Základní škola Stříbrná Skalice, Na Městečku 69, EU peníze školám Základní škola Stříbrná Skalice, Na Městečku 69, Fyzika počasí Kateřina Macháčková, Martin Macháček

Fyzika vysvětluje počasí a podnebí Čtyři jednoduché fyzikální principy Vysvětlujeme známé i méně známé jevy

1.A Vlhkost vzduchu Absolutní vlhkost: kolik miligramů vody v l litru vzduchu sytá vodní pára Absolutní vlhkost vzduchu nad hladinou závisí na teplotě. Je tam sytá vodní pára, stoprocentní vlhkost. Víc vody se do vzduchu nevejde.

1.B Vlhkost vzduchu Když v láhvi není kapalná voda, může sytá vodní pára přehřátá vodní pára sytá vodní pára Když v láhvi není kapalná voda, může být absolutní vlhkost menší než maximální. teplota roste relativní vlhkost relativní vlhkost

srazilo se 17 mg - 7 mg = 10 mg vody 1.C Vlhkost vzduchu Když přehřátou páru ochlazujeme, relativní vlhkost roste. Rosný bod: teplota, při které je pára sytá (rel. vlhkost 100 %). Při dalším ochlazování se pára sráží (na stěnách nádoby nebo jako mlha). teplota klesá přehřátá vodní pára sytá vodní pára sytá vodní pára relativní vlhkost relativní vlhkost relativní vlhkost srazilo se 17 mg - 7 mg = 10 mg vody

2.A Ochlazení při roztažení plynu plyn vykonal práci Když se stlačený plyn roztahuje, koná práci. Nemůže-li dostat teplo z okolí, ochladí se. ztratil energii, ochladil se

2.B Ochlazení při roztažení plynu Když vypustíme stlačený vzduch z láhve, ochladí se. Část vodní páry se ochlazením srazí v mlhu. Jakou práci plyn vykonal? „Nadzvedl“ atmosféru.

3.A Pohyb na kolotoči Na otáčející se desku hodíme kuličku. Kulička se pohybuje po přímce. Na desce ale udělá stopu spirálovou. Kdyby se deska otáčela velmi rychle proti kuličce, byla by stopa skoro kružnice.

3.B Pohyb na otáčející se Zemi Ze severního pólu fouká vítr rychlostí 10 km/h Vzduch se pohybuje po přímce, ale Země se pod ním otáčí rychlostí 200 km/h. Toto jsou rychlosti v inerciální vztažné soustavě.

3.C Pohyb na otáčející se Zemi Vzhledem k zemskému povrchu se vzduch pohybuje po kružnici. Myšlenkový pokus: z pólu hodíme těžkou kouli. Země se pod ní bude „podtáčet“. Toto je rychlost ve vztažné soustavě spojené se Zemí.

4.A Tepelné záření Všechna tělesa vyzařují elektromagnetické záření. Kolik a jaké? Záleží na teplotě. Při 20 °C: za 100 s ... 42 kW (10 kg vody o 1 °C). Vrstvička vody 1 cm tlustá: 36 °C/h

4.B Tepelné záření Tělesa zářením energii ztrácejí, ale také získávají. Proto např. v místnosti necítíme ztráty zářením. Kdy nám záření nedodává energii? Když kolem není nic nebo když tam je chladné těleso.

Proč je ve výšce chladněji? Sluneční záření neohřívá vzduch přímo. Ohřívá povrch Země. Od něj se ohřívá vzduch a stoupá. Při stoupání se vzduchová „bublina“ roztahuje a ochlazuje. Jiná „bublina“ současně klesá, stlačuje se a ohřívá. Troposféra = část atmosféry, kde teplota s výškou klesá. Vzduch se v ní promíchává.

Jak se mění teplota s výškou? „Bublina“ vzduchu stoupá a při tom se roztahuje. Její teplota se tím snižuje. Jiná „bublina“ klesá a stlačuje se. Její teplota se tím zvyšuje. To probíhá v troposféře -asi do výšky 10 km.

Proč teplota ve stratosféře roste? Ve velké výšce sluneční ultrafialové záření rozbíjí molekuly O2 na atomy. Z těch vznikne ozon O3. Ozon pohlcuje ultrafialové záření. Tím se vzduch zahřívá. Proto teplota s výškou roste. Stratosféra = část atmosféry, kde teplota s výškou roste. Vzduch se v ní nepromíchává.

