Cumulonimbus - Bouřkový oblak

Obsah

Cumulonimbus – Bouřkový oblak

1. Úvod…………………………………………………………3
2. Charakteristika a vzhled…………………………………..4
3. Fyzikální složení………………………………………….. 6
4. Vznik……………………………………………………….. 7
5. Struktura bouřkových oblaků……………………………. 9
6. Zvláštnosti cumulonimbu………………………………… 10
7. Jevy související s bouřkovým oblakem………………….12


1. Úvod

V mé středoškolské studii se zabývám bouřkovým oblakem. Chtěla bych ve své práci přiblížit jak vzniká bouřkový oblak, proč vzniká, co způsobuje apod. Na tento druh oblaku se váže mnoho fascinujících jevů, které se vyskytují v atmosféře, proto bych chtěla popsat i jak některé takové jevy vznikají a z jaké příčiny. Doufám, že se mi podaří shrnout fakta o bouřkovém oblaku v jeden srozumitelný celek.


2. Charakteristika a vzhled

Cumulonimbus ( Cb, česky bouřkový oblak, dešťová kupa, lidově bába nebo hrad ) je jeden z deseti druhů oblaků. Pouze z něj vznikají bouřky, ne ale každý k ní musí vést. Cb je mohutný a hustý bouřkový tvořen několika buňkami, řidčeji jednou buňkou. Cumulonimby se mohou vyskytovat buď osaoblak velmi značného vertikálního rozsahu v podobě hor nebo obrovských věží, obvykle je v souvislé řadě, která pak vyhlíží jako mohutná zeď. Nachází-li se bouřkový oblak nad pozorovatelem, jsou horní části oblaku zakryty jeho rozlehlou základnou nebo nízkými roztrhanými oblaky. Horizontální i vertikální rozměry cumulonimbu jsou tak velké, že charakteristický tvar cumulonimbu jako celku lze spatřit jen na značnou vzdálenost. Objem oblaku bývá desítky a velice často stovky krychlových kilometrů. Cumulonimbus je složen z vodních kapiček, přechlazených vodních kapiček a ledových krystalků. Alespoň část jeholu je obvykle hladká nebo vláknitá či žebrovitá a téměř vždy zploštělá. Tato část se rozšiřuje do podoby kovadliny nebo širokého chocholu ( v počátečním stadiu mají tvar květáku, později ve tvaru kovadliny vlivem zamrzání kapiček vody ve vysokých výškách). Cumulonimbus má základnu v nízkém patře, svým vrcholem zasahuje do vysokého patra oblaků a často také nad hladinu konce troposféry ( troposféra je nejnižší a rovněž nejhustší vrstva atmosféry, kde se nejvíc ovlivňuje počasí ). Nad naším územím dosahuje tento oblak nejčastěji výšek 7-9 km, největší výška oblaku na našem území dosáhla až 16 km. V tropických oblastech mají tyto oblaky značně větší vertikální rozsah, a to až do výšek 20 km, proto jsou tam bouřkové lijáky mnohem prudší než v mírných zeměpisných šířkách. Spodní základna cumulonimbu, která je obvykle velmi tmavá, leží ve výšce 1-2 km nad terénem. Pod základnou oblaku se často vyskytují nízké roztrhané oblaky, které mohou, ale nemusí s cumulonimbem souviset, a dále srážky. V zimě není bouřkový oblak tak mohutný, častěji se vyskytuje v létě ve studených frontách. Cb působí často ponurým, hrozivým a strach vzbuzujícím dojmem, zvláště když je spojen se silným hřměním, blesky a intenzivními srážkami. Intenzita srážek může být při bouřkové přeháňce velice intenzívní, může dosáhnout intenzity průtrže mračen, která je vázána pouze na tento typ oblačnosti. Také krupobití se vyskytuje u této oblačnosti. Dalším projevem silných bouřek nebo oblačnosti cumulonimbu je nárazovitý vítr, který může dosáhnout obrovských rychlostí (např. vichřice) a způsobit veliké škody ve spojení se silnými přeháňkami a jinými projevy. Výstupné proudy v Cb, které dosahují rychlostí až několika desítek km/h, intenzívní turbulence, námraza, elektrické výboje a kroupy často velkých rozměrů představují značné nebezpečí pro letecký provoz, ale i pro majetek i životy lidí venku. Cumulonimby se také vyskytují v tropických cyklónách, hurikánech, blizzardech apod.


