Amatérská prohlídka oblohy - Konvergence vertikálního toku dlouhovlnné radiace v blízkosti zemského povrchu

To, že konvergence vertikálního toku dlouhovlnné radiace v blízkosti zemského povrchu bývá do značné míry kompenzována devergencí vertikálního turbulentního toku tepla, ví dnes snad už každé malé dítě. Ovšem víte, jak výrazně se tato skutečnost podílí na vzniku turbulentního proudění v přízemní vrstvě atmosféry?

Podle závěrů, k nimž dospěl např. G.D.Robinson, dochází za jasných dnů během poledních hodin v nejnižších vrstvách atmosféry (orientačně do výše asi 30 m nad zemským povrchem) k silnému radiačnímu ohřívání vzduchu způsobenému konvergencí vertikálního toku dlouhovlnné (tepelné) radiace. Protože však v téže době jsou celkové časové změny teploty vzduchu v přízemní vrstvě podstatně menší než odpovídá tomuto radiačnímu ohřívání, musí zde existovat tzv. kompenzující divergence vertikálního turbulentního toku tepla.

Radiační změny teploty lze popsat prostřednictvím formální analogie přenosu záření s molekulárním nebo turbulentním transportem tepla. Šíření dlouhovlnné radiace v přízemní vrstvě je ovlivňováno vertikálním profilem teploty a vlhkosti vzduchu, avšak z těchto dvou faktorů má prvý větší význam a vertikální tok dlouhovlnné radiace můžeme považovat za zhruba úměrný vertikálnímu gradientu teploty vzduchu.

V případě konvergence radiačního toku, která působí ohřívání vzduchu, vertikální profil teploty vzduchu musí mít takový charakter, jehož několik příkladů vidíme na obr. 1 (nahoře) znázorněno čarami 1 – 4, zatímco čerchovaná čára reprezentuje indiferentní teplotní zvrstvení. Ve zmíněném případu poledních hodin za jasných dnů zpravidla v přízemní vrstvě existuje výrazná instabilita a pokles teploty s výškou se zpomaluje s rostoucí vertikální souřadnicí. Této situaci odpovídají na obr. 1 (nahoře) čáry 3 a 4. Při ochlazování vzduchu následkem divergence vertikálního toku dlouhovlnné radiace jsou pak odpovídající tvary vertikálního profilu teploty znázorněny křivkami 1- 4 na obr. 1 (dole). Čáry 3 a 4 na obr. 1 (dole) charakterizující typický vertikální profil teploty vzduchu za jasných klidných nocí, kdy se vytvářejí přízemní teplotní inverze a vzrůst teploty s výškou je největší v bezprostřední blízkosti zemského povrchu. Je zřejmé, že v případě lineární závislosti teploty vzduchu na vertikální souřadnici z se parciální změna teploty s výškou rovná nule a vertikální přenos dlouhovlnné radiace nepůsobí (v rámci naší poněkud zjednodušené teorie) ani oteplování, ani ochlazování vzduchu.

Obrázek 1: Vertikální profil teploty: a) při konvergenci vertikálního toku dlouhovlnné radiace (nahoře), b) při divergenci vertikálního toku dlouhovlnné radiace (dole)

Uvedli jsme již, že vliv konvergence vertikálního toku dlouhovlnné radiace v blízkosti zemského povrchu bývá do značné míry kompenzován divergencí vertikálního turbulentního toku tepla. Při výrazné termální instabilitě v přízemní vrstvě, což je stav typický zejména v poledních hodinách za jasných dnů, se vyskytuje silný turbulentní tok tepla směřující od zemského povrchu vzhůru, který ochlazuje zem a vzduch ležící bezprostředně nad ní, ale ve vyšších hladinách se projevuje oteplováním. Rozhraní mezi turbulentním ochlazováním (divergence vertikálního turbulentního toku tepla) a oteplováním (konvergence téhož toku) se orientačně nalézá ve výši kolem 30 m nad zemským povrchem, přičemž tato výška vykazuje určitý denní chod (maximum v době největšího zahřívání zemského povrchu slunečním zářením v poledních hodinách).

Má-li za situací, kdy v blízkosti zemského povrchu existuje konvergence vertikálního toku dlouhovlnné radiace (polední hodiny jasných dnů), vzniknout turbulentní ochlazování kompenzující radiační ohřívání vzduchu, musí být splněno několik podmínek (které zde pro jejich matematickou náročnost raději neuvádíme). Z toho jednoznačně ovšem vyplývá, že výrazný růst koeficientu turbulentní difúze s výškou v přízemní vrstvě hraje podstatnou roli v tepelném režimu této vrstvy vytvářeném kombinací turbulentních a radiačních dějů, což je velmi podstatné zjištění pro předpověď výskytu případných turbulentních dějů uplatňujících se při výměně vzduchových hmot, přenosu tepla a rozptylu nežádoucích polutantů.

Poznámka autora:
Pokud jste náhodou tomuto článku nerozuměli, nedávejte to za vinu fyzikálním meteorologům a už vůbec je nečastujte nadávkami! Chybu hledejte ve vlastní neznalosti základních postulátů fyziky atmosféry, která se učí už na základní škole! :-)

Zdroj: Jan Bednář: Fyzika mezní vrstvy atmosféry, Academia, 1985


© APO 2002-2008, veškeré materiály lze přebírat pouze se svolením autora a uvedením patřičné citace. Děkujeme. Tyto stránky provozuje občanské sdružení Amatérská prohlídka oblohy.