http://www.jdonohue.com/parks/photo/mediumSize/Badlands02.jpg Fyzická geografie Mgr. Ondřej Kinc kinc@mail.muni.cz 23. 9. 2013 Úvod do studia; Globální energetická bilance Země Podzim 2013 Z0026/4 – pondělí 13 – 13.50, Z3 Z0026/5 – pondělí 12 – 12.50, Z3 nZemská kůra s georeliéfem nAtmosféra nHydrosféra nKryosféra nPedosféra nBiosféra nKrajinná sféra Země n n nelektromagnetické záření – soubor záření různých ……………….. vycházejícího od povrchu objektu n……………….. L (lambda) – vzdálenost od jednoho hřbetu vlny k sousednímu hřbetu; jednotka – μm (10-6 m) nebo nm (10-9 m) nλ * ν = c nvlnová délka * frekvence = rychlost světla n • • • λ λ x y nDva základní principy emise elektromagnetického záření: na) nepřímý vztah mezi vlnovou délkou záření daného tělesa a jeho teplotou (Slunce – ……….vlnové délky, Země – ………vlnové délky) nb) teplejší tělesa vyzařují mnohem více než tělesa chladnější (závislost na čtvrté mocnině absolutní teploty – ……………………… I = d * T4 (W.m-2) I = celková intenzita záření (..jaké množství energie daná hmota vyzařuje) T = termodynamická teplota d= Stefan – Boltzmannova konstanta 5,67.10-8 W.m-2.K-4 nSlunce: jaderné reakce proton-protonového cyklu (přeměna vodíku na ……..) npovrchová teplota cca ……….. °C nteplota jádra : cca 13,6 milionů °C nvýkon Slunce 2,8*1026 W – rychlost elektromagnetického záření 300 000 km.s-1 – 8 1/3 min. než dorazí na Zemi nvzdálenější planety – méně energie od Slunce; Země – 1,7.1017W na) ………………….– 0,2-0,4 μm – pohlceno téměř úplně plyny v atmosféře – škodlivé pro živé organismy nb) viditelné záření – …….-……. μm – světelná energie – barva závislá na vlnové délce (fialové, modrá, zelená, žlutá, oranžová, červená) – jen malá část pohlcována nc) krátkovlnné infračervené záření – 0,7-3 μm – lidské oko není ne ně citlivé – snadno proniká atmosférou na) + b) + c) = ………… záření nd) …………….. infračervené záření – > 3 μm – vydáváno chladnějšími objekty – pociťováno jako teplo n– označuje se jako ……….záření (tepelné snímkování) nrůzná intenzita vyzařování podle vlnové délky: ultrafialové – ……%, viditelné – 41 %, krátkovlnné infračervené – …. % nintenzita slunečního záření je největší ve viditelné části spektra n………………………..- celková intenzita elektromagnetického záření Slunce, dopadajícího na horní hranici atmosféry na jednotkovou plochu kolmou k paprskům při střední vzdálenosti Země-Slunce nIs = ……. W.m-2 +-0,3 % nZemě stále pohlcuje krátkovlnné sluneční záření a vydává dlouhovlnné záření – radiační bilance nkrátkovlnné záření je zčásti odráženo zpět do meziplanetárního prostoru (též oblaky, částicemi), zčásti pohlcováno v atmosféře a na aktivním povrchu (vzestup teploty) ndlouhovlnné záření uniká do meziplanetárního prostoru (pokles teploty) ndlouhodobě je příjem krátkovlnného záření vyrovnáván výdejem dlouhovlnného záření (zářivá rovnováha) nBe = B ± P ± Qv ± LV n •B = radiační bilance •P = tok tepla (výměna tepla) mezi atmosférou a zemským povrchem •Qv = tok tepla mezi zemským povrchem a jeho podložím •LV = tok tepla spojený s fázovými přeměnami vody n nP – tok tepla mezi atmosférou a zemským povrchem nMolekulární vedení nTurbulence + konvekce n 1. povrch je teplejší než vzduch 2. povrch je chladnější než vzduch Energie směřuje do atmosféry, povrch se ochlazuje Energie směřuje k povrchu, ten se otepluje – P + P nQV - Tok tepla do půdy n n 1.Povrch je chladnější než podloží 