Autor: M. Provod

Ani přesně nevím, jak mě to napadlo. Nejspíše po emailové diskuzi s  meteorologem Pietrem Groenmeijerem, který je mimo jiné také autorem bouřkových předpovědí na ESTOFEXu a několika dalšími členy mezinárodní organizace TORRO o předpovědi krupobití a jeho intenzitě a o samotném vzniku krup v bouřce. Klíčová myšlenka, nad kterou jsem velmi často přemýšlel, je hladina, kde stoupající vzduchová bublina dosáhne bodu mrazu (WBZ - Wet Bulb Zero). Čím je nižší teplota v okolí vzestupného proudu a vzduchové bubliny předtím než začne stoupat, tím je větší šance na výskyt krupobití. Samozřejmě je celý proces daleko komplikovanější a většinou je tomu právě naopak, protože pokud je při zemi teplota nízká, je málo instability a nízká CAPE, kroupy nepadají a většinou se netvoří ani samotné bouřky.

Když jsem však byl na poslední konferenci TORRO na jaře minulého roku, ukazoval nám tam jeden meteorolog počítačovou simulaci, kde vytvořil virtuální podmínky pro bouřku, na které počítač simuloval až dvoumetrové kroupy. Ve skutečnosti je takováto skutečnost nerealistická. Nevím, zda jsem rozuměl úplně všem veličinám, které byly do programu zadány, ale určitě důležitá byla teplotní a vlhkostní stratifikace atmosféry. Při zemi se vyskytovala teplota 30 stupňů, která byla rovnoměrná až do výšky 1km a dále s výškou prudce klesala natolik, že ve  výšce 2 km bylo -10 stupňů a ve výšce 3 km dokonce téměř -40 stupňů. Dále teplota klesala mírně až do výšky 10 km, kde bylo asi -70 stupňů. Vlhkost při zemi byla stoprocentní, tj. rosný bod byl na třiceti stupních. Ve výšce 2 km byla vlhkost asi na 80–ti procentech a výše rychle ubývala. V 1 kilometru nad zemí byla slabá konvektivní inhibice a střih větru byl nastaven tak, aby ze vznikající bouřky vznikla silná HP supercela. V takto vytvořených podmínkách byla zahájena iniciace a dále počítač modeloval bouři, jak by se vyvíjela v následujících několika hodinách. Výsledky byly opravdu extrémní. Bouře nebyla zobrazována jako na klasickém radaru, ale graficky, a veškeré veličiny se daly zjistit ze  samotného programu. Pamatuji si, jak se tato virtuální bouře vyvíjela. Od jasné oblohy po první srážky uplynulo asi 35 minut a poté šlo vše velmi rychle. Během dalších asi 2-3 minut se začaly vyskytovat kroupy, které měly velikost nejprve 5 cm a rapidně se zvětšovaly. Do hodiny od iniciace měla velikost virtuálních krup 197 cm!! Také se vyskytlo několik virtuálních tornád a jedno by údajně mělo sílu F6, ale rychlost větru v něm si již nepamatuji (určitě více než 510 km/h). Když byla supercela v plné síle, v jejím sestupném proudu teplota klesla na -5 stupňů, vyskytovaly se v ní nárazy větru (nejspíše downbursty) o síle přes 250 km/h a vytvořil se za ní několik kilometrů široký pás sněhu, jehož vrstva byla přes metr vysoká (tj. 1 metr sněhu za hodinu, což se rovná přibližně 10 cm nebo 100 mm deště za hodinu). Zřejmě se jednalo o mnohem vyšší hodnoty, protože tato virtuální bouřka v jednom místě určitě netrvala hodinu. Když se tato supercela začala spojovat s ostatními virtuálními bouřkami v jejím okolí a začalo se tvořit "bow echo", nebo spíše derecho, byl program ukončen. Zajímalo by mě, co by se dělo dále a myslím si, že by bouře nejspíše zničily celou virtuální zemi:-). Zajímavé bylo to, že přestože se taková bouře může zdát nereálná stejně jako podmínky k jejímu vytvoření, někdy za historii naší planety, nejspíše v době ledové, už tu taková bouře být mohla. Nastala by, pokud by se extrémně studený vzduch rychle přesunul směrem od pólu k rovníku nad oceán či moře, které by bylo velmi mělké a prohřáté (teplota vody i  vzduchu 30 stupňů). Veličin by se tu ale muselo sejít mnohem více a již si je všechny nepamatuji.

