Když ve studni prší (a nemělo by)

Jan Hovorka, Michal Andrle

Středa, 20. května 2015

Sdílet na:

Atmosférický aerosol, mlžná komora a stará studna. Tato trojice se sešla ve výzkumech týmu Jana Hovorky z Ústavu pro životní prostředí, aby společně spletla podivuhodný příběh se zatím otevřeným koncem. Jedna z možností, tedy že na konci příběhu bude významný objev, rozhodně není vyloučená.

Na samotném počátku příběhu, jehož první kapitola byla nedávno uzavřena publikováním článku v časopise Journal of Aerosol Science, stála letní, prázdninová návštěva benediktinského barokního kláštera ve východočeském Broumově. Kdyby oním návštěvníkem nebyl prof. Robert F. Holub, jinak též emeritní profesor fyziky atmosféry na Clarkson University, jistě by na ni dějiny záhy zapomenuly. Zvídavý pohled profesora na dno studny však změnil rutinní turistickou návštěvu v začátek vědeckého dobrodružství. Vodní hladina ve studni se v tu chvíli čeřila dopadajícími kapičkami vody. Na tom by nebylo nic divného, kdyby zrovna nevládlo bezmračné počasí. Opakovaným pozorováním jevu i v dalších slunečných dnech mohl profesor uzavřít tvrzením, že ve studni vlastně vytrvale drobně prší. Je daný jev popsán v literatuře, prší i v jiných studnách, jaké jsou ve studni podmínky vzniku dešťových kapiček? V debatách nad těmito otázky se profesor obrátil i na Jana Hovorku, který vede laboratoř pro měření kvality ovzduší na Ústavu pro životní prostředí na PřF UK.

"S prof. Holubem se znám již od roku 1999, kdy jsme společně pracovali na měření aerosolů v jeskyních," vzpomíná Jan Hovorka na počátky vědecké spolupráce. "Problém tvorby kapiček v broumovské studni mohl mít s překvapivými závěry, které vyplynuly z našich výzkumů v jeskyních, souvislost. Dlouho jsme proto neváhali a vydali jsme se jev co nejpodrobněji zmapovat," doplňuje Hovorka.

První měření proběhlo v srpnu roku 2013. Vědci nejprve museli vyloučit, že kapičky, dopadající na hladinu, neskapávají z vegetace na stěnách nebo nejsou rozstřikovány z nějakého přítoku vody do stěny studny. Odstranili proto většinu vegetace vyrůstající v horní třetině studny (zejména kopřivy) a provedli pečlivou prohlídku její stěny včetně měření teploty. Studna je vyhloubena v jílovité hornině argilitu, nad níž je asi 4 m vysoká nadstavba pískovcového obrubníku. Voda mohla teoreticky pronikat do studny na tomto rozhraní, podrobný průzkum stěny studny však takový předpoklad nepotvrdil. Z prvních měření sice bylo možné získat hrubý obrázek o tom, jak se s hloubkou ve studni mění teplota a vlhkost vzduchu, koncentrace částic aerosolu, ozonu a CO2 neboli vertikální profily těchto parametrů. Ale především se výzkumníci přesvědčili, že k rigoróznímu popisu studny s hlediska podmínek ovlivňující vznik vodních kapek, je třeba podstatně sofistikovanější způsob měření.

Druhé měření se konalo prakticky přesně po roce. Měřicí přístroje byly tepelně odizolovány, aby se maximálně zabránilo jejich interferenci s prostředím studny. Technicky bylo možné proměřit jak vertikální tak horizontální profily měřených parametrů a změřit velikost, počet a pádovou rychlost kapek dopadajících na vodní hladinu. Nepřekvapí, že nejnižší teplota i relativní vlhkost byly naměřeny v nižších partiích studny, v hloubce pod 10 m jak je vidno z barevných map. Podobné vertikální zvrstvení se zjistilo i pro aerosolové částice, kdy se v také v hloubce 10m jejich početní koncentrace ustálila na cca 150 cm-3. Během měření pršelo ve studni rovnoměrně, kapičky byly zejména o velikosti 0,5 – 0,75mm.