2. Povrch je teplejší než podloží Povrch se otepluje Povrch se ochlazuje + Qv -Qv nLV – tok tepla spojený s fázovými přeměnami vody n n 2. Vzduch je teplejší než povrch 1.Vzduch je chladnější než povrch Povrch se ochlazuje vzduch se nezahřívá Vzduch se neochlazuje, povrch se zahřívá - LV +LV nEnergetická bilance šipka = směr zisku energie R P Qv LV 1 R Qv P LV 2 DEN NOC nsluneční záření je proměnlivé v závislosti na čase a na místě na Zemi ninsolace – tok dopadající sluneční energie na exponovaný povrch pro sférickou Zemi bez atmosféry (W.m -2) – závisí na výšce Slunce (maximální pro Slunce v zenitu) n-výška Slunce závisí na zeměpisné šířce, části dne a části roku n n ndenní insolace závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků a době expozice (tedy na zeměpisné šířce a roční době) nv pásmu mezi obratníky existují dvě maxima (na rovníku v době rovnodenností), která se od rovníku k obratníkům přibližují až splývají v jedno maximum nmezi obratníky a polárními kruhy – maximum při letním slunovratu, minimum při zimním slunovratu nmezi polárními kruhy a póly – minimum nulové postupně se rozšiřující na půl roku n nroční insolace plynule klesá od rovníku k pólu – na pólu asi 40 % hodnoty insolace na rovníku ndíky sklonu zemské osy je významná část insolace přerozdělena od rovníku k pólům a střídají se roční období n n……………………..(10° s.š. – 10° j.š.) – intenzivní insolace během roku, dny a noci téměř stejně dlouhé n……………………..(10-25° z.š.) – roční cyklus, velká roční insolace n……………………..(25-35° z.š.) npás mírných šířek (35-55° z.š.) – velké rozdíly ve výšce Slunce a délce dnů a nocí mezi zimou a létem n…………………….. (……………………..) pás (55-60° z.š.) n…………………….. (……………………..) pás (60-75° z.š.) – velké rozdíly v délce dne a v insolaci n……………………..(nad 75° z.š.) – dominuje vždy téměř půl roku polární den a polární noc nstopový plyn, tvořený 3 atomárními kyslíky (O3) n90 % ve stratosféře, asi 3/4 v 15-30 km – ozonosféra nměření ………. n…………………….– celkové množství O3 ve vertikálním sloupci o základně 1 cm2 (100 DU odpovídá při normálním tlaku a teplotě 298K vrstva O3 o tloušťce 1 mm) ngeografické rozložení: růst koncentrací od minim v oblasti rovníku (cca 250 DU) k maximům na 60º z.š. (cca 400 DU), odtud pokles k pólům, koncentrace v Arktidě vyšší než v Antarktidě nroční chod: maximum na jaře, minimum na podzim nVznik: nUV-záření o L < 0,242 μm – disociace kyslíku: O2 + hν ® 2O nreakce atomárního a molekulárního kyslíku: O + O2 + M ® O3 + M nZánik: ndisociace O3 zářením s L < 1,2 μm: O3 + hν ® O + O2, popř. reakce O3 s atomárním kyslíkem: O3 + O ® O2 + O2 nkatalytické reakce: O3 + X ® OX + O2 n OX + O ® X + O2 nkatalyzátory: n radikály dusíku NOX (NO, NO2) – 70 % v 15-35 km n radikály vodíku HOX (HO, HO2) – 70 % nad 50 km n nhmotnost 5,157.1018 kg nrozložení hmotnosti: … % do 5-6 km, … % do 16 km, 99 % do … km => s rostoucí vzdáleností od povrchu hustota atmosféry klesá nhlavní plynné složky atmosféry v suchém čistém vzduchu + podíly (objemový + hmotnostní): n A)………. n B)………. n C)………. n D)stopové plyny nAtmosférické aerosoly? n n • • • nozonová díra – drastický úbytek celkového ozonu, pozorovaný v …………….. v září-říjnu v porovnání s koncem 70. let nhalogenované uhlovodíky: lehké uhlovodíky (zejména methan CH4 a ethan C2H6), v nichž vodík je nahrazen, v atmosféře mají velmi dlouhou životnost, např. 100 let, ozonová díra