3. Fyzikální složení

Bouřkové oblaky se skládají jednak z vodních kapiček, jednak, zejména v horních částech, kde teploty klesají i pod -50 °C, z ledových krystalů. Kapičky vody a krystalky ledu odrážejí, rozptylují a propouštějí světlo, čímž se oblak ( který může obsahovat i částice kouře a prachu ) stává pozorovatelným. Obsahují však také velké dešťové kapky a často i sněhové vločky, sněhové krupky, zmrzlý déšť nebo krupky či kroupy. Vodní kapičky a dešťové kapky mohou být silně přechlazené. Vodní kapičky se rychle vypařují, ale jsou ihned nahrazeny novými. Objem oblaku bývá desítky a velice často stovky krychlových kilometrů. Pro elektrickou strukturu oblaku Cb je charakteristické, že se centrum záporného náboje soustřeďuje v dolní části oblaku a v horní části je naopak kladný náboj. Kromě těchto dvou hlavních center se v základně bouřkového mraku pozoruje i podstatně menší podružné centrum, které je prostorově i časově vázáno na vypadávání srážek a vytváří se pravděpodobně jen tehdy, existují-li v základně cumulonimbu kladné teploty. Celkové elektrické pole v okolí cumulonimbu je vytvářeno nejen centry elektrického náboje uvnitř oblaku, ale i náboji jimi indukovanými na zemském povrchu. V oblaku typu Cb působí velké proudění vzduchu-stoupavý (vzestupný) proud a sestupný proud. Vzduch v horních částech oblaku se vlivem výšek ochlazuje. Protože je v mraku proudění více, může se stát, že i třeba kroupa, která padá dolů je sebrána "stoupákem", který ji vynese znovu nahoru. Tam na kroupu namrzá další sníh nebo led, a tak vzniká vícevrstvá kroupa. Bouřkový oblak je oblakem, který v sobě soustřeďuje ohromné množství energie. Tato energie pochází hlavně z kondenzace vodní páry, přičemž se uvolňuje latentní (utajené) teplo, a z výstupných proudů. Vrchní části tohoto oblaku se projevují velice nízkými teplotami, které můžou při protržení troposféry klesnout v ojedinělých případech až k neuvěřitelným -80°C.


