RECETOX, Masaryk University, Brno, CR
holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz
Ivan Holoubek
Chemie životního prostředí II –
Znečištění složek prostředí
Atmosféra
(01)
Základní vlastnosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
2
Atmosféra
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
3
Sluneční záření - 1,34 103 W.m-2
Průměrná teplota - 15 °C
Vedení tepla – přenos sousedními molekulami
Proudění tepla – pohyb celé hmoty atmosféry
„Citlivé“ teplo – energie ve formě kinetické energie molekul
Latentní teplo – teplo odpařování
Záření – elektromagnetické záření, jediná cesta, jak je energie
přenášena vakuem
Atmosféra
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
4
Počasí – krátkodobé změny v atmosféře
Klima – dlouhodobé průměrné počasí
Vlhkost – obsah vody ve vzduchu
Relativní vlhkost – procento nasycení vodní parou
Rosný bod – teplota, při které začíná kondenzovat vodní pára
Kondenzační jádra – povrch jader poskytuje místo pro
kondenzaci vodní páry
Atmosféra
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
5
Interakce záření s hmotou
Energie
Translační
Rotační
Vibrační
Elektronů
Atmosféra
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
6
Celková hmotnost: 5,3.1018 kg
Z toho: 50 % do 6 km
99 % do 30 km
Hustota:
r = 1 / h
Homosféra: molekulární hmotnost se s výškou nemění – do 90 km
Homopauza
Heterosféra: disociace plynů, změna molekulové hmotnosti
Atmosféra – základní vlastnosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
7
Atmosféra představuje vzdušný obal Země a z hlediska složení ji
lze dělit na tři kvalitativní složky:
(1) Tzv. suchou a čistou atmosféru tvořenou směsí plynů, které
při běžných teplotách a tlacích můžeme velmi dobře
považovat za termodynamicky ideální plyny, tj. plyny řídící se
přesně stavovou rovnicí
p / r = R * T
kde p značí tlak plynu, r jeho hustotu, T teplotu v kelvinech a R
měrnou plynovou konstantu.
Největší relativní zastoupení mezi těmito plyny v atmosféře má dusík (cca 78
objemových procent) a kyslík (cca 21 objemových procent).
Složení suchého a čistého vzduchu se v podstatě nemění až do výšek 90 – 100
km nad zemským povrchem.
Atmosféra – základní vlastnosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
8
Pokud jde o právě uvedenou stavovou rovnici, je běžné ji
vyjadřovat ve tvaru:
p * a = R * T
kde a ≡ 1/ r je měrný objem (tj. objem jednotky hmotnosti) plynu
Vynásobíme-li obě strany rovnice poměrnou molekulovou
hmotností, dostaneme
p * m * a = m * R * T
Atmosféra – základní vlastnosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
9
a zavedeme-li dále V = m * a, Ra = R * T, můžeme okamžitě psát
p * V = m * Ra
kde V představuje objem jednoho molu termodynamicky
ideálního plynu a Ra univerzální plynovou konstantu
Atmosféra – základní vlastnosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
10
(2) Vodní páru, vodní kapičky, popř. ledové částice, neboť voda
se může za běžných meteorologických podmínek v atmosféře
vyskytovat ve třech skupenstvích.
Vodní pára se v ovzduší chová jako reálný plyn, tzn. že se přibližně
řídí stavovou rovnicí, pokud ovšem nejde o páru nasycenou.
Množství vodní páry i vody v ostatních dvou skupenstvích je ve
vzduchu prostorově i časově velmi proměnlivé.
V atmosférických podmínkách může vodní pára přecházet
v kapalnou vodu kondenzací nebo přímo sublimovat v led.
(3) Různé znečišťující příměsi, zejména příměsi aerosolové
povahy (složky tzv. atmosférického aerosolu).
Atmosféra – základní vlastnosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
11
Makrokomponenty:
N2 (78,09 %); O2 (20,94 %); Ar (0,93 %) = 99,96 %
Atmosféra – chemické složení
Látka %
Dusík (N2) 78.08
Kyslík (O2) 20.95
Argon (Ar) 0.93
Oxid uhličitý (CO2) 0.03
Neon (Ne) 18.18 x 10-4
Helium (He) 5.25 x 10-4
Metan (CH4) 2 x 10-4
Krypton (Kr) 1.14 x 10-4
Oxid dusný (N2O) 0.5 x 10-4
Vodík (H2) 0.5 x 10-4
Xenon (Xe) 0.087 x 10-4
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
12
V řádu ppm (parts per millon) resp. ppb (parts per billion) se
vyskytují další prvky či sloučeniny včetně škodlivin
1% = 10 000 ppm = 104 ppm
1% = 10 000 000 ppb = 107 ppb
Atmosféra – chemické složení
Mikrokomponenty:
CO2 (315 ppm); Ne (18 ppm); He (5,2 ppm)
CH4 (1-2 ppm)
CO, H2S, NO2 (0,001 – 0,1 ppm)
H2O (do 4 %)
O3 (25-30 km, ozonosféra)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
13
Plyn Koncentrace (ppm) Doba zdržení Cyklus
Ar 9 340 --- Žádný
Ne 18 --- Žádný
Kr 1.1 --- Žádný
Xe 0.09 --- Žádný
N2 780 840 106 let Bio- a mikrobiologický
O2 209 460 10 let Bio- a mikrobiologický
CH4 1.65 7 let Bio- a mikrobiologický
CO2 332 15 let Antropogenní a bioCO
0.05-0.2 65 dnů Antropogenní a chemický
H2 0.58 10 Bio- a chemický
N2O 0.33 10 let Bio- a chemický
SO2 10-5 – 10-4 40 dnů Antropogenní a chemický
NH3 10-4 – 10-3 20 dnů Bio- a chemický
NO + NO2 10-6 – 10-2 1 den Antropogenní a chemický
O3 10-2 ? Chemický
HNO3 10-5 – 10-3 1 den Chemický
H2O různá 10 dnů Fyzikálně-chemický
He 5.2 10 let Fyzikálně-chemický
Složení čisté atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
14
Látka Čistá troposféra Znečistěná troposféra
SO2 1 – 10 20 – 200
CO 120 1 000 – 10 000
NO 0.01 – 0.05 50 – 750
NO2 0.1 – 0.5 50 – 250
O3 20 – 80 100 – 500
HNO3 0.02 – 0.3 3 – 50
NH3 1 10 – 25
HCHO 0.4 20 – 50
HCOOH 1 – 10
HNO2 0.001 1 – 8
CH3C(O)O2NO2 5 – 35
nemethanové uhlovodíky 500 – 1 200
Koncentrace stopových látek v čisté a znečistěné
troposféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
15
Atmosféra – plyny v atmosféře Venuše, Země a
Marsu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
16
Nejstarší atmosféra obsahovala
pravděpodobně He a H2 – lehké
plyny, pro které není gravitace
Země dostatečná. Stržena
solárním větrem.
Sekundární atmosféra se tvořila v
průběhu odplyňování
chladnoucí planety a měla
podobné složení jako
vulkanické plyny: H2O (50-
60%), CO2 (24%), SO2 (13%),
CO, Cl2, S2, N2, H2, NH3 a CH4
Vznik atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
17
Dnešní atmosféra obsahuje
78% N2, 21% O2, 0.93% Ar,
0.037% CO2.
N2 - hromadění v atmosféře
během geologických
procesů z původních látek
obsahujících NH4
+, -NH2,
nitridy
Ar - produkt radioaktivního
rozpadu K
Kam zmizely CO2, H2O a SO2,
kde se vzal kyslík?
Složení současné atmosféry
Současná atmosféra
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
18
 Země je natolik „správně“ vzdálená od Slunce, aby mohla
H2O kondenzovat a zůstat v kapalném stavu.
 Značná část vody zřejmě nepochází z odplyňování zemského
povrchu, ale z dopadu ledových meteoritů.
 CO2 se rozpouští ve vzniklých oceánech za vzniku karbonátů:
CO2 + 3 H2O  CO3
2- + 2 H3O+
 Rozpuštěný CO2 pak může reagovat s ionty Mg2+ a Ca2+ ve
vodě za vzniku málo rozpustných vápenců a dolomitů (tak je
deponováno cca 80% původního množství).
 Další CO2 zůstává rozpuštěný v oceánech a posledním
úložištěm jsou živé organismy.
 Podobné procesy proběhly i pro SO2.
Vznik oceánů
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
19
Původ kyslíku v atmosféře
0,1
%
1 %
začátek
fotosyntézy
Kyslík produkovaný organismy je
spotřebováván v oceánu na oxidaci
Fe2+  Fe3+ + eS2-
+ 2 O2  2 SO4
2%
dnešní koncentrace
Fotolýza
H2O  2H + O
Kyslík se uvolňuje do atmosféry, klesá
množství UV fotonů
10 % Je odstíněna podstatná část škodlivého
záření, výstup života na souš
Dýchání místo
fermentace
Fotolýzou může vzniknout pouze malé
množství kyslíku (reakce je pomalá)
Fotosyntéza
6 CO2 + 6 H2O 
C6H12O6 + 6 O2
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
20
Atmosféra a život na Zemi
 Stáří Země je kolem 4.5 miliardy let.
 Život se v oceánech objevuje před nejméně 3.5 miliardami let.
 Před 0.9 miliardou let je v atmosféře dostatek kyslíku na
vytvoření ozónové vrstvy a život se může přesunout na souš.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
21
Life’s influence on Earth’s atmosphere. The diagram shows, on a logarithmic scale, the
mixing ratios for the major gases and some significant trace species found in our atmosphere
in the presence of life and those expected in its absence. Diagram devised by Professor Peter
Liss.