může vzniknout kdekoliv, kde jsou příznivé meteorologické podmínky (1992 – ozonová díra nad Evropou), ozon způsobuje poškození zraku a kůže, menší imunitu natomy fluoru F a chloru Cl (chlorofluorouhlovodíky – CFC – též ….., hydrochlorofluorouhlovodíky – HCFC) natomy bromu Br (bromované uhlovodíky, též …..) nvlastnosti: plyny nebo lehce těkavé kapaliny – nehořlavost, nejedovatost, chemická netečnost, domnělá ekologická nezávadnost – prudký nárůst produkce npoužití:……………. n nprůnik z troposféry do stratosféry nvůči O3 inertní sloučeniny Cl (chlorovodík HCl, chlornitrát ClONO2) nv polární noci na částicích polárních stratosférických oblak (PSO) – aktivní formy (Cl2, HOCl) nPSO – polární vortex, teploty kolem –80 ºC nčasně zjara působením slunečního záření uvolňován aktivní Cl – katalytické reakce – zánik O3 npokles O3 v Antarktidě větší než v Arktidě (nestabilní vortex, vznik PSO méně častý) n n Ozonová díra nad Antarktidou v průběhu let Ozonová díra nad Arktidou nmolekuly a částice ve vzduchu rozptylují sluneční záření všemi směry – rozptýlené záření => vjem bílého dne nčást záření, která je rozptýlena zpět do prostoru, se označuje jako difuzní odraz (asi 5 % přicházejícího slunečního záření) npohlcování záření při průchodu atmosférou (asi 15 % přicházejícího záření) npohlcování záření se může měnit výrazně podle prostředí noblaka mohou odrážet 30-60 % přicházejícího záření a pohlcovat 5-20 %; v případě husté oblačné vrstvy může být při povrchu jen 10 % z dopadajícího záření n Popis: Losses of Incoming Solar Ene nalbedo – …………………………….. nalbedo určuje, jak rychle se povrch vystavený insolaci zahřívá nnapř. albedo sněhu ………….% - odráží většinu záření, zahřívá se pomalu nalbedo Země měřené pomocí družic – …….% npřímé sluneční záření nevadí sněhu, sníh rychleji taje pomocí teplého vzduchu n n atmosféra je dobře propustná pro krátkovlnné záření, ale pohlcuje dlouhovlnné vyzařování zemského povrchu, skleníkový efekt je normální, problém je jeho zesilování nkdyby nebyla atmosféra, vznikla by tzv. ………………………..(všechno záření by se odráželo) nbez skleníkového efektu by byla Země chladným neobývatelným místem, pokud by bylo jen krátkovlnné a dlouhovlnné záření, atmosféra by se ochlazovala, Země by se oteplovala => není to díky latentnímu a turbulentnímu toku tepla nv důsledku antropogenní činnosti růst koncentrací plynů, přispívajících k zesilování skleníkového efektu – tzv. skleníkové plyny (………………………..) nhlavní zdroj skleníkových plynů – ……………………… n n n n Popis: Counterradiation and the Gre n nBilance krátkovlnného záření: nalbedo systému zemský povrch - atmosféra 31 % npohlcování v atmosféře 20 % npohlceno zemským povrchem 49 % nBilance dlouhovlnného záření: nvyzařování zemského povrchu 114 %, z čehož 102 % pohltí atmosféra a zbytek 12 % uniká do meziplanetárního prostoru (atmosférické okno) nzpětné záření atmosféry 95 % n nZemský povrch: n49 (krátkovlnné) + 95 (dlouhovlnné) = 144 %, takže 144 (zisk) – 114 (ztráta) = zisk 30 % ntento zisk se předává do atmosféry latentním tokem tepla (23 %) a turbulentním tokem tepla (7 %), takže ztráta zemského povrchu činí celkově 114 (dlouhovlnné) + 23 + 7 = 144 % nAtmosféra: nztráta: 57 % do meziplanetárního prostoru, 95 % k zemi jako zpětné záření atmosféry, tj. 152 % nzisk: 102 (dlouhovlnné) + 20 (krátkovlnné pohlcené) + 23 (latentní tok) + 7 (turbulentní tok) = 152 % n n