Zajímavosti

* Gamma č. 077 (Kelvinovy vlny)

Vydáno dne 21. 02. 2006 (3926 přečtení)

Pozemské novinky: Kelvinovy vlny / polární dráha

Kdesi na pláži v Peru se kdosi prochází sametovým pískem v záři vycházejícího slunce. Z moře vane teplá ranní bríza, vlahá voda lehce šplouchá u nohou. Ráj na Zemi. Jenže něco je špatně. Vzduch je o něco teplejší než obvykle. A voda také. A už po několik týdnů jazyky malých vlnek šplhají po pláži o několik palců výš. Všimne si toho jen ten, kdo po té pláži chodí každý den, ale změna je nepopiratelná. Země na tichomořském pobřeží Jižní Ameriky byly právě zasaženy jemnou, ale ohromnou vlnou teplé vody. Na počest slavného anglického fyzika, který zavedl absolutní teplotní stupnici, se jí říká "Kelvin wave", Kelvinova vlna.



Peruánská pláž(klikni) Instalace meteorologcké bóje(klikni)



?Kelvinovy vlny jsou teplé hrbolky na Tichém oceánu,? říká oceánograf Bill Patzert z Laboratoře tryskového pohonu (JPL, Jet Propulsion Laboratory) v Pasadeně. ?Typická Kelvinova vlna je 5 až 10 centimetrů vysoká, stovky kilometrů široká a o několik stupňů teplejší než okolní vody.?


Obvykle se toho moc nestane, když dorazí Kelvinova vlna; turisté lenošící na pláži zažijí o něco teplejší příboj a snad i trochu mimořádného deště. Vědci však tyhle jemné vlnky bedlivě sledují, protože obvykle ohlašují něco mnohem mocnějšího: příští El Niňo.


Jak El Niňo, tak Kelvinovy vlny jsou spouštěny větrem - nebo jeho nepřítomností. Tichomořské stálé větry ("trade winds", doslova "obchodní větry", tj. větry vanoucí ve směru dálkových plavebních tras) vanou od východu na západ (na rozdíl od atlantických větrů, které představují dva víceméně rovnoběžné, ale protisměrné proudy a přinejmenším pro plachetnice tak vytvářejí na oceánu dva "dálniční pruhy" oddělené pásmem mírných větrů), tj. vanou od amerického pobřeží k Indonésii. Stálá bríza sune Sluncem ohřáté povrchové vody na západ; v důsledku toho je hladina moře u indonéského pobřeží obvykle o 45 cm výš než u břehů Ekvádoru.


Oceánskou oblast východně od Indonésie klimatologové nazývají "teplý rybník"; je to největší oblast teplé vody na planetě. "Rybník" ohřívá atmosféru nad západním Tichomořím, kde oblasti stoupavých proudů plodí bouřky, blesky a průtrže mračen (teplý vzduch stoupá do výše, kde se ochlazuje a v něm obsažená vodní pára pak kondenzuje na déšť; zároveň rychlé proudění vzduchu přenáší velké množství elektrostatického náboje mezi vzdálenými vrstvami atmosféry a vzniklý rozdíl potenciálů se vybíjí atmosférickými výboji - blesky).


Někdy stálé větry ochabnou na několik dnů nebo týdnů ? vědci zatím nevědí proč ? a teplá voda nahrnutá k Indonésii klouže po hladině napříč Pacifikem zpátky k americkému pobřeží (protože je teplejší, je i řidší, a tedy lehčí, a zůstává proto v blízkosti hladiny.) ?To je právě Kelvinova vlna,? říká Bill Patzert; ?každou zimu zažijeme aspoň jednu.?


El Niňo začíná tehdy, když větry takto ochabnou - nikoliv však nakrátko, ale na mnoho měsíců. Pak Pacifikem křižují silné Kelvinovy vlny "jako pásový dopravník" a přenášejí teplou vodu do blízkosti jihoamerického pobřeží, kde je oceán za normálních okolností chladný. Takto nově vzniklý "teplý rybník" pak mění počasí na celé zeměkouli. Deště, které normálně smáčejí západní Pacifik, se přesouvají směrem k Americe, zatímco v Indonésii a Indii panuje sucho.


