Oborově vzdělávací téma „Teplá a studená fronta“

Tento článek tvoří tři texty: 1) Oborově vzdělávací obsah; 2) Myšlenková/koncepční mapa tématu a rešerše učebnic a 3) Analýza kazuistiky a hospitační videostudie v pedagogickém kontextu. Použitá literatura je na konci třetího textu.

1. Oborově vzdělávací téma Teplá a studená fronta (cyklona na polární frontě)

Globální vzduchové hmoty a atmosférické fronty mezi nimi

Země je obklopena atmosférou (vzduchovým obalem), která není jednolitá (homogenní). Jak uvádějí např. Strahler & Strahler, (1996, s. 135), vzdušné hmoty vytvářejí vzduchový obal Země. Kvalita vzduchových hmot (např. teplota, obsah vodních par) je závislá na poloze vůči Slunci a na charakteru povrchu (pevnina, oceán). Rozdíly v kvalitě vzduchových hmot se projevují v rozdílech atmosférických tlaků (tlakové výše a tlakové níže).

Vzduchovým hmotám se vědci (meteorologové) věnovali od konce 19. století, kdy činnosti lidí stále více závisely na počasí (především létání na vzducholodích a v letadlech). Ve 30. letech se intenzivně studovala atmosférická polární fronta, která leží mezi tropickou a polární vzduchovou hmotou. Ve výsledcích zkoumání vynikal zvláště americký odborník na krátkodobé (5denní) i dlouhodobé předpovědi počasí H. C. Willett, který od roku 1929 přednášel na Massachusetts Institute of Technology (MIT). V roce 1933 publikoval článek s názvem Vlastnosti amerických vzduchových hmot (American Air Mass Properties, Willett, 1933). Rozlišoval vzduchové hmoty podle oblasti vzniku a podle směru jejich pohybu do oblastí, ve kterých tyto vzduchové hmoty ovlivňují jak klima tak počasí. Jeho poznatky byly základem pro teorii polární fronty, na které je postavena například Bergenská škola meteorologie v Norsku. 

Obrázek 1 Zdrojové oblasti vzniku vzduchových hmot s vyznačením jejich polohy vůči západní a střední Evropě

Poznámka: Upozorňuji na chybné umístění nultého poledníku, který se v obrázku nachází spíše na 15. stupni východní zeměpisné délky! Vůbec celá souřadnicová síť vykazuje nepřesnosti. Lépe je celou mapu „číst“ vztahově, tj. např. ve vzájemné poloze kontinentů vůči sobě.

Strahler & Strahler (1996, s. 136) rozlišují podle polohy vzduchové hmoty na severní/jižní polokouli, jak je uvedeno na Obrázku 1. Podle zdrojové oblasti se rozlišují čtyři vzduchové hmoty (rovníková/ekvitoriální, tropická, polární a arktická/antarktická), a dále pevninské (c) a oceánské (m). Z rozložení zdrojových oblastí vzduchových hmot je pak následně zřejmé ovlivňování klimatu a počasí v západní a střední Evropě.

V 50. letech 20. století se v Sovětském svazu věnoval vzduchovým hmotám B. P. Alisov (např. in: Vitásek, 1966; Ryabchikov, 1975; Mičian, et al., 1983; Groisman, et al., 2005). Alisov vycházel z poloh vzduchových hmot nad územím tehdejšího Sovětského svazu. Vzduchové hmoty v jeho konceptu se vzájemně liší v poloze (vůči Slunci, podle zeměpisné šířky, a také zda se nacházejí nad kontinentem nebo oceánem). V tomto předpokladu je ve shodě s Willettem. Vzduchové hmoty a atmosférické fronty mezi nimi (a tady se liší od Willetta) mají podobu pásů, které svými jižními/severními okraji (atosférickými frontami) mírně oscilují severojižním směrem v souladu se zdánlivým pohybem Slunce mezi obratníky. Vzduchové hmoty (uspořádané v pásech) určují podle Alisova podnebné pásy (Obrázek 2).

Obrázek 2 Alisovovo rozložení vzduchových hmot na Zemi s vyznačením střední Evropy

Poznámka: na obrázku zcela chybí zeměpisná souřadnicová síť

Český překlad názvů vzduchových hmot od pólů směrem k rovníku (Mičian, et al., 1983 je prezentují jako podnebné pásy):

• Arktická a antarktická
• Subarktická a subantarktická
• Mírných šířek
• Subtropická
• Tropická (pasátový podnebný pás)
• Subrovníková (pás tropických monzunů)
• Ekvatoriální (rovníkový podnebný pás)

Pro geografické vzdělávání (Sobotová & Sobota, 1996) se používá zjednodušené uspořádání atmosféry do čtyř vzduchových hmot (na jedné – severní či jižní – polokouli) s příslušnými atmosférickými frontami mezi vzduchovými hmotami:

• Arktická a antarktická
  • Arktická/antarktická atmosférická fronta
• Polární
  • Polární atmosférická fronta (viz Willettova teorie polární fronty výše)
• Tropická
  • Tropická atmosférická fronta
• Rovníková

Zdůrazňuji, že jednou z významných vlastností těchto jevů je pohyb, který vyplývá z různých teplot, a s různým obsahem vodních par v dané vzduchové hmotě. Vytvářejí se tlakové výše (angl. high pressure) a tlakové níže (angl. low pressure), více viz Obrázek 3. Původ/zdroj geografického uspořádání vzduchových mas/hmot lze hledat v postavení Země vůči Slunci a ve zdánlivém ročním pohybu Slunce mezi obratníky.