Atmosféra – vliv života na složení zemské atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
22
[ppm] = 0,0001 % (10-6) – 1 cm3 složky (g) v 1 m3 vzduchu
[ppb] = 0,000 000 1% (10-9) – 1 mm3 složky (g) v 1 m3 vzduchu
Hmotnost škodliviny v 1 m3 vzduchu za normálních podmínek (0
°C; 101,3 kPa) [mg.m-3; mg.m-3]
Přepočet (0 °C; 101,3 kPa):
c [mg.m-3] = c [ppm] * M * 273 /22,4 * 278
c [mg.m-3] = c [ppb] * M * 273 /22,4 * 278
Atmosféra – vyjadřování koncentrací
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
23
Pro plyn nasycený vodní parou při dané teplotě T – zavedení
korekce na nasycený tlak vodní páry při této teplotě PW
[kPa]:
c [mg.m-3] = c [ppm] * M * 273 *(P – PW) / 22,4 * T * 101,3
Korekce na teplotu a tlak – důležité pro měření emisí
Atmosféra – vyjadřování koncentrací
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
24
Atmosféra - plynná fáze s příměsí kapalné a tuhé
Přirozené – produkty hoření
meteoritů, kosmický prach,
vulkanický popel, kouřové částice,
prachové a vodní částice, krystalky
mořských solí, pyl, malá semínka
rostlin, bakterie, výtrusy, spóry
Antropogenní – průmyslové,
doprava, zemědělské
Atmosférické aerosoly
Definujeme-li obecně aerosol jako soustavu částic pevného nebo
kapalného skupenství rozptýlených v plynném prostředí,
potom atmosférickým aerosolem rozumíme všechny pevné a
kapalné částečky vyskytující se v zemském ovzduší.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
25
Absorpce slunečního záření v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
26
Interakce světla s částicemi
Efektivita rozptylu
Podstata světla
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
27
Sluneční záření je elektromagnetické záření o charakteristickém
spektru vlnových délek, které před vstupem do zemské
atmosféry přibližně odpovídá spektru vyzařování dokonale
černého tělesa o povrchové teplotě 6 000 K.
Sluneční záření
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
28
Sluneční spektrum obvykle dělíme na tři základní oblasti a podle
toho rozlišujeme:
 ultrafialové sluneční záření s vlnovými délkami menšími než
400 nm, které energeticky tvoří před vstupem do zemské
atmosféry asi 7 % celkového slunečního záření a je z velké
části absorbováno atmosférickým ozonem ve stratosféře,
 viditelné sluneční záření s vlnovými délkami od 400 do 750
nm (asi 48 % celkového slunečního záření před vstupem do
atmosféry) vytvářející spektrum barev od modré po červenou,
 infračervené záření, s vlnovými délkami většími než 750 nm,
které před vstupem do atmosféry tvoří asi 45 % slunečního
záření.
Sluneční záření
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
29
Spektrum ultrafialového (UV) záření se podrobněji dělí na tzv.
vzdálenou (dalekou) oblast s vlnovými délkami λ menšími
než 200 nm, a dále na pásy C (200 < λ < 280 nm), B (280 <
λ < 315 nm) a A (315 < λ < 400 nm).
V současné době se věnuje velká pozornost měření toků
biologicky aktivního UV záření v oblasti pásu B, neboť
v oblasti vlnových délek kolem 290 nm leží práh, od nějž
směrem dolů jsou vlnové délky slunečního záření již úplně
absorbovány stratosférickým ozonem a k zemskému povrchu
vůbec nepronikají.
Sluneční záření
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
30
Teplota – termodynamická veličina, která udává stav
termodynamické rovnováhy objektu.
Může existovat stav:
 rovnovážný – těleso se nachází v termodynamické rovnováze
tehdy, je-li tepelně izolováno od okolního prostředí, nebo je-li
bilance tepla na povrchu tělesa rovnovážná v případě, že se
výdej a příjem tepla rovnají – pak se teplota nemění,
 nerovnovážný – těleso se nachází v tepelně vodivém prostředí
nebo ve spojení s ním, takže pak převod energie probíhá od
tělesa s vyšší T k tělesu s teplotou nižší.
Teplota
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
31
Vyjádření:
T - termodynamická (absolutní) – [K] – 1 / 273,16 část
termodynamické teploty trojného bodu vody
Běžně t [°C, °F]
t = T – T0
T0 = 273,16 K
t [°C] = (t [°F] –32) * 0,555
Denní, sezónní chod teplot
Teplota
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
32
Teplota vzduchu je ovlivněna především energií předávanou do
ovzduší z aktivních povrchů následujícími způsoby:
 molekulárním vedením,
 konvekcí a turbulencí (pohybem vzduchu),
 přenosem tepla uvolňovaného při fázových změnách vody,
 dlouhovlnnou radiací.
Teplota vzduchu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
33
Teplotní stratifikace
atmosféry
Struktura a vývoj
atmosféry:
 troposféra
 stratosféra
 mesosféra
 Termosféra
Teplota v atmosféře je
komplikovanou
funkcí výšky.
The temperature structure of the atmosphere.
Temperatures show a complex dependence on
altitude, decreasing with altitude at some heights but
increasing at others. The turning points of the
temperature gradient mark the boundaries between
regions of the atmosphere. The diagram indicates the
clouds and other features found at different altitudes. The
right-hand ordinate scale shows both the pressure and the
mean free path (l) corresponding to the left-hand altitude
scales. This version of the figure was constructed in 2009
by Dr P. Biggs, who kindly gave permission for its use
here.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
34
Troposféra a stratosféra
obsahují 99,9% hmoty
atmosféry, 75% je v
troposféře.
Mezi jednotlivými vrstvami
atmosféry dochází
vzhledem k teplotním
inverzím jen k
omezenému míšení.
Ve výškách kolem 100 km
dochází k intenzivní
fotodisociaci kyslíku na
kyslíkové radikály:
O2 + hn  2 O
Stratifikace atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
35
Troposféra
0-12 km
Troposféra
80 % hmotnosti, téměř všechna
voda (g)
Meteorologické děje
T klesá s výškou o 0,65 °C na 100
m výšky
V troposféře (pod 10 km) teplota
s výškou klesá ze 17°C na –
58°C (kolem 7°C na
kilometr).
Sahá do 7 - 18 km, vzniká v ní
klima, intenzivní pohyb mas
je dán ohřevem zemského
povrchu a pohybem teplého
vzduchu směrem vzhůru
Tlak s výškou klesá logaritmicky,
v 10 km je tlak 0,28 atm.
12 km
Tropopauza
Stálá T – první teplotní minimum
(213-203 K)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
36
Stratosféra
12–50 km
Stratosféra
25-30 km – ozonosféra T se
zvyšuje od ozonosféry
(pohlcování záření ozonem) teplota
opět vzroste nad 0°C.
Nachází se v ní ozónová vrstva,
kde při radikálových reakcích
dochází k produkci O3 a k
pohlcování tvrdého záření,
pohlcená energie se uvolňuje
jako teplo
Méně intenzivní míšení, delší
setrvání stabilních škodlivin
Látková výměna mezi stratosférou
a troposférou je omezená,
děje se zejména difúzí
50-55 km
Stratopauza
Atmosférické teplotní maximum –
273 K (rovník, stř. z. š.)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
37
Mezosféra
55-85 km
Mezosféra
Pokles T až na 173 K
Pokles teploty daný menším
vlivem fotochemických
reakcí ve srovnání s
ozonosférou, vzniká
slabá vrstva mraků
85-90 km
Mezopauza
Druhé atmosférické teplotní
minimum – 190-200 K
(nad rovníkem); 170-210
K (stř. z. š.)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
38
Termosféra
90-800 km
Termosféra
Nárůst teploty až na 1 800 K - daný množstvím
fotochemických reakcí, sahá do 150 km
Vznik optických jevů (polární záře,
světélkující oblaka)
Ionizace vzduchu – ionosféra (80-500 km)
- D – 60-90 km – silná ionizace NO, S e- <
S I+, jsou přítomny i I- (NO3
-, CO3
2-)
- E – 90-120 km – fotoionizace O2
- F1 – 120-160 km – ionizované O2, O, N2 –
převládají zde chemické děje
- F2 - > 160 km – převažují fyzikální děje
E, F – nejsou přítomny I-, S e- = S I+
Elektricky neutrální vodivá plazma (UV, RTG)
Nad 150 km – nárůst 5 K/km
Nad 800 km – průměrná volná dráha molekul
se zvětšuje – malá hustota, vysoká
kinetická energie – dlouhá volná dráha
částic
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
39
Nad 800 - 1 000 km
Exosféra
Únik do kosmu
Nad 2 000 –
20 000 km
Zemská korona
Rozrušení atmosféry
Vyšší vrstvy atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
40
Interakce aktivního povrchu s atmosférou
Planetární mezní vrstva – vliv zemského povrchu na probíhající
děje (tření)
Přízemní vrstva atmosféry – 50 - 100 m
Volná atmosféra - > 1,5 km, fyzikální děje zde již nejsou ovlivněny
povrchem
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
41
Interakce aktivního povrchu s atmosférou
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
42
Síla, kterou působí atmosférický vzduch na zemský povrch [Pa]
– hmotnost sloupce vzduchu.
Atmosférický tlak – tlak, který vyvolává síla 1 N rovnoměrně
rozložená na rovinné ploše 1 m2, kolmé ke směru síly.
Vertikální tlakový gradient – dp / dz – udává o kolik jednotek
tlaku poklesne tlak vzduchu při výstupu o 100 m (v nižších
nadmořských výškách = 12,5 hPa).
