MIMOŘÁDNÉ ZPŮSOBY ŠÍŘENÍ V TROPOSFÉŘE [1977]

Pavel Šír, OK1AIY

Při soustavné práci v pásmech VKV je možné během několika málo dní v roce dosáhnout poměrně pěkná a daleká spojení. Mezi radioamatéry se říká, že jsou ,,dobré podmínky"‘, ale málokdo ví, co se v tuto chvíli vlastně odehrává a co umožňuje, aby průměrně vybavený radioamatér dosáhl mimořádných spojení. Těmto otázkám se věnovala již před dvaceti roky velká pozornost, a to jak z hlediska radioamatérského, tak i čistě profesionálního. Jsou k dispozici vysvětlení, která mají i dnes stále platnost, jiná byla již překonána dalším výzkumem. Za pomocí dostupných materiálů a získaných zkušeností se budu snažit objasnit, jak k mimořádnému šíření dochází.

Co je mimořádný dosah?

Za mimořádná spojení považují taková, kdy je na VKV překlenuta vzdálenost větší, než 300 km s minimálním odstupem 20 dB signálu od šumu (to platí pro stanice s nikterak výhodným QTH a s průměrným vybavením, tj. s výkonem do 50 W a se směrovou anténou se ziskem asi 10dB). Při zmíněné kvalitě signálu je CW a SSB signál dobře čitelný, FM a AM při správném kmitočtovém zdvihu nebo promodulování, právě ještě spolehlivě čitelný.

Jak se ,,dobré podmínky“ šíření projevují?

Většinou je možno indikovat zlepšené podmínky šíření rušením příjmu TV dalšími vysílači na stejných kmitočtech. Při proladění celého TV pásma se zjistí, že je možné dobře sledovat i vzdálené TV vysílače. Platí to nejen pro I. a III. pásmo, ale i pro IV a V., která jsou v tomto směru během poslední doby daleko zajímavější. Rovněž příjem v obou pásmech VKV FM rozhlasu se podstatně zlepší. Zvlášť pásmo 88 až 104 MHz oživne velkým množstvím stanic. Síla jednotlivých stanic se mění, objevují se nové a jiné se postupně ztrácejí. Někdy je příjem velmi stabilní, jindy naopak prudce kolísá. V amatérských VKV pásmech je možné poslouchat i navazovat spojení na velké vzdálenosti většinou s malými výkony. Velmi dobrým pomocníkem jsou v této chvíli radioamatérské VKV majáky na známých kmitočtech. Také poslech převáděčů v rozsahu 145,5 až 145,9 MHz dává ucelený obraz, ze kterých míst Evropy to „chodí“. Rovněž lze získat informace poslechem pozemních stanic letecké pohyblivé služby v pásmu 118 až 136 MHz. Sledováním meteorologické situace v oblastech mimořádného dosahu se zjistilo, že v různých výškách jsou teplotní inverse.

Teplotní inverse a její vznik

Za normálních okolností klesá teplota vzduchu v troposféře s rostoucí výškou nad zemí rovnoměrně o 0,65 až 1 °C na každých 100 m. Tento jednoduchý vztah je na obr.1.  Intenzívním slunečním zářením se během dne země ohřeje a nahromaděné teplo se odevzdává během noci opět vzduchovým vrstvám, které jsou blízko zemského povrchu. Tak vznikne teplotní průběh podle obr. 2. Obrácení teplotního průběhu (inverse) je zvláště znatelné v ranních hodinách, kdy je vzduch již značně ochlazen. Tento jev se označuje jako přízemní inverse a tvoří se při bezoblačném počasí.

Další výskyt inverse může nastat na horní hranici mraků či mlhy (obr. 3). Část tepelného záření se odráží a teplota tam poklesne. Navíc je tu poměrně ostré rozhraní dvou vzduchových hmot - studenějšího a vlhčího dole, teplejšího a suššího nahoře. Tento jev vzniká poměrně často v podzimních a zimních měsících (říjen až leden) a jeho výška se pohybuje od 300 do 500 m nad zemí.

