Ako vzniká dážď?

 

            Odpoveď na otázku kde a ako vzniká dážď sa zdá byť jednoduchá: predsa z oblakov. Ale iste každý vie, že neprší z každého oblaku. Prečo je to tak? Prečo niekedy prší na jednej strane ulice, zatiaľ čo druhá strana je suchá? Prečo obyčajne bývajú najničivejšie krupobitia uprostred leta? Čím sa odlišuje mrznúci dážď od krupobitia? Pri akých najvyšších teplotách môže ešte snežiť? Skôr ako nájdeme odpoveď na tieto otázky, pokúsime sa vysvetliť procesy, ktoré prebiehajú v oblakoch predtým ako začnú padať zrážky na zem.  

            Je všeobecne známe, že oblaky vznikajú kondenzáciou (skvapalnením) vodnej pary, ktorá sa dostala do ovzdušia odparovaním z morí, riek, jazier a území pokrytých vegetáciou. Zohriaty vlhký vzduch z týchto oblastí stúpa nahor, pretože má menšiu hustotu ako vzduch nad ním. S rastúcou výškou klesá jeho tlak, a keďže sa obvykle jedná o veľké masy vzdušnej hmoty, tak sa adiabaticky (t.j. bez výmeny tepla s okolím) rozpína a pritom ochladzuje. Po ochladení na teplotu rosného bodu sa začnú vo vzduchu vytvárať drobné kvapôčky vody, ktoré tvoria oblak. Ich priemer je obyčajne okolo 20 mm, čo je oproti typickej dažďovej kvapke rozmer asi 100 krát menší (obr.1). Kvapky v oblakoch pritom vznikajú hlavne na tzv. kondenzačných jadrách, ktoré sú obyčajne tvorené nečistotami nachádzajúcimi sa vo vzduchu.

Obr.1. Porovnanie veľkosti dažďovej kvapky, kvapky vody v oblakoch a kondenzačného jadra.

            Z povrchu kvapky sa neustále odparujú molekuly vody, zatiaľ čo iné molekuly na nej kondenzujú. Ak je počet molekúl, ktoré sa odparia z kvapky rovnaký ako počet tých, čo skondenzujú, tak sa kvapka nezväčšuje ani nezmenšuje a hovoríme, že je v rovnováhe s okolím. Kvôli zakriveniu povrchu kvapiek sa z nich molekuly vody odparujú rýchlejšie oproti vodorovnému povrchu, a preto je na dosiahnutie rovnováhy potrebný väčší tlak vodných pár. Vodná para v oblakoch je teda presýtená a jej relatívna vlhkosť je väčšia ako 100 %. Pritom čím menšie sú kvapky, tým väčšie presýtenie vodných pár je potrebné na dosiahnutie rovnováhy. Ale v oblakoch býva takáto vysoká vlhkosť len zriedkavo. Ako sa teda môžu vytvoriť z maličkých kvapôčiek vody v oblakoch väčšie dažďové kvapky? Rozhodujúcu úlohu tu hrajú vzájomné zrážky kvapiek. Vďaka povrchovému napätiu vody sa pri nich kvapky navzájom spájajú, čím dosahujú nižšiu výslednú potenciálnu energiu.  

            Kvapky vody v oblakoch vplyvom tiaže neustále padajú nadol, pričom rýchlosť ich pádu závisí od ich veľkosti. Čím sú menšie, tým menšiu majú rýchlosť pádu - napríklad kvapky s priemerom 20 mm padajú rýchlosťou 0,01 m/s, kvapky veľkosti 2 mm dosahujú rýchlosť 6,5 m/s, a 5 mm kvapky padajú rýchlosťou 9 m/s. Rýchlosť ich pádu sa dá určiť porovnaním tiaže kvapky so silou odporu vzduchu, ktorá pôsobí proti pohybu kvapky pri jej páde. Treba si ešte uvedomiť, že to, či kvapky naozaj dopadnú na zem alebo nie, závisí aj od prúdenia vzduchu okolo nich. V oblakoch bývajú často vzostupné prúdy teplého vzduchu, ktoré bránia drobným kvapôčkam vypadnúť z oblaku. Proces tvorby dažďových kvapiek tak môže trvať niekoľko minút, ale aj niekoľko dní. Na obr.2 je znázornený typický pohyb kvapky dažďa v oblaku predtým ako začne pršať.

  

0br. 2. Kvapka vody v oblaku najskôr v prúdení teplého vzduchu stúpa, pričom sa zväčšuje. Keď je rýchlosť jej pádu väčšia ako rýchlosť prúdenia vzduchu, kvapka začne klesať a napokon vypadáva z oblaku.

            Ešte jeden proces v oblakoch je podstatný pri tvorbe zrážok. Totiž teplota vzduchu s rastúcou výškou obyčajne klesá, takže aj v lete býva často od výšky 3600 m teplota nižšia ako 0°C. To znamená, že v oblakoch od tejto výšky môže dochádzať k zamŕzaniu kvapiek vody. Situácia je trochu komplikovanejšia, ako by sa mohlo zdať na prvý pohľad, lebo proces zamŕzania nezačína hneď pri teplotách pod 0°C. Často býva v oblaku ešte aj pri teplote -20°C viac kvapiek vody ako ľadových kryštálikov. Čistá voda totiž môže ostať kvapalnou aj keď je ochladená hlboko pod teplotu 0°C. Keď však je znečistená, tak dochádza k jej zamŕzaniu ľahšie. To sa využíva pri umelom vyvolaní zrážok. Napríklad rozprášenie iodidu strieborného, ktorý má podobnú kryštalickú štruktúru ako ľad, pomáha vytvárať kryštáliky ľadu už pri teplotách -4°C. Pri súčasnom výskyte kvapiek vody a kryštálikov ľadu v oblaku sa kvôli vyššiemu tlaku vodných pár pri kvapkách z nich postupne presúvajú molekuly vody na ľad. Tým napokon v oblaku ostávajú len ľadové kryštáliky.

