Základní informace o atmosféře Mgr. Lukáš Dolák, Ph.D. Jaro 2020 Složení atmosféry Atmosféra - vzdušný obal Země Tři kvalitativní složky: - suchá a čistá atmosféra - vodní pára, vodní kapičky, ledové částice - znečišťující příměsi Složení atmosféry Suchá a čistá atmosféra - směs plynů (N - 78 %, 02 - 21 %) neměnná do výšky 90-100 km - ideální plyny (stavová rovnice): P - = RT p ... tlak plynu, p ... hustota plynu, R ... měrná plynová konstanta, T ... teplota v K Složení atmosféry Vodní pára, vodní kapičky, ledové částice - nenasycená vodní pára jako reálný plyn (platí stavová rovnice) - procesy kondenzace a sublimace Znecistujici pnmesi - atmosférický aerosol (pevné a kapalné částice v zemském ovzdi • přirozený a antropogenní atmosférický aerosol Složení atmosféry ínecistujici primesi - přirozený atmosférický aerosol: • půdní a prachové částice, krystalky mořských solí, vulkanický popel, kosmický prach, produkty hoření meteoritů, drobná semínka rostlin, pylová zrna, bakterie, výtrusy, spory aj. - antropogenní atmosférický aerosol (ne/přímý výsledek lidské činnosti): • těžba, průmysl, doprava, zemědělství, vytápění budov aj. - problematika odlišení (viz půdní částice a zemědělství) Složení atmosféry ínecistujici primesi -význam aerosolových částic jako kondenzačních (hygroskopické soli) a krystalizačních (ledových) jader - vliv na zeslabování slunečního záření, snižování dohlednosti, globální stmívání aj. Zdroj: Pixabay, 2020 Vertikální složení atmosféry podle průběhu teploty s výškou • Troposféra - nejspodnější část atmosféry, horní hranice 8-18 km (póly-rovník) - pokles teploty a tlaku vzduchu s výškou (horní hranice - rovník: - 80 °C, <100 hPa; ČR: - 55 °C, 200 hPa) - podstatné množství vodní páry, vznik oblak, srážek - „počasí" • Stratosféra - horní hranice 50 km, izotermie (dolní hranice) a teplotní inverze (+ °C) - ozónosféra (nejvyšší koncentrace 22-25 km) Vertikální složení atmosféry podle průběhu teploty s výškou Mezosféra - horní hranice 80 km, pokles teploty s výškou (horní hranice: - 80 až -100 °C) Termosféra - horní hranice 500-700 km, růst teploty s výškou - místo výskytu polární záře Exosféra - plynulý přechod do meziplanetárního přechodu Zdroj: Meteocentrum, Vertikální složení atmosféry podle průběhu teploty s výškou -100 -60 -20 0 20 40 temperature («C) Zdroj: Meteocentrum, 2020 Vertikální složení atmosféry podle elektrických vlastností vzduchu • Neutrosféra - horní hranice cca 60 km, nízká elektrická vodivost molekul vzduchu • Ionosféra - dolní hranice cca 60 km, vysoká elektrická vodivost molekul vzduchu vlivem vyššího kosmického záření - odraz krátkých radiových vln Zdroj: Meteocentrum, 2020 Vertikální složení atmosféry podle intenzity promíchávání vzduchu • Homosféra - horní hranice 90-100 km - intenzivní turbulentní promíchávání vzduchu: neměnné složení hlavních složek atmosféry (vyjma H20 - vodní pára, 03 a C02) • Heterosféra - slabé turbulentní proudění, vertikální rozložení plynů dáno difuzní rovnováhou (úbytek těžších plynů s výškou) Vertikální složení atmosféry • Mezní vrstva - vliv tření vzduchu o zemský povrch - změna výšky v závislosti na drsnosti povrchu, rychlosti