Abychom dokázali docenit, co tato zjištění pro další zkoumání znamenají, je třeba si připomenout, jaké jsou nezbytné podmínky vzniku dešťových kapek. Zárodkem každé dešťové kapky je aerosolová částice zhruba od velikosti 200 nm a větší. Další růst tohoto zárodku do velikosti kapiček, které jsou více než pětsetkrát větší, pak vyžaduje, aby byl vzduch dostatečně přesycen vodní parou. K nezbytnému stupni přesycení však dochází téměř výlučně v oblacích při teplotách pod bodem mrazu, kdy zárodečná jádra vymrzají a rychle nabývají na objemu namrzáním přesycené vodní páry. Vzniklá ledová krupka poté při pádu do nižších a teplejších vrstev atmosféry povětšinou taje a na zem dopadá kapka. "Problém je však v tom, že v broumovské studni přirozeně nemrzne. Nejnižší teploty se stabilně pohybují okolo 7,5 °C," shrnuje výsledky teplotních měření Jan Hovorka.

Nejsou-li k dispozici kondenzační jádra v podobě ledových krystalků, je třeba se ohlížet po jiném vysvětlení. "Principiálně nelze přesycení zjistit kontaktním měřením, protože přesycená vodní pára okamžitě zkondenzuje na měřácích a měření nikdy neukáže hodnotu relativní vlhkosti větší nežli 100%. Skutečné přesycení tak můžeme pouze odhadnout na základě modelů," vysvětluje Jan Hovorka.

Navíc, permanentní déšť ve studni vyžaduje dostatečně vydatný tok aerosolových částic, na kterých pak dochází ke kondenzaci vodní páry. Z měření ale vyplývá, že zhruba od hloubky 10m, tedy v nejchladnější části studny, kde se dá předpokládat přesycení vzduchu vodní parou, je přenos hmoty řízen zejména difuzí. V tom je ale další problém. Difúze je totiž nesmírně pomalá. "Abychom mohli vysvětlit rychlý růst kapiček, musíme předpokládat na rozhraní difúzní zóny vznik pomalých konvektivních proudů. Pro jejich existenci ale nemáme experimentální důkaz. Nízká viskozita vzduchu a její závislost na teplotě činí taková měření velmi obtížná v laboratorních podmínkách natož v terénu," vysvětluje Jan Hovorka.

"Proto jsme požádali naše kolegy, odborníky na mlžné komory z Ústavu chemických procesů AV ČR a Leibniz Institute for Tropospheric Research v Lipsku, aby se pokusili o vytvoření jednoduchého modelu studny jako kondenzační komory. Ale i po několikaměsíčních kalkulacích řešení nekonvergovalo. Důsledek je takový, že model nemáme a tedy zatím nemůžeme říci, zda se prostředí studny chová opravdu tak nestandardně, jak se nám na první pohled zdá," dodává Jan Hovorka. Kdyby se v budoucnu ukázalo, že difúze a indukované pomalé proudění ve studni (jak se domníváme) k vysvětlení intenzivního a trvalého deště k vysvětlení nestačí, bude třeba začít se poohlížet po dalších, na první pohled exotičtějších vysvětleních.

Zatím se tedy podařilo jev charakterizovat a vyloučit jisté typy příčin. Dosavadní výzkumy však spíše více otázek vzbudily, než zodpověděly. Nevíme zatím ani to, zda tento jev probíhá pouze ve studni v broumovském klášteře, nebo zda "prší" i v jiných, dostatečně velkých studnách, kterých je na českých hradech a zámcích dostatek. "K tomu bychom potřebovali získat grantovou podporu, na výzkum jedné studny by nám nikdo žádné peníze nedal. Výzkum jsme tedy zatím financovali "ze svého" a nyní čekáme na ohlas článku. Počet přístupů na náš článek již dnes je na aerosolovou komunitu vysoký a naše očekávání tedy nejsou úplně neopodstatněná," shrnuje Jan Hovorka.

Doufejme tedy, že se očekávání naplní a případ broumovské studny spustí lavinu dalších výzkumů.

Foto J. Bendl, R. F. Holub, tabulka J. Hovorka et al., J.Aeros. Sci, 2015, 81, 70, originální článek v časopise - Hovorka J., Holub R.F., Zdimal V., Bendl J., Hopke P.K.: The Mystery "Well": A Natural Cloud Chamber?. (Eng) J. Aerosol. Sci. 81, 70-74 (2015)., zdroj: Přírodovědecká fakulta UK v Praze