Proč se ve výšce dělají mraky? V troposféře proudí vzduch nahoru a dolů. Rychlost: několik cm/s Při výstupu nahoru se vzduch ochlazuje. Když teplota klesne na rosný bod, vodní pára se začne srážet. Je-li teplota a vlhkost rovnoměrně rozložena, jsou základny mraků přibližně všude stejně vysoko. I když jsou mraky v klidu, vzduch v nich proudí nahoru. Piloti větroňů podle mraků hledají výstupné proudy.

Proč bývají letní bouřky odpoledne? Odpoledne je půda nejteplejší. Vzduch se někde ohřeje a začne rychle stoupat („komínový efekt“). Při výstupu se vzduch ochlazuje a pára v něm se sráží. Průměr sloupce: km až desítky km. Bouřky z horka jsou místní.

Proč vzduch stoupá, i když se ochlazuje? Vzduch v „komínu“ se sice ochlazuje s výškou, ale vždy je teplejší než okolní vzduch ve stejné výšce. Navíc, když se pára sráží ve vodu, uvolňuje se teplo a to vzduch v „komínu“ dál ohřívá. Tento efekt se uplatňuje hlavně u hurikánů. Nad teplým mořem je vzduch nasycen vodní párou, ta při srážení předá teplo „komínu“.

Proč je v noci chladno při vyjasnění? Země neustále vyzařuje tepelné záření. Je-li v noci jasno, zemský povrch jen vyzařuje a skoro žádné záření nedostává. Proto hodně chladne. Je-li v noci zataženo, mraky část záření vyzáří zpátky. Proto zemský povrch chladne méně. Nebývá rosa, mlha, ranní mrazy.

Proč vznikají ranní mlhy? Přes den se atmosféra ohřívá zdola, proto se promíchává. Přes noc se zářením ochlazuje zdola, proto se nepromíchává. Teplota vzduchu nad půdou klesne k rosnému bodu, pára se srazí na mlhu. Když slunce půdu prohřeje, teplý vzduch proudí nahoru, mlha se opět změní v páru. Není pravda, že „se zvedne“.

Proč vzniká rosa, jinovatka, námraza? V noci se zářením ochlazují všechny povrchy. Tenké předměty prochladnou víc: stébla, listy, vlákna pavučiny. Proto se na nich srazí voda. Rosa nebývá pod stromy, pod mraky, v kouři. Koruna stromu i mrak vrací tepelné záření zpět do půdy, ta tolik nevychladne. Mostní konstrukce promrzne víc než silnice, vzniká námraza.

Mrazové kotliny V noci se zářením půda ochladí, od ní vzduch. Studený vzduch stéká dolů, na jeho místo přichází teplejší vzduch z výšky. Z kotlin nemůže studený vzduch odtéct, proto je tam nižší teplota. Před ztrátami tepla zářením může ochránit kouř. Obalování růží apod. chrání před ztrátami zářením, ne před studeným vzduchem.

Co je tlaková výše? Tlak určuje, kolik vzduchu je nad daným místem. p = 1000 hPa = 100 kPa znamená: nad 1 m2 je vzduch o tíze 100 000 N, tj. o hmotnosti 10 000 kg Vyšší tlak: víc vzduchu, klesá dolů (cm/s). Ohřívá se, relativní vlhkost klesá. Pára se nesráží, nejsou mraky, je sucho, „pěkně“ (pro výletníky, ne pro zemědělce).

Co je tlaková níže? Tlaková níže je místo, nad kterým je méně vzduchu. Tlačí se tam vzduch z okolí. Vzduch nad tlakovu níží stoupá, ochlazuje se, relativní vlhkost stoupá. Pára se sráží, jsou mraky a může pršet. Průměry výší a níží: stovky kilometrů.

Proudění okolo tlakových výší a níží Kdyby se Země neotáčela, vzduch by proudil přímo od tlakové výše nebo do tlakové níže. Otáčení Země způsobí, že vzduch proudí okolo tlakové výše nebo tlakové níže. Nebýt otáčení Země, tlaky by se hned vyrovnaly. Díky otáčení vydrží rozdíly tlaku i týdny. Vzduch totiž setrvačností letí tam, kde už mezitím není nižší tlak.