4. Vznik

Podstata vzniku oblaků spočívá v ochlazení vzduchu v určité výšce nad zemským povrchem do té míry, že v něm obsažená vodní pára se stane nasycenou, dojde k její kondenzaci a k vytvoření velikého počtu drobných oblačných kapiček. Bouřkový oblak je smíšeným oblakem, který vzniká nejčastěji na studených frontách, podstatně méně často i na teplých frontách ( tzv. noční bouřky ), popř. transformací z oblaků jiných druhů. Pro vznik bouřkového oblaku je nutné splnění několika podmínek.
První podmínka: Předpokládejme, že při zemském povrchu je teplota 30 °C a že při vzrůstu výšky klesá o 1,4 °C na každých 100 metrů. Meteorologové nazývají tento pokles teploty s výškou vertikální teplotní gradient, který bývá označován g. Dále předpokládejme, že teplota vystupujícího vzduchu klesá pomaleji, například o 1 °C. V určité výšce nad zemí (dejme tomu 500 m), je teplota vystupujícího vzduchu stejná, jako teplota okolního vzduchu. Pokud bude na hladině ve výšce 500m udělen vystupujícímu vzduchu vnější impuls, vzduch začne stoupat nebo klesat. Ve výšce například 600 m je teplota okolního vzduchu 21,6 °C, kdežto teplota vystupujícího vzduchu je 22,0 °C. Vystupující vzduch je tedy teplejší. Z fyzikálních zákonů plyne, že teplejší vzduch se rozpíná, má tedy větší objem a stoupá vzhůru. Podobně je tomu na hladině 700 metrů, kde je rozdíl mezi okolním vzduchem a vystupujícím vzduchem ještě vyšší. Z toho plyne, že čím výše se dostává vystupující vzduch, tím více se ochlazuje. Tímto rozdílem rychlosti poklesu teploty s výškou u okolního a vystupujícího vzduchu je tedy zajištěna první podmínka pro vznik bouřkového oblaku - tedy vzestupné proudy.
Druhá podmínka : Další podmínkou je dostatečná vlhkost vzduchu. Jak už bylo zmíněno, vzduch se většinou s rostoucí výškou ochlazuje. Maximální obsah vodní páry přímo závisí na teplotě vzduchu. Maximální obsah vodní páry v chladném vzduchu je nižší než ve vzduchu teplém. Dojde-li k překročení maximálního obsahu páry, začne tato pára kondenzovat a vytvářet oblak. Teplota, při které dochází ke kondenzaci se nazývá rosný bod. Dosáhne-li tedy teplota vystupujícího vzduchu v určité výšce (tzv. kondenzační hladině) teploty rosného bodu, začne kondenzovat. Produktem kondenzace jsou drobné vodní kapky, které jsou na rozdíl od vodní páry viditelné. Jakmile tedy dosáhne vystupující vzduch kondenzační hladiny, začne docházet k tvorbě oblaku. Výška, ve které se nachází kondenzační hladina je různá a závisí mimo jiné na vlhkosti vzduchu - čím je vzduch vlhčí, tím leží kondenzační hladina níž a naopak.
Uvedeným procesem vznikají tzv. konvektivní oblaky, které se nazývají Cumulus - Cu. To, že na obloze pozorujeme tyto oblaky, však ještě neznamená, že se začne vyvíjet bouřka. K tomu je nutné, aby vývoj těchto oblaků pokračoval dále do výšky. Podle různého stupně vývoje oblaků Cumulus je rozdělujeme na tři druhy - Cumulus humilis neboli oblaka bez vertikálního vývoje, Cumulus mediocris (oblaka s mírným vertikálním vývojem) a Cumulus congestus čili oblaka s velkým vertikálním vývojem. Teprve poslední typ (Cu congestus) už přímo předchází vývoji bouřky, ale v žádném případě to neznamená, že z toho oblaku musí bouřka nutně vzniknout. Jakmile začne rychlý vývoj tohoto oblaku směrem do výšky, mění se tento oblak na Cumulonimbus.


5. Struktura bouřkových oblaků

Bouřkový oblak se skládá z několika jednotek, tzv. bouřkových buněk, z nichž každá postupně prochází třemi vývojovými stadii:
1. Stadium kumulu
Buňka je tvořena vzestupným proudem relativně teplého vzduchu, v němž nad kondenzační hladinou dochází ke vzniku oblačných kapiček, popř. i ledových částic.
2. Stadium zralosti
Vzestupný proud teplého vzduchu stále existuje, ale je lokalizován na přední stranu buňky. V její týlové části se vytváří sestupný proud velmi studeného vzduchu, kterému odnímají teplo padající srážky. V oblasti sestupného proudu dochází k nejintenzivnějšímu vypadávání srážek a v tomto vývojovém stadiu se rovněž objevují i blesky. Sestupný proud vzniká působením tíže vody nahromaděné v horních částech oblaku a rozložením fyzikálních sil na čelní a týlové straně buňky. V oblasti oblačné základny je rychlost postupu buňky větší než rychlost proudění v okolním vzduchu, čímž na čelní straně vzniká přetlak a na týlní straně zase podtlak. Naproti tomu v horních partiích oblaku je rychlost proudění v okolním vzduchu větší než rychlost proudění u buňky, takže na čelní straně buňky vzniká podtlak a na týlní zas přetlak. Toto rozložení přetlaků a podtlaků vytváří na čelní straně buňky příznivé podmínky pro rozvoj vzestupných proudů, zatímco na týlní straně podporuje sestupné proudy. V případě zesílení proudění okolního vzduchu, bývají oblačné částice vynášeny daleko před vlastní oblak, který tak dostává charakteristický vzhled kovadliny.
3. Stadium rozpadu
Vzestupný proud slábne a postupně zaniká. Studené sestupné proudy vzduchu zachvacují celou buňku a způsobí její rozpad.
Jednotlivé buňky tvořící ve svém souhrnu bouřku, bývají v daném okamžiku v různých vývojových stádiích, vzájemně se střídají v projevech bouřkové aktivity a udržují ji tak i po relativně dlouhou dobu ( až několik hodin ).