Na obr. 4 je znázorněna inverse poklesová. Klesající vrstvy vzduchu v oblastech vysokého tlaku se ohřívají s rostoucím tlakem. Tak se může nakonec stát, že tyto vrstvy jsou teplejší, než pod nimi ležící přízemní vrstva vzduchu. V těchto teplejších vrstvách velmi rychle klesá vlhkost. Konečně inverse, která nejvíc způsobuje mimořádné dosahy je tzv. advekční inverse. Ta vzniká, když se vodorovně rozložené a většinou suché vrstvy vzduchu nasunou přes studenější vrstvy vzduchu vlhčího. Rovněž přibližující se teplá fronta způsobí jakousi malou inversi. Zlepšené podmínky šíření se však vyznačují malou stálostí. Trvají jen několik hodin nebo dokonce jen několik minut a vzdálenost při nich překlenuté nebývají větší než 400 až 600 km. Vhodné rozhraní, kde dochází k lomu vln, tvoří hranice mezi postupujícím teplým vzduchem, který se nasouvá na ustupující studený vzduch. Tato plošná hranice je velmi rozměrná a je k zemskému povrchu skloněna asi pod úhlem 7° viz obr. 7.

Výše uvedené typy inversí (na obr. 1 až 4) se tvoří samostatně, ale mohou nastat i jejich kombinace. Společným znakem jsou oblasti vysokého tlaku, tzv. anticyklony, které jsou pro vznik inversí prvním předpokladem. Rychlý vzestup atmosférického tlaku a současný pokles teploty jsou znaky tzv. rychlé studené anticyklony. Je to vlastně oblast studeného vzduchu mezi dvěma frontálními poruchami, které postupují ze západu nejčastěji k severovýchodu. Vzniklé rozhraní dvou různých prostředí umožňuje šíření VKV na vzdálenosti 500 až 1000 km. S ohledem ke značným rychlostem, kterým se tyto útvary pohybu (50 až 70 km/hod.), nemají zlepšení podmínek šíření dlouhé trvání. Záleží také na mnoha okolnostech, např. rozloze útvaru, vzdálenosti ostatních front atd.

Na synoptické mapě (obr. 6a a 6b) je znázorněna meteorologická situace, která způsobuje nejlepší podmínky v šíření VKV a která přináší svátek do práce těch, kteří jsou připraveni. Meteorologové ji podle jejích typických příznaků říkají teplá stacionární anticyklona. Přicházívá většinou na konci řady studených anticyklon. Rodí se obvykle nad Azorskými ostrovy, mohutní nad západní Evropou a pohybuje se pomalu k jihovýchodu. Proti studené anticykloně žije dlouhou (několik týdnů) a často zůstává na jednom místě i několik dní (odtud název stacionární), zvlášť v podzimních a zimních měsících. Přináší s sebou velmi pěkné a teplé počasí na horách, sychravo a mlhavo v údolích. Panuje v ní většinou bezvětří nebo jen mírný vítr. Rozhraní vzduchových hmot je velmi ostré, teplotní rozdíly jsou 10 až 15 °C i více a jsou ještě zvětšované odrazem slunečního záření, tím také dochází k ochlazování té nejvrchnější studené vrstvy. Ty nejlepší podmínky šíření VKV bývají na zadní straně tlakové výše, kde inverse je ještě vylepšena nasunutím teplého vzduchu z jihu. Tlakový útvar má průměr až 2000 km a na jeho okrajích se inverse přibližuje k zemi. Právě z těchto míst se daří ta nejdelší spojení. Vlivem sesedání vzduchových hmot je vrstva studeného vzduchu stlačována blíže k zemi a inverse ještě více mohutni. Vynořují se z ní však horské masívy, které přetnou cestu elektromagnetickým vlnám např. z oblasti Čech, a tak pro nás vlastně pěkné podmínky končí. Obvykle se tato meteorologická situace vytváří mezi 6. až 29. říjnem.

Účinky inversí

Síření VKV a světla jsou podobná, mohou se tedy odrážek lomit. Inverse představuje mezní vrstvu mezi studeným hustým vzduchem a teplejším řídkým vzduchem. Taková mezní vrstva se vůči VKV chová podobně jako hladina vody vůči světlu. Obr. 5 ukazuje, ve kterém směru dochází k ohybu elektromagnetických vln, k dopadnou na rozhraní vzduchových vrstev.

