2) humánnu bioklimatológiu
Humánna bioklimatológia sa podorbnejšie delí podľa predmetu výskumu na meteorofyziológiu a
meteoropatológiu a na klimatofyziológiu a klimatopatológiu. Humánna biometeorológia skúma a
sleduje, ako zmeny počasia vplývajú na zdravého aj chorého človeka, ako aj na konkrétne ochorenia.
História humánnej bioklimatológie
Aj keď základy modernej bioklimatológie boli položené prevažne v posledných desaťročiach,
myšlienky o vzťahoch medzi počasím, podnebím a človekom siahajú dávno pred náš letopočet.
Za prvé vedecké dielo o vplyve počasia a klímy na ľudské zdravie možno považovať Kjótsky spis
o siatí, vodách a miestach, ktorý sa pripisuje Hippokratovi (466 - 377 p.n.l.). Bez odvolávania sa na
nadprirodzené sily Hippokrates v ňom poukazuje na vplyv poveternosti a klímy na vznik chorôb.
Vyslovil myšlienku, že niektoré charakteristické typy počasia prispievajú ku vzniku určitých chorôb.
Celsus (30 p.n.l - 50 n.l) odporúčal pri určitých ochoreniach zmenu klímy, Galenus (129 - 199 n.l.)
odporúčal horskú a púštnu klímu pre liečbu pľúcnych ochorení. Už čínsky cisár Huang-Ti napísal r.
2650 pred n.l. knihu Nei Ching vychádzajúcu z prastarej
čínskej tézy o piatich živloch a piatich ústrojoch ľudského
tela. Podľa cisára veľké teplo škodí srdcu, chlad pľúcam,
vietor pečeni, vlhko slezine a sucho obličkám, a podobne.
Neskôr rôzne vplyvy v medicíne spôsobili, že sa striedali
obdobia rozvoja a stagnovania v tejto vednej oblasti.
Začiatky lekárskej bioklimatológie v modernom ponímaní
sa datujú okolo r. 1905, kedy prof. Carl Dorno zakladá
v Davose fyzikálno-meteorologické observatórium a robí
sústavné meranie žiarenia Slnka a oblohy, ktoré slúžia ako
základ horskej klimatickej liečby. V r. 1931 si Dr.
Dôležité medzníky v histórii humánnej
Berndard De Rudder všíma najmä biologického účinku bioklimatológie na Slovensku.
atmosférických frontov na tzv. sezónne ochorenia.
Koncom štyridsiatich a začiatkom päťdesiatich rokov
badať novú vlnu záujmu o problematiku vzťahov medzi
počasím a človekom, ktorú už začali riešiť špeciálne odborné skupiny, združené napr. v bývalej NSR
v tzv. medicínsko-meteorologických strediskách. V tom čase sa začali v Nemecku v Hamburgu
vydávať medicínsko-meteorologické prognózy. Na obr. 1 sú uvedené niektoré z najvýznamnejších
etáp v rozvoji humánnej bioklimatológii u nás.
Citlivosť človeka na počasie
Vnímavosť človeka na počasie a jeho zmeny sa nazýva meteorosenzitivita. Jedná sa o vlastnosť
organizmu, prostredníctvom ktorej reaguje na zmeny počasia rôznou intenzitou, od minimálnej
citlivosti až po meteorotropné ochorenia. Organizmus ako celok odpovedá na vonkajšie vplyvy. Táto
schopnosť adaptácie pomáha živému organizmu prežiť.
59
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Každý organizmus reaguje na počasie, ale nie každá reakcia je citeľná. Prispôsobovanie sa počasiu
môže organizmus za určitých okolností vo väčšej alebo menšej miere zaťažovať. Najmä ak človek nie
je v dobrej fyzickej a psychickej kondícii, u osôb s neplnohodnotnými regulačnými mechanizmami v
dôsledku chorôb, vyčerpania, narušenia režimu práce a odpočinku, vyššieho veku a podobne. Záleží
teda najmä od zdravotného stavu, kondície, veku, pohlavia, celkových predispozícií človeka a ešte aj
na ďalších faktoroch, ako sa s týmito vplyvmi dokáže jeho organizmus vyrovnať a eliminovať ich.
Prechod atmosférických frontov totiž sprevádzajú často prudké zmeny meteorologických prvkov, ako
tlaku, teploty a vlhkosti vzduchu, rýchlosti vetra, čo kladie vysoké nároky hlavne na prispôsobovacie
(adaptačné) mechanizmy organizmu a má vplyv na výskyt a priebeh viacerých ochorení. Pri
niektorých typoch počasia je významne vyšší alebo aj nižší počet náhlych cievnych mozgových
príhod, hypertenzných kríz, kardiologických, dýchacích, alergických a reumatických ťažkostí, ako pri
iných. Niektoré typy počasia pôsobia priaznivo, iné nepriaznivo na reakčný čas, pozornosť, telesnú
a duševnú výkonnosť, kvalitu spánku. Bolesti hlavy, úrazy, psychické ochorenia sa tak isto vyskytujú
častejšie pri určitých poveternostných situáciách. Medzi ochorenia, ktoré ovplyvňuje počasie, patria
tzv. meteorotropné choroby, t. j. choroby, na ktorých vzniku a priebehu sa podieľa počasie.
Meteorotropné ochorenia možno rozdeliť do jednotlivých skupín:
- celkové chorobné príznaky a stavy
- reumatické choroby
- choroby srdcovo-cievneho systému
- psychiatrické a neurologické choroby
- choroby dýchacieho systému
- choroby zažívacieho ústrojenstva
- zápalové ochorenia
- alergické ochorenia
- choroby bližšie nezaradené
- vybrané laboratórne a pomocné parametre
Podľa štúdií, ktoré skúmali citlivosť človeka na počasie, sa v populácii nachádza 35 až 75 %
meteorosenzitívnych ľudí. Citlivosť na počasie sa prejavuje už u detí v škôlkach a školách. Často sú
nezvládnuteľné a nervózne, alebo naopak apatické a unavené. Už to je signál vplyvu počasia na ich
organizmus. U žiakov a študentov reaguje na počasie približne každý štvrtý až piaty jedinec, v
strednom veku (30 až 50 rokov) je meteorosenzitívny každý tretí, v staršom veku každý druhý
a v starobe skoro každý človek.
Slovensko je svojou vnútrozemskou polohou územím, kde dochádza k častým a prudkým zmenám
počasia. Preto aj počet obyvateľov, ktorí sú citliví na zmeny počasia, je pomerne vysoký.
Ako sa chrániť pred nepriaznivými účinkami počasia
Jednoduchá liečba meteorosenzitivity v tom zmysle, že po užití nejakého špeciálneho medikamentu
prestane byť človek meteorosenzitívny neexistuje. Ale je veľa spôsobov, ako meteorosenzitivite
predchádzať, alebo ju zmierniť. Ak reagujeme na počasie a jeho zmeny citlivo, hlavne ak sa objavujú
alebo zhoršujú zdravotné ťažkosti, je predovšetkým nutné zistiť, ako sme na tom zdravotne. Ak trpíme
na nejaké ochorenie, je potrebné udržať ho podľa možnosti stabilizované, ale môže sa objaviť aj
choroba, o ktorej nevieme, napríklad vysoký krvný tlak, cukrovka, žalúdočné vredy. Pri vhodnej
liečbe, prípadne vyliečení meteorosenzitivita ustupuje. Ak máme chronické ochorenie, je potrebné
dodržiavať všetko, čo patrí k správnej životospráve a jednoznačne dodržiavať liečebný režim, najmä
pri nepriaznivejších meteorologických situáciách, ktoré môžu nepriaznivo ovplyvniť naše ochorenie
(čo sa dozvieme z textu medicínsko-meteorologickej prognózy).
Vo výžive je potrebné uprednostňovať bielkoviny, menej cukrov a maximálne obmedzovanie tukov.
Dôležité sú minerály, vitamíny a antioxidanty. Veľkú úlohu zohráva aj primeraný denný rytmus, pod
ktorým rozumieme pravidelné striedanie práce a odpočinku. Dôležité je, aby sa, pokiaľ je to možné,
práca stala záľubou. Snažiť a o pokojné riešenie vecí, vyrovnaný, harmonický prístup k životu. Takáto
osobnosť je odolnejšia voči stresom a záťažiam, teda aj voči stresu z počasia.
Jednou z najdôležitejších vecí v prevencii meteorosenzitivity je otužovanie. Metódy otužovania pre
všetky vekové kategórie prípadne aj s prihliadnutím na zdravotný stav sú už dnes dobre prepracované.
Odporúčaná je dostatočná pohybová činnosť, samozrejme zodpovedajúca veku a zdravotnému stavu.
60
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Táto aktivuje všetky orgány organizmu a podieľa sa na zvyšovaní odolnosti voči stresu. Vhodné sú aj
fyziatrické procedúry ako bazén, sauna, masáže a elektroliečba, klimatická liečba a v ťažších
prípadoch úprava medikamentóznej liečby podľa rád ošetrujúceho lekára.
Medicínsko-meteorologická predpoveď
Medicínsko-meteorologická predpoveď sa stala stabilnou súčasťou aktuálnych informácií
v masmédiách. Má slúžiť v prvom rade ako prevencia. Ľudia, trpiaci na niektoré ochorenia, ktoré sa
zhoršujú pri danej meteorologickej situácii, majú mať pri sebe potrebné lieky (napr. astmatici,
kardiaci), šetriť sa, dodržiavať rady ošetrujúceho lekára, liečebný režim, atď. Lepšie sa čelí
nebezpečenstvu, ktoré poznáme, ako keď nás niečo prekvapí nepripravených.
Táto informácia je napríklad veľmi dôležitá ako preventívny faktor dopravnej nehodovosti. Tu hrá
veľkú úlohu, okrem možných fyzických ťažkostí, psychika, a to nielen vodiča, ale aj ostatných
účastníkov cestnej premávky. Psychické problémy, ktoré sú vo všeobecnosti považované za menej
významné, resp. neohrozujúce život daného jedinca (znížená psychická výkonnosť, poruchy
koncentrácie, neprimerané reakcie, predĺžený reakčný čas, čiže spomalené reakcie, poruchy spánku
a následná únava, mikrospánok, tlak v hlave, atď.) sa stávajú pri vedení motorového vozidla veľmi
nebezpečnými symptómami. Aj keď vodič priamo nie je meteorosenzitívny, môže mať uvedené
ťažkosti iný účastník cestnej premávky, vrátane chodca. Potvrdzujú to vedecké výskumy, ktoré ukázali
vysoko signifikantnú závislosť dopravných nehôd a niektorých typov počasia pri vylúčení tzv.
triviálnych faktorov, t.j. hmly, dažďa, poľadovice, silného vetra, atď. Jedná sa o nehody pri relatívne
dobrom až peknom počasí. Samozrejme že uvedené psychické problémy prispievajú aj k zhoršeniu
bezpečného zvládnutia triviálnych faktorov. Z tohto dôvodu sme na Slovensku dlhé roky dávali pre
vodičov aktuálnu výstražnú informáciu pri zvýšenom nebezpečenstve dopravnej nehody v rozhlasovej
relácii „POZOR ZÁKRUTA“. Tieto informácie sú dôležité aj pre pracovníkov, ktorí pri práci musia
mať maximálne presné a pohotové reakcie (prevencia pracovných nehôd a zlyhania ľudského faktora).
Pri niektorých synoptických situáciách sa významne častejšie vyskytujú aj ďalšie negatívne javy, napr.
depresie, zvýšený počet samovrážd alebo pokusov o samovraždu, väčší výskyt epileptických
záchvatov a pod. Za veľmi nepriaznivý z tohto hľadiska sa považuje výskyt föhnu (teplý suchý horský
vietor). Na Slovensku sa föhn vyskytuje zriedkavo v horských oblastiach, najmä v Tatrách, slabé
prejavy alpského föhnu boli pozorované na Záhorí.
Medicínsko-meteorologická predpoveď teda môže podstatne znížiť komplikácie pri meteorotropných
ochoreniach.
Je však dôležité si uvedomiť, že medicínsko-meteorologické prognózy sa vydávajú aj na prejavy
počasia, ktoré zdravie a psychiku človeka ovplyvňujú pozitívne. Pri viacerých poveternostných
situáciách mnohé zdravotné ťažkosti štatisticky významne ustupujú, vrátane psychických problémov.
Možná záťaž organizmu vplyvom počasia je udávaná v číselných stupňoch v rozsahu 1 – 5, kde
jednotlivé záťažové, resp. rizikové stupne znamenajú:
1 žiadna alebo slabá záťaž
2 slabá až stredná (mierna) záťaž
3 stredná (mierna)
4 stredná (mierna) až silná záťaž
5 silná záťaž
Všeobecná medicínsko-meteorologická predpoveď je určená pre týchto príjemcov:
a) orientačne pre širokú verejnosť v masovokomunikačných médiách,
b) pre špeciálne zariadenia, kde možno očakávať preventívny efekt u meteorosenzitívnych jedincov:
- stanice rýchlej zdravotnej pomoci, lekárskej služby prvej pomoci a iné
- špecializované zdravotnícke zariadenia
c) podniky dopravných služieb (uplatnenie preventívnych opatrení pri dopravných nehodách),
d) strediská vrcholového športu,
e) ďalšie vybrané podniky a inštitúcie.
Častou chybou je, že ľudia sú informovaní len o rizikovom stupni (1, 2, 3, 4, 5) a text predpovede
nepoznajú. Je potrebné vedieť, že rizikové stupne vyjadrujú len intenzitu meteorologického procesu
a teda príčinu možných zdravotných ťažkostí. Účinok počasia môže byť na jednotlivých ľudí rôzny
61
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
podľa ich zdravotného stavu, podľa ich citlivosti na počasie. Nedá sa povedať, že jednotka je pre
všetkých rovnako priaznivá a trojka pre všetkých rovnako nepriaznivá. Najdôležitejší je práve text
medicínsko-meteorologická predpovede. Posudzovať teda vplyv na zdravotný stav podľa rizikového
stupňa je zavádzajúce. Napríklad rizikový stupeň číslo tri sa dáva aj pri príleve studeného aj pri príleve
teplého vzduchu a tieto situácie majú na rôznych ľudí rôzny účinok. Pri najpriaznivejšom stupni
jednotke zas môžu mať niektorí ľudia závrate, migrénu. Podobne pri niektorých typoch počasia sa
napr. zlepšujú reumatické ochorenia, ale zhoršujú sa dýchacie problémy. Rizikový stupeň sa udáva
jednotne pre celé Slovensko, pričom jednotlivé oblasti Slovenska môžu mať rôzny typ biopočasia.
Individuálna predpoveď
V snahe aby medicínsko-meteorologická predpoveď presnejšie vystihla individuálne prejavy vplyvu
počasia na jednotlivca, bol do praxe zavedený nový produkt resp. Aplikácia - tzv. individuálna
biopredpoveď. Je dobrým pomocníkom pre meteosenzitívne osoby, ktorým prudké alebo časté zmeny
počasia komplikujú každodenný život.
Aplikácia pozostáva z krátkeho dotazníka požadujúceho údaje potrebné na výpočet individuálnej
biopredpovede. Hlavnými parametrami sú najmä región, v ktorom sa človek nachádza a typ chorôb,
ktorými trpí. Ďalšie vstupujúce kritériá sú: pohlavie, vek, kategórie hmotnosti a krvného tlaku.
Aplikácia zhodnotí záťaž na konkrétny organizmus. Okrem osobného záťažového stupňa ponúkne aj
stručnú biopredpoveď na nasledujúci deň. Individuálna biopredpoveď spresňuje na základe daných
možností a doterajších vedeckých poznatkov všeobecnú bioprognózu pre konkrétneho užívateľa.
Na spresnenie predpovede sa môže pri jednotlivých základných stupňoch objaviť aj znamienko:
+ mierne nižšia záťaž ako daný stupeň
- mierne vyššia záťaž ako daný stupeň
Individuálnu biopredpoveď, si môže každý zistiť na stránke www.biopocasie.sk. Keďže táto
predpoveď zohľadňuje osobné charakteristiky jednotlivca, dokáže konkrétne určiť, ako sa počasie
bude podieľať na jeho zdravotnom stave v priebehu nasledujúceho dňa.
Pre lepšiu predstavu spôsobu výpočtu individuálnej predpovede obr. 2 prináša vizualizáciu aplikácie
individuálnej biopredpovede.
Otestujte sa
Orientačný test poukazuje na príznaky, ktorými možno odlíšiť reakciu na počasie od prejavov chorôb,
zapríčinených inými podnetmi. Následne sú uvedené súvislosti, ktoré poukazujú na meteorosenzitivitu:
1.
príznaky citlivosti na počasie v anamnéze
2.
neprítomnosť iných možných príčin zhoršenia zdravotného stavu
3.
náhle zhoršenie zdravotného stavu u väčšieho počtu ľudí zároveň
4.
synchrónny začiatok zhoršenia zdravotného stavu a náhlych zmien počasia
5.
6.
7.
mnohotvárnosť a veľký počet symptómov zhoršenia zdravotného stavu, ktoré zobrazujú
narušenie viacerých funkcií organizmu
krátke trvanie porúch zdravotného stavu
relatívna stereotypnosť prejavov porúch zdravotného stavu u toho istého človeka pri
analogickej situácii.
Väčšina pozitívnych odpovedí znamená veľkú pravdepodobnosť viac alebo menej výrazný stupeň
meteorosenzitivity.
62
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Obrázok 2.
Internetová stránka pre individuálnu medicínsko-meteorologickú predpoveď.
63
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Vetrová kalamita v r. 2004 vo Vysokých Tatrách – príčiny, priebeh,
dôsledky a obnova postihnutého územia
Peter Fleischer
Výskumná stanica a múzeum TANAP, Tatranská Lomnica, 059 60 Vysoké Tatry, pfleischer@ lesytanap.sk
Úvod
Dňa 19.11.2004 sa Slovenskom prehnala mimoriadna víchrica, ktorá spôsobila značné materiálne
škody. Najviac postihnuté boli lesy. Objem vyvrátených a polámaných stromov sa odhadoval na 5.3
mil m3. Najviac postihnutou oblasťou boli Vysoké Tatry, kde na súvislej ploche 12 000 ha, vietor
poškodil vyše 2 mil m3 (Koreň, 2005).
Vietor je na Slovensku dlhodobo považovaný za hlavný faktor spôsobujúci škody na lesoch. Ako
uvádza Konôpka a Konôpka (2005) podľa lesohospodárskej evidencie boli na Slovensku zaznamenané
veľké škody vetrom v r. 1912, 1915 (1,3 mil m3), 1921, 1925, 1930, 1941, 1947-1949, 1964 (5 mil
m3), 1971, 1976 (1 mil m3), 1981, 1982, 1989, 1990, 1996 (1,5 mil m3). Narastajúci rozsah vetrových
kalamít v lesoch sa často vysvetľuje ich jednostranným hospodárskym využívaním. Historické
záznamy o mimoriadnych vetrových polomoch napr. z 13-teho storočia v Turci a na Liptove sú
dôkazom, že dostatočne silnému vetru neodolá ani prírodný, človekom neovplyvnený les (prales).
Škody veľkého rozsahu spôsobuje vietor s rýchlosťou vyše 150 km/h, najmä ak sa veterné počasie
skombinuje s rozmoknutou pôdou po intenzívnych alebo dlhodobých zrážkach (Gardiner et al., 2010).
Rýchlosti vetra nad 150 km/h sú našťastie pomerne zriedkavé. Stabilitu lesov voči vetru môže
zvyšovať zastúpenie ekologicky vhodných hlbokokorenných drevín, veková a priestorová
diferencovanosť porastov. Zvyšovanie stability lesov voči prírodným disturbanciám je jedným
z hlavných cieľov súčasnej Slovenskej i európskej lesníckej politiky.
Vietor je typickým prejavom horskej klímy. Vysoké Tatry tvoria mohutnú horskú bariéru a výrazne
ovplyvňujú prúdenie vzduchu. Prevládajúci vietor je SZ smeru. Na hrebeňoch Tatier je často silný
vietor (vyše 200 dní s rýchlosťou 10m/s), ale maximálne rýchlosti sú zaznamenávané na záveterných
J-JV svahoch. Mimoriadne silný, studený SZ vietor rozvracajúci lesy na stovkách až tisíckach
hektárov je označovaný ako padavý vietor s miestnym názvom bora (Konček a kol., 1974). Toto
pomenovanie zaviedol český meteorológ J. Mrkos. Padavé vetry sa vyskytujú v mnohých pohoriach na
celom svete, ktoré sú orientované kolmo na smer silných vetrov. Tam, kde sa pravidelne vyskytujú
a spôsobujú rozsiahle materiálne škody, dostali svoje meno. Tak napr. studený severný vietor bora sa
vyskytuje aj v Chorvátsku a Bosne, južný a teplý foehn v Alpách a Poľsku, Sarma je padavý vietor
v oblasti Bajkalu, Reshabar na Kaukaze, Chinok v Skalistých horách, Bohorok na Sumatre, Autan v
Pyrenejách, Haru Ichiban v Japonsku, Zonda v Argentíne.
Vetrové kalamity vo Vysokých Tatrách
Vetrovou kalamitou sa v lesníctve označuje ekonomicky alebo ekologicky významné poškodenie
lesných porastov. Veľké vetrové kalamity spôsobené borou sa na južných svahoch Vysokých Tatier
vyskytli v r. 1915, 1919, 1941, 1961, 1981 a 2004. Až do r. 2004 sa objemy poškodených stromov pri
týchto kalamitách pohybovali od 250 000 do 400 000 m3. Kalamita v r. 2004 poškodila viac lesa, ako
všetky víchrice od r. 1915 spolu (Koreň, 2005). Na základe analýzy ročných radiálnych prírastkov
najstarších doteraz nájdených stromov sa potvrdilo, že podobne rozsiahle vetrové kalamity postihli
tatranské podhorie aj okolo r. 1870 a 1820 (Zielonka et al., 2010).
Nepravidelne, ale sústavne sa opakujúce poškodenie lesov je príčinou, že lesné porasty ostávajú vo
fáze tzv. prípravného až prechodného lesa a nemôžu dosiahnuť vrcholné, klimaxové štádium
(Fleischer et al., 2009). Klimaxové spoločenstvo predstavuje rovnovážny stav medzi klimatickými,
pôdnymi a vegetačnými pomermi. Za predpokladu „bezkalamitného“ vývoja by v tejto, víchricami
postihovanej podtatranskej oblasti, boli zrejme smrekovo-jedľové lesy. V skutočnosti sa tieňomilná
a dlhoveká jedľa nemôže uplatniť. Podmienky kalamitnej plochy jej pre obnovu nevyhovujú, naopak
najlepšie sa darí listnatým pionierskym drevinám vo fáze prípravného lesa (breza, jarabina, osika)
a neskôr ihličnanom vo fáze prechodného lesa (borovica a najmä smrekovec). Počas celého
64
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
vývojového cyklu je hojne zastúpený smrek, neskôr až úplne dominuje. Tento unikátny typ lesného
spoločenstva sa vyskytuje iba vo Vysokých Tatrách ako reakcia na opakujúce sa devastačné víchrice.
Poloha porastov so zastúpením borovice a smrekovca (borovicové smrečiny Pineto Piceetum
a smrekovcové smrečiny Lariceto-Piceetum) sú na obr .1 . Z obr. je zjavná ich dobrá polohová zhoda
s obvodom kalamity v r. 2004. Aj predchádzajúce veľké vetrové kalamity sa plošne prekrývajú
s týmito lesnými spoločenstvami.
Stav lesov pred kalamitou 2004
Tatranské lesy boli pred vznikom TANAPu
(1949)
poškodzované
aj
jednostranným
hospodárskym využívaním (pastva, vypaľovanie,
ťažba dreva) . Po vzniku TANAPu sa začala
nielen systematická ochrana dovtedy človekom
nenarušených lesov, ale aj cielená rekonštrukcia
zmenených lesov a zalesňovanie holín po
minulých
prírodných
katastrofách
alebo
holoruboch (Koreň, 2005). Ako sa neskôr
Obrázok 1.
ukázalo (Fleischer et al., 2009), lesné porasty
Borovicové a smrekovcové smrečiny (oblasť vyznačená založené po kalamitách v r. 1915 a 1941 mali
žltou farbou)a vetrová kalamita 2004 (ohraničenie vysoké počty stromov a najmä vysoké zásoby
červenou čiarou).
(priemerne 2x prekračujúce skúsenosťou overenú
3
hranicu 250 m /ha). Po klimaticky extrémnej polovici 90-tych rokov (teplé a suché letá) došlo po
relatívne malých vetrových disturbanciách k mohutnému šíreniu podkôrneho hmyzu aj do dovtedy
nezvyčajných výšok (nad 1200 m n.m.). Napriek vysokej prirodzenosti tatranských porastov,
celoslovenský monitoring stavu lesov konštatoval koncom 90-tych rokov ich zlý stav a ďalší
nepriaznivý vývoj. Situáciu skomplikovala aj novela zákona o ochrane prírody, ktorá vylúčila
dovtedajšiu „sanitárnu“ ťažbu, teda likvidovanie stromov napadnutých podkôrnym hmyzom. Najmä po
menších vetrových kalamitách, ktoré postihujú tatranské lesy každoročne, sa situácia v r. 2002-2004
veľmi zdramatizovala. Na časti tatranských lesov bol v dôsledku rastúceho napadnutia porastov
lykožrútom vyhlásený stav ohrozenia. Skôr ako sa stačili realizovať opatrenia na ochranu smrekových
porastov, prišiel 19. november 2004.
Priebeh vetrovej kalamity 19. 11. 2004
Dňa 18. a 19.11.2004 sa medzi tlakovou výšou s polárnym vzduchom nad SZ Európou a tlakovou
nížou postupujúcou od JZ vytvoril mohutný frontálny systém. Na poludnie 19. 11. 2004 prechádzal
stred výraznej tlakovej níže pozdĺž 50-tej rovnobežky v sprievode víchrice na hrebeňoch Tatier.
V popoludňajších hodinách sa sformovala samostatná cyklóna medzi Českom a Slovenskom
a s rýchlosťou okolo 100 km/h narazila na masív Tatier. Cyklóna spôsobila nahromadenie studeného
vzduchu na severnej strane Tatier. V Podtatranskej kotline sa v tom čase sformovala brázda nízkeho
tlaku, čím vznikol mimoriadne veľký barický gradient. Okolo 15.30 sa začal studený vietor prevaľovať
cez tatranské sedlá a hrebene s rýchlosťou 170 km/h. Na Skalnatom plese vietor dosahoval až 190 km/
h. O 16.56 meteorologická stanica v 1500 m n.m (30 m nad terénom) zaznamenala náraz až 227 km/h.
Vietor nepoškodil porasty v najvyšších polohách, lebo sa ako vodopád preniesol ponad hrebene Tatier
a zeme sa dotkol vo výške okolo 1200-1300 m n.m. Väčšina lesných porastov bola vyvrátená, alebo
polámaná už pri prvých nárazoch vetra. Vietor so silou orkánu trval až do neskorých večerných hodín.
Pomer vývratov a zlomov bol 65:35. Až na malé výnimky, padnuté kmene ležali v smere S(SZ) –
J(JV). Podiel poškodených stromov bol: smrek 60%, borovica 8%, smrekovec 7%, jedľa 1.5%, listnaté
dreviny 7.5%. Podľa veku boli najviac poškodené porasty vo veku 60-120 rokov. Prekvapujúco vysoký
bol podiel (13%) mladých porastov do 40 rokov.
Manažment územia postihnutého kalamitou
So spracovaním kalamity tak veľkého rozsahu neboli na Slovensku skúsenosti, ktoré by sa dali
aplikovať pri súčasnom zabezpečení ochrany prírodných procesov (vyplývajúcich z faktu,
že v prírodných rezerváciách s najprísnejším (5-tym) stupňom ochrany prírody (SOP) bolo až 600 000
m3 kalamitného dreva.
65
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Na druhej strane, riziko vzniku požiarov, záplav a šírenia podkôrneho hmyzu do okolitých, vetrom
nepoškodených porastov bolo mimoriadne vysoké. Kompromisným riešením bolo ponechanie
približne 10 % kalamity úplne bez spracovania
(obr. 2) a na plochách s povoleným
spracovaním kalamity v rezerváciách sa
povinne ponechalo 10-30 % drevnej hmoty.
Tzv. nekromasa mala slúžiť k zmierneniu
mikroklimatických extrémov holej plochy
a ochrane pred stratou živín z pôdy. Celkovo tak
ostalo nespracovaných vyše 400 000 m3 dreva.
Spracovanie kalamity a následná obnova
poškodeného územia sa riadila podľa projektov
Obrázok 2.
ktoré zadalo Ministerstvo pôdohospodárstva
Lokality so zámerne nespracovanou kalamitnou hmotou. popredným
univerzitným
a výskumným
pracoviskám v spolupráci s orgánmi ochrany prírody. Projekt spracovania kalamity (kolektív, 2005)
predstavoval praktický postup spracovania polomu a vychádzal z optimálnych ťažbovo-dopravných
technológií a sprístupnenia porastov. Zalesňovanie, ochrana výsadieb a ďalšia starostlivosť o mladé
lesné porasty bola rozpracovaná v Projekte revitalizácie (Jankovič a kol., 2007). Hlavným zámerom
bolo nasmerovať lesnícku činnosť k formovaniu ekologicky stabilných lesných ekosystémov, ktoré
budú čo najlepšie plniť funkcie požadované spoločnosťou v národnom parku. Okrem environmentálnej
funkcie (ochrana prírody a životného prostredia), je tu rad ďalších služieb ako napríklad liečba,
rekreácia, turistika a šport, ale aj ekologických funkcií – hydrologická, klimatická, protierózna a pod.
Tieto funkcie optimálne plní prirodzený, fungujúci, živý les. Pre dosiahnutie stabilného a funkčného
stavu lesných porastov vo Vysokých Tatrách je nutné najmä ich prirodzené druhové zloženie a výrazná
veková, hrúbková, výšková a priestorová heterogenita. Obnova poškodených lesov predpokladá
kombináciu zalesňovania a prirodzenej obnovy. Zalesňovanie poškodeného územia bolo rozvrhnuté na
20 rokov. Pri zalesňovaní sa používa len geneticky vhodný sadbový materiál, v čoraz väčšej miere
krytokorenný. V roku 2005 bol podiel obaľovaných sadeníc 0,8 %, v roku 2006 – 7,5 %, v r. 2007 – 18
% a v r. 2008 – 24 %. Výsadby sa prednostne umiestňujú tam, kde hrozí riziko erózie, alebo kde
okolité stojace porasty predstavujú geneticky nevhodný materiál. Stromčeky sú vysádzané v skupinách
do veľkosti 0.2 ha, čím sa už od začiatku formuje mozaikovitá štruktúra budúcich lesných porastov.
V tab. 1a uvádzame plochu zalesnenú v jednotlivých rokoch a podiel vysadených drevín (zdroj: LHE
ŠL TANAP).
Tabuľka 1a.
Tabuľka 1b.
Výmera zalesnenia a podiel drevín v r. 2005-2010.
Výmera prirodzeného zmladenia a podiel drevín.
rok
2005
2006
plocha [ha]
168
285
2007
2008
2009
2010
spolu
rok
2005
2006
287
246
219
242
1447
plocha [ha]
30
487
drevina [%]
smrek
2
5
2007
2008
2009
2010
21
88
892
62
drevina [%]
9
21
31
26
15
smrek
9
56
32
33
25
18
jedľa
1
8
3
12
9
6
6
jedľa
0
1
5
6
3
5
borovica
33
20
26
9
7
12
17
borovica
0
1
0
1
2
2
smrekovec
23
27
38
37
31
37
32
smrekovec
1
1
1
10
5
6
javor
8
15
12
14
11
8
12
javor hor.
0
2
0
1
1
1
jaseň
1
5
2
2
1
2
2
jelša
0
4
9
6
5
4
jelša
0
1
0
3
1
1
1
osika
0
2
1
2
1
2
jarabina
32
6
6
0
1
0
5
breza
0
6
26
11
32
33
breza
0
3
6
1
0
1
5
jarabina
90
27
25
30
25
29
iné
0
2
1
1
2
0
1
Prirodzená obnova sa na kalamitnej ploche objavuje veľmi intenzívne. Od r. 2005 do r. 2010 pokryla
plochu 1580 ha. Na podporu ujatosti semien sa každoročne mechanickým narušením pripravuje
plocha s výmerou asi 70 ha. Druhové zloženie a výmera novovzniknutého prirodzeného zmladenia je
v tab. 1b.
