Udruženje ljubitelja ekstremnih sportova - EXTREME.
 
 

Atmosferska stabilnost i uspravna kretanja vazduha

Ono što svaki jedriličar traži u zraku, počevši od jastrebova pa preko orlova, zmajara i sve do paragliderista i paukova što se prebacuju zrakom obješeni na svojim nitima, osim užitka, svakako su vertikalna strujanja.

Za razliku od horizontalnog premještanja zraka, kojeg nazivamo vjetar, postoji i vertikalno premještanje zraka, kojeg nazivamo vertikalno strujanje. Vertikalna strujanja zraka mogu se javiti kao posljedica različitih tremodinamičkih stanja atmosfere ili pod utjecajem podloge-orografije. U tom smislu razlikujemo :

  1. uređena vertikalna strujanja
  2. termička konvekcija
  3. dinamička konvekcija
  4. talasi

UREĐENA VERTIKALNA STRUJANJA uslovljena su odstupanjem stvarnog vjetra od geostrofičkog zbog promjene polja pritiska ( geostrofički vjetar: neubrzano strujanje zraka koje se uspostavlja pri ravnoteži gradijentne sile i Corriolisove sile, a u odsutnosti sile trenja. Pravac mu se poklapa s pravcem izobara.) Javljaju se na velikim prostranstvima kako u vertikalnom tako i u horizontalnom pravcu, a brzina im iznosi od 1 do 10 cm/s. Kod uzlaznih strujanja nad područjem gdje se javljaju dolazi do pada pritiska na nivou mora (tendencije pritiska su negativne) , a kod silaznih do rasta pritiska zraka (tendencije pritiska su pozitivne).

TERMIČKA KONVEKCIJA (termika) uzrokovana je nejednolikim zagrijavanjem zraka od podloge. Zbog različitog zagrijavanja podloge, u ovisnosti o njenom sastavu i boji, različito se zagrijava i zrak iznad nje. Kada se odrađeni volumen zraka zagrije jače od okolnog, postaje lakši te se zbog Arhimedovog zakona počinje dizati, dok se okloni hladniji zrak počinje spuštati i popunjavati prostor u prizemlju kojeg napušta topli zrak.
Strujanje toplijeg zraka uvis naziva se vertikalo uzlazno strujanje ili ascedentno strujanje, a spuštanje hladnijeg zraka vertikalno silazno strujanje ili descedetno strujanje.
Brzina uzlaznog strujanja znatno ovisi o količini vlage u zraku: što je količina vlage veća, to će brzine biti veće i obrnuto. Razlog tome je oslobađanje latentne topline pri kondenzaciji vodene pare. U vlažnom nezasićenom zraku vertikalne brzine uzlaznih strujanja su 2 do 4 m/s, a u znatnije vlažnom zraku 5 do 10 m/s. U zasićenom vlažnom zraku te brzine mogu biti 20-40 m/s (vidi članak "Život ili kumulonimbus"). Vrlo često je za pokretanje uzlaznog strujanja potreban neki "okidač": u slučaju "balona" ili termičkih stupova to može biti i prolazak automobila cestom uz žitno polje. Ova tematika okidača u zadnje vrijeme sve više dobiva na značaju.

DINAMIČKA KONVEKCIJA posljedica je mehaničkog djelovanja podloge na zrak u pokretu ili velikim promjenama vjetra s visinom. Brzine vertikalnih strujanja su od nekoliko centimetara do nekoliko metara u sekundi.
Dinamička konvekcija je zapravo najčešće prethodnica talasastog kretanja zraka, što je objašnjeno u idućoj točki.

TALASI u atmosferi imaju nekoliko uzroka:

  1. Na granici inverzionog sloja zbog razlike u gustoći i nejednolikog kretanja zraka.
  2. Veliki vertikalni gradijent brzine vjetra (velika promjena brzine vjetra s visinom)-gravitacioni talasi
  3. Pod djelovanjem orografske prepreke, planine i sl, nastaju stacionarni ili orografski talasi

Talasi su detaljnije opisani u članku Atmosferski talasi.

