4. Atmosférická vlhkost a srážky - voda existuje ve třech skupenstvích – pevném (led), kapalném (voda), plynném (vodní pára) - při fázových změnách se spotřebovává nebo uvolňuje latentní teplo Obr. 4.1/77 - SS 4.1 Voda v globální perspektivě - voda hraje klíčovou roli na Zemi z následujících příčin: a) pokrývá 2/3 povrchu Země, funguje jako rezervoár tepla a jeho přerozdělování, stejně jako rezervoár různých složek (např. soli) b) voda vypadávající na pevninách jako déšť nebo sníh vytváří při odtoku na povrchu různé tvary a formy reliéfu a přenáší živiny od jednoho místa k druhému c) vodou v atmosféře je přenášeno obrovské množství latentního tepla od jednoho místa k druhému 4.1.1 Hydrosféra a hydrologický cyklus Obr. 4.2/78 - SS - 97,2 % tvoří slaná voda, 2,8 % sladká voda - hlavní část sladké vody je vázána v ledovcových štítech a horských ledovcích (2,15 %) a podpovrchové vodě, hlavně podzemní (0,63 %) – zbytek 0,02 %, takže sladká voda na pevnině tvoří jen velmi malou část z celkových zásob vody na Zemi - zbytek 0,02 % se rozděluje na půdní vodu (v dosahu kořenů rostlin), povrchovou vodu (např. jezera, vodní toky, bažiny) a vodu v atmosféře - hydrologický cyklus – popisuje globální výměnu vody mezi jednotlivými rezervoáry: a) výpar z oceánů a pevnin (plus transpirace) do atmosféry v podobě vodní páry, z oceánů šestkrát větší b) kondenzace nebo sublimace vodní páry v atmosféře, vypadávající v podobě srážek (srážky nad oceány asi čtyřikrát větší než nad pevninou) c) srážky vypadlé na pevninu mohou - se vypařit a vrátit se do atmosféry jako vodní pára - se vsáknout do půdy (podzemní odtok) - odtékat z povrchu spojujíce se do potoků a řek, odtékajících zpět do oceánů nebo bezodtokých jezer 4.1.2 Globální vodní bilance Obr. 4.3/78 – SS - popisuje toky vody mezi oceánem, atmosférou a pevninou - předpokládáme, že objem oceánských vod a objem sladkých povrchových a podpovrchových vod je konstantní rok od roku - oceán: srážky (do) + odtok (do) = výpar (z), tj. 380 + 40 = 420 tis. km^3 - pevnina: srážky (na) = výpar (z) + odtok (z), tj. 110 = 70 + 40 tis. km^3 - protože na pevnině výpar = srážky – odtok, lze odtok při bilancování vypustit a lze zapsat: celkový výpar celkové srážky 70 (pevnina) + 420 (oceán) = 110 (pevnina) + 380 (oceán) (vše v tis. km^3) 4.2 Vlhkost vzduchu - vlhkost vzduchu – obecně značí množství vodní páry ve vzduchu - množství vodní páry ve vzduchu kolísání s místem a časem (téměř žádné v chladném a suchém arktickém vzduchu až do 4-5 % v teplém vlhkém vzduchu při rovníku) - maximální množství vlhkosti, které se může udržet ve vzduchu, závisí na teplotě vzduchu – teplý vzduch může udržet víc vlhkosti (vodní páry) než studený 4.2.1 Specifická vlhkost vzduchu - specifická vlhkost vzduchu (g.kg^-1) – hmotnost vodní páry v gramech obsažená v 1 kg vzduchu - maximální specifická vlhkost v závislosti na teplotě: -10 ºC – 2 g/kg, 30 ºC – 26 g/kg Obr. 4.4/80 – SS - specifická vlhkost je míra množství vody, které může vypadnout z atmosféry jako srážky, tj. z chladného vlhkého vzduchu vypadne méně srážek či sněhu než z teplého vlhkého vzduchu - specifická vlhkost je nejvyšší na rovníku (insolace – výpar), k pólům rychle klesá Obr. 4.5/80 – SS - rosný bod (ºC) – teplota, při níž vzduch dosáhne stavu nasycení, tj. obsahuje maximální množství vodní páry – při dalším ochlazení kondenzace 4.2.2 Relativní vlhkost vzduchu - relativní vlhkost vzduchu (%) – porovnává množství vodní páry ve vzduchu vzhledem k maximálně možnému množství vodní páry při dané teplotě - při relativní vlhkosti 100 % je vzduch nasycený (obsahuje maximálně možné množství vodní páry) a má teplotu rosného bodu - změna relativní vlhkosti