Fyzická geografie (Z0026) prof. RNDr. Rudolf Brázdil, DrSc. RNDr. Zdeněk Máčka, Ph.D. •podzimní semestr - 4/0: zkouška – 7 kreditů, 0/1: zápočet – 2 kredity •2 1. Úvod do studia fyzické geografie •Fyzická geografie •- vědní disciplína v rámci geografických věd, zabývající se studiem fyzickogeografické sféry Země. Z časového a prostorového hlediska popisuje, studuje a prognózuje procesy a jevy, které se v ní odehrávají •3 Fyzickogeografická sféra Země se skládá z jednotlivých geosfér: •a) zemská kůra s georeliéfem – nejsvrchnější vrstva pevného zemského tělesa, jejíž povrch se označuje jako georeliéf – geomorfologie •b) atmosféra – plynný obal Země (po ozonovou vrstvu) – meteorologie a klimatologie •c) hydrosféra – geosféra tvořená vodami oceánů a pevniny – hydrologie •d) kryosféra – část zemské kůry a hydrosféry, jejíž teplota je po více než 2 roky pod bodem mrazu – glaciologie •e) pedosféra – půdní pokryv na povrchu pevnin – pedogeografie •f) biosféra – geosféra s podmínkami pro život a trvale obydlena živými organismy – biogeografie •fyzickogeografická + socioekonomická sféra = krajinná sféra Země Fig_1 •4 •Základní literatura: • •Strahler, A., Strahler, A. (2006): Introducing Physical Geography. John Wiley & Sons, Inc., New York, 728 s. •Nové vydání: 2011 •Pomocná literatura pro klimatologii a hydrologii: •Netopil, R. a kol. (1984): Fyzická geografie I. SPN, Praha, 272 s. •Sobíšek, B. (ed.) (1993): Meteorologický slovník výkladový a terminologický. Academia, Ministerstvo životního prostředí ČR, Praha, 594 s. http://slovnik.cmes.cz •5 2. Globální energetická bilance Země •sluneční záření – elektromagnetické x korpuskulární (částicové) • •elektromagnetické záření – soubor záření různých vlnových délek vycházejícího od povrchu objektu • •vlnová délka L – vzdálenost od jednoho hřbetu vlny k sousednímu hřbetu; jednotka – mikrometr (μm, 10-6 m) nebo nanometr (nm, 10-9 m) •2.1 Elektromagnetické záření Fig_2 •6 2.1.1 Záření a teplota •a) nepřímý vztah mezi vlnovou délkou záření daného tělesa a jeho teplotou (Slunce – kratší vlnové délky, Země – větší vlnové délky) • •b) teplejší tělesa vyzařují mnohem více než tělesa chladnější (závislost na čtvrté mocnině absolutní teploty – Stefan-Boltzmannův zákon) – dva základní principy emise elektromagnetického záření: •2.1.2 Sluneční záření •Slunce: jaderné reakce proton-protonového cyklu (přeměna vodíku na hélium) •povrchová teplota 6000 °C •výkon Slunce 2,8.1026 W (J.m-2.s-1) •rychlost elektromagnetického záření 300 tisíc km.s-1 •8 1/3 min. než dorazí na Zemi • •vzdálenější planety – méně energie od Slunce; Země – 1,7.1017 W •7 Spektrum elektromagnetického záření: •a) ultrafialové záření – 0,2-0,4 μm •– pohlceno téměř úplně plyny v atmosféře – škodlivé pro živé organismy • •b) viditelné záření – 0,4-0,7 μm •– světelná energie – barva závislá na vlnové délce (fialová, modrá, zelená, žlutá, oranžová, červená) – jen malá část pohlcována • •c) krátkovlnné infračervené záření – 0,7-3 μm •– lidské oko není na ně citlivé – snadno proniká atmosférou • •a) + b) + c) = krátkovlnné záření • •d) tepelné infračervené záření – > 3 μm •– vydáváno chladnějšími objekty – pociťováno jako teplo – označuje se jako dlouhovlnné záření (tepelné snímkování) •8 2 •Spektrum elektromagnetického záření •9 Fig_2 •10 2 •11 2.1.3 Charakteristiky slunečního záření •intenzita slunečního záření je největší ve viditelné části spektra •solární konstanta IS – celková intenzita elektromagnetického záření Slunce, dopadajícího na horní hranici atmosféry na jednotkovou plochu kolmou k paprskům při střední vzdálenosti Země-Slunce: •různá intenzita vyzařování podle vlnové délky: •IS = 1367 W.m-2 ± 0,3 % •2.1.4 Dlouhovlnné záření Země • zemský povrch a atmosféra vyzařují méně energie