66
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Pokrytie kalamitnej plochy prirodzenou obnovou možno hodnotiť ako priaznivé. Bez prirodzenej
obnovy bolo už v r. 2008 menej ako 5 %, s počtom do 1 000 jedincov.ha -1 približne 15 % kalamitnej
plochy. Na viac ako 60 % kalamitnej plochy bolo zmladenie od 5 000 do 25 000 jedincov.ha-1 (Šebeň
et al., 2010). Zdravotný stav výsadieb i prirodzeného zmladenia je v súčasnosti hodnotený ako veľmi
dobrý. Predpokladané škody jeleňou a srnčou zverou sú zatiaľ minimálne.
Ekologický výskum na kalamitnom území
Vetrová kalamita bola svojím rozsahom, ale najmä intenzitou poškodenia lesov tak mimoriadnou
udalosťou, že vyvolala veľký záujem v domácej i zahraničnej vedeckej komunite o sledovanie
ekologických zmien. Veľkým stimulom pre ekologický výskum a monitoring bolo rozhodnutie
ponechať časť kalamitného územia bez ľudského zásahu. Koordinátorom výskumu sa stala Výskumná
stanica TANAP v Tatranskej Lomnici, kde sa buduje databáza údajov o stave lesných ekosystémov od
polovice 50-tych rokov min. stor. Pre porovnávací výskum boli vybrané lokality s podobnými
pomermi (najmä nadmorská výška, sklon, pôdne, vegetačné, klimatické pomery), ktoré reprezentujú
kalamitné plochy s rôznym typom poškodenia (vietor - EXT, požiar - FIR, nepoškodený les-referenčná
plocha - REF), s rôznym manažmentom (kalamita spracovaná EXT a FIR, resp. nespracovaná - NEX).
Tieto výskumné lokality majú výmeru okolo 100 ha (Fleischer, 2008). Ich poloha je na obr. 3.
Cieľom výskumu je posúdiť aké zmeny spôsobila
vetrová kalamita a následný manažment na lesných
ekosystémoch a okolitej krajine, najmä na stave
jednotlivých prírodných komponentov (atmosféra,
hydrosféra, pedosféra, fauna, flóra) a na kľúčových
procesoch (toky látok a energie, sukcesia).
Mikroklimatické pomery
Na otvorených kalamitných plochách bol oproti
zapojenému dospelému lesu zaznamenaný nárast
priemernej ročnej teploty vzduchu o 1,2 oC; počas
Obrázok 3.
vegetačného obdobia o 2 oC. Kvôli chýbajúcej
Poloha výskumných lokalít, REF (zelená), EXT korunovej vrstve lesného porastu tu do pôdy
(žltá), FIR (červená) a NEX (modrá)
vstupovalo o 50 % viac zrážok a prenikalo
dvojnásobné množstvo slnečnej energie. Zmena evapotranspiračných pomerov bola výrazná najmä
v prvých dvoch rokoch po rozpade porastov (Fleischer a Fleischer, 2010). Dôsledkom bolo zníženie
zásob vody v pôde (Kňava et al., 2008) a prehrievanie prízemnej vrstvy vzduchu. Najmä počas
veterných, slnečných dní voda v pôdnom profile limitovala vitalitu a rezistenciu lesných drevín.
V teplých dňoch bez zrážok narastalo riziko vzniku požiarov. V lete 2005 vznikol pri Tatranských
Zruboch doteraz najväčší požiar v Tatrách. Zhorelo drevo, bylinný podrast a čiastočne aj nadložný
humus na ploche spracovávanej vetrovej kalamity s výmerou 250 ha. Od roku 2004 na vetrovou
kalamitou ovplyvnenom území vzniklo asi 20 požiarov.
Hydrologické pomery
V sledovanej oblasti sa hydrologické pomery (pomer medzi zrážkami a odtokom) po vetrovej
kalamite nezmenili. Dôvodom je najmä skutočnosť, že podstatná časť zberných oblastí jednotlivých
povodí sa nachádza v subalpínskom a alpínskom stupni a vodné toky prechádzajú cez les len na
relatívne krátkom úseku (Holko et al., 2009). Vetrovou kalamitou postihnuté územie sa nachádza
prevažne na hruboskeletnatých morénach a svahových delúviách s vysokou retenčnou kapacitou, čo
prispieva k vyrovnanosti odtokov. Eliminácia povrchového humusu na ploche požiariska a absencia
prízemnej vegetácie, prípadne rozpad machovej vrstvy na kalamitných plochách (Šoltés et al., 2007),
spôsobili v prvých rokoch po kalamite zníženie schopnosti vrchných vrstiev pôdy viazať vodu.
V porovnaní s ostatnými lokalitami tu dochádzalo k rýchlemu prevlhnutiu pôdy okamžite po zrážkovej
udalosti, no vlhkosť sa takmer rovnako rýchlo strácala. Rozvoj bylín a tráv prispel k eliminácii
extrémov vo fyzikálnych pomeroch vrchných vrstiev pôdy. Vysoká variabilita zrnitostného zloženia
a obsahu humusových látok prispievala k výraznej plošnej variabilite vlhkostných pomerov (Fleischer
a Fleischer, 2010). Tie determinujú formovanie hlúčkov (skupiniek) prirodzeného zmladenia
a mozaikovitej štruktúry budúcich porastov. K prirodzene hlúčkovej regenerácii na kalamitných
plochách tiež prispievalo zachovanie fragmentov pôvodných ekosystémov (pôda, vegetácia, mikro
67
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
a mezofauna), ktoré sú východiskom prirodzenej, rýchlej a úspešnej renaturácie (Kalúz a Ferenčík,
2008).
Pôdne pomery
Vyššia teplota vzduchu a pôdy, najmä pri zvýšenej vlhkosti, spôsobuje intenzívnu mineralizáciu
povrchového humusu. Dôsledkom je zvýšený pohyb amoniaku, dusičnanov a ďalších látok do pôdy
a do povrchových vôd. So sukcesiou vegetácie sa intenzita vylúhovania látok znižuje (Fleischer,
nepublikované). Aj toky CO2 potvrdili, že pôvodne intenzívna pôdna respirácia na kalamitnej ploche
bola postupne kompenzovaná väzbou uhlíka do bylinnej vegetácie. Priemerná ročná produkcia uhlíka
z pôdnej respirácie vo vetrom neovplyvnenom (referenčnom) poraste bola v roku 2010 okolo 7 t.ha-1,
na kalamitných plochách okolo 6 t.ha-1, bez podstatného rozdielu medzi lokalitami. (Fleischer,
nepublikované). Potvrdili to aj výsledky dokumentujúce porovnateľnú mieru pôdnej biologickej
aktivity na plochách s rozdielnym manažmentom (Gömöryová a kol., 2010).
Vegetačné pomery
V pôvodných porastoch prevládala druhovo veľmi jednoduchá, prevažne nízkobylinná vegetácia
(kyslička, čučoriedka, machy). Kalamitné plochy rýchlo pokryla trávovitá vegetácia (smlz chĺpkatý,
Callamagrostis villosa). Plochy postihnuté požiarom obsadila kyprina (Chamerion angustifolium).
Šírenie podkôrneho hmyzu
Do r. 2006 sa podkôrny hmyz vyvíjal na vývratisku, kde nachádzal optimálne podmienky, Od r. 2007
sa podkôrny hmyz presunul do stojacich porastov, najmä v okolí „nespracovaných“ lokalít. Do r. 2010
bolo podkôrnym hmyzom napadnutých a následne uhynutých vyše 6 000 ha smrekových porastov
(zdroj LHE ŠL TANAP). Suché, stojace porasty sa z dôvodu priorít ochrany prírody nechávajú bez
zásahu a stávajú sa rizikovým miestom najmä v okolí turistických chodníkov. Vietor láme suché
stromy, ktoré sú v bezzrážkovom a teplom období potenciálne vysoko ohrozené nekontrolovateľnými
požiarmi.
Záver
Vetrové kalamity sú prirodzenou súčasťou anemo-orografického systému Vysokých Tatier. Ak sa má
územie postihované padavými vetrami bezpečne využívať pre rekreačné, liečebné, turistické,
ubytovacie a pracovné účely, je nutná dlhodobá a intenzívna starostlivosť o lesy, ktoré sú prirodzenou
a neodmysliteľnou súčasťou tatranského prostredia. Prírodným podmienkam zodpovedajúce druhové
zloženie lesných porastov, ich výrazne diferencovaná veková, výšková a priestorová heterogenita sú
jedinou šancou na zmiernenie dopadov silných vetrov na prírodné prostredie Vysokých Tatier.
Literatúra
Fleischer, P., 2008: Windfall research and monitoring in the Tatra Mts, objectives, principles, methods and current status. Contributions to Geophysics and
Geodesy, 38: 233–248
Fleischer, P., Koreň, M., Škvarenina, J., Kunca, V., 2009: Risk assessment of the Tatra Mts forest. Bioclimatology and natural hazards. Springer, p.145-154
Fleischer, P., Fleischer, P. ml., 2010: Vlhkosť pôdy v r. 2009 v porastoch postihnutých vetrovou kalamitou vo Vysokých Tatrách. Zborník z konferencie
Vplyv vetrovej kalamity na lesy vo Vysokých Tatrách. TU Zvolen, s. 21–31.
Gardiner, B. et al.,2010: Destructive storms in European Forests: Past and Forthcoming Impacts. Report for EC-DG Environment, European Forest
Institute, Finland, 138 pp
Gomoryová, E. et al., 2010: Vývoj mikrobiálnej aktivity pôd na kalamitných plochách TANAPu. Zborník Vplyv vetrovej kalamity na vývoj lesných
porastov vo Vysokých Tatrách, Technická univerzita vo Zvolene, s. 33–41
Holko, L., Hlavatá, H., Kostka, Z., Novák, J., 2009: Hydrological regimes of small catchments in the High Tatra Mts before and after extraordinay windinduced deforestation. Folia Geographica, series Geographica Physica, XI., 33–44.
Jankovič, J. et al., 2007: Projekt revitalizácie lesných ekosystémov na území Vysokých Tatier postihnutom veternou kalamitou dňa 19.11.2004, Národné
lesnícke centrum Zvolen, 75 s.
Kalúz, S., Ferenčík, J., 2008: Pôdne roztoče kalamitných plôch vo Vysokých Tatrách. Zborník Pokalamitný výskum 2008, VSaM T. Lomnica, s.108–119
Kňava, K., Novák, V., Orfánus, T., Majerčák, J., 2008: High Tatra forest structure changes and their influence on rain interception and some components
of water balance. Contribution to Geophysics and Geodesy, 38: 293-304
Kolektív, 2005: Projekt na spracovanie následkov vetrovej kalamity z 19. 11. 2004 v pôsobnosti ŠL TANAPu, MP SR, Bratislava, 38 s.
Konček, M. a kol., 1974: Klíma Tatier. Veda Bratislava, 856 s.
Konôpka, J., Konôpka, B., 2005: Živelné pohromy, ich príčiny a dôsledky. Zborník referátov Aktuálne problem lesa, Banská Štiavnica, s.26-36
Koreň, M., 2005: vetrová kalamita 19.11.2004-nové pohľady a konsekvencie. Tatry, mimoriadne vydanie, s7-28
Šebeň, V., Kula, L., Jankovič, J., 2010: Analýza výskytu, množstva a štruktúry odumretého dreva na tatranskom kalamitisku. In: Tužinský L., Gregor J.
(eds), Vplyv vetrovej kalamity na vývoj lesných porastov vo Vysokých Tatrách, Zborník recenzovaných vedeckých prác, TU Zvolen, s. 75–83
Šoltés, R., Homolová, Z., Kyselová, Z., 2008: Sekundárna sukcesia na kalamitných plochách vo Vysokých Tatrách v r. 2005-2007, Manuscript, Výskumná
stanica a múzeum TANAP, T. Lomnica, 23 s.
Zielonka T., Holeksa J., Fleischer P., Kapusta P. 2010. A tree-ring reconstruction of wind disturbances in the mountain forest of the Slovakian Tatra
Mountains, Western Carpathians. Journal of Vegetation Science 21: 31-42
68
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Zmena mikroklimatických pomerov kalamitnej plochy TANAP-u
František Matejka
Slovenská bioklimatologická spoločnosť pri SAV, Bratislava, [email protected]
Úvod
Dňa 19. novembra 2004 sa nad oblasťou Vysokých Tatier prehnala ničivá víchrica s devastačnými
účinkami na lesné porasty. Tento zriedkavý meteorologický jav ovplyvnil povrch krajiny na rozsiahlej
ploche s dĺžkou približne 50 km a šírkou asi 2,5 km. Na tomto páse sa dramaticky zmenil charakter
porastu, pričom boli pôvodné zapojené lesné porasty s vekom 40 – 110 rokov postupne nahradené
nízkou vegetáciou. Táto skutočnosť vyvolala viacero otázok súvisiacich s dôsledkami ničivej víchrice
na niektoré zložky životného prostredia kalamitnej oblasti. Spomenuté otázky boli silnou motiváciou
pre viaceré domáce aj zahraničné výskumné inštitúcie, ktoré sa, koordinované Výskumnou stanicou ŠL
TANAP-u v Tatranskej Lomnici, zapojili do výskumu prírodných pomerov v kalamitnej oblasti a na
základe získaných výsledkov sa ich snažili zodpovedať.
Okrem iného, sa dalo odôvodnene očakávať, že zmeny charakteristík zemského povrchu môžu mať za
následok aj zodpovedajúcu modifikáciu mikroklímy, čim rozumieme krátkodobý režim počasia nad
relatívne malými oblasťami, kde ide najmä o teplotné, vlhkostné a veterné pomery v oblasti
postihnutej veternou kalamitou počas niekoľkých rokov nasledujúcich po nej. V odbornej literatúre
možno v súčasnosti nájsť len veľmi málo informácií o mikroklimatických pomeroch veterných
polomov a kalamitných oblastí. Takáto absencia informácií je celkom pochopiteľná jednak vzhľadom
na zriedkavý výskyt mimoriadne silného vetra s tak výraznými účinkami na povrch postihnutej oblasti,
ako mala víchrica zo dňa 19. novembra 2004 a tiež na to, že v čase krátko po takejto udalosti je
potrebné prioritne riešiť praktické problémy, ktoré vznikli po veternej kalamite a tak základný výskum
ustupuje v týchto fázach čiastočne do úzadia. Napriek tomu však pracovníci Oddelenia fyziky
atmosféry Geofyzikálneho ústavu SAV už na jar v roku 2005 podali v rámci všeobecnej výzvy
Agentúry pre podporu výskumu a vývoja návrh projektu, ktorý mal zodpovedať otázky týkajúce sa
zmien mikroklimatických pomerov kalamitnej oblasti, vzniknutej po víchrici, ktorá 19. novembra 2004
postihla Vysoké Tatry. Po schválení návrhu projektu, experimentálna časť jeho realizačnej fázy začala
na jar roku 2006. Predložený príspevok obsahuje výsledky, umožňujúce na základe údajov, ktoré boli
získané počas riešenia tohto projektu, posúdiť zmeny mikroklimatických pomerov kalamitnej oblasti
Vysokých Tatier a súčasne odpovedá na otázku, ako môže mimoriadne silný vietor s devastačnými
účinkami ovplyvniť mikroklimatické pomery kalamitnej plochy.
Materiál a metódy
Experimentálne podklady potrebné pre riešenie formulovaného problému boli získané počas obdobia
máj - september 2006 na štyroch experimentálnych plochách, s označením FIR, EXT, NEX a REF,
vytýčených vo vnútri oblasti Vysokých Tatier, ktorá bola v novembri roku 2004 postihnutá ničivou
víchricou, v lokalitách s porovnateľnou nadmorskou výškou a s približne rovnakými pôdnymi a
morfologickými podmienkami (obr.1).
Prvá z nich označovaná v ďalšom texte ako FIR, je situovaná v nadmorskej výške 1000-1200 m n. m.
nad cestou spájajúcou Nový Smokovec s Tatranskou Poliankou, v lokalite, ktorá bola, okrem ničivej
víchrice v novembri 2004, postihnutá o pol roka neskôr aj pomerne rozsiahlym požiarom, ktorého
stopy boli zreteľné aj v období analyzovanom v tejto štúdii. Plocha sa nachádza na miernom
juhovýchodne orientovanom svahu so sklonom 5 až 10o. Pôdne pomery sa v pôdnom profile výrazne
menia so zmenou hĺbky. Povrchová organická vrstva pôdy o hrúbke 5 až 10 cm je v nižších hladinách
vystriedaná kameňmi a vysoko priepustnou piesčito-hlinitou pôdou, ktorá vypĺňa priestory medzi nimi
(Kňava, a kol., 2007). Vo vegetačnom období roku 2006 sa na tejto ploche vyskytoval smlz chĺpkatý
(Calamagrostis villosa) spolu s kyprinou úzkolistou (Chamaenerion angustifolium).
Druhou plochou, ktorá svojimi geografickými podmienkami, charakterom klímotvorného povrchu a
rastlinným porastom reprezentovala v hodnotenom období veľkú časť kalamitnej oblasti je plocha
EXT so spracovanou kalamitou, ktorá sa nachádza v nadmorskej výške 1040-1260 m n.m. nad
lokalitou Danielov dom. Táto experimentálna plocha je situovaná na miernom južne orientovanom
69
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
svahu s priemerným sklonom 10º. Analyzovaný porast pozostával z viacero druhov bylín a tráv, na
ploche sa vyskytoval hlavne smlz chĺpkatý (Calamagrostis villosa) a ďalej metluška krivolaká
(Avenella flexuosa), brusnica čučoriedková (Vaccinium myrtillus) a kyprina úzkolistá (Chamaenerion
angustifolium). Pôdne pomery sú veľmi podobné situácii na ploche FIR.
Obrázok 1.
Pohľad na experimentálne plochy REF (vľavo hore – pohľad z meteorologickej
veže), EXT (vpravo hore) NEX (vľavo dolu) a FIR (vpravo dolu).
Tretia výskumná plocha s označením NEX leží v nadmorskej výške 1050-1150 m. n. m. v oblasti nad
Tatranskou Lomnicou a zodpovedá situácii, v ktorej bol lesný porast (70% smrek 20% borovica, 10%
červený smrek), značne poškodený víchricou, ponechaný na samovývoj bez lesníckych zásahov.
V podraste sa vyskytuje smlz chĺpkatý (Calamagrostis villosa) a brusnica čučoriedková (Vaccinium
myrtillus). Pôdne pomery pripomínajú situáciu na ploche EXT.
Pre porovnanie boli v rovnakom časovom období využité aj výsledky meraní meteorologických
prvkov vykonávané v zachovanom referenčnom lesnom porastom a nad ním na výskumnej ploche v
lokalite Smrekovec, označovanej ďalej ako plocha REF, nachádzajúcej sa v nadmorskej výške (11001250 m n.m.) na juhovýchodne orietovanom svahu so sklonom 10-20%. Jej dominantným porastom je
smrek obyčajný (Picea abies [L.] Karst), s približne 80 percentným zastúpením, doplnený červeným
smrekom (Larix decidua Mill.). Pôdne pomery sú opäť podobné situácii na ostatných troch
výskumných plochách.
Na každej z týchto výskumných plôch boli nainštalované meracie zariadenia umožňujúce
automaticky monitorovať, okrem ďalších environmentálnych charakteristík, aj hodnoty vybraných
meteorologických prvkov, poskytujúce základné informácie o mikroklimatických pomeroch rôznych
oblastí TANAP-u, postihnutých v novembri roku 2004 ničivou víchricou. Vzhľadom na to, že snehová
pokrývka unifikuje charakteristiky klímotvorného povrchu a tým minimalizuje rozdiely v energetickej
bilancii referenčného porastu a kalamitných plôch, pre ďalšiu analýzu bolo vybrané obdobie od
začiatku mája do konca septembra 2006, kedy sa s výnimkou prvých májových dní snehová pokrývka
na sledovaných výskumných plochách nevyskytovala a teda možno v tomto čase očakávať výrazné
zmeny mikroklimatických pomerov. Z tohto obdobia boli štatisticky spracované výsledky meraní
teploty a vlhkosti vzduchu, vykonávane pomocou automatických meracích systémov vo výške 2 m nad
zemským povrchom na plochách EXT, RIR a NEX, a výsledky meraní teploty a vlhkosti vzduchu
z plochy REF, vykonávané na meteorologickom stožiari vo výške 30 m nad zemským povrchom, čo
približne zodpovedá výške 2 m nad hornou hranicou korún stromov. Získané výsledky boli použité
ako podklady pre posúdenie mikroklímy jednotlivých častí kalamitnej oblasti Vysokých Tatier.
70
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Výsledky a diskusia
Už skôr sa zistilo, že zmeny klimaticky aktívneho zemského povrchu spôsobené v novembri 2004 vo
Vysokých Tatrách silnou víchricou významne ovplyvnili výmenu tepla a vodnej pary medzi povrchom
kalamitnej oblasti a najnižšími vrstvami ovzdušia najmä v letnom polroku, kedy sa v tatranskej oblasti
väčšinou nevyskytuje snehová pokrývka a zemský povrch pohlcuje značné množstvo naň
dopadajúceho slnečného žiarenia. Vzhľadom na to, že zemský povrch predstavuje pre atmosféru jediný
zdroj vodnej pary a dominantný zdroj tepla, všeobecne má výmena hmoty a energie medzi zemským
povrchom a atmosférou veľký význam z hľadiska vytvárania špecifickej mikroklímy danej oblasti.
Z výsledkov stanovenia výmeny tepla medzi zemským povrchom a atmosférou v kalamitnej oblasti na
prvý pohľad vidieť, že situácia nad jednotlivými experimentálnymi plochami bola dosť rozdielna (obr.
2).
Obrázok 2.
Mesačné sumy turbulentného toku tepla (vľavo) a hmotnosti vody, vyparenej z pôdy a porastu (vpravo) na
štyroch experimentálnych plochách v kalamitnej oblasti v období máj – september 2006.
Počas celého hodnoteného obdobia, zo všetkých štyroch sledovaných plôch, najmenej tepla odovzdal
do atmosféry víchricou nepoškodený referenčný lesný porast. Najviac tepla sa do najnižších vrstiev
ovzdušia dostalo z experimentálnej plochy so spracovanou kalamitou EXT, s výnimkou mesiaca
septembra, kedy prvenstvo v tomto smere patrí ploche FIR, na ktorej sa v roku 2005 vyskytol
pomerne rozsiahly požiar. Plocha NEX, ktorá bola ponechaná bez lesníckych zásahov sa z hľadiska
výmeny tepla medzi zemským povrchom a atmosférou spomedzi všetkých štyroch výskumných plôch
najviac približovala k zachovanému referenčnému lesnému porastu. Vzhľadom na to, že mesačné
sumy turbulentného toku tepla prezentované v ľavej časti obr. 2 sa pre jednotlivé výskumné plochy
navzájom význame líšia a podmienky pre horizontálnu advekciu tepla a vodnej pary sú na všetkých
sledovaných plochách veľmi podobné, možno očakávať, že sa tieto rozdiely v tokoch tepla prejavia aj
v odlišných teplotných pomeroch nad sledovanými výskumnými lokalitami.
Množstvo vody vyparenej zo sledovaných výskumných plôch tiež vykazovalo počas celého
hodnoteného obdobia významné rozdiely spôsobené rôznou rezistenciou vyparujúceho povrchu pre
prenos vodnej pary do atmosféry a tiež rozdielmi vo vlhkosti pôdy na jednotlivých výskumných
plochách (obr. 2 vpravo). Vo všetkých mesiacoch sledovaného obdobia sa najviac vody vyparilo
z povrchu výskumnej plochy REF, pričom denný priemer evapotranspirácie (výparu z pôdy
a z povrchu rastlín) za celé sledované obdobie dosiahol na tejto ploche hodnotu 2,159 kg m-2. Dosť
podobná situácia sa z hľadiska výparu vyskytovala na výskumnej ploche NEX, kde sa denný priemer
evapotranspirácie rovnal 2,018 kg m-2. Na zostávajúcich dvoch výskumných plochách sa za rovnaké
obdobie vyparilo z ich povrchu podstatne menej vody, keď na ploche EXT denný priemer
evapotranspirácie poklesol na 1,885 kg m-2 a na ploche FIR len na 1,775 kg m-2. Tieto výsledky
naznačujú, že v priemere za celé sledované obdobie sa najviac vodných pár dostáva do atmosféry z
výskumnej plochy REF, len o málo menej z plochy NEX, s výraznejším odstupom potom nasledujú
plochy EXT a FIR.
Pre posúdenie mikroklimatických pomerov na jednotlivých výskumných plochách boli porovnané
vybrané štatistické charakteristiky teploty vzduchu a absolútnej vlhkosti vzduchu namerané vo výške 2
71
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
m v období máj – september 2006 nad klimaticky aktívnym povrchom jednotlivých výskumných plôch
(tab. 1).
Teplota
vzduchu [ºC]
REF
EXT
NEX
FIR
Priemer[ ºC]
12,7
14,2
13,4
13,7
Minimum
[ºC]
3,7
5,3
4,5
4,2
Maximum
[ºC]
23,5
Str. kv. odch.
[ºC]
3,5
25,9
25,0
26,9
Absolútna vlhkosť
vzduchu
[g m-3]
REF
EXT
NEX
FIR
Priemer [g m-3]
7,8
8,4
8,4
8,2
Minimum [g m-3]
3,8
4,2
4,6
4,7
Maximum [g m ]
13,1
13,7
13,1
13,1
1,5
1,7
1,6
1,5
-3
3,8
3,7
4,2
-3
Str. kv. odch.[g m ]
Tabuľka 1
Štatistické charakteristiky teploty vzduchu (vľavo) a absolútnej vlhkosti vzduchu (vpravo) vo výške 2 m nad
klimaticky aktívnym povrchom sledovaných výskumných plôch v kalamitnej oblasti v období máj – september
2006.
Výsledky štatistickej analýzy mikroklimatických charakteristík na štyroch výskumných plochách,
prezentované v tab. 1, poukazujú na skutočnosť, že v kalamitnej oblasti boli zaznamenané v priemere
vyššie hodnoty teploty vzduchu v porovnaní so situáciou nad neporušeným referenčným porastom, a to
o 0,7 oC na ploche NEX, o 1,0 oC na ploche FIR a až o 1,5 oC na ploche EXT. Súčasne s nárastom
priemerných teplôt vzduchu sa nad kalamitnou plochou zvýšila aj časová premenlivosť tohto
meteorologického prvku, o čom svedčia hodnoty strednej kvadratickej odchýlky uvedené v poslednom
riadku tabuľky 1. V súvise s tým narástli aj denné maximá a denné amplitúdy teploty vzduchu nad
kalamitnou plochou v porovnaní s referenčným porastom. V konečnom dôsledku to znamenalo, že
počas hodnoteného obdobia sa na ploche EXT 123-krát vyskytla priemerná hodinová teplota vzduchu
vyššia o viac než 4 oC v porovnaní s referenčným porastom, na ploche FIR priemerná hodinová teplota
vzduchu prekročila o viac než 4 oC zodpovedajúcu hodnotu na ploche REF dokonca až 222-krát.
Pritom na ploche NEX bolo zaznamenaných len 23 prípadov prekročenia priemernej hodinovej teploty
vzduchu o viac než 4 oC v porovnaní s plochou REF.
V priemere sa najsuchší vzduch vyskytoval na ploche REF, na zostávajúcich troch plochách boli
zistené veľmi podobné priemerné hodnoty absolútnej vlhkosti vzduchu. Toto zistenie je na prvý
pohľad prekvapujúce, keďže spomedzi všetkých štyroch výskumných plôch sa do ovzdušia dostalo
najviac vodných pár práve z plochy REF. Vysvetlením môže byť skutočnosť, že nad aerodynamicky
drsnejším povrchom lesného porastu na ploche REF sa vytvárali priaznivejšie podmienky pre
turbulentný prenos vodných pár do vyšších vrstiev atmosféry, než nad ostatnými tromi výskumnými
plochami, takže nad plochou REF dochádzalo k rýchlejšiemu prenosu vlhkosti do vyšších vrstiev
ovzdušia a tým aj ku znižovaniu koncentrácie vodných pár v prízemnej vrstve atmosféry, čo sa
prejavilo aj nižšími hodnotami absolútnej vlhkosti vzduchu tesne nad referenčným lesným porastom.
Veľmi podobné sú aj hodnoty strednej kvadratickej odchýlky absolútnej vlhkosti vzduchu stanovené
pre jednotlivé výskumné plochy, čo svedčí o tom, že časová premenlivosť vlhkosti vzduchu bola
približne rovnaká na všetkých štyroch výskumných plochách. To znamená, že namerané hodnoty
rozdielov v absolútnej vlhkosti vzduchu medzi plochou REF a ostatnými výskumnými plochami sa
koncentrovali takmer výlučne do intervalu od mínus jedného do plus dvoch gramov vody na kubický
meter vlhkého vzduchu. Hodnotu 4 g m-3 prekročili rozdiely v hodinových priemeroch absolútnej
vlhkosti vzduchu medzi plochami EXT a REF, resp. NEX a REF len dvakrát a medzi plochami FIR
a REF len v troch prípadoch. Názorne možno ilustrovať charakteristické črty teplotných a vlhkostných
pomerov všetkých štyroch výskumných plôch pomocou grafov na obrázku 3.
Zo zobrazených priemerných denných chodov teploty vzduchu a jeho absolútnej vlhkosti jasne vidieť,
že počas dňa, hodinové priemery teploty vzduchu na ploche NEX prevyšovali zodpovedajúce hodnoty
na referenčnej ploche takmer o 2 oC, kým na plochách EXT a FIR bol vzduch v hodinových
priemeroch teplejší o viac než 4 oC. Naproti tomu v noci boli na plochách NEX a FIR zaznamenané
72
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
v priemere nižšie hodnoty teploty vzduchu, než na referenčnej ploche. V prípade absolútnej vlhkosti
vzduchu jej hodinové priemery na plochách EXT, FIR a NEX boli cez deň o niečo vyššie než na
ploche REF, kým v noci sa hodnoty absolútnej vlhkosti vzduchu na všetkých štyroch plochách takmer
vyrovnali.
Priemerné denné chody teploty vzduchu T (vľavo) a absolútnej vlhkosti vzduchu A (vpravo) na štyroch
experimentálnych plochách v kalamitnej oblasti v období máj – september 2006.
Záver
Víchrica, ktorá zasiahla oblasť Vysokých Tatier 19. novembra 2004 zmenila vlastnosti klimaticky
aktívneho zemského povrchu, čo následne viedlo k zodpovedajúcim zmenám štruktúry rovnice jeho
energetickej bilancie. V porovnaní so zachovaným lesným porastom sa z povrchu kalamitnej oblasti do
atmosféry dostávalo menej tepla a vodnej pary, čo spôsobilo v období máj – september 2006
nezanedbateľný nárast teploty vzduchu, ktorý sa prejavil najmä v hodinových priemeroch teploty
vzduchu v denných hodinách. Nad kalamitnou plochou súčasne narástla časová premenlivosť teploty
vzduchu a v súvise s tým aj teplotné maximá a amplitúdy teploty vzduchu.
V prípade absolútnej vlhkosti vzduchu boli zaznamenané vyššie hodnoty tejto veličiny nad
kalamitnou plochou než nad referenčným lesným porastom v priemere za celé sledované obdobie o 0,5
g m-3. Hodnoty rozdielov hodinových priemerov absolútnej vlhkosti vzduchu medzi plochou REF
a ostatnými výskumnými plochami sa koncentrovali takmer výlučne do intervalu od plus jedného do
mínus dvoch gramov vody na kubický meter vlhkého vzduchu, a to napriek tomu, že sa z povrchu
referenčného porastu vyparilo do atmosféry za celé hodnotené obdobie viac vody než z kalamitnej
plochy. Tento zdanlivý paradox možno vysvetliť priaznivejšími podmienkami pre rozvoj turbulencie
nad aerodynamicky drsnejším povrchom lesného porastu na ploche REF, ktoré umožnili rýchlejší
prenos vodných pár z vyparujúceho povrchu lesa do vyšších vrstiev ovzdušia. Nad kalamitnou plochou
sa len mierne zvýšila časová variabilita absolútnej vlhkosti vzduchu v porovnaní so situáciou nad
referenčným porastom.
Záverom možno konštatovať, že mimoriadne silný vietor, ktorý zmení charakter povrchu nad relatívne
rozsiahlou plochou môže následkom zmien štruktúry rovnice energetickej bilancie klimaticky
aktívneho povrchu ovplyvniť aj teplotné a vlhkostné pomery nad kalamitnou plochou. Rozsah
a intenzita takýchto mikroklimatických účinkov závisí od veľkosti kalamitnej plochy a od aktuálnych
hodnôt radiačnej bilancie zemského povrchu.
