English
Ústav zabývající se výzkumem atmosféry Země v celém jejím rozsahu od přízemní vrstvy až po magnetosféru a kosmické okolí slaví v lednu 2014 padesáté výročí svého vzniku.
Dlouhodobé trendy v atmosféře Země. Vpravo výškový profil teploty, vlevo profil elektronové koncentrace charakterizující ionosféru. Šipky ukazují směr změn (červená – ohřev; modrá – ochlazování). Jednou ze základních úloh řešených v oddělení meteorologie je předpověď srážek. Horní obrázek ukazuje příklad dvanáctihodinové předpovědi srážek ze dne 6. července 2012 (12:00–24:00 UTC). Větší panel znázorňuje odhad naměřených srážek získaných kombinací radarových a srážkoměrných měření a 16 menších panelů představuje předpovědi ansámblu COSMO-CZ-ENS s horizontálním rozlišením 2,8 km. Mezi aktivity oddělení patří observační činnost. Na observatoři Milešovka se hmotnost námrazků, které se zde v zimě často vyskytují, měří námrazoměrem (obr. vpravo dole) vyvinutým v ÚFA; odebrané vzorky se dále chemicky analyzují. Graf zachycuje postupný růst námrazy od poloviny prosince 2002 až k rekordnímu množství (52,3 kg/m–2) naměřenému 28. prosince 2002.
Ústav fyziky atmosféry vznikl 1. ledna 1964. Jeho založení předcházelo ustavení samostatného meteorologického pracoviště v Československé akademii věd. Z iniciativy prof. A. Gregora a prof. S. Brandejse vznikl v Geofyzikálním ústavu ČSAV tzv. meteorologický sektor, z něhož se vyvinulo samostatné pracoviště – Laboratoř meteorologie. Byla ustavena 1. ledna 1961 a zaměřila se na základní meteorologický a klimatologický výzkum.
ÚFA zahájil svou činnost na základě rozhodnutí Prezídia ČSAV z 30. října 1963. K ústavu, jehož hlavní část se nachází v areálu Geofyzikálního ústavu AV ČR v Praze na Spořilově, dále patřilo detašované pracoviště v Hradci Králové, meteorologická observatoř na Milešovce a později i observatoř Kopisty u Mostu. Ústav sestával ze tří oddělení: fyziky oblaků; všeobecné cirkulace atmosféry; mezní vrstvy. Tato struktura odpovídala trojici hlavních směrů výzkumu, jimiž byly laboratorní a experimentální studium fázových změn v atmosféře a analýza vlivu umělých příměsí na vznik srážkových částic, studium vývoje velkoprostorových polí meteorologických proměnných včetně studia využitelnosti družicových informací v meteorologii a výzkum mezní vrstvy atmosféry se zaměřením na otázky čistoty ovzduší.
Snímek pořízený na věži meteorologické stanice observatoře Milešovka zachycuje měření doby trvání slunečního svitu prostřednictvím tradičního slunoměru. Fotografie vystihuje typickou zimní anticyklonální situaci s jasnou oblohou nad oblačným mořem nízké inverzní vrstevnaté oblačnosti. Silně vyvinutá námraza na měřící konstrukci představuje nebezpečný meteorologický jev, který je sledován v zimním období. Standardní a výzkumná meteorologická měření na observatoři zahrnují i kvantitativní monitorování vývoje námrazy a sledování závislosti jejího výskytu a množství na teplotě, vlhkosti a směru i rychlosti proudění vzduchu.
V devadesátých letech 20. století se v ústavu udály významné změny. V roce 1991 se v souvislosti s financováním ČSAV zredukoval počet zaměstnanců o 33 %, což vedlo ke změně struktury ústavu, z níž vyplynuly změny názvů oddělení; vzniklo oddělení klimatologie a experimentální laboratoř pro větrnou energii.
Další výrazná proměna nastala v roce 1994, kdy se do ÚFA včlenilo ionosférické oddělení z GFÚ, čímž se oblast výzkumu rozšířila na celý rozsah atmosféry. Strukturu ústavu tvořila tří oddělení: horní atmosféry; meteorologie; klimatologie a aeronomie a dvě laboratoře: experimentální laboratoř pro větrnou energii; pro observatorní činnost a práci s daty. Kromě meteorologických observatoří Milešovka a Kopisty se součástí ÚFA stala telemetrická stanice Panská Ves, ionosférická observatoř Průhonice a experimentální větrná elektrárna Dlouhá Louka. Organizační změny ve struktuře oddělení se uskutečňovaly i v následujících letech.
