Zatmění Slunce a počasí

Ve středu, 22. 7. 2009, ponořilo do tmy velkou část Asie nejdelší úplné zatmění Slunce v posledním století. Zatmění mohly vidět asi dvě miliardy lidí, což je rekord v dějinách lidstva. Slunce bylo úplně zakryto Měsícem šest minut a 39 sekund. Mnoho lidí cestovalo přes celou zeměkouli, aby zatmění viděli na vlastní oči, sedadla ve speciálním letadle, které sledovalo zatmění z 12.500 metrů nad mořem, se prodávala za 1200 eur (téměř 31.000 Kč). Z některých minulých zatmění viditelných v Evropě zpracoval dnes již bývalý student chebského gymnázia Miloslav Machoň velmi zajímavou práci. Jako téma si zvolil hledání odpovědi na otázku, jak zatmění Slunce ovlivňuje meteorologické veličiny a tím i okamžitý stav počasí.

Změny meteorologických veličin během zatmění Slunce
V letech 2005 a 2006 se Hvězdárna a planetárium Plzeň stala jedním z organizátorů dvou expedic za slunečními zatměními. První se uskutečnila koncem měsíce září v roce 2005 a jejím cílem bylo pozorování prstencového zatmění Slunce poblíž španělského města Alicante, které nastalo 3. října 2005. V březnu 2006 byla uspořádána expedice do jižního Turecka (město Side), kde bylo možné 29. března 2006 pozorovat úplné zatmění Slunce.

Do odborného programu obou výprav byl zahrnut kromě astronomických pozorování i meteorologický experiment, jehož úkolem bylo měření meteorologických a fyzikálních veličin v průběhu těchto astronomický úkazů.

Zpracování naměřených dat z těchto expedic se stalo námětem práce s názvem „Změny meteorologických a fyzikálních veličin v průběhu prstencového a úplného zatmění Slunce“. Studie byla primárně určena pro soutěž Středoškolská odborná činnost (SOČ), kde na 29. celostátní přehlídce prací SOČ, jež se konala 15.-17. června 2007 v Prostějově, obsadila v oboru 02 Fyzika první místo.

Jejím cílem byl první detailní popis změn v průbězích meteorologických a fyzikálních veličin během prstencového a úplného zatmění Slunce a následné srovnání těchto typů slunečních zatmění z daného hlediska.

Solar Eclipse Meteorogical Measurement
Meteorologická měření se uskutečnila v rámci projektu Solar Eclipse Meteorogical Measurement (SEMM), který existuje při plzeňské hvězdárně a planetáriu již od roku 1998. Již tehdy Václav Šváb a Bc. Jiří Hofman zkonstruovali přístroje určené pro měření intenzity osvětlení a teploty vzduchu během úplného zatmění Slunce, které proběhlo v srpnu 1999. Druhá generace měřicích aparatur, jež měla vyšší rozlišení a vykazovala vyšší přesnost měření, vznikla v roce 2001. Tyto přístroje byly použity při úplném slunečním zatmění v Angole a Zambii v témže roce. V období let 2001-2005 probíhala stavba 3 identických meteorologických stanic třetí generace projektu SEMM, se kterými bylo provedeno měření právě při prstencovém zatmění Slunce v roce 2005 ve Španělsku a úplném zatmění Slunce v Turecku o rok později.

Během konstrukce měřicích přístrojů třetí generace projektu SEMM došlo k výraznému rozšíření počtu měřených veličin, mezi kterými figuruje např. barva slunečního záření, teplota půdy v hloubce 5 cm či směr a rychlost větru. Zlepšena byla také přesnost a citlivost měření. Naměřené hodnoty byly v průběhu měření zaznamenávány s periodou 10 s. V časovém intervalu 30 min. okolo úplné fáze je však periodicita záznamu 1 s, což umožňuje získat velké množství informací o dějích ve spodní vrstvě atmosféry během úplné, resp. prstencové fáze zatmění Slunce. Pro zachování mobility a energetické nezávislosti meteorologických stanic muselo dojít také ke zvýšení kapacity akumulátorů (cca 50 h provozu). Stavbu všech měřicích přístrojů finančně a metodicky zajišťovala Hvězdárna a planetárium Plzeň pod vedením pana ředitele Lumíra Honzíka.