 

Uspravna (vertikalna) kretanja vazduha objedinjuju uzlazna i silazna kretanja vazduha (updraft/downdraft movement). Do ovih kretanja dolazi na nekoliko načina. Jedan od uzroka je raznorodna (nehomogena) podloga koja se različito zagrijava i time različito zagrijava vazduh. Vazduh se iznad toplije podloge diže i pri tome, zavisno o količini vlažnosti, dolazi do stvaranja oblaka. To je spontano - termičko dizanje. Ostale vrste dizanja vazduha predstavljaju više ili manje prisilna kretanja.

Slika1.Dizanje toplog vazduha

Uspravno kretanje vazduha nastaje kod prelaženja zračne struje preko orografskih prepreka (brda i doline). Pri Zemljinoj površini, procesi zbližavanja (konvergencije) pogoduju dizanju vazduha na mjestu gdje se vazduh nagomilava, dok razilaženja (divergencija) dovode do spuštanja vazduha. Kad dvije različite zračne mase dođu u neposredan dodir (fronta) također dolazi do uspravnih kretanja vazduha. U mnogim slučajevima uspravno kretanje vazduha je pod djelovanjem više uzroka, pri čemu jedan uzrok potakne kretanje, a drugi dovede do punog razvoja. Uopšteno stabilnost ili nestabilnost atmosfere daje snažni poticaj za razvoj uspravnih kretanja vazduha. Uprkos mnogim negativnostima, dim koji izlazi iz nekog visokog dimnjaka može pomoći pri osnovnom zaključivanju o stanju atmosfere. Zavisno o raspodjeli temperature vazduha s visinom (krivulja stanja) oblici protezanja dima pokazuju slojeve stabilnosti ili labilnosti.

Termičko dizanje vazduha (konvekcija) (thermal convection) nastaje uslijed nejednolikog zagrijavanja podloge. Neka podloga se brže i jače zagrije od druge, a kako se toplina prenosi na vazduh to on postaje topliji i lakši od okolnog te se diže. Što je vazduh nestabilniji tj. topliji i vlažniji, obzirom na manju gustoću vodene pare od suhog vazduha, to je jače dizanje. U najnižim prizemnim atmosferskim slojevima, kao posljedica jakog zagrijavanja površine tla, mogu nastati veliki atmosferski uspravni temperaturni gradijenti (superadijabatski gradijent), koji dosižu i prelaze 3°C/100 m. Obično se takav jako zagrijani vazduh uočava kao jako treperenje svijetlosti zbog jakog loma vazduha svijetlosti (zračno zrcaljenje). Zbog razlika u gustoći dižućeg i okolnog vazduha (sila uzgona, Arhimedov zakon) i bez djelovanja drugih vanjskih sila, vazduh spontano dobija uspravnu (vertikalnu) komponentu kretanja.

Uzlazno kretanje vazduha na jednom mjestu i silazno kretanje na drugom uzrokuje kruženje vazduha, gdje prizemna vodoravna komponenta strujanja predstavlja vjetar konvekcije. Uočava se da su u prirodi dizanja vazduha nešto jača od spuštanja (do 20%), što je usklađeno s manjim područjem dizanja od područja spuštanja, a zadovoljava jednaćinu neprekinutosti. Dizanje vazduha može biti lagano (laminarno) pa nastaju konvekcijske struje ili jače (turbulentno) te nastaju termici (termički ili turbulentni baloni).

Konvekcijske struje (convective current) su manje ili više neprekidno dizanje struje toplog vlažnog vazduha kroz neporemećeni okolni vazduh. Brzina dizanja vazduha je u granicama od nekoliko mm/s do približno 1 m/s. Ova uzlazna struja ima oblik cijevi nagnut zavisno o uspravnom smicanju vjetra odnosno vjetru na visini. Cijev počinje od Zemljine površine, gdje je zagrijavanja najjače, a proteže se uvis nekoliko desetaka ili stotina metara zavisno o jačini zagrijavanja podloge i atmosferske labilnosti. Prostranstva dizanja u širinu su od nekoliko desetaka do nekoliko stotina metara, rjeđe zahvaćaju veća područja. Ako je vazduh dovoljno vlažan na visini se javljaju konvekcijski oblaci. Smatra se da ova struja ide do visina oko 200 m ispod manjih konvekcijskih oblaka - kumulusa, tj. ovi procesi dizanja (spuštanja) vazduha odvijaju se u prizemnom planetnom sloju. Temperatura vazduha unutar cijevi je za nekoliko desetinka do 1°C veća od temperature okolnog vazduha. Veće temperaturne razlike obično se očituju osim u većoj brzini dizanja i u manjim područjima dižućeg vazduha.