Literatúra
Kňava, K., Novák, V., Orfánus, T., 2007: Canopy structure changes and potential evapotranspiration: Possible influence of wind – throw in High Tatra
Mountains. In: K. Střelcová, J. Škvarenina, M. Blaženec, (ed.): Bioclimatology and Natural Hazards. SBkS pri SAV, Poľana nad Detvou, CD-ROM 7 s.
Fleischer P., Giorgi S., Miglieta F., Schulze D., Valentini R, 2007: Large-scale forest destruction by November 2004 windstorm in the Tatra Mts– reasons,
consequences and ecological research. In: Střelcova K., Škvarenina J., Blaženec M. (eds): Proc. BioClimatology and Natural Hazards. Poľana, TU,
Zvolen, 56.
73
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Meteorológia a klimatológia
vo vyučovaní
74
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Komplexný poznávací modul SCHOLA LUDUS: ATMOSFÉRA
Katarína Teplanová
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave, [email protected]
Prezentovaný je návrh koncepcie komplexného vedecko-popularizačného a vzdelávacieho modulu
vytvorený k priblíženiu komplexných dynamických systémov (ďalej KDS), v súlade s teóriou provedeckého učenia SCHOLA LUDUS. Vrcholovým prípadom modulu je počasie ako lokálny prejav
KDS - zemská atmosféra. Návrh bol vytvorený v rámci tvorby interaktívneho vedeckopopularizačného portálu SCHOLA LUDUS online, s podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja na
základe zmluvy č. LPP-0395-09.
Úvod - Veda o komplexných dynamických systémoch
Veda sa nachádza v štádiu, kedy už nemožno zatvárať oči pred procesmi s neistým výsledkom.
Výrazný posun nastal potom, čo meteorológ Edward Lorenz v roku 1961 (Gleick, 1996) spustil
počítačový program s numerickou simuláciu počasia. Odvtedy sa spontánne, cez mnohé oblasti vedy,
rozvíja nová univerzálna vedecká oblasť zameraná na systematické poznávanie komplexných
dynamických systémov (ďalej KDS).
KDS predstavuje zložitý systém (angl. complexity – zložitosť) s veľkým počtom stupňov voľnosti,
takže sa principiálne nedá jednoznačne predvídať jeho vývoj. A to aj napriek tomu, že poznáme
štruktúru KDS, jeho makroskopické prejavy v priestore a čase a jeho rozhranie. Štruktúra KDS zahŕňa
zloženie systému a interakcie medzi zložkami. Makroskopické prejavy KDS približujú vývoj systému
navonok. Rozhranie sprostredkúva komunikáciu KDS s okolím, t.j. neznamená len geometrické
rozhranie, ale aj fyzikálne podmienky determinované systémom a jeho okolím.
Po vecnej stránke je KDS v súlade s uznávanými vedeckými oblasťami (fyzika, chémia atď.) a
predpokladá intenzívne využívanie ich zdrojov. Podľa teórie pro-vedeckého učenia SCHOLA LUDUS
(Teplanová 2007) si možno KDS osvojiť ako jeden zo základných prístupov k poznávaniu
ľubovoľných reálnych systémov. Od osvojenia si zručností pre efektívnu prácu s KDS, ako mentálnym
nástrojom ,sa očakáva výrazný posun smerom k zrýchlenej identifikácii kľúčových problémov a ich
tvorivému riešeniu.
Učenie a učenie sa cez KDS a so SCHOLA LUDUS
Komplexita má svoje zákonitosti, ktorých skúmanie je predmetom štúdia KDS. Teória pro-vedeckého
učenia SCHOLA LUDUS ponúka stratégie, nástroje, a jednoduché postupy rozvíjané s cieľom, aby sa
základy KDS stali súčasťou terminológie, obsahu a metód školského vzdelávania. Aby bolo možné
s nimi pracovať v školách. Aby každý dostal šancu osvojiť si KDS ako vlastný mentálny nástroj na
učenie sa.
Čo doposiaľ bráni učeniu z pohľadu KDS? – Klišé: Začínať s jednoduchosťou! Prirodzená je
zložitosť, ktorú si tak isto a spolu so žiakmi možno zjednodušovať! Výhodou postupu je, že zložitosť
je od začiatku v mysliach prítomná, nestráca sa zo zreteľa a získané, z princípu zjednodušené poznatky
sa zakomponujú do kvalitatívne novej zložitosti. Súčasne, postup učenia od zložitého k jednoduchému
a k novej zložitosti sa stáva vlastným postupom myslenia žiakov. Tiež, je väčšia šanca, že žiaci sa
vyhnú miskoncepciam (chybným koncepciám nadobudnutým učením).
Komplexita je nám prirodzená, čo potvrdzujú neurovedy. Aj náš mozog je KDS (OECD, 2002),
žijeme v prostredí KDS, sme nastavený na rozpoznávanie KDS. Problémom číslo jedna, ktorý
doposiaľ určite zabraňuje prenikaniu KDS do vzdelávania je rešpekt z jeho zložitosti a strach z
otvorenia Pandorinej skrinky. Ale KDS z princípu nemožno mechanicky rozložiť na jednoduché časti,
pretože pritom by automaticky stratil svoju komplexnú povahu.
Návrh koncepcie komplexného poznávacieho modulu SCHOLA LUDUS „atmosféra“
Návrh modulu nie je výstupom odborníkov meteorológov a nebol s nimi konzultovaný. Vytvorený bol
k vzdelávacej téme Komplexný dynamický systém a jeho vývoj na príklade zemskej atmosféry. Výber
príkladu vyplynul z faktu, že lokálne prejavy zemskej atmosféry formou počasia sú všeobecne
dostupné, zaujímavé, známe, významné pre prax, systematicky spracovávané, non-stop aktualizované.
75
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Modul je určený pre žiakov stredných škôl a všeobecne na podporu výchovy k vede. Pozostáva z troch
častí:
I. Myšlienkové experimenty na tému Koľko čiastočiek vzduchu tvorí vzduch? slúžia k objasneniu
základných pojmov tlak, teplota, tepelný pohyb, zrážky, stredná voľná dráha. Súčasne sa rozvíjajú
ďalšie pojmy: difúzia, termodifúzia, dynamické rozhranie a pod.
II. Demonštrácie Zaostrené na procesy v tekutinách z výstavy dynamických modelov „SCHOLA
LUDUS Kvapaliny netradične“ (Teplanová, 1999) k základným pojmom: prúdenie, vírenie. Rozvíjajú
sa súvisiace pojmy: základné vlastnosti tekutín, makroskopické sily, búrka, dynamické štruktúry,
poriadok, chaos, samovývoj a pod.
III. Cyklus učenia SCHOLA LUDUS s názvom Aký kúsok atmosféry tvorí počasie? alebo tiež k téme
Ako sa dá predvídať komplexný dynamický systém, resp. Predpovedanie počasia a zemská atmosféra
ako komplexný dynamický systém. K základným pojmom cyklu patria: zemská atmosféra, počasie,
meteorológia. Rozvíjajú sa súvisiace pojmy: lokálne prejavy KDS, hydrodynamický model, numerická
simulácia, zber dát, presnosť predpovede; meteorologická mapa, meteogram a pod.
I. časť modulu: Myšlienkové experimenty „Koľko čiastočiek tvorí vzduch“?
Je jedna čiastočka vzduchu vzduch? Koľko čiastočiek sa musí zraziť v jednotke objemu za jednotku
času, aby malo dobrý význam napr. štatistické rozdelenie rýchlostí? Koľko čiastočiek je dosť na to,
aby sa prejavovali kolektívne vlastnosti plynu – teplota, tlak, difúzia, prúdenie, vírenie? Aký
mechanizmus tvorí z čiastočiek plynu plyn? – Tieto otázky a odpovede na ne vznikajú v priebehu
myšlienkových experimentov. Žiaci ich realizujú najprv výlučne v hlave, v predstavách! (Treba
vyvolať čo najplastickejšiu predstavu.) Až potom robia náčrtky modelov s pomermi charakteristických
rozmerov, vektormi rýchlostí, jednoduchými popismi. Vytvorí sa výstavka modelov, medzi modelmi sa
hľadajú podobné, vhodné, nevhodné (nesúlad medzi zobrazením a popisom) atď. Pre učiteľa je
podstatné ustrážiť, aby v závere boli k dispozícii relevantné modely k základným pojmom
termodynamiky a štatistickej fyziky.
V rámci experimentov (viď. nižšie) prechádzame od čiastočiek vzduchu ku guľôčkam a späť. To nie
je nedôslednosť, ale predpríprava k záverečnej diskusii k otázke: Čo chýba modelom, aby boli
modelmi atmosféry? s dôrazom na zloženie vzduchu a reálne interakcie medzi čiastočkami
(molekulami, aerosólom) verzus pružné zrážky guľôčok.
Vezmi si škatuľku a zatvor ju. Čo máš v škatuľke? – Vzduch. Teraz si predstav, že škatuľka je
vzduchotesne uzatvorená. Svoju škatuľku zväčši. Čo bude v škatuľke? – Ten istý vzduch. Bude ten istý?
Ostane tam, kde bol (v objeme, v ktorom bol) a okolo neho bude prázdno? Alebo sa čiastočky
rozutekajú? Ak sa rozutekajú, znamená to, že sú v pohybe! Ak sú v pohybe, ostanú stáť na novom
mieste? – Kde sú čiastočky teraz? A kde budú za chvíľu? Neustále sa premiestňujú! – Ako ďaleko sú
od seba? Škatuľku môžeš ešte zväčšiť? A ešte zväčšiť. Ako ďaleko dokážu doletieť? Čo ich
obmedzuje? – Zrážky! Vezmi si druhú škatuľku a zavri si v nej jednu guľôčku. Koľko zrážok zrealizuje
v škatuľke jedna guľôčka? – Budú to len odrazy od steny, závisí od rýchlosti. Počet zrážok za jednotku
času bude frekvencia zrážok! Priberaj guľôčky. Aká je pravdepodobnosť, že sa zrazia aj navzájom?
Máš ich už dosť veľa? Aká je ich zrážková frekvencia? Pridaj ešte. – Guľôčky komunikujú cez zrážky.
Čo si môžu vymieňať, preberať, prerozdeľovať navzájom? – Hybnosti (veľkosť a smer rýchlosti),
pohybovú energiu. Každá guľôčka má svoju hybnosť a energiu pred zrážkou. Pri zrážkach sa odrážajú
do rôznych smerov a v rôznom pomere si aj navzájom prerozdeľujú hybnosti a energie. Záleží na tom,
ako na seba naletia... Ak sa dobre navzájom pozrážajú, aká bude výsledná hodnota vektorov rýchlostí
všetkých čiastočiek. (Ide o myšlienkový experiment.) – Nulová. Ich pohyb bude chaotický, do všetkých
strán. A hoci rýchlosti nebudú rovnako veľké, čiastočiek bude tak veľa, že je pravdepodobné, že aj ich
rozdelenia podľa rýchlostí budú do všetkých smerov a v každej časti systému rovnaké. A ak nebudú?
Potom majú všetky čiastočky okrem chaotickej zložky rýchlosti aj usmernenú rýchlosť! Aká veľká bude
usmernená rýchlosť? – Pre všetky čiastočky systému rovnaká! - Toto je doposiaľ čistá myšlienková
konštrukcia, lebo každá čiastočka má reálne len jednu rýchlosť. Ale – oba koncepty majú v makrosvete
(t.j. aj v atmosfére), dobrý fyzikálny význam! Mierou strednej kinetickej energie chaotického pohybu
čiastočiek je teplota (atmosféry). Usmernenou rýchlosťou sa celý systém ;mnohých čiastočiek
premiestňuje (vzdušné prúdy laminárna a turbulentné – vietor). Ďalšie myšlienkové experimenty
s tepelným pohybom guľôčok (1.) s konštantnou teplotou; (2.) s ohrevom celého systému (ohrevom
systému sa usmernený pohyb zoslabuje); (3.) s lokálnym ohrevom (dochádza k termodifúzii,
76
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
k prúdeniu); (4.) v kontakte s nahrievanou plochou (záleží od povrchu); (5.) v kontakte s rotujúcim
telesom (prejavuje sa zotrvačnosť); (6.) v gravitačnom poli (rozloženie tlaku je dôsledkom tepelného
pohybu a gravitácie); (7.) s telesom, ktoré preletí systémom (obmývanie, zrážka prúdov za telesom
spôsobuje víry); (8. ) kontakt vírov (záleží na smere prúdenia).
Poznámka: V procese myšlienkových experimentov sa môžu žiaci dopracovať aj k mylným
tvrdeniam, resp. neužitočným konceptom. Napríklad, v systéme, v ktorom sú čiastočky v neustálom
chaotickom pohybe (neustále sa chaoticky zrážajú) nemá dobrý význam koncept stredná vzdialenosť
medzi čiastočkami, ale iný charakteristický rozmer - stredná voľná dráha čiastočiek medzi dvoma
nasledujúcimi zrážkami! Avšak aj tá má výpovednú hodnotu len v spojitosti s charakteristickým
rozmerom celého systému čiastočiek, resp. telesa, ktoré sa v systéme čiastočiek pohybuje. Pokiaľ nie
je v uvažovanom priestore dostatočne veľa čiastočiek, systém čiastočiek a jeho charakteristické
veličiny (vzduch, tlak, teplota ) strácajú význam (napr. ISS má rozmery desiatok metrov, stredná voľná
dráha čiastočiek pri hornej hranici atmosféry je rádu kilometrov). Dostatočne veľa sa viaže
k štatistickej významnosti (Štubňa a Krajčovič, 2009).
II. časť modulu „Zaostrené na procesy v tekutinách“ s využitím interaktívnej výstavy
Obrázok 1.
Výstava SCHOLA LUDUS – Kvapaliny netradične.
Od roku 1999 je k dispozícii unikátna séria 40 exponátov výstavy SCHOLA LUDUS Kvapaliny
netradične (Teplanová, 1999), ktorá neustále prekvapuje svojim obsahom, návštevníkov aj autorov hra s rovnakými exponátmi je stále iná. Dynamické procesy kladú nové a nové otázky. Pripravuje sa
spracovanie na interaktívny portál, ktoré nebude demonštrácie len predvádzať. K dispozícii budú
pracovné listy s prepojeniami javov a procesov navzájom. Mnohé z demonštrácii je možné jednoducho
pripraviť v dlhšej skúmavke.
V úvode k výstave sa píše: Máme tu otočné rámy a v nich trubice. V trubiciach sú kvapaliny: vodu,
oleje, saponáty, uhľovodíky a v nich telieska: pevné, kvapalné a plynné. Keď rám otočíš, trubice naraz
ožijú. V trubiciach prebiehajú zaujímavé javy a procesy a nie sú tu žiadne čierne skrinky, všetko je
vidieť! Môžeš pozorovať demonštrácie vlastností látok a pohybu telies. Sú to sami o sebe reálne
procesy, ktoré možno interpretovať aj ako modely komplexných procesov v prírode. A pretože sú
trubice navzájom izolované, proces prebiehajúci v jednej trubici nijakým spôsobom neovplyvňuje
proces v susednej. Ak teda vo vedľajších trubiciach prebiehajú podobné procesy, je to aj dôkaz, že sú
opakovateľné - platia prírodné zákony! Ale procesy vedľa seba a ani opakovane spustené procesy
v tých istých systémoch nie sú nikdy rovnaké! Aj veľmi malá zmena počas štartu stačí na zásadne iný
makroskopický prejav v systéme.
Modelom je každý proces osve, aj paralelné procesy v susedných trubiciach spustené naraz v jednom
ráme. Pozorované procesy nielen kladú otázky, ale ponúkajú aj odpovede! Môžeš pozorovať prejavy
systémov navonok a identifikovať ich vývoj. Môžeš objavovať štruktúru systémov (prúdenie vo vode
77
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
zviditeľňujú jemné ploché kryštáliky), diskutovať zložky systémov a väzby medzi nimi. Napríklad, za
pohybujúcimi sa telesami sa kvapalina víri, z malých vírov sa môžu pri vhodných okrajových
podmienkach sformovať veľké víry a pokiaľ majú na ceste drobné čiastočky, strhávajú ich do seba.
Tiež vidieť, že rozhrania medzi kvapalinami sú nestabilné. „Živosť“ (tekutosť) tekutín sa mení s
teplotou. A v tekutine môžu byť telieska iných tekutín (alebo rovnakých tekutín s inými
teplotami/tlakmi.)
Pre využitie výstavy v rámci vyučovania sa odporúča zadať žiakom vopred kľúčové pojmy. (Napr.
hustota a Archimedov zákon. Viskozita a odporová sila . Povrchové napätie a sila povrchového
napätia. Ťažisko a princíp minimálnej potenciálnej energie. Rotácia a zotrvačnosť. Nesymetria a
periodicita. Prúdenie. Vírenie a dynamické štruktúry. Teplota a tlak. Systém mnohých čiastočiek.
Nemiešateľné kvapaliny a kvapalinové telieska a i.) Úlohou žiakov potom je vyhľadať exponáty,
ktorých prejavy súvisia so zadanými pojmami spraviť k nim vlastné poznámky - náčrtky, obrázky,
popis. Spracované poznámky sa následne, roztriedené podľa pojmov, využijú k spoločnej práci. Pritom
každý jeden exponát je určite k viacerým pojmom a možno sa k nemu vrátiť pri preberaní príslušného
učiva. S výhodou možno tiež uplatniť univerzálne pojmy (dynamická štruktúra, dynamické rozhranie,
samovývoj, rýchla zmena, ai.) – exponáty demonštrujú prejavy komplexných dynamických systémov.
III. časť modulu „Aký kúsok atmosféry tvorí počasie“? – s využitím cyklus učenia
Počasie je lokálnym prejavom komplexného dynamického systému atmosféra. Akú veľkú časť
atmosféry treba zvážiť, aby sa získala správna predpoveď? - Dnešné predpovede počasia sú výsledkom
numerickej simulácie vývoja atmosféry hydrodynamickými sieťovými modelmi so zahrnutím
termodynamiky, so vstupnými dátami z terénu. Jadro modelov – rovnice, ktoré vystihujú mechanizmus
procesov v atmosfére, je na úrovni stredoškolského vzdelávacieho modulu dané. Nič ale nebráni tomu,
aby ho žiaci diskutovali. Aby si, skôr než sa zoznámia s hotovým modelom, vytvorili vlastnú
predstavu, aby po oboznámení sa s modelom mohli doceniť jeho konštrukciu aj celý meteorologický
systém. Skôr, než sa začnú zaoberať problematikou simulácii, je veľmi dôležité žiakov do
problematiky zainteresovať a podobne, skôr než problematiku opustia, je dôležité, aby žiaci získali
pocit, že nadobudnuté poznatky a zručnosti majú pre nich význam. Toto sú pravidlá, ktoré dodržiava
cyklus učenia SCHOLA LUDUS s 1+6 stupňami (ďalej SCU) (Teplanová, 1999).
0. SCU - Akcia. Počasie dnes u nás. Cieľom je získať/oživiť skúsenosti, vyvolať predkoncepcie
týkajúce sa veci. Aké je práve teraz počasie? Aké počasie dnes u nás už bolo? Aké počasie dnes u nás
ešte bude? Je rovnaké počasie aj „u susedov“? Ako rýchlo sa počasie mení? Predpoveď počasia
nájdeme v meteorologických mapách a meteogramoch (www.shmu.sk) . Niekedy platí, niekedy
nevyjde.- Chcem vedieť o počasí viac.
1. SCU - Opisovanie: Môj naj-naj zážitok s počasím. Cieľom prvého stupňa CU je na základe
pozorovania vytvoriť naratívny opis s dostatkom informácií pre uchytenie problému. - Extrémne
počasie. Nezvyčajné počasie. Prudká zmena počasia. Napr. „Boli sme na túre v Tatrách, bolo
napoludnie. veľmi teplo, dusno, modrá obloha bez jediného oblaku. Naraz sa zotmelo a Zem sa
pokryla ľadovými krúpami.“ Čím to je, že môžu existovať také obrovské rozdiely v počasí? Ako
rýchlo môžu nastať výrazné zmeny? Čo tvorí počasie?
2. SCU - Mapovanie: Správa o počasí pre kozmonautov, ktorí sa chystajú vystúpiť do otvoreného
priestoru na orbite v exosfére Zeme (oblasť hornej hranice atmosféry), vo výške cca 350 km nad
Zemou (fiktívna): „Bude tak ako zvyčajne jasno. Očakáva sa zvýšená aktivita Slnka, ktorá sa prejaví
zvýšeným slnečným vetrom (kozmonautom sa neodporúča vychádzať von). Predpokladaná denná
teplota povrchu raketoplánu pri vstupe do Vesmírnej lode cca –156 °C zo strany Zeme a +121°C
z opačnej strany.“ - Potrebujú kozmonauti na orbite predpoveď počasia? Sú na orbite podmienky na
vznik počasia? Aký je tlak v exosfére? Akú vzdialenosť preletia molekuly, kým sa zrazia? Pretože
uvažujeme dynamický systém, nezaujímajú nás vzdialenosti medzi molekulami, ale stredná voľná
dráha medzi zrážkami molekúl (viď. záver 1. časti modulu). Je rádu km! Na orbite vieme určiť len
teplotu povrchov ohrievaných slnečným žiarením. Chýba vzduch. Počasie sa nemá ako (čím, resp.
v čom) realizovať. Ako presné sú predpovede počasia na Zemi?
3. SCU – Modelovanie: Prečo nemôže byť stále rovnaké počasie? Cieľom tretieho stupňa CU je
dostať sa k funkčným modelom. Modely nie sú jednoznačne dané. - Nech by sa počasie opakovalo
78
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
v cykloch. Potom musí byť atmosféra perpetuum mobile! - Atmosféra je otvoreným dynamickým
systémom! Keby nebol otvorený, došlo by k tepelnej smrti! Ak považujeme atmosféru za KDS, kde
má rozhranie? Ako sú do modelu zahrnuté Zem, Slnko, Vesmír? Čo budú „vstupy“ a čo výstupy pre
model? Akými prostriedkami sa dá atmosféra a počasie modelovať? - Ako vyzerá počítačový krokový
systém, ktorý simuluje taký zložitý reálny systém? Žiaci môžu tipovať a diskutovať javy, ktoré sú
zahrnuté v dynamickom modeli (napr. Akým spôsobom je zahrnutá do simulácie gravitácia a rotácia
Zeme. Akým spôsobom je do modelu zahrnuté Slnko? Absorbcia a emisia žiarenia Zeme, vertikálne
rozloženie tlaku, teploty, vlhkosti.... ) Ako sa prelína teória s realitou. Ako možno interpretovať
výstupy týchto modelov?
4.SCU – Abstrahovanie: Súlad medzi realitou a modelom. Štvrtý stupeň CU je o abstrahovaní
podstaty. Model môže byť elegantný, ale je aj správny? - Čítanie, štúdium mapy a meteogramov pre
rôzne miesta. Zakresľovanie „staničných modelov“, izobár a frontov (s využitím hodnôt
z meteogramov pre rôzne miesta (www.shmu.sk). Je údajov dosť? Čím to je, že nie vždy je medzi
predpoveďou a skutočnosťou zhoda? - Diskutujú sa javy zahrnuté v hydrodynamickom sieťovom
modeli s numerickou simuláciou vývoja, so vstupnými dátami z terénu - dostatočnosť hustoty
numerickej siete vo vzťahu k rozmerom meteorologických javov, korelácia medzi zozbieranými
dátami, presnosť pre lokálnu predpoveď. (Napr. reálne vstupné dáta zahŕňajú aj faktory, ktoré sa
v modeloch neuvažovali!)
5. SCU – Osadzovanie. Počasie u susedov. Piaty stupeň CU je o novosti. Žiaci majú dostať priestor
na uvedomenie si kvalitatívneho posunu v poznaní. „Cítenie KDS a reálnej možnosti jeho
poznávania.“
Lokálne zmeny a prejavy. Geograficky veľmi blízke miesta môžu mať veľmi odlišné súčasné prejavy
počasia (výškové rozdiely, za horami, pod mrakom).
- Atmosféra je štatistickým súborom a ako je to s jej rozhraním, so Zemou? Obrovské množstvo
rôznorodých más a povrchov, anorganických a organických, prírodných a umelých tvorí jeden systém,
ktorý interaguje so Zemou, alebo sú vstupy jednotlivé? – Do globálnej termodynamiky prispieva určite
každý jeden vstup, aj najmenší povrch je v kontakte s obrovským množstvom čiastočiek, ktoré sú
v neustálom pohybe a navzájom si prerozdeľujú hybnosti a energie. - Makroskopické prejavy
atmosféry sú vzhľadom na vstupy nelineárne (z princípu nedokážeme určiť priame závislosti medzi
mnohými malými príčinami a aktuálnym prejavom atmosféry. Ale vieme, že aj malá príčina môže mať
veľký následok.)
Na akej časovej a priestorovej škále sa prejavuje počasie? Aj vzduch, ktorý (len) uzatvoríme
v škatuľke, či veľkej budove, má vonkajší atmosférický tlak! Ak by sme uzatvorený priestor
zabezpečili lokálnym zdrojom tepla, vyvoláme prúdenie, v okrajových oblastiach pri nedokonale
rovných stenách vírenie. Ak do uzatvoreného priestoru so vzduchom pridáme terénne nerovnosti,
povrchy s výrazne rozdielnymi tepelnými kapacitami, zabezpečíme tok (slnečného) žiarenia, lokálne
sálavé zdroje tepla, vodu, ľad, čiastočky nečistoty atď., vytvorí sa v celku realistický funkčný model.
Hm, ale čoho? Počasia, lokálnej klímy, podnebia, atmosféry? Čo bude chýbať tomuto modelu najviac?
– Otvorenosť! Pohyb masy vzduchu, s všetkými jej momentálnymi bizarnými prejavmi (usmerneným
a chaotickým pohybom). Masy, ktorá sa kontinuálne premiestňuje okolo celej našej Zemegule
a v ktorej sa uplatňuje zotrvačnosť vzduchu (reakcia na akciu, otáčanie Zeme); kontinuálny ohrev
vzduchu spojený s natáčaním Zemegule voči Slnku (deň/noc); vertikálne cirkulácie súvisiace so
stabilitou atmosféry, ozónová vrstva... Atmosféra nemá hranice! (Toto nie je suché konštatovanie,
uvedomenie si tejto skutočnosti považujú za silný zážitok kozmonauti.) Napriek nesmiernej zložitosti
je úžasné, ako dobre dokáže meteorológia predpovedať počasie! Na základe množstva lokálnych dát
z veľkých oblastí, zahrnúť miestne podmienky a predpovedať kontinuálne lokálny vývoj.
6.
Zhodnocovanie - Kritéria na pristátie raketoplánu. Šiesty stupeň CU je o užitočnosti
nadobudnutých poznatkov a zručností: Predpoveď počasie je rozhodujúcim faktorom pre rozhodnutie,
kedy zapnúť na obežnej dráhe motory na pristávanie. – Raketoplán (orbiter) počas pristávania
prechádza stále nižšími vrstvami atmosféry. Špeciálna predpoveď počasia zameraná na vývoj počasia
a možné zvláštne efekty vo všetkých oblastiach prechodu sa začína 3 dni pred predpokladaným
spustením pristávacieho manévru na orbite. Pre aké výšky atmosféry je potrebná predpoveď počasia?
(V akej výške sa realizuje počasie?) Ktoré faktory počasia sa (asi) sledujú? Ktoré podmienky môžu
byť kritické? - Predstavy žiakov sú rôzne: Prevládajú turbulencie, oblaky, blesky. Zaujímavé je
79
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
porovnanie
predstáv
s Kritériami
na
počasie
pre
skončenie
misie
(http://www.nasa.gov/centers/kennedy/news/releases/2003/release-20030128.html). Rozhodujúci je nielen
aktuálny stav počasia, ale aj „presná“ predpoveď vývoja. Na akú dobu? - Kritériá NASA pre
spustenie pristávacieho manévru http://www.nasa.gov/centers/kennedy/news/releases/2003/release20030128.html : Manéver pristávania na orbite sa spustí, cca 90 minút pred dotykom raketoplánu so
Zemou, za nasledujúcich podmienok: oblaky vo výške 2440 m nepokrývajú viac než 25 % oblohy a
podľa predpovede sa nerozšíria na 50% v čase pristátia; dohľadnosť dosahuje 5. stupeň, t.j. 8043 m
a viac; bočný vietor nie je väčší než 28 km/hod cez deň a 22 km/hod v noci (niekedy aj menej, v
závislosti od ďalších podmienok); búrky (bez dažďa či s dažďom) nie sú do vzdialenosti 56 km.
Ďalšie informácie, napr. http://www-pao.ksc.nasa.gov/kscpao/nasafact/pdf/LandingSS-2005.pdf (údaje
závisia od trajektórie a rýchlosti orbitera.) Rozhodnutie je závažné, raketoplán ,na rozdiel od lietadla,
nemôže v prípade nepriaznivého počasia opäť vzlietnuť.
Záver
Lokálne počasie je výsledkom globálneho modelu. V prípade KDS potrebujeme globálny náhľad, aby
sme získali lokálny náhľad. Avšak podoby modelu KDS môžu byť rôzne. Počasie je objektívny jav lokálny stav atmosféry. Predpoveď počasia sa robí použitím meraných a pozorovaných
meteorologických údajov pre istý účel.
Vzdelávací modul SCHOLA LUDUS atmosféra je postavený na základe teórie pro-vedeckého učenia
SCHOLA LUDUS. Predpokladá sa, že aj pri jeho aplikácii sa bude postupovať v súlade s touto teóriou
(Teplanová, 2007). Spôsobom, ktorý žiakov baví, obohacuje o poznanie, rozvíja komplexné tvorivé
myslenie a pro-vedecké zručnosti. Z mnohých rozvíjaných zručností tu zdôrazníme aspoň jednu:
Vizualizácia KDS. Sem patrí aj predstavivosť, tvorba náčrtkov, schém, máp, paralelných grafov a pod.,
ktorými sa rozvíja vizuálne myslenie a systematická vizualizácia procesov.
Literatúra
Gleick, J., 1996: Chaos, vznik novej vědy. Vyd. Ando Publishing, Brno, 349 strán.
Teplanová, K., 2007: Ako transformovať vzdelávanie. Stratégie a nástroje SCHOLA LUDUS na komplexné
tvorivé poznávanie a učenie. Vyd. Metodicko-pedagogické centrum Tomášikova 4 Bratislava 2007. 119 strán.
Understanding the brain. Towards a new learning science. OECD, 2002, 115 strán.
http://browse.oecdbookshop.org/oecd/pdfs/browseit/9102021E.PDF
Teplanová, K.,1999: SCHOLA LUDUS: Kvapaliny. In: Zborník príspevkov, 13. konf.slov. a českých fyzikov,
SFS, JČMF a technická univerzita Zvolen, s. 426-429
Fyzika 1, 7. kapitola „Kinetická teória plynu a termodynamika“(Autori: Igor Štubňa, Jozef Krajčovič).
http://www.butkaj.com/fyzika1?id_menu=567&id_sub=56&id_left=218 , informácie o počasí, synoptické mapy
- napr. http://new.meteo.pl/index_coamps.php , alebo www.shmu.sk
Space Shuttle Weather Launch Commit Criteria and KSC End of Mission Weather Landing Criteria
http://www.nasa.gov/centers/kennedy/news/releases/2003/release-20030128.html (Page Last Updated:
November 7, 2008)
Landing the Space Shuttle Orbiter. FS-2000-05-30-KSC (Kennedy Space Centre http://www-pao.ksc.nasa.gov/
kscpao/nasafact/pdf/LandingSS-2005.pdf
80
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Skúmame javy okolo nás
Marián Kireš
Oddelenie didaktiky fyziky ÚFV PF UPJŠ v Košiciach, Angelinum 9, 041 54 Košice [email protected]
Úvod
V školskej praxi mnohokrát vzhľadom k úrovni vedomostí danej vekovej skupiny žiakov využívame
idealizácie a zjednodušenia výkladu fyzikálnych javov, ktoré sú v praxi spravidla komplexnejšie a ich
fyzikálna podstata je zložitejšia. V snahe zjednodušovať výklad reálnych javov sa však občas stáva, že
pri výklade zdôrazníme menej podstatnú fyzikálnu príčinu, ktorú práve potrebujeme pri výklade
školského fyzikálneho pojmu alebo javu. V mysliach študentov tak môžu vznikať nesprávne predstavy,
z ktorých pri riešení ďalších fyzikálnych problémov môžu vyvodzovať nesprávne postupy alebo
závery. Zjednodušený výklad však môže navádzať študentov aj k rýchlej formulácii záverov, bez snahy
sa nad javmi hlbšie zamýšľať, klásť si otázky, formulovať hypotézy, skúmať ich a v konečnom
dôsledky im rozumieť. Na nasledujúcom príklade uvedieme zjednodušený prístup, vedúci k fyzikálne
nesprávnemu vysvetleniu reálneho javu. Ponúkame možnosť overenia relevantných fyzikálnych
faktorov a na základe experimentálne získaných údajov a teoretických východísk aj formuláciu
komplexného pohľadu na skúmaný jav. V druhej ukážke sa sústredíme na laboratórne meranie hustoty
vzduchu s dostupnými prostriedkami školského laboratória a prácu s grafom nameraných údajov.
