Vítr v roli uklízeče aneb Jak vyfoukat špínu z našich měst

Umí odvát smog, toxické látky z fabrik či elektráren i jedovaté plyny šířené teroristy. Od zplodin všeho druhu dokáže vzduch „očistit“ jen vítr. Jak rychle a účinně to zvládá, zkoumají vědci z Ústavu termomechaniky AV ČR v aerodynamickém vzduchovém tunelu v Novém Kníně. Vkládají do něj modely měst či krajiny a pozorují, jak se v nich turbulentní proudění chová. Už takhle prověřili „Staromák“, kovohutě na Příbramsku nebo třeba kravín. O větrných experimentech píšeme v hlavním tématu aktuálního A / Magazínu.

Ranní špička v pražské Legerově ulici. Ve třech pruzích popojíždějí osobáky, dodávky či autobusy od červené k červené, klaksony troubí, řidiči nervózně ťukají prsty do volantu. Jenže ránem dopravní nápor nekončí…

Denně se tudy prodere několik desítek tisíc vozidel. Jednosměrná ulice, vedoucí od Nuselského mostu až k hlavnímu nádraží, tak patří k nejvytíženějším komunikacím v metropoli. A pochopitelně taky k těm nejznečištěnějším, což potvrzují i data ze stanice Českého hydrometeorologického ústavu, která v místě dlouhodobě měří kvalitu ovzduší.

„Legerova je vlastně takové koryto, z obou stran ji lemuje hradba činžovních domů s úzkými bočními ulicemi. Špinavý vzduch se odtud ve srovnání třeba s Jižní spojkou, která nevede hustou zástavbou, dostává mnohem hůř pryč,“ popisuje Klára Jurčáková z Ústavu termomechaniky AV ČR, jež se nyní s kolegy snaží zjistit, jak této třídě od výfukových plynů pomáhá vítr.

Klára Jurčáková z Ústavu termomechaniky AV ČR

Odpovědi však nehledají přímo na pražské magistrále, ale u městečka Nový Knín na Příbramsku. Právě v tamní laboratoři v údolí říčky Kocáby od konce devadesátých let minulého století stojí aerodynamický vzduchový tunel, který umožňuje simulovat vzdušné proudění v mezní vrstvě atmosféry, tedy do výšky několik stovek metrů až kilometr nad zemským povrchem.

„Do našeho tunelu vkládáme modely konkrétních měst či krajiny a zkoumáme, jak na ně turbulentní proudění působí a jak se v nich šíří škodliviny,“ líčí Klára Jurčáková, jež má tyto experimenty na starosti.

Trpasličí „Legerka“
Momentálně se v knínském tunelu tísní celá Legerova ulice i s blízkým okolím. Jen v trpasličí verzi. Zařízení je sice pětadvacet metrů dlouhé, ale široké a vysoké pouze jeden a půl metru, a proto si vědci museli pořídit zmenšeninu oblasti v měřítku 1 : 500. A dokonale přesnou.

„Aby měření odpovídalo skutečnosti, musejí souhlasit všechny proporce modelu: rozměry budov a ulic, sklon terénu, přítomnost vegetace i vlastnosti povrchu. V takto malém měřítku nevymodelujete veškeré detaily jako třeba okenní parapety, ale musíte zachovat na povrchu budov jemnou zrnitou strukturu, která aerodynamicky kompenzuje chybějící drobnosti,“ vysvětluje Klára Jurčáková.

Makety jsou dnes převážně černé, aby se minimalizovaly odrazy laserových paprsků.

Detailní maketu této části metropole, o niž se postarala 3D tiskárna, výzkumníci položili do zadního, částečně proskleného úseku tunelu a pak už dali prostor větru. I ten však musí věrně simulovat realitu, takže pustit na model třeba fén rozhodně nestačí.

„Proudění v atmosféře je vždycky turbulentní, tedy chaotické, kdy se jednotlivé proudnice vzájemně promíchávají a tvoří soustavu různě velkých vírů. A ty si musíme v tunelu vytvořit,“ pokračuje badatelka.