Horizontální tlakový gradient (barický stupeň) – dz / dp – výška
v metrech o kterou je nutné vystoupit, aby tlak poklesl o
jednotku (v nižších nadmořských výškách = 8 m)
Tlak vzduchu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
43
Energetická bilance atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
44
Energetická bilance atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
45
Radiation trapping or ‘greenhouse’ heating. Incoming solar infrared radiation (yellow line) passes through the atmosphere to warm the
land and the oceans. The Earth emits radiation to balance the input, but at much longer wavelengths (red lines) that are
absorbed by ‘greenhouse ases’ (GHGs) such as CO2 and H2O present in the atmosphere. This trapping of radiation means that
the lower atmosphere acts as a blanket that keeps the surface warmer than it would herwise be. N2O, CH4 and many other
species are also GHGs.
Záchyt záření – „skleníkové“ ohřívání
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
46
Suma toků energie vstupujících do a vystupujících z atmosféry
(jak radiační, tak i neradiační cestou).
Celková energetická bilance povrchu Země - suma toků E – k/od
povrchu, ca = 0
B + P + Qp + LV = 0
Přibližné roční orientační zhodnocení – za předpokladu, že příkon slunečního
záření na horní hranici atmosféry = 100 %:
B = + 30 %, P = - 7 %, LV = - 23 % (QP = 0)
Radiační
bilance
zemského
povrchu
Turbulentní tok
tepla mezi zemským
povrchem a
atmosférou
Tok tepla mezi
zemským
povrchem a jeho
podložím
Tok tepla spojený
s fázovými
přeměnami vody
Energetická bilance atmosféry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
47
BQ = B + P + Qp + LV
Zahrneme-li do této rovnice jednotlivé složky radiační bilance:
BQ = S´ + D – R + BD + P + Qp + LV
Denní variace - BP, P, LV, QP mohou mít během 24 hod. rozdílná znaménka,
jiné složky v noci chybí (S´+ D, R).
Energetická bilance BQ aktivního povrchu
Přímé
sluneční
záření na
vodorovný
povrch
Difúzní
záření
Odražené
záření
Bilance
dlouhovlnných
radiačních
složek
Tok tepla do podloží
mezi aktivním povrchem
a podložím
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
48
Mezní vrstva atmosféry (MVA) - spodní část troposféry, v níž se
bezprostředně projevuje vliv zemského povrchu na pole
meteorologických prvků.
Výška mezní vrstvy narůstá od stovek metrů až přibližně do 2 km
v závislosti na míře nerovnosti (drsnosti) povrchu a dalších
meteorologických parametrech.
Rozptyl znečišťujících látek (a tím i úroveň znečištění ovzduší) je
převážně určován procesy v MVA.
Mezní vrstva atmosféry (MVA)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
49
Spodní část MVA - do několika desítek metrů je tvořena přízemní
vrstvou atmosféry, v níž se vlivy povrchu projevují zvláště
výrazně.
V rámci posuzování kvality ovzduší je často zaváděn pojem
přízemní dýchací vrstva - do 2 m nad povrchem.
Z hlediska imisních limitů stanovených za účelem ochrany zdraví
lidí bývá zpravidla vyhodnocována úroveň znečištění v této
vrstvě.
Mezní vrstva atmosféry (MVA)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
50
Rozptylové podmínky
Rozptylové podmínky - podmínky pro zmenšování koncentrace
znečišťujících látek ve vnějším ovzduší vymezené intenzitou
turbulentní difúze (determinované jak termickou tak
mechanickou turbulencí).
V ČR se rámci posuzování kvality ovzduší používá stabilitní
klasifikace rozptylových podmínek v atmosféře (resp. MVA)
dle Bubníka a Koldovského, rozeznávající pět tříd stability
(tj. typů rozptyl. podmínek) v závislosti na vertikálním
teplotním profilu.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
51
Rozptyl znečišťujících látek v atmosféře,
meteorologické souvislosti
Rozptyl znečišťujících příměsí v atmosféře (resp. MVA), který
souvisí převážně s intenzitou turbulentního promíchávání, je
nejvýrazněji ovlivňován třemi základními parametry:
 prouděním v atmosféře
 rozložením tlakových útvarů
 stabilitními podmínkami v atmosféře vymezenými
vertikálním teplotním gradientem
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
52
Tyto parametry jsou samozřejmě úzce vzájemně provázané.
Pole proudění v atmosféře je primárně vymezeno rozložením
tlakového pole.
Vertikální složka tohoto pole (produkující turbulenci) je vedle
vlivu tření o nerovný zemský povrch a dalších faktorů
iniciována vertikálními proudy v tlakových útvarech.
Rozptyl znečišťujících látek v atmosféře,
meteorologické souvislosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
53
Stabilitní podmínky (složka počasí) jsou v atmosféře vytvářeny
nejen v souvislosti s polem proudění, resp. jeho dynamikou,
ale i působením tlakových útvarů samotných
(prostřednictvím jiných faktorů než proudění - vznik,
rozpouštění oblačnosti ap.).
Stabilita atmosféry, která samozřejmě souvisí s řadou dalších
parametrů (sluneční záření, radiační vlastnosti povrchu,
orografie ap.) má zásadní vliv na intenzitu vertikálních
pohybů a tím zpětně ovlivňuje pole proudění (v MVA).
Rozptyl znečišťujících látek v atmosféře,
meteorologické souvislosti
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
54
Proudění v atmosféře
Je primárním faktorem ovlivňujícím rozptyl v atmosféře zprostředkovává
jej.
V rámci měřítka střední Evropy jsou trajektorie unášení částic
znečisťujících příměsí od jednotlivých zdrojů determinovány
polem proudění v MVA.
Toto pole navazuje na horní hranici mezní vrstvy na proudění ve
volné atmosféře, které je v zásadě determinováno rovnováhou
mezi horizontálním tlakovým gradientem, Coriolisovou silou
a odstředivou silou vyvolanou horizontálním zakřivením
proudnic.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
55
Směrový vektor proudění, obdržený jako výslednice těchto tří sil,
je orientován podél zakřivených izobar, tj. proudnice jsou v
tomto případě ztotožněny s izobarami.
Takto definované proudění se nazývá gradientové.
Oproti dějům v reálné atmosféře jsou u gradientového proudění
zanedbány:
 časové změny v poli proudění a v poli atmosférického tlaku
(gradientové proudění je statické - odpovídá rovnováze)
 vertikální pohyby
 tečná složka zrychlení
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
56
Na rozdíl od přiblížení geostrofického však není zanedbána
normálová složka zrychlení - gradientové proudění připouští
cyklonální (a anticyklonální) zakřivení izobar resp. proudnic,
vyskytující se v reálné atmosféře.
Definice geostrofického proudění (=speciální případ
gradientového proudění) uvažuje v důsledku zanedbání
normálové složky zrychlení izobary přímkového tvaru, resp. s
nekonečným poloměrem zakřivení.
Gradientové je dobrým přiblížením k reálné situaci ve volné
atmosféře (tj. atmosféře nad mezní vrstvou).
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
57
Ohřátý vzduch v
tropech stoupá
Ochlazený
vzduch klesá
k pólům
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
58
Jednoduchá
cirkulační buňka
Ohřátý vzduch v
tropech stoupá
Ochlazený
vzduch klesá
k pólům
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
59
Coriolisova síla
je důsledkem rotace Země
Rotace
Ohřátý vzduch v
tropech stoupá
Ochlazený
vzduch klesá
k pólům
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
60
Ohřátý vzduch v
tropech stoupá
Ochlazený
vzduch klesá
k pólům
Coriolisova síla
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
61
Ohřátý vzduch v
tropech stoupá
Ochlazený
vzduch klesá
k pólům
Coriolisova síla
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
62
3 cirkulační buňky
Ohřátý vzduch v
tropech stoupá
Ochlazený
vzduch klesá
k pólům
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
63
3 cirkulační buňky
na každé polokouli
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
64
Proudění v atmosféře
 obecným rysem troposféry je velká cirkulace a rychlý pohyb
vzdušných mas daný rozdílným ohřevem
 základní systém globální cirkulace ovzduší (Ferrelův model)
tvoří dva subsystémy severní a jižní polokoule
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
65
Proudění v atmosféře
 každý subsystém se skládá ze třech konvekčních buněk (Ferrelova,
Hadleyova a polární), jejichž hranice jsou dány základními zeměpisnými
šířkami (rovník, koňské šířky a polární fronta)
 základní směry proudění větru vznikají ohřevem vzduchu v rovníkových
oblastech a jejich poklesem kolem obratníků
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
66
V MVA se jako další významný faktor uplatňuje síla (turbulentního) tření
rostoucí s drsností zemského povrchu.
Rychlost větru je v tomto důsledku v MVA nižší oproti volné atmosféře a
zvláště významně klesá v bezprostřední blízkosti povrchu.
Důsledkem tření je také stáčení směrového vektoru proudění - odklon od
proudnic (izobar) existujících nad mezní vrstvou (viz. gradientové nebo
geostrofické proudění) na severní polokouli ve směru vlevo o jistý úhel
rostoucí ve směru k povrchu.
Popsaný odklon směrového vektoru proudění od proudnic, resp. izobar
existujících ve volné atmosféře vede v MVA (resp. ve spirální vrstvě) k
sbíhavosti proudnic - konfluenci v tlakové níži (cyklóně) a k rozbíhavosti
- difluenci v tlakové výši (anticyklóně).
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
67
Sbíhavost, resp. rozbíhavost je v tlakových útvarech
kompenzována vzestupnými, resp. sestupnými pohyby
vzduchu.
Uspořádané sestupné pohyby v anticyklóně jsou označovány jako
subsidence.
Schéma proudění v hlavních
tlakových útvarech
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
68
Vliv zemského povrchu na pole proudění v MVA se však zdaleka
neprojevuje jen prostým snížením rychlosti a stáčením směru
v důsledku třecích sil.
