K letním měsícům patří noční svítící oblaka. Co ovlivňuje jejich výskyt?
S létem na severní polokouli se pojí výskyt tzv. nočních svítících oblak (NLC z angl. noctilucent clouds). Jedná se o velmi tenké oblaky, které se vyskytují v horní části mezosféry ve výškách od 75 do 90 km. Svým vzhledem připomínají stříbřitou až namodralou světélkující pavučinu na tmavém pozadí noční oblohy (Obr. 1). Výskyt NLC je relativně vzácný, na severní polokouli je lze v letních měsících pozorovat v severní části oblohy v rozmění od 50° do 75° s. š. Oblačnost je nasvěcována Sluncem, které už se nachází 5° až 13° pod obzorem. NLC se většinou pohybují od východu na západ rychlostí od 50 do 250 m/s. Na území České republiky lze většinou tuto oblačnost pozorovat od poloviny června do poloviny července, avšak vyskytnou se může už na konci května nebo začátku srpna. V dnešním článku si blíže rozebereme, jak tato oblačnost vzniká a pro je její výskyt omezen pouze na letní měsíce na obou polokoulích.
Obr. 1 Noční svítící oblaka zachycená dne 5. 7. 2020, zdroj: David Gorný
Složení a podmínky pro vznik NLC
NLC se skládají z drobných ledových krystalků o průměru až 100 nm a nacházejí se ve výšce přibližně 76 až 85 km, čímž se jedná o nejvýše položená oblaka v zemské atmosféře. Ledové krystalky se v horní mezosféře vytvářejí depozicí vodní páry. Ta se sem může dostávat turbulentní difuzí ze spodních částí atmosféry nebo zde vzniká přímou syntézou z kyslíku a vodíku pod vlivem velmi krátkovlnných složek slunečního záření. Vodní ve vyšších vrstvách atmosféry vzniká také reakcí metanu s hydroxylovými radikály. Obecně tak k vzniku potřebují NLC vodní páru, prachové částice a velmi nízké teploty. Předpokládá se, že prach pochází z kosmu nebo z erupcí sopek a obecně z troposféry.
Mezosféra obsahuje velmi málo vlhkosti, z čehož vyplývá, že ledové krystalky se mohou tvořit pouze při teplotách pod přibližně -120 °C. Tyto podmínky nastávají převážně v létě, kdy je mezosféra nejchladnější v důsledku sezónně proměnlivých vertikálních větrů. V létě totiž převažuje vzestupné proudění, což vede k adiabatickému ochlazování. Naopak v zimním období se v mezosféře vyskytuje sestupné proudění, které způsobuje adiabatický ohřev a zamezuje tak vzniku ledových krystalků a tedy NLC. Noční svítící oblaka se tvoří většinou v blízkosti polárních oblastí kvůli nejnižším teplotám horní mezosféry v letním období.
NLC se mohou vytvářet po startu rakety
Bylo zjištěno, že výfukové plyny z raketoplánů, které do horní mezosféry mohou dodávat vodní páru a kondenzační jádra, mohou vést k vzniku NLC. Například v srpnu 2014 způsobila raketa Falcon 9 společnosti SpaceX po startu noční svítící oblaka nad Orlandem na Floridě (Obr. 2).
Obr. 2 NLC asi 90 minut po startu rakety společnosti SpaceX v Orlandu na Floridě pozorované 3. srpna 2014, zdroj: spaceweather.com
Studie Stevens a kol. (2012) studovala výfukové plyny ze startu rakety Atlantis z Kennedyho vesmírného střediska 8. července 2011. Stejně jako u většiny startů raket, motory během svého výstupu na oběžnou dráhu injektovaly přibližně 350 tun vodní páry do atmosféry. Pohyb těchto výfukových plynů byl sledován pomocí satelitních a pozemních měření a bylo zjištěno, oblak vodní páry z raketoplánu se rozprostřel horizontálně do všech směrů na vzdálenost 3000 až 4000 km za 18 h. Část oblaku dosáhla severní Evropy za 21 h a vytvořila NLC, která byla jasnější než 99 % všech NLC pozorovaných v této oblasti. Pozemní pozorování těchto NLC ukázala, že velikost ledových částic (35 až 75 nm) a výška (82,8 km) se významně neliší od typických NLC. Pozorování dále ukázala, že menší částice byly ve spodní části NLC a větší částice v horní části, s velikostí částic 70 nm nad 84 km.