6. Zvláštnosti bouřkového oblaku

• Mamma
Velice fotogenicky vypadá zvláštnost bouřkového oblaku, která se nazývá mamma. Má tvar malých kopulí (někdy se jim říká andělské prdelky) visích dolů z kovadliny bouřkového oblaku. Většinou se vytváří na zadní části bouřky a to zejména u silných bouřek. To však neznamená, že se mamma nemůže vyskytnout i bouřky slabší. Každá kopulka je tvořena jedním sestupným proudem, takže mamma někdy poskytnout úchvatnou podívanou.

• Húlava
Na čele bouřky se projevují sestupné proudy, a proto zde většinou zaznamenáme nárazové větry. Vizuálně má toto čelo nazývané húlava nebo anglicky gust front mnohdy dramatický vzhled často připomínající již zmíněnou zvláštnost mamma. Podle zvrásněného hrozivého vzhledu se často používá označení whales mouth, což v češtině znamená velrybí tlama.

• Arcus
S húlavou se často vyskytuje i oblak zvaný Cumulonimbus arcus. Tento oblak má dvě různé podoby nazývané shelf cloud a roll cloud. Zatímco shelf cloud je vždy spojený s mateřským oblakem (cumulonimbem), roll cloud s ním spojený není. Nalézají se většinou na čele postupující bouřky a vypadají jako dlouhý pás oblačnosti. Oproti kumulonimbu mají světlejší barvu, většinou šedavě bílou. Oba dva oblaky vznikají na rozhraní vstupu teplého vzduchu do bouřkového oblaku a oblasti, kde se nachází studený vzduch vytékající z bouřky. Na své spodní straně mívají často výběžky.

• Pileus
Slovo pileus znamená něco jako čapka a skutečně tento oblak, který se nachází nad horní částí cumulonimbu, jako jakási čepička vypadá. Od cumulonimbu je zpočátku oddělena, ale postupně s ním může splynout. Má mlhavý vzhled.

• Tuba
Slovem tuba se označuje zvláštnost cumulonimbu, která má tvar rotující nálevky rostoucí směrem k zemi a dost často bývá spojena se vznikem tornáda. U nás se tato zvláštnost vyskytuje velmi zřídkavě.


7. Jevy související s cumulonimbem

• Atmosférické fronty
Atmosférické fronty jsou rozhraní mezi dvěma vzduchovými hmotami vzájemně se lišícími svými fyzikálními vlastnostmi, zejména teplotou. Fronty rozdělujeme na studené a teplé.

• Studená fronta
Studená fronta je přechodné pásmo mezi ustupujícím teplým vzduchem a pronikajícím relativně studeným vzduchem. Postupuje za teplou frontou a uzavírá teplý sektor tlakové níže. Studené fronty se rozdělují na fronty 1. a 2. druhu. Na frontě 2. druhu vzniká oblak cumulonimbus. Fronty 2. druhu jsou četnější než fronty 1. druhu a narozdíl od nich mají také užší srážkové pásmo. Blížící se studená fronta se projevuje vytvářením vysoké hradby kupovitých oblaků a vítr se přechodně utišuje.

• Bouřka
Bouřka je soubor elektrických, optických a akustických jevů mezi oblaky Cumulonimbu navzájem nebo mezi těmito oblaky a zemí. Bouřky rozlišujeme na bouřky frontální a tzv. bouřky z tepla. Frontální bouřky pozorujeme převážně na studených frontách, které rychle postupují a na jejichž čele je podporován prudký výstupný pohyb teplého vzduchu do výšky. To umožňuje vzniknout mohutné hradbě bouřkových oblaků. Bouřky z tepla na rozdíl od frontálních bouřek můžeme pozorovat už daleko dopředu. Bouřky z tepla jsou typické pro letní měsíce. Čím je terén kopcovitější a členitější, tím je větší pravděpodobnost vzniku bouřkových oblaků.

