Teorie
Meteorologické veličiny
Meteorologická pozorování spočívají v měření teploty vzduchu, vlhkosti vzduchu, atmosférického tlaku, délky slunečního svitu, srážek, výšky sněhové pokrývky, rychlosti a směru větru, dohlednosti, sledování oblačnosti, bouřek či dalších jevů, které mohou být různé podle specializace dané stanice. K měření těchto jevů a prvků slouží celá řada přístrojů. V dnešní době, kdy světu vládnou výpočetní technologie, se mnoho veličin přestalo odečítat lidským okem a zapisovat do deníků, jako tomu bývalo v minulosti. Tyto veličiny jsou měřeny automaticky a také se i automaticky odesílají.
Nejstarší česká meteorologická observatoř se nachází v Praze Klementinu, přičemž stanice zahájila pravidelná měření již roku 1752. Dříve samozřejmě existovala i jiná měření, ale ta nebyla úplná, nebo jejich existence není plně doložena. Ani v Klementinu neměli vždy kompletní data, za počátek klementinské řady soustavného měření je považován až rok 1775.
Měření teploty
Teplota je fyzikální veličina, která je měřitelná díky tomu, že téměř všechna tělesa mění při zahřívání své určité fyzikální vlastnosti – kupříkladu se při ohřívání rozpínají, nebo mění svůj elektrický odpor. Teplotu lze tedy určit podle změny objemu, nebo délky daného tělesa, popřípadě změny nějaké elektrické veličiny. Teplotu tedy vlastně měříme díky měření jiných veličin. Teplota se měří pomocí teploměrů a její jednotkou je v našich krajích stupeň Celsia. V USA, Kanadě, Velké Británii je v meteorologii užívána teplotní stupnice Fahrenheitova s jednotkou °F. Ke stupnici Celsiově má převodní vztah: 0 °C = 32 °F, 100 °C = 212 °F.
Obr. 1 – Meteorologická budka – základní vybavení každé meteostanice.
Teplota vzduchu se správně měří ve stínu. Na profesionálních meteorologických stanicích se měří v žaluziových budkách, které jsou postaveny ve výšce 2 m nad zemí. Vzduch v nich proudí volně, takže se stále vyměňuje s okolním vzduchem. Budka je bílá, aby odrážela sluneční paprsky. Zpravidla je dřevěná, protože dřevo je špatný vodič tepla. Dvířka jsou obrácena k severu, aby ani při otevření budky nemohly být teploměry ozářeny slunečními paprsky.
Kromě měření teploty ve standartní výšce 2 m nad zemí je důležité znát teplotu při zemi nebo 5 cm nad zemí. Na některých meteorologických stanicích se měří teplota i ve větších výškách pomocí radiosond a to až do výšky 20 km. Zajímavým údajem je i teplota půdy pod povrchem země asi do hloubek 1 m až 2 m. Ve větších hloubkách než 2 m jsou změny teploty nepatrné (několik desetin °C za rok). V hloubce 10 m se teplota téměř během roku nemění.
Měření tlaku vzduchu
Atmosférický tlak vzduchu je tlak vyvolaný atmosférickou tlakovou sílou (tíhou sloupce vzduchu nad našimi hlavami). Měříme jen barometry a je zpravidla uváděn v hektopascalech (hPa). Atmosférický tlak souvisí jak s aktuálním stavem atmosféry (aktuálním počasím), tak s nadmořskou výškou, se kterou klesá. Průměrný atmosférický tlak u mořské hladiny (tedy v nadmořské výšce 0 m) je stanoven na hodnotu 1013,25 hPa. Graf závislosti atmosférického tlaku na rostoucí nadmořské výšce zobrazuje obrázek č. 2. Jak je vidět, tato změna není lineární. Též závisí na mnoha často proměnných faktorech, jako jsou měrná hustota vzduchu, tíhové zrychlení v daném místě, výrazné proudění vzduchu nebo teplota vzduchového sloupce včetně jejího gradientu. Přesto v menších výškách lze zhruba použít zjednodušený vztah, který říká, že výškový rozdíl 10 metrů odpovídá změně tlaku o cca 1,2 hPa – tedy změna tlaku o 1 hPa odpovídá změně výšky o cca 8,43 metrů (platné do nadmořských výšek asi tak do 1 km). Ve výšce 5,5 km nad mořem je tlak přibližně poloviční, tj. asi 500 hPa. Úbytku tlaku s přibývající nadmořskou výškou se využívá kupříkladu k určení nadmořské výšky v turistických výškoměrech, chytrých hodinkách apod.
Obr. 2 – Závislost tlaku vzduchu na nadmořské výšce.
Pro přepočet lokálního absolutního atmosférického tlaku na tlak na hladině moře existuje hned několik vzorců, a to v různých tvarech a úpravách. Některé opravdu zohledňují i zeměpisné souřadnice s tíhovým zrychlením v daném místě zeměkoule. Následující tři výrazy jsou určitým kompromisem mezi reálně dosažitelnou přesností a jednoduchostí daného výrazu.