Vzduch se tedy do zařízení dostane pomocí ventilátoru o síle výkonné klimatizace. Nejprve projde uklidňovací komorou, kde se jeho proud za pomoci jemných sít zrovnoměrní. Než ale dorazí k maketě, musí se pořádně rozparádit, proto následuje úsek drobných překážek, jejichž obtékáním vzniknou kaskády vzdušných vírů. A kýžená turbulence je na světě!

Ještě je však nutné ji v tunelu udržet. Vířivé proudění má v malém prostoru v blízkosti povrchu tendenci zpomalovat a takzvaně laminarizovat, tedy měnit se na proudění uspořádané. To je ale pro pokusy nežádoucí, protože by výsledky měření nešlo přepočítat pro reálný svět. Ze stejných důvodů si taky vědci v tunelu „nehrají“ s teplotními rozdíly. Teplotu zkrátka nelze škálovat tak snadno jako třeba rychlost nebo rozměr.

Pojízdné rameno s čidlem měří koncentraci etanu, který simuluje zplodiny.

Když v ulici houstne dým
Samotné experimenty probíhají tak trochu v dýmovém oparu. Věrným pomocníkem badatelů je totiž kouř podobný tomu z koncertů a diskoték, díky němuž je proudění vidět. „Kouřové částice pouštíme do proudu vzduchu, osvětlujeme je laserem a vše snímáme vysokorychlostní kamerou. Tak postupně získáme rychlost a směr větru v každém bodě měření,“ vypráví Klára Jurčáková.

Pokud ale vědci chtějí zároveň studovat šíření znečištění jako v případě Legerovy ulice, vypouštějí do modelu navíc vzorkovací plyn, nejčastěji etan, který zplodiny simuluje. Koncentraci této látky pak měří pojízdné rameno s čidlem, umístěné přímo nad maketou.

„Legerku“ výzkumníci hodlají vystavit různým směrům a intenzitám větru a výstupy porovnat s numerickým modelem kolegů z Ústavu informatiky AV ČR. Jestliže se data obou týmů budou shodovat, je vyhráno. „Na základě výsledků měření bude možné vymyslet různé scénáře, jak oblasti od znečištění co nejvíce ulevit,“ říká Klára Jurčáková. Při silném větru je podle ní magistrála ventilovaná poměrně dobře. Fouká-li však málo nebo vůbec, je situace mnohem horší. Tehdy by se nabízelo dopravu omezit či posílat auta jinou cestou, která bude v danou dobu zrovna lépe odvětrávaná.

Klára Jurčáková ukazuje uvnitř knínského tunelu model pražské Legerovy ulice a jejího okolí.

Sarin v centru Prahy
„Legerka“ není první kousek Prahy, který profoukl vítr knínského tunelu. Před několika lety se v něm objevilo dokonce celé Staroměstské náměstí. Státní úřad pro jadernou bezpečnost tenkrát vědce oslovil s žádostí, aby zjistili, co by se stalo, kdyby někdo v historickém centru metropole vypustil malé množství jedovatého plynu sarinu. A tak se výzkumníci vrhli do výroby modelu jednoho z turisticky nejoblíbenějších prostranství hlavního města.

„3D tisk byl tehdy ještě v plenkách, proto jsme na to šli postaru. Makety nejdůležitějších staveb podél náměstí jsme získali od prodejců suvenýrů, kteří již měli digitální modely domů. Pro nás byla v té době koupě digitálních dat finančně nedostupná, a proto jsme zbylé budovy ručně vyřezávali z polystyrenu, lepili a natírali barvičkami,“ vzpomíná Klára Jurčáková.