Možný vliv sluneční aktivity na NLC
Ultrafialové záření ze Slunce rozkládá molekuly vody, čímž snižuje množství vody dostupné pro tvorbu nočních svítících oblak. Sluneční aktivita vykazuje přibližně 11leté cykly (tzv. Schwabeho sluneční cyklus). Období nejvyšší sluneční aktivity se označují jako sluneční maxima a jsou charakterizovány vyšším počtem slunečních skvrn, naproti tomu období nejnižší aktivity se označují jako sluneční minima.
Studie naznačují, že v průběhu slunečního maxima dochází ke zvýšení polární mezosférická teploty a molekuly vody se ve větší míře rozkládají (fotodisociace). Během slunečního maxima by se tak NLC měla vytvářet méně. Před rokem 1990 existovala jasná antikorelace mezi slunečním indexem a frekvencí NLC (tedy vyšší sluneční aktivita znamenala méně NLC). Po roce 2000 však tato závislost mizí. Podle některých studií by pozorovaná antikorelace před rokem 1990 mohla být falešným signálem v důsledku sopečných erupcí nebo úbytku ozonové vrstvy. Nevýznamná korelace po roce 2000 by pak mohla být falešným signálem způsobeným například injektováním výfukových plynů a vodních par z raket, jak jsme diskutovali výše.
NLC lze pozorovat také na jižní polokouli. Takto vypadají v oblasti antarktického poloostrova zachycené Michaelem Matějkou, zdroj: Český antarktický výzkumný program
Vliv změny klimatu a budoucí vývoj NLC
Studie Yu a kol. (2023) naznačuje, že budoucí vývoj NLC je velmi citlivý na budoucí emise skleníkových plynů a z nich vyplývající globální změny klimatu. Větší množství emisí metanu povede ke zvýšení koncentrací vodní páry ve vyšších vrstvách atmosféry, protože metan zde reaguje s hydroxylovými radikály za vzniku vody. Více emisí skleníkových plynů může také posílit tropickou konvekci a tím zvýšit teplotu tropické tropopauzy, což umožní většímu množství vodní páry pronikat do vyšších vrstev atmosféry. Tyto změny v koncentraci vodních par by vedly větší frekvenci výskytu NLC, zejména nad polárními oblastmi. Emise skleníkových plynů povedou rovněž i k ochlazení střední atmosféry (kde se NLC vyskytují), což způsobí výskyt NLC i v oblastech, kde se dříve nevyskytovaly, například v nižších zeměpisných šířkách.
Časová řada zobrazuje (a) množství vodní páry vzniklé oxidací metanu (H2O_fromCH4) a (b) množství vodní páry vstupující do stratosféry (H2O_entry) ve výšce odpovídající tlaku 0,01 hPa, zprůměrované pro oblast 65°–90° s. š.. Dále je znázorněna (c) koncentrace metanu v oblasti tropické tropopauzy a (d) průměrná teplota v tlakové hladině kolem 87 hPa, zprůměrovaná mezi 10° severní a 10° jižní šířky. Údaje pokrývají období 2015–2100. Jednotlivé scénáře emisního vývoje jsou označeny barevně: modře SSP1-2.6, oranžově SSP2-4.5, zeleně SSP3-7.0 a červeně SSP5-8.5. Přerušované čáry představují lineární trendy (regresní přímky), zdroj: agupubs.onlinelibrary.wiley.com
Obr. 4 ukazuje, že při horších klimatických scénářích (SSP3 a SSP5) bude docházet k přibývání vodních par v horní polární mezosféře a mezopauze do roku 2100. Dochází k nárůstu vodních par v důsledku chemických reakcí s metanem (Obr. 4a) a rovněž i k nárůstu vodních par, které vstupují do vyšších vrstev atmosféry přes tropopauzu (Obr. 4b). V případě příznivějších klimatických scénářů bude docházet k úbytku vodních par vzniklých oxidací metanu, což by bylo pravděpodobně způsobeno úbytkem emisí metanu v troposféře (což souhlasí s úbytkem koncentrací metanu v oblasti tropické tropopauzy – Obr. 4c). Poslední Obr. 4d ukazuje vývoj teplot v oblasti tropické tropopauzy v závislosti na jednotlivých klimatických scénářích, přičemž k nejvyššímu nárůstu dochází v případě SSP5.