První vzorec nezohledňuje aktuální teplotu:
Druhý vzorec je odvozen z barometrické rovnice Francouze J. Babineta:
Poslední vzorec, tedy výraz (1), lze považovat za nejpřesnější a údajně je používán pro výpočty organizace ICAO (Mezinárodní organizace pro civilní letectví):
Ve všech třech vzorcích platí, že p0 je požadovaný tlak při hladině moře, p je absolutní tlak získaný měřením, t je teplota ve stupních Celsia a h je nadmořská výška v metrech.
Přístroje pro měření tlaku vzduchu
Obr. 3 – Princip rtuťového barometru
Jedním z přístrojů pro měření atmosférického tlaku je rtuťový barometr. Ten se skládá z trubice na jednom konci zatavené, naplněné rtutí, na kterou na druhém zahnutém konci působí atmosférický tlak. Podle výšky rtuti pod zataveným koncem lze určit velikost atmosférického tlaku (čím výš rtuť vystoupí, tím větší tlak). Rtuťový barometr vynalezl Evangelista Torricelli (1608–1647) v roce 1643.
Dalším přístrojem z přístrojů na měření atmosférického tlaku je tzv. aneroid. Jeho hlavní částí je krabička, ze které je vyčerpán vzduch. Na pružnou zvlněnou stěnu krabičky působí zvnějšku tlaková síla atmosférického vzduchu (proti ní působí tlaková síla stlačené pružiny). Změny atmosférického tlaku způsobují pružnou deformaci pružné stěny, která se přenáší na ručku. Poloha ručky na stupnici určuje atmosférický tlak. Aneroid vynalezl v roce 1843 Lucien Vidie. Původní název barometre anéroide znamená „tlakoměr bez kapaliny“.
Na meteorologických stanicích se atmosférický tlak měří plynule. K automatickému záznamu jeho hodnot se užívá barograf. Jeho princip je podobný jako u aneroidu, jen je v něm použito několika zvlněných plechových krabic nad sebou, aby se dosáhlo většího prohnutí, a tím citlivějšího posunu ručky při změnách tlaku. Grafický záznam stavu atmosférického tlaku se zachycuje na papíře navinutém na válci, který se rovnoměrně otáčí kolem osy jednou za týden. Název barograf souvisí s názvem jednotky bar (b), respektive s jednotkou milibar. Z dnes používaných jednotek této jednotce odpovídá hektopascal (1 mb = 1 hPa = 100 Pa).
Obr. 4 – Barograf je registrační barometr pro záznam časového průběhu atmosférického tlaku.
Předpověď počasí z atmosférického tlaku
Tlak vzduchu má stejně třeba jako teplota svůj denní chod. V dopoledních hodinách tlak vzduchu obvykle slabě stoupá, odpoledne naopak slabě klesá a ve večerních hodinách pak opět stoupá a po půlnoci opět klesá.
- Když je tlak vzduchu nižší, než 1000 hPa očekáváme deštivé počasí. Platí, že čím je nižší tlak, tím bude deštivé počasí stálejší. Ale pozor! V případě, že při nízkém tlaku vzduchu vane východní vítr, pršet nemusí. (platné pro náš region)
- Pokud se tlak vzduchu pohybuje v rozmezí 1000–1020 hPa očekáváme proměnlivé počasí.
- A nakonec, jakmile je tlak vzduchu vyšší než 1020 hPa můžeme většinou očekávat slunečné počasí beze srážek. A to čím vyšší tlak, tím je šance na pěkné počasí vyšší. Ale zde pozor! I při vysokém tlaku může zapršet, například za vlhkého západního větru. (platné pro náš region)
Když tlak vzduchu náhle výrazněji poklesne, je šance na bouřky a na silnější vítr. V případě, že tlak vzduchu rychle kolísá, značí to proměnlivé počasí. Když po celý den tlak vzduchu klesá, ale vlhkost vzduchu se zvyšuje, je velká šance na bouřku.
Výsledky měření tlaku se přepočítávají na nulovou nadmořskou výšku (viz dříve) a zaznamenávají se do meteorologických map. Meteorologové spojují na mapě křivkami místa, kde je v tutéž dobu stejný atmosférický tlak. Tyto křivky se nazývají izobary. Podíváme-li se na povětrnostní mapu se zakreslenými izobarami, můžeme zjistit rozmístění oblastí, na nichž je tlak vzduchu nižší nebo vyšší než v jejich okolí. Těmto oblastem říkáme tlakové níže (neboli cyklóny) a tlakové výše (neboli anticyklóny). Tyto oblasti jsou ohraničeny jednou nebo několika uzavřenými izobarami. V tlakové níži je tlak v uzavřeném prostoru nižší než na poslední uzavřené izobaře. V anticyklóně je tomu naopak.
Obr. 5 – Synoptická mapa se zakreslenými izobarami.