Někteří lidé takové změny vítají. Poslední El Niňo v roce 1997 utišilo atlantické hurikány, obyvatelům Nové Anglie (severovýchodní pobřeží USA) zlevnilo zimní účty za vytápění a přilákalo surfaře na náhle teplé kalifornské pláže. A majitelé psích spřežení v pohoří Sierra Nevada si užívali nečekaných radovánek, když v červnu sněžilo!


Jiní z toho mají hrůzu. Obyvatelé jihoamerického pobřeží v roce 1997 prchali před přívalovými dešti, které smetly jejich domovy. Mnozí by byli utekli i bez dešťů, aby se zachránili před rekordními hejny komárů, kteří se líhli ve stojatých kalužích. A oblasti, které jsou obvykle vlhké, byly mezitím zasaženy hroznými suchy a lesními požáry.


?El Niňo může nadělat hodně škody,? potvrzuje Bill Patzert, ?ale není úplně bez užitku.? Farmáři mohou například využít přechodné změny klimatu k pěstování plodin ve stylu "El Niňo": v oblastech, které jsou k tomu normálně příliš suché, lze pak pěstovat třeba rýži a fazole. To je však možné pouze tehdy, pokud farmáři vědí, kdy El Niňo přijde. Vědci vyvinuli počítačové modely, které docela dobře předvídají, jaké budou účinky El Niňo ? se El Niňo rozjede. Těžké na tom všem je uhodnout, kdy El Niňo začne.


Život by byl opravdu mnohem snadnější, kdyby El Niňo přicházelo pravidelně, jenže interval jeho výskytů se pohybuje od 3 do 7 let ? což je pro výzkumníky další záhada. Jelikož poslední El Niňo začalo v roce 1997, to další může přijít už letos nebo třeba až v roce 2004. Nikdo neví.


Po překvapení přelomu let 1982 a 1983, kdy El Niňo výzkumníky zaskočilo, rozmístily USA, Japonsko a Francie podél rovníkového Pacifiku 70 bójí sítě TAO (Tropical Atmospheric Ocean Array, síť pro výzkum atmosféry nad tropickým oceánem), která sleduje teplotu vody do hloubky až 500 metrů, stejně jako sílu větru a teplotu + vlhkost vzduchu a slouží jako systém včasné výstrahy proti El Niňo.


Výstrahy proti El Niňo přicházejí také z americko-francouzské družice TOPEX / Poseidon. Ta měří výšku oceánské hladiny pravidelným "oťukáváním" impulsy palubního radaru. Teplá voda je řidší a má proto větší objem, takže Kelvinovy vlny jsou vidět na hladině moře jako několikacentimetrové hrby putující po mapě mořských vrstevnic.


Síť TAO i družice TOPEX / Poseidon sledovaly poslední Kelvinovu vlnu od chvíle, kdy se v prosinci 2001 vytvořila východně od Indonésie. ?Vlna během ledna překonala celý Pacifik a v únoru dosáhla jihoamerického pobřeží,? říká Bill Patzert. Ne všem Kelvinovým vlnám se podaří dorazit až k protějšímu břehu, ale tahle to dokázala. Billu Patzertovi to připomíná další pozoruhodnou Kelvinovu vlnu: ?Hodně se podobá té, která přeplula Pacifik na začátku roku 1997 ? těsně před nástupem posledního El Niňo.?


Znamená to, že se blíží další El Niňo? ?Nikoliv nutně,? říká. ?Kelvinovy vlny se v Tichomoří objevují každou zimu; ne každá z nich ohlašuje El Niňo.? Skutečná zkouška přijde letos na jaře. Jestli se "pásový dopravník" dá do pohybu stejně jako na jaře 1997, budeme vědět, že El Niňo je tady.


Do té doby vědcům nezbývá, než pozorovat... a čekat. ?Na Pacifik si dáváme pozor pořád,? směje se Patzert. ?Dyť je to ta největší věc na týhle planetě!?