1
Kolabujúca plechovka
Pomerne obľúbeným demonštračným experimentom k výkladu poklesu tlaku pri znížení teploty plynu
je efektný experiment s kolabujúcou plechovkou.
Do prázdnej plechovky nalejme malé množstvo vody. Uchyťme plechovku do klieští a zohrievajme nad plameňom kahana.
Vodu v plechovke priveďme do varu a krátko udržujme vo vare. Cez otvor v plechovke uniká vodná para. Odstavme
plechovku od plameňa a ponorme ju prevrátenú hore dnom do nádoby so studenou vodou. Pozorujeme prudké zmrštenie
plechovky sprevádzané silnou akustickou ranou.
Výklad experimentu je spravidla nasledovný. Pri ohrievaní vodná para vytlačila z plechovky vzduch.
Steny kovovej plechovky po ponorení do studenej vody prudko ochladia vodnú paru vo vnútri. Vodná
para kondenzuje, čo spôsobuje prudký pokles tlaku v plechovke. Plechovka sa pod účinkom
atmosférického tlaku zmrští.
Vo výklade priebehu implózie je spomenutých niekoľko fyzikálnych príčin a faktorov, ktoré sa
pokúsime podrobiť overeniu. Medzi faktory zaradíme: vodnú paru, teplotu chladiča, druh chladiacej
kvapaliny, tepelnú vodivosť stien plechovky, veľkosť otvoru v plechovke. Ak si pozorne prečítame
zadanie a výklad javu, môžeme si položiť nasledujúce otázky:
1. Plechovka sa pri zohrievaní vyplní vodnou parou s teplotou 100 ºC. Ako by jav prebiehal, ak by
bola naplnená vzduchom s rovnakou teplotou?
2. Naplňme plechovku vodnou parou pri izbovej teplote (použime ultrazvukový zvlhčovať). Nastane
implózia po ponorení plechovky do studenej vody?
3. Aký vplyv by sme pozorovali, ak by sme otvor v plechovke pred ponorením do studenej vody
uzavreli?
4. Pozorujme priebeh javu s tepelne izolovanými stenami plechovky. Má tepelná vodivosť stien vplyv
na priebeh implózie?
5. Je nutné plechovku ponoriť do studenej vody celú? Dotknime sa len hladiny studenej vody horným
vrchnákom s otvorom. Sledujme či nastane implózia a prípadne porovnajme oba priebehy.
6. Aký vplyv na priebeh experimentu má teplota studenej vody? Ak by sme použili tekutý dusík, bude
implózia ešte prudšia?
7. Tekutý dusík bude pri dotyku s plechovkou vrieť. Je problém vo vare, že implózia nenastala?
Skúsme plechovku ponoriť do vriacej vody.
8. Líši sa priebeh javu, ak plechovku ponoríme do studenej vody a rovnako studeného oleja?
81
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Hľadajme odpovede realizáciou čiastkových experimentov.
1. Horúca vodná para, horúci vzduch
Na demonštráciu použime sklenené banky s úzkym hrdlom. Teplovzdušným fénom a turistickým kahanom naplníme
banky postupne horúcim vzduchom a horúcou vodnou parou. Banky otočené hrdlom zvislo nadol ponoríme do studenej
vody a pozorujeme vťahovanie vody do baniek. Banka s horúcim vzduchom vtiahne do vnútra len minimálne množstvo
vody. Banka s horúcou vodnou parou sa po ochladení naplní takmer doplna.
2. Horúca vodná para, studená vodná para
Na demonštráciu použime sklenené banky s úzkym hrdlom. Turistickým kahanom a izbovým zvlhčovačom naplníme
banky postupne horúcou vodnou parou a studenou vodnou parou. Banky otočené hrdlom zvislo nadol ponoríme do
studenej vody a pozorujeme vťahovanie vody do baniek.
3. Uzavretý otvor v plechovke
Po zohriatí vodnej pary v plechovke a odstavení od horáka uzavrime otvor v plechovke plastelínou. Plechovku otočenú
otvorom nadol ponorme do studenej vody. Pozorujeme len pomalý priebeh implózie.
4. Izolované steny plechovky
Plechovku obalíme polystyrénovým obalom a vyplnenú horúcou vodnou parou otočenú otvorom nadol ponoríme do
studenej vody. Pozorujeme rovnako intenzívnu implóziu ako v prípade úplného ponorenia neizolovanej plechovky.
5. Otvor v plechovke
Plechovkou s horúcou vodnou parou otočenou otvorom nadol sa len jemne dotkneme povrchu vodnej hladiny studenej
vody. Pozorujeme rovnako intenzívnu implóziu ako v prípade úplného ponorenia plechovky.
6. Tekutý dusík
Po zohriatí vodnej pary v plechovke a odstavení od horáka, sa plechovkou otočenou otvorom nadol jemne dotkneme
povrchu kvapalného dusíka. Aj napriek nízkej teplote dusíka, nepozorujeme implóziu plechovky.
7. Vriaca voda
Po zohriatí vodnej pary v plechovke a odstavení od horáka, sa plechovkou otočenou otvorom nadol jemne dotkneme
povrchu vriacej vody. Nepozorujeme implóziu plechovky.
8. Studený olej
Po zohriatí vodnej pary v plechovke a odstavení od horáka, sa plechovkou otočenou otvorom nadol jemne dotkneme
povrchu studeného oleja. Nepozorujeme (alebo len veľmi pomalú) implóziu plechovky.
Predchádzajúcim experimentovaním sme si iste dokázali, že naše prvotné a žiaľ častokrát bežne
používané vysvetlenie javu je veľmi nepresné. Ozrejmime si fyzikálnu podstatu kolabujúcej
plechovky.
1.2 Fyzika kolabujúcej plechovky
Uvažujme kovovú plechovku s vnútorným objemom V a plochou otvoru A. V nádobe na chladenie
použime vodu s teplotou 0 ºC. Tlak vodnej pary v stave nasýtenia nad vodnou hladinou studenej vody
je 611 Pa. Tlak vodnej pary v stave nasýtenia nad vriacou vodou v otvorenej plechovke je rádovo 105
Pa. V okamihu dotyku otvoru plechovky s povrchom vody preto nenastáva odparovanie studenej vody
do plechovky. Jediným prebiehajúcim javom, je kondenzácia vodnej pary vnútri plechovky.
Označme si: N – počet molekúl vodnej pary v plechovke, Rm – molová plynová konštanta, M –
molová hmotnosť vodnej pary, T – termodynamická teplota vodnej pary, potom z kinetickej teórie
plynov pre počet molekúl, ktoré prejdu cez jednotku plochy za jednotku času dostávame:
J =NVR m T 2  M
(1)
Každá molekula vodnej pary, ktorá sa dotkne vodnej hladiny kondenzuje. Pokles počtu molekúl
vodnej pary môžeme vyjadriť:
dN =−JAdt
(2)
Pokles počtu molekúl vodnej pary k pôvodnému množstvu molekúl môžeme po dosadení (1) do (2)
vyjadriť:
82
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
dN
=−AVR m T 2 M dt
(3)
N
Objem, v ktorom sa molekuly vodnej pary nachádzajú, je konštantný a pri prudkej kondenzácii
môžeme za konštantnú považovať aj teplotu vodnej pary. Počet molekúl vodnej pary určuje tlak vodnej
pary v nádobe.
dP
=−AVR m T 2 M dt
P
Ak hodnotu pôvodného tlaku vodnej pary označíme p0, integráciou rovnice (4) dostávame:
−AVR m T 2  M T
p= p0
Ak zavedieme charakteristický čas reakcie tc:
t c =−AVR m T 2 M
(4)
(5)
(6)
dostávame:
(7)
p= p−t
0
-4
3
Použitím reálnych hodnôt: objem plechovky V = 3,98.10 m , veľkosť otvoru v plechovke A = 3,34
10-4 m2, teplota vodnej pary T = 373,15 K, Rm = 8,31 J/mol.K, M = 0,018 kg/mol pre charakteristický
čas reakcie dostávame hodnotu: tc = 7,2.10-3 s. Tlak v plechovke poklesne na 0,7% pôvodného tlaku
približne za 5 tc, čo je 36 ms. Hovoríme o implózii, ktorá je vyvolaná kontaktom vodnej pary s vodnou
hladinou cez otvor v plechovke.
Vráťme sa ale ešte ku dusíku a k oleju. Tlak pary dusíka v stave nasýtenia nad povrchom kvapalného
dusíka je rovný atmosférickému tlaku (dusík pri styku s plechovkou vrie). Počas prudkej kondenzácie
vodnej pary je plechovka súčasne vypĺňaná parami dusíka pri atmosférickom tlaku.
Tlak pary oleja v stave nasýtenia je podstatne menší ako tlak vodnej pary v stave nasýtenia pri
rovnakej teplote a molekuly oleja sú mnohonásobne ťažšie ako molekuly vodnej pary. Pri vzájomnej
zrážke molekúl je preto odovzdávanie energie málo efektívne a proces chladenia môže prebiehať
najmä prostredníctvom stien plechovky.
c
2
Meranie hustoty vzduchu
Pri budovaní predstavy o pojme hustota u študentov je žiaduce vybudovať predstavu o veľkosti
hustoty u reprezentantov jednotlivých skupenstiev látok. K stanoveniu hustoty pevných látok spravidla
pristupujeme meraním hmotnosti a určením objemu pevného telesa. Výpočtom z definičného vzťahu
pre hustotu určujeme hustotu telesa z pevnej látky. Pri určovaní hustoty kvapalín využívame hustomer,
resp. môžeme rovnako ako u pevných látok postupovať určením objemu a hmotnosti kvapalinového
telesa. Využívanie definičného vzťahu pre určenie hustoty pevných a kvapalných telies spravidla
privádza študentov k analogickému riešeniu aj v prípade určenia hustoty vzduchu. Jedno zo študentami
navrhovaných riešení je nasledovné:
Na citlivých váhach (napr. s presnosťou 0,1g) odvážme igelitové vrece na odpad. Vrece nafúknime vzduchom pri
atmosférickom tlaku. Objem vreca je daný výrobcom, resp. ho môžeme určiť na základe geometrických rozmerov
igelitového vreca. Podiel hmotnosti vzduchu vo vreci a objemu vreca udáva hustotu vzduchu.
Ak použijeme napr. 20 l vrece po jeho nafúknutí po obsahuje približne 25 g vzduchu, čo by mala byť
hodnota pomerne ľahko identifikovateľná pomocou školských digitálnych váh. Váhy však ukazujú
rovnakú hodnotu ako pri prázdnom vreci pred nafúknutím. Fyzikálny problém uvedeného postupu je
v existencii vztlakovej sily pôsobiacej na vrece vo vzduchu. Vzduch s objemom 20 l vo vreci vytlačí
20 l vzduchu v miestnosti. Veľkosť vztlakovej sily pôsobiacej na nafúknuté vrece sa rovná tiaži
vzduchu vrecom vytlačeným. Pri uvedenom vážení nafúknutého vreca, určujeme stále iba hmotnosť
vreca.
Problém vzniká vďaka vztlakovej sile pôsobiacej na objem plynného telesa. Skúsme však do
rovnakého objemu postupne pridávať vzduch, čo nám umožní vztlakovú silu eliminovať.
2.1
Určovanie hmotnosti postupne nafukovanej lopty
Umiestnime loptu pevného tvaru, avšak len mierne nafúknutú, na misku váh. Odčítajme hmotnosť
lopty. Pomocou napr. 10 stlačení pumpy, dofúkajme loptu. Odvážme loptu po dofúkaní. V závislosti od
citlivosti váh a objeme použitej pumpy je možné sledovať nárast hmotnosti lopty. Z pohľadu učiteľa si
83
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
uvedomujeme, že 1 l vzduchu má hmotnosť približne 1,23 g. Loptu opakovane dofúkajme o 10
stlačení pumpy a určme jej hmotnosť. Dofukovanie opakujme len pokiaľ je lopta schopná udržať
nárast tlaku vzduchu vo svojom vnútri. Pre získanie dostatočného počtu vážení je možné postupovať aj
po 5 stlačeniach pumpy.
2.2 Určenie objemu vzduchu pri stlačení pumpy
Pre určenie hustoty vzduchu je potrebné získať objem vzduchu, ktorý sme do lopty umiestnili pri
jednotlivých dofukovaniach, resp. poznať objem vytlačeného vzduchu pri jednom stlačení pumpy.
Do nádoby s vodou umiestnime odmerný valec doplna naplnený vodou a obrátený hore dnom.
Vzduch vytlačený pumpou pri jednom stlačení vpustíme do valca s vodou. Voda je z valca vytlačená a
na stupnici odrátame objem vpusteného vzduchu. V prípade malého množstva vzduchu použijeme
niekoľko stlačení pumpy (obr. 2 vľavo).
Určenie objemu vzduchu vytlačeného pumpou (vľavo).Grafická závislosť hmotnosti lopty od objemu
dofúknutého vzduchu (vpravo).
Po vynesení grafickej závislosti hmotnosti lopty (tanφ) od objemu dofúknutého vzduchu udáva
smernica grafu funkcie veľkosť hustoty vzduchu (1,334 g m-3) (obr. 1 vpravo). Meranie je možné
realizovať s viacerými loptami a rôzne veľkými pumpami a pojednať o vplyve použitých zariadení na
presnosť merania.
Záver
Pri realizácii oboch opísaných experimentov je vhodné použiť metódy objaviteľského prístupu
(Inquiry based science education) a študentov pri ich práci len usmerňovať. Dôležitými prvkami práce
študentov sú: aktívne poznávanie, formulácia predikcií, hypotéz, porovnanie prvotných poznatkov so
získanými informáciami, výmena názorov, odborná rovesnícka diskusia, zhodnotenie prínosu vlastnej
bádateľskej práce.
Poďakovanie
Práca vznikla pri riešení projektu 7. rámcového programu Establish (No. 244749) a projektu APVV
LPP-0223-09: Science on Stage Slovakia.
Literatúra
J.E. Stewart, J.E.: The collapsing can revisited, The Physics Teacher, 29, 144 (March 1991).
Gratton, L. M., Oss, S.: An extension of the imploding can demonstration, The Physics Teacher, 44, 269 – 271, (May 2006).
Mohazzabi, P.: The Physics of the Imploding Can Experiment, The Physics Teacher, 48, 289 – 291, (May 2010).
Calza, G., Gratton, L., M., Lopez-Arias, T., Oss, S.: Measuring Air Density in the Introductory Lab, The Physics Teacher,
48, 189 – 190, (March 2010).
84
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Počítačom podporované experimenty z oblasti meteorológie
Martin Hruška
KF FPV UMB Tajovského 40, Banská Bystrica, [email protected]
Úvod
Aj keď sa počítačom podporovaný experiment v posledných rokoch stáva podstatnou súčasťou
vyučovania nielen fyziky, ale aj ostatných experimentálne zameraných prírodovedných predmetov,
ešte stále existuje značné percento škôl, kde sa žiaci s takto realizovanými experimentami prakticky
vôbec nestretávajú. Mnohé školy potrebný hardvér a softvér nemajú k dispozícii, čo súvisí najmä
s finančnou náročnosťou zaobstarania takýchto zariadení. Zvýšená potreba dôslednejšieho využívania
nových prístupov vo vyučovaní prírodovedných predmetov (okrem iného aj počítačom podporovaného
experimentu) úzko súvisí so zisteniami medzinárodného testovania prírodovednej gramotnosti
pätnásťročných žiakov PISA, ktorého sa v rokoch 2006 a 2009 zúčastnilo aj Slovensko. Ako uvádzajú
národné správy PISA 2006 a 2009, prírodovedná gramotnosť našich pätnásťročných žiakov je
štatisticky významne nižšia, ako priemer krajín OECD. Navyše – z hľadiska dosiahnutej úrovne
prírodovednej gramotnosti – je možné konštatovať, že až jedna pätina slovenských žiakov (asi 20 %
v roku 2006 a 19 % v roku 2009) patrí do rizikovej skupiny žiakov, ktorí ukončia povinnú školskú
dochádzku bez toho, aby nadobudli aspoň základnú úroveň prírodovednej gramotnosti, čo sa môže
negatívne prejaviť aj v ich nasledujúcom živote. Národná správa PISA 2009 ďalej konštatuje, že
postavenie prírodovedných predmetov v slovenskom vzdelávacom systéme sa v posledných rokoch
zhoršilo. Neexistuje celonárodné testovanie, či aspoň monitorovanie výsledkov prírodovedného
vzdelávania, školská reforma v novom štátnom vzdelávacom programe znížila počet vyučovacích
hodín prírodovedných predmetov a ďalšie zníženia počtu vyučovacích hodín tejto skupiny všeobecnovzdelávacích predmetov sa v niektorých prípadoch dejú na úrovni školských vzdelávacích programov,
v závislosti od zamerania konkrétnej školy.
Z pedagogicko-psychologických vied vyplynulo a školská prax to plne potvrdzuje, že školský
experiment má veľký podiel na kognitívnom a kreatívnom procese vyučovania a pôsobí motivačne,
čím vzbudzuje záujem žiakov o fyziku a o prírodné vedy vo všeobecnosti. Preto jednou z ciest, ako
zefektívniť vyučovanie prírodovedných predmetov na slovenských základných a stredných školách, je
okrem iného aj posilnenie experimentálneho charakteru prírodných vied, a to s využitím klasického
i počítačom podporovaného experimentu.
Nemenej významným činiteľom je dôslednejšie využívanie obsahových medzipredmetových väzieb,
ktoré umožňuje kvalitnejšie systematizovať poznatky a rozvíjať schopnosť syntézy a transferu
poznatkov z jedného predmetu do druhého. Cieľavedomé uplatňovanie metodických väzieb, ktoré
vyplývajú z využívania rovnakých, či veľmi podobných metód poznávania v prírodných vedách,
umožňuje odstraňovať hranice medzi prírodnými vedami a vysvetľovať prírodné javy okolo nás
v úzkych vzájomných súvislostiach. Navyše, s využitím každodenných skúseností žiakov, umožňuje
tento prístup vysvetliť základné témy prírodných vied prístupnou a príťažlivou formou.
Z týchto predpokladov vychádzal kolektív riešiteľov z katedry fyziky FPV UMB pri navrhovaní
obsahu a metodiky realizácie počítačom podporovaných experimentov z prírodovednou tematikou,
príklady ktorých (týkajúce sa meteorológie) sú uvedené v nasledujúcich častiach. Navrhovaná metóda
realizácie experimentov umožňuje okrem iného nielen pohodlnejšie pozorovanie priebehu
experimentu, ale zároveň uľahčuje aj získavanie, spracovanie, analýzu a vyhodnotenie nameraných
údajov.
Jednotlivé experimenty sú vzhľadom k rozsahu príspevku predstavené vo všeobecnej rovine. Pre ich
použitie vo vyučovacom procese boli pripravené metodické návody pre učiteľov a pracovné listy pre
žiakov.
Princíp merania vlhkosti vzduchu – ochladzovanie vyparovaním
Zameranie experimentu: Demonštrovať ochladzovanie vyparovaním, ktoré je princípom jednej
z metód používaných na meranie vlhkosti vzduchu – psychrometrickej metódy. Podstatou metódy je
porovnanie teploty tzv. suchého a vlhkého teplomera. Suchý teplomer predstavuje obyčajný teplotný
85
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
senzor. Vlhký teplomer získame tak, že navlhčenou bavlnenou pančuškou, ktorej spodná časť je
ponorená v destilovanej vode, obalíme meraciu časť druhého senzora. Ak zabezpečíme prúdenie
vzduchu okolo teplomerných nádob oboch teplomerov ventilátorom, vlhký teplomer sa ochladzuje
viac ako suchý teplomer v dôsledku vyparovania sa vody z vlhkej pančušky. Po odčítaní rozdielu
teplôt suchého a vlhkého teplomera môžeme z tzv. psychrometrických tabuliek odčítať absolútnu a
relatívnu vlhkosť vzduchu. Je zaujímavé namočiť pančušku vlhkého teplomera, okrem vody, do iných
kvapalín a následne porovnať ochladzovací efekt v závislosti od druhu kvapaliny.
Pomôcky: Štyri teplotné senzory, kúsok bavlnenej šnúrky do
topánok, prípadne kúsok vaty alebo bavlnenej handričky,
destilovaná voda, lieh, chloroform (všetky kvapaliny s
izbovou teplotou), ventilátor, laboratórny stojan.
Realizácia experimentu: Teplotné senzory uchytíme zvislo
vedľa seba na laboratórny stojan (obr. 1). Na dolné meracie
časti troch teplotných senzorov navlečieme bavlnenú šnúrku,
prípadne ich omotáme kúskom vaty, čím získame vlhký
teplomer. Bavlnené pančušky teplomerov ponoríme do
destilovanej vody, liehu a chloroformu a spustíme meranie. Obrázok 1.
Po niekoľkých minútach, keď sa ustáli teplota suchého aj Usporiadanie experimentu
vlhkých teplomerov, spustíme meranie nastavené na približne 10 minút s intervalom snímania 0,5 s.
Zapneme ventilátor a teplomery ochladzujeme dovtedy, kým teplota teplomera s bavlnenou pančuškou
v chloroforme neklesne pod bod mrazu. Zastavíme ventilátor a sledujeme postupné zvyšovanie sa
teploty „vlhkých“ teplomerov až do konca merania.
Graf závislosti teploty suchého teplomera a „vlhkých“ teplomerov od času:
Vyhodnotenie experimentu: Z nameraných údajov vyplýva, že teplota vlhkého teplomera, ktorý bol v
kontakte s odparujúcim sa chloroformom, klesla až pod bod mrazu. Keďže rôzne kvapaliny sa
odparujú rôznou rýchlosťou, potrebujú prijať na odparenie rôzne skupenské teplo vyparovania a
teplota teplomerov namočených v jednotlivých kvapalinách dosahuje rôzne hodnoty. Najnižšiu teplotu
dosiahol teplomer namočený v chloroforme (teplota klesla až pod bod mrazu), najvyššiu teplomer
namočený vo vode. Porovnaním hodnôt skupenského tepla vyparovania napr. pri teplote varu vody
a chloroformu zistíme, že voda potrebuje dodať približne 9-krát viac tepla na vyparenie rovnakej
hmotnosti ako chloroform. Napriek tomu (v dôsledku slabších príťažlivých síl medzi molekulami
chloroformu v porovnaní s vodou) sa chloroform vyparuje oveľa rýchlejšie. Teplota suchého teplomera
sa pri prúdiacom vzduchu mierne zvýšila (pri experimente bol využitý fén, ktorý síce nemal zapnuté
vyhrievanie vzduchu, ale prúdiaci vzduch využíva na ochladzovanie motora).
Ochladzovanie vyparovaním poznáme z vlastnej skúsenosti – je to potenie, ktoré nám slúži na
86
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
udržiavanie konštantnej teploty tela. Podobne ako človek, využívajú ochladzovanie vyparovaním aj
mnohé veľké cicavce. Väčšina zvierat však nemá taký rozsiahly systém potných žliaz ako my. Pre
niektoré živočíchy vyparovanie nie je žiadúce, lebo tým strácajú teplo. Takéto živočíchy majú preto
vyvinuté rôzne mechanizmy, ktoré im pomáhajú zabraňovať ochladzovaniu vyparovaním. Napríklad
nočný životný štýl mnohých púštnych živočíchov je zrejme ich prispôsobením sa na zníženie potreby
ochladzovania vyparovaním v horúcich suchých podmienkach. Problém straty tepla vďaka
vyparovaniu obmedzuje prirodzené domovy a aktivity obojživelníkov na teplé vlhké oblasti. Niektoré
obojživelníky, ako napríklad skokani, môžu meniť množstvo hlienu, ktorý vylučujú z povrchu tela, čo
je vlastne fyziologická odpoveď, ktorá pomáha regulovať ochladzovanie vyparovaním. Plazy majú
skôr suchú ako vlhkú pokožku, čo obmedzuje straty telesného tepla vyparovaním.
Porovnanie teplotných zmien vody a pôdy počas slnečného dňa a bezoblačnej noci
Zameranie experimentu: Demonštrovať rozdiely v zohrievaní a ochladzovaní sa pôdy a vody,
poukázať na geografické dôsledky tohto javu.
Pomôcky: Kadičky s vodou a pôdou, dva teplotné senzory, stolná lampa so 100 W žiarovkou alebo
intenzívne denné svetlo, prevodník, počítač.
Realizácia experimentu:
Obrázok 2a.
Obrázok 2b.
Usporiadanie experimentu.
Usporiadanie experimentu.
Na realizáciu experimentu použijeme dve rovnaké kadičky (napr. s objemom 75 ml). Do jednej
nalejeme približne 50 ml vody s izbovou teplotou a do druhej nasypeme 50 ml záhradnej zeminy, ktorú
mierne utlačíme. Do kadičiek vložíme teplomery tak, aby ich spodná časť (kde je umiestnený
termistor) bola približne v strede meraného objemu vody či zeminy (obr. 2a). Pred kadičky umiestnime
do vzdialenosti približne 5 až 10 cm zdroj tepelného žiarenia, napríklad 100-150 W žiarovku, prípadne
ich postavíme na priame slnečné svetlo (vhodné hlavne v letnom období). Je dôležité, aby obidve
kadičky boli od zdroja rovnako vzdialené (obr. 2b). Úsporné žiarivky, prípadne LED lampy nie sú
vhodné z toho dôvodu, že nevyžarujú intenzívne tepelné žiarenie.
Ak chceme zachytiť rozdielne zvýšenie teploty vody a pôdy, experiment musí prebiehať aspoň 60
minút. Ak potrebujeme, aby trval kratší čas, je možné použiť silnejšiu žiarovku, prípadne infračervenú
lampu, avšak hrozí riziko poškodenia – roztavenia plastových častí teplomerov.
Experiment je možné realizovať priamo v prírode počas slnečného dňa, prípadne bezoblačnej noci,
pričom jeden teplomer umiestnime do vody, ktorej teplotu chceme merať a druhý do pôdy, nie však
hlbšie ako 5 cm pod povrch.
Vyhodnotenie experimentu: Teplotné pomery vody a pôdy, teda aj oceánov a morí sa nápadne líšia
od teplotných pomerov kontinentov v dôsledku nasledovných vlastností vody:
1. Voda má 2 až 3 krát väčšiu objemovú tepelnú kapacitu ako rôzne druhy pôd.
2. Voda je priezračná, preto časť slnečných lúčov prechádza hlbšie do vody a otepľovanie
žiarením siaha do určitej hĺbky vody. Zvýšenie teploty na povrchu vody je preto oveľa menšie
ako na povrchu pôdy.
3. Voda sa podstatne líši od pôdy svojou pohyblivosťou. V dôsledku prúdenia, konvekcie,
turbulencie nastáva neustále premiešavanie vrstiev vody do veľkej hĺbky – teplo sa teda šíri vo
vertikálnom aj v horizontálnom smere. V prírodných podmienkach sú zohrievaním a
ochladzovaním zasiahnuté mohutné vrstvy vody, v dôsledku čoho sú zmeny teploty na povrchu
87
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
vody nepatrné pri porovnaní s pôdou.
Grafické znázornenie nameraných údajov : Graf závislosti teploty pôdy a vody od času.
V dôsledku rôznej tepelnej kapacity pevnín a oceánov vznikajú napr. monzúny – stále vzdušné
prúdenia sezónneho charakteru nad veľkými časťami zemského povrchu, ktoré sa vyznačujú náhlou
a protichodnou zmenou vetra medzi zimným a letným obdobím. V zime sa nad chladnejšou pevninou
vytvára oblasť vysokého tlaku vzduchu, nad relatívne teplejším oceánom oblasť nižšieho tlaku, takže
v zime smeruje monzún z pevniny nad oceán a je relatívne chladnejší a suchý. V lete je cirkulácia
opačná – monzún smeruje z mora nad pevninu a prináša ochladenie a zrážky. Tropický monzún je
najlepšie pozorovateľný v oblasti Prednej Indie a východnej Ázie, kde sa v lete silne prehrieva ázijský
kontinent a v zime naopak silne ochladzuje.
Ako dôsledok teplotných rozdielov medzi povrchom vody a pevniny počas slnečného a pokojného
počasia vzniká pri morskom pobreží bríza. Počas dňa sa pevnina prehrieva, vzduch nad ňou stúpa
smerom nahor a odteká nad chladnejší oceán. V blízkosti povrchu naopak chladnejší a vlhší morský
vzduch nateká do oblasti nižšieho tlaku nad pevninu, kde pôsobí osviežujúco. V noci sa pobrežie
ochladzuje viac ako povrch mora, prúdenie je teda opačné. Bríza má menšie rozmery ako monzúnová
cirkulácia – jej vertikálny rozmer je asi 1 až 2 km, rýchlosť vetra dosahuje v priemere 3 až 5 m.s-1.
Ďalším dôsledkom rozdielnej teploty vody a pôdy je napríklad vplyv rozľahlých vodných plôch na
miestnu klímu na územiach, kde voda zaberá viac ako 20 % plochy. V tropických a subtropických
oblastiach je pozorovateľné zvýšenie vlhkosti vzduchu, v miernych zemepisných šírkach otepľujúci
účinok veľkých objemov vody na jeseň a ochladzujúci na jar a v lete.
Ako postaviť veternú elektráreň?
Zameranie experimentu: Demonštrovať premenu veternej energie na elektrickú energiu a poukázať
na možnosti jej uloženia.
Pomôcky: Jednosmerný zdroj napätia (do 12 V), 12 V ventilátor, veterná turbína (poskytované napätie
do 3 V), 1,5 V žiarovka, kondenzátor s vysokou kapacitou (1 F, 5,5 V), 1,2 V NiMH akumulátor,
stopky, stojany, vodiče.
Realizácia experimentu: Pomôcky potrebné na realizáciu experimentu usporiadame podľa obr. 3a.
Ventilátor pripojíme ku zdroju napätia a veternú turbínu pripojíme ku kondenzátoru (pozor na správnu
polaritu) cez prepínač (ku kondenzátoru môžeme pripojiť napr. voltmeter, prípadne aj ampérmeter, aby
sme sledovali jeho nabíjanie či vybíjanie). Následne napätie na zdroji zvýšime na 10-12 V a sledujeme,
ako sa roztočí veterná turbína. Prepneme prepínač tak, aby sa kondenzátor začal nabíjať, spustíme
stopky a približne minútu sledujeme pomocou voltmetra a ampérmetra jeho nabíjanie. Po minúte
zastavíme ventilátor a odpojíme kondenzátor od veternej turbíny. Následne ho môžeme vybiť buď
pomocou elektrického motorčeka, prípadne cez veternú turbínu, pričom opäť sledujeme pomocou
88
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
stopiek čas, za ktorý sa kondenzátor vybije, ako aj priebeh napätia a prúdu v obvode pri jeho vybíjaní.
Experiment môžeme podobným spôsobom realizovať aj s využitím NiMH akumulátora.
Obrázok 3a.
Obrázok 3b.
Nabíjanie kondenzátora.
Vybíjanie kondenzátora pomocou motorčeka.
Vyhodnotenie experimentu: Elektrickú energiu môžeme vyrobiť napríklad pomocou veternej turbíny
s využitím javu elektromagnetickej indukcie. Značné množstvo vyrobenej elektrickej energie sa však
stráca vtedy, ak ju chceme uskladniť. Ak nabitý vysokokapacitný kondenzátor, prípadne akumulátor
vybijeme prostredníctvom veternej turbíny (turbína sa roztočí a bude fungovať ako elektromotor, nie
ako generátor elektrickej energie), z porovnania času nabíjania a vybíjania môžeme odhadnúť, aké
percento vyrobenej elektrickej energie sa v skutočnosti uložilo do kondenzátora, či akumulátora.