Vedle produkce turbulence je pole proudění pro pohyby větších
měřítek reprezentujících advekci (pole střední) velmi výrazně
determinováno tvarem zemského povrchu.
V oblastech se složitější orografií (pohoří ap.) lze předpokládat, že
výchozí pole proudění ve volné atmosféře, mající přibližně
charakter gradientového proudění, bude v blízkosti povrchu
zcela rozrušeno v důsledku obtékání členitého terénu.
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
69
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
70
Lesní požáry Sibiř, kouřové vlečky
dokumentují složitost pole
proudění v MVA
Převzato z NASA Visible Earth
(http://visibleearth.nasa.gov)
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
71
Proudění v MVA nad zemským povrchem má převážně
turbulentní charakter, tj. obsahuje intenzivní fluktuace
vířivosti v širokém spektru měřítek.
Směry horizontálního unášení částic znečišťujících příměsí
(kouřových vleček od zdrojů) zpravidla odpovídají pohybům
velkých měřítek - souvisejícím s advekční složkou pole
proudění (tj. pole střední).
Vertikální rozptyl (turbulentní difúze v profilu vlečky) je
samozřejmě determinován turbulencí.
Fluktuace větších měřítek mají na rozptyl výraznější vliv.
Vyšší rychlost proudění znamená obecně intenzivnější rozptyl
znečišťujících příměsí.
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
72
Při výskytu horizontálního proudění malých
rychlostí a nízké intenzitě turbulence
(anticyklonální situace) bývá často
pozorovatelná kompaktní kouřová
vlečka šířící se do větší vzdálenosti od
zdroje.
Kouřová vlečka při zvýšené aktivitě sopky Etny, situace při
nižší intenzitě turbulence v MVA.
Převzato z NASA Visible Earth (http://visibleearth.nasa.gov)
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
73
Turbulentní pohyby menších měřítek
formující chaotickou strukturu
vlečky souvisí v tomto případě
převážně s produkcí turbulence na
vstupu horkých odpadních plynů
do vnějšího ovzduší.
V jisté vzdálenosti jsou pak tyto pohyby
zcela utlumeny v důsledku disipace
a vertikální struktura vlečky se jeví
statickou.
Další rozptyl - rozšíření vlečky je již
podmíněno turbulencí v MVA s
pohyby i relativně větších měřítek
(stovky m a více).
Produkce turbulence na
vstupu horkých odpadních
plynů do vnějšího ovzduší
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
74
Turbulence v atmosféře je iniciována:
 Vertikálními proudy - konvekcí (termická turbulence)
• Souvisí s archimedovskými vztlakovými silami, vznikajícími následkem
horizontálních teplotních nehomogenit - termická konvekce.
• Vzniká jako vertikální cirkulace v oblasti tlakových útvarů (vzestupné v
cyklóně, sestupné v anticyklóně) - dynamická konvekce (nejde o konvekci
v obvyklém slova smyslu).
 Působením vertikálního střihu větru (mechanická turbulence)
• Vzniká v důsledku tření proudícího vzduchu o zemský povrch, resp. při
obtékání orografických překážek a nerovností.
• Dále vzniká ve volné atmosféře z dynamických příčin (v blízkosti
atmosférických diskontinuit ap.)
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
75
Proudění vzduchu může intenzitu rozptylu znečišťujících příměsí
ovlivňovat i sekundárně - přiváděním relativně teplého
vzduchu nad chladný zemský povrch, čímž dojde k vzrůstu
stability atmosféry (teplotní inverze advekčního původu), tj. k
výraznému zhoršení rozptylových podmínek.
V zimním období jde o proudění jihozápadních směrů.
Proudění v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
76
Pole atmosférického tlaku ovlivňuje podmínky pro rozptyl znečišťujících
příměsí především působením vertikálních vzduchových proudů.
V důsledku sbíhavosti (konfluence) dochází v cyklóně (ve spirální vrstvě MVA)
s klesající výškou ke zmenšování poloměru zakřivení proudnic.
Tyto pohyby jsou v souvislosti s kontinuitou kompenzovány vzestupnými
proudy v oblasti středu cyklóny.
V anticyklóně je situace opačná - rozbíhavost (difluence) je kompenzována
sestupnými vertikálními pohyby.
Schéma proudění v hlavních tlakových
útvarech
Rozložení tlakových podmínek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
77
V popsaných souvislostech je pak pro rozptyl znečišťujících
příměsí jednoznačně příznivější situace cyklonální, kdy
dochází vlivem vzestupných pohybů k intenzivnímu
vertikálnímu promíchávání (viz - nárůst intenzity turbulence
dynamickou konvekcí) vzduchových hmot.
Sestupné proudy vyskytující při situaci anticyklonální udržují
znečišťující příměsi v blízkosti zemského povrchu, tj. zvyšuje
se pravděpodobnost výskytu vyšších koncentrací těchto látek
v přízemní vrstvě.
Vlivem sestupných proudů dochází k sesedání (subsidenci)
vzduchu, což často vede ke vzniku subsidenčních inverzí,
které samozřejmě významně potlačují vertikální
promíchávání a tím i rozptyl znečišťujících příměsí.
Rozložení tlakových podmínek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
78
Anticyklonální oblasti obecně mají výrazně nižší hustotu izobar
oproti oblastem cyklonálním.
S tím souvisí nižší rychlost horizontálního proudění, která
znamená také nižší intenzitu rozptylu znečišťujících příměsí.
Sestupné pohyby transportující chladnější vzduch se
zkondenzovanou vlhkostí k teplejšímu zemskému povrchu
vedou k rozpouštění oblaků - vyskytuje se pěkné počasí s
malou oblačností.
Zejména v zimním období pak tato situace napomáhá
intenzivnímu radiačnímu ochlazování zemského povrchu,
což vede ke vzniku mohutných přízemních radiačních
inverzí, tj. nepříznivých podmínek pro rozptyl znečišťujících
příměsí.
Rozložení tlakových podmínek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
79
Na podmínky pro rozptyl znečišťujících příměsí v oblasti České republiky má
zejména v zimním období velmi nepříznivý vliv situace, kdy dochází k
přechodu tlakové výše ve směru se západu na východ spojenému se
změnou směru horizontálního proudění.
V první fázi, kdy střed tlaková výše leží západně od ČR, dochází vlivem
severního nebo severozápadního proudění k vyplnění české kotliny
studeným vzduchem.
Po přechodu středu tlakové výše na východ se nad ČR začne nasouvat teplejší
vzduch z jižních směrů.
Tato situace obvykle vede ke vzniku advekční výškové inverze.
Vlastní negativní působení oblasti vysokého tlaku (výše popsané vlivy) je pak
ještě zesíleno touto zpravidla déle trvající inverzní situací, což
samozřejmě vede k dalšímu zhoršení podmínek pro rozptyl
znečišťujících příměsí.
Rozložení tlakových podmínek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
80
Vliv oceánů na klima, hlubokomořské proudění
Oceány pohlcují více než polovinu dopadajícího slunečního
záření a oceánské proudy zajišťují distribuci tepla od rovníku
k pólům.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
81
Povrchové oceánské proudění
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
82
El NIÑO
 Teplý proud, který je součástí
klimatického jevu Jižní Oscilace
– ovlivňuje počasí a srážky od
Afriky přes jihovýchodní Asii a
Austrálii až po Jižní, Střední a
zčásti i Severní Ameriku.
 Souvislost mezi prouděním v
atmosféře, oceánu a mezi
srážkami v této oblasti je známá
nejpozději od konce 19. století
(Gilbert Walker)
 V systému fungují pozitivní
zpětné vazby (zeslabování
východo-západních větrů zesiluje
proudění na východ a naopak) a
zpožděná „pamět“ oceánu.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
83
El NIÑO: normální podmínky
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
84
El NIÑO: El NIÑO
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
85
El NIÑO: La NIÑA
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
86
Frekvence výskytu a intenzita El NIÑO od 9. století
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
87
Množství atlantických cyklónů souvisejících s El
NIÑO
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
88
Důsledky El NIÑO / La NIÑA
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
89
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Teplota vzduchu závisí na tom, kolik E je do ovzduší předáno ze
zemského povrchu nebo kolik E je zemským povrchem
z ovzduší odebráno.
Pokud se vzduch horizontálně nepohybuje – teplota v přízemní
vrstvě může s výškou buď klesat, nebo stoupat, nebo se
event. neměnit.
Teplota směrem k pólům ubývá mnohem pomaleji než
vertikálně.
V planetárním měřítku je zdrojem tepla zemský povrch – se
stoupající výškou teplota klesá.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
90
Stabilitní podmínky v atmosféře
Stabilita atmosféry (resp. MVA) obecně souvisí s vertikálním
gradientem teploty - zápornou změnou teploty připadající na
jednotkovou vzdálenost ve vertikálním směru v klidném
vzduchu.
Tlak v atmosféře a stejně tak její hustota v důsledku gravitace
stoupá se zmenšující se výškou.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
91
Stavy teplotního zvrstvení vyjadřujeme teplotními gradienty.
Vertikální geometrický teplotní gradient – udává skutečnou
změnu teploty připadající na 100 m výšky atmosféry – týká se
teploty jednotlivých hladin v atmosféře:
G = - dt / dz
+ - pokles teploty s výškou – normální zvrstvení – 0,6 °C na 100
m výškového rozdílu
- růst teploty s výškou – inverze
= 0 – izotermie
Termické zvrstvení vzduchu je tím výraznější, čím je ovzduší
klidnější.
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
92
Adiabatické gradienty – při vertikálním pohybu, týkajícím se jen
některých objemových částí, a to nahoru nebo dolů.
