Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 19 – vyšlo 15. června, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

19/2018

Šepot tornáda

Rudolf Mentzl

Rozmar přírody tomu někdy chce, aby se prérií hnal při zemi teplý vlhký vítr a proti němu ve vyšších polohách postupoval proud studeného vzduchu. Je zřejmé, že taková srážka skončí vodorovným rotujícím vzdušným válcem. Pokud k tomuto jevu dojde v bouřkové zóně, nejlépe těsně pod oblakem, je na neštěstí zaděláno. Konvektivní proudy zdvihnou rotující vzdušný válec ještě výše, otočí do svislé polohy a uvnitř vznikne prudký vír. Je-li vzduch dostatečně vlhký, začne voda díky sníženému tlaku kondenzovat, vír se zviditelní a začne klesat. Ve chvíli, kdy se dotkne zemského povrchu, můžeme tento jev nazývat tornádoTornádo – prudký atmosférický vír vznikající pod konvektivními bouřemi. O tornádu mluvíme teprve ve chvíli, kdy se spodní část dotkne země. Ničivé účinky každoročně způsobují velké množství materiálních škod i oběti na životech. Nejčastěji se vyskytuje v severoamerických prériích a na jihu Kanady. Objevit se však může v bouřích po celém světě..

Prst tornáda ryje do zemského povrchu několik set metrů širokou a desítky kilometrů dlouhou brázdu, silným podtlakem trhá asfalt ze silnice, aby ho pak vystřelil do nebe rychlostí několika desítek až stovek metrů za sekundu. V oblastech proslulých častými výskyty tornáda je výzkum tohoto jevu z pochopitelných důvodů na prvním místě. Včasná výstraha může zachránit životy a minimalizovat hmotné škody.

Tornádo. Zdroj: Jason Persoff/ALAMY.

Tornádo – prudký atmosférický vír vznikající pod konvektivními bouřemi. O tornádu mluvíme teprve ve chvíli, kdy se spodní část dotkne země. Ničivé účinky každoročně způsobují velké množství materiálních škod i oběti na životech. Nejčastěji se vyskytuje v severoamerických prériích a na jihu Kanady. Objevit se však může v bouřích po celém světě. Tuba – atmosférický vír nehorizontálního charakteru, který se nedotýká povrchu země. Poklesne-li v tubě tlak pod rosný bod, zviditelní se zkondenzovanými vodními parami. Ve chvíli, kdy se dotkne země, získává název tromba. Infrazvuk – zvukové vlny s frekvencí nižší než 16 Hz, které nejsou slyšitelné lidským uchem. NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration. Americká federální organizace pro sledování oceánů a atmosféry. Její kořeny sahají až do roku 1807. Dnes má za úkol nejenom sledování počasí a klimatických změn, ale i výzkum kosmického počasí, vztahu Země a Slunce a výzkum oceánů. K tomu využívá NOAA velké množství družic.

Zvuk bouře

Koho kdy zastihla v otevřené krajině bouře, jistě zaznamenal její akustické projevy. Jejich podrobné studium se v posledních letech stává úspěšně rozvíjejícím se oborem. Dlouhodobé studie amerického Národního úřadu pro oceán a atmosféruNOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration. Americká federální organizace pro sledování oceánů a atmosféry. Její kořeny sahají až do roku 1807. Dnes má za úkol nejenom sledování počasí a klimatických změn, ale i výzkum kosmického počasí, vztahu Země a Slunce a výzkum oceánů. K tomu využívá NOAA velké množství družic. ukazují na charakteristické zvukové podpisy různých typů bouří. Od poloviny devadesátých let pak úspěšně detekují akustické frekvence pod prahem slyšitelnosti. V roce 2014 byl k detekci akustických vln tornáda využit velký laserový interferometr. Následnou Fourierovou analýzouFourierova transformace – integrální transformace, která skládá neperiodický signál ze sinů a kosinů (resp. kmitavých komplexních exponenciál), v případě prostoročasu z rovinných vln. Původní signál (vzor) je integrálem všech parciálních signálů (obrazů). Transformace probíhá buď mezi časovou a frekvenční oblastí, nebo mezi prostoročasem a k-prostorem daným vlnovým čtyřvektorem. byly potvrzeny zvukové vlny o frekvenci 0,94 Hz. Důležité je, že ve všech sledovaných případech se infrazvukInfrazvuk – zvukové vlny s frekvencí nižší než 16 Hz, které nejsou slyšitelné lidským uchem. objevil minimálně 30 minut před okamžikem, kdy se vzdušný vír dotkl povrchu Země. Od té doby se naslouchání infrazvuku stalo součástí včasných předpovědí atmosférických jevů, tornáda nevyjímaje. Nevýhodou současných metod je velké množství (až 75 %) falešných poplachů. Mnohdy se navzdory všem předpovědím tubaTuba – atmosférický vír nehorizontálního charakteru, který se nedotýká povrchu země. Poklesne-li v tubě tlak pod rosný bod, zviditelní se zkondenzovanými vodními parami. Ve chvíli, kdy se dotkne země, získává název tromba. nedotkne země, nebo se dokonce ani nevyvine.