Vzniklý model v měřítku 1 : 400, na němž nechyběly zmenšeniny radnice s orlojem, Týnského chrámu ani pomníku Mistra Jana Husa, potom vědci vložili do tunelu a zahráli si na teroristy. Jen místo sarinu, kterým v roce 1995 náboženská sekta Óm šinrikjó zamořila tokijské metro, vypouštěli na miniaturní náměstí ze čtyř různých míst neškodnou napodobeninu jedovatého plynu. „Námi použitý pentylacetát, který voní po banánech, má stejně jako sarin tendenci přilnout na povrchy. Jako by se plazil po zemi a po zdech,“ uvádí vědkyně.

Na miniatuře Staroměstského náměstí vědci zkoumali, co by se stalo, kdyby zde někdo vypustil jedovatý plyn sarin.

V tunelu pak její tým sledoval, jak rychle a kam plyn postupuje při různých směrech větru, zejména při severozápadním a jihozápadním proudění, která jsou v Česku nejčastější. Ve složité zástavbě plné úzkých křivolakých uliček se totiž vzduch chová úplně jinak než nad městem. Nefouká v ní jen jedním směrem, ale vznikají tam různé vracející se proudy.

„Největší koncentraci plynu jsme naměřili hned u zdrojů a v závětrných místech. Naše experimenty rovněž ukázaly, jak moc je pro šíření jedovatých látek nebezpečný takzvaný komínový efekt, který vzniká v závětří vysokých budov. Látky se zde nešíří vodorovně, ale směrem vzhůru, a mohou se tak dostat třeba ke vstupům do centrálních klimatizací velkých budov,“ vysvětluje Klára Jurčáková.

Své poznatky vědci prezentovali hasičskému sboru, který v takových případech zasahuje. Na modelech hasiči krásně viděli, že když je člověk v takové situaci v závětří, nemusí to vůbec znamenat, že je v bezpečí, což je při plánování evakuací jistě dobré vědět.

První „ofuky“
Pět milionů korun. Tak vysokou pokutu musely každý rok platit Kovohutě Příbram za to, že ze svých komínů vypouštějí mnohem více olova, než je povoleno. A to i přes obrovské investice do ekologických opatření. Díky nim sice emise jedovatého kovu klesly v devadesátých letech minulého století z původních šesti set padesáti tun na jednu tunu ročně, nicméně jeho koncentrace v okolní krajině byly stále alarmující. Takže pokutám se závod nevyhnul. Bezradný majitel proto v roce 2000 nechal celou věc prošetřit v tehdy zbrusu novém aerodynamickém tunelu. Model Příbramska otestovali v knínském zařízení jako vůbec první.

Do proudu vzduchu badatelé vypouštějí kouř, osvětlují ho laserem a vše snímají vysokorychlostní kamerou.

„Naše propočty ukázaly, že koncentrace olova ve vzduchu jsou úměrné pouze množství vypouštěného znečištění z komína, a tudíž by měly být asi stokrát menší, než naměřila inspekce. Hodnoty získané na místě však byly výrazně vyšší, hlavně na jaře a na podzim,“ popisuje Klára Jurčáková. Olověná ruda se totiž v oblasti těží už stovky let a zdejší půda je jí prosycená. V době orby a sklizně se pak uvolňuje do ovzduší. „Dokázali jsme tak, že modernizovaná fabrika už nebyla primárním zdrojem znečištění, a zbavili jsme ji povinnosti platit tučné pokuty,“ dodává.

Právě vzrůstající zájem o kvalitu ovzduší a snaha lépe pochopit šíření škodlivin stály na sklonku devadesátých let minulého století za vznikem tunelu v Novém Kníně. Původně se v tamním detašovaném pracovišti Ústavu termomechaniky AV ČR studovalo pouze vysokorychlostní proudění v turbínách a kompresorech. Rozsáhlé podzemní prostory, v nichž ve středověku bývaly zlatonosné doly, totiž fungují jako praktická „zásobárna“ podtlaku.