Termici (termički ili turbulentni baloni) (thermal, convection cell) nastaju kada brzina dižućeg vazduha premaši određenu kritičnu brzinu. Tada se konvekcijska struja raspada na niz manjih dijelova - balona (ćelijastog ustrojstva). Brzina dizanja balona je obično veća od 1 m/s, a može biti i nekoliko m/s, pa čak do desetak m/s. Ćelijsko ustrojstvo u atmosferi javlja se od manjih brzina dizanja, kada se razvijaju razmjerno širi, a tanji oblaci - kumulusi, do većih brzina dizanja kada su oblaci razmjerno uski, a uspravno razvijeni - kumulonimbusi. Uz dizanje vazduha postoji i spuštanje vazduha, što zadovoljava jednadžbu neprekinutosti, a svi ovi procesi se odvijaju u prizemnom planetnom sloju. Takav tip oblaka, koji mogu biti jako razvijeni, javlja se često u tropskom području te čine oblačne nakupine (cluster) saćastog oblika.

U odnosu na okolicu, vazduh se uz Zemljinu površinu može zagrijati za nekoliko °C, te nakon pojave nekog slabog impulsa (obično izazvan lakim naletom vjetra) dolazi do odvajanja tog vazduha od podloge i njegovog dizanja. Na mjesto odvajanja zračnog balona nadolazi okolni hladniji vazduh, koji se grije te se ciklus nastavlja približno svakih 10 do 40 minuta. Proces grijanja, odvajanja i dizanja vazduha traje dok postoje uvjeti jakog grijanja. Porastom visine potencijalna temperatura u pravilu raste, a povećana gustoća izentropa znači područje inverzije, ali i dijelove vazduha znatno razlićite gustoće. Termik ima promjer nekoliko desetaka do nekoliko stotina metara, pri čemu njegov gornji dio (mjehur) ima oblik polukugle, a donji dio (rep balona) je rastrgan kao posljedica erozije balona uzrokovane turbulentnim miješanjem sa strane. U i oko neporemećenog termika postoji simetrično kruženje vazduha s dizanjem vazduha u unutrašnjosti termika i spuštanjem izvan njega. Temperatura vazduha unutar balona je za nekoliko celzija veća od temperature okolnog vazduha te se veće temperaturne razlike očituju u većoj brzini dizanja. Termici se dižu nekoliko stotina metara zavisno o jačini zagrijavanja podloge i atmosferske labilnosti, a ako je dižući vazduh dovoljno vlažan javljaju se konvekcijski oblaci. Slično kao kod konvekcijskih struja i ovdje postoji zanošenje dizanja balona uzrokovano okolnim vjetrom.

Donja baza oblaka, koji su nastali ovakvim termičkim učincima, iznad ravnog terena Zemljine površine je na većoj relativnoj visini, nego nad brdom, dok je apsolutna visina oblaka nad ravnim terenom manja od visine donje baze iznad brda. Ipak, potrebno je naglasiti da pojava kumulusnih oblaka nije uvijek neophodna, jer ukoliko je atmosfera suha, tada neće doći do znatnog razvitka oblaka, ali je moguća pojava suhe termike.

Prisilno dizanje (spuštanje) vazduha nastaje na orografskoj prepreci (brdo, dolina) kad je vazduh prisiljen da je prelazi. Također, uspravna kretanja nastaju pri strujanju vazduha u procesima konvergencije i divergencije, te u zračnim masama frontalnih procesa.
Orografske prepreke izravno djeluju na uspravna kretanja vazduha, koje je uglavnom povezano s vodoravnim gibanjima vazduha. Kad vazdušna struja naiđe na orografsku prepreku ona teži, slijedeći put najmanjeg otpora, da je bočno zaobiđe. To može biti samo djelimično, a potpunije je kada je vjetar slab i kad je prepreka usamljena. Kad je dužina orografskih prepreka velika i kad su one cjelovite, nailazeći vazduh dobija izraženu uspravnu komponentu kretanja. Do toga dolazi i na usamljenim preprekama kad je vjetar jak. Tada vazduh na privjetrini prepreke prelazi u dizanje, a na zavjetrini u spuštanje. Ta vazdušna strujanja nisu jednostavnih oblika, već dolazi do vrlo značajnih izobličenja strujanja, stvaraju se vrtlozi raznih dimenzija i raznih osi vrtenja. Vrtlozi na privjetrini planina su razmjerno postojani, za razliku od onih u zavjetrini. Ispod silaznog dijela u zavjetrini javljaju se veći vrtlozi, rotori. Vrtlozi s vodoravnom osi sadrže kako dizanje tako i spuštanje vazduha. Pritom postupno slabe i na određenoj udaljenosti od orografske prepreke nestaju. Na njihovom mjestu odmah se razvijaju nova turbulentna strujanja.