Jak tlakové výše a níže ovlivňují teplotu Okolo tlakové výše proudí vzduch ve směru hodinových ručiček. Poloha tlakové výše proto ovlivňuje to, z které strany k nám proudí vzduch a jak bude teplý. Je-li tlaková výše na východ od nás, proudí k nám teplý vzduch od jihu. Je-li tlaková výše na západ od nás, proudí k nám studený vzduch od severu.

Tlaková níže z družice Oblaka naznačují, že vzduch proudí okolo tlakové níže. Spirála, kterou vidíme, ale není „stopa“, kterou za sebou zanechává proudící vzduch.

Tropické cyklony (hurikány, tajfuny) Teplota oceánu v sub-tropech: víc než 25 °C. Jako u „bouřek z horka“: teplý vzduch stoupá, pára se sráží, tím se uvolní další teplo, vzduch stoupá ještě rychleji. Vzduch, který při hladině proudí k „oku“, je stočen zemskou rotací (Coriolisova síla). Jak se přibližuje k „oku“, proudí stále rychleji (zákon zachování momentu hybnosti mvr). Rekord tlaku v tajfunu: 870 hPa (u nás nejnižší tlak 970 hPa)

Kde vznikají hurikány? Podmínky pro vznik: vysoká teplota vody – zem. šířka max. 30° silná Coriolisova síla – zem. šířka min. 5° (jinak se rozdíly tlaku rychle vyrovnají). Po vzniku mohou cestovat i jinam (do vyšších šířek, nad pevninu), ale slábnou – nemají dost teplého a vlhkého vzduchu. Pozůstatky (silné níže s vichřicí) se někdy dostanou až k nám.

Co jsou tornáda? Tropický cyklon (= hurikán = tajfun) má průměr stovek kilometrů, tornádo řádově stovek metrů. Rychlost větru v cyklonu až 200 km/h, v tornádu až 500 km/h. Tornádo je malé, ale ve svém místě extrémně ničivé. Vzniká v souvislosti s bouřemi, ale přesné vysvětlení není známo.

Studené a teplé fronty Okolo tlakové níže proudí vzduch. Na jižní straně je teplý, na severní studený. Studený zůstává při zemi, teplý je nad ním. Spolu se nemísí. Teplá fronta vzniká, když se teplý vzduch valí přes studený. Studená fronta vzniká, když studený vzduch „buldozeruje“ teplý.

Teplá fronta Teplý vzduch stoupá vzhůru, tím se ochlazuje, pára se sráží. Hranice mezi studeným a teplým vzduchem jen asi 100 m tlustá. Úhel od země jen asi 10 až 20°. Pokrývá oblast 300 – 400 km širokou. Při přechodu fronty: zataženo, prší, nárazový vítr. Přechod trvá delší dobu, po něm se oteplí.

Studená fronta Studený vzduch vytlačuje teplý vzduch nahoru. Ten se při výstupu ochlazuje, sráží se v něm pára. Úhel od země větší. Pokrývá oblast 300 – 400 km širokou. Při přechodu fronty: zataženo, prší, nárazový vítr, někdy bouřky. Přechod trvá kratší dobu, po něm se ochladí.

Globální proudění Na rovníku se vzduch nejvíc ohřívá, stoupá. Jinde musí klesat. Takto vypadá hrubé schéma cirkulace vzduchu. Kde vzduch stoupá, bývá deštivo. Kde klesá, bývá sucho. Kde vzduch proudí vodorovně, bývá větrno.

Důsledky globálního proudění: srážky Vzduch stoupá okolo rovníku. Tlakové níže (1010 hPa), déšť. Kongo, Indonézie, Nová Giunea, Amazonie.

Důsledky globálního proudění: srážky Vzduch klesá okolo obratníků. Tlakové výše (1017 hPa), sucho, velké rozdíly teplot den-noc. Sahara, Arábie, Stř. Azie, Kalifornie; Kalahari, Austrálie, Chile

Pohled z družice Na obrázku vidíme pás oblačnosti podél rovníku a pásy bez oblaků podél obratníků.

Důsledky globálního proudění: srážky Vzduch stoupá okolo 60 rovnoběžek. Níže (1001 hPa), déšť. Island, Anglie, Skandinávie; jižní Chile, Hornův mys, N. Zéland. V polárních oblastech zase tlakové výše, málo srážek.