proudění, intenzitě vertikálního promíchávání (1-2 km) • Volná atmosféra - zanedbatelný vliv tření vzduchu • Horní hranice atmosféry - relativní pojem, změna výšky dle parametrů (rozptyl slunečního záření - 80 km, vliv rotace Země na molekuly - 30 000 km) Sluneční a dlouhovlnné záření Sluneční záření jako základní zdroj všech procesů probíhajících v atmosféře a na zemském povrchu Vorsatz Bezeichnung Vergleich Meter mm Millimeter 0,001 m (im Mikrometer 0.000 001 m nm Nanometer 0,000 000 001 m Tečka Vlas Buňka Bakterie Nanorozměry - Nanotechnologie 1 mm 100 pm 10 pm 1 pm 100 nm 10 nm 1 nm 100 pm Virus Protilátky Jednoduché molekuly Atom Zdroj: Navařík, 2016 Sluneční a dlouhovlnné záření Sluneční záření jako základní zdroj všech procesů probíhajících v atmosféře a na zemském povrchu - ultrafialové (7 %), X < 400 nm, záření X < 290 nm pohlceno 03 - viditelné (48 %), X = 400-750 nm, barevné spektrum, fotosynteticky aktivní záření (FAR, 400-700 nm) - infračervené (45 %), X > 750 nm ULTRAFIALOVÉ VIDITELNÉ INFRAČERVENÉ 100 280 315 400 780 VLNOVÁ DÉLKA (NM) Zdroj: jnjvisioncare.cz, 2006 Sluneční a dlouhovlnné záření Radiační toky v hlavních oblastech spektra slunečního záření před vstupem do zemské atmosféry (dle Holton et al. 2002) spektrální oblast tok radiace [W.m-2] časová proměnlivost vzdálená UV oblast X <200 nm <1 7-80 % UV-C oblast 200< X <280 nm 6,4 1-2 % UV-B oblast 280< X <320 nm 21,1 <1 % UV-A oblast 320< X <400 nm 85,7 <1 % viditelné záření 400< X <700 nm 532 <0,1 % blízká infračervená oblast 700< X <3500 nm 722 / Zdroj: Braniš a Hůnová, 2009 Sluneční a dlouhovlnné záření • Přímé záření zeslabováno rozptylem a absorpcí • Rozptýlené záření - projevující se jako záření oblohy - molekulární rozptyl a rozptyl na větších částicích Zdroj: svetenergie.cz, 2020 Sluneční a dlouhovlnné záření • Molekulární rozptyl 1 i... účinnost molekulárního rozptylu - převaha krátkých vlnových délek v rozptýleném záření viditelného spektra na molekulách vzduchu (modrá až fialová barva oblohy = velká průzračnost atmosféry) - symetrický charakter ryzptylu Sluneční a dlouhovlnné záření Rozptyl na větších částicích - neutrální rozptyl u různých vlnových délek (bílá barva světla = ozářená oblaka, světlá obloha při zakalené atmosféře) - asymetrický charakter rozptylu Absorpce - bezoblačná atmosféra: absorpce 15-20 % záření (02, 03, C02) Sluneční a dlouhovlnné záření Albedo - poměr množství slunečního záření odraženého a dopadlého - vliv úhlu dopadu slunečních paprsků (zrcadlení vodní hladiny) - planetární albedo: 30 % (oblaka, zpětný molekulární rozptyl) Zpětné záření atmosféry - dlouhovlnné (tepelné) záření atmosféry měřené při povrchu Země Absorbs 0% Reflected 50% Reflected Reflects 100% Reflected asphalt (0.10) grass (0.25) iril white paint (0.80) Zdroj: svetenergie.cz, Sluneční a dlouhovlnné záření Zdroj: land.copernicus.eu, 2014 Radiační a tepelná bilance zemského povrchu • Radiační bilance - rozdíl mezi absorbovaným slunečním záření a efektivním vyzařování povrchu Země - tepelné příjmy během kladné bilance: • turbulentní teplo, latentní teplo, akumulované teplo (půda, zástavba aj.) - tepelné ztráty během záporné bilance: • vyzařování povrchu x kompenzace akumulovaným, latentním a odpadním antropogenním teplem Stabilní podmínky v atmosféře • Vertikální přenos v ovzduší závislý na in/stabilitě atmosféry • Stavy stabilní, instabilní (labilní), indiferentní • S rostoucí instabilitou lepší podmínky pro vertikální přenos • Adiabatické procesy: - suchoadiabatický gradient: 1 °C /100 m výšky - vlhkoadiabatický gradient: 0,65 °C/100 m výšky • Vliv izotermie a teplotní inverze na stabilitu atmosféry Teplotní inverze • Růst teploty vzduchu s výškou v určité části atmosféry • Nejstabilnější typ atmosféry (potlačení vertikálních pohybů, konvekce, rozptylu znečišťujících látek aj.) • Přízemní a výšková teplotní inverze Teplotní inverze • Radiační inverze - ochlazení povrchu během záporné radiační bilance (noc, zimní sezona) a následné ochlazení přízemní vrstvy vzduchu - častý výskyt v údolích, kotlinách, pod svahy aj. - příznivý vliv sněhové pokrývky, jasné oblohy, bezvětří - výšková radiační inverze: vyzařování infračerveného záření vrstvou se zvýšeným obsahem vodní páry/oblak a ochlazování horní hranice této vrstvy ve vyšší hladině atmosféry Teplotní inverze Advekční inverze - přízemní: proudění teplejšího vzduchu nad chladnější a jeho ochlazování (sněhová inverze, příliv teplého oceánského vzduchu v zimní sezoně) -výšková: obdobný princip, bez přítomnosti frontálního rozhraní Frontální inverze - vznik na teplé i studené frontě Zdroj: Profim Teplotní inverze • Subsidenční inverze - vznik sesedáním (subsidencí) stabilní vzduchové hmoty v oblasti tlakové výše - výškové, s poklesem k zemskému povrchu zanikají • Turbulentní inverze - vertikálně nevyvinutá výšková inverze se základnou několika set metrů nad povrchem - vznik následkem turbulentního proudění a výškové teplotní inverze Teplotní inverze Vznik teplotní turbulentní inverze z T Zdroj: Braniš a Hú nová, 2009 Proudění vzduchu a tlaková pole Tlaková níže (TN, cyklony), tlaková výše (TV, anticyklony), brázda nízkého tlaku vzduchu, hřeben vysokého tlaku vzduch Horizontální tlakový gradient (HTG) Coriolisova síla (CS) Geostrofické proudění - relativní rovnováha mezi HTG a CS nad mezní vrstvou atmosféry Gradientové proudění - teoretické rovnovážné proudění mezi HTG, CS a odstředivou silou Proudění vzduchu a tlaková pole Zdroj: Ruda, 2014 Proudění vzduchu a tlaková pole • Síla tření - pokles rychlosti větru v mezní vrstvě atmosféry - stáčení směru větru (až 30° v oblasti ČR) • Tlaková níže - vzestupné pohyby (v = x cm/s), vznik oblačnosti, srážky - zlepšení rozptylu znečišťujících látek, snižování přízemního znečištění • Tlaková výše - sestupné pohyby, malá oblačnost, přízemní radiační inverze - nižší rychlosti horizontálního proudění: horší rozptylové podmínky Proudění vzduchu a tlaková pole CIRKULACE V TLAKOVÉ NIZI CIRKULACE V TLAKOVÉ VYSI m Vývoj oblaků, vznik srážek Vzestupné pohyby Ochlazování vzduchu Sestupné pohyby Oteplování vzduchu Rozpad oblaků Zdroj: pocasimeteoaktuality. Proudění vzduchu a tlaková pole cyklona = tlaková anticyklona = tlaková níže výše Zdroj: pocasimeteoaktuality.com, 2020 Proudění vzduchu a tlaková pole Akční centra atmosféry - ekvatoriální tlaková