Meteorologická měření v silniční síti * Honza Sulan - pobočka Plzeň * • Silniční meteorologická stanice • Faktory ovlivňující teplotu povrchu • Mikroklima - demonstrace na jíní • Materiál tělesa vozovky • Senzory ve vozovce • Teplota mrznutí • Strategie zimní údržby Editováno v Open Office, uloženo jako.ppt 97/2000/XP

Zdroje informací, literatura • MZ 2005/2 Sulan, Škuthan: Silniční meteorologie v provozu ČHMÚ • MZ 2006/2 Sulan: Jíní – jev nebezpečný pro silniční dopravu • MZ 2002/3 Racko, Simon, Sokol: Niektoré z príčin búrok v zimnom období • MZ 2002/3 Sulan: Sněhové bouře 22. února a tornáda 31. května roku 2001 z pohledu koncepčních modelů • Silniční obzor, 1937 Hrudička: O sněhových překážkách na silnicích v Československu • SIRWEC White, Thornes, Chapman: A Guide to Road Weather System ( • 1991, Perry, Symons: Highway Meteorology Některé obrázky převzaty z „Guide to Road Weather System“ – pouze pro studijní účely

Silniční meteorologická stanice • standardní měření: – teplota – vlhkost – směr a rychlost větru – detekce, intenzita a akumulace srážek – akumulace sněhové pokrývky – dohlednost – globální záření • měření parametrů vozovek: – teplota povrchu – teplota v hloubce 5 resp. 30 cm – stav povrchu: • sucho • vlhko • mokro • vlhko s chemikálií • mokro s chemikálií • námraza • sníh • led – koncentrace chemikálie a teplota mrznutí – měření ve dvou jízdních pruzích

Faktory ovlivňující teplotu vozovky (převzato z DWD – Raatz, Jacobs 1999)‏ 2°CIntenzita provozu 3°CAlbedo 0,05/0,20** 3°CSníh v okolí ANO/NE* 2°CVítr 1°CZměna teploty vzduchu o 2°C 5°CMlha Den 12°C, noc 4°COblačnost v březnu Den 3°C, noc 5°COblačnost v lednu Citlivost teploty vozovkyFaktor *projevuje se přes den, v noci minimálně **platí pro konec března

Vliv prostředí a topografie • neutrální lokality v otevřeném rovném terénu • vliv nadmořské výšky při větru, teplotní gradient • při slabém proudění stékání a stabilizace v údolích, kotlinách – zchlazení vozovky při vyjasnění – déle trvající prosazování teplého vzduchu při advekčních situacích • variace sluneční radiace v ročním chodu • „sky-view“ faktor • pokrytí povrchu v okolí do 3 a do 10 km (zastavěnost, zemědělská půda, zdroje vlhkosti, zalesnění)‏ • lesní úseky – současně působí stínění a omezení turbulence • mosty – vyzařování nahoru i dolů • tepelný ostrov města • intenzita provozu (teplo z motorů, tření pneumatik, stínění)‏

Vliv místních podmínek na rozdíl teploty vzduchu a teploty povrchu T- T voz (převzato z DWD – Raatz, Jacobs 1999)‏ 0 až -1-2 až –3-1 až -2-3 až -4-1 až -2-3 až -4zataženo,mlha kolem 2-4 až -61 až 2 kolem 0-4 až -6jasno nocdennocdennocden mostyve stínuběžný provoz oblačnost

Estakáda u Chebu – most přes Ohři odpoledne oba povrchy teplotně vyrovnané v noci chladne most rychleji

Teoretická doba tvorby jíní (splnění kriteria v zimě 2002/2003)‏

Vlastnosti povrchu vozovky Převzato z „Guide to Road Weather System“ (SIRWEC)‏ concrete – betonwearingcourse – obrusná vrstva roadbed – vozovkabase-course – ložná vrstva subsoil – půdní podložíroadbase – horní vrstva podkladu sub-base – spodní vrtsva podkladu Hlouběji založená tělesa dálnic a rychlostních komunikací mají delší „tepelnou paměť“ - déle si uchovají teplo akumulované za den. Rozdílné vlastnosti povrchu se projevují více na začátku a konci zimy při větším přísunu slunečního záření. Pórézní asfalt (rychlejší odvod vlhkosti z povrchu) chladne rychleji než běžné povrchy a dosahuje nižších minim teploty – větší spotřeba soli. Beton se ohřívá a chladne pomaleji mimo jiné i v souvislosti se světlejší barvou a vyšší tepelnou kapacitou.

Teplota pod povrchem - Fourierovy zákony • přenos tepla vedením – šíření tepla závisí na hustotě a specifické tepelné vodivosti materiálu • perioda pravidelného kolísání se s hloubkou nemění • amplituda periodických změn teploty se s hloubkou zmenšuje (denní změny asi do hloubky 1 m, roční m)‏ • čas výskytu teplotních extrémů se s hloubkou zpožďuje (denní extrémy o 2-3 hod/10 cm)‏ • Teplota půdy má tedy jistou setrvačnost, která hraje roli zejména po delších mrazech při náhlém oteplení – tepelný tok zdola.