Konvekční, vzestupné proudy – vznikají nad tou částí krajiny,
která z dopadajícího záření absorbovala povrchem více a
méně vedla do hloubky.
Sestupné proudy – vznikají tam, kde je povrch chladnější,
protože větší část E byla vedena do hloubky (vody, lesní
komplexy).
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
93
Výstup určitého objemu vzduchu – pokles tlaku s výškou – roste
objem – při rozpínání se spotřebovává vnitřní energie – koná
se tedy práce na úkor U (tepelné) – klesá teplota stoupajícího
vzduchu.
Nedochází-li k výměně energie s okolní atmosférou –
adiabatický děj.
Při adiabatickém (tj. bez výměny tepla z okolím, což je v
klidném vzduchu velkou měrou splněno) vertikálním
přesunu vzduchové částice dojde k změně teploty - nárůstu
v důsledku stlačení při pohybu sestupném, resp. poklesu
rozpínáním při vzestupném pohybu.
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
94
Adiabatický teplotní gradient – pokles teploty se v tomto případě
týká každé vystupující, od okolní atmosféry teoreticky
izolované částice vzduchu:
g = - dt / dz
Tato obecná teplotní závislost je pro případ suchého vzduchu
nazývána suchoadiabatickým gradientem.
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
95
Stálá hodnota – suchoadiabatický gradient ga – změna teploty
s výškou v suchém či vodní parou nenasyceném vzduchu - ga
= 1 °C na 100 m.
Hodnota suchoadiabatického gradientu γa = 0,0098 K.m-1 je
odpovídající i pro vlhký, ale nenasycený vzduch, neboť vliv
nenasycené vodní páry na měrné teplo vzduchu je velmi malý.
Ve vzduchu nasyceném vodní párou však nelze zanedbat
kondenzační teplo, které hodnotu adiabatického gradientu
teploty snižuje.
Z naznačených principů vyplývá, že odpovídá-li vertikální profil
teploty v MVA suchoadiabatickému gradientu, je hustota
vzduchu v této vrstvě konstantní.
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
96
Proměnná hodnota – nasyceně adiabatický gradient
(vlhkoadiabatický) – teplota klesá při výstupu méně –
kondenzace vodní páry – uvolnění latentního tepla –
zmenšování hodnoty ochlazování:
ga´ = (ga > ga´ > 0 °C/100 m)
Adiabatické děje jsou vratné, pokud nedojde ke změnám
v obsahu vodní páry, například vyloučením srážek.
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
97
Druhy vertikálního teplotního zvrstvení atmosféry
Adiabatické změny teploty vzduchu podmiňují jednotlivé druhy
vertikálního teplotního zvrstvení ovzduší:
 labilní,
 stabilní,
 indiferentní.
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
98
Určujícím faktorem je rozdíl mezi adiabaticky ochlazovaným
vystupujícím vzduchem (t) a změnou teploty v okolní
atmosféře (t´).
Stabilní zvrstvení – t < t´ - nastane pohyb chladnějšího objemu
vzduchu dolů (G < g)
Inverze teploty - G > 0 - extrémní případ stabilního zvrstvení
Labilní zvrstvení – t > t´ (G > g) - nastane pohyb teplejšího objemu
vzduchu vzhůru
Indiferentní (neutrální) zvrstvení – t = t´ (G = g) - objem nemá
tendenci ani k výstupu ani k sestupu.
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
99
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
100
Stabilitní podmínky v atmosféře
Při této situaci pak
vzduchová částice
vychýlená ze své
původní výškové
hladiny nejeví
tendenci k návratu
nebo k zvyšování
výchylky.
Atmosféra (resp. MVA) je
indiferentní (viz
zvýrazněná přímka
závislosti).
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
101
Je-li vertikální gradient teploty (v
MVA) vyšší než
suchoadiabatický (viz obr závislost
1), bude mít vychýlená
vzduchová částice v důsledku
růstu hustoty s výškou (tj.
archimédovské síly) tendenci
dále zvyšovat svoji výchylku - ať
už kladnou nebo zápornou.
Atmosféra (resp. MVA) je v tomto
případě instabilní, což
reprezentuje dobré vertikální
promíchávání, tedy dobré
podmínky pro rozptyl
znečišťujících příměsí.
Stabilitní podmínky v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
102
V opačném případě, kdy teplota klesá s
výškou pomaleji než odpovídá
suchoadiabatickému gradientu (viz
obr - závislost 2), nebo se s výškou
nemění (izotermie - závislost 3),
nebo může dokonce růst (tj. záporný
vertikální gradient - teplotní inverze závislost
4), vykazuje vychýlená
vzduchová částice snahu k návratu
do původní hladiny (opět to souvisí s
archimédovskými silami - hustota
klesá s výškou).
Stav atmosféry (resp. MVA) je pak charakterizován jako stabilní.
Vertikální pohyby jsou brzděny a promíchávání vzduchu se tím tlumí podmínky
pro rozptyl znečišťujících příměsí jsou nepříznivé.
Stabilitní podmínky v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
103
Teplotní inverze
Z hlediska stabilitních podmínek reprezentuje nejméně příznivou
situaci pro rozptyl znečišťujících příměsí teplotní inverze,
která může být buď přízemní nebo výšková.
V souvislosti se způsobem vzniku a charakterem je rozlišováno
několik typů inverze.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
104
Radiační inverze
Vzniká v důsledku vyzařováním tepla zemským povrchem. V noci, kdy chybí kompenzující příkon
slunečního záření, může dojít k výraznému ochlazení zemského povrchu a tím k prochlazení
bezprostředně přiléhající vzduchové vrstvy. V zimním období mohou podmínky pro vznik
radiační inverze v důsledku ostřejšího úhlu dopadajících slunečních paprsků (a tedy nižší
absorpci slunečního záření) existovat i během dne.
V podobných souvislostech napomáhá vzniku přízemních radiačních inverzí existence sněhové
pokrývky, neboť sníh velmi účinně odráží sluneční záření a kromě toho brání přívodu tepla z
půdy, čímž podstatně přispívá k prochlazování přízemní vrstvy vzduchu.
Mezi další faktory podporující vznik a trvání přízemních radiačních inverzí je jasná obloha
umožňující velké efektivní vyzařování a slabé proudění až bezvětří v přízemní vrstvě, které
neumožňuje rozrušení teplotní stratifikace. Tento charakter počasí je typický pro
anticyklonální situaci.
V důsledku sklesávání studeného vzduchu podél svahů je výskyt přízemních inverzí daného typu
častější v údolích, kotlinách ap.
Z radiačních příčin mohou vznikat i inverze výškové související s tím, že vzduchové vrstvy se
zvýšeným množstvím vodní páry a zejména vrstvy oblačnosti silně vyzařují infračervenou
radiaci a v důsledku toho se prochlazují.
Teplotní inverze
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
105
Advekční inverze
Přízemní inverze advekčního typu vznikají při proudění relativně teplého
vzduchu nad studenější zemský povrch, který tento vzduch ochlazuje.
Situace tohoto typu nastává např. v zimním období při proudění teplejšího
oceánského vzduchu nad prochlazený kontinent.
Mechanizmus vzniku výškové advekční inverze – viz dříve - proudění z jižních
nebo jihozápadních směrů nad českou kotlinu vyplněnou prochlazeným
vzduchem).
Frontální inverze
Vznikají na teplé frontě nasouváním relativně teplého vzduchu nad vzduch
studený nebo na studené frontě, kde těžší studený vzduch proniká pod
teplejší vzduchovou hmotu a "nadzvedává" ji, což je samozřejmě
primárně podmíněno tím, že vertikální gradient teploty je v případě
tohoto typu stratifikace výrazně větší než suchoadiabatický (příp.
nasyceně adiabatický).
Teplotní inverze
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
106
Subsidenční inverze
Vzniká vlivem sesedání (subsidence) stabilní vzduchové hmoty v oblastech
vysokého tlaku vzduchu. Subsidenční inverze jsou výškové, ale mohou
postupně klesat až k zemskému povrchu, kde rychle zanikají.
Turbulentní inverze
Nepříliš mohutná výšková inverze vznikající při mírně stabilním zvrstvení v
důsledku intenzivního turbulentního promíchávání vzduchové vrstvy nad
zemským povrchem (zpravidla do výše několika set metrů) např. z
mechanických příčin (tj. v souvislosti s třením o drsný povrch). V této
vrstvě se tedy následně vytvoří přibližně indiferentní zvrstvení, čímž
vznikne mezi touto vrstvou a nepromíchaným vzduchem nad ní (s mírně
stabilním zvrstvením) přechodová inverzní vrstva.
Příčiny vzniku teplotních inverzí v MVA se mohou kombinovat,
resp. uplatňovat současně.
Teplotní inverze
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
107
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
108
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
109
Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
110
Charakteristické tvary skutečných kouřových vleček
Intenzitě rozptylu
znečišťujících příměsí
v MVA determinované
popisovanými
parametry odpovídají
následující
charakteristické tvary
kouřových vleček:
Tvary kouřových vleček:
a) vlnění,
b) čeření,
c) unášení,
d) zadýmování,
e) odrážení,
f) přemetání
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
111
Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy
kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu
těchto vleček
Typický
tvar
Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení
koncentrací znečišťujících příměsí
a) Vlnění Mírně stabilní zvrstvení vertikální
gradient teploty v
rozmezí od suchoadiabatického
po izotermii. Mírný až čerstvý
vítr.
Odpovídá přibližně tvaru kužele s
horizontální osou symetrie. Mírně se
vlní.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
112
Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy
kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu
těchto vleček
Typický
tvar
Meteorologická
situace
Charakteristický profil rozložení koncentrací
znečišťujících příměsí
b) Čeření Teplotní inverze ve
vrstvě sahající
dostatečně vysoko nad
efektivní výšku zdroje.
