Už první osadníky amerického Středozápadu ohrožovalo kromě indiánů také místní počasí. Každoročně během jarních měsíců totiž tuto oblast zasahují jedny z nejsilnějších bouřek na světě, často v doprovodu tornád s průměrem od několika metrů až po několik kilometrů a rychlostí větru výjimečně až 500 kilometrů v hodině. Takový větrný vír dokáže strhnout asfalt z vozovek nebo vytrhat vegetaci s kořeny.
Radar se za druhé světové války používal k detekování nepřátelských lodí a letadel. Už tehdy se však zjistilo, že dokáže vidět mnohem víc. V podobě rušivých skvrn se na jeho obrazovkách občas objevila i srážková oblaka a silné bouřky. Později se ukázalo, že může být užitečný pro detekování tornád, která na obrazovce mají specifický tvar zakončený na jedné straně háčkem. Pro supercely, jak těmto bouřím dnes říkáme, je typická rotace jejich centrální části, a právě s ní souvisejí ony háčkovité tvary bouřkových buněk.
Po válce začali meteorologové využívat radary ke sledování počasí. Hledání háčků na obrazovkách však mělo v praxi jeden poměrně zásadní nedostatek: nebylo dost spolehlivé. Háček se na obrazovce často objevil i tehdy, když k reálnému výskytu tornáda nedošlo. Někdy se naopak ničivá bouře prohnala oblastí, aniž by na radaru vypadala nebezpečně. Varování nebyla příliš úspěšná a počet obětí neklesal.
Hudebníci na železničním voze
V roce 1842 představil Christian Doppler v Praze poprvé svou teorii o změně frekvence vlnění, k níž dochází při vzájemném pohybu zdroje vlnění a pozorovatele. Rakouský fyzik a matematik tehdy přišel s tvrzením, že hvězdy během roku nepatrně mění nejen svou polohu na obloze, ale i barvu. Mnohým jeho současníkům připadalo takové tvrzení přitažené za vlasy. Dopplerův jev měl být ale naštěstí pozorovatelný také u zvukových vln.
O pár let později proběhl na železniční trati mezi Amsterdamem a Utrechtem zajímavý pokus. Vlakovou stanicí projížděl vůz, na kterém stáli hornisté a za jízdy troubili na své přesně naladěné nástroje. Z nástupiště pak druhá skupina naslouchala jakýmkoli změnám tónu. Šlo o vůbec první potvrzení Dopplerovy velké myšlenky.
Dopplerův jev se uplatňuje také u elektromagnetických vln, mezi které patří světlo, radiové vlny, ale i mikrovlny využívané radary. V pohybu navíc nemusí být zdroj ani pozorovatel, ale jen odražeč pozorovaného signálu. Stačí tedy, aby se srážkové částice sledované meteorologickým radarem pohybovaly s nenulovou radiální složkou rychlosti vůči radaru, a můžeme naměřit změnu vlnové délky přijatého signálu oproti původně vyslanému.
První pokusy s využitím Dopplerova jevu pro sledování supercelárních bouří se odehrály v druhé polovině 60. let minulého století. Výsledky byly nadějné, ačkoli tehdejší počítačům zabralo zpracování jen několika měření téměř měsíc výpočetního času. Měření ukázala těsně přilehlý pár protichůdných radiálních rychlostí, kdy na jedné straně rotující bouře míří pohyb směrem od radaru a na druhé směrem k němu. V případě výskytu tornáda pak šlo o velké rychlosti v malé oblasti, kde na velmi malé vzdálenosti došlo k obrovskému skoku v hodnotách. Následovalo množství dalších podobných výzkumů a nakonec i vývoj dopplerovských meteorologických radarů určených pro každodenní využití v praxi.
Dopplerovské radary dohlížejí na bouřky i motoristy
Přelom 80. a 90. let přinesl změny nejen politické, ale také technologické. Ve světě začaly vznikat první sítě meteorologických dopplerovských radarů. U nás bylo první zařízení instalováno v polovině 90. let na vrcholu Skalky v Drahanské vrchovině. Měření z tohoto radaru se ukázala jako mnohem kvalitnější než ta, která pocházela ze staršího sovětského, až dodatečně digitalizovaného radaru v Praze-Libuši. Své však sehrálo i nevhodné umístění pražského radaru. Ten byl proto v roce 1999 nahrazen naším druhým dopplerovským radarem na vrcholu Praha v Brdech.
