Meteostanice

Teplota, tlak a vlhkost vzduchu. To jsou tři základní veličiny, které dokáže měřit každá meteostanice. Některé dokáží měřit ještě rychlost větru a množství srážek. Chcete-li získat tyto informace, máte dvě možnosti. Buď si pořídíte vlastní meteostanici, nebo se spokojíte s veřejně přístupnými daty z některých stanic. Domácí meteostanice (viz obrázek) má jednu podstatnou výhodu: měří teplotu a vlhkost u vás doma. Naopak profesionální stanice nabízí kvalitnější informace z dané lokality, často včetně jejich historie.

Nejlepší přehled veřejně dostupných dat ze soukromých i profesionálních meteorologických stanic na území ČR najdete na webové stránce www.in-pocasi.cz/aktualni-pocasi/. Najdete zde i nejstarší meteorologickou stanici na našem území, která je umístěna v pražském Klementinu. Tato stanice měří teplotu nepřetržitě od roku 1775.

Úkol: Najděte na uvedené webové stránce vhodnou stanici v blízkosti vaší obce. Pouze u profesionálních stanic máte jistotu, že v přehledu najdete i historická data stará několik desítek let. S pomocí webové stránky pak odpovězte na otázky:

Jaké bylo počasí v den vašeho narození?
Jaké jsou teplotní rekordy vaší stanice za celou historii měření?
Jaké byly srážky v uplynulém měsíci ve srovnání s průměrem za celou historii měření?
Jaké počasí odpovídá obdobím s vysokým tlakem a jaké naopak s nízkým tlakem? Dokumentujte na datech.

10 types of clouds

Cloud is an aerosol consisting of a visible mass of very small liquid droplets or ice crystals in the atmosphere. Although this definition seems quite boring, clouds themselves are definitely not. It’s the clouds that create the atmosphere of every single moment of the day. Furthermore, clouds can also tell us a lot about the weather that is going on – well, on condition that you interpret them correctly. According to the World Meteorological Organization's International Cloud Atlas, there are more than 100 kinds of clouds. The many variations, however, can be grouped into one of 10 basic types depending on their general shape and height in the sky, as you can see in the picture.

Whether you're interested in cloud watching or just curious to know what clouds are overhead, go through the gallery to find out how to recognize them and what type of weather you can expect from each. Or use the poster CLOUD IDENTIFICATION GUIDE from The World Meteorological Organization.

You can find more interesting information on their website: public.wmo.int/en/WorldMetDay2017.

Special task: In case clouds you find this interesting, take your own photos of the clouds and make your own gallery of all ten types.

Ten types of clouds

11.3a – **Cumulus** clouds are the clouds you learned to draw at an early age and are today considered a symbol of all clouds. Their tops are rounded, puffy, and a brilliant white when sunlit, while their bottoms are flat and relatively dark. Cumulus clouds develop on clear, sunny days when the sun heats the ground. That is why they got their nickname of fair weather clouds. They appear in the late morning, grow, and then disappear toward evening.
Zdroj

11.3b – **Stratus** clouds hang low in the sky as a flat, featureless, uniform layer of grayish cloud. It often arises from fog and may be accompanied by drizzle. Stratus clouds are typical for inverse weather and actually have a very negative effect on the human mood.
Zdroj

11.3c – If you spread cumulus clouds together over the sky but not into a smooth layer (like stratus), you'd get **stratocumulus** – low, puffy, clouds that occur in patches, often with blue sky visible in between. You're likely to see stratocumulus on cloudy days. They emerge when there's weak convection in the atmosphere, but there is some likelihood it will rain from them.
Zdroj

11.3d – **Altocumulus** clouds are the most common clouds in the middle atmosphere. You can recognize them as white or gray patches that dot the sky in large, rounded masses or clouds that are aligned in parallel bands. Altocumulus are often spotted on warm and humid mornings, especially during summer.
Zdroj

11.3e – **Nimbostratus** clouds cover the sky in a dark gray layer. They can extend from the low and middle layers of the atmosphere and are thick enough to blot out the sun. Nimbostratus are the quintessential rain clouds. You might see them during steady rains or snowfall over a large area.
Zdroj

11.3f – **Altostratus** clouds appear as grey sheets of cloud that partially and/or totally cover the sky on mid-levels. Even though they seem to cover the sky completely, you can typically still see the sun as if behind them. Altostratus is a typical cloud of incoming warm front, so that you can predict the rain soon.
Zdroj

11.3g – **Cirrus** clouds are thin, white, wispy strands of clouds that streak across the sky. Since cirrus clouds appear in high altitudes, they are made up of tiny ice crystals. Cirrus typically occur in fair weather when the air is mostly dry.
Zdroj