Přes všechny dosavadní problémy se dá považovat analýza infrazvuků za nadějnou cestu. Zvuky takovýchto frekvencí podléhají minimálnímu útlumu a dají se detekovat i na vzdálenosti tisíců kilometrů, což badatelé jen přivítají, zvláště v případě takových jevů, jako je tornádo. Na 175. zasedání Americké akustické společnosti představil Brian Elbing se svým týmem z Oklahomské univerzity způsob měření, který by mohl tento stav změnit. Jeho metoda vychází z představy, jak akustické vlny vznikají. Podle Briana Elbiga prudká rotace víru spolu s jeho drobnými nepravidelnostmi způsobuje oscilace v radiálním i axiálním směru. Ty se dále šíří vzduchem jako nízkofrekvenční akustická vlna.

Schematické znázornění představy vzniku infrazvuku. Zdroj: Brian Elbing.

Zařízení Elbigova týmu si dělá ambice zachytit a dekódovat zvuky vznikajících tornád až na vzdálenosti stovek kilometrů, a tak eliminovat velké množství falešných poplachů. Konstrukce není složitá. V podstatě se jedná o tři mikrofony umístěné ve vrcholech rovnostranného trojúhelníku o straně cca 60 metrů. Důležitá je velikost mikrofonu. Pro zachycení tak hlubokých frekvencí jsou zapotřebí mohutná zařízení. Druhým slabým místem je eliminace šumu způsobeného obyčejným větrem. Řešení je kupodivu poměrně jednoduché. Akustické vlny tornáda jsou díky své velké vzdálenosti koherentní a všechny mikrofony je zaznamenávají v podstatě ve stejné podobě, pouze s malým časovým posunem způsobeným jejich geometrickým rozmístěním. Vliv větru je na každý mikrofon jiný a lze ho tedy snadno odfiltrovat. Z časového posunu zvukového signálu na jednotlivých detektorech lze určit i směr, ve kterém se tornádo nachází.

Brian Elbig rozmístil infrazvukové detektory na střeše této budovy.
Zdroj: Collin Boettcher.

Důmyslná konstrukce této dvanáctiramenné chobotnice dokáže potlačit vliv nekoherntních prostorových turbulencí až o 20 dBDecibel – logaritmická míra útlumu, kterou zavedli v roce 1923 inženýři Bellových telefonních laboratoří. Útlum v decibelech je definován jako 10 log(I/I₀). Dnes se tato jednotka využívá i pro logaritmickou míru poměru nejrůznějších dalších veličin, například akustického tlaku.. Ke konstrukci je použita obyčejná zahradní hadice, což snižuje náklady na minimum.

Pokud se Elbigova metoda uchytí, znamenalo by to malou revoluci v předpovědích tornád. Z naměřených dat vyplývá, že je možné předpovědět tornádo dokonce ještě 10 minut před zformováním tubyTuba – atmosférický vír nehorizontálního charakteru, který se nedotýká povrchu země. Poklesne-li v tubě tlak pod rosný bod, zviditelní se zkondenzovanými vodními parami. Ve chvíli, kdy se dotkne země, získává název tromba..

Infrazvuk zachycený při vývoji tornáda dne 11. 5. 2017. 1) Slabá aktivita před bouří. 2) Doba, kdy bylo detekováno tornádo. 3) Pokles aktivity. 4) Další nárůst aktivity infrazvuku ukazuje na další možné tornádo, které však nebylo potvrzeno. 5) Konec bouře. Zdroj: Brian Elbing.

Tornáda v Čechách?

Česká kotlina je na výskyt tornád naštěstí velice chudá. To však neznamená, že by tu nemohla vzniknout. Sběru informací o tornádechTornádo – prudký atmosférický vír vznikající pod konvektivními bouřemi. O tornádu mluvíme teprve ve chvíli, kdy se spodní část dotkne země. Ničivé účinky každoročně způsobují velké množství materiálních škod i oběti na životech. Nejčastěji se vyskytuje v severoamerických prériích a na jihu Kanady. Objevit se však může v bouřích po celém světě. se věnuje Český hydrometeorologický ústavČHMÚ – Český hydrometeorologický ústav. Ústav vznikl v roce 1920 rozhodnutím ministerské rady Československé republiky, jímž byl vytvořen československý Státní ústav meteorologický. Spojením tohoto ústavu s hydrologií v roce 1954 vznikl dnešní hydrometeorologický ústav. V souvislosti s růstem významu ochrany životního prostředí byl v roce 1967 do ústavu začleněn třetí obor – ochrana čistoty ovzduší. a Amatérská meteorologická společnost – o. s. Zpozorovat tornádo může každý a o své pozorování se pak může podělit prostřednictvím kontaktního formuláře. Naváže tak na tradici sahající až do roku 1119. Tenkrát ještě kontaktní formuláře nebyly, a tak záznam nalezneme v Kosmově kronice české:

Dne 30. července ve středu, když se již den chýlil k večeru, prudký vichr, ba sám satan v podobě víru, udeřiv náhle od jižní strany na knížecí palác na hradě Vyšehradě, vyvrátil od základů starou a tedy velmi pevnou zeď, a tak – což jest ještě podivnější zjev – kdežto, obojí strana, přední i zadní, zůstala celá a neotřesená, střed paláce byl až k zemi vyvrácen a rychleji, než by člověk přelomil klas, náraz větru polámal hořejší a dolejší trámy i s domem samým na kousky a rozházel je. Tato vichřice byla tak silná, že kdekoliv zuřila, v této zemi svou prudkostí vyvrátila lesy, štěpy a vůbec vše, co jí stálo v cestě.

Odkazy