Napríklad pri nabíjaní lítium-iónového akumulátora sa spotrebuje približne 1,2 až 1,5 násobok energie
potrebnej na nabitie, pretože časť dodanej elektrickej energie sa mení na teplo. Vysokokapacitné
kondenzátory sa od akumulátorov líšia najmä tým, že dokážu uvoľniť nahromadenú elektrickú energiu
vo veľkých dávkach a veľmi rýchlo. Takéto kondenzátory umožnia zostrojiť hybridné autá s oveľa
väčšou akceleráciou, budú sa lepšie dobíjať energiou pri používaní bŕzd v elektrických autách,
umožnia používať zlepšené lasery a pod.
Záver
Predstavené námety na počítačom podporované experimenty sú jednou z aktivít, ktorým sa
v poslednom období venuje kolektív riešiteľov z katedry fyziky FPV UMB v rámci projektu KEGA
s názvom Virtuálne laboratórium fyziky – on-line databáza experimentov prírodovedného charakteru.
Cieľom projektu je vytvoriť web-portál – virtuálne laboratórium, ktoré bude obsahovať súbor
experimentov z rôznych oblastí fyziky, určených pre základné a stredné školy. Vybrané experimentálne
aktivity budú spracované formou videozáznamov prístupných v on-line režime a doplnené o metodické
návody na ich použite. Okrem videozáznamov budú k dispozícii aj návody na ďalšie experimentálne
aktivity realizované s podporou, ako aj bez podpory počítača. Súčasťou výstupov projektu bude aj
metodická príručka v tlačenej podobe a súbor videozáznamov jednotlivých experimentov na DVD
nosiči. Snahou riešiteľov projektu je vytvoriť funkčný, priebežne aktualizovaný web-portál priebežne
dopĺňaný o nové aktivity, ktorý bude možné využiť priamo na vyučovaní fyziky, a z ktorého budú
čerpať materiály a námety na aktivity mnohí učitelia fyziky základných a stredných škôl, ako aj
záujemcovia o prírodné vedy z radov širokej verejnosti.
Literatúra
Národná správa OECD PISA SK 2006 [online] http://www2.statpedu.sk/buxus/docs/projekty/PISA/pisa2006nsprava.pdf
Národná správa OECD PISA SK 2009 [online]
http://www.nucem.sk/documents//27/medzinarodne_merania/pisa/realizovane_studie_pisa /2009/Realizacia_2009.pdf
Holec, S. a kol. 2004. Integrovaná prírodoveda v experimentoch. Banská Bystrica: Fakulta prírodných vied UMB,
Medzinárodný projekt Leonardo da Vinci II N°. SI 143008 Computerised Laboratory in Science and Technology
Teaching, 2004. 216 s. ISBN 80-8055-902-3.
Virtuálne laboratórium fyziky [online] http://www.fpv.umb.sk/kat/kf/FyzLab/
89
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní geografie
Ivana Tomčíková
Katedra geografie, Pedagogická fakulta KU v Ružomberku, [email protected]
Úvod
Klimatológia a meteorológia sú vedy, ktoré skúmajú spoločný objekt – atmosféru Zeme. Meteorológia
sa zaoberá problematikou zloženia a vlastností atmosféry, počasím, jeho stavom a prognostikou jeho
vývoja v rámci matematicko-fyzikálnych vied. Zaoberá sa javmi, ktoré sa odohrávajú v krátkom
časovom úseku v dolných vrstvách atmosféry, všíma si najmä zmeny prvkov, ako sú teplota, vlhkosť,
zrážky, tlak a vietor. Klimatológia študuje podnebie (klímu), t. j. klimatotvorné procesy, ovplyvňované
geografickými činiteľmi, študuje zmeny a kolísanie podnebia z dlhodobého hľadiska, popisuje
a klasifikuje podnebie. Fyzikálne metódy prenikajúce do klimatológie majú za následok postupné
splývanie klimatológie a meteorológie a dnes ich považujeme za jednotný hraničný vedný odbor medzi
geofyzikou a fyzickou geografiou (Machyček a kol., 1985, s. 174).
Ciele a obsah štúdia klimatológie a meteorológie v geografii na ZŠ a na gymnáziu
Základné vedomosti o počasí a prírodných javoch nadobúdajú žiaci z propedeutických predmetov
prvého stupňa základnej školy, ako je prírodoveda a čiastočne aj vlastiveda. Tieto predmety ich naučili
chápať jednoduché súvislosti a vzťahy, ktoré vyplývajú z prírodných zmien počas roka. Významné
miesto vo vyučovaní tejto časti má metóda pozorovania, kde treba klásť dôraz na aktívnu tvorivú
činnosť žiakov a využívať aktivizujúce metódy vyučovania.
Cieľom vyučovania klimatológie a meteorológie v geografii je naučiť žiakov o javoch a procesoch
podnebia a počasia, ktoré sú potrebné pre pochopenie vzťahov medzi počasím a podnebím, ale aj
medzi jednotlivými geografickými javmi a procesmi v krajinnej sfére. Žiaci si musia uvedomiť, že
atmosférická zložka fyzickogeografickej sféry Zeme významne vplýva na jej ostatné zložky. Narušenie
zemskej atmosféry sa prejaví nielen na vlastných atmosférických javoch (otepľovanie klímy, kyslé
dažde, narušenie ozónovej vrstvy), ale aj na procesoch ostatných geosfér (biosféry, hydrosféry,
pedosféry, humánnogeografickej sféry).
Kľúčovým problémom vo vyučovaní klimatológie a meteorológie v geografii na základnej škole je
porozumieť všeobecnej cirkulácii ovzdušia. Keďže žiakom chýbajú základné poznatky z fyziky,
musíme im pomocou názorných metód – náčrtkov, obrázkov vysvetliť, že príčinou vzniku
pravidelného prúdenia v atmosfére je nerovnomerné ohrievanie zemského povrchu a rotácia Zeme,
ktorá ovplyvňuje smer prúdenia. Na gymnáziu v učive o planetárnej cirkulácii ovzdušia už treba
využívať poznatky z fyziky, najmä vedomosti o rozdielnych vlastnostiach teplého a studeného vzduchu
a vzniku tlakových útvarov. Vedomosti študentov treba rozšíriť o poznatky synoptickej meteorológie
(rozloženie tlakových útvarov a ich vplyv na počasie, cyklonálna činnosť, vzduchové hmoty a fronty,
a pod.).
Okrem vlastného učiva o atmosfére je potrebné využívať tieto poznatky v regionálnej geografii sveta
a Slovenska, kde by žiak mal cez všeobecné vedomosti dokázať aplikovať a analyzovať prvky klímy
na konkrétnom území. Učivo klimatológie a meteorológie má výnimočné postavenie, pretože jeho
kvalitné zvládnutie umožní žiakom správne pochopiť priestorovú diferenciáciu a vlastnosti ostatných
zložiek geosféry (Čižmárová, 2006).
Obsah učiva klimatológie a meteorológie v učebniciach geografie pre ZŠ a gymnáziá
Učivo klimatológie a meteorológie je spracované v učebnici geografie pre 5. a 6. ročník ZŠ. V 5.
ročníku ZŠ je v tematickom celku Cestujeme a spoznávame našu Zem, v podcelku s názvom
Najkrajšie miesta na Zemi, ktoré vytvorila príroda. Sú tu dve témy Atmosféra – vzdušný obal Zeme a
Aké bude počasie?. Definovaný pojem podnebie a charakteristiku podnebných pásiem však nájdeme
v téme, ktorá za nimi nasleduje a má názov Rozmanité krajiny Zeme. V učebnici pre 6. ročník ZŠ
v úvodnom tematickom celku Planéta Zem je téma Podnebie a podnebné pásma, kde autori učebníc
znovu charakterizujú základné pojmy podnebie, počasie, klimatické pásma, meteorológia. Učebnica
však venuje pozornosť aj základným veterným systémom (pasáty, monzúny, západné vetry, východné
vetry) a ich významu pre človeka.
90
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Klimatológia a meteorológia sa v geografi v gymnáziách vyučuje v 1. ročníku v rámci tematického
celku Príroda Zeme v podcelku Zákonitosti atmosféry, učivo tu má všeobecné zameranie. Jej obsah
zahŕňa zloženie a základné charakteristiky atmosféry a význam jej jednotlivých vrstiev, definuje pojmy
počasie, klíma, opisuje procesy v atmosfére, klimatotvorné činitele, podáva klimatické charakteristiky
(teplotu, vlhkosť, tlak, vietor, zrážky). Opisuje všeobecnú cirkuláciu atmosféry, ale aj miestne prúdenie
vzduchu, charakterizuje klimatické pásma a oblasti. Učivo je obohatené o aktuálne témy - zmeny
klímy na Zemi a jej príčiny, najväčšiu pozornosť venuje dôsledkom globálneho otepľovania. Záver
tvorí časť o synoptickej meteorológii (Tomčíková, 2010).
V 6., 7. a 8. ročníku ZŠ a v 2. ročníku gymnázia nadobúda učivo klimatológie a meteorológie
v geografii aplikačný a rozširujúci charakter. Študenti využijú základné poznatky z klimatológie a
meteorológie pri charakteristike podnebia a celkovo prírodných podmienok jednotlivých kontinentov,
pričom sa oboznámia so zvláštnosťami a špecifikami klímy daného kontinentu na základe rozboru
analytických máp, klimatických diagramov. V 9. ročníku ZŠ a v 3. ročníku gymnázia je obsah učiva
zameraný na regionálnu geografiu Slovenska, kde úvodné kapitoly venujú pozornosť prírodným
pomerom našej vlasti. Študenti sa tu zoznámia s klímou Slovenska ako aj miestnej krajiny.
Metódy efektívneho vyučovania klimatológie a meteorológie v geografii na základnej škole a na
gymnáziu
Vyučovanie klimatológie a meteorológie je náročné na pojmový aparát, preto dôležitou súčasťou jej
výučby musí byť názornosť. Mnohé javy a procesy prebiehajú v dlhom časovom intervale, sú skryté
a študentom neznáme, preto je nevyhnutné použiť na sprostredkovanie pojmov obrázky, náčrtky, mapy,
ktoré sa v učebnici nachádzajú alebo si ich učiteľ musí pripraviť. Tie umožnia odhaliť podstatné črty
javu alebo objektu, ako aj zákonitosti rôznych procesov, ktoré prebiehajú vo fyzickogeografickej sfére.
Obrázky uľahčujú myšlienkovú činnosť študentov pri osvojovaní vedomostí, preto musia byť spojené
so slovnými metódami. Učiteľ opisom obrázku a vysvetľovaním upozorňuje študentov, čo si majú na
obrázku všímať, čo je na ňom podstatné, základné a hlavné.
Veľmi významné miesto majú i náčrtky. Učiteľ je ich schopný realizovať priamo na tabuli a žiaci
môžu sledovať jednotlivé prvky alebo fázy a vznik celého zobrazenia a potom lepšie pochopia
výsledný obraz schémy v učebnici. Takto postupne utvárané zobrazenie sa ľahšie zapamätá a má
dôležité postavenie pri logickom vyvodzovaní zobrazených javov. Dôležitú úlohu má i film, ktorý
zobrazuje geografické javy jasne, názorne tak, ako prebiehajú v skutočnosti a v pohybe.
V geografii sa často používajú i tematické mapy, ktoré sa nachádzajú v učebnici alebo v atlasoch.
V súčasnosti sú ľahko prístupné i webové kartografické zdroje, ktoré môžu byť statické (neumožňujú
žiadnu aktivitu, len prehliadanie), statické interaktívne (umožňujú i interaktivitu, komunikačnú zmenu
mierky, umožňujú výber prvkov z ich obsahu a pod.) a dynamické interaktívne (sú doplnené o
animácie a pohyb objektov). Internet nás zavedie do kartografických databáz, portálov, serverov,
zbierok, keď si do vyhľadávačov zadáme tieto požiadavky: GLOBAL CLIMATE MAPS, WORD
CLIMATE MAPS, GLOBAL CLIMATE ANIMATION, KOPPEN CLIMATE CLASSIFICATION
(MAP).
Pri vyučovaní je potrebné naučiť žiakov čítať špeciálne klimatické diagramy tak, aby pomocou nich
dokázali určiť základnú klimatickú charakteristiku miesta (územia).
Učivo o atmosfére poskytuje mnoho podnetov na rozvíjanie praktických zručností cez priame
pozorovania počasia, záznamy hodnôt prvkov počasia v stanovenom období alebo priamou prácou
s dostupnými meteorologickými prístrojmi. Praktické poznatky o meraní meteorologických prvkov
môžu žiaci získať návštevou meteorologického pracoviska v blízkosti školy.
Návrh vyučovacej hodiny pre 5. ročník základnej školy s témou Aké bude počasie?
V tejto téme sa žiak oboznámi s nasledovnými tematickými okruhmi: počasie,meteorológia, teplota
vzduchu, vietor, zrážky ,meteorologické družice , počasie na území Slovenska.
Kľúčové slová: počasie, meteorológia, vietor - smer a rýchlosť, teplota vzduchu, zrážky,
meteorologické prístroje
Zaujímavé webové adresy a videá:
Stránka SHMU – http://www.shmu.sk/sk/?page=1, Stránka v angličtine na predpovedanie počasia http://www.sat24.com/ , Predpovede počasia pre celý svet - http://www.pocasie.sk/ , Predpovede
91
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
počasia - http://www.bbc.co.uk/schools/whatisweather/ , Stránka v angličtine so zemepisnými hrami
zameranými na počasie - http://www.youtube.com/watch?v=aqnf2sSp-tM , Meteorologické prístrojevideo v angličtine - http://www.youtube.com/watch?v=aqnf2sSp-tM ,jednoduché tipy pre žiacke
projekty zamerané na pozorovanie a zaznamenávanie meteorologických prvkov a javov súvisiacich
najmä so vznikom hurikánov - http://www.miamisci.org/hurricane/insideahurricane.html
Didaktické ciele: - zopakovanie základných poznatkov o atmosfére, - vysvetlenie základnej
terminológie - počasie, meteorológia, vietor - smer a rýchlosť, teplota vzduchu, zrážky, meteorologické prístroje, - výpočet priemernej dennej teploty, - oboznámenie sa so synoptickými
mapami
Didaktické metódy:
Úvod: metódy diagnostické: ústne skúšanie, didaktická hra
Hlavná časť: motivačné didaktické hry, výkladovo-ilustratívne – vysvetľovanie, názorné –
demonštrácia prezentovaná didaktickou a výpočtovou technikou, praktické – riešenie úloh spojených
s výpočtami
Fixácia: didaktické hry, grafické – zostrojovanie náčrtov - kalendár
Materiálne didaktické prostriedky: PC, dataprojektor
Štruktúra hodiny a obsahu učiva
Metodické poznámky
A: ÚVOD
Samostatné riešenie didaktických hier do zošitov
Oboznámenie žiakov s obsahom a štruktúrou hodiny, zápis do triednej
knihy
Individuálne opakovanie pri tabuli
Overenie vedomostí o atmosfére
Didaktické hry
Triedenie pojmov – vypíš správne dvojice
Spájanie slabík
Opakovanie učiva o atmosfére
Typy otázok:
- Čo je atmosféra?
- Charakterizujte zloženie atmosféry?
- Opíšte obeh vody na Zemi?
- Čo sú oblaky, aké poznáte?
- Čo sú zrážky?
B:HLAVNÁ ČASŤ HODINY
1. Motivácia
Zadanie samostatnej práce – doplňovačka s tajničkou
2. Sprístupnenie nového učiva
Vysvetlenie základných pojmov meteorológia , meteorologické prístroje
Meteorologické stanice
Teplota vzduchu a meranie priemernej dennej teploty vzduchu
Vietor – smer a rýchlosť
Piktogramy stavu počasia
Meteorologické družice
Počasie na Slovensku
Synoptická mapa
Samostatné riešenie do zošitov
Obsah hodiny a práca s počítačom.
Mapa SR s vyznačenými meteorologickými stanicami
Obrázky a animácie vo forme prezentácie v Power Pointe.
C: UPEVNENIE A ZOPAKOVNIE UČIVA
Didaktické hry, presmyčky,osemsmerovka
Úloha:Pranostiky spojené s počasím
DOMÁCA ÚLOHA
Kalendár
Vypracovanie projektu
Metodika a podmienky realizácie hodiny
Na zopakovanie učiva využijeme didaktické hry, ktoré sú zamerané na overenie a prehĺbenie
vedomostí z prebratého učiva o atmosfére. Zadania úloh odporúčame pripraviť na papiere, ktoré žiaci
dostanú na hodine. Pracovať môžu vo dvojiciach.
Triedenie pojmov:
Šípkou pospájaj správne dvojice pojmov:
Spájanie slabík:
atmosféra
oblaky
freóny
prúdenie vzduchu
Ak pospájaš správne tieto slabiky, získaš 7
pojmov z atmosféry:
vodná para
ozónová vrstva
AT-PO-VIE-TA-ZRÁŽ-FÉ-POD-OB-BIE-ČA-TOR-SIE-MOS-TEP-
92
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
počasie
dlhodobý stav ovzdušia na určitom území
vietor
okamžitý stav ovzdušia na určitom území
podnebie
vzdušný obal Zeme
NE-RA-LAK-KY-LO
(atmosféra, počasie, podnebie, vietor, oblak,
teplota, zrážky)
Na motiváciu, ale aj na zopakovanie učiva sme vytvorili doplňovačku s tajničkou, ktorú žiakom
nakreslíme na tabuľu a žiaci si ju urobia do zošitov.
1 – látky, z ktorých je tvorená atmosféra
2 – vzdušný obal Zeme
3 – žiarenie, ktoré ohrieva zemský povrch
4 – viditeľný zhluk drobných kvapôčok vody, ľadových
kryštálov v ovzduší
5 – plyn, ktorý má najväčšie zastúpenie v atmosfére
6 – prúdenie vzduchu
7 – meteorologický prvok
Učiteľ má pripravenú prezentáciu obrazu v programe PowerPoint a premieta ju na hodine súbežne
s výkladom pre všetkých žiakov pomocou dataprojektora. Prezentácia pozostáva z 25 slajdov.
Obsahujú text, ktorý je vhodne doplnený obrázkami, mapami a animáciami. Prezentácia bude
súčasťou prednášky na seminári a dostupná na stránke prednášok zo seminára. Súčasťou prezentácie je
aj výpočet priemernej dennej teploty. Príklad na fixáciu učiva:
V nasledujúcej tabuľke sú namerané teploty v Žiline počas dňa. Vytvor vzorec a vypočítaj priemerné
denné teploty.
Priemerná denná teplota sa vypočíta z troch meraní o 7., 14., a 21. hodine (t.j. o 8., 15., 22. hodine
letného času). Výpočet sa robí pomocou vzorca:
Priemerná denná teplota = (t7 + t14 + 2. t21) / 4
deň
07:00
[ºC]
14:00
[ºC]
21:00
[ºC]
23.7
9
22
12
24.7
12
21
13
25.7.
8
29
15
Priemerná denná teplota
Vo fixačnej časti hodiny využijeme znovu didaktické hry – prešmyčky a osemsmerovku, v ktorých
sú pojmy z prebraného učiva.
Prešmyčky:
Osemsmerovka:
Poprehadzuj hlásky tak, aby si dostal pojmy
z atmosféry.
ROTOLEOGIECMKÉ ANSETIC
METEOROLOGICKÉ STANICE
ŤLÝCRHSO REATV
VETRA
RÝCHLOSŤ
ŽÁKRYZ
ZRÁŽKY
OŤABČONSL
OBLAČNOSŤ
SENÝČNL TSIV
SVIT
SLNEČNÝ
ONKRÁ
ORKÁN
Pojmy, ktoré treba vyčiarknúť:
Počasie, meteorológ, mraky, teplota, vietor, ovzdušie,
zrážky, predpoveď, orkán, rýchlosť, smer, mráz, rosnička,
kumulus . Meteorológom na získavanie informácií o dejoch v atmosfére
slúžia aj ..................................... písmen)
Riešenie: meteorologické družice
93
riešenie osemsmerovky (21
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Na záver zadáme žiakom domácu úlohu. Okrem prečítania si učiva v učebnici budú žiaci doma robiť
projekt s názvom Kalendár.
Domáca úloha:
KALENDÁR
Sledujte a pravidelne si zapisujte charakter počasia počas 1 týždňa. Vytvorte kalendár, v ktorom
uvediete mesiac, deň, čas merania teploty ráno o 7,00 hod., po príchode zo školy domov o 14,00 hod.
a večer pred spaním o 21,00 hod. Vypočítajte priemernú dennú teplotu, teplotu a piktogramy podľa
toho, aké bolo v ten daný deň počasie.
Budete potrebovať: výkres A3, farbičky, vonkajší teplomer, hodinky, obrázky, lepidlo.
Ukážka projektu:
Záver
Klimatológia a meteorológia obsahuje množstvo informácií, ktoré sú používané v bežnom živote
(napr. predpoveď počasia), ale aj informácie o problematike klimatických zmien. Zovšeobecňujúce
poznanie prinášajú mapy s klimatickými charakteristikami a charakteristikami klimatických pásiem.
Súčasťou tejto výučby je prehlbovanie znalostí pracovať s grafmi a diagramami a ich vecná
a priestorová interpretácia. Dôležitú úlohu hrá vštepovanie poznania o platnosti dvoch základných
geografických zákonitostí - výšková stupňovitosť a šírková pásmovitosť. Zisťovanie aktuálneho stavu
počasia a krátkodobá predpoveď počasia pre akékoľvek miesto na svete sa stalo praktickou znalosťou.
Literatúra
Čižmárová, K., 2006: Didaktika geografie II., Fakulta prírodných vied UMB, Banská Bystrica, ISBN 80-8083-285-4
Machyček a kol., 1985: Základy didaktiky geografie, SPN, Bratislava, 343s.
Ružek, I. a kol., 2009: Geografia pre 5. ročník základných škôl. VKÚ, a. s., Harmanec, ISBN 978-80-8042-571-5
Tomčíková, I., 2010: Postavenie a obsah učiva fyzickej geografie v učebnici geografie pre 1. ročník gymnázií. In:
Geografia : časopis pre základné, stredné a vysoké školy. - ISSN 1335-9258. - Roč. 18, č. 2 (2010), s. 69-71.
← Multimediálna prezentácia k vyučovanej téme – dostupná na internetovej
stránke učiteľského seminára
94
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Jednoduchý experiment vo fyzike - môže byť motivujúci?
Jana Ivančíková
Gymnázium Jána Hollého, Na hlinách 729/30, Trnava, [email protected]
Úvod
Ako oboznamujeme žiakov s novými fyzikálnymi javmi ?
Vo vyučovaní fyziky môžeme s fyzikálnymi javmi oboznámiť žiakov rôznymi spôsobmi. V súčasnosti
je veľa možností a prostriedkov získavania informácií pri fyzikálnom vzdelávaní. Rozvoj vedy
a techniky ovplyvňuje proces vzdelávania tým, že poskytuje možnosť získať informácie cez počítač,
videozáznamy, cez internet. Pri demonštrácii určitého fyzikálneho javu môžeme použiť moderné
meracie prístroje, zložité pomôcky.
Na čo nesmieme vo vyučovaní fyziky zabudnúť ?
Pri vyučovaní fyziky však nesmieme zanedbať jeden dôležitý poznatok. Akákoľvek demonštrácia
fyzikálneho javu nesmie zakrývať jeho podstatu. To sa môže veľmi ľahko stať vtedy, ak je pokus
zložitý z hľadiska jeho realizácie alebo ak sa v ňom aplikujú viaceré neznáme fyzikálne javy súčasne.
To sa ale nestáva vtedy, keď realizujeme jednoduché fyzikálne pokusy.
Odkiaľ pochádzajú jednoduché pokusy ?
Problematikou jednoduchých fyzikálnych pokusov sa zaoberá na Slovensku veľa autorov kníh,
učebníc a rôznych publikácií. Neprehliadnuteľné sú však inšpirácie v knihách francúzskeho autora
Arthura Gooda „Zábavná veda“ z konca 19. storočia. Okrem rôznych fyzikálnych hier, určených na
zábavu, sa v nej nachádzajú aj jednoduché fyzikálne pokusy, ktoré vedú k pozorovaniu rôznych
fyzikálnych javov a zákonitostí. Tieto jednoduché a odskúšané pokusy prezentujú Debrujári. Slovo
„Débrouillard“ znamená človek šikovný, obratný, ktorý si vie vždy poradiť. Debrujárska činnosť sa
opiera o základné, vrodené vlastnosti žiakov. Rozvíja ich osobnosť, vedie ich k pochopeniu
fyzikálnych javov a zákonitostí. Dokazuje, že fyzika je veda pochopiteľná, zábavná, že je
neoddeliteľná od bežného života a že náš život sa týmito fyzikálnymi zákonmi riadi, čo si vo väčšine
prípadov vôbec neuvedomujeme.
Sú jednoduché pokusy len dôsledok nedostatku materiálnych pomôcok ?
Jednoduché pokusy nie sú pokusmi uskutočňovanými ako dôsledok nedostatku pomôcok. Sú síce
nenáročné na materiálne pomôcky a na ich technickú realizáciu, ale tiež sú veľmi efektné a zároveň
efektívne. Mnohokrát by sme ich mohli nazvať aj domácimi či kuchynskými pokusmi, ktoré končia
takmer vždy úspechom. Žiaci si ich môžu bez problémov zrealizovať aj doma. Z tohto dôvodu sú
jednoduché pokusy vysoko motivačné. Vzbudzujú záujem o fyzikálny jav, pretože mnohokrát
výsledok pokusu je v rozpore s tým, čo žiaci očakávajú a to ich núti vytvárať si vlastné predstavy
o pozorovanom jave a formulovať záver, odôvodniť výsledok pokusu. Na učiteľovi fyziky záleží, do
akej hĺbky daného javu sa ponorí. Odporučiť tieto pokusy možno žiakom základných ale aj stredných
škôl.
V ktorých oblastiach fyziky možno realizovať jednoduché fyzikálne pokusy ?
Pomocou jednoduchých pokusov možno predvádzať rôzne fyzikálne javy. Jednoduché experimenty
možno použiť napríklad v oblastiach kinematiky a dynamiky, v kinetickej teórii látok, v mechanike
kvapalín a plynov, pri skúmaní štruktúry a vlastností kvapalín a plynov, v oblasti vnútornej energie
a tepla, v opise vlastností elektrického poľa,...Rozvíja sa tak logické myslenie žiakov, ich tvorivosť,
zmysel pre spoluprácu, komunikatívnosť. Hlavné princípy debrujárskej teórie tak možno začleniť aj do
princípov, ktoré by sme mali uplatňovať vo vyučovaní fyziky.
Prečo používať jednoduché pokusy?
Jednoduché pokusy:
•sú založené na prirodzených vlastnostiach žiaka - na jeho hravosti, zvedavosti,
•umožňujú samostatný rozvoj žiaka,
•zábavnou formou vzbudzujú jeho záujem o fyziku,
•rozvíjajú predstavivosť žiaka,
•zvyšujú jeho pozornosť,
95
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
•rozvíjajú zvedavosť a zodpovednosť žiaka,
•rozvíjajú sociálne cítenie,
•odstraňujú mechanické formy učenia,
•žiak nezískava poznatky len v abstraktnej podobe,
•preberané učivo dostáva konkrétnejší fyzikálny obsah bezprostredným „ohmataním“ reality,
•žiadna technika nenahradí osobný ľudský kontakt v procese poznávania.
Jednoduché pokusy s vodou a so vzduchom
Rôzne ľadovce
Pomôcky: 2 rovnaké poháre, voda, slaná voda, kocka ľadu zo zafarbenej vody,
kocka ľadu zo zafarbenej slanej vody.
Postup: Do obidvoch pohárov nalejeme slanú vodu. Do prvého pohára dáme
kocky ľadu zo zafarbenej vody, do druhého pohára dáme kocky ľadu zo
zafarbenej slanej vody. Ľad necháme roztopiť. Aký rozdiel v pohároch uvidíme ?
Riešenie: Ľad sa topí. V prvom pohári sa zafarbená voda vzniknutá roztopením
ľadu z vody drží hore, pretože má menšiu hustotu ako slaná voda. Voda vzniknutá roztopením ľadu zo
slanej vody v druhom pohári zafarbí o chvíľu slanú vodu v celom pohári.
Súťaž dvoch fliaš
Pomôcky: 2 rovnaké PET fľaše s vrchnáčik-mi( 2 l), slamky, nožnice, chemoprénové lepidlo, väčšia
nádoba.
Postup: Zo slamiek od-strihneme 2 kúsky dĺž-ky 3
cm, 1 kúsok dĺžky 6 cm a 1 kúsok dĺžky 12 cm. Do
obidvoch viečok z PET fliaš urobíme po dva otvory.
Do prvého viečka zasunieme kúsky slamiek 3 cm a
6 cm, do druhého viečka kúsky 3 cm a 12 cm.
Slamky utesníme pomocou chemoprénového lepidla.
Obidve fľaše naraz otočíme dnom nahor a necháme vytekať vodu do misky. Z
ktorej fľaše vytečie voda rýchlejšie a prečo?
Riešenie: Voda z druhej fľaše vytečie rýchlejšie, pretože pri výtokovom otvore je
väčší hydrostatický tlak.
Poskakujúca minca
Pomôcky: Sklená fľaša, trochu vody, minca 1 €.
Postup: Hrdlo fľaše natrieme vodou, položíme na neho mincu a fľašu zahrievame
rukami (prípadne ju dáme do horúcej vody).
Riešenie: Minca začne poskakovať. Vzduch vo fľaši sa pri zohrievaní rozpína,
nadvihne mincu a časť z neho unikne von.
Čo uvádza vodu do pohybu
Pomôcky: Nádoba so studenou vodou, malá fľaška s horúcou
vodou, farbivo, kúsok špagátu.
Postup: Fľaštičku s horúcou zafarbenou vodou pomocou špagátu
spustíme opatrne na dno nádoby so studenou vodou.
Riešenie: Zafarbená voda stúpa z fľaštičky nahor. Hustota teplej
vody je menšia ako hustota stude-nej vody. Až po uplynutí určitého
času sa zafarbená voda zmieša so studenou a klesne dolu.
Zeleninová chuťovka varená v nafukovacom balóniku
Pomôcky: Zelenina nakrájaná na drobné kúsky, nafukovací
balónik, voda, malý propánbutanový varič (alebo podložka,
pevný podpaľovač, hliníková miska), špagát, dlhé kliešte.
Postup: Do balónika nasypeme zeleninu, nalejeme vodu , hore
uviažeme tak, aby v balóniku nezostal vzduch. Pomocou dlhých
klieští držíme balón vo vhodnej výške nad plameňom variča.
Riešenie: Voda v balóniku sa pomaly zohrieva a odvádza teplo. Zohrieva sa na
teplotu varu, ktorá je ale nižšia ako zápalná teplota balónika. Dodávaním tepla sa
voda vyparuje, balónik sa nafukuje. Asi po piatich minútach je zelenina uvarená a môžeme ju vyklopiť
96
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
na tanier. Balónik by sa zoškvaril až vtedy, keby sa všetka voda premenila na paru - teplo by už
z povrchu balónika nebolo odvádzané.
Fontána trošku inak
Pomôcky: Nádoba, malá fľaška s uzáverom, slamka, sviečka,
zápalky.
Postup: Uzáver malej fľašky prepichneme a zasunieme doň
slamku tak, aby sa dotýkala dna fľašky. Potom ju naplníme do
tretiny zafarbenou vodou a hermeticky uzavrieme. Voskom
zalejeme prípadné otvory. Fľašku postavíme do nádoby naplnenej do troch štvrtín
horúcou vodou.
Riešenie: Teplota vzduchu a jeho objem vo fľaške sa zväčší , narastie jeho tlak
a voda je z fľašky vytláčaná cez slamku a môžeme pozorovať fontánu.
Čo sa stane so vzduchom, keď sa zahrieva
Pomôcky: nafukovací balónik, fľaša, nádoba s vriacou
vodou.
Postup: Balónik natiahneme na hrdlo fľaše a postavíme
ju do nádoby s horúcou vodou. Čo sa stane?
Riešenie: Balónik sa nafúkne. Ale ak dáme fľašu do
nádoby so studenou vodou balónik spľasne. Vzduch sa totiž
pri zohrievaní rozpína a preto sa balónik nafukuje. Prečo teda
nemôžeme v lete nechať bicykel na slnku?
Octová raketa
Pomôcky: Sóda, jemný papierový obrúsok, tenký špagát,
jedna PET fľaša, ocot, korková zátka, pohár (7dcl).