11.3h – **Cirrocumulus** clouds are small, white patches of clouds often arranged in rows; they are located in high altitudes and are made of ice crystals. The individual cloud mounds of cirrocumulus are far smaller than that of altocumulus and stratocumulus. Cirrocumulus clouds are quite rare and relatively short-lived.
Zdroj

11.3i – **Cirrostratus** clouds are transparent, whitish clouds that veil or cover nearly the entire sky in high altitudes. If you see them, look also for a typical „halo" (a ring or circle of light) around the sun and/or moon. The halo is formed by the refraction of the light on the ice crystals. Cirrostratus indicate that a large amount of moisture is present in the upper atmosphere. Therefore, they represent the very first sign of approaching warm front.
Zdroj

11.3j – **Cumulonimbus** clouds are one of the few clouds that span the low, middle, and high layers. They grow from the cumulus clouds, but rise into towers with bulging upper portions that look like cauliflower. Their bottoms are often hazy and dark. Cumulonimbus clouds are thunderstorm clouds, thus if you see one, you can be sure there's a nearby threat of severe weather.
Zdroj

Torricelliho pokus

Kolem roku 1640 řešili ve Florencii zapeklitý problém. Když chtěli naplnit městské fontány vodou, nedokázali ji vyčerpat z hloubky větší než 10 m: voda od určité úrovně již nechtěla stoupat trubkami. Vodárníci zavolali na pomoc fyzika Torricelliho.

Pro vyřešení tohoto problému udělal Torricelli pokus: zcela naplnil dlouhou zkumavku rtutí, poté ji obrátil a její volný konec ponořil do nádoby se rtutí. Pozoroval, že hladina kapaliny ve zkumavce poklesne, ale nevylije se zcela. Zůstane v ní asi 76 cm rtuti. Torricelli správně usoudil, že rtuť je v trubici držena tlakem okolního vzduchu a že je možné vytvořit vakuum.

Prohlédněte si video v angličtině o historii Torricelliho objevů.

Experiment

Rtuť se v současnosti nemůže ve školách používat, proto při experimentu použijete vodu. Ta sice není jedovatá, ale má 13,5krát menší hustotu než rtuť.

Co budete potřebovat? Kbelík s vodou, klubíčko provázku, 12 metrů průhledné plastové hadice a svěrku, kterou lze hadici neprodyšně uzavřít. A hlavně budovu, která vám umožní měřit s výškovým rozpětím cca 10 metrů…

Před vlastním měřením musíte z vody odstranit vzduch, který je v ní rozpuštěný. Vzduch by během pokusu vytvářel bubliny, které znemožňují měření. Nejjednodušším postupem je vodu převařit a nechat vychladnout.

Hadici ponořte jedním koncem do kbelíku a nasajte do ní vodu. Počkejte, až voda zaplní celou hadici, a její konec pevně uzavřete svěrkou. V hadici nesmí zůstat žádné vzduchové bubliny.

11.5 – Schéma Torricelliho experimentu.
Zdroj

Na svěrku přivažte provázek a hadici táhněte nahoru. Ze začátku se chová podle předpokladů – voda stoupá spolu s hadicí vzhůru. Přibližně ve výšce třetího patra dojde k přelomové události – hadici zdvíháte vzhůru, ale voda zůstane v určité výšce; vytvoří hladinu, nad hladinou je vakuum (vodní páry o velmi nízkém tlaku). Když hadicí pohybujete nahoru a dolů, hladina vody zůstává ve stejné výšce. Jedinou možností, jak přinutit vodu v hadici k pohybu vzhůru, je nadzdvihnutí dolního kbelíku.

Hladina vody v hadici se udržuje ve stálé výšce nad hladinou vody v kbelíku. Hydrostatický tlak tohoto sloupce vody je stejný jako okolní tlak vzduchu. Když změříte výšku sloupce vody v hadici, dopočítáte se k hodnotě atmosférického tlaku.

Otázky:

Naměřená hodnota atmosférického tlaku neodpovídá přesně hodnotě z meteorologické stanice. Pokuste se najít některé důvody, proč tomu tak je.
Pokud máte možnost ponechat vybavení na místě po několik dní, můžete pozorovat, jak se mění poloha hladiny vody v hadici. Čím je tento jev způsoben?

Jak se nezabít při potápění

Člověk je suchozemský tvor a nemůže žít ve vodním prostředí. Jeho plíce nedokáží získat kyslík z vody, a pokud chce člověk zůstat delší dobu pod vodou, musí použít dýchací přístroj. Ale ani takto není pro člověka pod vodou zcela bezpečno.