Na základě zkušeností z předchozích měření bylo rozhodnuto o kalibraci jednotlivých měřicích modulů přístrojů třetí generace projektu SEMM. Její výsledkem bylo určení kalibračních konstant. Kalibrace se uskutečnila převážně v laboratoř ČHMÚ v Praze – Libuši.

Průběh měření
Při výpravě za pozorováním prstencového zatmění Slunce do Španělska se uplatnily 3 meteorologické stanice, rozmístěné na pomyslné přímce; ta byla kolmá k centrální linii pásu anularity, což je oblast, ze které lze pozorovat prstencové zatmění Slunce. Vzhledem k zaměření práce byla zpracována pouze data z meteorologické stanice, která se nacházela v 90% hloubce pásu anularity. Při výběru pozorovacího místa byl brán zřetel na dlouhodobou statistiku stavu počasí od Jaye Andersona a Freda Espenaka z NASA a na finanční možnosti účastníků expedice.

Pozorovací stanoviště se nacházelo ve východním Španělsku v okolí města Alicante a mělo zeměpisné souřadnice: φ = 38° 36’ 20,4‘‘ N; λ = 00° 02 ’28,2’’ W; 0 m n. m. Obsluhu stanice tvořili: Petr Mašek a Jan Vít. Celkem se v pozorovacím místě uskutečnila dvě měření. První v den prstencového zatmění Slunce (3. 10. 2005) a druhé (tzv. 2. referenční) den po úkazu (4. 10. 2005). Z časových důvodů nebylo dne 2. 10. 2005 spuštěno 1. referenční měření. Obsluha meteorologické stanice neprovedla žádné záznamy o stavu počasí, což podstatně ztížilo zpracování naměřených dat.

Během expedice do Turecka za pozorováním úplného zatmění Slunce bylo vytvořeno pouze jedno pozorovací stanoviště, které leželo téměř na centrální linii pásu totality. Jeho výběr byl ovlivněn především analýzou počasí od RNDr. Martina Setváka, CSc. z ČHMÚ a opět finančními možnostmi účastníků.

Za vhodné místo pro astronomická pozorování a tento meteorologický experiment bylo zvoleno město Side nacházející se na jižním pobřeží Turecké republiky. Zeměpisné souřadnice pozorovacího stanoviště byly: φ = 36° 46‘ 48,2‘‘ N; λ = 31° 23‘ 20,8‘‘ E; nadmořská výška: 2 m. n. m. Obsluha meteorologické stanice byla ve složení: Lumír Honzík, Miloslav Machoň, Martin Adamovský a Ondřej Trnka. Při tomto zatmění Slunce byla uskutečněna opět dvě meteorologická měření. První (1. referenční) proběhlo den před úplným zatměním Slunce (28. 3. 2006). Při spuštění přístroje se objevily technické problémy, a tak došlo k manuálnímu startu měření s periodou záznamu naměřených hodnot 10 s. Druhé měření bylo provedeno v den úplného zatmění Slunce (29. 3. 2006) a jeho spuštění se obešlo bez problémů. Přechod teplého frontálního systému dne 30. 3. 2006 přes pozorovací místo způsobil výraznou změnu meteorologických podmínek, a tak bylo rozhodnuto se 2. referenční měření neuskuteční.

Zpracování dat a zajímavé poznatky
Ke zpracování naměřených dat jsme využili program Microsoft ® Excel 2003. Před numerickým a grafickým zpracováním jsme zaokrouhlili naměřené hodnoty a vyhladili grafy spojnicemi trendu klouzavého průměru s příslušnou periodou. Křivky jsme popisovali pomocí časových intervalů a při numerickém zpracování jsme využili základní aritmetické a statistické operace.
Vzhledem k omezenému rozsahu článku uvádím pouze některé zajímavé veličiny.

Intenzita globálního slunečního záření
Zpracování intenzity globálního slunečního záření potvrdilo její pokles během obou typů slunečních zatmění. Numerické zpracování však ukázalo na velmi vysoký a zároveň zajímavý rozdíl v hodnotě poklesu mezi oběma slunečními zatměními. Pro snímání veličiny byly vybrány křemíkové fotodiody, které byly uloženy do pouzder již s předřazenými filtry zajišťujícími kosinovou korekci snímačů.

