„Nikdo nevěděl, proč se to děje“: Vědci se snaží pochopit matoucí chování „shlukujících se mraků“
Caroline Muller se dívá na mraky jinak než většina lidí. Tam, kde jiní mohou vidět nafouklé marshmallows, jemnou cukrovou vatu nebo bouřlivé šedé předměty bouřící se nad hlavou, Muller vidí tekutiny proudící oblohou. Představuje si, jak vzduch stoupá a klesá, ohřívá se a ochlazuje a jak se točí ve spirálách a víří, aby vytvořily mraky a vytvořily bouře.
Ale naléhavost, s jakou Muller, klimatický vědec z Institutu vědy a techniky Rakouska v Klosterneuburgu, uvažuje o takových atmosférických hádankách, v posledních letech vzrostla. S tím, jak se naše planeta zaparuje globálním oteplováním, jsou bouře stále intenzivnější a někdy srážejí dvakrát nebo dokonce třikrát více srážek, než se očekávalo. Tak tomu bylo v argentinském Bahía Blanca v březnu 2025: Téměř polovina průměrných ročních srážek ve městě spadla za méně než 12 hodin a způsobila smrtící záplavy.
Atmosféričtí vědci dlouho používali počítačové simulace ke sledování toho, jak dynamika vzduchu a vlhkosti může způsobit různé bouře. Stávající modely však plně nevysvětlovaly vznik těchto prudších bouří. Zhruba 200 let stará teorie popisuje, jak teplejší vzduch zadržuje více vlhkosti než vzduch chladnější: o 7 procent navíc na každý stupeň Celsia oteplení. V modelech a pozorováních počasí však klimatologové viděli srážky daleko přesahující tento očekávaný nárůst. A tyto bouře mohou vést k velkým záplavám, když silný déšť spadne na již nasycené půdy nebo následuje vlhké vlny veder.
Mraky a způsob, jakým se shlukují, by mohly pomoci vysvětlit, co se děje.
Rostoucí objem výzkumu, který Muller uvedl do pohybu před více než deseti lety, odhaluje několik procesů v malém měřítku, které klimatické modely dříve přehlížely. Tyto procesy ovlivňují, jak se mraky tvoří, shromažďují a přetrvávají způsoby, které mohou zesílit silné lijáky a podnítit větší, dlouhotrvající bouře. Mraky mají „vnitřní život“, říká Muller, „který je může posílit nebo jim může pomoci zůstat déle naživu.
Jiní vědci potřebují více přesvědčivosti, protože počítačové simulace, které výzkumníci používají ke studiu mraků, zmenšují planetu Zemi do její nejjednodušší a nejhladší podoby, zachovávajíc její základní fyziku, ale jinak se sotva podobají skutečnému světu.
Nyní však nabádá k hlubšímu porozumění. Globální klimatické modely s vyšším rozlišením mohou konečně simulovat mraky a ničivé bouře, které tvoří, v planetárním měřítku, což vědcům poskytuje realističtější obrázek. Vědci doufají, že díky lepšímu pochopení mraků zlepší své předpovědi extrémních srážek, zejména v tropech, kde udeřily některé z nejdivočejších bouřek a kde jsou budoucí projekce srážek nejnejistější.
První náznaky shlukování mraků
Všechny mraky se tvoří ve vlhkém stoupajícím vzduchu. A hora může pohánět vzduch nahoru; tak může i studená fronta. Mraky se také mohou tvořit prostřednictvím procesu známého jako konvekce: převracení vzduchu v atmosféře, které začíná, když sluneční světlo, teplá země nebo vlažná voda ohřívá vzduch zespodu. Jak teplý vzduch stoupá, ochlazuje se a kondenzuje vodní páru, kterou vynesl vzhůru, na dešťové kapky. Tento kondenzační proces také uvolňuje teplo, které podporuje bouřlivé bouře.
Mraky však zůstávají jedním z nejslabších článků klimatických modelů. Je to proto, že globální klimatické modely, které vědci používají k simulaci scénářů budoucího oteplování, jsou příliš hrubé na to, aby zachytily vzestupné proudy, které dávají vznik mrakům, nebo aby popsaly, jak víří v bouři – natož aby vysvětlily mikrofyzikální procesy řídící, kolik deště z nich padá na Zemi.