Postup: Sódu zabalíme to papierového obrúska. Do PET fľaše nalejeme ocot, dnu
zavesíme zabalenú sódu, uzatvoríme korkovou zátkou. Fľašu otočíme hore dnom a
postavíme do pohára.
Riešenie: Keď spadne
sóda do octu začne reakcia, pri ktorej vzniká oxid uhličitý. Oxid uhličitý sa rozpína, zvyšuje sa tlak
v PET fľaši. Zátka vyletí nadol a PET fľaša (raketa) sa pohybuje opačným smerom – nahor.
Jemne praskajúce bubliny
Pomôcky: Roztok zo 6 pohárov vody, pol pohára saponátu,
jeden a pol pohára glycerínu, jeden kuchynský lievik, špagát,
ostrá ceruzka.
Postup: Z uvedených zložiek pripravíme bublinový roztok.
Okolo hrdla lievika priviažeme špagát. Na jeho druhom konci
urobíme slučku. Namočíme okraj lievika a špagát do kvapaliny,
vytiahneme ich a urobíme veľkú bublinu.
Riešenie: Ostrou ceruzkou prepichneme bublinu vo vnútri
slučky. Bublina pomaly mizne, vzduch cez dieru postupne uniká. Prečo bublina nepraskne? Neporušili
sme rovnováhu zvyšku bubliny, lebo časť bubliny, ktorá sa nachádza vo vnútri slučky je oddelená od
jej zvyšku . Ak však prepichneme obyčajnú bublinu, sila vzduchu tlačí bublinu do
opačného smeru a bublina praskne.
Kto deformoval fľašu ?
Pomôcky:: Dve rovnaké PET fľaše s uzáverom, studená voda, vriaca voda.
Postup: Do jednej fľaše nalejeme studenú vodu a do druhej vriacu vodu. Potom
studenú vodu z fľaše vylejeme a fľašu uzatvoríme. Taktiež vriacu vodu z fľaše
vylejeme a fľašu ihneď uzatvoríme.
Riešenie: Za niekoľko minút sa fľaša, z ktorej sme vyliali vriacu vodu,
zdeformuje. Tvar fľaše, z ktorej sme vyliali studenú vodu, sa nezmení. Vzduch vo fľaši, z ktorej sme
vyliali horúcu vodu, sa začal rozpínať, ale po ochladení sa jeho objem zmenšil, tlak vo fľaši poklesol
pod hodnotu tlaku okolitého vzduchu, ktorý spôsobil jej
deformáciu.
Reaktívny vzduchový balón
Pomôcky: rybárske lanko, izolepa, kúsok slamky, balón.
97
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Postup: nafúkaný balón zavesíme na lanko, uvoľníme otvor a pozorujeme, čo sa s ním začne diať.
Riešenie: Keď sme uvoľnili otvor balóna, začal ním prúdiť prúd stlačeného vzduchu z oblasti
vyššieho tlaku do oblasti nižšieho tlaku. Vznikla reakcia, ktorá uviedla balón do pohybu v opačnom
smere.
Teplovzdušný balón
Pomôcky: Veľké mikroténové vrecko ( do odpadového koša),
izolepa, nožničky, tenký drôtik, vata, nehorľavá podložka, lieh,
zápalky, miska na uhasenie horiacej vaty.
Postup: Spodný okraj mikroténového vrecka zahneme, prelepíme
izolepou a navlečieme do neho tenký drôt. Potom spodný okraj
vyformujeme do tvaru kružnice. Vatu na nehorľavej podložke
polejeme liehom a zapálime. Nad plameň umiestnime vrecko
otvorom nadol (do vhodnej vzdialenosti).
Riešenie: Balón chvíľu podržíme a keď cítime, že sa vznáša, pustíme ho (plameň
zahasíme miskou ). Balón stúpa hore, hustota teplého vzduchu je menšia ako hustota
okolitého vzduchu. Pred pokusom je vhodné miestnosť vyvetrať, aby bola hustota vzduchu
v miestnosti väčšia. Ak budeme balón držať nad plame-ňom dlhšie, môže vystúpiť až po strop.
Raketa
Pomôcky: Jedna PET fľaša aj s vrchnákom, silonové
lanko dĺžky 4 metre, lieh, zápalky, špajľa drôt, nožík,
kliešte.
Postup: Z drôtu vyrobíme dva držiaky na PET fľašu.
Do vrchnáku fľaše urobíme otvor s priemerom asi 4
mm. Natiahneme silikón a upevníme ho- nie je vhodné
ho držať v ruke. Do fľaše nalejeme trochu liehu, necháme ho chvíľu vo vnútri vyparovať a potom
vylejeme. Fľašu zavesíme na silikón a pomocou dlhej špajle zapálime výpary vo fľaši.
Riešenie: Zapálením výparov vo fľaši v nej vznikne veľký pretlak, ktorý spôsobí jej vystrelenie. Fľaša
- raketa vyletí opačným smerom ako je smer, ktorým unikajú spaliny.
Model pľúc
Pomôcky: PET fľaša s vrchnákom (alebo nádoba na špagety),
dve slamky, dva balóniky, pružná blana (chirurgické rukavice),
izolepa, gumička, lepidlo.
Postup: Do vrchnáka urobíme dva otvory a model pľúc
zostavíme podľa obrázku. Slamky budú priedušky, balóniky
pľúca a pružná blana bude pohrudnica.
Riešenie: Ak pružnú blanu potiahneme nadol - nádych, zväčší sa
vnútorný objem fľaše – hrudníka, zmenší sa tlak vo fľaši hrudníku a vzduch sa nasáva do balónikov- do pľúc. Ak ale zatlačíme blanu dovnútra, zmenší sa
vnútorný objem fľaše- hrudníka, zväčší sa tlak vo fľaši - hrudníku a vzduch sa vyfukuje von
z balónikov - výdych.
Prečo hladina stúpa ?
Pomôcky: Nízky svietnik,
sviečka (alebo kahanec), dve
mince,
miska
s vodou,
zápalky, pohár.
Postup: Do polovice misky
nalejeme vodu. Na jej okraje
položíme mince. Do stredu misky vložíme svietnik so sviečkou a sviečku zapálime. Potom ju
prikryjeme prevráteným pohárom tak, aby bol pohár položený na minciach.
Riešenie: Plameň sa rýchle zmenšuje až sviečka zhasne. Súčasne začne voda v pohári stúpať a zaplní
jednu pätinu objemu pohára. Pri horení sa spotreboval kyslík, v pohári vznikol pod-tlak a preto voda
stúpa do oblasti nižšieho tlaku. Pokus zároveň dokazuje, že kyslík tvorí približne 20 % objemu
vzduchu.
98
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Žiacka veterná turbína
Mária Kučerová
ZŠ s MŠ Poprad, Jarná 3168/13, mkucerova@ centrum.sk
Úvod
Využitie energie prúdiaceho vzduchu je samozrejmou súčasťou učiva základnej školy. Zvlášť
významným sa stáva v dobe, keď sa zásoby ropy a uhlia zmenšujú a spoločnosť hľadá nove
energetické zdroje. Energia prúdiaceho vzduchu sa využíva stále viac a v okolitých krajinách, hlavne
v Rakúsku môžeme sledovať výrazný prírastok veterných turbín. Vidia ich aj naši žiaci a preto je
žiadúce, aby vedeli princíp akým spôsobom je možné využívať silu prúdiaceho vzduchu.
Učivu o pohybe vzduch sa venujem v prvej časti, druhá časť príspevku sa zaoberá vytvorením
jednoduchej žiackej meteorologickej stanice podľa návodu v učebnici v rámci ktorej sa meria aj smer
a veľkosť vetra. Možnosť vybudovať si vlastnú meteostanicu je pre žiakov veľmi inšpiratívna a dáva
príležitosť stať sa budúcim meteorológom. V tretej časti príspevku je popísané ako si žiaci vyskúšali
úskalia konštrukcie vlastnej turbíny, ako overili a pochopili, prečo je konštruovaná práve tak ako je, čo
sa týka počtu a tvaru ramien.
1. Vzduch v pohybe v učive základnej školy
S tematikou prúdiaceho vzduchu sa stretávajú žiaci už na prvom stupni základnej školy. V učive
o vzduchu v treťom ročníku v Prírodovede sa naučia čo je vietor a aký má pre nás význam (obr.1.).
Na druhom stupni sa oboznámia žiaci s meteorologickými prvkami v geografii 5. ročníka v téme
Aké bude počasie. Tu majú jednoduchým spôsobom vysvetlený pôvod vetra, smer vetra a jednotky
v akých sa uvádza rýchlosť vetra. Učivo je
doplnené jednoduchým obrázkom meteorologickej stanice (obr. 2.) Oveľa podrobnejšie mali
žiaci rozobranú a vysvetlenú problematiku vetra
v starej koncepcii obsahu učiva.
Využitie energie prúdiaceho vzduchu majú žiaci v
učive fyziky 9.ročníka. Veľmi stručne sa dozvedia
o výhodách a nevýhodách veterných turbín, a v
ktorých krajinách majú tradičné využitie. Učivo je
ilustrované skromným obrázkom veternej farmy
(obr. 3). Vzhľadom na vek žiakov by bolo žiadúce
poskytnúť im aspoň krátku informáciu o
Obrázok 2. Meteorologická stanica.
konštrukcii a hlavných častiach veternej turbíny.
99
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Podľa novej koncepcie je podrobnejšie problematika
meteorológie zastúpená vo fyzike v 7. ročníku v kapitole
Skúmanie premien skupenstva látok. V učebnici je rozpracovaná
metodika konštrukcie žiackej meteorologickej stanice
s množstvom jednoduchých meracích prístrojov okrem iného, aj
na meranie smeru a rýchlosti vetra (obr.. 4, 5). Je to vďačná
kapitola pre zvedavých a aktívnych žiakov.
Obrázok 3.
Veterná farma.
Obrázok 4.
Veterná smerovka.
Obrázok 5.
Jednoduchý anemometer.
2. Vybudovanie žiackej meteorologickej stanice
Kapitolu o meteorologických meraniach som využila aj
ja
a vyzvala
som
žiakov
na
konštrukciu
meteorologickej stanice. Väčšina žiakov sa pustila do
práce s nadšením a výsledkom bola naša prvá žiacka
meteorologická stanica (obr. 6.) Niektoré prístroje sme
umiestnili v areáli školy. Všetky prístroje boli žiaci
schopní vyrobiť si sami s miernou pomocou otcov.
Obrázok 6.
Umiestnenie stanice nie je v súlade profesionálnymi
Žiacka meteorologická stanica pri ZŠ s MŠ Jarná požiadavkami, ale pre naše potreby je postačujúce.
Poprad.
Obrázok 7.
Obrázok 8.
Práca so smerovkou.
Žiacke anemometre.
Pre potreby merania rýchlosti pohybu vzduchu a smeru vetra žiaci dokázali zhotoviť anemometer aj
smerovku a naviac urobili aj lapač prachových častíc, zrážkomer a snehomernú latu. Zhotovenie
meracích prístrojov má pre žiakov veľký praktický význam, lebo dokážu lepšie pochopiť podstatu
100
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
týchto prístrojov. Pri umiestňovaní prístrojov sme diskutovali vhodnosť miesta a žiaci boli schopní
pochopiť požiadavky na meteorologickú záhradku. Pre nás bola prvoradá bezpečnosť záhradky.
3. Konštrukcia žiackej veternej turbíny
Výroba elektrickej energie je v obsahu učiva fyziky 8.ročníka. V učebnici sú v krátkosti vymenované
základné typy elektrární, ako vodné, tepelné a jadrové. Alternatívne zdroje energie sa spomínajú až
v 9. ročníku, ale o ich princípe sa žiaci z učebnice veľa nedozvedia. V tomto smere je veľmi užitočná
webova stránka Slovenských elektrární, ktorá podáva slovný výklad a krátku flesh prezentáciu činnosti
všetkých typov elektrární, vrátane alternatívnych. Vzhľadom na uvedené skutočnosti som sa rozhodla
preskúmať so žiakmi princípy veternej turbíny, hlavne vplyv počtu ramien vrtule, tvar ramien a ich
veľkosť. Vychádzala som z možností našej školy, aké pomôcky sú v súčasnosti dostupné. Experiment
som urobila v triede 8. ročníka a rozvrhla som ho do dvoch hodín.
Na prvej hodine sme riadeným rozhovorom diskutovali o konštrukcii veterných turbín. Pozreli sme si
obrázky turbín uvedené na internete a zistili sme, že všetky majú tri ramená. Akým spôsobom k tomu
konštruktéri dospeli? Museli vyskúšať rôzne počty a tvary ramien a vybrať najefektívnejší. Tak aj my
sme si pripravili na experiment rôzne typy vrtúľ ako ukazujú obr. 9 a 10.
Obrázok 9. Nárysy ramien vrtule.
Obrázok 10. Stavba vrtule.
Ďalšiu hodinu sme venovali testovaniu vrtúľ. Ako zdroj vetra sme použili štandardný sušič vlasov
s príkonom 1600 W. V tejto fáze sme prekonávali rôzne druhy komplikácií ako boli nefunkčné vodiče,
pevnosť upevnenie ramien na os, upevnenie vrtule na os generátora a aj výmena okien v učebni.
Ako generátor sme použili jednoduchú pomôcku - elektromotor zo žiackej elektrickej súpravy. Na
sledovanie veľkosti elektrického prúdu sme mali k dispozícii žiacky galvanometer, obr. 11, 12 a 13.
Obrázok 11. Lichobežníková vrtuľa.
Obrázok 12. Testovanie 6-ramennej vrtule.
101
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Obrázok 13.
Skúška trojramennej vrtule.
Podarilo sa nám zostrojiť 3 funkčné vrtule, dve s trojuholníkovými ramenami (6-ramennú a 3ramennú) a jednu s tromi lichobežníkovými ramenami.
Pri uskutočňovaní experimentu si mohli žiaci overiť v akom smere musí vietor fúkať, aby roztočil
vrtuľu. Táto podmienka sa v reálnych turbínach realizuje natáčaním vrtule. Ďalej si mohli overiť, že
najväčší elektrický prúd vzniká pri rovnomernom otáčaní vrtule. Rýchlejšie otáčanie vrtule
nespôsobuje vznik väčšieho elektrického prúdu. Ak žiaci použili dvojnásobný počet ramien,
nezaregistrovali dvojnásobné zväčšenie prúdu. Z toho im vyplynulo, že nie je potrebné konštruovať
vrtule s veľkým počtom ramien.
Záver
Napriek všetkým konštrukčným a prevádzkovým ťažkostiam bol náš jednoduchý experiment úspešný.
Žiaci si otestovali svoje manuálne zručnosti pri zhotovovaní vrtúľ a aj odvahu spojiť všetky časti
a spustiť „vietor“. Občas sa rozpadla vrtuľa, niekedy spadol elektromotor, ale nakoniec boli všetci
nadšení výsledkom a získanými poznatkami zo svojej práce. Pochopili s akými rôznymi ťažkosťami sa
vyrovnávajú profesionálni konštruktéri, ktorým vďačíme za náš pohodlný život.
Pomôcky: kartón, špajle, lepiaca páska, korkové zátky, skrutky, elektromotorček, galvanometer,
spojovacie vodiče, elektrický sušič vlasov
Literatúra
Janovič, J. a kolektív autorov, 2000 : Fyzika pre 9.ročník ZŠ, SPN Bratislava, 128 strán .
Kolářová, a kolektív autorov, 2001, Fyzika pre 8. Ročník ZŠ, SPN Bratislava, 128 strán.
Kopáčová, J. a kolektív autorov,1999: Prírodoveda pre 4.ročník ZŠ, Orbis Pictus Istropolitana, Bratislava.
Kopáčová, J. a kolektív autorov, 2008: Prírodoveda pre 3.ročník ZŠ, Orbis Pictus Istropolitana, Bratislava.
Lapitková, V. a kolektív autorov, 2010 : Fyzika pre 7.ročník ZŠ, Pedagogické vydavateľstvo Didaktis, s.r.o., Bratislava,.
Ružek, I. a kolektív autorov, 2009 : Geografia pre 5.ročník ZŠ, VKÚ a.s., Harmanec.
102
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Meteorológia v učive geografie piateho ročníka základnej školy
Jana Zaťovičová Pčolinská
Súkromná základná škola Dneperská 1, 040 12 Košice
Úvod
Čo budete počuť, keď sa detí v základnej škole spýtate, čo vedia o počasí?
Najskôr niečo o biopredpovedi, možno nejakú zaujímavosť z histórie meteorológie, ktorou sa televízne
rosničky pokúšajú ozvláštniť svoje vystúpenie. S najväčšou pravdepodobnosťou však zistíte, že ich
„poznatky“ z takto prijímaných predpovedí sú len nesúrodou zmesou informácií, s ktorou si nevedia
poradiť. Úlohou pedagóga je uviesť piatakov do vedy, ktorá sa zaoberá atmosférou, študuje jej
zloženie, stavbu, vlastnosti, javy a deje v nej prebiehajúce a zaoberá sa aj počasím. Je náročné
uviesť piatakov do problematiky počasia, pretože nepoznajú základné pojmy, ktoré sa v súvislosti s
počasím používajú. Pedagóg musí preto danú problematiku dobre ovládať, aby vedel žiakom podať
správne informácie s použitím čo najjednoduchších pojmov. Vzbudiť záujem žiakov o túto
problematiku možno vysvetlením problematiky, s ktorou sa bežne v médiách stretávajú - predpoveď
počasia, problematika globálneho oteplenia, problematika ozónovej vrstvy a pod. Pojmový aparát
potrebujeme prispôsobiť úrovni veku žiakov, pretože to, čo chceme dosiahnuť je nielen vzbudenie
záujmu detí o meteorológiu, ale aj metodicky a odborne správne uvedenie žiakov do danej
problematiky. V tomto príspevku je prezentované vyučovanie meteorológie v geografii v piatom
ročníku ZŠ.
Výchovno-vzdelávacie ciele
Cieľom vyučovania je naučiť žiakov: čo je počasie, ktoré prvky počasie charakterizujú, kde sa
získavajú údaje o počasí, na čo sa používajú údaje o počasí, kde a ako sa vydáva predpoveď počasia.
Motivácia
So žiakmi diskutujeme odpovede na tieto otázky:
Sledujete predpoveď počasia? Čo vás v predpovedi najviac zaujíma, ktoré údaje? Každá predpoveď je
správna, zhoduje sa so skutočnosťou? Reaguje aj človek na počasie, na jeho zmenu? Ako?
Reakcie živých organizmov na zmenu počasia
Hmyz – reaguje na pokles tlaku vzduchu, zvýšenú vlhkosť a väčšiu koncentráciu ozónu – lieta vo
výške max 60 cm nad zemou.
Lastovičky – lietajú nízko nad zemou – kvôli hmyzu.
Komáre – dotieravé pred búrkou. Pri vyššej teplote vzduchu sa človek viac potí – komáre človeka
ľahšie nájdu.
Včely – hygroreceptormi na tykadlách vnímajú vlhkosť vzduchu.
Ovce - Isaac Newton vraj zistil, že pred búrkou sa baranovi zmenila kvalita vlny, rúno bolo poddajné,
mäkké, príčinou bola vysoká vlhkosť vzduchu.
Meteodomček
V minulosti bol na trhu milé prístroj na predpoveď počasia METEODOMČEK s postavičkami babky a dedka. Dedko – modrý (studená
farba), babka – červená (teplá farba). Veľmi jednoduchá „meteo-stanička“.
Ak bol pred domčekom dedko malo pršať , ak bola pred domčekom babka
malo byť pekne.
Pracoval na princípe zmeny tlaku vzduchu.
Pranostiky
Pranostiky vyjadrujú skúsenosť jednoduchých ľudí (gazdovia, roľníci), ktorí
dlhodobo pozorovali prírodu. Ich skúsenosti sú zhrnuté do výstižnej vety. Meteodomček.
Pranostiky sú cenným duchovným dedičstvom.
Jarné pranostiky: Saď zemiaky na Ďura, bude plná pivnica i komora.
Studený máj – v stodole raj. Chladný máj bez mrazu gazdovi je milý, bude mnoho sena bez chyby v
103
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
obilí. Májový dážď padá – zlato padá.
Letné pranostiky: Medardova kvapka štyridsať dní kvapká. (známa pranostika, ohlasujúca dlhšie
obdobie dažďa). Zimné pranostiky:Katarína na blate a Vianoce na ľade (pranostika na Vianoce).
Sú pranostiky spoľahlivé? Vyjadrujú skôr typický priebeh počasia v danom ročnom období v určitej
oblasti, zistený sledovaním priebehu počasia počas roka za dlhé obdobie.
Dnes by sme s takou predpoveďou neboli spokojní. Pranostika nám nepovie, aká bude teplota
vzduchu, silu vetra alebo, či bude nasledujúci deň pršať.
Tieto informácie dostaneme v predpovedi počasia..
Hlavná časť vyučovania
Meteorológia
– vedný odbor, ktorý sa zaoberá sledovaním a predpoveďou počasia (učebnica Geografie 5.ročníka)
– veda zaoberajúca sa atmosférou. Študuje jej zloženie, stavbu, vlastnosti, javy a deje v nej
prebiehajúce, napríklad počasie. (zdroj: Wikipedia)
Meteorologické merania a predpoveď počasia na Slovensku zabezpečuje Slovenský
hydrometeorologický ústav so sídlom v Bratislave (SHMÚ) (www.shmu.sk). Meteorológovia
získavajú údaje o počasí na meteorologických staniciach použitím rôznych meteorologických
prístrojov. Informácie o rozložení oblakov získavajú z meteorologických družíc, alebo z
meteorologických radarov. Pre získanie údajov o vetre a teplote vzduchu vo vyšších vrstvách
atmosféry sa vypúšťajú do vzduchu meteorologické balóny s meteorologickými sondami.
Čo obsahuje predpoveď počasia?
Predpoveď počasia na 30. 3. 2011 streda (zdroj: www.shmu.sk zo dňa 29. 3. 2011):
NOC: Jasno až polojasno. Nadránom v nižších polohách miestami hmlisto. Najnižšia nočná teplota
+3 až -2 ºC. Bezvetrie alebo len slabý premenlivý vietor.
DEŇ: Slnečno. Zrána v nižších polohách ojedinele hmlisto. Najvyššia denná teplota 15 až 20 ºC.
Teplota na horách vo výške 1500 m okolo 7 st. Prevažne len slabý premenlivý vietor.
Toto je textová predpoveď počasia. V nej je informácia budúcom počasí vyjadrená prostredníctvom
hodnôt meteorologických prvkov – teplota vzduchu, vietor, oblačnosť. Niekedy sa predpovedajú
búrky, hmly, poľadovica – to sú meteorologické javy.
Predpovedané počasie sa dá vyjadriť graficky – pomocou obrázkov „meteopiktogramov“. SHMÚ
používa nasledujúce, ktorá ikonka chýba?
jasno
polooblačno
oblačno
zamračené
dážď
búrky
hmla
SHMÚ osobitne vydáva aj VÝSTRAHY NA NEBEZPEČNÉ METEOROLOGICKÉ JAVY (silné
búrky, silný vietor, silné zrážky, poľadovicu...). Pre varovanie sa používajú výstražné značky, podobné
dopravným značkám v cestnej premávke:
búrky
hmla
poľadovica
nízke teploty sneženie
Informácie o počasí a jeho predpoveď sú dôležité v leteckej doprave, v poľnohospodárstve a pre
bežný život ľudí (dovolenky).
Na to, aby sa počasie dalo predpovedať, je potrebné najskôr ho vyjadriť, odmerať hodnoty
meteorologických prvkov a sledovať meteorologické javy. Počasie je okamžitý stav atmosféry na
určitom mieste. Charakterizujú ho napríklad tieto meteorologické prvky: prvky, teplota vzduchu,
zrážky, vietor, vlhkosť vzduchu, oblačnosť, dohľadnosť. Charakterizujú ho aj tieto javy: sneženie,
dúha, tornádo, inovať atď.
104
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Teplota vzduchu
je jednou z najdôležitejších charakteristík počasia. Teplotu vzduchu meriame teplomerom a
vyjadrujeme v stupňoch Celzia. Počas roka sa mení, v zime má niekedy znamienko mínus –
hovoríme, že mrzne. Mení sa aj v priebehu dňa – teda počas 24 hodín. Najvyššia teplota (pri zemi) je
okolo poludnia, keď je Slnko na oblohe najvyššie. Potom postupne klesá. Najnižšia - pred
východom Slnka. Preto existuje predpoveď teploty vzduchu na deň aj na noc. Ak je teplomer
umiestnený na tej stene domu alebo bytovky, kde dopadajú slnečné lúče, ukazuje oveľa vyššiu teplotu,
ako keby bol umiestnený na odvrátenej strane od Slnka. Teplomer musí byť v tieni. Preto
meteorológovia merajú teplotu v špeciálnej meteorologickej búdke, ktorá je umiestnená 2 m nad
zemou, v dostatočnej vzdialenosti od budov, je na bielo natretá, aby odrážala slnečné lúče, má
žalúziové steny – kvôli prúdeniu vzduchu a aby na teplomer priamo nesvietilo Slnko. Ak meriame
teplotu vzduchu 3-krát do dňa v rovnakom čase: ráno o 7:00, popoludní o 14:00, večer o 21:00.,
kedy je najnižšia, kedy najvyššia? Z týchto údajov sa dá vypočítať priemerná denná teplota.
Výpočet: .......°C (t 7:00) + .......°C (t 14:00) + 2 x .......°C (t 21:00) = ......... °C
....... °C : 4 = ......... °C
Napr. boli namerané tieto údaje:
07:00 hod. …..................... 12 °C
14:00 hod. …..................... 24 °C
21:00 hod. …..................... 16 °C
→ 12 + 24 + 2 x 16 = 68 : 4 = 17 °C …........... to je priemerná denná teplota.
Využíva sa napr. na stanovenie začiatku vykurovacieho obdobia – ak vonkajšia Ø denná teplota
vzduchu klesne počas troch za sebou nasledujúcich dní pod hodnotu 13 °C – začína sa kúriť.
11 dobrovoľníkov z radov piatakov meralo teplotu celý mesiac apríl – každý deň 3-krát denne v stanovenom čase a
zapisovali do tabuliek číselné údaje a kreslili meteopiktogramy. Každý deň počítali priemernú dennú teplotu. Na konci
mesiaca vyhodnotili a vyrátali priemernú mesačnú teplotu.
Okrem priemernej dennej teploty sa dá vypočítať aj priemerná mesačná teplota vzduchu (súčet
priemerných denných teplôt vydelíme počtom dní v mesiaci) a priemerná ročná teplota vzduchu (slúži
na porovnanie klímy v rámci sveta alebo regiónov). Na Slovensku je priemerná ročná teplota vzduchu
+10 °C na Podunajskej nížine, v Tatrách na Skalnatom Plese cca 2 °C.
Prečo sa meria teplota vzduchu o 14:00 nie o 12:00?
Najvyššia teplota vzduchu je okolo poludnia – tesne nad povrchom Zeme – preto keď je
meteorologická búdka vo výške 2 m nad zemou, vzduch sa ohrieva od povrchu Zeme a trvá približne 2
hodiny, kým sa do tej výšky prehreje.
REKORDY TEPLOTY VZDUCHU u NÁS a vo SVETE
Slovensko
svet
MAX teplota
MIN teplota
+ 40,3 °C (20.7.2007 Hurbanovo)
- 41 °C (11.2.1929 Vígľaš-Pstruša)
+ 57,8 °C (13.9.1922 Líbya, Afrika)
- 89,2 °C (21.7.1983 Vostok, Antarktída)
Zmena teploty vzduchu s výškou
Lenka letela lietadlom, pozorovala oblaky a na okne lietadla videla námrazu. – Ako je to možné? –
pýtala sa v duchu sama seba, – veď sme bližšie k Slnku, malo by tu byť teda teplejšie. – Zrazu sa ozval
hlas letušky: „Vážení cestujúci, práve letíme vo výške 12200 m, teplota v tejto výške je – 51 °C.
Poletíme ponad Švajčiarsko. Na letisku v Paríži je slnečno, + 28°C.“
Teplota vzduchu klesá aj s rastúcou nadmorskou výškou - na každých 100 m výšky klesá o 0,66
°C alebo inak povedané na každých 1 000 m o 6,6 °C.
„Snežná čiara“ - hranica, nad ktorou sa sneh už ďalej netopí (teplota je tu stále menšia ako 0 °C ,
preto na niektorých končiaroch vysokých pohorí sneh je aj v lete. Zmenu teploty je potrebné brať do
úvahy pri turistike v horách.
Pokles teploty je zhruba do výšky 12 km vo vrstve vzduchu pri zemskom povrchu, ktorá sa volá
troposféra. Teplota potom prestáva klesať, vo väčšej vzdialenosti od povrchu Zeme začína teplota
dokonca rásť, čo je charakteristické pre stratosféru.
105
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Oblaky a oblačnosť
Oblaky vznikajú počas kolobehu vody v prírode. Vzduch spolu s vodnou parou, ktorý ako plyn
nevidíme, vystupuje do výšky niekoľko km, tam sa ochladzuje niekdy tak, že vodná para skvapalnie,
alebo zamrzne. Vtedy sa vytvárajú sa oblaky, ktoré vidíme (sú tvorené kvapkami vody, alebo kryštálmi
ľadu). Keď je v oblaku veľa vody, začne vypadávať v podobe zrážok.
V meteorológii sa oblačnosťou vyjadruje pokrytie oblohy oblakmi. Pri odhade oblačnosti sa obloha
rozdelí na osem častí a odhaduje sa, koľko z nich je zakrytých oblakmi.
Meteorológovia pokrytie oblohy oblakmi určujú takto:
1/8 – jasno * 2/8 - skoro jasno * 3/8 - malá oblačnosť * 4/8 - polojasno alebo polooblačno * 5/8-6/8 oblačno * 6/8-7/8 - skoro zamračené * 8/8 - zamračené
Zrážky
Je to voda, ktorá dopadá na zemský povrch v rôznej forme, ako dážď, sneh, ľadové krúpy, alebo sa na
povrchu usadí ako rosa, inovať, alebo námraza.
Zrážková voda sa na meteorologických staniciach zachytáva do zrážkomernej nádoby. Množstvo
zrážok sa meria v milimetroch (mm) – 1 mm dažďa predstavuje 1 liter vody na plochu 1 m2. Udáva sa
úhrn zrážok za deň, mesiac, rok. Množstvo zrážok sa graficky znázorňuje stĺpcom. Zrážky na Zemi sú
rozdelené veľmi nerovnomerne. Najmenej prší v okolí obratníkov (púšte). Na Sahare spadne cca 100
mm zrážok ročne. Najsuchšie miesto sveta je púšť Atacama. Pri rovníku prší každý deň. V Indii
(Ázia) spadne na zem pri meste Čerápundží až 12000 mm zrážok (náveterná strana Himalájí).
Najdaždivejšie miesto sveta: mesto Lloró v Kolumbii má najviac priemerných zrážok za rok (13300
mm).
Na Slovensku sa za rok na zem dostane rozdielne množstvo zrážok: od 550 mm do 2200 mm (Vysoké
Tatry).
Vietor
Je pohyb vzduchu. Charakterizujeme ho: smerom – odkiaľ vanie (severný vietor zo severu, južný z
juhu a pod.) a rýchlosťou – vyjadrujeme ju v jednotkách rýchlosti m/s alebo km/h.
Vietor sa meria prístrojom anemometer. Beaufortova stupnica sily vetra (13 stupňov) - slúžila v
minulosti na odhad rýchlosti vetra podľa silových účinkov na predmety v prírode (prispôsobená z
námorníctva na pevninské podmienky). Najsilnejší vietor podľa Beaufortovej stupnice je orkán. Taký
silný vietor sa vyskytuje len na mori. Na mori sa vietor so silou orkánu a ešte oveľa silnejší vyskytuje
v tropických cyklónach:
Opakovanie
Na opakovanie učiva o počasí možno využiť prácu detí s internetom. Na internetovej stránke
Slovenského Hydrometeorologického ústavu deti hľadali slovnú predpoveď počasia, predpoveď
počasia z numerického predpovedného modelu Aladin, pozerali si družicové snímky oblakov.
Záver
Vyučovanie meteorológie v piatom ročníku geografie o meteorológii, počasí a jeho prvkoch je náročné
na čas. Učebnica a časovo-tematické plány neposkytujú dostatok priestoru na to, aby sme deti uviedli
do tejto zaujímavej vedy (2 vyučovacie hodiny). S meteorológiou sa počas základnej školy v geografii
stretnú žiaci už len okrajovo (pri typoch krajín, podnebí).
Literatúra
Ružek, Ružeková, Likavský, Bizubová, 2009: Geografia pre 5. ročník základných škôl. VKÚ, a.s., Harmanec, 80 strán.