Nejčerstvějším hlídačem hladiny oceánu je tuto neděli (17.3.2002) vypuštěný pár identických družic GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment). Obě družice byly společně vypuštěny na středně vysokou kruhovou polární dráhu pomocí ruské rakety Rockot, civilní modifikace sovětského interkontinentálního nosiče RS-18 (SS-19 Stiletto v kódu NATO). Byla vyvinuta k tomu, aby svou nosností 1900 kg na nízkou oběžnou dráhu zaplnila výkonnostní mezeru mezi ruským letitým "tažným koněm" Kosmos (nosnost 1500 kg) a raketou Ciklon (nosnost 3600 kg). Raketa Rockot startovala z ruské vojenské základny Pleseck, ležící u polárního kruhu nedaleko severomořského přístavu Archangelsk. Tato základna, postavená v roce 1967, původně sloužila k čistě vojenským účelům, později začala být využívána i pro starty civilních družic s vysokým sklonem dráhy k rovníku, tj. těles obíhajících na polárních drahách (viz Dodatek). Nedělní start představuje historickou premiéru - je to vůbec poprvé, co byly družice NASA vypuštěny z donedávna supertajné základny sovětských balistických střel.


Obě družice GRACE letí po stejné dráze ve výšce 500 km v odstupu 220 km za sebou. Jsou vybaveny ultrapřesným systémem pro měření vzájemné vzdálenosti pracujícím na principu mikrovln o frekvencích 24/32 GHz; na vzdálenost dvou set kilometrů je zařízení schopno měřit okamžitý odstup obou družic s přesností padesátiny tloušťky lidského vlasu. Pomocí takto získané analýzy dráhy družic bude možno modelovat tvar gravitačního pole, kterým družice prolétají a měřit mikroskopické změny lokální gravitace, způsobené nerovnostmi zemského povrchu o rozměrech řádu centimetrů. Tak přesné měření nemá velký význam nad pevninami, zaplněnými spoustou "gravitačních hrbolků", analýza změn tvaru povrchu Země však bude mimořádně zajímavá pro glaciology (vědce, zkoumající ledovce, zejména v Antarktidě) a oceánology.


Výše zmíněné radarové družice TOPEX změří výšku hladiny, neřeknou však, co způsobilo její případnou změnu. Několikacentimetrový pokles oceánské hladiny může být způsobem ochlazením vody (která se pak objemově o něco smrští) nebo naopak větrem, který nahrne vodu z jedné oblasti do druhé, případně - jedná-li se o cyklón - vytvoří vír, ve kterém se voda chová jako v rotační ždímačce: je vytlačována ze středu na okraje. V prvním z těchto případů (změna teploty) se celková hmotnost vody v oblasti a tím ani gravitace nemění; ve druhém případě (úbytek/nárůst vodní masy působením větru) však dochází ke změnám v mikrogravitaci - a ty neujdou bystré dvojici pozorovatelů na oběžné dráze.


Pár družic letících 500 km nad mořskou hladinou může přesným měřením své vzájemné vzdálenost dokonce "vidět" i hluboko pod mořskou hladinu. Dosud bylo velmi obtížné zkoumat hlubokomořské vodní proudy, leda s pomocí velkého množství drahých hlubinných sond. Družice GRACE mohou ukázat místa vzniku takového proudu: podmořský proud vody vytéká z oblasti, kde je větší tlak, který je dán vahou sloupce vody+vzduchu nad daným bodem. Je-li však v určitém místě tento sloupec vody+vzduchu těžší, je tam nutně také silnější gravitace, jejíž jemné "zhoupnutí" sondy ucítí.

Zpracováno podle elektronického bulletinu NASA; viz též
http://science.nasa.gov/headlines/y2002/05mar_kelvinwave.htm?list495307
http://www.csr.utexas.edu/grace/


A když je řeč o pozemském klimatu, tak už jen telegraficky ještě dvě další čerstvé zprávy týkající se globálního oteplování:
První z nich říká, že na vrcholku Kilimandžára nezmenšenou rychlostí pokračuje rychlé tání jediného afrického ledovce. Od doby, kdy byl v roce 1912 poprvé zmapován vrcholek ležící ve výšce 5895 m blízko hranic Keni a Tanzanie, už roztálo 82% původní plochy ledového pole. Bude-li tání pokračovat touto rychlostí, poslední zbytek sněhové čepice Kilimandžára zmizí do roku 2020 a zimní turisté vyhledávající exotické zážitky přijdou o jednu vzácnou atrakci. Domorodci žijící na úpatí velehory smutně sledují, jak na jejich dosud úrovná polička dopadá stále méně deště; kombinace kácení tropického pralesa na horských úbočích a zmenšující se plochy sněhu způsobují prudký úbytek srážek a dříve zelené svahy se mění v polopoušť. O něco lépe se zatím vede zemědělcům žijícím na severní straně hory, poblíž keňských hranic: prší tady teď stejně málo jako na jižní straně, ale z důvodů, které zatím nejsou úplně jasné, téměř všechna voda z tajícího ledovce stéká na sever, kde z národního parku, jehož rozsáhlá část se změnila v močál, utekly žirafy a antilopy (jejichž kopýtka se do močálu boří), zatímco sloni a vodní ptáci si v novém prostředí libují; vůbec poprvé se tady objevili dokonce plameňáci. To vše je ale jen do času; až za dvacet let roztaje poslední zbytek ledovce, močál vyschne, vodní zvířata opět utečou - a domorodcům, bezmocně hledícím na vyprahlá políčka, nezbyde, než je následovat.