o větších vlnových délkách (v porovnání se Sluncem) • intenzita vyzařování má tři maxima pro L = 5, 10 a 20 μm – vlnové délky mezi tím pohlcovány hlavně vodní párou a CO2 •12 •2.1.5 Globální radiační bilance •Země stále pohlcuje krátkovlnné sluneční záření a vydává dlouhovlnné záření – radiační bilance •krátkovlnné záření je zčásti odráženo zpět do meziplanetárního prostoru (též oblaky, částicemi), zčásti rozptylováno a pohlcováno v atmosféře a na aktivním povrchu (vzestup teploty) – rozptýlené a přímé záření •dlouhovlnné záření uniká do meziplanetárního prostoru (pokles teploty) •dlouhodobě je příjem krátkovlnného záření vyrovnáván výdejem dlouhovlnného záření (zářivá rovnováha) 2 •13 Fig_2 •insolace – tok dopadající sluneční energie na exponovaný povrch pro sférickou Zemi bez atmosféry (W.m-2) – závisí na výšce Slunce nad obzorem (maximální pro Slunce v zenitu) •2.2 Insolace Země •výška Slunce závisí na zeměpisné šířce, části dne a části roku • •sluneční záření je proměnlivé v závislosti na čase a na místě na Zemi • • •14 2.2.1 Dráha Slunce na obloze Fig_2 •15 Obr_6 Obr_6 •Na rovníku jsou zdánlivé denní dráhy Slunce kolmé k rovině obzoru a postupně se posunují mezi letním (blíže k PSS) a zimním (blíže PSJ) slunovratem. Ve dnech rovnodenností se Slunce zdánlivě pohybuje po světovém rovníku. •Na severním pólu jsou zdánlivé denní dráhy Slunce rovnoběžné s rovinou obzoru (splývající se světovým rovníkem). V době od jarní rovnodennosti přes letní slunovrat po zimní rovnodennost se Slunce pohybuje nad obzorem (polární den), ve zbytku roku pod obzorem (polární noc). •16 •2.2.2 Denní insolace během roku •denní insolace (úhrn přímého záření) závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků a době expozice (tedy na zeměpisné šířce a roční době) Fig_2 •v pásmu mezi obratníky existují dvě maxima (na rovníku v době rovnodenností), která se od rovníku k obratníkům přibližují až splývají v jedno maximum • •mezi obratníky a polárními kruhy – maximum při letním slunovratu, minimum při zimním slunovratu • •mezi polárními kruhy a póly – minimum nulové postupně se rozšiřující na půl roku •17 2.2.3 Roční insolace podle zeměpisných šířek •roční insolace plynule klesá od rovníku k pólu – na pólu asi 40 % hodnoty insolace na rovníku •díky sklonu zemské osy k rovině ekliptiky* (66,5º) je významná část insolace přerozdělena od rovníku k pólům a střídají se roční období Fig_2 •* rovina oběžné dráhy Země kolem Slunce •18 Fig_2 •2.3 Světové šířkové zóny •rovníkový pás 10° s.š. – 10° j.š. •intenzivní insolace během roku, dny a noci téměř stejně dlouhé •tropický pás 10 – 25° z.š. •roční cyklus, velká roční insolace •subtropický pás 25 – 35° z.š. •pás mírných šířek 35 – 55° z.š. •velké rozdíly ve výšce Slunce a délce dnů a nocí mezi zimou a létem •subarktický (subantarktický) pás 55–60° z.š. •arktický (antarktický) pás 60 – 75° z.š. •velké rozdíly v délce dne a v insolaci •polární pás nad 75° z.š. •dominuje vždy téměř půl roku polární den a půl roku polární noc •19 •atmosféra (atmos – pára, sphaira – koule, obal) – plynný obal Země, tvořený zvláštní směsí plynů – vzduchem • •hmotnost 5,157.1018 kg •rozložení hmotnosti: •2.4 Složení atmosféry 2 •20 •dusík – N2 – 78,084 % (objemový podíl) – 75,51 % (hmotnostní podíl) [inertní plyn, vulkanická činnost] •kyslík – O2 – 20,946 % – 23,01 % [dýchání, reaktivní plyn, pohlcování záření, ozon, fotosyntéza] •argon – Ar – 0,934 % – 1,286 % [inertní plyn, rozpad 40K] •stopové plyny: •oxid uhličitý – CO2 – pohlcování dlouhovlnného záření (oteplování atmosféry), spotřebováván při fotosyntéze •další stopové plyny: ozon, methan, neon, krypton, xenon, vodík, oxid dusný, hélium • •vlhký čistý vzduch: •vodní pára – max. do 4 % objemu (průměr 2,6 %) na úkor dalších