Tolmáči, Lauko, Karolčík, Nogová, Tolmáčiová, 1995: Zemepis 5 Príroda Zeme. Vydavateľstvo Litera, Bratislava, 80 strán.
Čeman, R. 1999. Rekordy – neživá príroda. Mapa Slovakia s.r.o., Bratislava, s. 46 – 93.
Kolektív autorov, 2003: Počasie. Fortuna Print, Bratislava, 128 strán.
Mladý prírodovedec č.3 a č. 4, december 1989. Vydal KDPM – oddelenie prírodných vied v Košiciach.
www.sk.wikipedia.org
www.shmu.sk
www.pranostiky.host.sk
106
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Projekty s LEGO-m vo vyučovaní a v záujmovej činnosti na ZŠ
Peter Cehelský
Cirkevná základná škola sv. Jána Krstiteľa, Ul. 9.mája 7, Sabinov , [email protected]
Úvod
Pre výchovu tvorivého a adaptabilného človeka sú stavebnice Lego zhmotnením Komenského Školy
hrou. Radosť z poznávania a vytvárania konštrukčných variácií z kociek mení vzdelávanie na hru,
rozvíja priestorovú predstavivosť a kreativitu detí, podporuje rozvoj komunikačných schopností...
Všetky dostupné programovateľné stavebnice LEGO distribuované v ostatných dvoch desaťročiach na
základné i stredné školy sú vhodné aj na demonštráciu a riešenie zložitejších úloh v oblasti informatiky
i prírodovedných predmetov.
Stavebnice na našich školách
Stavebnice PR2 sú určené najmä pre modelovanie a
demonštráciu automatizovaných procesov. Snímané
veličiny (teplota, otáčky, osvetlenie...)sa dajú
monitorovať a numericky aj graficky znázorniť.
Nevýhodou týchto stavebníc je potreba stáleho
pripojenia k počítaču prostredníctvom interfejsu a dnes
už aj softvérová a hardvérová nekompatibilita s
novými počítačmi a operačnými systémami Windows
Zostava LEGO Dacta PR 2 .
alebo Mac-OS.
Stavebnice RoboLab - RCX sú vhodné pre
modelovanie a demonštráciu robotov, fyzikálnych
procesov, ale aj pre meranie i znázornenie fyzikálnych
veličín. Obohatením stavebníc je séria DCP (Data
Collection Platform) - senzorov pre meranie relatívnej
vlhkosti, elektrického napätia a prúdu, gravitačného
zrýchlenia, tlaku, otáčok a uhlov, hlasitosti i chemická
sonda pre zisťovanie kyslosti roztokov. Sadu senzorov
je možné doplniť o ďalšie špecifické druhy.
Zostava LEGO RoboLab.
Obrázok 3.
Zostava DCP senzorov k RCX kocke .
Stavebnice LEGO Mindstorms - NXT sú určené
predovšetkým pre osvojenie základov robotiky. Jedna
zostava obsahuje riadiacu jednotku NXT s tromi
servomotormi a štyrmi snímačmi – ultrazvukovým,
svetelným, tlakovým – dotykovým a zvukovým. Kocka
sa naprogramuje pomocou počítača alebo priamo
pomocou tlačidiel. Prostredníctvom technológie
Robot z prvkov stavebnice LEGO Mindstorms
bluetooth môžu medzi sebou spolupracovať až štyri
NXT.
jednotky NXT, resp. je možné program spúšťať priamo
z počítača. V riadiacej jednotke môže byť uložených
niekoľko rôznych programov, obmedzených len kapacitou pamäte.
Projekty s využitím stavebníc LEGO
Jednotlivé typy zostáv obsahujú stavebné prvky pre tematicky zamerané prezentačné projekty. Napr.
107
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
skleník, invalidný vozík, robot-mucha, hokejista pre demonštráciu procesov a zariadení, ktoré je
vhodné využiť vo vyučovaní len ako hotové modely. Úlohy, ktoré by žiaci zvládli v priebehu jednej
vyučovacej hodiny by mali byť konštrukčne menej náročné aj kvôli množstvu použitých komponentov.
Pre rozsiahlejšie projekty treba vymedziť dostatočný čas a priestor na konštrukciu, tvorbu programu i
konečnú demonštráciu alebo hranie sa s modelom.
V ostatných rokoch sa úspešne rozbehli, širšie koncipované národné a medzinárodné projekty
súťažného charakteru. Robo Cup Junior alebo First Lego League, rozvíjajúce tvorivosť, aktivitu,
jazykové, informačné a komunikačné kompetencie súťažiacich.
Súťaž v konštruovaní a programovaní (nielen) LEGO robotov, RoboCop Junior, koordinuje na
Slovensku Slovenská spoločnosť elektronikov od roku 2001. Táto súťaž v medzinárodnom meradle má
tri kategórie, Soccer – futbal, Rescue – záchranár a Dance - Tanec. Každá má stanovené pravidlá, ktoré
sa postupne dopĺňajú a zadané úlohy sa modifikujú. V rámci národnej súťaže prebieha ešte jedna
kategória – konštrukcia, v ktorej žiaci môžu preukázať bez pomoci trénerov svoje konštruktérske a
programátorské schopnosti v priebehu niekoľkých hodín.
Projekt First Lego League prebieha na Slovensku od r. 2008, Je zameraný na výskumnícku činnosť a
konštrukciu i programovanie výlučne LEGO stavebníc. Súťaž viacčlenných tímov spočíva v hodnotení
štyroch rovnocenných častí, a to: Robot Game - robotická hra, Robot Design - dizajn robota,
Presentation-prezentácia výskumného projektu, Team Work - tímová práca. V roku 2011 sa do súťaže
zapojilo vyše tisícky tímov z celého sveta.
Skupinové projekty vhodné na zaradenie do vyučovania
Regulácia teploty
Problémová úloha realizovaná so zostavou PR2 pre žiakov 8. ročníka. Rovnako vhodná aj pre
zostavu s RCX kockou
Regulácia teploty má význam z mnohých hľadísk. Má vplyv na úsporu energie, rast rastlín, chov a
rozmnožovanie živočíchov v umelých podmienkach, vykurovanie budov, sušenie dreva, ovocia,
sterilizáciu, a pod.
Úloha:
Zisti teplotu vzduchu v miestnosti, navrhni jednoduchý model a program na reguláciu teploty.
1. Aby teplota v okolí snímača bola o 1°C vyššia ako je teplota vzduchu v miestnosti
2. Aby teplota v okolí snímača bola o 1°C nižšia ako je teplota vzduchu v miestnosti
Uváž aké prvky stavebnice a iné pomôcky budeš k úlohe potrebovať. Využi vedomosti z fyziky o
zmenách skupenstiev (vyparovanie, skupenské teplo).
Pomôcky: Interfejs, tepelný snímač, žiarovka, motor a vrtuľka, voda alebo lieh, filtračný papier alebo
papierový obrúsok-hygienická vreckovka
Riešenie: Po zapojení tepelného snímača
napr. na port č.1 odčítame hodnoty
potrebné pre vloženie do programu. Pre
1.variant zvolíme teplotu vyššiu ako je
teplota vzduchu v miestnosti, pre druhý
nižšiu. Ak žiaci sami nenavrhnú riešenie,
heuristickým rozhovorom privedieme
žiakov k riešeniu 2. variantu a k zisteniu,
že navlhčovaním tepelného snímača pri
prudšom odparovaní, odoberaním tepla,
potrebného na zmenu skupenstva, značne
poklesne teplota, a tak aj z programu a
zostavy úlohy bude možné vyradiť zdroj
Jednoduchý model regulácie z prvkov PR2.
tepla – žiarovku.
108
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Meranie pretlaku (meranie hydrostatického tlaku)
Meranie pretlaku zostavou RoboLab s RCX kockou a DCP senzorom vhodná pre žiakov 7. ročníka.
Na meranie malých pretlakov používame kvapalinové manometre. Pretlak plynu v nádobe alebo v
balóne sa rovná hydrostatickému tlaku stĺpca kvapaliny v nádobe. Ak sa tlak stĺpca kvapaliny vyrovná
s tlakom v balóne, prestane z balóna cez kvapalinu unikať vzduch v podobe bubliniek. Žiaci sami
dospejú k záveru, že v danej hĺbke tlak v kvapaline zodpovedá tlaku vzduchu v rúrke a balóne. Ak
namiesto balóna použijeme tlakový senzor, mali by sme zaznamenať presné hodnoty tlaku v rúrke.
Veľkosť pretlaku potom určíme z rozdielu maximálnej a minimálnej nameranej hodnoty, t.j. z rozdielu
tlaku v hadičke po ponorení a atmosférického tlaku vzduchu, ktorý je v hadičke pred ponorením.
Úloha: Zrealizuj alternatívny pokus na zistenie pretlaku vzduchu v balóne
pripojenom na rúrku ponorenú v kvapaline v hĺbke h. Zmeraj s DCP
tlakomerom pretlak vzduchu v rúrke ponorenej jedným koncom do
kvapaliny v rovnakej hĺbke h. Meranie over výpočtom.p1 = ph
p1 = gρ(h2 – h0 )
p1 = p - pa
Pre získanie väčšieho rozdielu tlaku, po meraniach v malých hĺbkach v
odmernom valci, sme navrhli pokus s kvapalinou s väčšou hĺbkou.
Pomôcky: RCX kocka, transmiter – infračervená vežička, DCP – tlakový
senzor, akvaristická hadička, na jednom konci uzavretá nádoba - rúra
naplnená vodou, závažie zaťažujúce hadičku.
Grafické
znázornenie
pokusu s balónom.
Na realizáciu úlohy doniesli žiaci akvaristickú hadičku, dlhú cca 1,3 m
a zvyšok teplovodnej rúry s izoláciou a PVC obalom. Koniec hadičky
zaťažili závažím a druhý koniec navliekli na vstupný otvor DCP snímača.
Hadičku označili fixkou po 10 cm. Rúru na dolnom konci upchali zátkou tenisovou loptičkou, tmelom a naplnili po okraj vodou. Meranie niekoľkokrát opakovali. Hadičku
spúšťali a vyťahovali niekoľko krát i počas jedného merania, menili rýchlosť spúšťania. Zmeny hodnôt
meraného tlaku pri ponorení do hĺbky 120 cm boli vždy v rovnakom rozsahu. Zo záznamu hodnôt
meraného tlaku pri postupnom ponáraní hadičky do hĺbky1,2 m vidíme zvýšenie tlaku, adekvátne
hydrostatickému tlaku rastúcemu s hĺbkou vody v nádobe. Rozptyl hodnôt v grafe je spôsobený
digitálnym záznamom merania.
Obrázok 8.
Namerané hodnoty tlaku pri ponorení
hadičky so závažím.
Obrázok 7.
Pomôcky a meranie pretlaku vzduchu .
Overenie výpočtom:
p1 = g.ρ.(h2 – h1) = 9,81 . 998 . 1,2Pa = 11798 Pa, (po zaokrúhlení -12 kPa)
109
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
p1 = p - pa = (106 -94)kPa = 12 kPa
Záver: Rozdiel maximálnych a minimálnych hodnôt zodpovedá vypočítanej hodnote pretlaku.
Súťažný projekt - úloha
Úloha bola zadaná zámerne pre prezentáciu na tejto konferencii pri celoslovenskej súťaži RoboCup
Junior v tomto roku pre kategóriu „Konštrukcia“. (Autor úlohy: Mgr. Pavel Petrovič, PhD.)
Pri pohľade na oblohu tesne po zotmení niekedy vidieť UFO! Ukazuje sa ako silné svetlo, voľne
zavesené na oblohe, ktoré sa pohybuje ako sa mu zachce a vôbec sa nepodobá na lietadlo ani na
družicu. Lietadlo vidíme ako blikajúci predmet, ktorý sa pohybuje pomerne rýchlo a jedným smerom.
Družica sa pohybuje vo vesmíre po obežnej dráhe Zeme a vidno ju ako malý svietiaci bod, svojím
tempom presúvajúci sa od horizontu po horizont. Ak sa za jasnej noci pozrieme na oblohu, určite tam
nejakú družicu zbadáme. A čo naše UFO? Veľký svietiaci bod, ktorý sa nepodobá na lietadlo ani na
družicu? Je to návšteva z cudzej planéty?
Vzduchový obal Zeme - atmosféra - sa skladá z niekoľkých vrstiev – pozri obrázok 10. V najnižšej,
troposfére nájdeme vysoké hory, hmyz, vtáky, nákladné i dopravné lietadlá. Niektoré hory sú také
vysoké, že na ich vrchu je vzduch veľmi riedky. Človek tam bez kyslíkovej bomby vydrží iba krátku
chvíľu. Aj v 10 km výške je však atmosféra stále dosť hustá nato, aby vytvorila vztlak, ktorý udrží aj
veľké dopravné lietadlo.
Vo výške nad 50 km, v mezosfére a termosfére sa nachádza už len minimálne množstvo vzduchových
častíc, ktoré fungujú ako ochranný obal pred kozmickým žiarením. Ionizáciou plynových častíc tu
vzniká polárna žiara a od ionizovaných vrstiev sa odráža rádiové pozemské vysielanie na krátkych
vlnách, takže napr. v Nórsku možno chytiť rozhlasové vysielanie z krajín pri Stredozemnom mori.
Nachádzajú sa tu obežné dráhy Zeme, po ktorých krúžia raketoplány, Medzinárodná vesmírna stanica a
rôzne prieskumné satelity. Priestor medzitým, približne medzi 20 a 50 km nad povrchom Zeme, vypĺňa
stratosféra. Hoci sa sem veľké dopravné lietadlá kvôli riedkemu vzduchu už nedostanú dokážu sem
vyletieť meteorologické a výskumné balóny. A práve od ich povrchu sa podvečer odrážajú slnečné
lúče, takže sa pozorovateľovi môže zdať, že vidí UFO. Z takého balónu vo výške 31,3 km vyskočil 16.
augusta 1960 americký pilot Joseph Kittinger, aby preskúmal, aké následky môže mať vstup do
stratosféry na človeka.
Úloha:
Dnes výskumníci pracujú na vývoji robotov, ktoré v nebezpečných a dlhotrvajúcich misiách zastúpia
ľudských kozmonautov a astronautov. Menej ako pred mesiacom vyniesol raketoplán Discovery prvého
robotického astronauta (Robonaut 2) na medzinárodnú vesmírnu stanicu. Vašou úlohou je zostrojiť
robota, ktorý dokáže v balóne vyletieť do stratosféry a zoskočiť späť na zem ako to urobil Kittinger.
Popri tom by mal plniť určité vedecké úlohy. Robot sa pri štarte nachádza na Zemi – čiže v dolnej časti
hracej plochy, ktorá je oddelená modrou páskou. Jeho úlohou je nájsť a naložiť prístroje (červený a
modrý), ktoré sa nachádzajú na rampe vpravo a vyletieť s prístrojmi do troposféry. Tu je jeho úlohou
preskúmať vtáky. Každého vtáka, okolo ktorého letí a svojimi snímačmi ho dokáže spozorovať, označí
zvukovým signálom. Robot pokračuje na balóne ďalej do stratosféry, kde sa nachádzajú nočné
svietiace oblaky. Modrý prístroj má uvoľniť čo najbližšie k oblaku a červený k Slnku. Napokon vystúpi
z balónu a pristane na Zemi. V prvých dvoch úlohách musí robot udržať kontakt s predmetom aspoň 5
sekúnd po pohnutí predmetu z pôvodnej polohy. V prípade rovnosti bodov vyhráva robot, ktorý splnil úlohy
v kratšom čase.
110
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Schematický plán ihriska: čierna čiara (páska hrúbky 1-2 cm) vedie
napravo k prístrojom a naľavo k balónu. V troposfére lieta niekoľko
čiernych vtákov (sú tvorené dvoma oblúkmi svojich krídel, čiernou
páskou). V mezosfére je nočný svietiaci oblak a svieti do nej Slnko.
Literatúra
Cehelský, P. , 2007: Programovateľné stavebnice LEGO v základnej škole. Metodickopedagogické centrum, Bratislava, 78 strán.
Petrovič, P. ,2011: http://www.robotika.sk/rcj/vysledky2011/konstrukcia2011.pdf
Obrázok 10.
Vrstvy atmosféry.
111
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Digitálna meteorologická stanička WS1080
Dušan Božik
Geofyzikálny ústav SAV, Meteorologické observatórium Stará Lesná, e-mail:[email protected]
Úvod
Počas návštev exkurzií základných a stredných škôl v priebehu roka na meteorologických staniciach
Geofyzikálneho ústavu, sme zistili, že pre výučbu meteorológie na školách by žiaci mohli využívať
amatérske meteorologické stanice. V rámci projektu APVV LPP 0247 09 bola takáto meteorologická
stanička zabezpečená a zapožičiava sa na školy, ktorých učitelia prejavia záujem použiť merania
meteorologických prvkov vo výuke fyziky, chémie, alebo geografie. Vybraná bola taká automatická
meteorologická stanica, ktorá má jednoduchú obsluhu a inštaláciu, ktorá umožňuje vizualizáciu
meraných údajov na displeji a zároveň ukladanie údajov do vnútornej pamäte staničky a ich získavanie
a spracovanie vhodným programom jednoducho inštalovateľným na PC. Vybraná bola amatérska
meteorologická stanička WS1080 (obr. 1). Táto meteorologická stanica sa dá nájsť pod rôznymi
názvami: W-8681, WH1080, WH1081, WH1080PC, Topcom National Geographic 265NE, Scientific
Sales Pro Touch Screen Weather Station či Elecsa AstroTouch 6975. Táto meteorologická stanica
umožňuje sledovať a ukladať namerané veličiny do osobného počítača. Namerané dáta je možné
spracovávať do prehľadných grafov, prípadne pomocou ďalších programov je možné generovať online
web stránku s meteorologickými údajmi.
Vo vyučovaní sa výstupy z nej dajú použiť na demonštráciu rôznych fyzikálnych javov, závislostí
medzi rôznymi meteorologickými prvkami ako napr. denný chod teploty vzduchu počas bezoblačných
a oblačných dní, denný chod relatívnej vlhkosti vzduchu, súvislostí medzi zmenami tlaku vzduchu a
počasím a pod. Pomocou jednoduchých meteorologických meraní sa dá demonštrovať aj platnosť
niektorých pranostík. Týmito súvislosťami sa s použitím meteorologickej staničky možno zaoberať na
vyučovaní niektorých prírodovedných predmetov, alebo v rámci meteorologických krúžkov.
Základné technické parametre meteorologickej staničky WS1080
1. Vnútorná meracia jednotka
Vnútorná teplota vzduchu sa zaznamenáva v rozsahu 0 ° C - 60 ° C s rozlíšením 0,1 ° C.
Tlak vzduchu sa zaznamenáva v rozsahu 919hPa – 1080hPa. Pamäťová jednotka umožňuje 4020
kompletných dátových záznamov v pamäti vnútornej jednotky. V praxi to znamená, že pri kroku
ukladania dát každých 5 min, sa pamäť staničky zaplní približne za 14 dní, pričom pri 10 min. kroku je
to 28 dní, pri hodinovom kroku je to až 167 dní. Pamäť nie je potrebné osobitne vymazávať, postačuje
pravidelné sťahovanie dát do PC. Po zaplnení pamäte, sú staršie údaje postupne prepisované dátami
novými.
Vnútorná jednotka vyžaduje na napájanie 3 ks alkalických 1,5 V AA batérií, ktorých životnosť je asi
jeden rok.
Dotykový LCD displej zobrazuje:
vnútornú a vonkajšiu teplota v °C alebo °F , vnútornú a vonkajšiu relatívna vlhkosť vzduchu v %,
barometer -, absolútny alebo relatívny tlak v Torroch, hPa, alebo mmHg, zrážkové úhrny za 1 h, 24 h,
týždeň a mesiac od vynulovania predchádzajúcich údajov v mm, rýchlosť vetra, smer vetra v v m/s,
alebo km/h, teplota rosného bodu, piktogram stavu počasia (slnečno, oblačno, dážď), piktogram
tendencie vývoja počasia, výstražný alarm napr. na silný vietor a záznam maximálnych a minimálnych
hodnôt meraných prvkov a dátum ich záznamu. LCD displej má jasné zelené LED podsvietenie.
Meteorologická stanica umožňuje získavanie aktuálneho času a dátumu DCF signálom, má funkciu
večný kalendár, umožňuje nastavenie časového pásma, automaticky sa mení letný stredoeurópsky čas
na zimný a opačne.
Vnútorná jednotka obsahuje USB port na pripojenie k PC, pričom meranie a ukladanie dát sa
uskutočňuje s krokom od 5 min – 250 min.
2. Vonkajšia meracia jednotka
Dosah signálu z vonkajšej jednotky je do 150m v otvorenej krajine, pri frekvencii signálu 868 MHz,
112
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
pričom teplotný rozsah vonkajšieho teplomera je -40 °C - +65 °C s rozlíšením 0,1 °C, rozsah snímača
relatívnej vlhkosti vzduchu je 10% - 99%. Jednotka zaznamená zrážky v rozsahu 0 – 9999 mm, s
rozlíšením 0,3 mm. Vonkajšia jednotka zaznamenáva rýchlosť vetra v rozsahu 0 – 160km/h, pre
záznam smeru vetra sa používa 8- smerová veterná ružica. Interval merania na vnútornej jednotke je
48 s. Údaje merané vonkajšou jednotkou sa zobrazujú na displeji vnútornej jednotky. Vonkajšia
jednotka je napájaná 1,5V AA alkalickou batériou (2 ks), ktorá má životnosť cca 2 roky.
Hardwerové požiadavky na PC
Program na obsluhu meteorologickej stanice vyžaduje: operačný systém: Windows XP, NT, 2000,
W7, nepodporuje zatiaľ OS Linux, procesor Pentium 3 s frekvenciou 500 MHz, operačná pamäť je
128 MB mechanika CDROM a USB. Po inštalácii softwéru z dodaného CD ROM možno po prepojení
dotykového displeja pomocou USB kábla s PC spustiť obslužný program EasyWeather. Druhý
obslužný software je Cumulus, od firmy Sandaysoft, ktorý je volne dostupný na internete.
Umiestnenie vonkajších snímačov
meteorologických prvkov
Zrážkomer
Zrážkomer musí byť umiestnený tak,
aby nebol v blízkosti stromov, budov
alebo iných prekážok, aby dážď
dopadal priamo na snímač a údaje
neboli skreslené. Mal by byť zhruba vo
výške 1m nad terénom. Pred
definitívnou montážou sa treba uistiť,
že dažďová voda, ktorá prešla interným
počítadlom, sa nezbiera v základnej
časti, ale voľne odteká otvormi na
spodnej časti zrážkomeru. Zrážkomer
Obrázok 1.
sa dá ešte vylepšiť nalepením plastovej
Súčasti meteorologickej stanice WS1080 – vľavo hore vnútorná obruby cca 3cm vysokej. Zlepší
jednotka s displejom, pod ňou miskový kríž anemometra, zachytávanie zrážok pri silnejších
vpravo hore veterná smerovka, pod ňou radiačný kryt dažďoch. Zrážkomer by mohol
vonkajšieho teplomera a vlhkomera, uprostred celá vonkajšia pracovať aj v zime, ale bol by potrebný
jednotka, vľavo dolu zrážkomer, vpravo dolu zobrazenie ohrev zrážkomernej nádoby a zároveň
meraní na obrazovke PC.
tepelná izolácia zvonka, napr. 1 cm
hrubým polystyrénom. Zdroje z
internetu píšu o možnom ohreve menšou 5W žiarovkou, alebo vhodným odporom napájaným malým
transformátorom s nízkym napätím. Prívodný kábel k snímaču zrážok môže byť aj svojpomocne
predlžený na viac metrov. Zaznamenáva sa počet impulzov, nie ich intenzita, a preto dĺžka kábla nemá
na meranie žiadny vplyv.
Anemometer
Miskový anemometer (Robinsonov kríž) so smerovkou umiestnime čo najvyššie, hlavne vtedy keď je
stanička umiestnená v blízkosti prekážok (stromy, domy). Tým sa zamedzí zaznamenávaniu rôznych
turbulencií prúdenia vzduchu spôsobených prekážkami. Vo väčšej výške bude presnejšie zaznamenaný
prevládajúci smer a rýchlosť vetra. Prívodný kábel k snímaču rýchlosti a smeru vetra môže byť
svojpomocne predĺžený o 3-5 metrov, a to v prípade že potrebujme snímače umiestniť vyššie ako
dovoľuje dodaný prívodný kábel. Po zaletovaní predlžovaného kábla musíme spoje veľmi dôkladne
izolovať od vonkajšieho prostredia, minimálne izolačnou páskou a zároveň zaliať, silikónom alebo
inou vode odolnou hmotou. To isté platí pre úpravu kábla pre zrážkomer. Signál z anemometra je vo
forme impulzov, signál zo smerovky je meraný ako elektrický odpor.
Radiačný kryt
Úlohou krytu je zamedziť vstupu priameho slnečného žiarenia na elektrický snímač teploty a taktiež
zabezpečiť vonkajšiu jednotku napr. pred vetrom, snehom, dažďom alebo ľadovými krúpami. Taktiež
musí zabezpečovať prirodzené prúdenie vzduchu v jeho vnútri. Dodaný radiačný kryt tieto podmienky
nespĺňa, lebo medzi samotnou plastovou krabičkou a radiačným krytom je mechanické prepojenie a
113
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
tým aj nežiadúci prenos tepla vedením medzi radiačným krytom a snímačom teploty v krabičke. Tu si
môžeme pomôcť tak ,že radiačný kryt zhotovíme svojpomocne z bielych plastových tanierikov, ktoré
sú určené pod kvetináče. Dva vrchné plastové tanieriky by mali byť celé, až ďalšie tanieriky sú
upravené vyrezaním primeraného kruhového otvoru v strede plastového tanierika. Tanieriky sú od seba
rovnomerne vzdialené, čo sa dosiahne pomocou dištančných trubičiek, nasunutých na primerane
dlhých nosných tyčkách. Snímače teploty a vlhkosti v radiačnom kryte je dobre umiestniť na voľnom
priestranstve, štandardne vo výške 2m nad terénom, podľa možnosti bez zatienenia počas dňa.
Nevhodné je umiestnenie pri stenách, na strechách hlavne s tmavým náterom. V núdzi pomôže
reflexný náter strechy bielou alebo striebornou farbou.
Práca s nameranými údajmi
Program EasyWeather je dodávaný na priloženom CD. Po jednoduchom inštalovaní programu a
prepojení vnútornej jednotky pomocou
USB kábla, je možné sťahovať dáta do
PC. Podľa priloženého návodu potom
môžeme priamo zobraziť namerané dáta
v grafe, graf uložiť ako obrázok, alebo
môžeme graf vytlačiť (obr. 2).
Ďalšia možnosť je exportovať dáta ako
textový súbor a ten následne načítať do
tabuľkového procesora, napr. Microsoft
Excel . Tam je potrebné pri importe do
Excelu si uvedomiť, čím sú namerané
hodnoty oddelené, (bodka alebo čiarka)
a či používame v Exceli oddeľovač
desatín, bodku alebo čiarku. Ak je tam
nejaký nesúlad, potom importované
hodnoty sú uložené v jednotlivých
Obrázok 2.
bunkách ako textový reťazec, nie ako
Graf vytvorený programom EasyWeather, ktorý je možné číslo. Pozná sa to tak, že správne
importované čísla sú v bunkách
tlačiť alebo exportovať ako obrázok.
zarovnané na pravý okraj, ako text je
zarovnané číslo vľavo, čo je chyba.
Program Cumulus je voľne šíriteľný program, ktorý je možné používať pre osobné účely alebo
nekomerčné použitie. Spolupracuje aj s prezentovanou staničkou WS1080. Po stiahnutí programu zo
stránky a jeho inštalácii na PC, nastavení parametrov a prepojení staničky s PC pomocou kábla USB,
je možné týmto programom importovať dáta zo staničky do PC. Internetová adresa s dostupným
programom na stiahnutie je http://sandaysoft.com/products/cumulus .
Program má ešte naviac, oproti dodanému software EasyWeather, niektoré vylepšenia, napr. úvodné
okno zobrazuje fázy mesiaca, veternú ružicu, trend zvyšovania alebo znižovania teploty, samozrejme
aj okamžité hodnoty všetkých meraných prvkov, tlaku vzduchu, teploty a vlhkosti vzduchu, smeru a
rýchlosti vetra, zrážok, textovú predpoveď počasia, časy východu a západu Slnka a Mesiaca.
Rozhranie programu je v Angličtine.
Program má možnosť hodnoty meraných prvkov opraviť pomocou tzv. korekcie. Do okna s
aditívnymi korekciami zadáme napr. číslo +0,3 pre teplotu vzduchu, pričom korekcia sa pripočíta k
všetkým hodnotám tohto prvku. Korekciu, napr. teploty vzduchu, môžeme zadať až po porovnaní
výstupu elektrického snímača s presným ortuťovým teplomerom. Porovnaním zistíme či je korekcia
potrebná.
Program má možnosť on line generovať a exportovať pomocou tzv. ftp protokolu internetovú stránku.
Pri takomto usporiadaní ale musí byť nepretržite spustené: PC, pripojená stanička k PC cez USB kábel
a zároveň musí byť PC pripojené na internet na konkrétny server, kde sa programom Cumulus
generované stránky vo zvolených intervaloch prenášajú a ukladajú.
Stanička je samozrejme schopná presne merať aj bez vyššie spomínaných vylepšení.
114
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Obrázok 3.
Prostredie programu Cumulus (vľavo), internetová stránka vytvorená programom Cumulus (vpravo).
Upozornenie: Treba si uvedomiť, že akýkoľvek mechanický alebo elektrický zásah do výrobku
znamená zároveň stratu záruky, ktorá je obvykle 2 roky . Všetky zásahy do prístroja sú tak na vlastné
riziko.
115
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Práca žiakov s údajmi z meteorologickej staničky
Natália Tobiašová, Anna Glezová
ZŠ Sibírska 42, 08001 Prešov, [email protected]
Úvod
Systematické pozorovanie meteorologických veličín, sledovanie klimatických charakteristík a ich
vzájomných vzťahov má v súčasnej dobe čoraz väčší význam.
Predkladaný učebný text podáva prehľad klasických aj moderných meteorologických meraní žiakov
2. stupňa ZŠ na meteorologickej staničke, umiestnenej na terase ZŠ Sibírskej, ktorá sa nachádza
uprostred sídliska v Prešove. Obsahuje tiež
príklady zhodnotenia nameraných údajov s
využitím vedomostí žiakov ZŠ. Náročnosť
úloh je prispôsobená veku žiakov.
Meteorologické
stanice
sú
hlavným
prostriedkom svetového pozorovacieho
systému
slúžiaceho
k
získaniu
meteorologických údajov. Práca na týchto
staniciach spočíva v pravidelnom sledovaní
počasia a jeho zmien.
Počas niekoľkých exkurzií v Geofyzikálnom
ústave SAV v Starej Lesnej sa žiaci
pravidelne so záujmom informovali o
Pracovný tím meteorologických pozorovateľov.
spracovaní a vyhodnocovaní získavaných
pozorovaní, o ich využití pre potreby v
bežnom živote a ich význam pre človeka a ekológiu. Práve tento záujem zo strany detí a ochota
pracovníkov Geofyzikálneho ústavu spolupracovať s neskúsenými začínajúcimi bádateľmi ma
priviedla k myšlienke priniesť amatérsku meteorologickú staničku WS1080 Geofyzikálneho ústavu
SAV na ZŠ Sibírsku do Prešova. Žiaci ZŠ, ktorí študujú podľa tzv. starej koncepcie fyziky, majú témy
meteorológie zaradené vo vyučovaní v 7. ročníku – Počasie a podnebie, v chémii – Voda, zmesi.
Ročníky vzdelávané podľa novej koncepcie sa v 2. roč. v prírodovede v tematickom celku Voda v
prírode sa oboznamujú s tvorbou oblakov, v geografii v 5. ročníku v tematickom celku Cestujeme a
spoznávame našu Zem sú zaradené témy Atmosféra , Aké bude počasie, v predmete chémia v 6.
ročníku sa žiaci učia všetko o vode a o vzduchu.
Meteorologické pozorovania
Meteorologickým pozorovaním rozumieme súhrn všetkých úkonov, ktorými zisťujeme okamžitý stav
atmosféry. Pozorovania môžeme rozdeliť z viacerých hľadísk. Meteorologická stanička WS 1080
meria tieto meteorologické prvky : teplotu
vzduchu a pocitovú teplotu, vlhkosť vzduchu,
rýchlosť a smer vetra, zrážky a tlak vzduchu.
