Atmosféra a hydrosféra Země Lekce 8 Podpovrchové vody, Hydrologie jezer a bažin, Základy oceánografie, Interakce oceán - atmosféra p j! JU ^ RNDr. Jiľí Jakubínský, Ph.D. | 13. 5. 2021 Podpovrchové vody hydrologie podpovrchových vod - voda pod zemským povrchem jako součást oběhu vody v krajině - vztahy mezi vodou a horninovým prostředím -> příznačné fyzikální a chemické vlastnosti vody základní řešené otázky: - zdroje vzniku a doplňování zásob podzemních vod (PZV) - pohyb PZV v horninovém prostředí určitých vlastností - režim a bilance zásob PZV - horizontální a vertikální rozmístění PZV - fyzikální a chemické vlastnosti a výskyt organismů - metody zjišťování zásob PZV a jejich jímání - ochrana zdrojů PZV 1 Podpovrchové vody zdroje vzniku a doplňování PZV - juvenilní voda • magmatického původu • zemská kůra: molekuly vodíku a kyslíku -> vodní pára • v chladnějších vrstvách přechod do kapalného stavu • slučování s povrchovou vodou • aktivní sopečná činnost, vody horkých pramenů a gejzírů • malá část PZV - vadózní (mělká) voda • stálá složka oběhu vody • kondenzační voda x infiltrační voda • fosilní PZV Podpovrchové vody druhy vody v horninách - výskyt PZV ve volných prostorech v horninách - sopečné horniny, zvětraliny a půdy: průliny - pevné horniny: pukliny (trhliny, praskliny) - pásmo provzdušnění-> půdní vláha _ - pásmo nasycení -> podzemní voda r- podpovrchová voda - PŮDNÍ VLÁHA • vodní pára - vypařování kapalné vody v horninách, kondenzace • adsorpční (adhezní) voda - blanky na povrchu zrn a puklin, poutané adsorpčními silami, vznik z vodní páry i z infiltrující a filtrující vody zdroj: Netopil, 1984 Podpovrchové vody • kapilární voda - v pórech menších než 1 mm a puklinách menších než 0,25 mm - na povrch poutána kapilární silou - trvalý výskyt v jemnozrnných sypkých horninách nad hladinou PZV -> vznik pásma kapilárního zdvihu - vertikální pohyby spolu s hladinou PZV - vznik možný i ve svrchní vrstvě půdy (při vsaku srážek) - „zavěšená voda" • vsakující voda - pronikání z povrchu do půdy a dále prasklinami, trhlinami a volnými prostory - vliv gravitační síly - část se zadržuje na povrchu hornin jako kapilární a adsorpční voda - hloubka závislá na množství srážek, druhu povrchu i spotřebě na jiné druhy půdní vody • půdní led Podpovrchové vody PODZEMNÍ VODA - výskyt vázán na horniny se schopností vodu pojmout a předávat (štěrky, štěrkopísky, pískovce, slepence, sopečné tufy, porézní lávy ...) - nutný obsah pórů a puklin větších než kapilárních - pohyb důsledkem gravitační síly - s vyšším hydrostatickým tlakem může proudit i póry a kapilárními puklinami - výskyt PZV až do hloubky 6,5 km v rámci podzemní hydrosféry - 3 pásma z hlediska výměny s vodou povrchové hydrosféry: • pásmo svrchní (sladká, slabě mineralizovaná voda) • střední pásmo (zpomalená výměna vody, silnější mineralizace, vyšší teplota, zvýšený obsah síranů - sirnaté vody [smrďávky], hořké vody [šaratice]) • spodní pásmo (velmi silná mineralizace, často slané vody, vysoký obsah chloridů) Podpovrchové vody obtížná identifikace polohy hranic pásem -> mělké a hluboké zvodné podle pohybu vody rozlišujeme průlinovou a puklinovou vodu PRŮLINOVÁ VODA - přemisťuje se filtrací či filtračním prouděním - čištění a mineralizace - prům. rychlost jen cm - dm/den (v hrubozrnných píscích max. metry/den) - výškový rozsah určen polohou nepropustného