plynných komponent, pokles s výškou, pohlcování dlouhovlnného záření • •atmosférické aerosoly – pevné a tekuté příměsi ve vzduchu •Hlavní plynné složky atmosféry v suchém čistém vzduchu •21 2.4.1 Ozon ve stratosféře •ozon – zapáchající plyn vznikající při elektrických výbojích v atmosféře (C. F. Schönbein – 1840) •2.4.1.1 Přirozená rovnováha ozonu v atmosféře •stopový plyn, tvořený 3 atomárními kyslíky (O3) •90 % ve stratosféře, asi 3/4 v 15-30 km – ozonosféra •měření spektrofotometrem •Dobsonovy jednotky (DU) •celkové množství O3 ve vertikálním sloupci o základně 1 cm2 (100 DU odpovídá při normálním tlaku a teplotě 298 K vrstva O3 o tloušťce 1 mm) •22 •Geografické 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 •Roční chod: •maximum na jaře, minimum na podzim Ozon_1 •23 o3col2009092012_gl •www.temis.nl •24 Vznik a zánik O3 – Chapmanova teorie •Vznik: •a) UV-záření o L < 0,242 μm – disociace kyslíku: O2 + hν ® 2O •b) reakce atomárního a molekulárního kyslíku: O + O2 + M ® O3 + M •(hν – světelný foton, M – částice vyrovnávající energii reakce) •Zánik: •a) disociace O3 zářením s L < 1,2 μm: O3 + hν ® O + O2 • popř. reakce O3 s atomárním kyslíkem: O3 + O ® O2 + O2 •b) katalytické reakce (X – katalyzátor): O3 + X ® OX + O2 • OX + O ® X + O2 •katalyzátory: •radikály dusíku NOX (NO, NO2) – 70 % v 15-35 km •radikály vodíku HOX (HO, HO2) – 70 % nad 50 km •25 2.4.1.2 Ozonová díra a její příčiny •ozonová díra – drastický úbytek celkového ozonu, pozorovaný v Antarktidě v září-říjnu v porovnání s koncem 70. let 20. století •halogenované uhlovodíky: lehké uhlovodíky (zejména methan CH4 a ethan C2H6), v nichž je vodík nahrazen: •atomy fluoru F a chloru Cl •chlorofluorouhlovodíky – CFC – též freony •hydrochlorofluorouhlovodíky – HCFC •atomy bromu Br •bromované uhlovodíky – též halony •Vlastnosti: •plyny nebo lehce těkavé kapaliny – nehořlavost, nejedovatost, chemická netečnost, domnělá ekologická nezávadnost – prudký nárůst produkce ve 2. polovině 20. století •Použití: •hnací plyny, chladiva, nadouvadla, čistící a odmašťovací prostředky, protipožární technika atd. •26 zoctozone •27 Ozone_hole_Antarctica_15_09_2007 •28 Mechanismus působení halogenovaných uhlovodíků na O3 •a) průnik z troposféry do stratosféry •b) vůči O3 inertní sloučeniny Cl (chlorovodík HCl, chlornitrát ClONO2) •c) v polární noci na částicích polárních stratosférických oblak (PSO) – aktivní formy (Cl2, HOCl) • PSO – vázána na polární vortex, teploty kolem –80 °C •d) časně zjara působením slunečního záření uvolňován aktivní Cl – katalytické reakce – zánik O3 •pokles O3 v Antarktidě větší než v Arktidě (nestabilní vortex, vznik PSO méně častý) Ozon_2 Total_ozone_South_2002 Total_ozone_South_2003 Total_ozone_South_2004 Total_ozone_South_2005_forecast 16_Sep_2006 Ozone_hole_Antarctica_15_09_2007 •30 oz2020bl sc-o3min fd-o3min sc-o3area220 fd-o3area220 •Assimilated Ozone Field of 29 September 2014 •OMI • • • •GOME-2A • • • •GOME-2B • • • Ozone Field Ozone Field Ozone Field Ozone Field Ozone Field Ozone Field Ozone Field Ozone Field Ozone Field •http://www.temis.nl/ •Vývoj koncentrací ozonu v ČR utf-8''Hradec%20Kr%C3%A1lov%C3%A9%20-%20rok •37 •stýkají-li se dva objekty různé teploty, předává se teplo od teplejšího k chladnějšímu vedením •turbulentní tok tepla (sensible heat transfer) – neuspořádaný vertikální přenos tepla •latentní teplo – teplo spotřebované či uvolňované při fázových změnách vodní páry •latentní tok tepla (latent heat transfer) – přenos tepla od povrchu do atmosféry při výparu, uvolňování tepla na povrchu při kondenzaci nebo sublimaci vodní páry •2.5 Turbulentní a latentní tok tepla •38 2.6 Globální energetická bilance •tok energie mezi Sluncem a Zemí zahrnuje nejen záření, ale i pohlcování a transport