Obrázek 3 Meteorologická situace: rozložení vzduchových hmot s polární frontou nad Evropou a přilehlou oblastí Atlantiku (4. ledna 2012)

V mírných zeměpisných šířkách, ve kterých leží Česká republika, se nachází oblast střetu a střídání převahy oceánského a kontinentálního vlivu. Jde o atmosférické rozhraní mezi polární oceánskou vzduchovou masou (v angličtině Polar maritime air mass, Pm) a tropickou kontinentální vzduchovou masou (Tropical continental air mass,Tc), viz Obrázek 1. Tropická oceánská vzduchová hmota proniká na území střední Eropy z oblasti vysokého tlaku nad Azorami. Tropická kontinentnální vzduchová hmota proniká nad Evropu přes Středozemní moře až z oblasti Sahary.

V zimě dochází ve střední Evropě i ke vpádu arktické oceánské vzduchové hmoty (Arctic maritime air mass, Am) ze severu či ze severozápadu, která výrazně snižuje teplotu nad střední Evropou, a projevuje se v této části Evropy jasným počasím s průzračnou dohledností. Na jižním okraji arktické atmosférické fronty se také nachází rozhraní mezi arktickou a polární vzduchovou hmotou. V méně častých případech může v zimě ze severovýchodu až východu vpadnout do střední Evropy velmi studená arktická kontinentální vzduchová hmota (Arctic continental air mass, Ac), která způsobuje hluboký a náhlý pokles teplot hluboko pod bod mrazu.

V současné době se používají různé modely předpovědí počasí, z nichž asi nejznámější je model Globální systém předpovědi počasí (GFS), který vytvořilo americké Národní centrum pro environmentální předpovědi (NCEP, dostupné ZDE). Pro českého čtenáře doporučuji také facebookovou stránku meteorologa ČT Michala Žáka (ZDE) nebo stále Čechy vyhledáváný norský server a jeho službu předpovědi počasí, kterou obsluhuje The Norwegian Meteorological Institute and the Norwegian Broadcasting Corporation (ZDE).

Český hydrometeorologický ústav v Praze spouští od roku 2018 mobilní aplikace ČHMÚ a ČHMÚ+, které mají ambici přetáhnout české klienty ze zahraničních portálů (více ZDE).

Atmosférická polární fronta a systém cyklony na zvlněné polární frontě s teplou a studenou frontou na severní polokouli

Nyní se zaměřím přímo na atmosférickou polární frontu, na které dochází ke zvlnění s aktivitou studeného a teplého vzduchu. Na jejich čele se vytváří studená, resp. teplá fronta. Která to je, záleží na aktivitě a kvalitě vzduchu, který proniká do druhého. V následujícím Obrázku 4 charakterizuji staticky jevy v systému cyklony na polární froně, jakoby se vývoj a postup směrem na východ zastavil v tom nejvyvinutějším stádiu tohoto jevu na polární frontě. Cyklona je nejdříve zobrazena na synoptické (povětrnostní) mapě (typické „štafle“, tedy teplá a studená fronta) a pod ní ve vertikálním řezu nad zemským povrchem. K tomu jsou v tabulce přiřazeny uvedené charakteristiky (ve sloupci nejvíce vlevo), které ukazují rozdíly v daných místech putující cyklony s místně uvedenou posloupností: před postupující teplou frontou, na teplé frontě, v teplém sektoru, na studené frontě a po přechodu studené fronty. Celý systém cyklony na polární frontě postupuje na severní polokouli od západu k východu.

Obrázek 4 Zvlněná atmosférická polární fronta s teplým sektorem, který je ohraničený teplou a studenou frontou (na severní polokouli)

Cyklony na zvlněné polární frontě jsou systémem, který opakovaně vzniká odlišnou aktivitou teplého a studeného vzduchu (značky – červené obloučky a modré trojúhelníčky – jsou ve směru aktivnějšího vzduchu) a výměnou energie díky rozdílným teplotám vzduchové hmoty a rozdílným tlakům. Cyklona vzniká na atmosférické polární frontě, která odděluje polární a tropickou vzduchovou hmotu (Obrázek 5), která byla do té doby stabilní. Na severní polokouli se pohybuje tato cyklona zhruba od západu k východu a její rozměry („štafle“) se pohybují ve stovkách až tisících kilometrů (viz Obrázek 3). Z prostorových dimenzí vyplývá, že je nesmyslné ukazovat tento meteorologický jev pouze na mapě České republiky, ale spíše na mapě Evropy (viz Obrázek 3). Pro Evropu z hlediska povětrnostní situace je důležité znát meteorologickou situaci v Atlantské oblasti (Azory, Velká Británie), která sousedí s Evropou.  

Obrázek 5 Vznik a vývoj cyklony na zvlněné polární frontě severní polokoule (postup Z – V)

Cyklona vzniká na zvlněné polární frontě, kde se zvyšuje aktivita studeného a teplého vzduchu proti sobě („větrný střih“) (Obrázek 5, stupeň 1 a 2). Vytváří se teplý sektor (cyklona/tlaková níže) s vyvinutými frontami (teplá/studená), na kterých dochází k vytváření srážkové činnosti. Studený vzduch (na studené frontě, modré trojúhelníčky vrcholem znázorňují směr aktivního studeného vzduchu)) je rychlejší a „dohání“ rozhraní teplého a chladného vzduchu (teplá fronta, červené obloučky „ukazují“ do směru aktivního teplého/teplejšího vzduchu). Teplý sektor se uzavírá (Obrázek 4, stupeň 3 a 4), když chladný vzduch ve studené frontě dostihne studený vzduch v teplé frontě. Teplý vzduch v teplém sektoru cyklony je při „spojení“ studených vzduchů vyzdvižený a odtržený od zemského povrchu, a chladne. To je v povětrnostní mapě znázorněno okluzní frontou (fialová barva; střídají se trojúhelník s obloučkem, které „ukazují“ směr pohybu).

Jak bylo řečeno v odstavci výše, studený vzduch ve studené frontě dohání chladný vzduch v teplé frontě, a při „spojení“ vytlačuje/zvedá teplý vzduch v teplém sektoru cyklony nad povrch země, a tak se postupně děje na celé teplé frontě. Připomíná to zavírání zipu od vrcholu (centra tlakové níže), kde se stýká studená fronta s teplou frontou, přibližně jižním/jihovýchodním směrem (okluzní fronta). Celý systém se v konečném 5. stupni (Obrázek 5) rozpadne, zanikne teplá fronta a studená fronta v okluzní frontě, ve které vyrovnávají teploty, a obnovuje se rovnováha a stabilita v atmosférické polární frontě.

Popisovaný jev s dynamikou a pohybem od západu k východu se uskutečňuje mezi polární a tropickou vzduchovou hmotou na severní polokouli.

Cyklona na zvlněné polární frontě na jižní polokouli

Geografie se věnuje celé Zemi, a proto zde uvádím i poměry s cyklonou na polární frontě na jižní polokouli. Úmyslně uvádím revizi tohoto tématu v angličtině, aby si čtenář mohl udělat i představu, jak se učí o tomto tématu jinde ve světě. Při studiu tohoto fenoménu doporučuji učit uspořádání na jižní polokouli ve vyšších ročnících gymnázia. Podle mé zkušenosti je vhodné se zaměřit na shody (co je stejné) a na rozdíly (co je odlišné), které přináší odlišná poloha tohoto meteorologického jevu na jižní polokouli vůči tomuto jevu na severní polokouli. Stadia postupují od vzniku přes vývoj k plně rozvinutému stavu (cyklona s teplou a studenou frontou a mezi nimi teplým sektorem) až k okluzi (rozpadu cyklony).

Obrázek 6 Vznik a vývoj cyklony na zvlněné polární frontě na jižní polokouli

 Co je u cyklony na jižní polokouli stejné v porovnání s cyklonou na severní polokouli:

• cyklona se vytváří na atmosférické polární frontě mezi tropickou a polární vzduchovou masou
• studený vzduch na čele studené fronty v cykloně proniká do teplého sektoru a teplý vzduch na čele teplé fronty proniká nad studený vzduch
• cyklona se pohybuje od západu k východu (viz příklad jižní Afriky)

Co je u cyklony na jižní polokouli odlišné v porovnání s cyklonou na severní polokouli:

• Poloha tropické vzduchové hmoty je severně od polární vzduchové hmoty (zrcadlový obraz uspořádání, kde osou zobrazení je rovník)
• Spojení studené a teplé fronty („štafle“) v cykloně směřuje směrem k jižnímu pólu
• Okluzní fronta se „uzavírá“ od jihu směrem k severu

Cyklonu na jižní polokouli je možné shlédnout na videu ve výukové prezentaci, kde je jako příkladné území vybrána oblasti Jižní Afriky. Video je dostupné ZDE.

V dalším textu se věnuji oborově vzdělávacímu obsahu tématu Teplá a studená fronta a rešerši českých učebnic, které se tomuto tématu věnují. Analyzuji také toto téma ve vztahu ke kurikulárním dokumentům.

V dalším textu bude také pokračovat číslování obrázků. Použitá literatura je uvedena na konci třetího textu!

·