deprese, Islandská TN, Aleutská TN, Azorská TV, Havajská TV Sezónní tlakové útvary - Perská/Íránská TN, Sibiřská TV, Kanadská TV JANUARY JULY P«IVAJRf IN MlUtflAR", i • ; ' tm m tm tm tm tvt w tur tm tm tm tm tm tm low é Zdroj: Ruda, 2014 Proudění vzduchu a tlaková pole Hadleyho, Ferrelova a polární buňka a jejich vliv na cirkulaci atmosféry východní větry zapadni vétry pokles studeného vzduchu severovýchodní pasáty výstup ohřátého vzduchu Jihovýchodní pasáty pokles studeného vzduchu západní vétry polární buňka ^) jet stream Ferrelova buňka subtropické pásmo vysokého tlaku Hadleyova buňka rovník • pásmo tišin pás nízkého tlaku zóna konvergence Hadleyova buňka subtropické pásmo vysokého tlaku Ferrelova buňka východní vétry jet stream polární buňka Zdroj: Ruda, 2014 Oblaka Princip vzniku oblaků (nasycení a kondenzace vodní páry) - adiabatické ochlazování při překročení hladiny kondenzace • termická konvekce (v = l-10ky m/s), konvekční a orografická oblačnost • maximum v odpoledních hodinách - izobarické ochlazování při překročení teploty rosného bodu • pod/inverzní oblačnost pod výškovými inverzemi (vertikálně nevyvinutá oblačnost-St) • maximum v dopoledních hodinách (letní půlrok) i během dnů (podzim, z • vlnový charakter oblačnosti Oblaka Zdroj: flying.cz, imeteo.sk, 2020 Druhy oblaků • Podle výšky: - 6-9 km: cirrus (Ci), cirrocumulus (Cc), cirrosstratus (Cs) - 2-5 km: altostratus (As), altocumulus (Ac) - spodní základna do 2 km: stratus (St), stratotocumulus (Sc), nimbostratus (Ns) • konvektivní oblaka: cumulus (Cu), cumulonimbus (Cb) • Podle složení: - z vodních kapiček, smíšené, ledové oblaky • Podle teploty: - teplé oblaky (T > 0 °C) nulová izoterma, přechlazené oblaky (T < 0 °C) ° 10 druhů oblačnosti Vysoké patro LD Střední patro m Ns As Oblaka; zasahující do více pater mt ■ + * SC *Cu J ~M Nizke patro Druhy oblaků ^irrostc-mi:-. 6.500 AG L Cirroct.i;miki.s Low Clouds Strň tocu mulu* Oili'LIS Altocumulus Clouds with Vertical Devetopment NimbostEattis Cumulus CUrtUilOrlirTitUiS Zdroj: oblacnost.jex.cz, snow.cz, 2008 Proces kondenzace • Kondenzace vodní páry: základní proces pro vznik oblaků • Nezbytná přítomnost aerosolových částic - kondenzačních jader (r = 10~8-10~5 m, r > 10~6 = obří jádra, minimum) • Aerosolové částice mnohdy rozpustné ve vodě (např. mořské soli), formou roztoku součástí kapky • Raoůltův zákon: tlak vodní páry nad kapičkou roztoku (E') menší než tlak vodní páry nad kapičkou čisté vody (E) -rychlejší růst kapek roztoku formou kondenzace x stagnace růstu/vypaření kapky čisté vody Proces kondenzace • Přechlazená voda (až -42 °C) jako následek energeticky náročného a statisticky nepravděpodobného děje • Pevná částice nezbytným zdrojem krystalizace při mrznutí kapičky(ledové/krystalizační jádro) Teorie vzniku srážek • Podstata jevu: nárůst mikroskopických kapiček (|im) na úkor jiných kapiček zapříčiněný spouštěcím mechanismem • Mírné a vyšší zeměpisné šířky (přítomnost ledových částic): - při T < 0 °C zmrznutí části přechlazených kapiček s krystalizačním jádrem v ledové částečky (menší tlak nasycené vodní páry) - vypařování přechlazených kapiček x růst ledových částeček ukládáním