Také jsem se ptal, zda by se vytvořila taková bouře, pokud by přízemní teplota vzduchu byla na nule, ve dvou kilometrech měla -40 a ve  třech -70 stupňů (všechno by bylo stejné, jen všechny teploty by byly o  třicet stupňů chladnější). Dle meteorologa, který tento program měl, by bouře tak intenzivní nebyly, protože vzduch dokáže pojmout mnohem menší množství vlhkosti při teplotě nula stupňů. Kroupy by byly menší, ale padalo by jich více a z bouřky by jen sněžilo. Je pravda, že téměř každá zimní bouřka, mnohdy stačí i silnější přeháňka, v sobě má kroupy, ale nikdy nedosahují velkých velikostí, zatímco v létě se kroupy vyskytují jen v některých bouřkách, ale když už padají, tak měří alespoň půl centimetru a mohou být i  několikacentimetrové.

Po internetové diskuzi o kroupách jsem si na internetu přečetl také několik článků o výzkumu krup v bouřkách. Také jsem četl o laboratoři v  Oklahomě, kde pouští jemnou podchlazenou mlhu pod proudem mrazivého vzduchu na zavěšenou železnou kuličku o průměru několika milimetrů a měří rychlost nárůstu ledu na kuličce včetně elektrického náboje. Nad tímto experimentem jsem velmi často přemýšlel z různých důvodů a když jsem před Vánocemi a během Vánoc loňského roku viděl, jak jemné kapičky mlhy namrzají na všem, co jim přijde do cesty (mrznoucí mlha), napadlo mě, že si mlhu vyrobím sám a udělám takový malý pokus. Vůbec se nemělo jednat o nic tak rozsáhlého, co z toho nakonec vzniklo.

Šel jsem do Obi, které se nachází asi 500 metrů od domova, a chtěl jsem rozprašovač, který umí vyrobit tu nejjemnější mlhu. Když jsem si ho koupil, naplánoval jsem celý pokus. Nejprve jsem chtěl dělat něco podobného jako dělali v Oklahomě a natáhl jsem na zahradě tři vlasce, na které jsem upevnil rybářská olůvka, každé o poloměru cca 0,87 cm. První jsem dal do výšky 20 cm nad zem, druhé 60 cm nad zem a třetí metr a čtvrt nad zem. Vedle nich jsem postavil štafle, na které jsem upevnil hadici s rozprašovačem, pustil jsem vodu a rozprašovač jsem nasměroval tak, aby co nejvíce mlhy padalo na olůvka. První noc jsem chtěl pouze zjistit, zda tento pokus vyjde. Teplota měla klesnout na mínus dva stupně a chtěl jsem zjistit, zda vůbec budou kapičky vody na olůvku namrzat, protože teplota vody z  vodovodu je asi 10 stupňů a nevěděl jsem, zda to není moc na to, aby stihla zmrznout při kontaktu s olůvkem a nebyla rozpuštěna dalšími kapkami. Nechal jsem tedy hadici s rozprašovačem puštěnou a šel jsem domů (to bylo asi kolem 21:00). Plánoval jsem nechat vše až do rána a ráno olůvka zkontrolovat a popřípadě změřit sílu na nich vytvořeného ledu. Po třetí hodině ráno jsem se však vzbudil a stále přemýšlel nad tím, co se asi děje na zahradě, a nakonec mi to nedalo a narychlo jsem vyběhl v pyžamu ven. Očekával jsem buď nic a nebo omrzlé vlasce s kulatou uměle vyrobenou kroupou v místě olůvka. Co mě však překvapilo je vidět na následující fotce:

Vlasce, které byly původně upevněny na jedné straně na sudu s vodou a na druhé přivázané k žebříku, se pod náporem na nich vytvořeného ledu přetrhly a na zemi byla několik centimetrů silná vrstva ledu, která kopírovala terén trávníku. Na fotce jsou také vidět objekty ve vzduchu, které připomínají sněhové vločky. Jsou to kapičky vody padající na zem, které se kvůli blesku rozmazaly. Na jednu stranu jsem nebyl rád, že to s vlasci a olůvky nevyšlo, ale zalíbilo se mi to, jak se na trávě vytvořila vrstva ledu podobná té, která se vyskytuje po déle trvajícím mrznoucím dešti. V tu chvíli jsem dále nic moc dělat nechtěl, protože být na zahradě v pyžamu když mrzne je o nastydnutí. Vodu jsem musel nechat do rána zapnutou, aby hadice nezamrzla a nepopraskalo potrubí. V cca 09:00 ráno teplota venku vystoupila na 0 stupňů a hadici jsem zastavil. Do té doby bylo na zemi ledu ještě více.

