Mezní vrstvou atmosféry se označuje její nejnižší vrstva. Jedná se o oblast atmosféry, kde je proudění výrazně ovlivněno vlastnostmi zemského povrchu. Díky kontaktu s povrchem dochází v této vrstvě k turbulenci a intenzivnímu promíchávání. Toky energií (např. tepla) i látek (např. vody, CO2 a dalších) do atmosféry přímo závisí na proudění a turbulenci v mezní vrstvě. V mezní vrstvě atmosféry také dochází ke vzniku některých důležitých meteorologických jevů, jako je nízká kupovitá i vrstevnatá oblačnost nebo mlha.

Screen Shot 2013-11-13 at 3.21.10 PM

Pochopení fyzikálních dějů v této vrstvě je velmi důležité s ohledem na studium rozptylu a transportu atmosférického znečištění. Popis proudění je ovšem v mezní vrstvě atmosféry značně komplikovaný právě díky fenoménu turbulence. Ta patří mezi poslední neuzavřené kapitoly klasické fyziky, jedná se o problematiku, kde není doposud konečný ucelený fyzikální popis.

Proudění v mezní vrstvě atmosféry je ovlivňováno množstvím parametrů, z nichž celou řadu lze jen obtížně matematicky vyjádřit. K simulaci a studiu konkrétních případů se přistupuje dvěma základními přístupy – numerickým a fyzikálním modelováním. Základem numerického modelování je matematický popis, který vede k soustavě nelineárních diferenciálních Navierových-Stokesových rovnic. Numerické řešení této soustavy je složitý matematický problém, který vyžaduje složitý matematický aparát a výkonnou výpočetní techniku. Jednodušší modely mezní vrstvy také vystupují jako tzv. parametrizace v modelech většího měřítka (sloužících pro předpověď počasí nebo simulace klimatu).

V některých případech ale numerické modelování nepřináší uspokojivé výsledky. Přistupuje se pak k fyzikálnímu modelování proudění. To je nejčastěji realizováno v aerodynamických tunelech. Experimentální výsledky se také často používají jako reference při hodnocení přesnosti numerických modelů.

Numerické modelování je na KMOP zkoumáno zejména pomocí numerického modelu CLMM (Charles University Large-Eddy Microscale Model), který je na katedře intenzivně vyvíjen. Je používán zvláště k výpočtům rozptylu znečišťujících příměsí v oblastech se složitou geometrií (např. města a průmyslové areály). Také ho lze použít k teoretickým studiím o turbulenci v mezní vrstvě atmosféry za různých stabilitních podmínek se zahrnutím různých možností vlivu zemského povrchu.

Fyzikální modelování je realizováno zejména studenty a doktorandy KMOP ve spolupráci s ÚT AV ČR. Mezi nejčastěji studovaná témata patří šíření znečištění ve městech a struktura turbulentního proudění nad drsným povrchem.

Tyto dvě výše zmíněné skupiny navzájem spolupracují na projektech, které zahrnují experimenty i numerické simulace, mezi jinými např. projekt GAUK 535412 „Detekce procesů ventilace znečištění idealizované městské zástavby pro různá geometrická uspořádání“. Dále jsme zapojeni např. v projektu evropské spolupráce COST ES1006 zabývajícím se neurčitostmi výsledků modelů a správným používáním modelů pro šíření nebezpečných látek při mimořádných událostech.

Tematice mezní vrstvy atmosféry, turbulence a šíření znečištění je věnováno několik přednášek v základním kurzu meteorologie (Fyzika mezní vrstvy, Turbulence v atmosféře, Transport znečištění v atmosféře) a jedna přednáška v programu užité meteorologie (Aplikovaná fyzika mezní vrstvy). Také jsou v současnosti v této oblasti zadány 4 dizertační a 1 diplomová práce.