se může dít změnou množství vodní páry v ovzduší nebo změnou teploty vzduchu – pokles teploty znamená vzestup relativní vlhkosti (tj. mění se kapacita vzduchu obsahovat vodní páru) Obr. 4.7/81 - SS - v denním chodu maximum v ranních hodinách, minimum v odpoledních - psychrometrem se měří tzv. psychrometrický rozdíl mezi teplotou vlhkého a suchého teploměru; výparem se ochlazuje vlhký teploměr tím více, čím sušší je okolní vzduch (odnímá se mu latentní teplo) 4.3 Adiabatické procesy - ke kondenzaci či sublimaci vodní páry ve vzduchu je třeba jeho ochlazování - noční ochlazení povrchu a přiléhající vrstvy vzduchu – rosa, mráz 4.3.1 Suchoadiabatický proces - je-li plyn stlačován, jeho teplota roste; rozpíná-li se, jeho teplota klesá - adiabatické procesy – oteplování nebo ochlazování probíhá jako výsledek změny tlaku - vystupuje-li vzduch, s poklesem tlaku vzduchu s výškou se rozpíná a ochlazuje se - sestupuje-li vzduch, se vzestupem tlaku vzduchu se stlačuje a otepluje se - odpovídající teplotní změny lze popsat suchoadiabatickým gradientem s hodnotou 1 ºC na 100 m výšky 4.3.2 Vlhkoadiabatický proces - dosáhne-li vystupující vzduch hladiny kondenzace, dochází při dalším výstupu a ochlazení ke kondenzaci vodní páry, při níž se uvolňuje latentní teplo - vystupující vzduch je tak ochlazován při poklesu tlaku vzduchu, ale zčásti oteplován uvolněným latentním teplem – ochlazující efekt je charakterizován vlhkoadiabatickým gradientem, jehož hodnota závisí na teplotě a tlaku vzduchu a obsahu vodní páry Obr. 4.10/84 - SS 4.4 Oblaka - oblak – nakupení vodních kapiček nebo ledových krystalků o rozměru 20-50 μm ve vzduchu - kondenzační jádra o rozměru 0,1-1 μm; zdrojem je povrch moří, kdy se voda rozstřikuje do vzduchu, v němž po vypaření vody zůstanou krystalky soli, na nichž se tvoří částečky oblaků - voda může existovat v kapalném skupenství jako přechlazená do –12 ºC 4.4.1 Druhy oblaků - oblaka mají mnoho tvarů a velikostí - oblaka lze dělit podle výšky jejich spodní základny a vzhledu na: a) oblaka vysoká (5-13 km): - řasa – Cirrus (Ci) - řasová kupa – Cirrocumulus (Cc) - řasová sloha – Cirrostratus (Cs) b) oblaka střední (2-7 km) - vyvýšená kupa – Altocumulus (Cc) - vyvýšená sloha – Altostratus (As) c) oblaka nízká (do 2 km) - dešťová sloha – Nimbostratus (Ns) - slohová kupa – Stratocumulus (Sc) - sloha – Stratus (St) d) oblaka vertikálního vývoje (0,5-1,5 km) - kupa – Cumulus (Cu) - bouřkový oblak – Cumulonimbus (Cb) Obr. 2.27/69 – Netopil: Fyzická geografie I 4.4.2 Mlha - mlha – nakupení produktů kondenzace nebo sublimace vodní páry na zemském povrchu, kdy horizontální dohlednost alespoň v jednom směru klesá pod 1 km - mlha patří k rizikovým jevům v silniční a letecké dopravě, mlha s kouřem – smog - radiační mlha – vzniká v noci při poklesu teploty pod hodnotu rosného bodu (souvisí s přízemní teplotní inverzí) - advekční mlha – teplý vlhčí vzduch natéká nad chladnější povrch - mlhy z vypařování – výpar z teplejšího vodního povrchu do chladnějšího vzduchu 4.5 Srážky - výstup nasyceného vzduchu a ochlazování způsobují dodatečnou kondenzaci, čímž narůstají oblačné částice na 50-100 μm; ty se dále mohou spojovat na oblačné kapky o velikosti kolem 500 μm (velikost odpovídající mrholení), při dalším spojování se zvětšují na kapky deště (1000-2000 μm, max. 7000 μm), při větší velikosti se rozpadají - sníh vzniká v oblacích působením ledových krystalků a přechlazených kapek vody, které na nich namrzají – sněhové vločky mohou mít krystalickou strukturu - pokud mají spodní vrstvy teplotu pod bodem mrazu, dopadá sníh na zem – jinak taje a padá jako déšť - pokud padají kapky přes chladnou vrstvu, kapky mrznou (krupky) - déšť