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
kúpa časopisov jún 2016
fotografická súťaž TVT 2019
Noc výskumníkov 2019
QUARK
Aurelium - centrum vedy
TVT 2019
Prechod VK na VND - jeseň
výtvarná súťaž TVT 2019
Veda v Centre
Publikácie Veda v CENTRE
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Agrofilm 2019
Zaujímavosti vo vede
Acelulárne dermálne náhrady sú kožné transplantáty úplne zbavené buniek.
Zistite viac