energie •2.6.1 Ztráty záření •rozptýlené záření •molekuly a částice ve vzduchu rozptylují sluneční záření všemi směry •část záření, která je rozptýlena zpět do prostoru, se označuje jako difuzní odraz (asi 5 % přicházejícího slunečního záření) •pohlcování záření •při průchodu atmosférou (asi 15 % přicházejícího záření) •pohlcování záření se může měnit výrazně podle prostředí •oblaka mohou odrážet 30-60 % přicházejícího záření a pohlcovat 5-20 % •v případě husté oblačné vrstvy může být při povrchu jen 10 % z dopadajícího záření •39 Fig_2 • • •40 2.6.2 Albedo •albedo – percentuální podíl odraženého záření vzhledem k celkovému dopadajícímu záření •albedo určuje, jak rychle se povrch vystavený insolaci zahřívá •např. albedo sněhu 45-85 % – odráží většinu záření, zahřívá se pomalu •albedo Země měřené pomocí družic – 29-34 % •41 •aktivní povrch vydává dlouhovlnné záření pouze do atmosféry, kde je pohlcováno CO2 a vodní párou, ale i oblaky •zpětné záření atmosféry – atmosféra vyzařuje do meziplanetárního prostoru a také k zemskému povrchu •skleníkový efekt atmosféry – atmosféra je dobře propustná pro krátkovlnné záření, ale pohlcuje dlouhovlnné vyzařování zemského povrchu •2.6.3 Zpětné záření atmosféry Fig_2 •42 •Bilance krátkovlnného záření: •albedo systému zemský povrch - atmosféra 31 % •pohlcování v atmosféře 20 % •pohlceno zemským povrchem 49 % •2.6.4 Globální energetická bilance atmosféry a aktivního povrchu •Bilance dlouhovlnného záření: •vyzařování zemského povrchu 114 %, z čehož 102 % pohltí atmosféra a zbytek 12 % uniká do meziplanetárního prostoru (atmosférické okno) •zpětné záření atmosféry 95 % Fig_2 •43 •Zemský povrch: •zisk: 49 % + 95 % = 144 % • krátkovlnné dlouhovlnné •tedy: 144 % – 114 % = 30 % • zisk ztráta zisk •tento zisk se předává do atmosféry latentním tokem tepla (23 %) a turbulentním tokem tepla (7 %) •celková ztráta zemského povrchu •114 % + 23 % + 7 % = 144 % •dlouhovlnné latentní tok tepla turbulentní tok tepla •Atmosféra: •ztráta: •zisk: •bez skleníkového efektu by byla Země chladným neobývatelným místem • • •44 •2.6.5 Šířkový transport energie •příjem a výdej energie pro Zemi v delším časovém intervalu je vyrovnaný, což ale nemusí platit pro konkrétní místo nebo kratší časové úseky •radiační bilance – diference mezi veškerým přijímaným a vyzařovaným zářením: •a) pozitivní – příjem záření větší než výdej (např. den) •b) negativní – výdej záření větší než příjem (např. noc) •mezi 40° s.š. a 40° j.š. je v ročním průměru přebytek zářivé energie (kladná radiační bilance) •ve vyšších šířkách než je 40° z.š. je negativní radiační bilance – deficit je vyrovnávám transportem energie z rovníkové a tropické zóny směrem k pólům dvěma způsoby: • a) přenos tepelné energie oceánskou cirkulací • b) přenos tepelné energie atmosférickou cirkulací (latentní teplo) •45 Fig_2 •46 •energetická bilance je citlivá na řadu faktorů, ovlivňujících pohlcování a výdej energie •růst CO2 a dalších „skleníkových plynů“ (CH4, N2O) zvyšuje pohlcování dlouhovlnného záření v atmosféře – zesilování skleníkového efektu •růst aerosolů ve vyšších vrstvách atmosféry zvyšuje rozptyl záření a tedy snižuje přívod krátkovlnného záření k povrchu •větší obsah aerosolů v dolních vrstvách atmosféry zvyšuje pohlcování dlouhovlnného záření •lidskou činností se mění charakter aktivního povrchu (vliv na albedo, pohlcování záření a na vyzařování) •2.6.6 Antropogenní vlivy na energetickou bilanci •47 •Netopil, R. a kol. (1984): Fyzická geografie I. SPN, Praha. •Kap. 1: s. 9-25. •Kap. 2.2-2.3.2: s. 35-56. • •Strahler, A., Strahler, A. (2006): Introducing Physical Geography. John Wiley & Sons, Inc., New York, 728 s. •Kap. Prologue: s. 2-21. •Kap. 2: The Earth’s Global Energy Balance, s. 50-85. • • •Literatura