Prisilno dizanje vazduha pri Zemljinoj površini nastaje procesima konvergencije na mjestu gdje se vazduh nagomilava, dok spuštanje nastaje procesima divergencije na mjestima gdje se vazduh razilazi. Prisilno dizanje (spuštanje) vazduha nastaje i zbog sudara dviju vazdušnih masa na frontalnoj ploči. Ako su razlike temperatura vazdušnih masa velike i ako vazduh sadrži dovoljno vlage tada se stvaraju konvekcijski (olujni) oblaci s velikim vertikalnim brzinama.

Sastav olujnog oblaka
Oblak je tvorevina sitnijih i krupnijih vodenih kapljica, ledenih kristala, sniježnih pahulja i zrna leda, koje se gibaju raznim smjerovima i brzinama pod djelovanjem različitih sila. Naravno, tu su prisutni i mnogi termički procesi i razni preobražaji unutar čestica vazduha oblaka. Obzirom na veliku raznolikost kretanja vazduha u olujnom oblaku nemoguće je opisati sve sile koje djeluju kao i njihove uzroke, pa će opis olujnog oblaka obuhvatiti osnovne pojave i sile te kretanja vazduha unutar oblaka.

Kad neka oblačna čestica naraste do veličine pri kojoj njena težina preraste silu trenja, ona počinje padati. Dalje, kad padne ispod donje baze oblaka kapljica je u nezasićenom vazduhu i isparava, no dovoljno velika kapljica pri padu kroz dovoljno vlažni i ne predebeli sloj vazduha neće potpuno ispariti i iz oblaka će padati kiša. Slično se događa s ledenim zrnom, uz dodatak da se led topi na pozitivnim temperaturama. Za dovoljno veliko ledeno zrno rastopit će se samo vanjski slojevi.
Olujni oblak (kumulonimbus) se Uopšteno sastoji od ćelija. Ćelija (cell) je područje uzlazne struje i s njom povezane silazne struje, ukoliko postoji. To se može ustanoviti promatranjem Cb-a iz daljine, kad se prepoznaju izboji - tornjevi iz oblaka. Svaka ćelija, a također i oblak kao cjelina, prolazi tri osnovna stadija razvoja, od postanka kad je samo uzlazno kretanje, preko punog razvoja gdje je uz uzlaznu i silazna struja, do trećeg stadija gdje se rasplinjava i prevladavaju silazne struje.

U prvom dobu razvoja, doba kumulusa (cumulus stage) stvaraju se vodene kapljice/kapi koje ne padaju već se dižu nošene jakim uzlaznim strujama. U srednjem dijelu oblaka kapljice se smrzavaju, odnosno sudaraju se s prehladnim kapljicama vode i postaju sve deblje, obavijajući se tvrdim slojem leda. Kondenzacijom vodene pare oslobađa se latentna toplina, pa su i izoterme ispučene. Na opisani način, stvoreni proizvodi preobražaja vodene pare se dižu sve više i ulaze u područje gdje je atmosfera stabilna i temperatura im je manja od temperature okolnog vazduha i gdje su zbog toga uzlazne struje u oblaku već slabije. Prečnik takvog oblaka prosječno iznosi 5 do 8 km.