podloží a polohou hladiny vody (nebo polohou nadložní nepropustné vrstvy) - mocnost zvodně - volná x napjatá hladina podzemní vody - otvor ve vrchní nepropustné vrstvě -> výstupná (piezometrická) výška - negativní / pozitivní výstupná výška - výškový rozdíl mezi napjatou hladinou a výstupnou výškou = velikost hydrostatického tlaku - absolutní výšková poloha volné hladiny zvodně - hydroizohypsy / napjaté hladiny - hydroizopiezy Podpovrchové vody artéská voda - průlinová podzemní voda s napjatou hladinou - tlak narušuje artéský strop - artéská pánev - mísovitě prohnuté vrstvy sedimentárních hornin rozdílné propustnosti (pískovce, jíly,...) - napájení artéských zvodní v oblasti výstupu propustných vrstev na povrch - oblast přetlaku - Velká australská pánev I propustná mtva ItoWtwí | nrpropwtni mtv* (uoUter) jřtnAy pr.imm fjmen opdvodhuftti vdnou rtcOtfi - Madru volné vody Podpovrchové vody f'. Sahara km* m* Podpovrchové vody PUKLINOVÁ VODA - pohyb vlivem gravitace - krátká doba setrvání v horninovém prostředí -> slabá mineralizace a nedostatečná filtrace vody - výrazná roční amplituda teploty vody (zejm. při povrchu) - krasové vody (systém závrtů, ponorů, vyvěraček, ...) - „hladové prameny" - periodické krasové vody Podpovrchové vody PRAMENY - přirozený výtok vody na zemský povrch - vydatnost pramene [l.s-1] - zjevný x utajený - soustředěný x rozptýlený - prameny stálé, občasné (periodické), epizodické - prameny sestupné x výstupné - druhy pramenu dle vlastností horninového prostředí zvodné • vrstevnaté prameny • puklinové prameny • vzduté prameny • suťové prameny zdroj: Kettner, 1948 Podpovrchové vody prameny dle teploty vody: - studené (prům. teplota nepřesahuje prům. teplotu vzduchu v lokalitě) - teplé (termy, t > 20 °C) • vlažné (hypotermy, t < 37 °C) • teplé (termální, t < 50 °C) • vřídla (termy, t > 50 °C) prameny dle obsahu minerálních látek - prosté - minerální (více než 1 g rozpuštěných látek na 11 vody) prameny dle charakteru obsažených minerálních látek - kyselky (C02, Lázně Kyselka) - alkalické prameny (uhličitan sodný, Bílina) - železité prameny (uhličitan železnatý, Kynžvart, Toušeň) - slanice (min. 15 %o NaCI, Luhačovice) - hořké prameny (síran horečnatý, Šaratice, Zaječice u Mostu v Čechách) - sirné (sirovodíkové) prameny (sirovodík, Ostrožská Nová Ves) ě) Hydrologie jezer a bažin jezero - uzavřená, přirozená deprese zemského povrchu, vyplněná vodou tvořeno horninovým prostředím, flórou a faunou na dně i vznášející se ve vodě členění jezer podle hydrologických, morfometrických, morfografických, fyzikálních, chemických a biologických kritérií dělení dle charakteru přítoku a odtoku vody - bezodtoká - odtoková (otevřená) - průtočná - konečná reliktní jezera dělení dle původu jezerní pánve - hrazená - kotlinová (např. tektonická, ledovcová, krasová, vulkanická, alasy) - údolní - smíšeného původu Hydrologie jezer a bažin dělení jezer dle geologických a geomorfologických podmínek, které formovaly jezerní pánev - jezera tektonického původu • riftové zóny • časté kryptodeprese • Bajkal, Tanganika, Malawi, Ukerewe, Titicaca ... - jezera vulkanického původu • kalderová (hrazená lávovými proudy, Crater Lake [Oregon, USA], Pinatubo [Filipíny], Albano [Itálie], Nikaragua,...) • maary (explozivní krátery, Porýní, Kanárské ostrovy,...) - ledovcová jezera • nepravidelný půdorys i reliéf dna • často