11.6 – Potápěč s dýchacím přístrojem.
Zdroj

Rizika, kterým je člověk při potápění vystaven, souvisí s tlakem. I na souši žije lidské tělo pod vysokým tlakem. Atmosférický tlak při mořské hladině je přibližně 100 000 Pa, a tak na každý centimetr čtvereční naší kůže působí tlaková síla \(F=pS=10^{5}\ \mathrm{Pa}\cdot 10^{-4}\ \mathrm{m}^2=10\ \mathrm{N}\). Deset newtonů je tíhová síla působící na kilogramové závaží. Tedy například na plochu naší dlaně působí síla téměř 1000 N, tj. tíhová síla 100 kg závaží. Jak to, že to vůbec vydržíme?

Atmosférický tlak, stejně jako hydrostatický tlak pod vodou, působí silou všemi směry a naše tělo tvořené zejména vodou a tkáněmi je téměř nestlačitelné. Stlačitelné jsou pouze dutiny naplněné plynem – plíce, střední ucho, střeva.

Samotný stálý tlak, není-li extrémně vysoký, rizika nepřináší. Potápěč musí vdechovat z přístroje vzduch o stejném tlaku, jako je tlak okolní vody. V případě tlakové rovnováhy nehrozí žádné mechanické poškození. Problémy nastanou, pokud se tlak mění. A mohou být fatální!

Plicní barotrauma

Plicní barotrauma může nastat pouze v případě, kdy se potápíme s dýchacím přístrojem. Abychom se mohli s přístrojem pod vodou nadechnout, musí být tlak plynu přiváděný z tlakových nádob roven okolnímu tlaku prostředí. Například v hloubce pouhých 10 m je celkový tlak dvojnásobkem běžného atmosférického tlaku (každé zvýšení hloubky ponoru o 10 m zvětší okolní tlak o 10⁵ Pa, tedy o hodnotu přízemního atmosférického tlaku). Při každém nádechu tak naplníme stejný objem plic dvojnásobnou hmotností vzduchu. Při vynořování okolní tlak klesá, plyn se v plicích rozpíná a expandující plyn je nutné uvolnit výdechem. Je-li vynoření rychlé a potápěč nevydechuje s dostatečnou rychlostí, může přetlak v plicích vést k jejich poškození, plicnímu barotraumatu. Při volném potápění toto nebezpečí nehrozí. Potápěč má v plicích maximálně to množství vzduchu, které nadechnul nad hladinou, a tak i při velmi rychlém vynoření nemůže expanze vzduchu plíce poškodit.

Dekompresní (kesonová) nemoc

Další fatální poškození lidského těla může také nastat při poklesu tlaku – dekompresi. Název kesonová nemoc pochází od zvláštního zařízení – kesonu, které umožňovalo práci pod vodou se „suchou nohou“ a vyžívalo se například při budování podvodních základů mostů.

Keson si můžeme představit jako poklop přitisknutý na mořské nebo říční dno (viz obrázek). V dutině pod poklopem je vzduch, aby tam dělníci mohli volně pracovat. V kesonu se udržuje vyšší tlak vzduchu, právě takový, jaký je celkový tlak v okolní vodě. Na rozhraní keson–okolní voda je tedy tlaková rovnováha, a voda dutinu kesonu nezaplaví. Dělník v kesonu je tedy v podobné situaci jako potápěč pod vodou: pracuje a dýchá za zvýšeného tlaku. Vrátí-li se na hladinu, může zemřít.

Dekompresní nemoc vzniká v důsledku toho, že s rostoucím tlakem se zvyšuje rozpustnost plynů v kapalinách. Můžeme to dobře pozorovat, když otevřeme sycenou minerálku. Otevření uvolní přetlak, rozpustnost plynu – oxidu uhličitého – poklesne, a plyn se z vody uvolňuje v podobě bublinek. Při delším pobytu ve zvýšeném tlaku se v tělních tekutinách a tkáních rozpouští větší množství plynů, které se pak při poklesu tlaku mohou vyloučit jako bublinky. Nebezpečná je hlavně vzduchová embolie – ucpání cévy vzduchovou bublinkou. Rychlá a snadná prevence neexistuje. Návrat do normálního atmosférického tlaku musí být proveden pomalu s tzv. dekompresními přestávkami, aby při dýchání za postupně se snižujícího tlaku mohla koncentrace rozpuštěných plynů poklesnout na bezpečnou úroveň.

Ušní barotrauma

Ušní barotrauma nás sice na životě neohrozí, ale může být velmi bolestivé a vést k poškození sluchu. Z fyzikálního hlediska se opět jedná o expanzi či kompresi plynu v tělních dutinách při změnách okolního tlaku. Na rozdíl od dvou výše popsaných jevů hrozí při ponořování i vynořování. Dutina středního ucha je od okolního prostředí oddělena bubínkem a s okolním prostředím spojena Eustachovou trubicí, jejímž úkolem je vyrovnávat tlak mezi okolím a dutinou středního ucha. Pokud je špatně průchodná, například při nachlazení, anebo jsou tlakové změny příliš rychlé, způsobí tlakový rozdíl silnou bolest, případně i protržení bubínku. Potápěči mají vlastní techniky, jak vyrovnání tlaků při změnách hloubky ponoru podpořit.