Je patrno, že ohyb ve směru příznivém pro spojení na VKV nebo úplný odraz mohou nastat jen tehdy, když vlna dosáhne vrstvy z hustšího prostředí. Vztaženo na troposféru to znamená, že vlna vyslaná z povrch u země se může lámat podle zakřivení země (nebo odrážet), když teplejší (řidší) vrstva vzduchu leží na studenější (hustší). K tomu právě dochází při inversích. Čím větší je tepelný rozdíl v inversi, tím strmější dopadající vlny se mohou dobře odrážet. Rozdíl hustot obou prostředí je pochopitelně tím větší, čím větší je rozdíl ve vlhkosti obou prostředí. Důležitá je též síla inverse, bývá 200 m v létě a asi 300 m v zimě. Výškové inverse okolo 2000 až 3000 m mají sílu jen 10 až 100 m a jejich zjišťování je obtížné. Přízemí inverse umožňují zlepšené komunikační možnosti na vzdálenost 500 až 700 km. Nad 700 km vzdálenosti se šíření vysvětluje mnohonásobnými odrazy v ductech (duct - čte se dakt - je např. podle slovníku vodovod nebo stoka a tedy v přeneseném významu objekt schopný něco vést).

Vznik ductů

Duct je vlastně vlnovodový kanál tvořený současným výskytem přízemní a výškové inverse. Taková dvojitá inverse umožní vlně, která do něj vnikne, aby se odrážela a šířila doslova jako ve vlnovodu na vzdálenost až přes 1500 km.

Nejmenší rozměr vlnovodu, jeho výška, určuje nejnižší kmitočet, který může vlnovod přenést. Totéž platí pro duct, jehož tloušťka určuje kmitočet, pro který poskytne optimální podmínky šíření.

Podle [1] platí:

λ = 2,5 . 10-13 . d . (ΔM)1/2

kde AM je amplituda ductu (největší dosud pozorované byly 40),

       d je tloušťka ductu,
       λ je největší vlnová délka, kterou může vlnovod přenést.

(Pro 2 m musí být d nejméně 130 m, pro 70 cm stačí jen 50 m.)

 

Stav počasí jako předpoklad pro vznik ductů

Spojení na velké vzdálenosti je tedy možné uskutečňovat pomocí ductů, které sestávají z přízemní a výškové inverse. Předpokladem pro přízemí inversi je stabilní podzimní počasí s vysokým tlakem, teplé slunné dny o jasné noci, kdy se intenzívním vyzářením tepla přízemní vrstvy ochladí. Pro výškovou inversi musí ještě navíc na studené vrstvy vzduchu se nasunout teplý a suchý vzduch. Proto je důležité, aby tlaková výše byla rozsáhlá, nenarušovaly ji nějaké frontální poruchy a pohyb v ní samé byl velmi malý, aby nedocházelo k žádnému místnímu víření. Teplý vzduch může zasáhnout střední Evropu jen ze severní Afriky nebo východní Evropy. Protože proudění kolem tlakové výše je ve smyslu otáčení hodinových ručiček (obr. 8) lze očekávat zmíněné teplé vrstvy jen ze strany jižní, západní či severozápadní. Důkazem je např. spad pouštního jemného prachu v Tatrách a Krkonoších v letech 1962, 1964 a 1966; v severním Německu 18. září 1975.

Nic obr. 6ia a 6b je znázorněno, jak vypadalo počasí ve dnech 19. a 20. 1 1974. Prakticky se také potvrdilo, že na 70 cm to „jde" někdy ještě lépe než na 2 m. Amplituda a tloušťka ductů pro 70 cm stačí menší než pro 2 m. Tím je také vysvětleno proč duct, který umožnil spojení z Krkonoš až na pobřeží Francie a do Anglie v obou zmíněných pásmech, nepřivedl žádné signály na kmitočtech 88 až 100 MHz a toto pásmo doslova zelo prázdnotou.

Praktické zkušenosti s šířením pomocí inversí a ductů

Jak jíž bylo řečeno, není situace pro velmi daleká spojení příliš častá. Byly roky velmi bohaté na podzimní inverse a každá tlaková výše, která se nad oblastí západní Evropy vytvořila, přinesla s sebou zlepšené podmínky šíření. Jsou však případy, kdy si příroda doslova zahrála a umožnila kromě desítek fantasti spojení zhlédnout i jedinečnou podívanou.

