Konvektivní bouře – pohled z vesmíru na jeden z nejkrásnějších živelních projevů

Termín bouřka souhrnně označuje elektrické, optické a akustické jevy doprovázející atmosférické výboje. My však budeme mluvit o konvektivní bouři (z lat. konvehere – dovážet, dopravovat), což je obecnější označení pro průvodní jevy související s kumulonimbem. Ten totiž bývá často provázen silným nárazovým větrem, tornády, elektrickou aktivitou, intenzivními srážkami nebo krupobitím. Každá bouřka však nemusí být vázána na konvektivní bouři, a naopak konvektivní bouře nemusí být provázena běžnou bouřkou.

Struktura konvektivních bouří

Konvektivní bouře je tvořena jednou či více bouřkovými buňkami. V každé takové buňce existují dva výrazné vertikální proudy: vzestupný a sestupný (obrázek). V raném stadiu buňky je přítomen pouze vzestupný proud, ve fázi zániku či rozpadu pouze proud sestupný. Ve vrcholném stadiu vývoje (v době zralosti buňky) se vyskytují oba proudy zároveň.

• Vzestupný proud vstupuje do bouře při zemi (nejčastěji od jihovýchodu) a prochází bouřkovou buňkou až do jejích nejvyšších hladin. V místě, kde vzestupný proud vrcholí, bývá často výrazně zvýšená horní hranice oblačnosti – vznikají přestřelující vrcholy (někdy též označované prorůstající věže nebo dóm). Vzestupný proud má ve spodních hladinách bouře charakter spojitého proudění, ve vyšších partiích se projevuje spíše jako série bublin o průměru řádově stovky metrů. Bubliny pronikají rovnovážnou hladinou horní hranice oblačnosti. Jak vysoko nad ni proniknou, to závisí na jejich energii získané během výstupu a na teplotě okolního prostředí. Od jisté výšky se bublina stává chladnější než okolí. Tím je její další vzestup brzděn, nakonec bublina klesne zpět do úrovně okolní horní hranice oblačnosti a rozteče se do okolí (tím se právě vytváří rovnovážná hladina horní hranice oblačnosti bouře). Na její místo se vzápětí tlačí další bublina. Tento proces je občas možné sledovat i ze zemského povrchu. Projevuje se jako pulzování vrcholů vzdálených bouří v intervalech kolem 7 až 15 minut. Za vhodného nasvícení se periodické roztékání bublin do okolí projeví na družicových snímcích jako téměř soustředné kruhové vlny (obrázek).
• Sestupný proud bouře začíná ve středních hladinách a k zemskému povrchu přináší chladný vlhký vzduch, zpravidla s intenzivními srážkami nebo krupobitím. Na vzhled horní hranice oblačnosti bouře však nemá přímý vliv.

  Při pohledu z vesmíru je nejvýraznější částí bouře kovadlina (název dostala podle svého tvaru). Vzniká z ledových částic vynášených vzestupnými proudy. Většinou se od jádra bouře táhne ve směru výškového proudění desítky až stovky kilometrů (viz obrázek a obrázek), ostatními směry je podstatně kratší. Tvar kovadliny závisí na rychlosti výškového proudění a postupu bouře – čím je relativní proudění vůči bouři rychlejší, tím je kovadlina protáhlejší. Na tvar kovadliny má rovněž vliv doba, po kterou je bouře aktivní – nejdéle žijící bouře mívají nejrozsáhlejší kovadliny.

Typy konvektivních bouří

Konvektivní bouře je možné dělit několika způsoby, například podle mechanizmu či místa vzniku (frontální, předfrontální, bouřka z tepla a další). Toto dělení však nic neříká o intenzitě a vnitřní struktuře bouře. Proto meteorologové dále mluví např. o velmi silných bouřích, a ty potom podle vnitřní struktury dělí ještě na multicely a supercely.