Pro shrnutí bude výskyt NLC záviset na množství antropogenních emisí, které budou vypouštěny do atmosféry. Významný vliv na četnost výskytu NLC budou mít také výfukové plyny z raket, které do horní mezosféry přinášejí vodní páru a kondenzační jádra a způsobují vznik NLC.
Obr. 1 Noční svítící oblaka zachycená dne 5. 7. 2020, zdroj: David Gorný
Složení a podmínky pro vznik NLC
NLC se skládají z drobných ledových krystalků o průměru až 100 nm a nacházejí se ve výšce přibližně 76 až 85 km, čímž se jedná o nejvýše položená oblaka v zemské atmosféře. Ledové krystalky se v horní mezosféře vytvářejí depozicí vodní páry. Ta se sem může dostávat turbulentní difuzí ze spodních částí atmosféry nebo zde vzniká přímou syntézou z kyslíku a vodíku pod vlivem velmi krátkovlnných složek slunečního záření. Vodní ve vyšších vrstvách atmosféry vzniká také reakcí metanu s hydroxylovými radikály. Obecně tak k vzniku potřebují NLC vodní páru, prachové částice a velmi nízké teploty. Předpokládá se, že prach pochází z kosmu nebo z erupcí sopek a obecně z troposféry.
Mezosféra obsahuje velmi málo vlhkosti, z čehož vyplývá, že ledové krystalky se mohou tvořit pouze při teplotách pod přibližně -120 °C. Tyto podmínky nastávají převážně v létě, kdy je mezosféra nejchladnější v důsledku sezónně proměnlivých vertikálních větrů. V létě totiž převažuje vzestupné proudění, což vede k adiabatickému ochlazování. Naopak v zimním období se v mezosféře vyskytuje sestupné proudění, které způsobuje adiabatický ohřev a zamezuje tak vzniku ledových krystalků a tedy NLC. Noční svítící oblaka se tvoří většinou v blízkosti polárních oblastí kvůli nejnižším teplotám horní mezosféry v letním období.
NLC se mohou vytvářet po startu rakety
Bylo zjištěno, že výfukové plyny z raketoplánů, které do horní mezosféry mohou dodávat vodní páru a kondenzační jádra, mohou vést k vzniku NLC. Například v srpnu 2014 způsobila raketa Falcon 9 společnosti SpaceX po startu noční svítící oblaka nad Orlandem na Floridě (Obr. 2).
Obr. 2 NLC asi 90 minut po startu rakety společnosti SpaceX v Orlandu na Floridě pozorované 3. srpna 2014, zdroj: spaceweather.com
Studie Stevens a kol. (2012) studovala výfukové plyny ze startu rakety Atlantis z Kennedyho vesmírného střediska 8. července 2011. Stejně jako u většiny startů raket, motory během svého výstupu na oběžnou dráhu injektovaly přibližně 350 tun vodní páry do atmosféry. Pohyb těchto výfukových plynů byl sledován pomocí satelitních a pozemních měření a bylo zjištěno, oblak vodní páry z raketoplánu se rozprostřel horizontálně do všech směrů na vzdálenost 3000 až 4000 km za 18 h. Část oblaku dosáhla severní Evropy za 21 h a vytvořila NLC, která byla jasnější než 99 % všech NLC pozorovaných v této oblasti. Pozemní pozorování těchto NLC ukázala, že velikost ledových částic (35 až 75 nm) a výška (82,8 km) se významně neliší od typických NLC. Pozorování dále ukázala, že menší částice byly ve spodní části NLC a větší částice v horní části, s velikostí částic 70 nm nad 84 km.
Možný vliv sluneční aktivity na NLC
Ultrafialové záření ze Slunce rozkládá molekuly vody, čímž snižuje množství vody dostupné pro tvorbu nočních svítících oblak. Sluneční aktivita vykazuje přibližně 11leté cykly (tzv. Schwabeho sluneční cyklus). Období nejvyšší sluneční aktivity se označují jako sluneční maxima a jsou charakterizovány vyšším počtem slunečních skvrn, naproti tomu období nejnižší aktivity se označují jako sluneční minima.