Pohled na „meteorologickou zahrádku“, kde je umístěna většina přístrojů jako např. PVM-100 pro měření obsahu kapalné vody v mlze nebo aktivní zařízení na odběr vzorků vody z mlh.
V současnosti patří ÚFA k průměrně velkým ústavům AV ČR; zaměstnává přes 80 pracovníků, z toho přibližně polovinu tvoří vědečtí pracovníci. Člení se na pět vědeckých oddělení a jednu pracovní skupinu: meteorologie; klimatologie; aeronomie; horní atmosféry; kosmické fyziky; skupina numerických simulací heliosférického plazmatu. V oddělení meteorologie se badatelé zabývají objektivními metodami pro zpřesnění lokální předpovědi meteorologických jevů, a to především přívalových srážek z konvekčních bouří. Analyzují rovněž příčiny extrémních povětrnostních událostí na území ČR, jejich časoprostorové rozdělení a hledají vazby mezi příčinami těchto událostí a jejich rozdělením. Kromě toho se zde studují chemické a fyzikální vlastnosti mlh a nízké oblačnosti, šíření škodlivých látek v atmosféře, vliv oblačnosti a srážek na útlum elektromagnetických vln a vliv terénu na proudění vzduchu. Oddělení zajišťuje měření na horské meteorologické observatoři Milešovka, která vznikla v roce 1905 a patří mezi horské stanice s nejdelší klimatologickou řadou v Evropě. Dále provozuje observatoř Kopisty, která se nachází v průmyslové oblasti Mostecka a je vybavena speciálním meteorologickým stožárem o výšce 80 metrů, a stanici Dlouhá Louka, kde se provádějí experimentální měření.
Citlivá pozemní měření prováděná v ÚFA dokáží v ionosféře zaznamenat i infrazvukové vlny vybuzené lokálním pohybem zemského povrchu způsobeným seismickými vlnami od silných zemětřesení. Na obrázku zaznamenáno
zemětřesení v Japonsku (r. 2011).
Výzkum oddělení klimatologie spadá do vzájemně se doplňujících oblastí statistické a dynamické klimatologie. První oblast řeší především vývoj a implementaci metod analýzy extrémních hodnot, která pomáhá lépe porozumět nedávným teplotním nebo srážkovým extrémům, a vývoj metod tzv. statistického downscalingu. Práce v oblasti dynamické klimatologie zahrnují studium velkoprostorových cirkulačních režimů na obou polokoulích a vazeb mezi atmosférickou cirkulací a přízemním klimatem. Ve velké míře jsou využívány výstupy globálních a regionálních klimatických modelů ze světových modelovacích center, a to jak k hodnocení kvality modelových simulací pro nedávné klima, tak za účelem analýzy možných změn klimatu, souvisejících neurčitostí a potenciálních dopadů těchto změn. Studium nedávné proměnlivosti klimatu zahrnuje také analýzu vlivů proměnlivosti sluneční a geomagnetické aktivity na klimatické poměry v troposféře. Pro výzkum změn klimatu, včetně jejich detekce a scénářů možného budoucího vývoje a dopadů, mj. v zemědělství, se využívá stochastický generátor počasí. Pozornost vědci věnují i výzkumu souvislostí mezi projevy počasí a lidským zdravím.
Oddělení aeronomie se zaměřuje především na zkoumání ionosféry, studium dlouhodobých změn v systému horní atmosféra-ionosféra a studium ozonu a cirkulace ve stratosféře. Ve výzkumu ionosféry, jejíž stav rozhodujícím způsobem ovlivňuje šíření radiových vln včetně signálu GPS, se pracovníci oddělení soustřeďují na dopad kosmického počasí včetně geomagnetických bouří a vlivu atmosférických vln z dolní atmosféry na stav a vývoj ionosféry. Zdejší badatelé se podílejí na vývoji modelu mezinárodní referenční ionosféry IRI a ve spolupráci s dalšími odděleními se s využitím digisondy a dopplerovských měření zabývají studiem driftů, gravitačních a infrazvukových vln v ionosféře. Dopplerovské měřicí systémy byly instalovány nejen u nás, ale i v Jižní Africe, Argentině a na Taiwanu, čímž vznikla mezinárodní síť měření. Ve výzkumu ozonu a cirkulace ve stratosféře se studium orientuje hlavně na dlouhodobé změny těchto veličin a jejich dopad na klima.