bezodtoká • zdroj vody: srážky, PZV • zanikání říční sedimentací u průtočných jezer • horské ledovce -> jezera v oblasti ablace a ukládání morén (hrazená jezera) a v oblasti vyživování ledovců (karová jezera) • Ženevské, Bodamské, Gardské jezero,... Hydrologie jezer a bažin jezera říčního původu (údolní) — výsledek erozní a akumulační činnosti vodního toku — mělká a rozlehlá jezera — mrtvá říční ramena, zaškrcené meandry — zásobována vodou za povodní — zarůstání vegetací -> bažiny — typicky v deltách velkých toků - Dunaj, Volha, Mississippi,... pobřežní jezera mořského původu — v oblasti limanů — postupné „vyslazování" — zarůstání vegetací -> bažiny, poldry, marše jezerní pánve eolického původu — vyváté terénní deprese v pustinných oblastech — nesoudržné zvětraliny a usazeniny — velmi mělké a rozlehlé pánve zaplavované periodicky či epizodicky vodou — časté solné kůry, slané bažiny, šoty Hydrologie jezer a bažin krasová jezera - karbonátové horniny - jezera trvalá, občasná, dočasná - v poljích - malá krasová jezera i v podzemních prostorách (zahrazení dna jesky zřícenými stropy, za sifony, sintrovými hrázemi, apod.) - napájena převážně krasovou podzemní vodou - specifický termický chemický režim Hydrologie jezer a bažin Hydrologie jezer a bažin bažiny - části zemského povrchu s trvale nebo po delší dobu roku zamokrenou i mělce zaplavenou půdou, porostlou vlhkomilnými a vodomilnými rostlinami - často vzniklé zarůstáním jezerních pánví nebo zvýšením hladiny PZV - dělení dle vegetačního krytu: • bažiny ekvatoriálních šířek s porosty deštných lesů, trav i vodních rostlin, na pobřeží moří s mangrovovými porosty • bažiny vlhkých tropů a subtropů s porosty rákosů, trav i vysokých dřevin (bahenní cypřiše, blahovičníky) • bažiny suchých tropů a subtropů s nahromaděnou solí a slanomilnou vegetací (playas) • bažiny mírných šířek - slatiny, slatinná rašeliniště a vrchoviště, na pobřeží moří marše 10 Hydrologie jezer a bažin slatiny - vznik zanášením či zarůstáním jezer, mrtvých říčních ramen a zaplavovaných údolí řek v nejnižších polohách - akumulace minerálních látek - typické pásmovité uspořádání vegetace a půd - po okrajích kyselé prostředí vlhkých půd (glejí) - možný vznik rašelinišť slatinné rašeliniště - terénní deprese na dnech říčních údolí nebo kotlin v rovinatém terénu - nedokonalý odtok vody, vysoká hladina PZV (hlavní zdroj vody) - minimální mineralizace (srážky, PZV) -> rozvoj rašeliníku - v ČR název „blata" (jižní Čechy) vrchoviště (vrchovištní rašeliniště) - terénní deprese ve vyšších polohách, napájená zejm. dešťovou vodou - typický vypouklý tvar - rašeliník, suchopýr, borovice blatka, kleč, ... Hydrologie jezer a bažin Umělé vodní plochy rybník - uměle vytvořené vodohospodářské dílo, v ČR cca 21 000 - chov ryb, vodní drůbeže - rybniční soustavy - zdroj vody: • srážková voda dopadající do jejich povodí („nebeský rybník") • podzemní voda (pramenný rybník) • vodní tok - průtočné / obtočné rybníky • napájené říční vodou přívodními kanály (Zlatá stoka) - Rožmberk (489 ha), Máchovo jezero (max. hloubka 12 m), Staňkovský rybník (objem 6,6 mil. m3) přehrada - funkce energetická, protipovodňová, zásobovací, dopravní, rekreační, produkční (chov ryb) - Lipno I (4909,8 ha), Dalešice (85,5 m), Orlík (716,5 m3) Základy oceánografie fyzická oceánografie (fyzikální vlastnosti mořské vody a její pohyb, interakci