• Multicely se skládají z více buněk vzájemně se ovlivňujících tak, že výsledná bouře je výrazně silnější, než kdyby buňky existovaly nezávisle na sobě. Je ale nutné zdůraznit, že i většinu obyčejných bouří tvoří víc buněk (termín multicela by se měl používat pouze pro velmi silné bouře). Zásadní rozdíl mezi jednobuněčnou a vícebuněčnou bouří je v délce „života“. Protože životní cyklus bouřkové buňky se pohybuje v rozmezí 30 až 50 minut, nemůže být obyčejná jednobuněčná bouře delší. Naproti tomu když má bouře více buněk (navenek tvořících jednolitou bouři), může bouře trvat podstatně déle, i několik hodin (zejména u multicel).
• Supercely jsou naopak jednobuněčné bouře, přičemž „super“ se nevztahuje k jejich velikosti, nýbrž k intenzitě procesů, které v nich probíhají. Na rozdíl od obyčejné buňky rotuje supercela (resp. její jádro) kolem svislé osy. Rotace většinou začíná ve středních hladinách a šíří se jak vzhůru, tak k základně bouře. Za supercelu může být označena pouze bouře, v níž je rotace zjištěna meteorologickými radary, popřípadě vizuálně. Právě rotace jádra je jedním z činitelů zajišťujících bouři dlouhou dobu života (i několik hodin). Supercely vyvolávají nejdivočejší počasí – mimořádně silné nárazy větru, tornáda, obří kroupy nebo intenzivní přívalové srážky. Multicely a supercely mohou přecházet jedny v druhé, uvnitř multicely se může vytvořit jádro supercely, která nakonec v bouři převládne, anebo naopak kolem slábnoucí supercely vzniknou nová jádra, která již nerotují.

K sledování konvektivních bouří používají meteorologové především radary, jimiž měří rozložení radiolokační odrazivosti uvnitř bouře a v dopplerovské verzi též pole radiálních rychlostí. Radarem je možné určit vnitřní strukturu bouře – přinejmenším počet jader, která ji tvoří. Družice mají při sledování bouří jen podpůrnou roli. Jestliže pozorujeme například jediný centrální dóm, neznamená to ještě zaručeně jednobuněčnou strukturu bouře (buňky mohou být natolik blízko u sebe, že je na snímcích neodlišíme). Když ale na snímku zjistíme více vrcholů na jediné kovadlině, pak o vícebuněčné bouři není pochyb.

Konvektivní bouře z pohledu družic

Ze snímků ve viditelném a blízkém infračerveném oboru lze vyčíst informaci o složení horní hranice oblačnosti bouří. Zejména snímky pořízené při nižší výšce Slunce nad obzorem mohou díky stínům, které vrhají nepravidelnosti horní hranice oblačnosti, ledacos napovědět o výšce těchto objektů (například stín „vlečky“ na obrázku b dokazuje její vertikální oddělení od okolní horní hranice oblačnosti bouře).

Snímky bouří v tepelném pásmu poskytují informaci o teplotě horní hranice oblačnosti. Ta se může od skutečné teploty poněkud lišit vlivem vyzařovací schopnosti a částečné průsvitnosti oblačné vrstvy. Pokud však zjednodušeně předpokládáme, že se horní hranice oblačnosti chová jako fyzikálně ideální černé těleso a že tato oblačná vrstva je dostatečně opticky hustá, je možné na základě takto určené teploty a znalosti teploty okolního prostředí usuzovat na výšku horní hranice oblačnosti. Dodnes však není dost jasné, do jaké míry lze předpokládat tepelnou rovnováhu mezi horní hranicí oblačnosti konvektivních bouří a okolním prostředím (čím rychlejší je vývoj bouře, tím menší je tato tepelná rovnováha). Další problém představuje pronikání horní hranice oblačnosti nad tropopauzu (přechodnou vrstvu atmosféry mezi troposférou a stratosférou). V důsledku pokračujícího ochlazování vystupujících „bublin“ mohou být nejvyšší vrcholy bouří oproti tropopauze až o 20–30 °C chladnější. Nad tropopauzou již není možné porovnávat teplotu horní hranice oblačnosti s okolím.

Přes všechna tato úskalí existuje řada prací, jejichž autoři se snaží korelovat teplotu horní hranice oblačnosti (nebo velikost ploch horní hranice oblačnosti o jisté teplotě) s intenzitou bouří. Na tomto principu jsou též založeny metody odhadu množství srážek při konvektivních bouřích; pro svou značnou nepřesnost se však používají pouze tam, kde klasická staniční měření nebo radarová pozorování chybějí.

Tepelné snímky mohou poskytnout i nepřímé svědectví o intenzitě a struktuře bouří, a sice prostřednictvím tvaru teplotního pole. Klasickým příkladem je vzhled teplotního pole supercel. To je popisováno jako kombinace studené oblasti ve tvaru „U“ a v něm uzavřené teplé skvrny (obrázek d). Význam těchto struktur nelze přeceňovat – jejich vzhled do značné míry závisí na rychlosti relativního proudění na úrovni horní hranice oblačnosti vůči bouři. Mechanizmus vzniku studeného „U“ a s ním svázané teplé skvrny nebyl dosud zcela uspokojivě vysvětlen, i když je považován za poměrně spolehlivý indikátor supercely.