Aby se pokusili vyřešit tento problém, Muller a další podobně smýšlející vědci se obrátili na jednodušší simulace zemského klimatu, které jsou schopny modelovat konvekci. V těchto umělých světech, z nichž každý má tvar mělké krabice typicky několik set kilometrů napříč a desítky kilometrů hluboko, si výzkumníci pohráli s replikami atmosfér, aby zjistili, zda by dokázali zjistit, jak se mraky chovají za různých podmínek.
Je zajímavé, že když výzkumníci spustili tyto modely, mraky se spontánně shlukly dohromady, i když modely neměly žádný z prvků, které obvykle tlačí mraky k sobě – žádné hory, žádný vítr, žádné zemské rotace nebo sezónní změny slunečního světla. „Nikdo nevěděl, proč se to děje,“ říká Daniel Hernández Deckers, atmosférický vědec z Kolumbijské národní univerzity v Bogotě.
V roce 2012, Muller objevil první stopu: proces známý jako radiační chlazení. Sluneční teplo, které se odráží od zemského povrchu, vyzařuje zpět do vesmíru a tam, kde je málo mraků, uniká více tohoto záření – ochlazuje vzduch. Chladná místa vytvářejí atmosférické toky, které ženou vzduch směrem k zataženějším oblastem – zachycují více tepla a tvoří více mraků. Následná studie v roce 2018 ukázala, že v těchto simulacích dochází k radiačnímu chlazení zrychlený vznik tropických cyklónů. „To nás přimělo si uvědomit, že abychom porozuměli mrakům, musíme se také podívat na okolí – mimo mraky,“ říká Muller.
Jakmile vědci začali hledat nejen vnější mraky, ale také pod nimi a na jejich okrajích, našli další procesy v malém měřítku, které pomáhají vysvětlit, proč se mraky shlukují. Různé procesy, popsané Mullerem a kolegy v Roční přehled mechaniky tekutinvšechny spojují nebo drží pohromadě kapsy teplého a vlhkého vzduchu, takže se v již zatažených oblastech tvoří další mraky. Tyto procesy v malém měřítku nebyly dříve příliš pochopeny, protože jsou často zakryty většími vzory počasí.
Hernández Deckers studoval jeden z procesů, zvaný strhávání – turbulentní míchání vzduchu na okrajích mraků. Většina klimatických modelů představuje mraky jako stálý proud stoupajícího vzduchu, ale ve skutečnosti jsou „mraky jako květák,“ říká. „Máte spoustu turbulencí a máte tyto bubliny (vzduchu) uvnitř mraků.“ Toto míchání na okrajích ovlivňuje vývoj mraků a bouřky; může různými způsoby zeslabit nebo zesílit bouře, ale stejně jako radiační ochlazení podněcuje vznik dalších mraků jako shluku v oblastech, které jsou již vlhké.
Takové procesy budou pravděpodobně nejdůležitější při bouřích v tropických oblastech Země, kde panuje největší nejistota ohledně budoucích srážek. (Proto Hernández Deckers, Muller a další mají tendenci zaměřovat svá studia tam.) V tropech chybí studené fronty, tryskové proudy a spirálovité systémy vysokého a nízkého tlaku, které dominují proudění vzduchu ve vyšších zeměpisných šířkách.
Přeplňování silných dešťů
Uvnitř mraků probíhají další mikroskopické procesy, které ovlivňují extrémní srážky, zejména v kratších časových intervalech. Na vlhkosti záleží: Zkondenzované kapky padající vlhkým, zakaleným vzduchem se při sestupu tolik nevypařují, takže na zem padá více vody. Na teplotě také záleží: Když se mraky tvoří v teplejších atmosférách, produkují méně sněhu a více deště. Protože dešťové kapky padají rychleji než sněhové vločkypři sestupu se méně vypařují – produkují opět více deště.
Tyto faktory také pomáhají vysvětlit, proč z mraku může být stlačeno více deště než 7procentní nárůst na stupeň oteplení předpovídaný 200 let starou teorií. „V podstatě získáte další kop… v našich simulacích to bylo téměř zdvojnásobení,“ říká Martin Singh, klimatický vědec z Monash University v Melbourne v Austrálii.
Shlukování mraků přispívá k tomuto efektu tím, že drží teplý, vlhký vzduch pohromadě, takže padá více kapek deště. Zjistila to jedna studie Mullerové a jejích spolupracovníků shlukující se mraky zesilují krátkodobých extrémů srážek o 30 až 70 procent, především proto, že se kapky deště méně vypařují v rozmočených mracích.