V průběhu prstencového zatmění Slunce ve Španělsku poklesla hodnota intenzity globálního slunečního záření ve srovnání s hodnotou před úkazem 8krát a velikost tohoto zatmění Slunce byla 95,2 %. Při úplném zatmění Slunce v Turecku, jež mělo velikost 105,0 %, poklesla tato veličina ve srovnání s hodnotou před začátkem úkazu celkem cca 41 000krát.

Současně se v měření projevily neshody s časovými okamžiky maximálních fází zatmění Slunce uváděných v predikci. V případě prstencového zatmění Slunce je velikost rozdílu mezi časem v predikci a časem naměřeného minima intenzity globálního slunečního záření 48,6 s, u úplného zatmění je velikost tohoto rozdílu 5,5 s.

Teplota vzduchu ve výšce 2 m nad zemí
Měření teploty vzduchu ve výšce 2 m nad zemí a jeho následné zpracování ukázalo v průběhu prstencového a úplného zatmění Slunce také na pokles. Tato veličina byla snímána odporovým čidlem Pt 1000.

Pokles veličiny byl při úplném zatmění Slunce opět vyšší (o 0,4 °C) než během prstencového Slunce. Závěr: rozsah poklesu teploty vzduchu ve spodní vrstvě atmosféry tedy roste, resp. klesá spolu s velikostí slunečního zatmění.
Při zpracování se ukázal i určitý vliv tepelné kapacity zemského povrchu a vzduchu, což se projevilo především opožděním všech zaznamenaných teplotních minim vůči minimu intenzity globálního slunečního záření.

Náhradní teplota chromatičnosti slunečního záření
Náhradní teplota chromatičnosti slunečního záření je jedním ze způsobů, jak vyjádřit barvu měřeného slunečního záření. Vzhledem k tomu, že tato veličina není příliš obvyklá při meteorologicko-fyzikálních měřeních během slunečních zatmění, patří získané výsledky k největším zajímavostem experimentu. Barva slunečního záření byla snímána pomocí RGB kolorimetru, jehož zorné pole mělo velikost 180°.
Zpracování této veličiny ukázalo, že její průběh je zcela odlišný během prstencového a úplného zatmění Slunce.

Graf 1

V průběhu prstencového zatmění Slunce nedojde k totální blokaci přímého slunečního záření. Na pozorovací stanoviště tak dopadá světlo z okrajových partií slunečního disku. Tyto oblasti se zdají tmavší v důsledku jevu okrajového ztmavnutí. Dopadající záření má nižší náhradní teplotu chromatičnosti, to znamená, že tam je vyšší obsah červených fotonů.

Graf 2

Při úplném zatmění Slunce je v důsledku blokace přímého slunečního záření situace zcela opačná. Během úplné fáze dopadá na čidla měřicího modulu pouze rozptýlené sluneční záření, které má v důsledku Rayleighova rozptylu vyšší náhradní teplotu chromatičnosti a tedy obsahuje vyšší množství modrých fotonů. Tvar křivky náhradní teploty chromatičnosti během totální fáze zatmění byl způsoben především tvarem horizontu, a dále pak přítomností rozhraní moře a pevniny, resp. aerosoly ve vzduchu.
Porovnáním naměřených dat s teplotou chromatičnosti koróny získanou z digitálních fotografií úkazu pracovníkem Hvězdárny a planetária Plzeň Ing. Jiřím Polákem bylo zjištěno, že při snímání barvy oblohy s takto velikým zorným úhlem se koronální světlo Slunce prakticky neprojevilo.

Naměřená data veličiny u úplného zatmění Slunce také upozornily na drobné neshody v časech určujících počátek a konec úplné fáze slunečního zatmění ve srovnání s predikcí.

Směr a rychlost větru
Dalšími nepříliš obvyklými měřenými veličinami při zatmění Slunce byl směr a rychlost větru, pomocí kterých lze charakterizovat proudění vzduchové hmoty nad pozorovacím stanovištěm. Rychlost větru jsme snímali miskovým anemometrem, směr větru určovala větrná směrovka. Měřicí modul snímal pouze horizontální složku větru.