Dodatek:

Polární dráha

Jak jsme si řekli v Gammě055, umělé družice obíhají kolem Země díky tomu, že odstředivá síla jejich pohybu kompenzuje přitažlivou sílu zemské gravitace. K tomu je třeba družici udělit rychlost 7.9 km/s - což i pro malý náklad vyžaduje velkou a drahou raketu. Vynesení na oběžnou dráhu nám však může paradoxně ulehčit sama Země, před jejíž neúprosnou přitažlivostí musíme družice chránit. Zemský rovník rotuje jako obrovský kolotoč obvodovou rychlostí 464 m/s; to je téměř 6% potřebné kruhové rychlosti. Velké kosmodromy se proto stavějí buď prakticky přímo na rovníku (kosmodrom Kourou ve Francouzské Guayaně, japonský plovoucí kosmodrom v Tichomoří) nebo aspoň v jeho blízkosti (Bajkonur v Kazachstánu, volgogradský Kapustin Jar, floridské Kennedy Space Centre a další; právě z toho důvodu se Rusům vyplatí platit Kazachstánu drahé nájemné za používání bývalého sovětského Bajkonuru, místo aby si postavili novou základnu - která by musela být ve vyšší, méně výhodné zeměpisné šířce). Využití zemské rotace je také důvodem, proč všechny družice na dráze s malým sklonem k rovníku létají stejným směrem, jakým se Země otáčí, tj. od západu na východ; vypustit družici na protisměrný (retrográdní) orbit by bylo dražší (protože nosná raketa by musela nejdřív kompenzovat obvodovou rychlost Země, než by začala urychlovat družici požadovaným směrem) a nepřineslo by to žádnou výhodu; jediným rozdílem by byla o něco vyšší rychlost družice vůči zemskému povrchu.

Nedostatkem družic s nízkým sklonem dráhy je skutečnost, že se nedostanou severněji od rovníku, než na úroveň mateřského kosmodromu. Pro řadu aplikací - meteorologické snímkování, spojové družice, geologické, obecně mapovací nebo špionážní družice - je takový handicap nepřípustný. Takové satelity se proto vypouštějí na polární dráhy, které jsou k rovníku kolmé, a družice pak postupně přelétávají nad všemi oblastmi zemského povrchu včetně obou pólů. (Typickým příkladem jsou družice smutně proslulé mobilní sítě Iridium - kterou se nakonec po předloňském krachu původního provozovatele snad přece jen podaří finančně zachránit a uvést znovu do provozu.) Rozumí se, že v tomto případě se nosná raketa musí obejít bez základního impulsu, kterou jí dodá otáčející se Země, a musí být o to výkonnější.

Aby se při startu na polární dráhu vyloučil v tomto případě nežádoucí vliv zemské rotace, staví se kosmodromy pro tento účel naopak co nejblíž k pólům; Američané k tomu používají (vzhledem k ještě dosti nízké zeměpisné šířce nepříliš dobře umístěnou) kalifornskou vojenskou základnu Vandenberg, zatímco Rusové mají k dispozici mnohem lépe situovaný Pleseck - jehož výhodné polohy teď NASA ráda využila, když jí to bylo poprvé nabídnuto.





Celý článek | Autor: Jarda Pecka | Počet komentářů: 12 | Přidat komentář | Informaèní e-mailVytisknout článek


©2001 Zbyněk Slába, grafické prvky - Renáta Řehová
Stránky byly vytvořeny s využžitím redakčního systému: PhpRS