Na snímcích v pásmu 3,5 až 4 m se v denních hodinách uplatňuje jak tepelné záření, emitované snímanými objekty, tak odražené sluneční záření. I když je intenzita odraženého slunečního záření ve srovnání s viditelným nebo blízkým infračerveným pásmem již velmi slabá, přesto může být za jistých podmínek silnější než intenzita tepelné složky. Tato situace nastává například na horní hranici oblačnosti, tvořené podchlazenými kapičkami. Na horní hranici oblačnosti bouří je již celková intenzita obou složek velmi malá. V důsledku extrémně nízkých teplot horní hranice oblačnosti (–50 až –70 °C) je totiž tepelné vyzařování vrcholů bouří pro družicové senzory téměř zanedbatelné. Rovněž odražená sluneční složka je za normálních podmínek velmi slabá – krystalky ledu, tvořící horní hranice oblačnosti bouří, se v tomto pásmu již chovají jako téměř dokonale černé těleso, a tedy téměř žádné záření neodrážejí. Proto jsou na snímcích v tomto pásmu vrcholy konvektivních bouří většinou naprosto nezajímavé (až na výjimky, kdy je v rámci kovadlin pozorováno výrazné zvýšení intenzity záření). Použitím snímků v klasickém tepelném pásmu lze ihned jako důvod vyloučit vyšší teplotu daných míst, a tedy silnější tepelnou složku. Pro vysvětlení pak zbývá silnější odražená složka. Jak ukázaly některé teoretické studie, příčinou by mohly být drobné ledové částice, které by v tomto pásmu měly mít výrazně zvýšenou odrazivost.

Otázkou je, jaký mechanizmus by tyto drobné částečky dokázal v dostatečném množství v horní hranici oblačnosti bouří vybudit, a pak udržet. Jistě lze teoreticky najít více způsobů, jak tyto drobné částečky vyrobit – sublimací větších krystalků, jejich gravitační sedimentací, rozbíjením v důsledku vzájemných kolizí apod. Tak je možné vysvětlit většinu případů výskytu zvýšené odrazivosti horní hranice oblačnosti bouří, ale jen tehdy, jestliže oblast zvýšené odrazivosti nemá tvar vlečky.

Vlečky nad konvektivními bouřemi

Vlečky nad horní hranicí oblačnosti bouří byly zjištěny díky tomu, že mají zvýšenou odrazivost v pásmu 3,5 až 4 m. Většinu z nich je možné identifikovat i na snímcích ve viditelném a blízkém infračerveném kanálu. Závisí to na okolnosti, zda vlečka je skutečně výrazně vertikálně oddělena od okolní horní hranice oblačnosti bouře, či zda s ní splývá. Na snímcích v tepelném pásmu jsou vlečky rozeznatelné jen výjimečně. Typický je pro ně poměrně ostrý začátek, hladká struktura a občas značná délka (někdy až za hranice kovadliny). Svědčí to o značné stabilitě zdroje vlečky či mechanizmu vzniku (aby vlečka takové délky mohla vzniknout při dané rychlosti okolního proudění, musí to, co ji vytváří, přetrvávat po dobu několika desítek minut až dvou hodin). To vše svědčí o tom, že mechanizmus vzniku vleček je nutné hledat jinde než ve vzestupných konvektivních proudech. Přestože na vznik vleček existuje více názorů, žádný z nich není zcela uspokojivý.

Na zvýšenou odrazivost horní hranice oblačnosti konvektivních bouří a na vlečky nad jejich kovadlinami se zaměřil společný projekt Českého hydrometeorologického ústavu a Národní laboratoře silných bouří v Oklahomě. ¹⁾ V rámci projektu (1994–1997) byly vyhodnocovány snímky nejen z polárních družic NOAA, ale též z geostacionárních družic GOES 8 a 9 (viz rámeček 1), obojí bylo porovnáváno s údaji dopplerovských meteorologických radarů. Nepodařilo se však zjistit zdroj částic, které zvýšení odrazivosti v tomto pásmu způsobují, ani jednoznačně spojit výskyt zvýšené odrazivosti s určitými procesy uvnitř bouří. V několika případech odrazivost prudce vzrostla v okamžiku, kdy se bouře proměnila v supercelu nebo kdy vyvolala tornádo, které se dotklo zemského povrchu (o tornádu viz článek v příštím čísle Vesmíru). V jiných případech se ale žádná podobná souvislost nenašla. Rovněž se neprokázala souvislost mezi zvýšenou odrazivostí horní hranice oblačnosti bouře a její intenzitou či charakterem doprovodného počasí, ani se nepodařilo zjistit souvislost vleček s vnitřní strukturou bouří, i když se jejich vazba na supercely zdá být pravděpodobná. Pro ověření této souvislosti by však bylo zapotřebí podstatně více zpracovaných situací, než kolik jich zatím ve společném projektu bylo k dispozici.