oceán - atmosféra) chemická oceánografie biologická oceánografie mořská geologie a geofyzika aplikovaná oceánografie zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 12 Základy oceánografie členění světového oceánu - oceány - moře (okrajová / vnitřní + „středozemní moře") - zálivy a zátoky (malé části oceánu či moře vnikající do pevniny, někdy však charakter okrajových moří!) - průlivy FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI MOŘSKÉ VODY - teplota vody • zdroj energie: pohlcování slunečního záření, konvektivní přenos tepla pod hladinou, kondenzace vodní páry na hladině • ochlazování vlivem vyzařování z hladiny, konvektivním přenosem tepla a výparem • horizontální (z nižších do vyšších z. š.) i vertikální přenos tepla (konvekční proudění a tubulence) • termohalinní konvekce - změna hustoty vody podmíněná teplotou a salinitou • prům. teplota svrchní vrstvy mořské vody = 17,4 °C (min. -1,9 °C; max. +30 °C) 13 Základy oceánografie teplota hlubinných vod - tropický - mírný pás: výrazný pokles s hloubkou (skočná vrstva termoklina) - v hloubce 2 km průměrná teplota cca 2-4 °C - polární moře: od hloubky několika desítek metrů do cca 300-500 m nárůst teploty z -1,9 °C na 0 °C, homogenní studená vrstva až ke dnu srpen va- zvyšující se teplota (°C) —- křivka pro n0_4_ £ vysoké zeměpisné šířky 1000 unor E m 2000 3000 4000 křivka pro nízké zeměpisné šířky termoklina zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 Základy oceánografie hustota mořské vody - závislost na teplotě, salinitě a tlaku - při salinitě 35 %o, teplotě 0 °C je hustota 1,028 - při teplotě 20 °C je hustota 1,024 - nárůst hustoty s rostoucí salinitou a klesající teplotou (platí jen při nízké salinitě - cca do 10 %o) - max. hustota při 4 °C - nárůst hustoty s rostoucím tlakem - nárůst hustoty od tropických šířek po polární oblasti - pyknoklina zvyšující se hustota (g/cm3)— 1,025 1.026 1,027 1,028 0 r zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 Základy oceánografie barva mořské vody - závislost na množství biogenní a minerální suspenze - vliv na intenzitu pohlcování paprsků světelného spektra - velké množství minerální suspenze (jíl, silt) - žlutavá až hnědavá barva - velké množství planktónu - zelená barva - menší množství planktónu - modrá barva - nejchudší oblasti z hlediska obsahu planktónu (mořské pouště), nejčastěji 40° s.š.-40° j.š. - kobaltově modrá barva (např. Sargasové moře) - vnitřní a okrajová moře mírného pásu + studená polární moře - zelená až zelenohnědá barva - názvy moří podle specifického zabarvení • Žluté moře, Bílé moře, Rudé moře,... - průhlednost mořské vody měřena Secchiho deskou 15 Základy oceánografie • CHEMICKÉ SLOŽENÍ MOŘSKÉ VODY - nejvýrazněji složení a vlastnosti mořské vody ovlivňují soli (0 3,5 %) - salinita [%, %o] - celkové množství pevných látek a plynů, rozpuštěných v 1 litru mořské vody - nejvíce zastoupené soli: chlorid sodný, chlorid horečnatý, síran horečnatý, síran vápenatý, síran draselný, uhličitan vápenatý - prům. salinita mořské vody = 35 %o - max. v tropických šířkách (37 %o), min. v polárních oblastech (35-33 %o) - Rudé moře (42 %o), Baltské moře (4-6 %o) - v okrajových a vnitřních mořích mírného pásu salinita nižší - převaha srážek nad výparem, přítok říčních vod - v okrajových a vnitřních mořích tropického pásu salinita vyšší -převládající výpar - s rostoucí