V průběhu obou typů slunečních zatmění došlo krátce po maximální fázi k výraznému a krátkodobému poklesu rychlosti větru. Tento jev je s největší pravděpodobností důsledkem samotných astronomických úkazů, protože došlo ke snížení velikosti teplotního, resp. tlakového gradientu mezi pozorovacím stanovištěm a okolím.

Během prstencového a úplného zatmění Slunce byla také zaznamenána změna směru rychlosti větru. Při prstencovém slunečním zatmění je vzhledem k její dlouhé době trvání velmi nepravděpodobné, že by mohla být způsobena výhradně samotným úkazem.
Při úplném zatmění Slunce jsme naměřili změnu směru větru s podstatně kratší dobou trvání, což mohlo být způsobeno samotným úkazem. V souvislosti s poklesem rychlosti větru by tento jev mohl souviset s počátkem utváření oblasti vyššího tlaku vzduchu nad pozorovacím stanovištěm ve srovnání s hodnotou tlaku vzduchu nad místy mimo pás totality.

Závěr
Výsledky měření ukázaly, že mezi prstencovým a úplným zatměním Slunce existují v průbězích meteorologických a fyzikálních veličin značné rozdíly. Současně lze tvrdit, že měření pomocí přístrojů třetí generace projektu SEMM přinesly nové, či zpřesnily doposud známé poznatky o změnách těchto veličin během slunečních zatmění. Cíl práce tedy můžeme prohlásit za splněný.

Vzhledem k tomu, že pokles elektromagnetického záření během slunečního zatmění je díky své rychlosti a velikosti unikátním přírodním jevem, mohou získané výsledky sloužit jako podklad k dalším činnostem týkajícím se např. výzkumu modelu zemský povrch-atmosféra, odezvy zemské atmosféry při rychlých změnách meteorologických veličin či výzkumu fauny a flóry během slunečních zatmění. Neméně významná mohou být naměřená data i pro vzdělávací účely, protože na nich lze velice dobře ukázat základní závislosti mezi meteorologickými prvky.

V současné době není se této problematice v meteorologii a astronomii nevěnuje velká pozornost. Je tedy prospěšné v měřeních pokračovat, což by mohlo být umožněno zařazením experimentu do dalších případných expedic Hvězdárny a planetária Plzeň za úplnými zatměními Slunce. Zároveň by bylo vhodné uvážit, zda do tohoto projektu nezařadit měření hodnoty atmosférického tlaku. Zpracování by mohlo výrazně přispět snímání meteorologických stanic a okolní krajiny videokamerami.

Na závěr článku bych rád poděkoval panu řediteli Hvězdárny a planetária Plzeň Lumíru Honzíkovi, panu Václavu Švábovi ze společnosti ENVIC a panu profesoru Mgr. Karlu Martínkovi z Gymnázia Cheb za cenné rady. Poděkování patří i mým rodičům za finanční podporu při cestě do Turecka.

---

V současné době je práce volně ke stažení na stránkách Hvězdárny a planetária Plzeň: http://hvezdarna.plzen-city.cz/zatmeni/semm

Další užitečné odkazy ke studiu:
MACHOŇ Miloslav. Změny meteorologických a fyzikálních veličin v průběhu prstencového a úplného zatmění Slunce: Středoškolská odborná činnost. Cheb: Gymnázium Cheb, 2007.
ŠVÁB Václav, HOFMAN Jiří. Experimentální meteorologické stanice. Essentia – časopis o cestě za poznáním [online]. 2005, č. 3.
Dostupné z URL: http://www.essentia.cz/index.php?obsah=6&id=84 ISSN 1214–3464
ŠVÁB Václav, HOFMAN Jiří. Zatmění Slunce 21. 6. 2001 v Africe – měření osvětlení a teploty.
Essentia – časopis o cestě za poznáním [online]. 2003, č. 1.
Dostupné z URL: http://www.essentia.cz/index.php?obsah=6&id=4 ISSN 1214–3464
ŠVÁB Václav, HOFMAN Jiří. Zatmění Slunce 11. 8. 1999 v Evropě – měření osvětlení a teploty.
Essentia – časopis o cestě za poznáním [online]. 2003, č. 2.
Dostupné z URL: http://www.essentia.cz/index.php?obsah=6&id=5 ISSN 1214–3464