Termická konvekce: Porovnání verzí
Smazaný obsah Přidaný obsah
Bez shrnutí editace |
Bez shrnutí editace |
||
Řádek 1:
V [[meteorologie | meteorologii]] představuje pojem termické [[konvekce | konvekce]] převážně vertikální pohyby [[vzduch | vzduchu]], vyvolané teplotními rozdíly mezi vzduchovými částicemi a okolní [[atmosféra | atmosférou]]. Jedná se tedy o působení archimédovské vztlakové síly na vzduchové částice, které při zvýšení své [[teplota | teploty]] nad teplotu obklopujícího atmosférického prostředí nabydou nižší hustoty, tj. nižší hmotnosti, a díky tomu začnou samovolně stoupat do výšky. Tyto vertikální výstupné pohyby jsou samovolné — nazývají se '''volná konvekce''', vzduch je vynášen vzhůru jen na základě své vztlakové síly, dané rozdílem [[hustota | hustoty]], resp. teploty, mezi částicí a jejím bezprostředním okolím.<br />
Termická konvekce představuje převážně vertikálně orientované pohyby vzduchových částic v prostředí okolní atmosféry. Stoupavé proudy vystupují do takové výšky, dokud se jejich pohybová energie zcela nevyčerpá na tření, turbulentní výměnu s okolní atmosférou a tepelnou výměnu. Během výstupu dochází k prolínání vzduchu z vnitřní části konvektivních proudů se vzduchem v okolní obklopující atmosféře. <br />
Termickou bublinu si lze představit jako objem vzduchu, připomínající svým tvarem kouli, polštář nebo [[balón | balón]]. Od okolní atmosféry je teplotně oddělena virtuálním tepelně neprostupným povrchem — toto zjednodušení vychází z předpokladu, že během výstupu či sestupu bubliny se nestačí projevit tepelná výměna mezi bublinou a atmosférou, nedochází ani k výměně hmoty vzduchu, a celý proces tak považujeme za adiabatický. [[tlak | Tlak]] vzduchu v bublině a v jejím okolí se rychle vyrovnává a v dané hladině je stejný uvnitř i vně bubliny. Dokonce i za přítomnosti turbulence si bublina může udržovat svoji „identitu“ po dobu své uvažované existence. K termické bublině můžeme přistupovat jako k termodynamické soustavě, kterou lze popsat tlakem, teplotou a směšovacím poměrem. Z těchto veličin je od okolního atmosférického prostředí zřetelně odlišná teplota vzduchu. <br />
Vertikální rozdělení konvektivní směšovací vrstvy na tři podvrstvy [podle Driedonkse a Tennekese] vychází z charakteru interakce stoupavého proudu s jeho okolím: v přízemní vrstvě dochází k přenosu tepelné energie ze zemského povrchu do přiléhajícího vzduchu. Těsně u země je tento přenos zprostředkován molekulární [[difuze | difuzí]], výše potom [[turbulentní výměna | turbulentní výměnou]]. Tepelná energie se v přízemní vrstvě využije k expanzi vzduchových bublin a k uvedení do vertikálního pohybu směrem vzhůru vlivem kladného přebytku tepla vůči okolnímu vzduchu. Nad přízemní vrstvou následuje nejsilnější podvrstva — vrstva směšování. V její spodní části dochází k postupnému zrychlování výstupné rychlosti, jak ukázaly experimenty s měřením pomocí letadel. K uvedení do vertikálního pohybu je žádoucí, i když nikoli nutný, nějaký vnější impuls, například mechanický (závan větru, proudění větru do zužujícího se prostoru, pohyb tělesa po zemském povrchu, turbulence způsobená větrem vanoucím přes překážky). Ve vrcholové části konvektivní vrstvy je zóna vtahování, častěji označovaná anglickým termínem entrainment zone. Její tloušťka se pohybuje mezi 10–60% celé konvektivní vrstvy a je charakteristická turbulentním prolínáním se vzduchem z volné atmosféry, ležícím nad ní — tento vzduch je vlivem turbulence zatahován dolů do [[entrainment zone | entrainment zone]], kde se mísí se vzduchem v konvektivní vrstvě. <br />
V instabilní přízemní vrstvě identifikujeme „malé struktury“, jako vertikálně se pohybující a vztlakující bubliny, čáry konvergence, plošně větší oblasti stoupajícího vzduchu, prachové víry. Ve vyšších partiích směšovací vrstvy pozorujeme termické struktury větších rozměrů, horizontálně rotující víry a konvektivní proudy mezoměřítkových rozměrů. V entrainment zone ve vrcholové části směšovací vrstvy nacházíme přerývanou turbulenci, přesahující termiku, [[Kelvin-Helmholtz Waves | Kelvin-Helmholtzovy vlny]], dynamické vlny na rozhraní dvou odlišných vektorů proudění [anglicky ozn. „gravity waves“] a někdy [[oblačnost | oblačnost]]. Velmi často se celá konvektivní mezní vrstva ztotožňuje se směšovací vrstvou. <br /><br />
Pro '''vyvolání''' výstupného pohybu jsou potřebné určité fyzikální podmínky. Nejdůležitější z nich je získání potřebného přebytku tepelné [[energie | energie]] vzduchové částice, dále vhodný spouštěcí mechanismus termiky, jímž může být například nějaký mechanický impuls ([[turbulence | turbulence]], vynucené zakřivení proudnic [[vítr | větru]], [[orografie | orografie]], [[konfluence | konfluence]], nasouvání chladnějšího vzduchu nad prohřátý terén, atp.).<br />
Pro '''udržení''' výstupného pohybu jsou pak potřeba další podmínky. Zkombinováním [[rovnice hydrostatické rovnováhy | rovnice hydrostatické rovnováhy]] a [[první hlavní věta termodynamická | první hlavní věty termodynamické]] obdržíme vztah, popisující změnu teploty vystupující částice podél vertikály:<br /><br />
Řádek 17 ⟶ 21:
je atmosféra tzv. '''stabilní''' (pro nenasycený vzduch) a případný výstupný pohyb vzduchové částice (který jí byl udělen například nějakým vnějším impulsem, jako je vynucený výstup přes překážku, apod.) brzy zaniká, neboť síla, která na vzduchovou částici působí, směřuje nyní kolmo k zemskému povrchu dolů. V takovémto prostředí termika nevzniká. Velikost této síly je dána vztahem<br /><br />
F=-[(r<sub>p</sub>-r<sub>e</sub>)/r<sub>e</sub>]g = [(T<sub>V</sub>(z)<sub>p</sub>-T<sub>V</sub>(z)<sub>e</sub>)/T<sub>V</sub>(z)<sub>e</sub>]/g [vztah 3]<br /><br />
kde index <sub>p</sub> přiřazuje danou proměnnou vystupující vzduchové částici (z angl. "parcel"), index <sub>e</sub> přiřazuje proměnné atmosférickému okolí (z angl. "environment"), proměnná r je hustota vzduchu, T<sub>V</sub> je [[virtuální teplota | virtuální teplota]], g je tíhové zrychlení, z je výšková souřadnice.<br />▼
▲kde index <sub>p</sub> přiřazuje danou proměnnou vystupující vzduchové částici (z angl. "parcel"), index <sub>e</sub> přiřazuje proměnné atmosférickému okolí (z angl. "environment"), proměnná r je hustota vzduchu, T<sub>V</sub> je [[virtuální teplota | virtuální teplota]], g je tíhové zrychlení, z je výšková souřadnice.
| |||