            Doteraz sme opísali ako vznikajú v oblakoch kvapky dažďa alebo kryštáliky ľadu. Po ich vypadnutí z oblaku záleží od atmosferických podmienok pod oblakom, čo sa s nimi stane a ako napokon dopadnú na zem. Ak je teplota pod oblakom vyššia, a kryštáliky ľadu sa stihnú roztopiť skôr ako dopadnú na zem, tak prší. Pritom sa z kvapiek môže voda čiastočne odpariť, čím sa kvapky zmenšia. Ak sú menšie ako 0,5 mm hovoríme o mrholení. Niekedy sa môžu pri svojom páde vypariť úplne, a vtedy zrážky nenastanú. Inokedy sa aj veľké kvapky dostanú do prúdu vzostupného vzduchu s rýchlosťou viac ako 9 m/s, a taktiež nedopadnú na zem. Ak sa však prúdenie vzduchu zoslabí alebo zmení smer nadol, veľké množstvo kvapiek náhle dopadne a tvorí prehánky. Takto sa môže stať, že pod oblakom na jednej strane ulice prúdi vzduch nahor a teda neprší, kým na druhej strane vzduch prúdi nadol a padá hustý prehánkový dážď.

            Len zriedkavo bývajú kvapky dažďa väčšie ako 6 mm. Vtedy sa totiž pri páde obyčajne delia na viacero menších, ktoré sú zase unášané vetrom nahor. Ak sa tento cyklus niekoľkokrát zopakuje, nahromadí sa v oblakoch veľké množstvo vody a nasledovné zrážky sú veľmi výdatné. Ak dážď padá cez znečistené oblasti, môže sa aj sfarbiť, najčastejšie do hneda. Ak padá cez oblasti znečistené oxidmi dusíka alebo síry, dochádza k vzniku tzv. kyslých dažďov.  

            K sneženiu obyčajne dochádza, ak sa hranica mrznutia nenachádza príliš vysoko nad zemou. Vtedy sa kryštáliky ľadu vypadávajúce s oblakov topia, pričom vrstvička vody na ich povrchu pri styku s inými kryštálikmi slúži ako lepidlo. Takto sa tvoria snehové vločky veľkosti až niekoľko centimetrov. A prečo majú snehové vločky také krásne symetrické tvary? Nuž ľad kryštalizuje v hexagonálnej (šesťuholníkovej) kryštalografickej sústave, pričom sa tvoria platničky, stĺpy alebo tzv. dendrity (obr.3). V oblakoch sú najvhodnejšie podmienky práve pre vznik dendritov, a preto sa tieto tvary vyskytujú najčastejšie a rastú najrýchlejšie. Pri spojení mnohých dendritov napokon vzniknú nádherné snehové vločky.

Obr. 3. Možné tvary kryštálikov ľadu.

            Sneženie sa môže prejaviť vo forme náhlej metelice, ktorá neprináša veľa zrážok, alebo vo forme intenzívnejšej snehovej búrky. Niekedy sa zrážky pri páde cez teplejšie vrstvy vzduchu roztopia, no potom sa dostanú do podchladených oblastí pri povrchu zeme, a opäť zmrznú na kryštáliky ľadu. Takto vzniká mrznúci dážď. Ak je vrstva podchladeného vzduchu príliš blízko zeme, kvapky nestihnú vo vzduchu zamrznúť. Mrznú však ihneď po dopade na premrznutú zem a tvoria poľadovicu. A pri akej najvyššej prízemnej teplote môže ešte snežiť? To závisí od vlhkosti vzduchu pod oblakmi. Ak je vzduch extrémne suchý, tak sa voda z topiacich snehových vločiek rýchle vyparuje, čím ochladzuje okolitý vzduch. Teoreticky je tak možné zažiť sneženie až po teplotu +10°C.

            Výrazným prejavom zrážok sú aj krúpy alebo ľadovec. V tomto prípade je veľmi dôležité silné prúdenie vzduchu nahor, ktoré udrží aj veľké nepriehľadné ľadové krúpy v oblaku. Takéto prúdenie obvykle býva silnejšie v lete, a preto býva ľadovec intenzívnejší práve v tomto ročnom období. Krúpy musia byť v oblaku dostatočne dlho; len tak sa neustále zväčšujú. Najväčší padajúci ľadovec, s priemerom až 14 cm bol pozorovaný v Kansase, USA v septembri 1990. Padajúci ľadovec, či krúpy veľkosti stolnotenisových loptičiek dokážu spôsobiť veľké materiálne škody. Našťastie sa však omnoho častejšie vyskytujú krúpy veľkosti do 5 - 10 mm, hoci aj tie môžu spôsobiť škody na úrode.

 

Spracoval: Pavol Kubinec

Použitá literatúra:

1. C. D. Ahrens: Meteorology today, West Publishing Company, St. Paul, 1988, kap. 10

2. E. Svoboda a kol.: Přehled středoškolské fyziky, Prometheus, Praha, 1996, str. 176

3. I.  Štoll: Svět očima fyziky, Prometheus, Praha, 1996, str. 29  

 

Späť na hlavnú stránku

(c) 2002 Pavol Kubinec