padající na povrch s teplotou pod bodem mrazu – ledovka - kroupy – kousky ledu o velikosti 5 mm nebo větší - množství srážek se měří srážkoměrem výškou vody v mm/den (1 mm srážek = 1 l vody na 1 m^2 plochy) – tuhé srážky se měří stejným způsobem po jejich rozpuštění 4.5.1 Vznik srážek - podle příčin výstupného pohybu vzduchu, způsobujícího ochlazování, lze rozlišit: a) vynucený výstup vzduchu na horských překážkách → orografické srážky b) výstup vzduchu v důsledku konvekce → konvektivní srážky c) výstup při pohybu vzduchových hmot → cyklonální srážky 4.5.2 Orografické srážky Obr. 4.16/95 – SS - vzduch přitéká k horské překážce, na níž dochází k vynucenému výstupu → po hladinu kondenzace ochlazování podle suchoadiabatického gradientu o 1 ºC na 100 m výšky → po dosažení hladiny kondenzace tvorba oblaků a při dalším výstupu ochlazování podle vlhkoadiabatického gradientu → vypadávání srážek → po překonání horské překážky vzduch sestupuje na závětrné straně a otepluje se podle suchoadiabatického gradientu, tj. vzduch se stává teplým a suchým - zvýšení srážek na návětrné straně horských překážek, zatímco na závětrné straně vzniká srážkový stín (např. srážkový stín za Krušnými horami) 4.5.3 Konvektivní srážky - konvekce vzniká při nerovnoměrném zahřívání zemského povrchu → bublina zahřátého vzduchu, který má menší hustotu, vystupuje nahoru → adiabatické ochlazování → bublina stoupá potud, pokud je teplejší než okolní vzduch → při dosažení hladiny kondenzace vznik kupovitých oblaků - při intenzivní konvekci se oblaka vyvíjí vertikálně do podoby bouřkového oblaku (cumulonimbu) v případě, že: a) vzduch je teplý a vlhký (menší pokles teploty s výškou při kondenzaci – je teplejší oproti okolí, což podporuje výstup) b) teplota vzduchu v okolní atmosféře (vertikální teplotní gradient) ubývá rychleji než teplota ve vystupujícím, adiabaticky se ochlazujícím vzduchu (což podporuje výstup) – instabilní vzduch (instabilní teplotní zvrstvení) Obr. 4.19/98 – SS - význam latentního tepla uvolňovaného při kondenzaci, které udržuje výstupný pohyb vzduchu; pokud většina vodní páry zkondenzuje, latentní teplo se přestává uvolňovat, výstup ustává, konvekční buňka slábne - instabilní vzduch je typický v létě – bouřky - instabilní vzduch je typický pro rovníkové a tropické oblasti → časté bouřky a konvektivní přeháňky - orografické zesílení konvekce 4.5.4 Bouřky - bouřka – intenzivní lokální bouře spojená s oblakem druhu cumulonimbus s velmi silnými výstupnými pohyby vzduchu, skládající se z několika konvektivních buněk Obr. 4.21/99 – SS - konvektivní buňka – silný výstupný pohyb vzduchu vede ke vzniku intenzivních srážek - rozmývání oblaku v horní části buňky výškovým větrem (kovadlina) - sestupný pohyb vzduchu v konvektivní buňce (downdraft) – silný vítr a škodlivé účinky - kroupy – vznikají namrzáním dalších vrstev ledu na ledových kuličkách ve výstupném proudu (až 3-5 cm), pokud je výstupný proud neudrží ve vzduchu, vypadávají k zemi – velké škody - blesky – výstupné a sestupné pohyby vzduchu generují kladné a záporné elektrické náboje v různých částech oblaku, které jsou vyrovnávány řadou gigantických jiskrových výbojů (mezi částmi oblaků nebo mezi oblakem a zemí); zvukový doprovod – hřmění; škody a oběti bleskem 4.6 Znečištění prostředí - atmosféra obsahuje plyny, aerosoly a větší a těžší částice, které dříve nebo později vypadávají na povrch - škodliviny v ovzduší (znečištění ovzduší) – substance dostávající se do atmosféry ze zemského povrchu přirozenou cestou nebo antropogenní činností: a) každodenní aktivity lidé (např. automobilismus) b) průmyslové aktivity (např. spalování fosilních paliv, odpadů) - typické