Měření vlhkosti vzduchu
V atmosféře se voda vyskytuje ve všech třech skupenstvích – tedy v plynném, kapalném a pevném. Vlhkost vzduchu je meteorologický prvek popisující množství vodní páry ve vzduchu, která vzniká vypařováním vody z vodních ploch, jako jsou řeky, rybníky, jezera, moře, ale i z půdy a z povrchu rostlin a živočichů.
Absolutní vlhkost vzduchu
Absolutní vlhkost vzduchu se určuje hmotností vodní páry obsažené ve vzduchu o objemu 1 m3. Vzorec připomíná vztah pro hustotu, ale pozor, v čitateli je hmotnost vody, ve jmenovateli objem vzduchu! Absolutní vlhkost se s ohledem na dosahované hodnoty zpravidla uvádí v jednotkách gram na metr krychlový.
Je-li vzduch za dané teploty vodní párou nasycen, má největší možnou vlhkost. Nemůže přijímat další vodní páru. Ochladí-li se vzduch, který je vodní parou nasycen, část vodní páry zkapalní. Zvýší-li se naopak teplota vzduchu, který je vodní parou nasycen, může přijmout další vodní páru. Na vlhkost vzduchu má proto vliv i jeho teplota.
Relativní vlhkost vzduchu
Relativní vlhkost vzduchu slouží pro praktické posouzení vlhkosti vzduchu. Vypočítáme ji, jestliže dělíme absolutní vlhkost vzduchu Φ největší možnou absolutní vlhkostí vzduchu Φm za dané teploty.
Relativní vlhkost se uvádí v procentech. Dokonale suchý vzduch by měl relativní vlhkost 0 %, naopak je-li vzduch vodní parou zcela nasycen, bude mít relativní vlhkost 100 %.
Vypařování vody z pokožky našeho těla je důležitým činitelem pro regulaci teploty lidského těla. Čím větší je relativní vlhkost vzduchu kolem nás, tím hůře a pomaleji se voda z povrchu našeho těla vypařuje a naopak. Vlhkost vzduchu v okolí člověka má proto veliký význam pro jeho pocit pohody a i zdravotní stav. Nejpříznivější relativní vlhkost vzduchu v uzavřené místnosti při teplotě asi 20 °C je 50 %–70 %.
Relativní vlhkost vzduchu se měří vlhkoměry, nebo hygrografy. Poměrně časté pro měření relativní vlhkosti jsou tzv. vlasové vlhkoměry. V tomto typu vlhkoměru je jako měřícího elementu použito svazku lidských vlasů (přírodní blond, bez chemického ošetření, očištěné a zbavené mastnoty). Konce vlasového svazku jsou zachyceny v držácích nosníku, svazek sám pak je rozdělen na několik pramenů, aby bylo umožněno působení vlhkosti. Vlasový svazek je spojen jemným pákovým mechanismem s ručkou, která ukazuje na stupnici relativní vlhkost vzduchu. Zvyšuje-li se vlhkost vzduchu, svazek vlasů se prodlouží a naopak. Změna délky vlasů, činí pro rozsah vlhkosti 0 % až 100 % asi 2,5 % jejich délky.
Obr. 6 – Vlasový vlhkoměr
Rosný bod
Rosný bod (teplota rosného bodu) je teplota, při které je vzduch maximálně nasycen vodními parami (relativní vlhkost vzduchu dosáhne 100 %). Pokud teplota klesne pod tento bod, nastává kondenzace. Teplota rosného bodu je různá pro různé absolutní vlhkosti vzduchu. Čím více je vodní páry ve vzduchu, tím vyšší je teplota rosného bodu, čili tím vyšší teplotu musí vzduch (a pára) mít, aby pára nezkondenzovala. Naopak pokud je ve vzduchu vodní páry jen velmi málo, může být vzduch chladnější, aniž pára zkondenzuje.
Rosný bod lze vypočítat podle následujícího vzorce, ve kterém jsou vstupními hodotami teplota t (dosazeno ve °C ) a relativní vlhkost φ (v %). Vzorec obsahuje empiricky stanovené konstanty (za běžných podmínek je přesnost výsledku do 1 %).
Pro základní odhad je také možné použít následující vzorec, který je ale velmi nepřesný:
Relativní vlhkost vzduchu se měří vlhkoměry, nebo hygrografy. Poměrně časté pro měření relativní vlhkosti jsou tzv. vlasové vlhkoměry. V tomto typu vlhkoměru je jako měřícího elementu použito svazku lidských vlasů (přírodní blond, bez chemického ošetření, očištěné a zbavené mastnoty). Konce vlasového svazku jsou zachyceny v držácích nosníku, svazek sám pak je rozdělen na několik pramenů, aby bylo umožněno působení vlhkosti. Vlasový svazek je spojen jemným pákovým mechanismem s ručkou, která ukazuje na stupnici relativní vlhkost vzduchu. Zvyšuje-li se vlhkost vzduchu, svazek vlasů se prodlouží a naopak. Změna délky vlasů, činí pro rozsah vlhkosti 0 % až 100 % asi 2,5 % jejich délky.