Důsledky globálního proudění: vítr Vzduch proudí od obratníků k rovníku. Otáčení Země ho stáčí na západ – pasáty. Mezi 30° a 60° proudí opačně – antipasáty. V oblastech výší a níží jsou tišiny (rovníkové tišiny a „koňské šířky“ podél obratníků).

Pevnina a moře Teplota pevniny se může změnit rychle, teplota moře pomalu. Proto je v létě pevnina teplejší než moře, v zimě naopak. V létě se od teplejší pevniny ohřívá vzduch, stoupá, pára se v něm sráží. Tak vznikají monsuny. Přinášejí období dešťů. V zimě rozdíly teplot nejsou tak velké a vzduch z pevniny neobsahuje tolik vody.

Monsuny v Indii Nejznámější monzuny jsou v Indii. Díky nim tam není poušť. V létě vzduch nad pevninou stoupá, jsou deště. V zimě klesá, proto je suchý. Naše deštivé období okolo Medarda je způsobeno stejným jevem jako monsuny.

Ranní a odpolední bríza Střídání teplot pevniny a moře nejen přes rok, i přes den. K ránu je pevnina nejchladnější, vzduch proudí z pevniny na moře. Rybáři vyplouvají na lov. Odpoledne je pevnina nejteplejší, vítr fouká z moře na pevninu. Rybáři se vracejí.

Tlakové výše nad Azorami a nad Sibiří Vzduch klesá nad chladnějšími místy, tam vznikají tlak. výše. V létě: chladnější moře, proto letní výše spíš nad mořem – v subtropickém pásmu výší, nad Azorami. V zimě: chladnější pevnina, hlavně velký kontinent. Proto mohutná výše nad severní Sibiří. Tam noční ztráty tepla zářením. Nejchladnější místo: Ojmjakon.

Důsledek výše nad Azory Okolo tlakové výše nad Azory proudí vzduch ve směru hodinových ručiček. Ten přináší oceánský vzduch nad SZ pobřeží Afriky. Nad pevninou vzduch vystoupí a vzniknou mraky. Na snímku je také pěkně vidět pás oblačnosti nad rovníkem.

Tlaková níže nad Islandem Vzduch stoupá nad teplejšími místy (níže), klesá nad chladnějšími (výše). V zimě je moře teplejší, proto zimní níže spíš nad mořem. Globální proudění přispívá k velké zimní níži nad Islandem.

Fénový jev – srážkový stín Vlhký vzduch vyneseme do výšky a zase spustíme. Suchý vzduch při výstupu zchladne a při sestupu se ohřeje na původní teplotu. Je-li vlhký, při výstupu se z něj srazí voda, vyprší. Zbylý vzduch se tím ohřeje. Při sestupu se stlačováním ohřívá na vyšší teplotu, než měl původně (o 5 až 10 °C). Výsledkem je vítr velmi teplý a suchý (jen asi 30 % vlhkosti) – fén.

Fénový jev v globálním měřítku Nad rovníkem vlhký vzduch stoupá, pára se srazí, vyprší. Vzduch ochuzený o vodu a ohřátý skupenským teplem přejde nad obratníky a sestupuje dolů. Sestupem (stlačením) se dál zahřeje. Proto je na obratnících vzduch suchý a teplejší než na rovníku.

Fénový jev lokálně: dešťový stín Fouká-li vítr přes hory, nastává tam také fénový jev. Na návětrné straně se vzduch při výstupu „vyprší“. Proto v horách často prší a rychle se mění počasí: vzduch vystupuje při každém větru. Na závětrné straně pak sestupuje suchý vzduch, neprší tam. Jde-li o převládající větry, je na závětrné straně trvalé sucho.

Dešťový stín v Austrálii Přes Austrálii vanou pasáty od JV. Hory na východním pobřeží (Great Dividing Range) zvedají vzduch do výšky. Na východním pobřeží je deštivo, ve vnitrozemí jsou pouště.

Dešťové stíny na mapě světa Kde vanou pasáty, je západní pobřeží sušší než východní. Kde vanou antipasáty, je to opačně. Himálaj mění podnebí na své jižní i severní straně.

A další stíny na mapě světa

Martin Macháček, Fyzika 8, Prometheus Wikipedia