Po revoluci ale došlo k dočasnému útlumu tohoto výzkumu a ústav hledal nové směry využití laboratoře. A ukázalo se, že zrovna po environmentální aerodynamice je ve společnosti pořádný hlad. V nenápadné budově na úpatí kopce Chvojná byl tak nad vysokorychlostními tunely postaven i jejich aerodynamický kolega, který v současnosti nemá v Česku obdoby. Podobných přístrojů je ostatně na celém světě jako šafránu. Třeba v Evropě bychom jich napočítali maximálně deset.

Od chloru po plyny z kravína
Po rozlousknutí příbramské záhady se informace o existenci unikátního zařízení rozkřikla a laboratoř neměla o zajímavé zakázky nouzi. Ať už od vlastníků tuzemských průmyslových objektů, představitelů místních samospráv nebo zahraničních institucí.

Před několika lety se na výzkumníky například obrátili představitelé Pardubického kraje, aby zjistili, co by se stalo, kdyby z cisteren, které do chemické továrny Synthesia na okraji města vozí tuny nebezpečných látek, unikl chlor. Vědci si proto nechali vyrobit maketu chemičky a okolí (v poměru 1 : 3000) a v tunelu ji podrobili simulacím. Výsledky porovnali s havarijními počítačovými modely a mimo jiné odhalili, že oblast smrtelného nebezpečí by byla při nehodě tohoto typu menší, než se původně předpokládalo.

V dalších studiích řešili prašnost z uhelného dolu Libouš u Tušimic na Chomutovsku, šíření znečištění z dopravy v německém Hannoveru, ale i problém, jak minimalizovat emise amoniaku z chovu zemědělských zvířat. Kvůli poslednímu ze jmenovaných projektů, který měl dokonce celoevropský charakter, v laboratoři vyrostla zmenšenina kravína s různě umístěnými větracími otvory. V tunelu pak badatelé zkoumali, jak účinně dovnitř proudí vzduch a kolik amoniaku se přitom dostává do atmosféry.

Momentálně se v zařízení kromě pražské Legerovy ulice „ofukují“ taky modely různých míst, v nichž by mohly v budoucnu stát malé modulární jaderné reaktory. Tyto technologie by totiž postupně měly nahradit všechny uhelné elektrárny, a vědci proto musejí pečlivě revidovat jejich havarijní plány.

Na modelu kravína se vědci snažili zjistit, jak minimalizovat emise amoniaku z chovu zemědělských zvířat.

„Současné bezpečnostní manuály odpovídají stavu, kdy je kolem jaderné elektrárny zhruba tříkilometrové neobydlené pásmo. Pokud se ale jaderný zdroj postaví do průmyslové zóny, rizika je nutné posuzovat jinak. V potaz se musí brát i to, že úniky z malých reaktorů by byly výrazně menší,“ konstatuje Klára Jurčáková. Její tým se tak nyní snaží validovat numerické modely šíření radioaktivních aerosolů v případě havárie takového zařízení a ukázat limity dnešních postupů.

Ve světě miniatur
Staroměstské náměstí, Pardubice, Příbramsko, „Legerka“, centrum Hannoveru, ale i kravín. Knínský tunel už hostil ledasco. A jelikož se zkoumané modely archivují, musela se jedna z místností laboratoře proměnit v improvizované království miniatur.

„Máme zde i ty nejstarší kousky z dob, kdy byly trojrozměrné digitální modely prakticky nedostupné. Tehdy se makety vyráběly tak, že se dvacetkrát vytiskla stejná 2D mapa, každý výtisk se vystřihl podle jiné vrstevnice a jednotlivé výstřižky se pak lepily na sebe,“ vypráví s úsměvem Klára Jurčáková.

Jakmile byla k dispozici digitální data, využívali technici k výrobě modelů hlavně CNC obrábění, při němž se jednotlivé struktury do materiálu vybrušují frézou. K tomu se někdy uchýlí i dnes, obzvlášť když potřebují probádat rozsáhlý výsek krajiny. Větší plochy se totiž touto metodou tvoří nejsnáze. Složitou městskou zástavbu ale rádi svěří moderním 3D tiskárnám. „Makety z poslední doby taky už moc nehrají barvami. Jelikož používáme zejména laserové metody, musí být alespoň centrální část modelu celá černá, aby se minimalizovaly odrazy laserových paprsků,“ doplňuje vědkyně.