U drugom dobu razvoja oblaka, zrelo doba (mature stage) postoji padanje opisanih proizvoda vodene pare. Tokom padanja često dospijevaju u najniže oblačne slojeve. Ukoliko je oblak jako razvijen takve se padavine mogu ponovno vratiti u visinu zbog jakih uzlaznih struja. Čitav proces može se više puta ponoviti. U području uzlaznih struja gdje su kondenzacija vodene pare i oslobađanje latentne topline, izoterme su ispupčene, za razliku od područja silaznih struja gdje se troši toplina zbog isparavanja kapljica, pa su izoterme udubljene. Oblak dostiže svoj najveći razvoj, kad gornji dio oblaka prodre u stabilne slojeve atmosfere i postane hladniji od okolnog vazduha, što dovodi do jakih uzlaznih struja. U tom dobu se javljaju kiša ili tuča, uz mogućnost munja. Prečnik takvog oblaka prosječno iznosi 8 do 10 km.

U trećem dobu, dobu raspadanja olujnog oblaka padavine su pljuskovite i jaka su električna pražnjenja, munje. Zbog jakih oborina, oblak se raspada, a obrisi mu više nisu oštri. vazduh koji se spušta, hladi se trošenjem latentne topline na isparavanje kapljica i otapanje ledenih kristala te se ispod kumulonimbusa slijeva u jednu cjelinu i prodire dalje izazivajući nove olujne nepogode. Prečnik takvog oblaka prosječno iznosi 8 do 11 km.
Olujni oblak ima određenu veličinu i obris vidljive oku. Radar, s kojim se dobro prati razvoj oblaka "vidi" druge obrise, obično manjih dimenzija. Ovi radarski obrisi predstavljaju crte iste radarske odrazljivosti, mjerene u dBz. Uz vanjske obrise radar "vidi" i unutrašnjost oblaka, koja također ima neke vrijednosti radarske odrazljivosti, a pomaže nam pri određivanju svojstava i tipova olujnog oblaka. Olujni oblaci - kumulonimbusi mogu se podijeliti u tri osnovne skupine kao: jednoćelijski, višećelijski i superćelijski.

Slika2. Jednoćelijski kumulonimus


Jednoćelijski olujni oblak (single-cell cloud), kao što i samo ime kaže, sadrži jednu ćeliju kao posljedica jedne izražene uzlazne struje, a razvija se većinom u istorodnoj zračnoj masi. To su tzv. nestabilnosti u zračnoj masi, kad se grijanjem podloge zagrijavaju donji slojevi atmosfere te počinje dizanje tog vazduha. Takvi oblaci su kratkotrajni, jer traju manje od jednog sata, pa su značajno promjenljivi. U prvom dobu razvoja uzlazna struja dosiže 15 do najviše 30 m/s i traje oko 15 do 20 min. Ćelija se postupno razvija i uzdiže, jer se gomilaju kapljice, kapi i ledeni elementi. Najveći razvoj oblak dosiže nakon 20 min kad se na Zemljinoj površini pojavljuju padavine. Može padati i tuča. Kad nastupi treće doba silazne struje su sve jače, ćelija se spušta i počinje raspadati. Oblak je većinom simetričan, a u području razvoja takvih oblaka vjetar je slab i ne mijenja se značajno s visinom, otuda potječe simetričan izgled oblaka.

