Zemská gravitace formuje i oblačnost, vědci hovoří o gravitačních vlnách
Gravitační vlny – pojem, který většina lidí zná ve spojení s černými dírami ve vesmíru, případně Einsteinem a teorií relativity. Jenže i v meteorologii hovoříme o gravitačních vlnách. Tyto gravitační vlny souvisejí se zemskou gravitací, a i když zpravidla nemají vliv na počasí nad rozsáhlými oblastmi, v lokálním měřítku se můžou projevit mimo jiné vznikem typických oblačných tvarů. Většinou ale jejich výskyt není vizuálně nijak patrný.
Základním předpokladem pro vznik gravitačních vln je stabilní atmosféra, tedy taková situace, kdy teplota vzduchu klesá s výškou pomaleji než o 1 °C na 100 metrů. Pokud v takovém případě vychýlíme část vzduchu do větší výšky, bude mít tendenci se vrátit zpátky, přitom dojde k rozkmitání vzduchu a ke vzniku vln (uplatní se ještě Archimédovské vztlakové síly působící proti poklesu vzduchu). Je to podobné, jak když hodíme kámen do vody – od něj se vytvoří vlny, které se šíří do dálky. Přitom se s rostoucí vzdáleností od místa vzniku postupně zmenšují, až zaniknou úplně.
Gravitační vlny se postaraly o vznik oblačných souběžných pásů u břehů severozápadní Austrálie (patrné jsou v centrální části snímku - červeně označené), zdroj: weatherzone.com.au
V atmosféře může k takovému rozkmitání dojít například při proudění vzduchu z oceánu nad ostrov, nad kterým je vzduch nucen stoupat. Za ostrovem, v závětří, dojde vlivem zemské tíže k opětovnému poklesu vzduchu a následně vzniknou vlny uvnitř proudícího vzduchu, jejichž velikost se postupně zmenšuje. V tomto případě jde tedy o gravitační vlny v podobě vln závětrných. Podobný mechanismus se uplatňuje i při proudění přes horskou překážku.
Schéma vzniku gravitačních vln při proudění v závětří ostrova nebo při proudění přes horskou překážku, zdroj: blog.radarscope.app
Velmi vhodným prostředím pro vznik gravitačních vln jsou inverze (tedy vrstvy, ve kterých teplota vzduchu s výškou roste). Ty mají velkou stabilitu a při vzniku vln na spodní hranici této inverzní vrstvy dojde k jejich horizontálnímu šíření, přičemž jsou jen minimálně tlumeny. Pak se tedy můžou vyskytovat dlouho a zasáhnout rozsáhlejší oblast. Ve vrcholech těchto vln může při dostatečné vlhkosti rovněž dojít ke kondenzaci vodní páry, a tedy ke vzniku oblaků ve tvaru pásů. Oblaky pak nabývají charakteristickou podobu odrůdy undulatus. Ne každý oblak odrůdy undulatus znamená ale, že muselo dojít ke vzniku gravitačních vln. V případě gravitačního původu jde o periodicky se opakující oblaky, které se vytvářejí přibližně kolmo ke směru převažujícího proudění.
Typická podoba oblaků vzniklých jako výsledek gravitačních vln, zdroj: Lee Ringer
Někdy ke vzniku vln vede i výrazný střih větru, tedy velká změna směru a rychlosti větru s výškou. V takových případech se vytvářejí tzv. Kelvinovy–Helmholtzovy vlny, které také patří ke gravitačním vlnám. Oblaky v tomto případě připomínají převalující se vlny na moři, přičemž hovoříme o zvláštnosti označované jako fluctus.
Zvláštnost oblaku fluctus aneb vizualizace Kelvin-Helmholtzových vln, zdroj: cloudatlas.wmo.int
Gravitační vlny rovněž doprovázejí aktivitu konvektivních bouří, kde je vytvářejí tzv. přestřelující vrcholky kumulonimbů (vrcholky vyčnívající nad okolní oblaky). Projevují se rozvlněním horní hranice kovadliny bouře zpravidla v podobě koncentrických vln, které se šíří od jádra bouře do okolí. Tyto gravitační vlny jsou zdrojem výrazné turbulence, let v této oblasti pak může být velmi neklidný až nepříjemný. Jsou poměrně dobře pozorovatelné na snímcích z meteorologických družic.