škodliviny: oxid uhelnatý CO, oxidy síry SO[X] (SO[2], SO[3]), oxidy dusíku NOX (NO, NO[2], NO[3]), uhlovodíky - nejvýznamnější zdrojem škodlivin je spalování fosilních paliv jak ze stacionárních zdrojů (např. elektrárny – hlavně SO[2]), tak z pohyblivých (automobily – hlavně CO, uhlovodíky, NO[X]) 4.6.1 Smog a kouř - smog – aerosoly a plynné škodliviny významné hustoty nad městskými oblastmi (původně ze slov „smoke“ – kouř a „fog“ – mlha) - současný smog ve městech obsahuje hlavně oxidy dusíku, uhlovodíky a ozon (fotochemické reakce – oxidace uhlovodíků za přítomnosti NO[X] jako katalyzátorů; dráždění sliznice, kancerogenita, toxicita, poškozování buněk); fotochemickými reakcemi mohou být produkovány další toxické sloučeniny - zákal – atmosférický aerosol tvořený mikroskopicky malými tuhými částicemi, které jsou tak četné, že způsobují opalescenci a snižují viditelnost (tvořený hlavně prachem, krystalky soli, pylem, kouřovými částicemi) 4.6.2 Vypadávání a vymývání škodlivin - škodliviny jsou vynášeny nahoru s teplým vzduchem (konvekcí) - větší částice vypadávají vlivem gravitace na povrch - velmi malé částice jsou pak vymývány srážkami - škodliviny jsou odnášeny z místa svého vzniku větrem a rozptylovány ve větším množství vzduchu - velké koncentrace škodlivin při bezvětří 4.6.3 Inverze a smog - největší koncentrace škodlivin se vyskytují při inverzích → objem vzduchu se škodlivinami se ochlazuje při výstupu adiabaticky, ale teplota okolní atmosféry s výškou roste – výstup tak brzy ustává → škodliviny se tak rozptylují v nižších vrstvách a jejich koncentrace je vysoká - přízemní inverze – rozptyl škodlivin v inverzní vrstvě (těžký smog nebo vysoce toxická mlha) – při delším trvání zdravotní problémy popř. úmrtí - výšková inverze (oblast Los Angeles) – škodliviny se hromadí ve spodní vrstvě chladnějšího vzduchu, vertikálnímu promíchávání brání vrstva inverze nad ním - pro velké koncentrace škodlivin je příznivé stabilní zvrstvení vzduchu (teplota adiabaticky klesá s výškou rychleji než v okolní atmosféře) – nad městy vzniká „znečištěná kopule“ Obr. E4.7/92 - SS 4.6.4 Klimatické efekty znečištění měst - městské znečištěné ovzduší snižuje dohlednost a osvětlení (smogem až 10 % v létě a 20 % v zimě) - UV- záření pohlcováno ozonem ve smogu (snížení rizika rakoviny kůže, zvýšení virové bakteriální aktivity) - častější zimní mlhy ve městech než ve volné krajině (mlha je zesilována aerosoly a částicemi) - města – zvýšené množství oblaků a srážek (intenzifikace konvekce lidskou činností) 4.6.5 Kyselá depozice - kyselý déšť – srážky, které mají v důsledku antropogenního znečišťování ovzduší výrazně zvýšenou kyselost, vyjádřenou pomocí pH (čistá voda pH = 7, srážky pH = 5-6, kyselé deště pH = 3-4) - SO[2] a NO[2] ve vzduchu reagují s kyslíkem a vodou za přítomnosti slunečního záření a prachových částic → vytváří aerosoly, které jako kondenzační jádra „okyselují“ vodní kapičky nebo krystalky ledu - výsledkem kyselé depozice je acidifikace jezer a řek, poškození půdy (ztráta živin), škody na historických objektech aj. - suchá depozice – kyselé prachové částice na povrchu (při zvlhčení kapkami deště nebo mlhy způsobují kyselost vody) - vliv kyselé depozice záleží na schopnosti půdního nebo vodního povrchu absorbovat a neutralizovat kyselost - četné dopady kyselé depozice na ekosystémy v Evropě a Severní Americe (zvýšená úmrtnost ryb v kanadských jezerech, poškození lesů ve střední Evropě) Literatura: Netopil, R. a kol. (1984): Fyzická geografie I. SPN, Praha. Kap. 2.3.5: s. 65-75. Strahler, A., Strahler, A. (1999): Introducing Physical Geography. Wiley, New York. Kap. 4: Atmospheric Moisture and Precipitation, s. 77-103.