Všetky záznamy (elektronické údaje), ktoré žiacky
tím získal z meteorologickej staničky boli presne
zaznamenané,
kontrolované
a
následne
matematicky, štatisticky a graficky spracované.
Cieľ
Usmerňovať, viesť, podporovať a vzbudzovať
Obrázok 2.
prirodzený záujem detí o pozorovanie počasia,
Získavanie
meteorologických
údajov
z meranie sily vetra, teploty, zrážok s postupným
automatickej meteorologickej stanice WG 1080. nenásilným
využívaním
matematických,
fyzikálnych a počítačových vedomostí a zručností, ktoré budú deti stále viac približovať k vede, k
nepoznanému. Takto by sa dal formulovať môj základný cieľ. Pokúsila som sa vtiahnuť žiakov do
problematiky meteorológie a ukázať zatiaľ pre nich nepoznané, hoci už inými prebádané. Deti najviac
116
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
zaujala práca s automatickou meteorologickou stanicou a s počítačom. Vznikol náš 1 (obr. 1).
pracovný tím pod mojim vedením. Tím pozostával z desiatich žiakov, ktorí s nasadením „VEĽKÉHO“
bádateľa pravidelne sledovali a zapisovali meteorologické prvky a zároveň získavali automaticky
ukladané údaje z meteorologickej stanice.
Sledované meteorologické prvky
Relatívny (tlak vzduchu prepočítaný na hladinu mora) a absolútny tlak vzduchu, teplota vzduchu –
vonkajšia a vnútorná, teplota rosného bodu, rýchlosť a smer vetra, vnútorná a vonkajšia vlhkosť
vzduchu. Pri pozorovaní fyzikálnych javov sa žiaci usilovali vychádzať z čo najväčšieho počtu
meraných základných údajov, z ktorých odvodili všeobecné zákonitosti. Osvojili si pojmy ako vlhkosť,
teplota, absolútny a relatívny tlak, ukázali možnosť využitia a premietnutia výsledkov meraní do
praxe. Pokúsili sa vysvetliť význam svojho snaženia, ktorý spočíval v pozorovaní skutočnosti,
zachytenia jej okolností, ich zmena, spojenie s presnými meraniami, z ktorých sa snažili odvodiť
všeobecné zákonitosti a súvislosti medzi sledovanými meteorologickými prvkami – napr. súvislosť
medzi zmenami teploty vzduchu a relatívnej vlhkosti, súvislosť medzi zmenami tlaku vzduchu a
počasím.
Obdobie pozorovaní a meraní
Pozorovanie prebiehalo dva mesiace – január a február 2011. Údaje z meteorologickej staničky žiaci
snímali raz týždenne. Získané hodnoty spracovali do grafov a pomocou grafov zisťovali vzťahy medzi
týmito veličinami. Informácie späté s ich prácou si žiaci vyhľadávali na internete, spolu so mnou ich
konzultovali, rozoberali a samozrejme nevtieravým a nenásilným spôsobom ukladali medzi svoje nové
poznatky, ktoré neskôr v budúcnosti môžu využiť. Pri ich práci, ktorá bola spätá nielen s pozorovaním,
ale aj so vzájomnou spoluprácou medzi žiakmi, som si všimla, že práve takáto tímová práca núti
žiakov spolu komunikovať a učí ich zodpovednosti za svoju prácu, na ktorej stojí celý tím.
Meranie teploty vzduchu
Jednotky teploty
Teplota je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje
tepelný stav látok. Podľa jednotkovej sústavy je
jednotkou teploty Kelvin (K). Definujeme ho ako
273,16 časť termodynamickej teploty trojného
bodu vody. V meteorologickej praxi sa používa
jednotka 1° Celzia (1° C), kde jeden stupeň Celzia
je stotinou intervalu medzi bodom topenia ľadu ( 0
°C) a bodom varu vody (100 °C), pri normálnom
tlaku vzduchu.
Z tých istých základných bodov ako Celziova
stupnica je odvodená tiež stupnica Fahrenheitova s
hodnotu 32 °F pri topiacom sa ľade a 212 °F pri
vare vody, ktorá prevláda pri meteorologických
meraniach v angloamerických krajinách.
Pre prevod Fahrenheitových stupňov (°F) na
stupne Celzia (°C) platí prevodný vzťah:
t [°C] = ( t [°F ]- 32 )5/9
a naopak: t [°F] = t [°C ]. 1,8 + 32
G. D. Fahrenheit zostrojil prvý ortuťový
teplomer. V staršej literatúre môžeme nájsť ešte
Obrázok 3.
stupne podľa Réaumura (°R), kde 1°C = 4/5 °R.
Závislosť vonkajšej a pocitovej vonkajšej teploty Prístroje, pomocou ktorých meriame teplotu, sa
vzduchu od času – merania meteorologickej volajú teplomery. Merania teploty sú založené na
stanice WG 1080, január a február 2011.
tom jave, že väčšina telies pri zmene teploty mení
svoj objem. Teplotu telesa možno určiť aj podľa spektra vyžiarenej tepelnej energie.
117
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Staničný teplomer Na meranie teploty vzduchu v termínoch sa používa presný ortuťový teplomer, tzv.
staničný. Stupnica teplomera je delená po dvoch desatinách stupňa, jej rozsah zachytáva prakticky celé
rozpätie teplôt, ktoré sa u nás vyskytujú (od -35 do 45 °C). Je základným teplomerom na
meteorologických staniciach.
Merania atmosférického tlaku
Jednotky tlaku vzduchu
Tlak vzduchu - tiež atmosférický tlak, je
tlak atmosféry na všetky telesá v ovzduší a
na zemský povrch, bez ohľadu na
orientáciu
stien
telies.
Základnou
jednotkou tlaku vzduchu je pascal (Pa).
Keďže Pa je jednotka príliš malá, v praxi je
vhodnejšie používať jednotku 100-krát
väčšiu a tou je hektoPascal (hPa). Prístroje
staršieho dáta výroby majú stupnice delené
podľa jednotiek v Torroch (Torr), tiež
označovaných ako 1 mm stĺpca ortuti (mm
Hg).
Pre jednotky tlaku vzduchu platia
nasledujúce prevodné vzťahy:
l mb = 0,7501 Torr = 100 Pa = 1 hPa
1 Torr = 1,3332 mb = 133,32 Pa = 1,3332
hPa Normálny tlak vzduchu (Pn = 1013,25
hPa = 760 Torr) je priemerná hodnota tlaku
vzduchu na hladine mora, pri 0 °C teplote a
na 45° zemepisnej šírky, pri normálnej
zemskej gravitácii (gn = 9,80665 m.s-2).
Závislosť tlaku vzduchu od času – merania Miestny normálny tlak vzduchu (Pm) je
meteorologickej stanice WG 1080, január a február priemerná hodnota tlaku vzduchu v
2011.
konkrétnej geografickej oblasti. Tlak
vzduchu s nadmorskou výškou klesá.
Vertikálny barický stupeň udáva zmenu
výšky v m zodpovedajúcu jednotkovej zmene tlaku vzduchu. Jeho rozmer je m.hPa -1. Za normálnych
podmienok má hodnotu 7,88 m. Vertikálny tlakový gradient udáva zmenu tlaku vzduchu v hPa na 100
m výšky. V nižších nadmorských výškach má hodnotu okolo 12,5hPa /100 m.
Práca v tíme
Práca v tíme.
Teoretické informácie späté s prácou si žiaci
vyhľadávali na internete spolu so mnou ich
konzultovali, rozoberali a samozrejme nevtieravým
a nenásilným spôsobom ukladali medzi svoje nové
poznatky, ktoré neskôr v budúcnosti môžu využiť.
Pri ich práci, ktorá bola spätá nielen s pozorovaním,
ale aj so vzájomnou spoluprácou medzi samotnými
žiakmi, som si všimla, že práve takáto tímová práca
núti žiakov spolu komunikovať a učí ich
zodpovednosti za svoju prácu, na ktorej stojí celý
tím.
Štatistické a grafické spracovanie nameraných
údajov
Žiaci jednotlivé pozorovania spracovali do spoločnej prezentácie, ktorú predstavili pred viacerými
118
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
skupinami mladších žiakov a ostatných kolegov. Pri prezentovaní svojej práce deti ukázali prítomným
pedagógom, že práca ako s programom na spracovanie údajov, alebo s grafom je v rámci ich zručností
samozrejmosťou.
Záver
Projekt nám umožnil skĺbiť vyučovanie, komunikáciu, pozorovanie a vyhodnocovanie k čomu
prispela meteorologická stanička, pomocou ktorej sme vytvorili skutočne dynamické pracovné
prostredie pre deti, ktoré je jedným z prvkov dosiahnutia interaktívneho pôsobenia na deti. Stanička je
určená aj laickému pozorovateľovi, ovládanie je veľmi intuitívne, využitie jej zložitejších funkcií a
rozsiahlych možností si vyžiadalo koordináciu učiteľa a pracovníkov Geofyzikálneho ústavu, ale
hlavne ochoty objavovať zo strany všetkých zúčastnených.
Nová generácia mladých má budúcnosť spoznávať nepoznané formou pokusu, overovania a
pozorovania. Jednou z vymožeností tímovej spolupráce bolo prepojenie matematických a fyzikálnych
vedomostí, ale aj snímanie a projekcia obrázkov, k čomu prispelo využitie moderných digitálnych
vizualizérov. Žiaci okrem meraní bežne používali PC, dataprojektory, ako i fyzikálne laboratórium.
Tieto okolnosti prispeli k dokonalosti interaktívnej prezentácie pri pohodlnej a efektívnej práci.
Dúfam, že týmto projektom pomôžem kolegom využiť získané poznatky a skúsenosti pri vyučovaní
problematiky meteorológie, pri vedení záujmového krúžku pod týmto názvom, či dokonca k vzniku
nového predmetu – meteorológia.
119
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Exkurzia netradične – meranie meteorologických prvkov
Elena Malatová
Základná škola Hanušovce nad Topľou , Štúrova 341, [email protected]
Úvod
V príspevku opisujem prípravu, priebeh exkurzie a využitie výsledkov exkurzie vo vyučovacom
procese. Pri príprave exkurzie som sa snažila nájsť prepojenie medzi obsahom učiva fyziky z
meteorológie a reálnym životom.
Cieľom exkurzie bolo okrem návštevy meteorologickej stanice v Starej Lesnej , odmerať na
vybraných miestach niektoré meteorologické prvky - tlak, teplotu a vlhkosť vzduchu jednoduchými
prístrojmi nachádzajúcimi sa v kabinete fyziky. Priamym meraním zistiť, ako sa mení atmosferický
tlak v závislosti od nadmorskej výšky. Realizovať meranie teploty v dvoch teplotných stupniciach a to
Celziovej a Fahrenheitovej a vlasovým vlhkomerom (hygrometrom) merať vlhkosť vzduchu.
Exkurzia, okrem iného, bola zameraná aj na rozvoj schopnosti žiakov pracovať v tímoch a získané
výsledky prezentovať formou projektu. V príspevku sa venujem aj možnosti využitia získaných
poznatkov z exkurzie v učive fyziky 7. a 8. ročníka a to v témach: zmeny skupenstva, tlak vzduchu a
var, vyparovanie.
Príprava exkurzie
Prípravu exkurzie so žiakmi som začala dva týždne pred plánovaným termínom. V poslednej fáze
vyučovacej hodiny žiaci postupne dostávali úlohy súvisiace s exkurziou. Využitím informačných
technológii (počítačov s prístupom na internet a dataprojektora) realizovali nasledujúce aktivity:
•
na internete vyhľadali stránku SHMÚ
•
zistili, meteorologické prvky zaznamenávané v SHMÚ
•
po vzájomnej diskusii navrhli, možnosti ich merania počas exkurzie
•
pripravili návrh tabuľky meraných veličín
•
vyhľadali na internete trasu presunu/ uplatnila som brainstorming na výber miesta merania
•
zaznamenali do tabuľky hodnoty nadmorskej výšky miest vhodných na meranie
•
absolvovali teoretickú prípravu na exkurziu - použitá bola prezentácia v PowerPointe
•
vytvorili pracovné tímy, ktoré budú realizovať merania
•
precvičili si prácu s meracími prístrojmi: vlhkomer, aneroid, teplomer
•
určila som žiakov zodpovedných za používané pomôcky
•
poverení žiaci vytlačili tabuľky a rozdali vedúcim skupín
Tabuľka 1. Návrh tabuľky na exkurziu s meteorologickými prvkami podľa údajov zo SHMÚ.
19. november 2011
Hanušovce
Prešov
Spišský hrad
Levoča
Poprad
Stará Lesná
Štrbské
Pleso
Tlak vzduchu [hPa]
Nadmorská výška [ m ]
Vlhkosť vzduchu [%]
Smer vetra
Rýchlosť vetra [m/s]
Min. teplota v 5cm pod povrchom pôdy [°C]
Výška snehu [cm]
Zrážky [mm]
Tabuľku pre záznam meraných meteorologických prvkov (tab. 1) žiaci zhotovili na základe informácii
získaných z internetovej stránky SHMÚ http://www.shmu.sk . Túto tabuľku potom upravili, tak aby v
nej zostali v nej len tie meteorologické prvky, ktoré sme mohli dostupnými prístrojmi na exkurzii
120
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
merať. Tento spôsob získavania informácii, sa mi osvedčil ako vhodný motivačný činiteľ, ktorý
využívam v učive 7.ročníka.
Priebeh exkurzie
1.etapa – meranie meteorologických prvkov
Šesť štvorčlenných družstiev meralo teplotu, tlak a vlhkosť vzduchu na nasledujúcich miestach:
Hanušovce nad Topľou, Prešov, Spišský hrad,Levoča, Poprad, Stará Lesná, Štrbské Pleso.
Na meranie používali aneroid, vlasový hygrometer, teplomery s dvomi teplotnými stupnicami.
Merania na vybraných miestach trvali približne 15 – 20 minút / žiaci dbali na na svoju bezpečnosť
/.Výsledky merania žiaci zapisovali do pripravených tabuliek.
Tabuľka 2. Záznam hodnôt meteorologických prvkov nameraných počas exkurzie.
19. novembra 2011
Hanušovce Prešov Spišský hrad Levoča Poprad Stará Lesná Štrbské Pleso
12
10
13
13
18
7.2
10
Tlak vzduchu [hPa]
1027
1013
996
990
972
922.6
870
Nadmorská výška [ m ]
207
505
522
570
672
810
1355
Vlhkosť vzduchu [%]
82
80
79
76
74
96
72
Teplota vzduchu ( ° C )
Exkurzia sa konala 19.novembra 2010, v deň, keď Vysoké Tatry zaznamenali kalamitu. Túto
skutočnosť som využila na rozvoj environmentálnej výchovy u žiakov a zároveň to bol ďalší prvok,
ktorý prispel k zaujímavosti a atraktivite exkurzie.
S pribúdajúcimi kilometrami bolo zaujímavé sledovať narastajúci záujem žiakov o výsledky merania.
Súviselo to hlavne so zmenou atmosferického tlaku, ktorý nám ukazoval náš školský aneroid. Žiaci
zisťovali, že to, čo sa učili na hodinách fyziky, že tlak s nadmorskou výškou klesá, môžu pozorovať
v skutočnosti. Hoci namerané hodnoty atmosferického tlaku svojou presnosťou nemôžu konkurovať
meraniam na meteorologických staniciach, predsa sa stanovený cieľ podarilo dosiahnuť. Väčšina
žiakov exkurzie si uvedomila závislosť atmosferického tlaku od nadmorskej výšky. Merania
meteorologických prvkov prebiehali v skupinách (obr. 2).
Obrázok 2.
Meranie meteorologických prvkov v teréne a ich zaznamenávanie na plánovaných zastávkach.
2.etapa – Meteorologická stanica v Starej Lesnej
žiakov sme rozdelili do troch skupín / 71 žiakov exkurzie /
absolvovali prehliadku meteorologickej stanice a Geofyzikálneho ústavu s odborným
výkladom pod vedením Dr. Anny Pribullovej , Dušana Božika a Mgr. Jozefa Mačuteka z GfÚ
SAV a pracovníkov Astronomického ústavu SAV
• v meteorologickej záhradke žiaci spoznávali prístroje, ktoré videli v rámci prezentácie pri
príprave na exkurziu
Prehliadka meteorologickej stanice (obr. 3) s odborným výkladom, slnečné počasie a panoráma Tatier
ich uchvátila. Najväčší záujem bol o zariadenia v meteorologickej záhradke. Na žiakoch bolo badať
•
•
121
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
radosť z poznania a z možnosti nahliadnuť do meteorologickej búdky. Ochotní tím pracovníkov
meteorologickej stanice Geofyzikálneho ústavu SAV zabezpečil exkurziu 71 žiakov našej školy a troch
pedagógov.
Obrázok 3.
Prehliadka meteorologickej stanice v Starej Lesnej s odborným výkladom.
3.etapa – Štrbské Pleso
Odmenou za zvládnutie úloh počas exkurzie a vhodné správanie bol výlet na Štrbské Pleso, kde žiaci
zaznamenali posledné údaje. Krásna panoráma areálu snov na Štrbskom Plese, možnosť občerstvenia a
nákupov drobných suvenírov bol výborným ukončením cesty za poznaním pre žiakov a pedagógov.
Využitie výsledkov exkurzie na hodinách fyziky
Žiaci prezentovali namerané výsledky na vyučovacej hodine spracovali výsledky meraní formou
projektu graficky na PC spracovali závislosť tlaku od nadmorskej výšky a zmenu teploty počas dňa a
zmenu teploty s nadmorskou výškou.
Tabuľka 3. Záznam hodnôt teploty vzduchu nameranej počas exkurzie.
miesto
teplota [°C]
Hanušovce
12,0
Prešov
10,0
Spišský hrad
13,0
Levoča
13,0
Poprad
18,0
Stará Lesná
7,2
Štrbské Pleso
10,0
Hneď nasledujúci týždeň som hodiny fyziky venovala prezentácii výsledkov meraní, ktoré žiaci získali
počas exkurzie. Dvoj- a troj-členné skupiny žiakov informovali o svojej činnosti počas exkurzie a
namerané výsledky rozprúdili medzi nimi veľmi živú diskusiu. Merania som ďalej využila na
upevnenie zručnosti žiakov namerané veličiny spracovať vo forme grafu. Zmeny atmosférického tlaku
prehľadne spracovali graficky v zošitoch , ale aj na počítači v programe EXCEL.
Internetovú stránku SHMÚ využívam na precvičovanie schopnosti žiakov čítať údaje z grafu a
zaznamenať ich do tabuľky, ďalej na výpočet priemernej dennej teploty, na zistenie zmien teploty
122
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
počas dňa / orientácia na teplotnej stupnici/ a pod.
Tabuľka 4. Záznam hodnôt nadmorskej výšky a tlaku vzduchu nameraných počas exkurzie.
nadmorská výška [m ] 207
505
522
570
672
810
1355
tlak vzduchu [ hPa]
1013
996
990
972
922,6
870
1027
Graf závislosti tlaku od nadmorskej výšky
1040
207
1020
505
1000
522
570
tlak ( hPa )
980
672
960
Tlak ( hPa)
940
810
920
900
880
1355
860
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
nadmorská výška ( m )
Záver
Exkurzia ( z lat.excurro – vybieham, vychádzam ) patrí medzi organizačné formy vyučovania. Plní
vzdelávaciu a výchovnú funkciu. Vzdelávacia spočíva v tom, že žiaci pozorujú predmety a javy v
skutočných podmienkach a výchovná funkcia spočíva v tom, že vedie k formovaniu vzťahu k prírode,
k jej ochrane a pod. K tomuto cieľu smerovala naša exkurzia. Strávili sme so žiakmi pekný a
zaujímavý deň, museli sme ukázať svoje odborné, pedagogické ale aj ľudské kvality. S niektorými
žiakmi a ich rodičmi sme sa museli zblížiť viacej aj po exkurzii, ale to je už naše tajomstvo...
Literatúra
Erich Petlák, 1997 : Všeobecná didaktika. Iris, Bratislava, 270 strán
123
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Fyzikálne meranie v teréne – určovanie niektorých meteorologických
prvkov
Ľubica Semanová
Gymnázium T. Vansovej Stará Ľubovňa, [email protected]
Úvod
Exkurzia je organizačná forma, pre ktorú je charakteristické vyučovanie mimo priestorov školy.
Umožňuje žiakom poznávať javy a procesy v typických podmienkach ich využitia. Úlohou exkurzie je
získať reálnejší obraz o učive, preberanom na hodinách. Realizácia exkurzie si vyžaduje:
1. ujasnenie cieľa, vypracovanie plánu, časový harmonogram;
2. prípravu žiakov – oboznámenie s cieľmi a úlohami; objasnenie priebehu, bezpečnostných
pravidiel a iné
3. uskutočnenie exkurzie
4. spracovanie získaných údajov, príprava prezentácií alebo plagátov a ich prezentovanie pred
triedou.
Žiaci tercie sa na hodinách fyziky oboznamujú so základnými poznatkami z meteorológie, okrem
iného sa učia o meteorologických prístrojoch a spôsobe merania a určovania meteorologických prvkov.
Preto bolo vhodné doplniť vyučovanie v triede exkurziou na meteorologickú stanicu.
Cieľ exkurzie na Skalnaté pleso
Cieľom našej exkurzie na Skalnaté pleso bolo uskutočniť priamo v teréne meranie niektorých
meteorologických prvkov a to tlaku, teploty a vlhkosti vzduchu. Zistiť, ako sa s rastúcou (klesajúcou)
nadmorskou výškou mení tlak a teplota počas jazdy lanovkou z Tatranskej Lomnice na Skalnaté pleso.
Namerané hodnoty porovnať s predpovedanými pomocou numerického modelu Aladin. Obzrieť si
meteorologickú záhradku a prístroje, ktoré sa tam nachádzajú, zistiť čo obsahuje meteorologická
búdka a oboznámiť sa s prácou meteorológa na meteorologickom observatóriu na Skalnatom plese.
Cieľom exkurzie bolo aj pozorovanie krás tatranskej prírody, ale aj zásahov človeka do nej.
Naša škola získala v rámci projektu „Moderná meracia technika a e-learning vo vyučovaní prírodných
vied“ merací systém Vernier, ktorý je podporovaný počítačom. Rozhodli sme sa, že ho vyskúšame
v teréne a pomocou senzorov teploty, vlhkosti a barometra budeme merať príslušné veličiny.
Namerané hodnoty porovnáme s hodnotami získanými pomocou klasických meracích prístrojov
a porovnáme ich aj s hodnotami na meracích prístrojoch na meteorologickej stanici na Skalnatom
plese. Keďže žiaci tercie nemali ešte zručnosti s používaním meracieho systému Vernier, rozšírili sme
našu skupinu o štyroch štvrtákov, seminaristov z fyziky.
Príprava žiakov
Na hodine fyziky boli žiaci oboznámení s cieľom exkurzie a časovým harmonogramom. Boli poučení
o správaní sa počas cesty vlakom a v tatranskej prírode, ako sa obliecť, čo si zbaliť. Rozdelili sme si
témy, ktoré si pripravia pred exkurziou a oboznámia ostatných spolužiakov. Žiaci sa rozdelili do
štvorčlenných skupín a každý žiak v skupine mal svoju úlohu: meranie, zapisovanie, fotografovanie,
prípadne meranie času.
Časový harmonogram:
7.30 zraz na vlakovej stanici v Starej Ľubovni
7.50 odchod vlakom do Tatranskej Lomnice s prestupom v Studenom Potoku
9.10 príchod do Tatranskej Lomnice a presun ku lanovke
9.25 – 9.45 p. Bičárová, pracovníčka GfÚ zo Starej Lesnej, oboznamuje žiakov s priebehom, rozdeľuje úlohy, rozdáva
meracie prístroje a záznamové hárky
9.50 – 10.15 cesta lanovkou na Skalnaté pleso, meranie a zapisovanie meraných prvkov
10.30 – 13.00 zoznamovanie sa s meteorologickými prístrojmi, pobyt v meteorologickej záhradke, návšteva pracoviska
meteorológa na Skalnatom plese
(skupina štvrtákov pokračuje s p. Božíkom na Lomnický štít a pokračuje v meraní teploty, tlaku a vlhkosti)
13.00 – 13.30 osobné voľno
13.30 – 14.00 cesta lanovkou do Tatranskej Lomnice
14.30 – 16.00 cesta vlakom z Tatranskej Lomnice do Starej Ľubovne s prestupom v Studenom Potoku
124
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Cestujeme na Skalnaté pleso
Ráno sa stretávame na vlakovej stanici, kontrolujem účasť, rozdávam jednotlivým skupinám tvrdé
dosky s pripravenými materiálmi - údajmi z modelu Aladin a turistickou mapou Skalnatej doliny.
Štvrtáci zapínajú LabQuesty (obr. 1), pripájajú senzory a začíname merať. Žiaci si zapisujú prvé
meranie do hárkov (obr. 1). Sme pripravení vyraziť. Vo vlaku nemeriame meteorologické prvky, ale
k LabQuestu sme pripojili akcelerometer a mapujeme jazdu vlaku (obr. 1).
Na grafe (obr. 1 dolu) môžeme vidieť
závislosť zrýchlenia od času. Kladné
hodnoty zrýchlenia znamenajú rast
rýchlosti s časom, záporné pokles –
spomaľovanie
vlaku.
Hodnoty
zrýchlenia rovné nule zodpovedajú
situáciám, keď vlak stojí, alebo sa
pohybuje rovnomerne.
Štatistické
spracovanie
merania
systémom
Vernier
ukázalo,
že
najväčšie zrýchlenie na sledovanej
trase bolo 0,8180 m.s-2. Najmenšie
zrýchlenie, bolo -1,278 m.s-2. Z grafu
(obr. 1 dolu) môžeme zároveň vyčítať
chyby
v meraní,
ktoré
nastali
v dôsledku nerovností na koľajniciach.
Na trase Studený Potok – Tatranská
Lomnica záznam z akcelerometra
ukázal menšie chyby v meraní v
dôsledku
lepšieho
odpruženia
modernejšieho vagóna v porovnaní s
trasou Stará Ľubovňa – Studený Potok.
Tatranská Lomnica – Skalnaté pleso
Obrázok 1.
Pri zastávke lanovky Tatranská
Práca so záznamovými jednotkami Vernier (vľavo hore), Lomnica nás vítajú p. Bičárová a p.
akcelerometrer na stene vagóna (jeden zo snímačov súpravy Božik z Geofyzikálneho ústavu SAV. P.
Vernier), graf závislosti zrýchlenia vlaku od času vytvorený na Bičárová rozdáva žiakom ďalšie
základe meraní akcelerometrom súpravy Vernier.
podklady a vysvetľuje, čo ktorá
skupina bude merať alebo pozorovať.
Sme pripravení počas jazdy lanovkou na Skalnaté pleso merať zmenu tlaku, teploty a vlhkosti vzduchu
s rastúcou nadmorskou výškou, pozorovať vývoj oblačnosti a tatranskú prírodu. Meteorologické prvky
sú okrem systému Vernier zaznamenávané aj automatickou meteorologickou staničkou
Geofyzikálneho ústavu SAV WS1080 slúžiacou pre potreby vyučovania meteorológie na školách.
Každá skupina má hárok na zapisovanie merania určenej veličiny, tlaku, teploty, vlhkosti, pozorovanie
oblačnosti. Nasadneme do lanovky a meranie začína. Po príchode na Skalnaté pleso sa vyberieme
k budove meteorologického observatória. Žiakov zaujal ručný anemometer a zisťujú rýchlosť vetra
(obr. 2 hore). Pani Bičárová skontroluje namerané údaje a diskutuje o nich so žiakmi. Porovnávame
údaje namerané pomocou senzorov systému Vernier a klasickými prístrojmi. Údaje porovnávame aj
s hodnotami na meracích prístrojoch v meteorologickej búdke a to teplotu a vlhkosť; tlak porovnávame
s hodnotou na ortuťovom tlakomere, ktorý je v budove meteorologického observatória GfÚ SAV na
Skalnatom Plese. Rozdelíme sa na dve skupiny, jedna ostáva pred budovou a druhá si ide obzrieť
pracovisko meteorológa. Žiaci sa usadia na trávnik a začína hodina v prírode pod samotným
Lomnickým štítom. Počasie nám praje. Skupinka štvrtákov pokračuje v expedícii s p. Božikom až na
Lomnický štít. Cestou v lanovke pokračujú v meraní pomocou senzorov systému Vernier. Na
Lomnickom štíte navštívia pracovisko meteorológov a obzrú si meracie prístroje. Porovnajú namerané
hodnoty. Odchýlky sú malé. Medzitým žiaci tercie spoznávajú všetky prístroje, ktoré sa nachádzajú
v meteorologickej záhradke na Skalnatom plese a užívajú si chvíle voľna. Naša exkurzia sa končí a my
sa vraciame lanovkou späť do Tatranskej Lomnice a odtiaľ vlakom domov do Starej Ľubovne.
125
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
Meranie rýchlosti vetra ručným anemometrom na stanici
Geofyzikálneho ústavu SAV Skalnaté Pleso (vľavo hore),
graf závislosti tlaku vzduchu od nadmorskej výšky pri jazde
lanovkou z Tatranskej Lomnice (903 m n.m.) na Lomnický
štít (2634 m n.m.) (dolu) – meranie tlaku vzduchu bolo
urobené pomocou LabQuestu a senzoru tlaku systémom
Vernier.
Merania, ktoré sme počas exkurzie urobili,
sme spracovali do tabuliek a grafov.
Tlak vzduchu bol meraný aj pomocou
staničky WS 1080 GfÚ SAV. Žiaci
zaznamenávali z displeja staničky číslo
stožiara lanovky z Tatranskej Lomnice na
Skalnaté pleso, čas a hodnotu tlaku.
Graf na obr. 2 zobrazuje pokles tlaku
vzduchu pri jazde lanovkou z Tatranskej
Lomnice (stanica lanovky - 903 m.n.m) na
Lomnický štít (2634 m.n.m) s prestupom na
Skalnatom plese. Nameranými hodnotami je
preložená exponenciálna krivka. Meranie je
urobené pomocou LabQuestu a senzora tlaku
systémom Vernier.
Grafy na obr. 3 boli urobené pri jazde
lanovkou zo Skalnatého plesa do Tatranskej
Lomnice meracím systémom Vernier
a dokumentujú nárast teploty a tlaku
vzduchu a pokles relatívnej vlhkosti vzduchu
so zmenšujúcou sa nadmorskou výškou.
Po návrate do školy
Po návrate do školy mali žiaci tri týždne na
to, aby spracovali svoje zážitky z exkurzie
ako aj merania tlaku a teploty vo forme
prezentácie alebo plagátu. Svoje zážitky
spracovali aj v slohovej práci na hodine
Obrázok 3.
Graf závislosti Teploty vzduchu (hore), relatívnej vlhkosti vzduchu (v strede) a tlaku vzduchu (dolu)
od času. Merania boli urobené pri jazde lanovkou zo Skalnatého plesa do Tatranskej Lomnice
meracím systémom Vernier a dokumentujú nárast teploty a tlaku s klesajúcou nadmorskou výškou.
slovenského jazyka. Jednu vyučovaciu hodinu fyziky sme venovali projektom. Prezentácie predvádzali
na interaktívnej tabuli, plagáty a fotografie sme umiestnili na nástenku. Tvorba projektov podporila
126
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe, Stará Lesná 4. - 7. máj 2011.
tvorivosť žiakov, estetické cítenie, prácu v skupine, vyhľadávanie informácii na internete. Pri
prezentovaní svojich projektov sa opäť vrátili pod Lomnický štít a prežívali atmosféru, ktorú táto
exkurzia vytvorila (obr. 4).
Obrázok 4.
Spracovanie výsledkov exkurzie na hodine fyziky –
prezentácie žiakov.
Záver
Táto exkurzia splnila svoj cieľ a zanechala v žiakoch silný dojem. Žiaci mohli merať niektoré
meteorologické prvky priamo v teréne a na chvíľu sa zmeniť na „malých“ meteorológov. Spoznali
pracovisko meteorológov na Skalnatom plese, oboznámili sa s ich prácou a obzreli si všetky prístroje
v meteorologickej záhradke. Poďakovanie patrí pracovníkom GFÚ v Starej Lesnej p. Bičárovej a p.
Božikovi za ich trpezlivosť a obetavosť, za to, že nám venovali svoj čas a pomohli naplniť obsah
exkurzie.
127
Download

Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní II. Vzduch v pohybe