Gravitační vlny v horní části silné konvektivní bouře nad Českem 13. 7. 2011 v podobě radiálně se šířících vln od středu bouře, zdroj: eumetrain.org
A na závěr ještě jedna terminologická poznámka – zatímco čeština nerozlišuje mezi různými typy gravitačních vln, angličtina odlišení má. U gravitačních vln v atmosféře se používá gravity waves, zatímco v souvislosti s Einsteinovou teorií relativity jde o gravitational waves.
Základním předpokladem pro vznik gravitačních vln je stabilní atmosféra, tedy taková situace, kdy teplota vzduchu klesá s výškou pomaleji než o 1 °C na 100 metrů. Pokud v takovém případě vychýlíme část vzduchu do větší výšky, bude mít tendenci se vrátit zpátky, přitom dojde k rozkmitání vzduchu a ke vzniku vln (uplatní se ještě Archimédovské vztlakové síly působící proti poklesu vzduchu). Je to podobné, jak když hodíme kámen do vody – od něj se vytvoří vlny, které se šíří do dálky. Přitom se s rostoucí vzdáleností od místa vzniku postupně zmenšují, až zaniknou úplně.
Gravitační vlny se postaraly o vznik oblačných souběžných pásů u břehů severozápadní Austrálie (patrné jsou v centrální části snímku - červeně označené), zdroj: weatherzone.com.au
V atmosféře může k takovému rozkmitání dojít například při proudění vzduchu z oceánu nad ostrov, nad kterým je vzduch nucen stoupat. Za ostrovem, v závětří, dojde vlivem zemské tíže k opětovnému poklesu vzduchu a následně vzniknou vlny uvnitř proudícího vzduchu, jejichž velikost se postupně zmenšuje. V tomto případě jde tedy o gravitační vlny v podobě vln závětrných. Podobný mechanismus se uplatňuje i při proudění přes horskou překážku.
Schéma vzniku gravitačních vln při proudění v závětří ostrova nebo při proudění přes horskou překážku, zdroj: blog.radarscope.app
Velmi vhodným prostředím pro vznik gravitačních vln jsou inverze (tedy vrstvy, ve kterých teplota vzduchu s výškou roste). Ty mají velkou stabilitu a při vzniku vln na spodní hranici této inverzní vrstvy dojde k jejich horizontálnímu šíření, přičemž jsou jen minimálně tlumeny. Pak se tedy můžou vyskytovat dlouho a zasáhnout rozsáhlejší oblast. Ve vrcholech těchto vln může při dostatečné vlhkosti rovněž dojít ke kondenzaci vodní páry, a tedy ke vzniku oblaků ve tvaru pásů. Oblaky pak nabývají charakteristickou podobu odrůdy undulatus. Ne každý oblak odrůdy undulatus znamená ale, že muselo dojít ke vzniku gravitačních vln. V případě gravitačního původu jde o periodicky se opakující oblaky, které se vytvářejí přibližně kolmo ke směru převažujícího proudění.
Typická podoba oblaků vzniklých jako výsledek gravitačních vln, zdroj: Lee Ringer
Někdy ke vzniku vln vede i výrazný střih větru, tedy velká změna směru a rychlosti větru s výškou. V takových případech se vytvářejí tzv. Kelvinovy–Helmholtzovy vlny, které také patří ke gravitačním vlnám. Oblaky v tomto případě připomínají převalující se vlny na moři, přičemž hovoříme o zvláštnosti označované jako fluctus.
Zvláštnost oblaku fluctus aneb vizualizace Kelvin-Helmholtzových vln, zdroj: cloudatlas.wmo.int
Gravitační vlny rovněž doprovázejí aktivitu konvektivních bouří, kde je vytvářejí tzv. přestřelující vrcholky kumulonimbů (vrcholky vyčnívající nad okolní oblaky). Projevují se rozvlněním horní hranice kovadliny bouře zpravidla v podobě koncentrických vln, které se šíří od jádra bouře do okolí. Tyto gravitační vlny jsou zdrojem výrazné turbulence, let v této oblasti pak může být velmi neklidný až nepříjemný. Jsou poměrně dobře pozorovatelné na snímcích z meteorologických družic.
Gravitační vlny v horní části silné konvektivní bouře nad Českem 13. 7. 2011 v podobě radiálně se šířících vln od středu bouře, zdroj: eumetrain.org
A na závěr ještě jedna terminologická poznámka – zatímco čeština nerozlišuje mezi různými typy gravitačních vln, angličtina odlišení má. U gravitačních vln v atmosféře se používá gravity waves, zatímco v souvislosti s Einsteinovou teorií relativity jde o gravitational waves.
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.