hloubkou salinita mírně klesá - brakické vody - skočná vrstva změny salinity s hloubkou (400-1000 m) - haloklina ,9 °C Základy oceánografie LED NA MOŘSKÉ HLADINĚ - teplota zámrzu mořské vody při salinitě 35 %o a hustotě 1,028 činí -1,9 °C - sůl se z ledu postupně vylučuje vertikální difúzí - nový led = jiskřivě bílá barva / starý led = nasedly či namodralý - rychlost tvorby ledové pokrývky je dána mírou rozvlnění hladiny, sněžením, salinitou, zásobami tepla ve svrchní i hluboké vrstvě vody - max. rozsah ledu (konec zimy na J polokouli) - cca 24 mil. km2 světového oceánu - tabulový led - souvislý ledový pokryv o mocnosti až do 2,5 m - ledová návrš - nakupení ledu rozlámaného vlivem vlnění - ledová tříšť (drift) - roztávání ledové návrše - „pack ice" - víceletý led o mocnosti přes 10 m - iceberg (ledová hora) - velká ledová kra, vynášená z polárních oblastí až po 30° z. š. (obvykle útžky grónského pevninského ledovce či antarktického ledovcového štítu) Základy oceánografie ROZPTÝLENÉ ČÁSTICE V MOŘSKÉ VODĚ (SUSPENZE) - anorganická suspenze (pevné částice přinášené řekami, větrem, ...) - organická suspenze • fytoplankton • zooplankton - větší rozvoj planktónu v chladnější a více okysličené vodě - nárůst obsahu planktónu do vyšších z. š. a směrem k pobřeží Základy oceánografie POHYBY MOŘSKÉ VODY - pohyb v uzavřených drahách - vlnění - přemisťování vody ve vertikálním či horizontálním směru ■ proudění, mořské proudy a mořské dmutí - astronomické a atmosférické vlivy - geodynamické vlnění (sopečná a zemětřesná činnost) - tsunami - příčiny vzniku pohybů mořské vody: • přitažlivá síla Měsíce a Slunce (mořské dmutí) • všeobecná cirkulace atmosféry (povrchové proudy) • nerovnoměrné ohřívání vody v různých zeměpisných šířkách • rozdílná salinita (hlubinné proudění) • gradienty atmosférického tlaku (vlnění) • vliv podmořského zemětřesení (tsunami) • sopečná činnost (tsunami) mořské Základy oceánografie vlnění - pohyb vodních částic po uzavřených, kruhu blízkých drahách - vlnění eolické, vnitřní, stojaté (séše), geodynamické a rázové - základní parametry vlny: • délka vlny - horizontální vzdálenost mezi dvěma hřbety • výška vlny - vertikální vzdálenost mezi nejvyšším bodem hřbetu a nejnižším bodem za ní následující vpadliny • perioda vlny - doba mezi přechodem dvou po sobě následujících hřbetů vln stejným bodem • rychlost vlny - podíl délky vlny a její periody zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 Základy oceánografie Základy oceánografie mořské proudění - vliv na lokální salinitu, teplotu vody, vlastnosti ovzduší nad mo pobřežím pevnin - výrazná interakce s atmosférou - hlavní příčiny vzniku oceánského proudění: • vzdušné proudění v přízemních vrstvách atmosféry souvisící se všeobecnou cirkulací vzduchu na Zemi, působením pravidelných a stálých větrů vznikají nucené proudy zvané driftové • odlišná teplota a salinita částí oceánských mas vody • celková bilance oběhu vody nad oceány a moři jako výsledek vzájemné výměny vody mezi oceány a pevninou i mezi oceány a jejich částmi • setrvačnost driftových proudů (volné proudy) • vyrovnáváni úbytku vody přítokem ze sousední oblasti (vyrovnávací čili kompenzační protiproudy) • vlnění a slapové jevy, vyvolávající periodické proudy při pobřeží nebo mezi řetězy ostrovů zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 Základy oceánografie směr