Mírné proudění. Výskyt
této situace je nejčastější
v nočních a ranních
hodinách, v zimním
období za vhodných
meteorologických
podmínek i po celý den.
Rozptyl ve vertikálním směru je silně potlačen poměr
vertikálního zobecněného difúzního
koeficientu k horizontálnímu je podstatně menší než
jedna. Příčný profil vlečky je v její celé délce silně
"zploštělý". Přízemní koncentrace znečišťujících
příměsí jsou v vysokých zdrojů v rovinném terénu
nízké. Vyvýšená místa mohou být naopak v případě
kontaktu s vlečkou vystavena velmi vysokým
koncentracím škodlivin.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
113
Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy
kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu
těchto vleček
Typický
tvar
Meteorologická
situace
Charakteristický profil rozložení koncentrací
znečišťujících příměsí
c)
Unášení
Přízemní teplotní
inverze, jejíž horní
hranice leží níže než
efektivní výška
zdroje
Kouřová vlečka se rozptyluje v prostoru nad
inverzí, přenos znečišťujících příměsí směrem dolů
je silně omezen stabilitou v inverzní vrstvě. V
rovinném terénu jde z hlediska výskytu přízemních
koncentrací škodlivin o nejpříznivější typ rozptylové
situace.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
114
Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy
kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu
těchto vleček
Typický tvar Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení koncentrací
znečišťujících příměsí
d)
Zadýmování
Vertikálně mohutná stabilní vrstva
vzduchu (zpravidla teplotní inverze)
ležící zprvu bezprostředně u
zemského povrchu se odspodu
prohřívá a teplotní zvrstvení v její
spodní části se postupně mění na
přibližně indiferentní do výšky, jež
přesáhne efektivní výšku zdroje.
Tato situace trvá většinou omezenou
dobu (několik desítek minut) - v
případě prohřívání radiačních inverzí
od zemského povrchu v
dopoledních hodinách, nebo trvá i
několik dnů - při prohřívání
přízemní stabilní vrstvy umělými
zdroji tepla v oblastech velkoměst a
prům. aglomerací v chladné polovině
roku.
Kouřová vlečka se rozptyluje pod dolní hranicí
stabilního zvrstvení, které brání síření
znečišťujících příměsí směrem vzhůru. Tato
nepříznivá rozptylová situace vede k vytváření
vysokých přízemních koncentrací znečišťujících
látek v blízkosti zdrojů.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
115
Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy
kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu
těchto vleček
Typický
tvar
Meteorologická
situace
Charakteristický profil rozložení koncentrací
znečišťujících příměsí
e)
Odrážení
Výšková inverze
subsidenčního
(viz.
anticyklonální
situace) nebo
advekčního
původu. Situace
trvá relativně
déle (zpravidla
několik dnů).
Stejný obraz jako u zadýmování. Znečišťující
příměsi se mnohonásobně odrážejí od zemského
povrchu a dolní hranice výškové inverze.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
116
Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy
kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu
těchto vleček
Typický
tvar
Meteorologická
situace
Charakteristický profil rozložení koncentrací
znečišťujících příměsí
f)
Přemetání
Silně instabilní
zvrstvení, slabší
vítr. Tato situace je
častá ve slunných
dnech během
poledních hodin,
kdy se vzduch
vlivem insolance
odspodu značně
prohřívá).
Kouřová vlečka je strhávána vertikálními pohyby
vzduchu. Znečišťující příměsi se krátkodobě
dostávají k zemskému povrchu ve vysokých
koncentracích. Přemetání je méně časté u zdrojů s
velkou efektivní výškou.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
117
Změny teploty vzduchu
s výškou, teplotní gradienty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
118
V přirozených podmínkách neexistuje suchý vzduch.
Rovnovážný stav mezi vodou (př. ledem) a vodní párou
označujeme jako stav nasycení.
Zdroj – výpar ze zemského povrchu.
Přenos:
 turbulentní proudění,
 molekulární difuze.
Vlhkost vzduchu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
119
Napětí (tenze) par (e) – dílčí tlak vodní páry ve směsi se suchým
vzduchem [hPa].
Napětí nasycení (E) – maximální možné napětí – roste
s teplotou vzduchů.
Poměrná (relativní) vlhkost (r) – je definován pomocí tlaku vodní
páry:
r = (e / E) (event. * 100)
Absolutní vlhkost a – hmotnost vodní páry v objemové jednotce
vzduchu [kg.m-3]
Teplota rosného bodu (t) – teplota, na kterou je třeba isobaricky
ochladit vzduch, aby se nasytil v něm obsaženou vodní
párou.
Vlhkost vzduchu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
120
Vlhkost vzduchu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
121
Vlhkost vzduchu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
122
V počáteční fázi mikrostrukturálního vývoje oblaku vzniká na
kondenzačních jádrech veliký počet mikroskopických
kapiček, jejichž velikosti dosahují řádově několika
mikrometrů a jejich počet v cm3 je až kolem 104.
Je zřejmé, že zásoba vodní páry obsažená v oblačném vzduchu
nemůže v žádném případě postačovat k tomu, aby všechny
tyto kapičky postupně narostly do rozměrů dešťových kapek,
jejichž pádová rychlost, daná rovnováhou mezi silou tíže a
silou odporu vzduchu vůči pohybu kapky, převyšuje rychlost
vzestupných proudů vzduchu obvykle existujících uvnitř
oblaku.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
123
Mechanismus vzniku padajících atmosférických srážek (déšť,
mrholení, sněžení, kroupy atd.) tedy musí spočívat v tom, že
z určitého důvodu část maličkých oblačných elementů, tj
vodních kapiček, popř. ledových částic, začne intenzivně
narůstat na úkor ostatních.
Teorie vysvětlující tento mechanismus, které má meteorologie
v současné době k dispozici, lze v podstatě rozdělit do dvou
skupin.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
124
Ke vzniku srážek je v mírných a vyšších zeměpisných šířkách
nezbytná přítomnost ledových částic v oblaku.
Představme si v tomto směru situaci, kdy při teplotách pod 0 °C
menší část přechlazených vodních kapiček obsahující vhodná
krystalizační jádra zmrzne v ledové částečky.
Protože tlak nasycené vodní páry nad ledem je menší než tentýž
tlak nad kapalnou vodou, vytvoří se pak záhy stav, kdy se
kapičky přechlazené vody vypařují, zatímco ledové částice
narůstají postupným ukládáním molekul vodní páry na svém
povrchu.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
125
Kromě toho je přechlazená voda z termodynamického hlediska
v metastabilní fázi a jestliže se kapička přechlazené vody srazí
při teplotě pod 0 °C s ledovou částicí, takřka okamžitě na ní
namrzne.
Právě naznačenými způsoby dochází k intenzivnímu narůstání
ledových částic na úkor přechlazených vodních kapiček a po
dosažení kritické velikosti, kdy jejich pádová rychlost převýší
rychlost vzestupných pohybů vzduchu v oblaku, začnou
ledové částice padat dolů, v oblasti pod hladinou teploty 0 °C
(hladina nulové izotermy) tají a mění se v dešťové kapky.
Podle právě popsané teorie je tedy každá dešťová kapka svým
původem roztátým kouskem ledu.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
126
Skutečnost, že zejména v nízkých zeměpisných šířkách často
vypadávají intenzivní srážky, např. ve formě tropických lijáků,
z tzv. teplých oblaků nalézajících se níže než hladina nulové
izotermy, vyvrací představy o výlučné platnosti právě zmíněné
teorie.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
127
Vzniklou mezeru vyplňuje tzv. koalescenční teorie vzniku srážek.
Mezi kondenzačními jádry se vyskytují obří kondenzační jádra o
poloměrech několik mikrometrů, jejichž koncentrace bývá
řádově menší (nejčastěji asi o 4 – 6 řádů) než koncentrace
všech kondenzačních jader přítomných ve vzduchu.
Tyto relativně velké částice jsou pravděpodobně tvořeny
hygroskopickými krystalky mořských solí a za vhodných
podmínek na nich mohou vznikat kapky až o řád větších
rozměrů než kapičky vytvořené na ostatních kondenzačních
jádrech.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
128
Takto vzniklé relativně větší kapky pak zachycují při vzájemných
srážkách menší kapičky (koalescence – vzájemné splývání
srážejících se kapek) a narůstají do takových rozměrů, že
začnou padat skrze vzestupné proudy vzduchu formující
oblak, při pádu dále urychleně narůstají koalescencí s dalšími
malými kapkami a dorostou-li určité velikosti (poloměr asi 2 -
5 mm podle konkrétních podmínek uvnitř oblaku), samovolně
se rozpadají na několik málo větších zbytků a značný počet
mikroskopických kapiček.
Vlastní příčinou jejich rozpadu je skutečnost, že blána
povrchového napětí už není schopna udržet pohromadě
narůstající objem vody a praská.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
129
Větší zbytky jsou pak vzestupnými proudy vzduchu znovu
unášeny vzhůru, přičemž opět narůstají koalescencí, znovu
začnou padat a celý proces se opakuje.
Tímto způsobem vznikne uvnitř oblaku jakousi „řetězovou
reakcí“ zásoba větších vodních kapek a stačí pak impuls,
např. v podobě oslabení vzestupných proudů vzduchu
působením tíže nahromaděné vody, aby došlo k jejich
vypadnutí.
Podmínkou pro vznik srážek podle koalescenční teorie je velký
obsah vodní páry a kapalné vody v oblaku, což je typické
zejména pro oblaky v rovníkové zóně.