Měřené parametry vozovek • teplota • teplota s přesností 0,2°C, rozsah –30 až +70°C • stav povrchu • stav povrchu – elektrochemické vlastnosti: – solný roztok – vodivost, polarizace, dielektrické parametry – námraza/jíní – kapacitance, šíření radiových vln (Lufft)‏ • výška vodního filmu • výška vodního filmu – Vaisala, Lufft přímo / Boschung nepřímo • teplota mrznutí • teplota mrznutí – Boschung přímo / Vaisala, Lufft nepřímo • problém = zbytková sůl – krystalky absorbují vzdušnou vlhkost, pokud relativní vlhkost vzduchu překročí 76% - senzory detekují vlhkou vozovku Teplota mrznutí [°C ]Výška filmu [ mm ] Závislost teploty mrznutí na výšce vodního filmu roztoku s obsahem soli 20 g/m 2

odraz infračerveného paprsku: - detekce sněhu a ledu - tloušťka vrstvy do 4 mm (~ 0,1mm v rozsahu 0-1 mm)‏ - princip tepelné pasivity - el.vodivost a polarizace pro určení množství chemikálie - kapacitance pro detekci námrazy/jíní

Princip aktivního čidla: - umělé ochlazování a následný ohřev - přímé stanovení bodu mrznutí - nepřímo výška vodního filmu - kalibrace na různé chemikálie - stanovení koncentrace

vodivost srážek uprostřed teplotní čidlo CW – radar měří výšku vodního filmu a rozlišuje sníh & led koncentrace soli výpočet teploty mrznutí - multifrekvenční měření - vyměnitelnost čidla - pod napětím 2s, interval měření > 1 min, vyloučen tak vliv ohřevu senzoru

K problému teploty mrznutí • Mrznutí solného roztoku probíhá v jistém teplotním intervalu, neexistuje přesně vymezená teplota mrznutí. • Roztok se vstupní koncentrací c 0 po zchlazení na úroveň stavové křivky (spíše pod její úroveň vzhledem k tendenci vody udržet se v přechlazeném stavu) se změní na liquidus (voda- krystaly ledu-sůl). • Přibývání krystalů vytěsňuje vodu a zvyšuje tak koncentraci soli. • Existuje mezní hodnota koncentrace tzv. „eutektický bod“ - při zchlazení pod jeho teplotu směs zmrzne jako slaný led – další sůl by vedla k nežádoucímu nárůstu teploty mrznutí. • Nelze stanovit kritickou mez teploty mrznutí z hlediska rizika smyku, neboť vozovka je do jisté míry kluzká už v momentě, kdy se objeví první krystalky ledu. • Ke změnám koncentrace dochází i vlivem výparu nebo padajících srážek, proto je křivka teploty mrznutí v silničních grafech značně rozkolísaná.

Jak funguje solení v praxi? 1. Sůl je rozmetána sypacím vozem na zasněžený nebo zledovatělý povrch. 2. Zrna soli na sebe váží vodu ze sněhu nebo ledu a obalují se solným roztokem. Postupně klesají k povrchu vozovky. 3. Působením roztoku soli dochází na povrhu vozovky k narušení vazby mezi ledem a povrchem. Film solného roztoku potáhne povrch vozovky. 4. Kola aut zbytek sněhu a ledu rozjezdí a vzniká slaná břečka, která se pluhuje nebo provozem vytlačí ke krajnici. Je žádoucí ošetřit vozovku preventivně před začátkem sněžení a předejít vzniku silové vazby led-vozovka (slabší preventivní dávka). Před mrznoucím deštěm se kromě soli přidává inertní materiál ke zvýšení drsnosti. Suchý povrch by se měl ošetřit slaným postřikem. Z ekologických důvodů se nesmí solit do několikacentimetrové vrstvy sněhu – u nás se od 3 cm musí plužit (v silnější vrstvě se sůl nedostane k povrchu – nevyužitá zvyšuje ekologickou zátěž). Chlorid sodný se využívá efektivně do -6, u nás se aplikuje do -7°C

Strategie údržby SIRWEC 2000, Davos • Sněžení – Suchá vozovka před sněžením se preventivně ošetří předvlhčenou solí dávkou 6-8 g/m 2 nejlépe 1 hodinu předem. – Vozovka pokrytá sněhem se ošetřuje pluhováním a posypem 6-15 g/m 2 nepředvlhčenou solí, pokud je ledový podklad, tak až 35 g/m 2. – K vytvoření ledové vrstvy pod sněhem může dojít i při opožděném prosolení sněhové vrstvy, kdy vlivem tání sněhu dochází k odebírání tepla z okolí a tedy k poklesu teploty vozovky. • Mrznoucí déšť – Optimální ošetření vozovky je posyp g/m 2 předvlhčenou solí. Vzhledem k okamžitému namrzání padajících srážek by měl být zásah proveden předem s ohledem na informace z radaru o blížícím se srážkovém pásmu a v místech, kde je teplota vozovky pod nulou. • Náledí – Optimální ošetření je posyp předvlhčenou solí dávkou 6-8 g/m 2, suchá sůl se používá jen při velmi vlhké vozovce. Pokud je zásah proveden příliš brzy, hrozí nebezpečí vymytí soli při rozstřiku vodní vrstvy vlivem projíždějících vozidel. – Do 3 hodin od poklesu na nulu většinou dojde k vysušení, při -4°C a níže i dříve („vymrznutí“). • Námraza, jíní – Optimální ošetření vozovky je posyp nepředvlhčenou solí dávkou 5g/m 2. Není vhodné provádět posyp před tvořením námrazy.