Meteorológia – fyzika atmosféry

25. júl. 2018 • Fyzikálne vedy

Meteorológia – fyzika atmosféry

Mnohí sa rozprávajú o počasí, len aby reč nestála. My sme sa zhovárali o počasí s meteorologičkou Luciou Sokolovou, aby sme sa dozvedeli, ako vznikajú predpovede.

QUARK: Predpoveď počasia nie vždy vyjde. Do akej miery sa teda dá o meteorológii hovoriť ako o vede?

L. SOKOLOVÁ: Ľudia sa stretávajú najmä s výsledným produktom meteorológie, ktorým je predpoveď počasia. Aby však vôbec vznikla a mohol ju niekto prezentovať, za tým je množstvo práce, aj vedeckej.

QUARK: Od akých čias hovoríme o meteorológii ako o vede?

L. SOKOLOVÁ: Ak nerátam onú známu vetu ... už v starovekom Egypte, Perzii, Číne..., tak začiatok modernej meteorológie môžeme datovať do 17. storočia. V jeho začiatku Galileo Galilei zostrojil prvý kvapalinový teplomer a v roku 1643 Evangelista Torricelli uskutočnil prvé meranie atmosférického tlaku pomocou hydrostatického tlaku ortuti. Od 18. a 19. storočia sú známe princípy, ktorým atmosféra podlieha. Keďže je zmesou plynov, ide v podstate o zákony zachovania pre plynné kontinuum. Tieto princípy definovali aj matematicky – sú zapísané vo forme parciálnych nelineárnych diferenciálnych rovníc. Ide o zložité rovnice, ktoré sa nedajú riešiť analyticky, robí sa to numerickými metódami, pričom to uľahčil až rozvoj výpočtovej techniky.

Keďže z hľadiska fyziky je atmosféra nelineárnym dynamickým systémom, hovoríme, že deje v nej podliehajú tzv. deterministickému chaosu.

QUARK: Čo si máme pod tým predstaviť?

L. SOKOLOVÁ: Procesy v atmosfére sú citlivé na počiatočné podmienky, sú do istej miery chaotické a javia sa ako náhodné. Na druhej strane sú však i čiastočne deterministické – podliehajú zákonom, systém ich fungovania je dobre definovaný a neobsahuje nijaké náhodné parametre. Jednotlivé meteorologické prvky ako teplota, tlak či vlhkosť vzduchu sú navzájom previazané a úzko spolu súvisia. Citlivosť atmosféry na počiatočné podmienky má však významný vplyv na úspešnosť odhadu jej budúceho stavu. Jednoduchšie povedané, z podmienok nameraných v atmosfére v konkrétnom čase sa na základe fyzikálnych zákonov vieme deterministicky posunúť smerom dopredu. Inými slovami – dokážeme vypočítať, čo by sa malo diať o niekoľko minút, hodín – a s veľkou pravdepodobnosťou to bude dobré, ale len na pomerne krátke obdobie dopredu. Vieme totiž, že to, čo máme namerané ako naše počiatočné podmienky, nie je stopercentná informácia o reálnom stave atmosféry. Merania majú spravidla nejakú chybu a už len malá chybička vnesená do predpovedného modelu v začiatku, môže na obdobie niekoľkých dní dopredu znamenať veľkú odchýlku výpočtu od reality.

blesk; zdroj: Pixabay.com

QUARK: Aký je postup pri vytváraní predpovedí počasia?

L. SOKOLOVÁ: Predpoveď počasia stojí v podstate na štyroch pilieroch. Prvým sú merania a pozorovania. Potrebujeme poznať aktuálny stav atmosféry, aby sme mali z čoho vychádzať. Štandardne ide o teplotu, tlak, vlhkosť vzduchu, smer a rýchlosť vetra – to sú základné parametre. No je dôležité získať jednotlivé hodnoty nielen pre vzduch v blízkosti zemského povrchu, ale aj vo vyšších vrstvách ovzdušia. To vieme zisťovať tzv. aerologickými meraniami, resp. sondážami. Zložitejšími prístrojmi, ako sú meteorologické rádiolokátory a družice, nepriamym spôsobom meriame odvodené veličiny – napríklad odrazivosť či jasovú teplotu. Javy, na meranie ktorých nie sú prístroje, pozorujeme – ide o typ zrážok, druh oblakov, množstvo oblohy pokrytej oblakmi a podobne.

QUARK: V čom spočíva druhý pilier?

L. SOKOLOVÁ: Ten môžeme označiť za vedomostný, či ešte lepšie – za aplikáciu vedy. Ide o využitie zákonov fyziky, ktorým podlieha atmosféra.

Tretí pilier predstavuje spojenie prvých dvoch, hovoríme o numerickom predpovedaní počasia. Ide o počítačové modely, ktorými simulujeme budúci vývoj atmosféry. Deje sa to v superpočítačoch, pretože predpovedné modely atmosféry sú vlastne veľmi rozsiahle počítačové programy. Len na ilustráciu – vytlačený kód takého počítačového programu by vydal na niekoľko kníh Harryho Pottera. Obrovské množstvo čísel z prvého piliera sa vkladá v počiatočných podmienkach do predpovedného modelu, čo je tretí pilier, v ktorom sú relevantné fyzikálne rovnice z druhého piliera, a v nasledujúcich časových krokoch dochádza k vyrátaniu ďalších a ďalších čísel.

QUARK: A štvrtý pilier?

L. SOKOLOVÁ: Po niekoľkých hodinách počítania nám superpočítač poskytne výstupy – predpovedné materiály, čo sú spravidla rôznorodé mapy a grafy. Štvrtý pilier predstavuje finalizácia – tvorba samotnej predpovede meteorológom, ktorý jednotlivé výstupy predpovedného modelu analyzuje, posudzuje a môže ich aj opraviť.

dáždniky; zdroj: Pixabay.com

QUARK: Človek opravuje po superpočítači...?

L. SOKOLOVÁ: Niektoré chyby modelov sú totiž systematické a tie sa dajú pomerne jednoducho opraviť. Meteorológ by to však fyzicky nemal šancu spraviť pre všetky predpovedné body v rámci pravidelnej siete modelu, preto sa to robí štandardne plošne – vo forme textovej predpovede. A vlastne aj vo výstrahách. To sú v podstate tiež plošné predpovede, špeciálne pre výskyt nebezpečných meteorologických javov.

 

Mgr. Lucia Sokolová sa po absolvovaní vysokoškolského štúdia na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave v odbore fyzika – meteorológia a klimatológia v roku 2005 naplno začlenila do kolektívu synoptických meteorológov odboru meteorologických predpovedí a výstrah Centra predpovedí a výstrah SHMÚ. Zúčastnila sa viacerých odborných seminárov, konferencií a workshopov v zahraničí, najmä na tému nebezpečných prejavov počasia spojených s konvekciou a možného zlepšenia ich predpovedania.

 

Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku.

Ilustračné foto: Pixabay.com

Uverejnila: VČ

 

Rozhovor o meteorológii – fyzike atmosféry, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 07/2018), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.

Súvisiace:

Hore
Noc výskumníkov 2019
kúpa časopisov jún 2016
Atmosféra počas TVT 2018
TVT 2019
Publikácie Veda v CENTRE
výtvarná súťaž TVT 2019
Aurelium - centrum vedy
Vedec roka 2018
QUARK
Prechod VK na VND - leto
fotografická súťaž TVT 2019
TVT 2018 články
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Murárik červenokrídly (operenec) sa dokáže šplhať po strmých skalných stenách.
Zistite viac