proudů ovlivněn: - rozložením pevnin - tvarem pobřeží - reliéfem mořského dna - rotací Země (Ekmanova spirála) spirála Ekmanova zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 Základy oceánografie • výstupné mořské proudy — vznik: • při proudové divergenci v oblasti rovníku (Severní a Jižní rovníkový proud) - rovníkový výstupný proud - výstup chladné a na živiny bohaté vody • výstup vody při pobřeží zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 Základy oceánografie sestupné mořské proudy — vznik: • při proudové konvergenci - styk dvou a více proudů v uzlovém bodě • např. Golfský, Labradorský a Východní grónský proud - konvergence - hromadění vody a její pokles ko Hni • sestup vody při pobřeží , rotace Zemé zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 Základy oceánografie systémy povrchových mořských proudů v rámci jednotlivých oceánů - viz skripta Ruda (2014) HLUBINNÉ PROUDĚNÍ - příčina = rozdíly v hustotě mořské vody (-> salinita, teplota vody) - termohalinní cirkulace - povrchové + hlubinné proudění = pásová cirkulace zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005 22 Interakce oceán - atmosféra EL NINO - jižní oscilace (ENSO) - periodicky se vyskytující oslabení intenzity studeného Peruánského (Humboldtova) proudu a oteplení povrchových vod při západním pobřeží J Ameriky kolísání atmosférického tlaku „normální" podmínky • Z pobřeží J Ameriky: anticyklona v subtropických šířkách • Z Pacifik: celoroční oblast nízkého tlaku vzduchu -> intenzivní výpar -> vysoké srážkové úhrny, vznik JV pasátů • stálá cirkulace vzduchu ovlivňuje pohyb mořské vody - „teplý pacifický bazén" • Walkerova cirkulační buňka • intenzita oscilace určena Indexem jižní oscilace - rozdíl tlaku vzduchu při hladině sv. oceánu měřeného na Tahiti a v Darwinu • kladná hodnota indexu = teplá fáze (El Nino) • záporná hodnota indexu = chladná fáze (La Nina) zdroj: Geoscience Animation Library, 2005 Interakce oceán - • teplá fáze (El Nino) - narušení Walkerovy cirkulační buňky - oslabení či zastavení JV pasátů - teplý pacifický bazén se přesouvá na vý - výrazný nárůst teploty povrchové vody až o 10 °C - oslabení výstupného proudění u pobřeží J Ameriky (nebo i sestupné proudy!) - oblast nízkého tlaku u pobřeží J Ameriky - srážky, tropické cyklony,... - období sucha v Austrálii - perioda výskytu cca 3-7 let - doba trvání 7-9 měsíců zdroj: Geoscience Animation Library, 2005 Interakce oceán - atmosféra studená fáze (La Nina) - přichází po El Ninu - výrazné tlakové rozdíly mezi Z a V části Tichého oceánu - intenzivní JV pasáty - výrazné výstupné proudění u pobřeží J Ameriky La Nina Conditions (fully developed) Walker —~ Circulation Cell zdroj: Geoscience Animation Library, 2005 COLD EPISODE RELATIONSHIPS DliCEMHER EEHRLJARY COLD EPISODE RELATIONSHIPS JUNE - AUGUST zdroj: NOAA, 2011 25 Interakce oceán - atmosféra Severoatlantická oscilace (NAO) - změny atmosférického tlaku mezi oblastí Azorských ostrovů a Islandem - velký rozdíl tlaku = vysoké hodnoty indexu NAO+ = zesílené západní proudění vzduchu (chladnější léta a teplejší zimy, vlhčí počasí v Evropě) - malý rozdíl tlaku = NAO- = extrémní hodnoty teplot v létě i zimě, nízké srážkové úhrny - patrný vliv také na počasí v S Americe (východní pobřeží) a ve Středomoří **.V[- Ä 'HP I960 1970 1980 1990 2000 2010 Year National Climatic Dala Center / NESDIS / NOAA