LETECK METEOROLGIA Letn semester 2018 19 tudijn pln

LETECKÁ METEOROLÓGIA Letný semester 2018 / 19

Študijný plán • Celkom 11 prednášok á 2 hodiny • Klasifikovaný zápočet 51 % zo 100 % • Zápočtový test v 12 týždni, opravný v 13 týždni

Doporučené zdroje • Bednařík: Meteorologie • Lexmann: Učebnica pre športového pilota • http: //web. tuke. sk/lf-klp • www. shmu. sk • V priebehu semestra možné konzultácie po dohovore na 055 602 6165 • https: //www. aviationexam. com/

Oporné inštrukcie • Fyzika – Newtonove zákony – Termodynamika - Stavová rovnica, Charlesov zákon, 1. veta termodynamická – Archimedov zákon • Chémia – Miešanie zmesí plynov – Daltonov zákon – Prechody skupenstva – odparovanie, kondenzácia, mrznutie, tavenie, sublimácia, depozícia

Základy fyziky atmosféry • Atmosféra, jej zloženie výškové rozčlenenie • Fyzikálny stav atmosféry, meteorologické prvky a javy • Telpota, tlak, hustota vzduchu a ich zmeny • Vlhkosť vzduchu, oblačnosť, zrážky • Dohľadnosť, vietor, slnečný svit

Meteorológia • Geofyzikálna veda o atmosfére • Skúma fyzikálne javy a procesy v atmosfére a jej interakciu so zemským povrchom a kozmickým priestorom • Významne ovplyvňuje letectvo v kladnom aj zápornom smere

Meteorológia • • Meteorologické prvky Meteorologické javy Počasie Podnebie Fyzika atmosféry Synoptická meteorológia Družicová a radarová meteorológia

Meteorologické prvky • • Teplota vzduchu Tlak vzduchu Vlhkosť vzduchu Oblačnosť (množstvo, výška a tvar) Zrážky a snehová pokrývka (množstvo) Vietor Dohľadnosť Slnečný svit

Meteorologické javy • Hydrometeory (druh napr. dážď, mrholenie, hmla) • Litometeory (dymno, smog) • Fotometeory (dúha, halo) • Elektrometeory (blesky, aurora borealis, Eliášov oheň) • Zmiešané (búrka s bleskami a ľadovcom)

Atmosféra • • • Zloženie atmosféry Vertikálne členenie atmosféry Teplota Barometrický tlak MSA podla ICAO Meranie výšky

Zloženie atmosféry

Vertikálne členenie atmosféry

Vrstvy atmosféry

Delenie atmosféry: • • • Tróposféra 0 – 11 km Stratosféra 11 – 35 km Mezosféra 35 – 80 km Termosféra 80 – 800 km Exosféra nad 800 km

Perleťový oblak

Svetielkujúce oblaky nad Martinom

Ďalšie delenia atmosféry Podľa chemického zloženia Podľa koncentrácie iónov • Homosféra – Cca do 100 km • Heterosféra - difúzna rovnováha - rastie podiel vodíku • Ionosféra – D – 50 -65 km – E – 80 -100 km – F 1 - 200 km deň – F 2 – 200 -225 v zime - 300 -400 v lete • Neutrosféra Podľa pôsobenia zemského povrchu • Vrstva trenia – prízemná medzná vrstva do 100 m – medzná vrstva do 1, 5 km • Voľná atmosféra – nad 1, 5 km

Teplota atmosféry • Krivka zvrstvenia – vertikálny teplotný gradient, izotermia, inverzia • Prenos tepla – – – molekulárna vodivosť termická konvekcia mechanická turbulencia rádiacia kondenzácia vodnej pary, latentné teplo • Časové zmeny teploty – denný chod, ročný chod, teploty vzduchu a povrchu

Energetická bilancia

Priebeh teploty s výškou •

Krivka zvrstvenia a rosný bod

Barometrický tlak - definícia Tlak – sila na plochu Tlak vzduchu je daný tiažou stĺpca vzduchu nad plochou.

Barometrický tlak • Jednotky tlaku – h. Pa, mbar, torr, in. Hg – At = 1013, 25 h. Pa = 1013, 25 m. Bar = 760 Torr = 29, 92 in. Hg • Tlakové útvary – cyklona, anticyklona, brázda, hrebeň, sedlo • Vertikálny tlakový gradient – barometrický stupeň • Hustota vzduchu – Laplaceov úplný barometrický vzorec

Barický stupeň • obrátená hodnota vertikálneho barického gradientu. Je to teda zmena výšky potrebá na pokles tlaku o jeden stupeň • V malých výškach približne 8 m na 1 h. Pa • Tlak vzduchu s výškou exponenciálne klesá, na rozdiel od kvapalín kde je pokles lineárny. Je to spôsobené stlačiteľnosťou vzduchu.

Tlakové útvary

Meranie výšky - Barometrická metóda - najpoužívanejšia - Rádiovýškomery – ak je ním lietadlo vybavené - GPS skôr pre športové účely

Meranie výšky • • • Tlak QFF (reálna výška nad morom) Tlak QNH (MSL) Výška QNE, FL (1013, 25 h. Pa) Tlak QFE (nad letiskom) Teplotná oprava výškomeru

Porovnanie merania výšky barometrickou metódou a GPS

Meranie barometrickou metódou • Tlak s výškou klesá

Laplaceova zjednodušená formula •

HUSTOTA VZDUCHU Pomer hmoty a objemu vzduchu

Hustota vzduchu • Závisí na zložení vzduchu a na jeho teplote a tlaku • Hmotnosť atmosféry je 5, 27 x 1015 ton • Približne 1 milióntina hmotnosti Zeme • 50% hmotnosti je do výšky 5, 5 km • 90% do výšky 16 km • 99% do 36 km

Hustota vzduchu • • p=ρ*R*T Stavová rovnica Suchý vzduch Vodná para je ľahšia v pomere 0, 622: 1 Virtuálna teplota Tv je teplota suchého vzduchu s rovnakou hustotou akú má daný objem vlhkého vzduchu o teplote T Tv=T*(1+0, 378*e/p) • Tv › T

Zmena hustoty s výškou •

Hustota vzduchu • Barický stupeň je zmena výšky potrebná na jednotkovú zmenu tlaku (m/h. Pa) • V malej výške 8 m/h. Pa • Vertikálny barický gradient je prevrátenou hodnotou barického stupňa • Pomerná (relatívna) hustota (Δ) je podiel hustoty vo výške h a hustoty na hladine mora za inak rovnakých podmienok

Štandardná atmosféra ICAO • Len suchý vzduch rovnakého zloženia ako pri zemskom povrchu • Za nulovú výšku sa považuje stredná morská hladina (MSL) • Na úrovni MSL je tlak 1013, 25 h. Pa, teplota 15°C, hustota 1, 2257 kg/m 3, teplota mrznutia vody 273, 15 K • Troposféra siaha do výšky 11 000 m, ƴ = 0, 65 °C/100 m, potom izotermia -56, 5 °C

MSA

Využitie ISA • Porovnávanie a integrácia meteorologických pozorovaní • Porovnanie meracích prístrojov • Kalibrovanie letových prístrojov • Porovnanie letových výkonov • Modelovanie atmosférických dejov

Daltonov zákon •

Definícia • Vlhkosť vzduchu nám udáva množstvo vodnej pary obsiahnuté v atmosfére. Vlhkosť nie je viditeľná voľným okom, ale vieme ju vnímať nepriamo inými zmyslami • Vlhký vzduch je zmesou suchého vzduchu a vodných pár

Parametre vlhkosti • • • tlak vodných pár merná alebo špecifická vlhkosť absolútna a relatívna vlkosť zmiešavací pomer, sýtostný doplnok rosný bod a deficit rosného bodu

Stavové zmeny skupenstva vody

Stavové zmeny vody • Zdroje vlhkosti v atmosfére – Vyparovanie z morí a oceánov – Vyparovanie z pevniny a rastlinstva – Vyparovanie zo zrážok – Sublimácia zo snehu a ľadu – Ostatné umelé vplyvy (vodopády, chladiace veže jadrových elektrární, zavlažovanie)

Parametre vlhkosti vzduchu • Napätie vodných pár (tlak pár) – parciálny tlak e (h. Pa) pri danej teplote • Tlak nasýtených pár – parciálny tlak E (h. Pa) pri danej teplote keď je odpar v rovnováhe s kondenzáciou - nasýtenie • Eľadu < Eprechladenej vody • Sýtostný doplnok d = E – e (h. Pa)

Parametre vlhkosti vzduchu • Absolútna vlhkosť vzduchu a (g/m 3) udáva množstvo vodnej pary v jednotkovom objeme vzduchu • Maximálna absolútna vlhkosť A (g/m 3) je množstvo vodnej pary v jednotkovom objeme vzduchu pri nasýtenom stave – Ťažko sa meria, výrazne sa mení nielen s teplotou ale aj s tlakom (objem)

Parametre vlhkosti vzduchu • Merná (špecifická) vlhkosť r (g/kg=1) udáva množstvo vodnej pary v jednotkovej hmotnosti vlhkého vzduchu – Používa sa pri aerológii, pretože umožňuje porovnávať vlhkosti v rôznych výškach a pri rôznych teplotách • Zmiešavací pomer w (g/kg=1) udáva pomer hmotnosti vodnej pary v danom objeme k hmotnosti suchého vzduchu v tom istom objeme. Platí že r ≈ w

Parametre vlhkosti vzduchu • Relatívna vlhkosť f , RH(%) udáva pomer medzi aktuálnym a maximálnym možným nasýtením vzduchu pri danej teplote f = e/E = a/A = r/R = w/W • Rosný bod Td, DPT(°C) je teplota pri ktorej sa daný vzduch stane pri stálom tlaku nasýtený. Ochladením na Td začína kondenzácia, f = 100% • Deficit rosného bodu D, DPD (°C) je rozdiel aktuálnej teploty a rosného bodu, ako ďaleko má suchý vzduch do nasýtenia

Množstvo vodnej pary Vplyv teploty na vlhkosť krivka stavu nasýtenia nasýtený stav Sýtostný doplnok Prebytok na skondenzovanie Aktuálna vlhkosť nenasýtený stav t 3 t 1 t 2 t (°C)

Meranie vlhkosti • Hygrometer – Vlasový, blanový, polymerový – Využíva zmeny dĺžky nasiakavých materiálov podľa absorbovanej vlhkosti – Meria relatívnu vlhkosť • Psychrometer (Augustov, Assmanov) – Dva teplomery, jeden v suchu, druhý vo vlhkej (destilovaná voda) pančuške, obidva ventilované – Rozdiel tzv. suchej a mokrej teploty udáva intenzitu odparovania a tým vlhkosť vzduchu (z tabuliek)

Augustov psychrometer

Digitálne senzory •

Digitálne senzory Senzor PT 100 bez krytu a s radiačným štítkom

Denný a ročný chod vlhkosti • Absolútna vlhkosť – Jednoduchý denný chod – maximum vo dne, minimum v noci. Tzv. zimný typ, možný tam kde je dostatok vlahy na vyparovanie (more, snehová pokrývka) – Dvojitý denný chod – dve maximá ( 09: 00, 20: 00) a dve minimá (06: 00, 15: 00). Tzv. letný pevninový typ, dočasný nedostatok vlahy na odpar – Ročný chod absolútnej vlhkosti sleduje chod teploty • Relatívna vlhkosť – je takmer presne v protifáze denného a ročného chodu teploty

Zrážky • Zrážky sú častice, ktoré vznikli kondenzáciou alebo depozíciou vodnej pary v ovzduší. Vyskytujú sa v atmosfére, na povrchu zeme alebo na predmetoch v kvapalnom alebo pevnom skupenstve. Radíme ich medzi hydrometeory.

Zrážky • Vypadávajú z oblakov so zmiešanou štruktúrou – kvapôčky a ľadové kryštálky – koloidne nestabilný mrak • Podmienkou vypadávania zrážok je aby mrak dosiahol hladinu tvorby ľadových kryštálov t < - 10°C (v lete cca 5000 m) • mrak je koloidne nestabilný aj ak ho tvoria kvapky vody rôznej veľkosti.

Oblačná kvapka Φ 10 – 100 μm Dažďová kvapka ϕ 0, 5 – 3 mm Na vypadávanie zrážok z oblačnosti je potrebné aby ich tiaž bola vyššia ako sila výstupných prúdov, ktoré ju udržiavajú voľne vo vzduchu.

Kondenzačné jadrá • Pevné častice • Aerosol • Vplyv ľudskej činnosti na intenzitu búrok a početnosť hmiel

Nárast častíc tvoriacich oblačnosť • Koalescencia ü gravitačná, rôzne pádové rýchlosti ü turbulentná, fluktuácie prúdenia vzduchu ü elektrostatická, priťahovanie kvapiek s opačným elektrickým nábojom ü spontánna (Brownov pohyb) Dominantnou formou je gravitačná koalescencia

Nárast častíc tvoriacich oblačnosť • Nárast väčších kvapiek na úkor menších – napätie nasýtených vodných pár pri dannej teplote rastie so zakryvením kvapiek – menšie sa kvapôčky vyparia a vodná para následne kondenzuje do väčších kvapiek – proces je dominantný v kopovitej oblačnosti v tropických oblastiach

Nárast častíc tvoriacich oblačnosť •

Bergeron-Findeisenov proces https: //youtu. be/MCA 2 Vm. DVz. Eo Pri súčasnej prítomnosti kvapôčok vody a kryštálikov ľadu sa prebytočná vlhkosť pre ľad usadzuje na kryštálikoch ľadu. Tie narastajú a odoberajú tak vodné pary z okolia, čím znížia stav nasýtenia vodnými parami nad vodou. Kvapôčky vody sa teda vyparujú

Zrážky • Podľa trvania – Trvalé – Ns, As • hodiny až dni, značný horizontálny rozsah, slabej intenzity – Prehánky – intenzívne z Cb, prívalové dažde • desiatky minút, lokálne, rýchle kolísanie intenzity, náhly začiatok i koniec – Občasné – St, Sc, As spravidla mrholenie • Minúty, boli behom poslednej hodiny prerušované ale nemali charakter prehánok

Zrážky • vypadávajúce – dážď, mrznúci dážď, mrholenie, mrznúce mrholenie, sneh, snehové krúpky, snehové zrná, krúpky, zmrznutý dážď, krúpy, ľadové ihličky • usadené – rosa, osúheľ, inovať, zrážky z hmly

Druhy zrážok • pevné - sneh, krúpy, snehové krúpky • kvapalné – dážď, mrholenie • zmiešané sneh z dažďom

Druhy zrážok • Dážď – Kvapôčky vody Ø 0, 1 mm až 6, 0 mm – Môžu byť prechladené a po dopade mrznú a tvoria ľadovku na každom povrchu, alebo ak padnú na premrznutý povrch tak zamŕzajú na poľadovicu (black ice) As, Ns, Cb, TCU • Mrholenie - vodné kvapky od 0, 025 do 0, 250 mm, - St, Sc

Druhy zrážok • Sneh - snehové vločky zmrznutých vodných pár (depozícia) • Sneh+dážď – Kombinácia pri prepadávaní snehu cez vrstvu s kladnými teplotami • snehové zrná (SG) , nepriehľadné guľôčky matnej alebo bielej farby, pri dopade neodskakujú ani sa netrieštia, sú obvykle menšie ako 1 mm. Nikdy nevypadávajú z konventívnej oblačnosti