Teorie vzniku srážek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
130
Oblačné multifázové procesy a jejich vliv na klima
M. C. Facchini, C.N.R., Bologna, Italy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
131
Oblaka a klima
 Oblaka jsou nejdůležitější faktor kontrolující planetární
albedo a tedy teplotu naší planety
 Optické vlastnosti oblaků jsou řízeny velikostí/počtem
kapek, které řídí „dostupnost“ aerosolových částic sloužících
jako kondendenzační jádra (CCN - Cloud condensation
nuclei)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
132
Oblaka a klima
 Oblačná kondenzační jádra (CCNs) – malé částice typické
velikosti kolem 0.2 µm, nebo kolem 1/100 velikosti oblačných
kapiček kolem kterých oblačné kapky splývají.
 Voda vyžaduje povrch bez plynů, aby došlo k přechodu z páry
na kapalinu.
 V atmosféře se takový povrch vyskytuje jako malá tuhá nebo
kapalná kondenzační jádra (CCNs).
 Pokud nejsou CCNs přítomny, vodní pára může být ve stavu
hluboce podchlazeném pod 0 °C (32 °F) kdy kapičky začnou
spontánně vznikat.
 Za nízkých teplot vzduch musí být přesycen až na hodnotu
kolem 400 % než oblačné kapičky začnou vznikat.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
133
Oblaka a klima
 Velikostní průměr dešťových kapek je okolo 2 mm, průměr
oblačné kapičky kolem 0.02 mm a průměr oblačných
kondenzačních jader je 0.0001 mm (0.1 mm) nebo větší.
 Počet oblačných kondenzačních jader ve vzduchu je možné
měřit a pohybuje se mezi 100 a 1 000 na CM3.
 Celková hmotnost CCNs injektovaných do atmosféry je
odhadována na 2x1012 kg za rok.
 Vyšší koncentrace částic jsou zodpovědné za tvorbu oparu v
oblastech s nízkou vlhkostí.
 Tento suchý opar ovlivňuje klima absorpcí nebo odrážením
záření.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
134
Oblaka a klima
 Existuje velké množství různých atmosférických částic, které
mohou sloužit jako CCN.
 Tyto částice mohou být složeny s prachu nebo jílu, sazí nebo
černého uhlíku jako výsledek emisí z pastvin, lesních požárů,
sprayování mořských solí z mořské hladiny, popílku ze
spalovacích zdrojů průmyslových nebo dopravních.
 Mohou být tvořeny sírany z vulkanické činnosti,
fytoplanktonu nebo vzniklých oxidací oxidu siřičitého a také
sekundární organickou hmotou vznikající oxidací VOCs.
 Schopnost těchto různých typů částic tvořit oblačné kapičky
se liší dle jejich velikosti a také závisí na jejich složení –
hygroskopických vlastnostech jejich komponent – ty se
mohou velmi lišit.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
135
Oblaka a klima
 Sírany a mořské soli například snadno absorbují vodu,
zatímco saze, popílek, organický uhlík nebo minerální částice
ne.
 Složení částic je často komplikované a obsahuje jejich směsi,
což ovlivňuje proces absorpce – například (sírany a organický
uhlík)).
 Takže mnohé částice (saze, minerály) nejsou dobrými CNN,
ale mohou sloužit jako ledová jádra v chladnějších částech
atmosféry.
 Počet a typ CCNs se může ovlivňovat dobu života oblaků a
jejich radiační vlastnosti stejně jako jejich množství může mít
vliv na klimatické změny.
 Předpokládá se také, že variace slunečního záření může prostřednictvím CCNs
ovlivňovat vlastnosti oblaků a ovlivňovat klima.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
136
Změny optických vlastností oblaků mohou být způsobeny řadou
antropogenních aktivit – mnoho nejistot v interpretaci
Oblaka a klima
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
137
Počet oblačných kapek
 Existuje předpoklad, že nejdůležitějším parametrem
ovlivňujícím počet oblačných kapiček (cloud droplet number
- CDN) je koncentrace aerosolů, zatímco jeho chemické
složení má relativně menší vliv.
 Ukázalo se na základě experimentů a modelů, že tento
předpoklad není zcela správný a bylo nutné přehodnotit
relativní příspěvky jednotlivých faktorů ovlivňujících CDN.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
138
CDN a množství aerosolu
 Počet CDN není “lineární”
funkcí množství aerosolu
(Ramanathan et al.,
Science, 2001).
 Velké množství variací
umožňuje předpoklad že
vlastnosti oblaků jsou
řízeny mnoha různými
faktory.
Jak může chemie oblačného multifázového systému ovlivňovat
vznik a vývoj populace oblačných kapiček ??
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
139
Procesy vzniku aerosolu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
140
RH
Suché částice
Mokrý aerosol
Oblačné kapičky
Plynná fáze
R R
Intuitivní schéma oblačné chemie
Absorbovaný materiál
s
Rozpustná chemická frakce
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
141
Vznik oblaků
 Atmosférické termodynamické parametry (dostupná vlhkost,
vzestupná rychlost, teplota, atd.)
 Vlastnosti aerosolů: klasicky – řízené chemické proměnné
jsou velikostní distribuce a ve vodě rozpustná frakce CCN.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
142
Chemické faktory řídící vznik oblaků
 Málo rozpustné anorganické soli ovlivňují vznik oblaků
 Velmi dobře rozpustné nebo dobře rozpustné organické látky
ovlivňují rovnovážný tlak vodních par a snižují povrchové
napětí kapiček
 Rozpustné plyny kondenzují
(Charlson et al., Science 2001)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
143
Chemické složení aerosolů
Spring - Summer
SO 4
14%
other ions
9%
NO 3
11%
NH4
7%
W SO C
18%
W INC
19%
unk
22%
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
144
Organické aerosoly
Organické aerosoly ovlivňují rovnováhu supernasycení:
 “přidáváním” rozpustného materiálu
 snižováním povrchového napětí vzhledem k čisté vodě nebo
roztoku anorganické soli
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
145
Organické látky v oblacích
 Ve vodě rozpustné organické látky (WSOC – water soluble
organic compounds) jsou komplexní směsí vysoce
oxidovaných, multifunkčních sloučenin se zbytky
aromatických jader a alifatickými řetězci:
 Neutrální sloučeniny: hlavně alifatické polyoly, polyethery,
cukry;
 Mono-/di-kyseliny: hydroxylované alifatické kyselé
sloučeniny;
 Polyakyseliny: nenasycené polykyselé sloučeniny s
alifatickými i aromatickými částmi a s menším obsahem
hydroxy skupin.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
146
CH2 CH3
38 %
CH
OH
31 %9 %
O
C CH2CH2
21 %
Ar
8 %
CH
HO
9 %
CH2 CH2
42 %
CH2
OH
O
41 %
Ar
50 %
CH
HO
5 %
CH2 CH2
23 %
CH2
OH
O
23 %
Ar
neutrální frakce
mono-/di-kyseliny
polykyseliny
(Fuzzi et al., GRL, 2001)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
147
Předpovědi počasí
 Počasí zahrnuje 6 prvků: směr a rychlost větru, teplota, tlak,
vzdušná vlhkost, tvorba mraků a srážky. Pro reálnou
předpověď je nutné pracovat se všemi.
 Lze je popsat matematicky pomocí Newtonových
pohybových zákonů (v diferenciální formě), zákonů
zachování hmoty a energie, stavové rovnice a vlhkostní
rovnice. Vzniklá soustava rovnic je ovšem špatně podmíněná
– její řešení se chová chaoticky.
 První pokus: Lewis Fry Richardson – Weather Prediction by
Numerical Process, 1922.
 Dnes předpovědi počasí využívají nejvýkonnější počítače a
jsou spolehlivé nejvýše na několik dnů (podle množství a
kvality vstupních dat).
 Principiálně nebude ani v budoucnosti možné provádět
spolehlivé předpovědi na více než týdny.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
148
Modelování klimatu
 Klimatické modely využívají stejné principy jako modely pro
předpovědi počasí, ale pracují v makroměřítku – řídká síť
bodů, velké časové kroky.
 Výstupem modelů jsou klimatické trendy nad velkými
oblastmi. Detailnější předpovědi (typu suché léto, hurikány
atd.) neposkytují.
 Kalibrace klimatických modelů se provádí na historických
datech (jsou k dispozici od r. 1860).
 Předpovědi klimatických změn se opírají právě o počítačové
modely klimatu.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
149
Kalibrace a predikce klimatických modelů
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
150
Chemické a fotochemické procesy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
151
Chování stopových látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
152
Chemické reakce v atmosféře
V zemské kůře dochází k redukčním
reakcím
V atmosféře a v kontaktu s atmosférou
dochází k oxidaci
Biota obnovuje s pomocí slunečního
záření oxidant (O2)
Většina reakcí se odehrává v troposféře
Produkty jsou „vymyty“ srážkami
Stratosféra – dusík, kyslík – ozon
(absorbuje většinu UV záření)
Vyšší části – vysoce nabité iony a
radikály
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
153
Atmosférické reakce
Typy:
 fotolýza - homolytické (radikálové) štěpení v plynné fázi
 reakce s radikály
 fotochemická oxidace
 katalytické – povrch (s), kovy, soli
Ovlivněny:
 meteorologickými faktory (šíření, zřeďování)
 slunečním zářením (E pro štěpení vazeb)
 V plynné fázi
 Na povrchu prachových částic (malý význam, krátká doba
zdržení)
 Ve vodných roztocích (kapky vody; acidobazické)
Nejdůležitější - hydroxylový radikál
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
154
Reakce:
 fotochemické
 oxidace
 protolýza
 komplexotvorné
Příklady atmosférických reakcí:
- SO2  SO3  H2SO4  SO4
2-, HSO4
-
NO  NO2  HNO3  NO3
-
RH  ROOH  ROH  RCHO, R2CO  RCOOH  CO2
- O2  O3
- PAHs  Chinony, PAH-NO2,…
Atmosférické reakce
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
155
Oxidace CO a NO
Vznik síranu amonného
(NH4)2 SO4
Oxidace C, S, N
Iontové sloučeninyMethan  formaldehyd
Atmosférické reakce
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
156
Rychlé a selektivní reakce s většinou atmosférických příměsí,
inertnost k hlavním plynným složkám ovzduší (N2, O2, vzácné
plyny, H2O, CO2,
Výskyt v celé atmosféře,
Opakovaná tvorba radikálu v oxidačních cyklech atmosférických
příměsí.