Tak například ve dnech 27. až 29. 12. 1963 se vytvořila inverse v 900 m a další vrstva byla v 1800 m. Při zemi byla teplota -8 °C a ve výšce 1500 m bylo +15 °C. Z vrcholu Klínovce bylo vidět Sněžku (vzdálenost 180 km), ale obráceně - vrškem dolů. Na vzdálenosti 700 km se navazovala spojení i s 0,5 W z nevýhodných QTH.

Velmi pěkný podzim byl v roce 1964, kdy několikrát za sebou přišly výborné podmínky šíření, které trvaly několik dní a bez jakéhokoliv spěchu se dala dělat spojení z oblasti téměř celých Čech až hluboko do Skandinávie. Prakticky se ukázalo, že oblasti rozsáhlých rovin a četných jezer, které jsou na severu Evropy a v Pobaltí, dávají lepší možnost k vytvoření přízemní inverse. Dá se říci, že mlha zaplní všechny nerovnosti terénu a rozlohy jsou tak obrovské bez narušení vytvořeného ductu nějakým horským masívem. To dokazuje, že právě na sever a severovýchod byla od nás navazována na VKV ta nejdelší spojení.

Dne 8. 10. 1972 bylo možno téměř z celého území Čech pracovat s Pobaltím a částí Skandinávie. Ze Sněžky bylo navázáno několik set spojení se stanicemi od Severního moře a to v pásmu 145 i 433 MHz. Při zapadajícím slunci bylo možno duct sledovat i pouhým okem. Jevil se jako silná svítící čára asi ve výšce Sněžky ve směru k severovýchodu. Protože pozorovatel byl ve stejné výšce a sluneční paprsky do něj vnikaly pod příznivým úhlem, způsobovaly, že po dobu asi dvaceti minut bylo možno pozorovat  stejný efekt, jako když se svítí na skleněnou desku z boku a nastává úplný odraz.

Daleká spojení pomocí ductů jsou vlastně dost ovlivněna náhodou. Stává se, že stanice v nestejné výšce (ale blízko sebe) nedosahují stejných výsledků. Mnohdy je veliká nadmořská výška spíše na závadu; např. z QTH v 900 m n. m. šlo bez potíží navazovat spojení až na 1000 km, ale ze Sněžky 1600 m n. m. nebylo tytéž stanice ani slyšet. Velmi zajímavé pozorování je z 20. 1. 1974, kdy se zcela neočekávaně otevřelo pásmo ve směru na jihozápad až severozápad. Z QTH v 900 m n. m. bylo možno navazovat spojení jen se stanicemi vzdálenými 800 až 1500 km. Kromě několika místních stanic prakticky úplně vymizel příjem až do vzdálenosti 800 km. Níže položené stanice však bez obtíží na tuto vzdálenost spojení navazovaly. Otázkou ještě zůstává, jak je možné, že se někdo do ductu se svými signály dostane i když jeho QTH právě není příznivě položeno. Zkušenosti ukázaly, že poblíž horských masívů nastává pravděpodobně jakési „zborcení“ celého útvaru, signály se od hor odrazí i do blízkých údolí a toutéž cestou zpět se od stanice do ductu dostane i její signál (samozřejmě s jistou ztrátou výkonu). Ilustrovat to lze příkladem ze stejného dne, kdy v Ostrově nad Ohří i v Podkrkonoší byly dobře slyšet signály stanic od Atlantiku. Lze se též domnívat, že tem kde duct končí (zaniká) jíž není tak přesně ohraničen, přibližuje se k zemskému povrchu a má snad i trychtýřovitý tvar, takže z těchto příhodných míst se signály stanic do něj dobře dostávají. Není vyloučeno, že inversních vrstev se za vhodných okolností může vytvořit několik nad sebou. Již několikrát bylo možno sledovat signál, který se od vysílače k přijímači šíří více než jednou cestou. Na přijímací anténu pak přicházejí signály s různě dlouhou cestou a nastává vzájemné časové zpoždění. Nejlépe se to projevuje na telegrafickém signálu, kdy značky doznívají (signál doslova „cvrliká“), a tak se i značně silný CW signál poněkud hůře přijímá.