Dlouhodobé trendy v atmosféře Země. Vpravo výškový profil teploty, vlevo profil elektronové koncentrace charakterizující ionosféru. Šipky ukazují směr změn (červená – ohřev; modrá – ochlazování).
Stěžejními tématy oddělení horní atmosféry jsou experimentální a teoretický výzkum plazmatu v okolí Země a studium magnetosféry Země a vztahů Slunce–Země. Oddělení se zabývá konstrukcí speciálních přístrojů a provozuje observatoř Panská Ves, která přijímá telemetrická data v rámci mezinárodních projektů – například CLUSTER (ESA), RBSP (NASA) a CHIBIS (Rusko).
Oddělení kosmické fyziky zkoumá kosmické plazma, ionosféru a magnetosféru Země a planet Sluneční soustavy a též studuje sluneční vítr. Dále se věnuje experimentálnímu a teoretickýmu studiu vln, nestabilit, nelineárních jevů a vzájemného působení vln a částic v kosmickém plazmatu. V mezinárodní spolupráci se podílí na vývoji a stavbě přístrojů pro vědecká měření na umělých družicích a sondách a na zpracování a analýze získaných dat. Účast na přípravě velkých družicových projektů podporují programy Evropské kosmické agentury; zpracování družicových dat získalo podporu 7. rámcového programu EU.
Družicová telemetrická stanice na observatoři Panská Ves je vybavena dvěma desetimetrovými parabolickými anténami, kterými se v současnosti přijímají data z družic projektu CLUSTER (ESA).
Skupina numerických simulací heliosférického plazmatu studuje lineární a nelineární procesy v bezesrážkovém kosmickém plazmatu. Mezi hlavní zaměření výzkumu patří zejména třírozměrné modely některých planet (Merkur) a měsíců obřích planet (Io, Ganymed) popisující globální strukturu jejich interakce s okolním plazmatem. Vyvíjené modely se převážně zakládají na hybridním kódu, který kombinuje částicový a magnetohydrodynamický popis chování individuálních iontů a elektronového plynu. Výpočetně velmi náročné úlohy se řeší pomocí vysoce výkonného paralelního clusteru; jeho aktuální konfigurace zahrnující 832 samostatných výpočetních jader představuje maximální teoretický výkon přes 7,7 TFlops.
Prototyp modulu Time Domain Sampler (TDS) se stane součástí přístroje Radio and Plasma Wave Instrument, který měří elektromagnetické oscilace v mezi-planetárním prostoru. Modul bude umístěn na kosmickou sondu Solar Orbiter k pozorování Slunce z malé vzdálenosti.
Činnost ÚFA se uskutečňuje ve spolupráci se zahraničními i tuzemskými výzkumnými pracovišti včetně vysokých škol. Většinu výzkumu vědci provádějí v rámci mezinárodních (například projekty 7. RP, ESA, NATO apod.) a tuzemských grantových projektů (Grantová agentura ČR, Technologická agentura ČR, projekty Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, Akademie věd ČR apod.).
Pracovníci ústavu se podílejí na výuce studentů na vysokých školách, vedou bakalářské, magisterské a doktorské práce a na činnosti vysokých škol participují jako členové vědeckých rad a komisí. Významnou pozornost, kterou ústav věnuje výchově budoucích vědeckých pracovníků, dosvědčuje, že mnozí z nich obdrželi Prémii Otto Wichterleho pro mimořádně úspěšné mladé badatele. Zaměstnanci ústavu rovněž zastávají významné funkce v mezinárodních vědeckých organizacích a jsou nositeli různých zahraničních i tuzemských ocenění.
Ústav fyziky atmosféry provádí monitorovací a speciální měření a data předává do celosvětových datových sítí. Součástí jeho aktivit je rovněž vývoj speciálních přístrojů a aplikací, vzdělávací činnost na univerzitách v bakalářských, magisterských a doktorských programech a příprava odborných posudků.
ZBYNĚK SOKOL,
Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v. v. i.