OH radikál – „čistící prostředek“ atmosféry.
Posuzování rizik atmosférických polutantů – na základě rychlosti
reakce s OH radikálem.
Atmosférické reakce – reakce s OH radikálem
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
157
OH• Molekul.cm-3
Léto - den 5-10 × 106
Zima - den 1-5 × 106
Noc < 2 × 105
Výsledek procesů: konstantně 10 milionů hydroxylových
radikálů.cm-3 v povrchové vrstvě
Atmosférické reakce – reakce s OH radikálem
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
158
Tvorba – fotolýza ozonu UV slunečním zářením (kolem 300 nm):
O3 + hn  O(1D) + O2
O(1D) + N2 (nebo O2)  O(3P) + ) + N2 (nebo O2)
O(1D) + H2O  2OH
Funkce OH radikálu v koloběhu nejvýznamnějších
atmosférických polutantů:
 hnací faktor oxidace atmosférických uhlovodíků, SO2,
 centrální postavení v troposférickém koloběhu CO, CH4,
NOX, O3,
 zdroj radikálu HO2
Atmosférické reakce – reakce s OH radikálem
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
159
Toxické látky
v ovduší
O3Viditelnost
PM2.5
Kvalita vody
.
OH
NOX + VOC + OH
+ hv  O3
SOx [or NOx] + NH3 + OH
 (NH4)2SO4 [nebo NH4NO3]
SO2 + OH  H2SO4
NO2 + OH  HNO3
VOC + OH 
Organické PM
OH  Toxické látky
(POPs, Hg, etc.)
Jemné PM
(Nitráty, Sulfáty, Organické PM)
NOx + SOx + OH
(Acidifikace, eutrofizace)
Kyselý déšť
Hydroxylový radikál – význam při znečišťujících
látek
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
160
Reakce v atmosféře zahrnující hydroxylový radikál
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
161
Denní průměrná koncentrace OH radikálů v čisté volné
troposféře se obvykle pohybuje v rozmezí 2 * 105 – 3 * 106
molekul.cm-3.
V městském ovzduší, se koncentrace OH radikálů pohybují
v rozmezí 1 * 106 – 1 * 107 molekul.cm-3.
Při pokojové teplotě a relativní vlhkosti 50 % se z jednoho atomu
O(1D), vzniklého fotolýzou O3, vytvoří 0,2 radikálů OH.
Koncentrace OH radikálů vykazují denní chod, při maximálních
koncentracích v denní době kolem 8 * 106 molekul.cm-3 (~ 0,2
ppt).
Dvacetičtyřhodinový průměr koncentrace radikálů OH je kolem
8 * 105 molekul.cm-3.
Reakce v atmosféře zahrnující hydroxylový radikál
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
162
Katalytické HOx cykly
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
163
Propad (sink) – závisí na charakteru sloučeniny – transport do
jiné složky nebo reakce (s OH radikály,.., příjem listovím
vegetace).
Procesy odstraňování:
- tuhých částic:
 mokrá atmosférické depozice,
 suchá atmosférická depozice,
 suchý spad dopadem na vegetaci;
- plynů:
 mokrá atmosférická depozice,
 absorpce nebo reakce na zemském povrchu,
 konverze na jiné plyny nebo reakce s tuhými částicemi,
 transport do stratosféry.
Mechanismy atmosférického propadu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
164
Hlavní atmosférické propady
SO2 – vymývání srážkami, oxidace v (l) fázi na SO4
2-, sorpce na
povrchu vegetace, stomatální příjem, mikrobiální degradace
v půdě, absorpce v hydrosféře, chemické reakce,
H2S – oxidace na SO2,
O3 – chemické reakce na vegetaci, půdě, sněhu a oceánu,
NO/NO2 – chemické reakce v půdách, sorpce a příjem vegetací,
chemické reakce v (g) a (l) fázi,
N2O – mikrobiální degradace v půdách, fotodisociace ve
stratosféře, absorpce v oceánech,
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
165
NH3 – chemické reakce v (l) a (g) fázi, vymývání srážkami,
příjem povrchy, absorpce,
CO – reakce s OH ve stratosféře, mikrobiologická aktivita
v půdách,
CO2 – fotosyntéza, absorpce v oceánech,
CH4 - mikrobiologická aktivita v půdách, vegetace - chemické
reakce, bakteriální aktivita, chemické reakce v troposféře a
stratosféře,
HCs – chemické reakce na částicích, mikrobiologická aktivita
v půdách, absorpce a příjem vegetací.
Hlavní atmosférické propady
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
166
 Transport na velké vzdálenosti
 Suspenze - srážky (mokrá depozice), prach (suchá depozice)
 Kyselé srážky
Regionální vlivy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
167
Dálkový transport aerosolů a plynů
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
168
CCl Cl
CCl3
H
Globální transport
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
169
Globální transport
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
170
Černobyl, havárie 24. dubna 1986
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
171
Konstantin Krivoruchko :
Wind direction over the Belarus territory in April 1986.
Using filtered kriging, Byelorussian districts are colored according to the probability
that thyroid cancer rates in children exceeded one case per 10 000.
Red represents the highest probability and cycles through the spectrum to blue, the
lowest probability.
Jaderná energetika – Černobyl, Bělorusko, 1986
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
172
Jaderná energetika – Černobyl, Bělorusko, 1986
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
173
http://www.reddit.com/tb/g4c2l
http://ramanan50.wor
dpress.com/2011/03/15
/spread-of-radioactive-
cloud-from-fukushima-
animated-prediction/
Jaderná energetika – Fukušima, Japonsko, 2011
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
174
Koncentrace polutantů v přízemní vrstvě
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
175
Imisní limity pro látky znečišťující ovzduší
Znečišťující látka Vyjádřená Imisní limity v (mg.m-3)
jako IHr IHd IH8h IHk Obecný požadavek
Prašný aerosol 60 150 500 Koncentrace IHd aIhk
Oxid siřičitý SO2 60 150 500 nesmí být v průběhu
Oxid siřičitý a prach SO2+ polétavý
prach
250* překročena ve více
Oxidy dusíku NOx 80 100 200 než 5% případů
Oxid uhelnatý CO 5000 10 000
Ozón O3 160
Olovo v prachu Pb 0,5
Kadmium v prachu Cd 0,01
Pachové látky Nesmějí být
v koncentracích
obtěžujících
obyvatelstvo
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
176
Vysvětlivky:
IHr - průměrná roční koncentrace znečišťující látky. Průměrnou koncentrací se
rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na stanoveném místě v časovém
úseku jednoho roku jako aritmetický průměr z průměrných 24 hodinových
koncentrací.
IHd - průměrná denní koncentrace znečišťující látky. Průměrnou denní koncentrací
se rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na stanoveném místě v
časovém úseku 24 hodin. Průměrnou denní koncentrací se rozumí též střední
hodnota nejméně dvanácti rovnoměrně rozložených měření průměrných
půlhodinových koncentrací v časovém úseku 24 hodin (aritmetický průměr).
IH8h - průměrná osmihodinová koncentrace znečišťující látky. Průměrnou
osmihodinovou koncentrací se rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na
stanoveném místě v časovém úseku osmi hodin.
IHk - průměrná půlhodinová koncentrace znečišťující látky. Průměrnou
půlhodinovou koncentrací se rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na
stanoveném místě v časovém úseku 30 minut.
Imisní limity pro látky znečišťující ovzduší
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
177
Znečišťující látka Doba průměrování Imisní limit Maximální
povolený počet
překročení
Oxid siřičitý SO2 1 hodina 350 µg.m-3 24
Oxid siřičitý SO2 24 hodin 125 µg.m-3 3
Oxid uhelnatý CO maximální denní osmihodinový
klouzavý průměr
10 mg.m-3
Suspendované částice
PM10
24 hodin 50 µg.m-3 35
Suspendované částice
PM10
1 kalendářní rok 40 µg.m-3
Suspendované částice
PM2,5
1 kalendářní rok 25 µg.m-3
Olovo Pb 1 kalendářní rok 0,5 µg.m-3
Oxid dusičitý NO2 1 hodina 200 µg.m-3 18
Oxid dusičitý NO2 1 kalendářní rok 40 µg.m-3
Benzen 1 kalendářní rok 5 µg.m-3
Imisní limity pro látky znečišťující ovzduší
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
178
Znečišťující látka Doba průměrování Imisní limit
Arsen As 1 kalendářní rok 6 ng.m-3
Kadmium Cd 1 kalendářní rok 5 ng.m-3
Nikl Ni 1 kalendářní rok 20 ng.m-3
Benzo(a)pyren B(a)P 1 kalendářní rok 1 ng.m-3
Znečišťují
cí látka
Doba průměrování Imisní limit Maximální povolený počet
překročení
Ochrana
zdraví lidí
maximální denní
osmihodinový
klouzavý průměr
120 µg.m-3 25x v průměru za 3 roky
Ochrana
vegetace
AOT40 18 000 µg.m-3.h
Imisní limity pro látky znečišťující ovzduší