Následující noc jsem se rozhodl, že vlasce ani olůvka používat nebudu, ale že jen pustím vodu na zatím ledem nepokrytou část trávníku a každé dvě hodiny budu fotografovat a sledovat situaci. Zároveň jsem si vždy zapsal aktuální teplotu, vlhkost vzduchu, a rychlost větru. Mrznout začalo poměrně brzy a v 16:30 již byla teplota na nule. Štafle s hadicí již byly připravené a tak jsem vše spustil. V 16:30 byla tráva bez ledu, teplota -0,2 stupně, vlhkost vzduchu 58 procent a vítr foukal od jihovýchodu rychlostí cca 5,8 metru za vteřinu. Další měření jsem provedl v 18:30. Teplota klesla na -1,7 stupňů, vlhkost naopak stoupla na 65 procent a vítr se téměř utišil (anemometrem jsem nezaznamenal žádnou rychlost větru). Pořídil jsem první fotografii trávníku, která je vidět zde:

Bylo patrné, že se led tvoří více na vrchní části než na té spodní. Usoudil jsem, že od země jde teplo, a voda na trávě nenamrzá tak rychle jako ve větší výšce nad zemí. Utrhl jsem pět omrzlých stébel trávy, změřil průměr v nejširším místě a z těchto pěti průměrů jsem vypočítal aritmetický průměr průměru tloušťky ledu na stéble trávy. Ten činil 0,441 cm. Další měření jsem provedl ve 20:30. Teplota dále klesala a ve 20:30 byly -2,5 stupně. Vlhkost stoupla na 69 procent a stále panovalo bezvětří. Průměr ledu na stéblech trávy byl tentokrát 1,030 cm, což je rychlejší nárůst než při předchozím měření. Toto nasvědčuje tomu, že při nižší teplotě a vyšší vlhkosti vzduchu je nárůst ledu na objektech rychlejší. Spíše si myslím, že vztah mezi nárůstem ledu a vlhkostí vzduchu je nepřímo úměrný, protože při nižší vlhkosti by se kapičky vody měly více odpařovat a tím se zároveň ochlazovat. Buď tomu tak není nebo pokles teploty je mnohem důležitější než nárůst vlhkosti. Po tomto měření jsem šel spát a rozhodl jsem se, že si budu celou noc každé dvě hodiny dávat budíka a vždy udělám měření. Poprvé mě vzbudil budík ve 22:30, což bylo krátce po tom, co se mi podařilo usnout. Vstal jsem tedy, vzal na sebe župan a šel jsem na zahradu provézt měření. Výsledek byl: teplota -3,1 stupně, vlhkost 69 procent (je možné, že mi nějak zamrzl vlhkoměr, protože poté celou noc ukazoval 69-ti procentní vlhkost), bezvětří a průměr ledu 1,519 cm. Pak jsem si šel zase lehnout a nařídil budík na 00:30. Nevím však jestli nezazvonil nebo jestli jsem byl tak rozespalý, že jsem ho típnul a spal dál, ale vzbudil jsem se až ve 04:15 ráno. Utíkal jsem ven a provedl měření. Teplota byla -5,1 stupňů, vlhkost stále 69 procent a vítr foukal od západu rychlostí 1,3 m/s. Tloušťka ledu za těch pár hodin opravdu narostla. Místo jednotlivých omrzlých stébel trávy se zahrada změnila v povrch ledových koulí (ostatně velmi podobný velkým kroupám), které bylo nemožné ulomit, abych je změřil. Jelikož byly tak velké, že se po nich dalo chodit, aniž by se rozlomily, vlezl jsem na vrchol "malé ledové hory" a změřil průměr největších koulí. Aritmetický průměr pěti takovýchto měření činil 4,586 cm, což by již byly pěkně velké kroupy, pokud by se vyskytovaly v bouřce. Jediný, zato ale velmi podstatný, rozdíl mezi bouřkou a mým pokusem je ten, že v bouřce narostou takto veliké kroupy třeba za hodinu nebo i méně a v mém pokusu to trvalo téměř 12 hodin. Pro tuto chvíli jsem byl s  pokusem spokojený a šel jsem spát. Na fotce níže jsem vyfotil krajinu mé zahrady, jak vypadala cca 12 hodin od začátku experimentu:

Další den ráno byl celkem silný mráz a dle předpovědi mělo i v Praze mrznout celý den. Rozhodl jsem se s pokusem pokračovat. Nejprve jsem chtěl jít na ledem netčené místo a tentokrát provádět opravdu měření každé dvě hodiny, ale když jsem vyšel ven, byl jsem velmi překvapen kvantitou ledu. Celá zahrada byla pokryta alespoň malou vrstvou ledu a jelikož začal foukat vítr, byla rozprašovačem vyrobená mlha zanášena i nad místo, kde jsem chtěl provézt pokus. Proto jediná ledem netčená místa byla na okrajích zahrady a nebyl zde prostor pro nový začátek pokusu. Mohl jsem přinést horkou vodu a roztát alespoň část ledu, ale napadlo mě něco mnohem zajímavějšího. Stále mi vrtalo hlavou, proč se u země na trávě led tvoří mnohem pomaleji než na horním konci stébel. Rozhodl jsem se tedy převézt tvorbu ledu do nových výšin a postavit takovou konstrukci. Za barákem máme dlouhé fošny, které otec nechal přivézt asi před dvěma lety z pily, abychom s nimi mohli v zimě topit v  krbu. Zatím jsme ani jednu nepoužili a jen tak se tam válely, tak mě napadl zajímavý pokus. V garáži jsem našel dno přepravky, do kterého jsem 4 fošny postavil a vytvořil jsem takový stan bez plachty (4 fošny o  sebe opřené vytvářející jehlan). Jelikož foukal celkem silný jihovýchodní vítr, postavil jsem tuto konstrukci doprostřed zahrady a štafle z rozprašovačem umístil jihovýchodně od konstrukce tak, aby rozprašovač byl od středu konstrukce 3 metry. Poté jsem ho nasměroval tak, aby vítr zaváděl co nejvíce mlhy na konstrukci a nechal to být. Konstrukci jsem postavil mezi 08:00 a 09:00 ráno. Přes den jsem nebyl doma, tak jsem nemohl dělat pravidelná měření, ale když jsem odjížděl, bylo asi 10:00 hodin a vrstva ledu na konstrukci již dosahovala více než 4 cm. Když jsem se vrátil, bylo necelých 16:00 a co mě doma čekalo je vidět na následující fotografii:

Tloušťka ledu na dřevěné konstrukci měla místy až 24 cm! Zajímavé tentokrát bylo to, že na vrchní části konstrukce byl led nejslabší zatímco při zemi nejsilnější. Foukal stále jihovýchodní vítr o rychlosti 8,6 m/s a teplota se v tu dobu držela kolem -1,5 stupně. Bylo velmi zajímavé, jak rapidně led na konstrukci narostl. Usoudil jsem, že se konstrukce v mrazivém větru prochladila a veškerá mlha, která s ní přišla do kontaktu hned zmrzla. U země tomu tak zřejmě nebylo, protože vždy když jsem pouštěl rozprašovač na trávu, tak se vytvořila slabá vrstva ledu v korytě, které slouží k odvádění dešťové vody. Nějaká voda tedy musela protéci do země. V případě této konstrukce voda nikam neprotekla, ale namrzla a tudíž tvorba ledu na dřevěné konstrukci byla tvorbě krup v bouřce mnohem blíže. Spočítal jsem, že led narůstal průměrnou rychlostí 3 cm za hodinu. Nevím přesně, jak dlouho je kroupa o velikosti 3 cm unášena vzestupnými proudy v bouřce, ale myslím, že to bude méně než hodinu. V  bouřce má však kroupa k dispozici větší vlhkost a nižší teploty a může narůstat rychleji.