Indikace „dobrých podmínek“

Po mnoha letech soustavného pozorování lze shrnout všechny dobré i špatné zkušenosti s indikací zlepšených podmínek. Situace pro radioamatéra, který nemá užší kontakt s nějakou meteorologickou stanicí je dost obtížná, protože sledováni jen barometru nestačí. Z předešlých odstavců vyplývá, že větší naděje je v podzimních či zimních měsících (obr. 9). Vysoký tlak sám o sobě ještě mnoho neznamená, i když pro vznik těch nejlepších podmínek je bezpodmínečně nutný. Poslech zpráv o stavu povětrnosti na rozhlasovém okruhu Hvězda v 0830 SEČ dává možnost k nakreslení synoptické mapy a informuje o výstupech v Praze a Popradu. Sledování počasí pouhým okem je velmi nespolehlivé - viz příklad ze dne 20. 1. 1974 (tabulka 1 a obr. 6a a 6b, které byly získány později).

Jak se situace jevila pozorovateli u nás:
- i když leden spadá mezi měsíce s větší pravděpodobností výskytu inverse (obr. 9), už to nikdo neočekával,
- v naší oblasti byl barometrický tlak velmi nízký,
- výstup Praha udával jen nepatrnou inversi, asi o 1 °C,
- v oblasti Čech už několik dní bylo špatné počasí, vál silný severozápadní vítr a neustále pršelo,
- v pásmu VKV rozhlasu nebyla slyšet jediná vzdálenější stanice.

Přesto se vytvořily podmínky, které lze označit za jedny z nejlepších za deset let. V takovém počasí bylo možné celý den pomocí ductu pracovat právě s těmi nejvzdálenějšími stanicemi. Během příštího dne se počasí zlepšilo, tlaková výše se z oblasti Francie přesunula do střední Evropy, zlepšily se podmínky na kratší vzdálenosti - do 800 km, ale dálková spojení už zanikla. Z toho plyne, že spoléhat se jen na tyto ukazatele se nedá. Je potřeba k tomu sledovat pásma 145 i 433 MHz. Sledovat trpělivě a soustavně. Možnosti k tomu jsou stále lepší - VKV majáky a převáděče to usnadňují a i naše zařízení se modernizují, rychlá informovanost přestává být problémem. Nenechme si proto uniknout těch několik málo příležitostí, které nám příroda nabízí.

OK1AIY

Literatura:

[1] - VHF Communications 1/1973
[2] - UKW Berichte 2/1973
[3] - Svoboda: Letecká meteorologie
[4] - Pejml: Předpovídáme počasí


RZ 1977

 


Mgr. Petr Dvořák: Meteorologie pro paragliding

Chladná polovina roku

Teplé vzduchové hmoty k nám postupují z Atlantiku, který je v zimě teplejší než kontinent. Jsou to polární nebo tropické vzduchové hmoty. Nad oceánem mohou být instabilní, ale při postupu nad vychladlý kontinent se vrstvy vzduchu přiléhající k povrchu rychle ochlazují, zatímco ve výšce trvá příliv tepla. Tím vzniká teplotní inverze a vzduch se stabilizuje (obr. 28).

Původní konvektivní oblačnost se přeměňuje ve vrstevnatou, v inverzí se tvoří mlhy. Turbulence je prakticky malá, tím chybí promíchávání atmosféry a zhoršují se rozptylové podmínky pro znečišťující příměsi. V takovéto situaci mohou vznikat i srážky, zpravidla ve formě mrholení.