Druhy zrážok • zmrznutý dážď (PL) – priehľadné ľadové častice, ktoré vznikly zamrznutím dažďových kvapiek ktoré prepadávali cez vrstvy zo zápornými teplotami. Pri náraze na zem obvykle odskakujú j počuteľný šum. Nevyskytuje sa v prehánkach. Sneh+dážď • ľadové ihličky (IC) hovorovo diamantový prach. veľmi drobné ľadové kryštáliky poletujúce v ovzduší pri jasnej oblohe • krúpky, snehové krúpky (GS) biele nepriesvitné častice 2 – 5 mm veľké, pri dopade na zem sa často trieštia a odskakujú. Vyskytujú sa v prehánkach pri teplotách okolo 0 ˚ C spolu so snehom alebo dažďom

Ľadové ihličky

Osúheľ

Druhy zrážok • krúpy (GR) guľové alebo nepravidelné kusy ľadu 5 až 50 mm veľké niekedy i väčšie, vznikajú zásadne v konvektívnej oblačnosti typu Cumulonimbus s veľkou vertikálnou rýchlosťou výstupného prúdu. K najväčším zdokumentovaným krúpam patrí krúpa veľká 44 cm a 766 g ťažká v Kansase 3. 9. 1970 s predpokladanou rýchlosťou pri dopade 43 m/s

Krúpy

Ostatné zrážky • Rosa – Kondenzácia spravidla pri radiačnom ochladzovaní vzduchu • Inoväť, srieň, osúheľ – Depozícia pri hlbšom ochladení • Námraza (na zemskom povrchu!) – Kombinácia kondenzácie a depozície pri teplotách tesne pod 0°C

Meranie zrážok • Množstvo vody v 1 l/m 2 zodpovedá stĺpcu 1 mm • Tuhé zrážky sa merajú po roztopení, v správe sa udáva druh v akom dopadli • Zrážkový úhrn, za mesiac, rok • Intenzita zrážok v mm/hod • Doba trvania zrážok • Výška snehovej pokrývky – Vodná hodnota snehovej pokrývky • zrážkomer, totalizátor, ombrograf • Čiara spojujúca miesta s rovnakým úhrnom zrážok spojuje izohyeta

Denný a ročný chod zrážok • Denný chod - Maximum popoludní z kopovitej oblačnosti - Denný chod býva výrazne ovplyvnený prechodom frontálnych systémov - V trópoch maximum v noci

Denný a ročný chod zrážok • Ročný chod zrážok – Rovníkový typ – dve maximá (apríl, november), dve minimá (júl, január) – Rovnomerné zrážky v pásme morskej klímy miernych šírok (Britské ostrovy, Island, vých. pobrežie USA, Brazília) – Maximum v lete, minimum v zime - pevniny miernych šírok a monzúnové oblasti – Maximum v zime, minimum v lete – subtropické pásmo

Miestne vplyvy na zrážky • Svahy hôr otočené k moru – Himaláje – Charrapunji 12 700 mm/rok – Havaj – Mauna Kea 12 100 mm/rok • Zrážkový tieň – Chile – Antofagasta 0, 2 mm/rok – Alpy – föhn pri južnom prúdení • Slovensko – – Priemer cca 800 mm/rok Maximum V. Tatry cca 2600 mm/rok Minimum južné Slovensko cca 500 mm/rok Podľa výšky pribúda cca 50 mm/rok/100 m n. m

Dohľadnosť • Meteorologická dohľadnosť je cez deň najväčšia vzdialenosť, na ktorú možno spoľahlivo rozpoznať čierny predmet o uhlovej veľkosti medzi 0, 5 až 5 stupňov, umiestnený pri zemi na pozadí hmly alebo oblohy. V noci je to najväčšia vzdialenosť, na ktorú sú spoľahlivo rozoznateľné svetlá určitej, stálej a smerovo málo premenlivej svietivosti.