Jiný výzkum, včetně studie vedené Jiawei Bao, postdoktorandským výzkumníkem v Mullerově skupině, rovněž zjistil, že mikrofyzikální procesy probíhající uvnitř mraků mít silný vliv přes rychlé a silné lijáky. Tyto náhlé lijáky jsou intenzivnější mnohem rychleji s klimatické změny než vleklé povodně a často způsobují bleskové záplavy.
Budoucnost extrémních srážek
Vědci, kteří studují shlukování mraků, chtějí vědět, jak se toto chování změní, když se planeta zahřeje – a co to bude znamenat pro výskyt silných dešťů a záplav.
Některé modely naznačují, že mraky (a konvekce, která k nim vede) se budou s globálním oteplováním více shlukovat – a produkovat více extrémů srážek, které často daleko přesahují to, co teorie předpovídá. Jiné simulace ale naznačují, že se mraky budou shlukovat méně. „Zdá se, že stále existuje řada odpovědí,“ říká Allison Wing, klimatolog z Floridské státní univerzity v Tallahassee, který porovnával různé modely.
Vědci se začínají pokoušet urovnat některé z těchto nesrovnalostí pomocí výkonných typů počítačových simulací nazývaných modely globálního řešení bouří. Ty mohou zachytit jemné struktury mraků, bouřek a cyklónů a zároveň simulovat globální klima. Přinášejí 50násobný skok v realismu nad rámec globálních klimatických modelů, které vědci obecně používají – ale vyžadují 30 000krát větší výpočetní výkon.
Pomocí jednoho takového modelu v článku zveřejněném v roce 2024 Bao, Muller a jejich spolupracovníci zjistili, že mraky v tropech shromáždili více jak se teploty zvyšovaly – což vedlo k méně častým bouřím, ale k těm, které byly větší, trvaly déle a v průběhu dne spustily více deště, než se očekávalo z teorie.
Ale tato práce se spoléhala pouze na jeden model a simulované podmínky z přibližně jednoho budoucího časového bodu – roku 2070. Vědci potřebují provádět delší simulace s použitím více modelů pro rozlišení bouří, říká Bao, ale jen velmi málo výzkumných týmů si může dovolit je spustit. Jsou tak výpočetně náročné, že jsou obvykle provozovány ve velkých centralizovaných centrech a vědci občas pořádají „hackathony“, aby procházeli a sdíleli data.
Výzkumníci také potřebují více pozorování v reálném světě, aby se dostali k některým z největších neznámých o oblacích. Přestože záplava nedávných studií využívajících satelitní data spojila shlukování mraků s vydatnějšími srážkami v tropech, v mnoha tropických oblastech existují velké mezery v datech. To oslabuje klimatické projekce a mnoho zemí je špatně připraveno. V červnu 2025 povodně a sesuvy půdy ve Venezuele a Kolumbii smetly budovy a zabily nejméně tucet lidí, ale vědci nevědí, jaké faktory tyto bouře zhoršily, protože data jsou tak mizerná. „Nikdo vlastně neví, co to spustilo,“ říká Hernández Deckers.
Nová, podrobná data jsou na cestě. Wing analyzuje měření srážek z německé výzkumné lodi, která v roce 2024 šest týdnů brázdila tropický Atlantický oceán. Radar lodi mapoval shluky konvekce spojené s bouřemi, kterými procházela, takže práce by měla výzkumníkům pomoci zjistit, jak se mraky organizují nad rozsáhlými oblastmi oceánu.
A na obzoru je ještě globálnější pohled. The Evropská kosmická agentura plánuje v roce 2029 vypustit dva satelity, které budou mimo jiné měřit blízkopovrchové větry, které čeří pozemské oceány a sbírají vrcholky hor. Vědci doufají, že data, která tyto satelity vysílají zpět, možná konečně poskytnou lepší pochopení shlukujících se mraků a nejsilnějších dešťů, které z nich padají.
Výzkum a rozhovory pro tento článek byly částečně podpořeny prostřednictvím novinářského pobytu financovaného Institute of Science & Technology Austria (ISTA). ISTA do příběhu neměla žádný vstup.
Tento článek se původně objevil v Poznatelný časopisnezisková publikace věnovaná zpřístupňování vědeckých poznatků všem. Přihlaste se k odběru newsletteru Knowable Magazine.