Studené vzduchové hmoty k nám v zimě pronikají vpádem arktického vzduchu od severu. Při vhodných podmínkách, například při výskytu sněhové pokrývky, se spodní vrstvy atmosféry ochlazují a během několika dnů se může utvořit mohutná inverze, sahající od země do výšek 1 - 2 km. Česká kotlina má pro tyto situace poměrně vhodný tvar - České pohraniční hory obklopují celé území a vzniká tak tzv. Český bazén, který se v zimní sezóně díky radiačnímu ochlazování snadno “naplní‘ studeným vzduchem. Pak následuje několik dnů, v nejhorším i týdnů, kdy jsou Čechy zalité mlhou, nad jejíž horní hranici (která je zároveň i horní hranicí inverze) vyčnívají jen vysoké hory. Zatímco v nížinách nebo středních polohách přetrvává mlhavé, sychravé počasí a případně mrzne, na horách je jasno, teploty mohou být i nad nulou a vítr slabý, tedy ideální podmínky pro rekreační netermické létání ve vysokých horách. Inverzní situace se nejčastěji vyskytuje po přechodu studené fronty, za níž nastoupí mohutná tlaková výše. Konec inverzní situace nastává zpravidla přechodem další studené fronty, neboť větší rychlost proudění, spojená s touto frontou (a tedy uplatnění velkého promíchávání atmosféry), způsobí odbourání inverzního vertikálního teplotního gradientu a rozpouštění mlh. V nižších nadmořských výškách dojde k relativnímu oteplení (obr. 29 a také 21), což se v souvislosti s přechod studené fronty může zdát paradoxní. Tomuto klamnému jevu se říká maskovaní studené fronty. Oteplení se ovšem projeví jen v nížinách. Na horách a ve větších výškách se ochladí. Během krátké doby po přechodu fronty se může inverze obnovit k velké nelibosti sportovních pilotů, kteří tak musí jezdit létat do zahraničí, kde jsou terény meteorologicky příhodnější. Než se vytvoří nová inverze s hustou mlhou, trvá často sice jasné, ale velmi mrazivé počasí.

Dohlednost

Zůstává-Ii po několik dní nad příslušnou oblastí Jedna a tatáž vzduchová hmota a nejsou dobré rozptylové podmínky (například v anticykloně), dostává se postupně do vzduchu mnoho znečišťujících příměsí a dohlednosti se zhoršuji. V chladné polovině roku při anticyklonální situaci nestačí přísun energie od slunce během krátkého dne vyrovnat energetický výdej během delší noci, a to vede k postupnému ochlazování atmosféry při zemském povrchů. Je-Ii vyšší vlhkost vzduchu, vzniknou v nocí snadno mlhy. Zpočátku může ještě slunce přes den mlhy rozpustit, avšak v dalších dnech, kdy se stále více ochlazuje, mlhy přetrvávají po celý den. Za těchto situace jsou velmi špatné rozptylové podmínky a v ovzduší se hromadí velké množství nečistot. Protože povrch země a při vrstvy ovzduší jsou vyzařováním značně ochlazené, teplota vzduchu s výškou vzrůstá a my hovoříme o teplotní inverzi (obr. 20).

               Obr. 20                                                                                                             Obr. 21 - Relativní oteplení při zemi po přechodu studené fronty

 

 

 

Tato situace je ukončena až přechodem studené fronty (obr. 21), za kterou se ve větších výškách ochladí (například na horách), ale v malých nadmořských výškách se relativně oteplí (nížiny). Z obrázku 21 je vidět, jak se přitom změní vertikální průběh teploty v atmosféře, jiným slovy, jak se změní tep zvrstven(, které dosud omezovalo vertikální pohyby vzduchu. Odbouráním inverze se pronikavě zlepší rozptylové podmínky. Nástupem chladné vzduchové hmoty za studenou frontou se také výrazně zlepšuje dohlednost, protože inverze, která byla v dané oblasti před přechodem fronty, bývá téměř vždy provázena mlhou.

Dohlednost 1 km až 9,9 km nazýváme kouřmo nebo zákal, podle toho, jaká je relativní vlhkost vzduchu (o vlhkosti budeme mluvit v následující kapitole). Dohlednost pod 1000 m je mlha. Může vznikat na frontách (často v zimě při přechodu teplé fronty), nebo uvnitř jedné vzduchové hmoty. Mlhy mohou mít také původ v přílivu teplejšího vzduchu nad studený povrch (to jsou mlhy advekční), nebo mohou vznikat tak, že při dostatečné vlhkosti se ochladí radiačním vyzařováním vrstva vzduchu těsně nad zemí, vodní plochou apod. Tyto mlhy se nazývají radiační. Známe je z časných bezvětrných rán pozdního léta, když se objeví nad vlhkými loukami tenká vrstva mlhy od země do výšky asi 1 metru.

 


Obr. 29 Jak se změní teplotní zvrstvení v zimě, po přechodu studené fronty - vlivem větru a turbulence se odbourá přízemní inverze a v nížinách se oteplí, zatímco na horách se ochladí.



 

přepsal a upravil pro web OK2KKW Matěj, OK1TEH v roce 2006