Mlhu jsem nechal puštěnou až do 19:00 hodin a protože byl pátek a na víkend jsem jel domu (pro upřesnění: v Praze je jeden můj domov, kde jsem přes týden s Luckou (přítelkyní) a na víkend většinou jezdím domu k  rodičům na Orlík), musel jsem vodu vypnout a zazimovat a nechat mojí „ledovou horu“ přes víkend jen tak stát. Nevím už, jestli to byla sobota nebo neděle, ale přes Čechy přecházela okluzní fronta a nechala tu za sebou snad jedinou pořádnou sněhovou nadílku této zimy. Když jsem se vrátil do Prahy, byla teplota nad nulou. Ani první noc v Praze neklesla pod nulu, tak jsem nemohl s ledem nic dělat. Bylo však hezké, jak byla ledová hora celá zasněžená a nebýt jednoho viditelného prkna vpravo dole, vypadala by doslova jako takové zvláštní iglú:

V následujícím týdnu, který byl zároveň mým posledním celým týdnem před návratem do Oxfordu, kde studuji, se již pořádné mrazy nevyskytovaly. Jen jedno ráno dosahovala teplota -0,8 stupňů, ale další led jsem již nevyráběl. Na následující fotce je vidět detail konstrukce, kde je vidět, jak je vrstva ledu mnohonásobně silnější na návětrné straně:

Další dny led velmi pomalu tál, ale vypadalo to, že je ho tam tolik, že by mohl vydržet až do léta. Dokonce ke mně přišlo mojí ledovou horu obdivovat i několik sousedů a ptali se mě, jak se taková krásná věc vytváří. Řekl jsem jim postup mého pokusu, ale zároveň jsem je upozornil a tímto chci také upozornit každého čtenáře tohoto článku, který by chtěl podobný pokus s vodou provádět, aby dával pozor na dvě velmi důležité věci. První z nich je ta, že pokud voda neteče, tak velmi rychle zamrzá, a proto je třeba po zastavení přívodu vody, když hrozí, že by mohlo začít mrznout, vypustit vodu z vodovodních trubek a zastavit jí. Zamrznutí vody ve vodovodním potrubí může vézt ke značným komplikacím a popř. i k prasknutí vodovodu a následnému vytopení. Druhá věc, kterou je třeba kontrolovat, je cena vody. Během mého pokusu jsem spotřeboval vodu v  ceně cca 300 Kč, a proto je lepší zjistit si místní cenu vody a kontrolovat její spotřebu na vodoměru. Také je důležité pokus provádět s mlhovým rozprašovačem. Čím drobnější je mlha, tím lépe bude namrzat a tím méně vody se spotřebuje.

Když jsem 10. ledna odlétal do Oxfordu, byla celá ledová hora ve  své plné kráse v podobném stavu jako na předchozích fotkách. 19. ledna jsem se na pár dní vrátil do Čech a tloušťka ledu rapidně klesla. Způsobil to déšť a teplý vítr. Ledy z konstrukce spadaly a výška ledu dosahovala cca 10 cm a led byl pouze v okolí původní ledové hory. Když jsem se vrátil do Čech na pár dní podruhé 2. února, konstrukce byla spadlá a výška ledu dosahovala tak 2 cm. 5. února večer ještě na zemi bylo několik velmi malých kusů ledu a 6. února ráno šla přes Čechy fronta, kdy při teplotě 8 stupňů prudce pršelo a do rána již nebyl led žádný.

Myslím, že přestože jsem z mého pokusu nezískal žádná data, která by se dala spolehlivě použít pro výzkum nárůstu krup, zjistil jsem několik velmi zajímavých věcí a pořídil mnoho zajímavých fotek. Pokud by měl někdo zájem o všechny fotky, které jsem při pokusu pořídil, může mi napsat na miroslav.provod@some.ox.ac.uk a pošlu celou sérii asi 40-ti fotek. Můžete mi také napsat, pokud budete chtít podobný pokus provádět a budete potřebovat radu a uvítám popř. výsledky takového pokusu. Sám určitě něco podobného ještě někdy udělám, ale při současném stavu počasí se obávám, že budu muset počkat až do příští zimy. Mezitím si ale naplánuji pořádné měření, zkusím si půjčit meteostanici, která by zaznamenávala několik veličin přes noc do grafu a budu zkoumat nárůst ledu při různých teplotách apod.. Zároveň však musím doufat, že se v  Praze vyskytne nějaké vícedenní mrazivé období, které by rozsáhlejší pokus umožnilo.