• Blesk
Bouřkový oblak v sobě může akumulovat značné množství elektrické energie a jistě každý už se setkal s projevem výboje této energie - bleskem. Na odpověď, kde se tato energie v mraku bere, je více teorií, které se snaží co nejvěrněji jev nabíjení bouřkového oblaku popsat. Jedna z nejpravděpodobnějších teorií je, že na nabíjení oblaku mají hlavní vliv výstupné proudy, které unášejí vodní páru. Ta ve vyšších hladinách kondenzuje na vodní kapky, které se díky proudění elektrizují (třením). Další faktor, který spolupůsobí, je pak gravitace, která rozděluje díky odlišné hmotnosti kapky do různých částí bouřkového mraku. Tak se postupně utvoří v horní části bouřkového oblaku centrum kladného náboje a v dolní části centrum záporného náboje (díky elektrostatické indukci). V pokročilém stadiu vývoje bouřky se pak v oblasti vypadávání srážek utváří ještě podružné centrum kladného náboje. A je-li rozdíl napětí mezi různými částmi oblaku dostatečně velký, dochází k jiskrovému výboji. Nejdříve se vytvoří ionizovaný kanál horkého vzduchu, zvaný leader, jenž vnímáme jako blýsknutí. V něm potom na okamžik protéká elektrický proud. Leader se často nepohybuje rovnoměrně, ale po určitých časových skocích. Průměr kanálu je několik centimetrů. Teplota vzduchu v kanálu dosahuje asi 25 tisíc stupňů Celsia. V zásadě lze rozlišovat vnitřní blesky uvnitř bouřkového oblaku, tj. výboje mezi horním kladným a dolním záporným centrem elektrického náboje, popř. výboje mezi těmito centry dvou různých vzájemně blízkých oblaků, a tzv. blesky do země, které jsou pozorovatelné mezi dolním záporným centrem a zemským povrchem.

• Vítr
Vítr je horizontální složka proudění. Vzniká mezi dvěma místy s odlišným tlakem vzduchu, je tedy v úzkém vztahu k jeho rozdělení. Částice vzduchu jsou uváděny do pohybu silou tlakového spádu ( gradientu ) ve směru vyššího tlaku k tlaku nižšímu. Vítr je silnější, když je tlakový spád větší. Při bouřkách převyšuje rychlost větru někdy i 100 km/h.

• Srážky
S cumulonimbem souvisí nejčastěji padající srážky, mezi které patří déšt, sníh, sněhové krupky , kroupy a sněhové jehličky. Cumulonimbus doprovází srážky s krátkým trváním, s náhlým začátkem i koncem a častým kolísáním intenzity. Srážky vznikají kondenzací ( srážení, zkapalnování ) nebo sublimací ( děj, při němž se mění pevná látka na plyn, aniž by prošla kapalnou fází ) vodní páry v ovzduší.

• Tornáda
Tornádo je pozemní větrný vír s přibližně vertikální osou otáčení a otáčí se proti směru hodinových ručiček. Tornádo vzniká tak, že se u bouřkového mraku vytvoří výčnělek rychle se pohybující směrem dolů a nabývající tvaru trychtýře, dotýkajícího se nakonec svým vrcholem až zemského povrchu. Putující tornádo se zdálky podobá přesýpacím hodinám s jejich oběma miskami a tlustým spojovacím krkem. Předpokládá se, že ke svému vzniku potřebují silné přehřátí dolních vrstev vzduchu. Vznikají ve spojení s výraznou bouřkovou oblačností a na rozhraní mezi teplými a studenými vzduchovými hmotami, většinou již před samotnou studenou frontou. Proto se také předpokládá, že zdrojem velmi silného labilního zvrstvení ovzduší je pronikání studeného vzduchu ve výšce, kam se dostává přehřátý vzduch zdola. Úplně však vysvětlit vznik tornád se nepodařilo.

• Tromba
Tromba je často velmi prudký vzdušný vír s přibližně svislou osou otáčení projevující se oblačným sloupem nebo oblačným kuželem nálevkovitého tvaru. Tento sloup vychází ze základny bouřkového oblaku a obvykle končí až u zemského povrchu typickým keřovitým útvarem, složeným buď z vodních kapiček, zdvižených větrem z mořské hladiny, nebo z prachových částic, zdvižených ze suchého povrchu. Zvláštností tromby je, že nevzniká na zemském povrchu, ale že počáteční vířívé stadium je nejdříve patrné v nižší hladině oblaků. Teprve oblačný výčnělek vysunující se dolů k zemi prozrazuje, že vířívý pohyb proniká stále hlouběji do spodních vrtsev ovzduší, až se konečně vysune útvar podobný hadici nebo úzkému chobotu, který dosahuje až k zemi. Rozměry tromby jsou narozdíl od tornáda celkem malé ( průměr je 100 až 200m ) a ani vítr tam nedosahuje takové hranice jako v tornádu. Její životnost je též dost krátká - 10 až 30 minut.