Slabé ušní barotrauma můžeme zažít při stoupání nebo klesání letadlem, případně při jízdě automobilem s větším převýšením. Říkáme, že nám „zalehly uši“. Obvykle stačí polknout a přetlak se uvolní.

Hlubinné opojení a otrava kyslíkem

Přesto, že lidské tělo je v podstatě nestlačitelné a při vyrovnání tlaku v plynem naplněných dutinách nehrozí jeho mechanické poškození, jsou s pobytem ve vysokém tlaku spojena další rizika. Souvisí se složením dýchací směsi. Zvýšení koncentrace rozpuštěných plynů v krvi (viz odstavec o dekompresní nemoci) může mít halucinogenní účinky. Zvláště nebezpečný je dusík, kterého je v běžném vzduchu nejvíce. Dýchá-li potápěč vzduch, je hloubkový limit pro eliminaci rizika hlubinného opojení asi 40 m.

Kyslík je plyn, který nezbytně potřebujeme ke svému životu. Může však být nebezpečný a zabíjet. Důležitý je parciální tlak kyslíku v dýchaném plynu, při vyšších hodnotách hrozí otrava kyslíkem. Za běžných podmínek je ve vzduchu 21 % kyslíku, a tedy parciální tlak je 0,21 ⋅ 10⁵ Pa. S rostoucím tlakem plynu, který potápěč dýchá, rostou i parciální tlaky všech plynů v dýchané směsi. Tedy v hloubce 10 m bude parciální tlak kyslíku 0,42 ⋅ 10⁵ Pa, v hloubce 20 m pak 0,63 ⋅ 10⁵ Pa atd. Za limit pro běžné potápění se považuje parciální tlak O₂ roven 1,6 ⋅ 10⁵ Pa. Vezmeme-li do úvahy, že při rekreačním potápění se běžně používá dýchací směs obohacená o kyslík na 32 %, je hloubkový limit 40 m.

Při potápění do větších hloubek je nutné zmenšovat podíl kyslíku i dusíku, ideálně náhradou za helium, případně v kombinaci s vodíkem.

Otázky:

Vyjmenujte hlavní rizika, která hrozí člověku při potápění.
Jak odolává lidské tělo velkému tlaku?
Jaký je tlak vzduchu na hladině moře a jak roste s hloubkou?
Jaký je parciální tlak kyslíku v hloubce 50 m? Jaký je parciální tlak kyslíku v dýchací směsi obohacené na 32 % kyslíku v hloubce 50 m?

Co způsobí snížení tlaku

Snížení tlaku, které nastává s rostoucí nadmořskou výškou, není zcela bez následků na lidský organismus. Jaké jsou tyto účinky?

Výstup na vrchol hory nesmí být improvizovaný a často vyžaduje seriózní přípravu. Pokles tlaku je tak velký, že náš organismus dostane hodně zabrat. Ukažme si na třech experimentech, co se při tom děje s lidským organismem.

Experiment 1 – vliv na ušní bubínek

Připevněte nafukovací balónek upevněný na ústí chemické kádinky. Vložte celek pod zvon vývěvy a vyčerpejte vzduch. Co pozorujete, když se snižuje tlak v okolí balónku?

Bubínek je membrána, která je umístěna na konci zvukovodu a kmitá, když na ni dopadá zvuková vlna. Na druhé straně bubínku je dutina vnitřního ucha obsahující vzduch. Aby mohl bubínek vibrovat, nesmí být stlačen.

Pomocí experimentu vysvětlete, proč nám zalehnou uši, jestliže jsme vystaveni rychlým změnám tlaku.

Experiment 2 – vliv na zásobování kyslíkem

Pod zvon vývěvy vložte láhev s perlivou minerálkou, kterou jste právě otevřeli. Co pozorujete při snižování tlaku?

Vysvětlete, co se při poklesu tlaku stane s množstvím kyslíku rozpuštěného v krvi.

Experiment 3 – vliv na tělesné tekutiny

Vložte pod zvon vývěvy kádinku s vodou, jejíž teplota je mezi 70 a 80 °C. Co pozorujete při snižování tlaku?

Co můžeme říci o teplotě varu vody? Jaké účinky může mít náhlá změna tlaku na tělesné tekutiny?

Komentujte následující graf v souvislosti s provedenými experimenty.

Mt. Everest se svou výškou 8 848 m je nejvyšší hora světa. Jaký postup musí horolezci zvolit, aby zmírnili zdravotní rizika, na něž poukazují provedené experimenty?