molekul H20 a srážkami s přechlazenými kapičkami - překonání vzestupných proudů, vypadávání ledových částeček z oblaku a jejich rozpuštění pod hladinou nulové izotermy (0 °C) - ale: nedostatečná zásoba ledových částeček ve smíšených oblacích (T = -10 až -20 °C) k vydatným srážkám, vliv sekundární produkce ledu (rozpad ledových částeček) Teorie vzniku srážek ) ! I I ))>))) I I ) I I I Teorie vzniku srážek • Nízké zeměpisné šířky (koalescenční teorie): - převaha tropických lijáků z teplých oblaků (absence ledových částic) - vliv přítomnosti obřích kondenzačních jader (např. hygroskopické soli - Na+, Cľ) a vzniku větších kapiček - koalescence: vzájemné splývání srážejících se kapek - překonání vzestupných proudů, pád kapky, koalescence, nárůst a rozpad (p = 2-5 mm), opakování procesu až do vypadnutí srážek - podmínkou vysoký obsah vodní páry a kapalné vody v oblaku - Lenardův efekt: velké kapky (+), mikroskopické kapičky (-) = elektřina Znečistení oblačné a srážkové vody • Možnosti vniknutí znečišťujících látek do srážkové vody: — v dobé tvorby kapek (rain out/vypršení) — během vypadávání kapek skrz podoblačnou vrstvu (wash out/vymytí) • Částečné znečištění srážek přirozeným a nutným jevem • Detekce původu kondenzačních jader (Na+, CĽ - hygroskopické mořské soli; K, Ca - kontinentální původ) • Antropogenní znečištění: S02, NOx — nárůst kyselosti srážek (z pH 5,6 na pH 4,5-5,0) Znečistení oblačné a srážkové vody ^vypršeni ("rainouť) čisté ovzduší proudění reakce v oblacích znečištěné a v suchém čistém vzduchu -n. ovzduší chemické reakce suchá depozice oxidace v kapičkách i i ri í ! I vr í podoblačné vymývání ("washout") 1 1 \i> Zdroj: slideplayer.com, 2020 Znečistení oblačné a srážkové vody • Proces wash out/vymytí - samočisticí mechanismus atmosféry (pevné i plynné látky) x negativní dopad ve spojitosti s antropogenním znečištěním na půdu, vegetaci, povrchovou/podzemní vodu, stavby • Usazené srážky (rosa, jinovatka, námraza aj.) - vliv na sedimentaci znečišťujících látek na zemském povrchu, vegetaci aj. Historie zemské atmosféry • Stáří ca. 4,5 mld. let, řada proměn ve složení atmosféry • První atmosféra: řídká, lehké a vzácné plyny (H2, CH4, NH3 - únik) - odplyňování zemského pláště a kúry, geochemické procesy • Druhá atmosféra: ca. 3,5 mld. let, těžší (úbytek C02, nárůst N) • Rozhodující vlivy pro vývoj současné atmosféry: - voda a vodní pára: zdroj atmosférického 02 - vznik a rozvoj primitivních forem života (prokaryotní org., 3 mld. let) - autotrofní org. (2 mld. let): produkce organických látek a energie díky fotosyntéze • využití slunečního záření, C02 a H20, odpadem 02 (sinice) Historie zemské atmosféry Rozhodující vlivy pro vývoj současné atmosféry: - kritická koncentrace 02 v atmosféře: 0,2-2 % (respirace org.) - vznik heterotrofních org., ozónové vrstvy - život při hladině vody -život na souši - fotosyntéza na souši a růst 02 (až 30 % před 300 mil let) Relativně stabilní složení atmosféry posledních 500 mil. let (vl tropopauzy a rozvoj života - produkce 02) Literatura • Braniš, M., Hůnová, I. (2009): Atmosféra a klima: aktuální otázky ochrany ovzduší. Praha, Karolinum, 351 s. Děkuji za pozornost