Studie naznačují, že v průběhu slunečního maxima dochází ke zvýšení polární mezosférická teploty a molekuly vody se ve větší míře rozkládají (fotodisociace). Během slunečního maxima by se tak NLC měla vytvářet méně. Před rokem 1990 existovala jasná antikorelace mezi slunečním indexem a frekvencí NLC (tedy vyšší sluneční aktivita znamenala méně NLC). Po roce 2000 však tato závislost mizí. Podle některých studií by pozorovaná antikorelace před rokem 1990 mohla být falešným signálem v důsledku sopečných erupcí nebo úbytku ozonové vrstvy. Nevýznamná korelace po roce 2000 by pak mohla být falešným signálem způsobeným například injektováním výfukových plynů a vodních par z raket, jak jsme diskutovali výše.
NLC lze pozorovat také na jižní polokouli. Takto vypadají v oblasti antarktického poloostrova zachycené Michaelem Matějkou, zdroj: Český antarktický výzkumný program
Vliv změny klimatu a budoucí vývoj NLC
Studie Yu a kol. (2023) naznačuje, že budoucí vývoj NLC je velmi citlivý na budoucí emise skleníkových plynů a z nich vyplývající globální změny klimatu. Větší množství emisí metanu povede ke zvýšení koncentrací vodní páry ve vyšších vrstvách atmosféry, protože metan zde reaguje s hydroxylovými radikály za vzniku vody. Více emisí skleníkových plynů může také posílit tropickou konvekci a tím zvýšit teplotu tropické tropopauzy, což umožní většímu množství vodní páry pronikat do vyšších vrstev atmosféry. Tyto změny v koncentraci vodních par by vedly větší frekvenci výskytu NLC, zejména nad polárními oblastmi. Emise skleníkových plynů povedou rovněž i k ochlazení střední atmosféry (kde se NLC vyskytují), což způsobí výskyt NLC i v oblastech, kde se dříve nevyskytovaly, například v nižších zeměpisných šířkách.
Časová řada zobrazuje (a) množství vodní páry vzniklé oxidací metanu (H2O_fromCH4) a (b) množství vodní páry vstupující do stratosféry (H2O_entry) ve výšce odpovídající tlaku 0,01 hPa, zprůměrované pro oblast 65°–90° s. š.. Dále je znázorněna (c) koncentrace metanu v oblasti tropické tropopauzy a (d) průměrná teplota v tlakové hladině kolem 87 hPa, zprůměrovaná mezi 10° severní a 10° jižní šířky. Údaje pokrývají období 2015–2100. Jednotlivé scénáře emisního vývoje jsou označeny barevně: modře SSP1-2.6, oranžově SSP2-4.5, zeleně SSP3-7.0 a červeně SSP5-8.5. Přerušované čáry představují lineární trendy (regresní přímky), zdroj: agupubs.onlinelibrary.wiley.com
Obr. 4 ukazuje, že při horších klimatických scénářích (SSP3 a SSP5) bude docházet k přibývání vodních par v horní polární mezosféře a mezopauze do roku 2100. Dochází k nárůstu vodních par v důsledku chemických reakcí s metanem (Obr. 4a) a rovněž i k nárůstu vodních par, které vstupují do vyšších vrstev atmosféry přes tropopauzu (Obr. 4b). V případě příznivějších klimatických scénářů bude docházet k úbytku vodních par vzniklých oxidací metanu, což by bylo pravděpodobně způsobeno úbytkem emisí metanu v troposféře (což souhlasí s úbytkem koncentrací metanu v oblasti tropické tropopauzy – Obr. 4c). Poslední Obr. 4d ukazuje vývoj teplot v oblasti tropické tropopauzy v závislosti na jednotlivých klimatických scénářích, přičemž k nejvyššímu nárůstu dochází v případě SSP5.
Pro shrnutí bude výskyt NLC záviset na množství antropogenních emisí, které budou vypouštěny do atmosféry. Významný vliv na četnost výskytu NLC budou mít také výfukové plyny z raket, které do horní mezosféry přinášejí vodní páru a kondenzační jádra a způsobují vznik NLC.
Encyklopedie počasí
Přečtěte si další články z naší rozsáhlé encyklopedie počasí, která shrnuje poznatky o meteorologii a počasí. Pochopíte řadu základních meteorologických prvků a způsob vytváření předpovědí počasí.