Jedna z místností laboratoře v Novém Kníně slouží jako archiv modelů.

Modely mají většinou kruhový půdorys, aby se s nimi v tunelu dalo snadno otáčet, a zkoumat tak různé směry větru. Nejčastěji bývají pětsetkrát až tisíckrát menší než jejich reálné předobrazy. Volba měřítka se odvíjí nejen od prostorových možností poměrně úzkého tunelu, ale především od velikosti analyzované oblasti. Její plocha se musí navíc minimálně ztrojnásobit, jelikož proudění ovlivňuje i to, co se děje v bezprostředním okolí. I když však vědci potřebují pokrýt území o několika kilometrech čtverečních, nesmějí to se zmenšováním přehnat. V modelu s nedostatečným rozlišením by se totiž ztratily ty nejjemnější detaily, což by mohlo zkreslit závěry měření.

Vítr to vyvětrá?
Čtvercové bloky domů s vnitřními dvory ve stylu pražských Vinohrad nebo shluky budov tvaru kostek à la sídliště. Tým Kláry Jurčákové si do aerodynamického tunelu staví i obecné modely městské zástavby. S jejich pomocí chce zjistit, jaké jsou v našich zeměpisných šířkách optimální podmínky pro přirozenou ventilaci emisí z ulic. Jinými slovy: při jakém uspořádání středoevropská města nejlíp luftují.

„Do širokých bulvárů se logicky dostane víc čerstvého vzduchu než třeba do úzkých křivolakých uliček pražského Starého Města, kde je poměr výšky domů k šířce ulic asi pět ku jedné, a vítr tak do něj nevstupuje téměř žádný,“ popisuje badatelka. Tuto skutečnost si lidé naštěstí na přelomu devatenáctého a dvacátého století uvědomili a začali budovat prostornější třídy tak, aby jejich šířka odpovídala výšce v nich stojících domů. Pouhé rozšíření ulic však městům dokonalý průvan nezajistí. „Pro lepší odvětrávání je zásadní i rozrůznění výšek budov a typů jejich střech. Pokud jsou domy stejně vysoké s rovnými střechami, vítr klouže nad nimi a nedostane se dolů mezi lidi. Do vyšší budovy nebo třeba šikmé střechy ale narazí a zalomí se dovnitř do ulice,“ objasňuje Klára Jurčáková. Dodává však, že žádná závazná pravidla, která by při plánování zástavby zohledňovala její dobrou ventilaci, zatím neexistují.

A kam se tedy ve městě nastěhovat, pokud chceme svým plicím dopřát co možná nejméně zamořený vzduch? Ideálně do vyšších pater s výhledem na návětrnou stranu. Na té závětrné se totiž zplodiny hromadí, protože je nemá co odfouknout pryč. „Vítr je zkrátka naše jediná šance dýchat něco trochu jiného než výfukové plyny. Ani on však neumí zázraky. ‚Špíny‘ nás nezbaví, jen ji naředí a pošle někam k sousedům,“ uzavírá vědkyně s úsměvem.

Článek vyšel pod názvem Jak vyfoukat z měst špínu v A / Magazínu 2/2025:

2/2025 (verze k listování)
2/2025 (verze ke stažení)

Čtvrtletník A / Magazín vydává Akademie věd ČR. Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

Text: Radka Římanová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Text a všechny fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Když má kov pamatováka aneb Češi na špici ve výzkumu slitin s tvarovou pamětí
• Pomohou kvantové počítače překonat hranice současné výpočetní technologie?
• Ochočené světlo: Nové mikroskopy proniknou do dříve netušených hloubek
• Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny
• Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost