4.4 Vývoj krup. 216 / Mikrofyzika oblaků

Transkript

1 216 / Mikrofyzika oblaků Druhý člen vyjadřuje teplo předané ledové částici při zachycení kapek o teplotě T w [K]. Při teplotách T > 273 K, resp. T w > 273 K, přispívají tyto členy k tání částice. Třetí člen zahrnuje teplo odevzdané nebo získané při difuzi vodní páry a má jenom doplňkový význam. Rovnice (4.115) je zjednodušením celého procesu tání, lze ji použít při parametrizaci procesu a jejím numerickým řešením je střední teplota částice. Tání probíhá od povrchu částice, a nejdříve proto tají nejmenší krystaly a krupky. Velké částice vyžadují pro úplné tání značnou dobu. Příklad výpočtu tání sněhových vloček pro různé teploty a vlhkosti vzduchu je na obr Vývoj krup Letní krupobití je ve středních zeměpisných šířkách většinou řídký a plošně omezený jev. Na území ČR lze z radarových měření odhadnout, že bodová četnost se pohybuje kolem hodnoty jednoho dne ročně, přičemž v této hodnotě jsou zahrnuty kroupy všech velikostí od definičního minimálního průměru 5 mm. Existují však i lokality, kde roční bodová četnost dosahuje 3 až 10 dní ročně. Jak uvádějí G. M. Morgan a P. W. Summers v 11. kapitole monografie o morfologii a dynamice bouří (Kessler, 1992), jsou na severní polokouli dvě rozsáhlé oblasti se zvýšeným výskytem krup. První z nich je na severoamerickém kontinentu a rozkládá se od kanadských provincií Alberta a Saskatchewan směrem k jihu přes řadu amerických států až po Texas. Druhá významná zóna pokrývá jižní Evropu až k jižnímu Německu a sahá východně až do kavkazské oblasti. Na jižní polokouli jsou významné oblasti zvýšeného výskytu krupobití v Argentině a v severovýchodní části JAR. Ve světovém měřítku dosahují škody vyvolané krupobitím pouze asi 1 % celkové zemědělské produkce (Kessler, 1992). Na rozdíl například od sucha, které postihuje zpravidla rozsáhlé oblasti, jsou škody vyvolané krupobitím plošně nerovnoměrně rozdělené a právě tento aspekt umocňuje psychologický dopad na postižené lokality. V této části shrneme základní poznatky o vývoji krup z mikrofyzikálního hlediska. Vliv dynamických procesů v konvekčních bouřích na vývoj krup bude pojednán v dalších kapitolách a o metodách, které se uplatňují při tzv. boji proti krupobití, pojednává kapitola o umělých zásazích do vývoje oblaků. Je nutné zdůraznit, že vývoj krup je složitý proces, jehož kvantitativní popis je stále otevřenou otázkou. Proto také dostatečně lokalizovaná předpověď výskytu krup není zatím možná.

2 Vývoj krup / Velikost, koncentrace a tvar krup Krupobití a zejména vypadávání velkých krup je natolik působivý proces, že mu byla věnována pozornost odedávna. Existuje řada popisů velkých krup, které však nelze považovat za věcné a průkazné. Za první důvěryhodný popis výskytu kroupy extrémní velikosti se považuje Talmanova studie (Talman, 1936), která popisuje kroupu zachycenou v Německu v roce Z jejích rozměrů 26 cm 14 cm 12 cm lze odhadnout váhu kroupy na 2,04 kg. Oficiálně zdokumentovaná obří kroupa, která dlouho platila za extrém ve velikosti krup, vypadla v Potteru (Nebraska, USA) 6. července 1928 (Kessler, 1992). Velké kroupy mají většinou silně nesymetrický a členitý tvar. U kroupy z roku 1928 se proto udává největší hodnota jejího obvodu, která dosáhla 43 cm, a hmotnost 680 g. Tato rekordní velikost byla překonána až 3. září 1970, kdy byla v Coffeyville (Kansas, USA) zaznamenána kroupa o maximálním obvodu 44 cm a hmotnosti 766 g (Roos, 1972). Objem této kroupy je ekvivalentní objemu koule o poloměru kolem 7 cm. Většina krup, které se dostávají na zemský povrch, má charakteristický rozměr pouze několika centimetrů. Kroupy každoročně zaznamenané na území ČR mají zpravidla průměr kolem 1 až 2 cm. Lze však dokumentovat i lokální krupobití, při nichž vypadávaly kroupy o charakteristickém průměru nad 4 cm. Kroupy rostou zachycováním přechlazených vodních kapek a soupeří tedy o zásobu oblačné vody. Koncentrace krup proto klesá s jejich velikostí a extrémně velké kroupy jsou velmi řídké a zajímavé spíše z odborného hlediska. Ukazují totiž, jak silné výstupné proudy existují v kroupotvorných oblacích. Nejvýznamnější příčinou škod způsobených krupobitím jsou spíše kroupy střední velikosti. Pro spektrum velikosti krup a krupek, které udává závislost koncentrace na velikosti ekvivalentního průměru ledové částice, se nejčastěji užívá MP rozdělení (4.22). Pro krupobití analyzovaná ve Švýcarsku, viz (Federer a Waldvogel, 1975) a kapitola 14 této knihy, se hodnoty parametrů rozdělení (4.22) měnily v rozmezí 1,5 N 0 52 m 3.mm 1 a 0,33 Λ 0,64 mm 1. Tato měření dávala intenzitu krup měřenou na zemi I H v širokém intervalu 2,6 mm.h 1 až 152 mm.h 1 a ledový obsah q H mezi 0,05 g.m 3 a 2,64 g.m 3. To dává vztah mezi oběma veličinami ve tvaru q H = 1, I H. Na základě měření krup v Albertě (Kanada) stanovili Cheng a English (Cheng a English, 1983) vztah mezi parametry rozdělení (4.22) N 0 [m 3.mm 1 ] a Λ [mm 1 ] ve tvaru N ,63 = Λ. (4.116)

3 218 / Mikrofyzika oblaků Malé kroupy jsou většinou symetrické, nejčastěji mají přibližně kulový tvar a někdy jsou na jednou konci zašpičatělé. Vyskytuje se i zploštělý sféroidní tvar krup, který svědčí o jejich převažující orientaci při pádu. Velké kroupy mohou být zcela nesymetrické a často se u nich objevují ledové výrůstky nebo zaoblené ledové výstupky označované jako rampouchovité laloky (z angl. icicle lobes). Jejich vznik se připisuje postupnému mrznutí vody, která teče po povrchu padající kroupy (Knight a Knight, 1970). Na obrázku 4.30 jsou ukázány příklady velkých a nesymetrických krup, které vypadávaly v městě Aurora (Nebraska, USA) při krupobití dne a jsou popsány v práci (Knight a Knight, 2005). Největší kroupa měla maximální rozměr nad 17 cm (7 palců). Vzhledem ke své nesymetričnosti však vážila pouze kolem 0,5 kg, zatímco váha sférické kroupy o tomto průměru by byla kolem 2,5 kg Mechanismus růstu a struktura krup Kroupy se vyvíjejí ve vertikálně mohutných konvekčních oblacích, jejichž převážná část se rozkládá nad hladinou mrznutí a které obsahují dostatečnou zásobu přechlazené vody. Pro takové oblaky je typický silný výstupný proud, který umožňuje, aby se i částice o velikosti krup udržely dostatečně dlouhou dobu v oblačném prostředí. I když depozice vodní páry může přispívat k růstu krup, je hlavním růstovým mechanismem kroupy zachycování přechlazených vodních kapek, které namrzají na jejím povrchu. Tento proces je znám již dlouho hlavně díky laboratorním studiím prováděných v sedmdesátých a osmdesátých létech 20. století, jejichž výsledky jsou shrnuty například v přehledových studiích (Macklin, 1977) a (List, 1985). Kroupy se začínají tvořit jako ledové zárodky o průměru řádu jednotek mm, které lze identifikovat na řezu kroupou. Z mnoha analýz krup provedených v různých lokalitách vyplývá, že většinu kroupových zárodků tvoří krupky, jejichž základem je velký ledový krystal nebo malá zmrzlá kapka, které dále rostly zachycováním přechlazených oblačných kapek a agregací krystalů. V řadě krup byly identifikovány i jasně definované kulové zárodky, které mají tvar velké zmrzlé kapky. Četnost různých typů zárodků závisí na lokalitě, v níž bylo pozorování prováděno. Prvním stadiem vzniku kroupy je tedy vývoj ledového zárodku, který je dostatečně velký, aby mohl dále efektivně sbírat přechlazenou vodu. Další růst kroupy probíhá při mrznutí vody zachycené kroupou. Tento proces je spojen s uvolňováním latentního tepla, které ohřívá kroupu a může ovlivnit průběh mrznutí. Podíl zachycené přechlazené vody, která okamžitě

4 Vývoj krup / 219 zmrzne při styku s povrchem kroupy, lze přibližně odhadnout hodnotou T/80, kde T [ C ] je velikost přechlazení (Knight a Knight, 2005). Například při teplotě 20 C mrzne okamžitě pouze jedna čtvrtina vody zachycené kroupou. Zbývající voda, pokud se neodstříkne z povrchu padající kroupy, mrzne pomalu a předává latentní teplo mrznutí svému okolí. Jestliže kroupa sbírá kapky tak rychle, že všechna zachycená voda nemůže okamžitě zmrznout, může se teplota rostoucí kroupy přiblížit hodnotám kolem 0 C. Sbírá-li kroupa vodu pomalu, blíží se teplota kroupy teplotě oblaku. Padající kroupa zachycuje přechlazenou vodu především na své čelní straně. Většina velkých krup se však při svém pohybu převaluje ze strany na stranu, rotuje nebo vykonává precesní pohyb. Oblast na povrchu kroupy, která zachycuje přechlazenou vodu se proto může při pádu kroupy měnit. Hlavní režimy růstu kroupy jsou nicméně určeny bilancí mezi rychlostí mrznutí zachycené přechlazené vody a rychlostí transportu latentního tepla mrznutí. Tato bilance potom závisí na rychlosti pádu kroupy, teplotě oblaku a na kapalném vodním obsahu v oblaku. Na řezu kroupou můžeme často rozeznat řadu vrstev o různé průzračnosti. Obecné pravidlo je, že vrstvy, které se jeví v odraženém světle jako bílé, vznikají při tzv. suchém růstu, při němž je teplota povrchu kroupy pod 0 C. V tomto růstovém režimu mrznou zachycené kapky dříve, než dojde k zachycení kapek následujících. Při okamžitém mrznutí zachycených kapek vzniká ledová struktura, která obsahuje množství vzduchových bublin. Bílé zabarvení kroupy v odraženém světle je tedy vyvoláno přítomností vzduchovým bublin. Při sledování tenkých řezů krup v procházejícím světle se vrstvy nebo části vnitřku kroupy s bublinami vzduchu jeví jako tmavé. Při druhém růstovém režimu, který označujeme jako mokrý nebo vlhký růst, je rychlost zachycování vody větší než rychlost transportu tepla. Povrch kroupy zůstává pokrytý kapalnou vodou, jejíž teplota se může blížit bodu mrznutí. Zachycené kapky se stávají součástí kapalné vrstvy a při jejím postupném mrznutí vzniká led, který je poměrně homogenní a bez vzduchových bublin. Části kroupy, které rostly v mokrém režimu, se jeví v odraženém světle jako průzračné a v procházejícím světle jsou části bez vzduchových bublin světlé. Při růstu padající kroupy v mokrém režimu může být část zachycené vody z povrchu padající kroupy odstříknuta a nepodílí se na růstu. Kapalná voda stékající po povrchu pohybující se kroupy může při svém mrznutí vytvářet ledové výběžky, které zpětně ovlivňují pohyb kroupy. Laboratorní simulace růstu krup ukazují, že při mokrém růstu může být významná část kapalné vody zatažena do dutin uvnitř kroupy a může se vytvořit tzv. houbovitá kroupa nebo též houbovitý led (z angl. spongy ice). Jestliže

5 220 / Mikrofyzika oblaků kroupa s houbovitou strukturou nakonec zcela zmrzne, vytvoří se v ní větší jasně rozlišitelné vzduchové bubliny, které lze považovat za indikátor původně houbovité struktury. Led se v tomto případě nejeví v odraženém světle bílý jako u suchého růstu. Autoři studie (Knight a Knight, 2005) uvádějí, že růst houbovitého ledu lze identifikovat i u přirozených krup, je však řídký. Pokud nastává, zaujímá pouze velmi malou část objemu kroupy ve srovnání s mokrým nehoubovitým růstem, který vytváří minimum vzduchových bublin. Na druhé straně může být houbovitý led součástí struktury tzv. měkkých krup (z angl. soft hail). Zda měkké kroupy vznikají tímto způsobem nebo v důsledku tání, není zcela jasné. Suchý a mokrý (nehoubovitý) růst jsou velmi obvyklé a jejich střídání dává vznik typickým soustředným vrstvám. Příklady růstových vrstev s odlišnou strukturou bublin je možné sledovat zejména na řezech velkými kroupami. Na obr je patrná nejen existence vrstev, ale i rozdílné zastoupení jednotlivých růstových režimů u různých krup. Obr Příklady obřích krup, které vypadly při krupobití u Aurory v Nebrasce (USA) v roce Řezy kroupami (A) prokazují bohatou vrstevnatou strukturu, která indikuje režim suchého růstu (tmavé vrstvy) a mokrého růstu (světlé oblasti). Větší tmavé skvrny jsou vzduchové bubliny, které mohou být důsledkem růstu houbovitého ledu. Celkové pohledy na kroupy (B, C) jsou v poněkud jiném měřítku než řezy. (1AB) Příklad rampouchovitých výběžků koncentrovaných na jedné straně kroupy. Největší vzduchové bubliny situované asi 3 4 cm od růstového centra jsou náznakem houbovitého růstu v této oblasti. (2AB) Kroupa vyznačující se rozlomeným zárodkem ve formě zmrzlé kapky a velkým rampouchovitým výběžkem, který způsobuje vysokou asymetrii tvaru kroupy. Velké bubliny u základny a uvnitř výběžku naznačují, že jeho vnitřní část rostla jako houbovitý led. (3ABC) Zploštělá oblá kroupa, která se při pohybu převalovala. Obrázky B a C jsou ve stejném měřítku a ukazují pohled ze strany (B) a shora (C). (4AB) Velká kroupa s poměrně symetricky rozloženou hmotností, která vykazuje jenom slabé vrstvy suchého aaaaaa růstu. Sestaveno podle práce (Knight a Knight, 2005).

6 Vývoj krup / 221 Stále ještě občas přetrvávající představa, že vrstevnatá struktura krup je důsledkem pohybu krup v oblaku směrem dolů a vzhůru, při němž se střídá proces mrznutí a tání, není správná. Je pravděpodobné, že vznikla v době, kdy ještě nebyla dostatečně zhodnocena přítomnost přechlazené kapalné vody v oblaku. Vycházelo se tedy z úvahy, že kroupy mohou zachycovat kapalnou vodu pouze pod hladinou mrznutí a musí vystoupat vysoko nad tuto hladinu, aby voda zmrzla. Také úvahy, že vrstvy vznikají jako důsledek střídání depozičního růstu a zachycování přechlazených kapek, nejsou správné. Vrstevnaté struktury získané při laboratorním sledování namrzání vodních kapek na ledovém povrchu v aerodynamickém tunelu prokazují, že vrstvy jsou důsledkem změn obsahu přechlazené vody a teploty oblaku. Jednou z nejsložitějších otázek je tedy odhad trajektorie krup v oblaku od vzniku zárodku kroupy až po její vypadnutí z oblaku. Kvantitativní popis trajektorie krup v poli proudění v oblaku je stále otevřenou otázkou a o některých výsledcích studia této problematiky se zmíníme v kapitole Tepelná bilance rostoucí kroupy Růst padající kroupy je možné vystihnout rovnicemi oblačné mikrofyziky jenom velmi přibližně a přehled několika numerických modelů, které tento problém studovaly, je shrnut v PK97. Zpravidla předpokládáme, že vzhledem k velkému rozdílu mezi velikostí krup a kapek lze pro zachycování kapek kroupou užít model spojitého růstu s aproximací tvaru kroupy sféroidem a odpovídajícím přibližným vyjádřením sběrové účinnosti. V režimu suchého růstu zahrnujeme do růstové rovnice zachycování kapek i růst difuzní. V režimu mokrého růstu je velmi obtížné odhadnout frakci zachycené vody, která se opět odstříkne z povrchu kroupy. V podstatě neřešitelným problémem při modelování růstu krup je vliv nesymetrického tvaru kroupy na její pohyb. Rotační nebo precesní sekundární pohyby padající kroupy je obtížné parametrizovat. Model růstu kroupy musí zahrnout i tepelnou bilanci růstového procesu. Latentní teplo, které se uvolňuje při mrznutí zachycené vody, způsobuje, že teplota rostoucí kroupy může být až o několik stupňů vyšší než teplota oblačného vzduchu. Popis růstu krup musí zahrnout výpočet teploty povrchu kroupy, kterou určíme na základě tepelné bilance rostoucí kroupy, kapek a okolního vzduchu. Nejjednodušší popis, který předpokládá sférický tvar kroupy a zahrnuje i v zásadě nepodstatnou rychlost růstu kroupy depozicí vodní páry, je možné shrnout následujícím způsobem. Rychlost ohřevu kroupy při zachycování přechlazené vody můžeme vyjádřit vztahem