Dohľadnosť • Mechanizmy zníženia dohľadnosti – Absorpcia – svetlo je pohltené nepriehľadnými čiastočkami (litometeory) – Disperzia – svetlo je rozptýlené priehľadnými čiastočkami (hydrometeory)

Dohľadnosť • Meteorologická • Letová rovnako meteorologická, pozorovateľom v tomto prípade je pilot letiaceho lietadla • Dráhová sa vzťahuje vždy k danému bodu RWY a je meraná súbežne s osou dráhy. Označuje sa skratkou RVR, Runway Visual Range. • Šikmá Je to vzdialenosť, na ktorú je z vyvýšeného bodu možno ešte rozpoznať zemská povrch, sledovaný pod uhlom zhruba 3 stupňov, má význam vo fáze priblíženia na pristátie.

Zhoršená dohľadnosť Hmla – dohľadnosť nižšia ako 1000 m. Dymno – dohľadnosť 1000 m až 10 km. Zákal – dohľadnosť pod 10 km, ale relatívna vlhkosť vzduchu by nemala presiahnuť 70%. Dohľadnosť sa môže znižovať i v prípade vypadávajúcich zrážok alebo vírenia napadnutého snehu vplyvom vetra. V týchto prípadoch nehovoríme o hmle alebo dymne, dohľadnosti sú redukované iným mechanizmom

Dymno

Hmly • je jav, pri ktorom klesá prízemná dohľadnosť pod 1 km (0, 54 NM) vplyvom mikroskopických kvapôčok vody, ľadových kryštálikov alebo ich zmesi • vzniká ochladením vzduchu v prízemnej vrstve na teplotu rosného bodu, teda pri takmer 100 % vlhkosti

Ročný a denný chod dohľadnosti • najlepšie dohľadnosti sú v čistom a suchom vzduchu • Najlepšie dohľadnosti v zime nad vrstvou inverzie a v polárnych oblastiach, v chladnom vzduchu je vodných pár menej ako v teplom vzduchu • V dennom chode dohľadnosť je v protipóle s chodom relatívnej vlhkosti - MIN ráno, MAX popoludní • V prípade výskytu rosy, ktorá sa po východe slnka začne vyparovať možno ráno pozorovať prechodné zníženie dohľadností najme v prízemnej vrstve až kým sa rosa nevyparí - BCFG

Podľa spôsobu ochladzovania vzduchu: • • radiačná advekčno-radiačná frontálna svahová, orografická hmla z vyparovania hmla súvisiaca s ľudskou činnosťou

radiačná: vzduch je ochladzovaný od zemského povrchu pri jasnom počasí v noci pri slabom vetre advekčná: teplý vlhký vzduch je nasúvaný nad podchladené podložie, horizontálne zaberie veľké územie, nemá denný chod advekčno-radiačná: vzniká spolupôsobením oboch faktorov

Radiačná hmla

frontálna: vzniká pri vypadávaní chladnejších zrážok na prehriaty povrch a ich následným výparom svahová, orografická: vzniká pri nútenom výstupe vzduchu pozdĺž svahov - Föhnovom jave hmla z vyparovania: vzniká v blízkosti vodných tokov a jazier, kde sa vlhký vzduch nad vodnou hladinou zmiešava s chladnejším vzduchom ochladeným od chladnejších brehov.

Svahová/orografická hmla

Hmla spojená s ľudskou činnosťou • v priemyselných oblastiach. Vo vzduchu sa nachádza veľké množstvo pevných častíc, ktoré sú vhodnými kondenzačnými jadrami, preto tam hmla môže vznikať už pri nižších relatívnych vlhkostiach. Pri zmiešaní s dymom vzniká tzv. smog (smoke+fog).

Rozpad hmiel • nárast teploty, a zníženie relatívnej vlhkosti vzduchu aspoň pod 95 % • zvýšenie sily vetra nad 5 m/s (10 kt), pričom u advekčnej hmly nad 8 -10 m/s) • zmena charakteru prúdenia, súvisiaci so zmenou synoptickej situácie, výmenou vzduchovej hmoty

Ráno na Solisku