Měření radiálních rychlostí zpočátku sloužila jen pro vymazávání odrazů od statických pozemních cílů, jako jsou horská pásma. Zhruba před deseti lety, spolu s další modernizací, se ale i tato data začala využívat také pro účely sledování nebezpečných bouřkových jevů nad ČR. Například v roce 2015 jsme na Bruntálsku mohli pozorovat rotaci supercelární bouře spojenou s výskytem silného tornáda (viz obrázek níže) a letos v červnu byla u Příbrami k vidění tzv. tromba (viz druhý obrázek v postranní galerii), což je druh vzdušného víru, který nedosahuje zemského povrchu.
Tornádo v Krnově 18. června 2013:
Nalevo jsou snímky radarové odrazivosti, jak je známe z webových stránek
ČHMÚ (jen s jinou barevnou paletou), vpravo data z dopplerovského měření
radiálních rychlostí. Zelené odstíny značí pohyb směrem k radaru,
žlutohnědé pak směrem od radaru. Na obrázcích jsou dobře patrné dvě
supercelární bouře, spojené s výraznou rotací a postupně splývající v jeden systém. Zejména na posledním dopplerovském snímku je u buňky vpravo
vidět výrazné protichůdné rychlosti velmi těsně poblíž sebe. Jde
přibližně o čas, kdy se vyskytovalo tornádo a rotace s ním spojená byla
výrazná a soustředěná hlavně do velmi malé oblasti. Naměřené rychlosti
větru jsou ale podstatně nižší než ty reálné v tornádu. Měření se
odehrává v určité výšce nad povrchem a jde o průměrnou rychlost v šířce radarového paprsku, která je v této vzdálenosti téměř 2 km.
Na stejném principu, tedy využití Dopplerova jevu, fungují i malé radary určené k měření rychlosti vozidel. Když se vůz přibližuje směrem k radaru, zkracuje se vlnová délka signálu odraženého od auta oproti signálu radarem vysílanému. Z velikosti tohoto rozdílu lze snadno vypočítat rychlost pohybu vozidla, stejně tak jako se počítá rychlost pohybu srážkových částic v oblacích.
Dvě supercelární bouře z 11. června 2018, které s sebou na
jihozápad Čech přinesly silné krupobití: Rotace bouří není na
snímku radiálních rychlostí příliš patrná (slabší rotace je vidět u pravé buňky). Data jsou navíc „vyžrána“ filtrací, která odstraňuje
odrazy od terénních překážek a při výskytu srážek v horském terénu
někdy působí problémy.
Také současná měření novými radary u nás už zohledňují využití Dopplerova jevu při sledování silných bouřek. Ve spolupráci ČHMÚ a amatérských pozorovatelů vzniklo několik projektů, které se zaměřují na identifikaci a katalogizaci supercelárních bouří a ve kterých dopplerovská radarová měření hrají nezastupitelnou roli.
Radary však dokáží zobrazit nejen rotaci v bouřkových oblacích, ale také změnu směru a rychlosti větru při přechodu front, výlevy chladného vzduchu ze silných bouřek a přeháněk, případně i lokální změny proudění například při přetékání větru přes pásma vrchovin a hor. Navíc neměří jen radiální rychlost jako takovou. Zařízení provede v každém směru desítky měření, na jejichž základě je možné studovat třeba rozložení turbulencí v bouřkových systémech.
Ve Spojených státech se dnes k výzkumu tornád a tropických cyklon (resp. hurikánů, jak jim říkají Američané) používají také mobilní verze radarů. Tzv. dopplery na kolech, tedy radary umístěné na nákladních vozech, dokáží pořizovat radarové snímky tornád ze vzdálenosti jen několika málo kilometrů a v extrémních případech měřit přímo v centru hurikánů. Jde však o velmi rizikové projekty vyžadující pečlivý výběr místa tak, aby se v blízkosti měření nevyskytovaly žádné objekty, jež by mohly zasáhnout automobil nebo fatálně zranit jeho posádku.
Doppler na kolech (foto: Rachel Humprey / CSWR)
U nás si zatím musíme vystačit jen se statickými radary. I ty ale dokáží zaznamenat zajímavé meteorologické jevy jako třeba extrémně silný vítr zvaný derecho, na který se zaměříme v příštím díle.
Mohlo by vás zajímat:
Zajímavosti z meteorologie I: Hurikán, tajfun, cyklon. O co jde?
Zajímavosti z meteorologie II: Co jsou to supercely?
Zajímavosti z meteorologie III: Jak se detekují blesky v bouřkách
Zajímavosti z meteorologie IV: Zimní bouřky
Zajímavosti z meteorologie V: Jak radary sledují počasí
Zajímavosti z meteorologie VI: Letní bouřkové lijáky