Slika3.Višećelijski kumulonimus

Višećelijski olujni oblak (multi-cell cloud) je razvijeniji od jednoćelijskog oblaka. Sadrži više ćelija, kojih može biti do nekoliko desetaka, pri čemu svaka ćelija prolazi sva doba razvoja. Pojedine ćelije često imaju vrh u stratosferi. Ovi oblaci najčešće se protežu 30 do 50 km u širinu. Prečnik pojedinih ćelija je 3 do 5 km. Svakih 5 do 10 min razvija se nova ćelija koja traje 30 do 45 min a raste brzinom od 10 do 15 m/s. Najveće uzlazne struje su 20 do 25 m/s, a silazne su do 15 m/s. Vjetar uopšteno raste s visinom i u gornjim slojevima troposfere je strujanje vazduha vrlo veliko (i preko 40 m/s). Smjer vjetra s visinom se značajno ne mijenja. Prizemni vjetar je manji od 10 m/s, no prolazom udarne fronte (sitnorazmjerne) naglo pojačava (ponekad preko 30 m/s) te mijenja smjer čak za 180°. Višećelijski oblak u razvoju kreče se većinom udesno od smjera vjetra donjeg/srednjeg dijela troposfere, brzinom nešto manjom od srednje vrijednosti brzine vjetra u tom dijelu atmosfere. Taj smjer kretanja oluje uvjetovan je rastom novih ćelija na desnoj strani oblaka, stoga se cijela masa oblaka postupno premješta udesno. Pri raspadanju oblaka postoji skretanje u lijevo od opšteg strujanja u atmosferi.
Životni vijek višećelijskog olujnog oblaka (kumulonimbusa), koji se obično javlja u frontalnim sistemima, traje i po nekoliko sati. Olujni oblak u kumulus dobu razvoja sadrži jedan ili više izboja (tornjeva), koji izrastaju iz oblačne mase odnosno prizemne konvergencije vlažnog vazduha. Tada prevladava dizanje vazduha. Zrelo doba ima uzlazne i silazne struje te padavine. Zbog isparavanja vodenih kapljica (ledenih kristala) na malim visinama postoji hlađenje vazduha, stvara se jezero hladnog vazduha uz porast pritiska te udarna fronta, koja uzrokuje dizanje toplog, vlažnog i labilnog vazduha. Pri vrhu oblaka stvara se nakovanj (incus). U dobu raspadanja oblaka izražena su silazna strujanja i slabljenje konvekcijskih padavina. Ispod nakovnja javlja se virga. Udarna fronta napreduje ispred oluje, sprečavajući vazduhu koji se diže na udarnoj fronti ulazak u konvekcijsku oluju.


Slika4. Šema višećelijskog kumulonimusa

Superćelijski olujni oblak (supercell cloud) stvara najveće oluje te na izvjestan način predstavlja snažno razvijeni višećelijski oblak u kojem su se sve ćelije stopile u jednu veliku i snažnu ćeliju. Sve pojave vezane uz ovaj oblak su prostranije i jače nego kod bilo koje druge vrste kumulonimbusa.

Slika5. Superćelijski kumulonimus

U prizemlju su jaki pljuskovi, obično s tučom, olujni vjetrovi, slaba vidljivost, električna pražnjenja i drugo. Ovi oblaci nisu česti, ali kad se pojave uzrokuju goleme štete. Superćelijski olujni oblak se razvija u jako labilnoj atmosferi. Tada u prizemnim slojevima atmosfere brzina vjetra prelazi 10 m/s, koja se povećava s visinom, dok smjer vjetra skreće udesno. Ovi oblaci se gibaju uglavnom u desno od smjera vjetra srednje troposfere, premnda ima i onih koji skreću u lijevo. Brzina lijevo skrećućih oblaka puno je veća od onih koji se gibaju udesno. U pravilu, vjetar ne djeluje na skretanje oblaka tokom razvoja, posebno kod višećelijskih i superćelijskih. To se dijelovanje može javiti tokom raspada.

Radarski odraz tipičnog superćelijskog oblaka ima prečnik 20 do 30 km i proteže se u visinu 12 do 15 km. U prednjem dijelu oblaka radarski odraz je slabiji, a proteže se kao neka izbočina (prudina oblaka). Dio radarskog odraza u tom području odgovara području rasta zametka, a nastaje padanjem zrna leda u prednji dio oblaka. Rastom ovih ledenih zrna u uzlaznoj struji nastaju zrna tuče. Područje u kojem pada tuča nalazi se neposredno iza bezodraznog područja - BOP (weak echo region). Najveća zrna padaju uz rub uzlazne struje. Zato je područje najslabijeg i najjačeg radarskog odraza - najveća radarska odrazljivost tj. zona akumulacije (accumulation zone) jedno uz drugo. Na većim visinama oblak je izduženiji te blizu vrha ima vrlo izduženu perjanicu (incus), koja može dostići dužinu 60 do 150 km. Bezodrazno područje odgovara položaju uzlazne struje, koja dosiže 25 do 40 m/s. Vlažan vazduh se diže vrlo brzo i sitne vodene kapljice ne stignu narasti do većih dimenzija kad bi davale veću radarsku odrazljivost. U tu uzlaznu struju mogu ući samo veliki komadi leda, jer sve ostalo jaka struja izbaci.

Slika6. Superćelijski Cb-oblaci sa tornadom na radaru

vrh strane