‹#› 1 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 Fig_4 ‹#› 2 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 (vodní párou) v atmosféře je přenášeno obrovské množství latentního tepla od jednoho místa k druhému ‹#› 3 4.1.1 Hydrosféra a hydrologický cyklus Fig_4 •97,2 % tvoří slaná voda, 2,8 % sladká voda (mimo slaná jezera a vnitřní moře) •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 ‹#› 4 •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 ‹#› 5 4.1.2 Globální vodní bilance •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 Fig_4 ‹#› 6 •oceán: srážky (do) + odtok (do) = výpar (z), tj. 380 + 40 = 420 tis. km3 •pevnina: srážky (na) = výpar (z) + odtok (z), tj. 110 = 70 + 40 tis. km3 •protože na pevnině výpar = srážky – odtok, lze odtok při bilancování vypustit a lze zapsat: (vše v tis. km3) ‹#› 7 4.2 Vlhkost vzduchu •vlhkost vzduchu – obecně značí množství vodní páry ve vzduchu •množství vodní páry ve vzduchu kolísá 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 ‹#› 8 Fig_4 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°C – 26 g/kg ‹#› 9 •rosný bod (°C) – teplota, při níž vzduch dosáhne stavu nasycení, tj. obsahuje maximální množství vodní páry – při dalším ochlazení kondenzace Fig_4 •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 ‹#› 10 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) ‹#› 11 •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) Fig_4 ‹#› 12 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 (na úkor vnitřní energie) •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 v suchém nebo nenasyceném vzduchu lze popsat suchoadiabatickým gradientem s hodnotou 1°C na 100 m výšky ‹#› 13 4.3.2 Vlhkoadiabatický proces •dosáhne-li vystupující vzduch hladiny kondenzace (stává se nasyceným), dochází při dalším výstupu a ochlazení ke kondenzaci vodní páry, při níž se uvolňuje latentní teplo Fig_4 •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 ‹#› 14 4.4 Oblaka •oblak – nakupení vodních kapiček nebo ledových krystalků o rozměru 20-50 μm ve vzduchu (v určité výšce nad zemským povrchem) •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 ‹#› 15 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 (Ac) –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) ‹#› 16 Oblaka ‹#› 17 Ci_uncinus Ci uncinus Cc_stratifomis_perlucidus_undulatus Cc stratiformis perlucidus undulatus, Cu humilis Cs_fibratus Cs fibratus ‹#› 18 Ac_stratiformis_translucidus_perlucidus As_translucidus_undulatus_radiatus Ac stratiformis translucidus perlucidus As translucidus undulatus radiatus Ns_praecipitatio2 Ns praecipitatio Sc_stratiformis_opacus_mamma_cumulonimbogenitus Sc stratiformis opacus mamma cumulonimbogenitus ‹#› 19 Cb_capillatus_Cu_congestus Cb_capillatus_incus_Cu_congestus Cb capillatus, Cu congestus Cb capillatus incus, Cu congestus Cu_humilis Cu_mediocris Cu humilis Cu mediocris ‹#› 20 4.4.2 Mlha •mlha – nakupení produktů kondenzace nebo sublimace vodní páry při 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 ‹#› 21 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 v 7 hodin ráno srážkoměrem výškou vody v mm/den (1 mm srážek = 1 litr vody na 1 m2 plochy) – tuhé srážky se měří stejným způsobem po jejich rozpuštění ‹#› 22 Srazkomer1 1 m nad zemí, záchytná plocha 500 cm2 ‹#› 23 Srazkomer3 Zleva: staniční srážkoměr – ombrograf – člunkový srážkoměr ‹#› 24 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 ‹#› 25 4.5.2 Orografické srážky •vzduch přitéká k horské překážce, na níž dochází k vynucenému výstupu ® po hladinu kondenzace ochlazování podle suchoadiabatického gradientu o 1°C 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 (je nenasycený) 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) Fig_4 Fig_4 ‹#› 26 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 vyvíjejí vertikálně do podoby bouřkového oblaku (cumulonimbus) v případě, že: •- vzduch je teplý a vlhký (menší pokles teploty s výškou při kondenzaci – je teplejší oproti okolí, což podporuje výstup) •- 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) ‹#› 27 •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 Fig_4 ‹#› 28 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 •konvektivní buňka – silný výstupný pohyb vzduchu (updraft) 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 Fig_4 ‹#› 29 microburst_pozadi a) macroburst - horizontální rozměry přes 4 km b) microburst - horizontální rozměr do 4 km, z hlediska intenzity nebezpečnější ‹#› 30 P6290004 • 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 ‹#› 31 •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 PDivis ‹#› 32 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 lidí (např. automobilismus) • b) průmyslové aktivity (např. spalování fosilních paliv, odpadů) •typické škodliviny: oxid uhelnatý CO, oxidy síry SOX (SO2, SO3), oxidy dusíku NOX (NO, NO2, NO3), uhlovodíky •nejvýznamnější zdrojem škodlivin je spalování fosilních paliv jak ze stacionárních zdrojů (např. elektrárny – hlavně SO2), tak z pohyblivých (automobily – hlavně CO, uhlovodíky, NOX) ‹#› 33 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 NOX jako katalyzátorů; dráždění sliznice, kancerogenita, toxicita, poškozování buněk); fotochemickými reakcemi mohou být produkovány další toxické sloučeniny •zákal – atmosférický aerosol tvořený mikroskopicky malými tuhými částicemi (prach, krystalky soli, pyl, kouřové částice), které jsou tak četné, že způsobují opalescenci (rozptyl světla projevující se hlavně červeným a modrozeleným odstínem) a snižují viditelnost ‹#› 34 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 ‹#› 35 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” ‹#› 36 Fig_E4 ‹#› 37 LosAngeles_smog_inverze Los Angeles – smog, inverze ‹#› 38 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) ‹#› 39 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) •SO2 a NO2 ve vzduchu reagují s kyslíkem a vodou za přítomnosti slunečního záření a prachových částic ® vytvářejí aerosoly, které jako kondenzační jádra “okyselují” vodní kapičky nebo krystalky ledu img621 Neprakta – Švandrlík (2000) ‹#› 40 • 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) • ‹#› 41 Literatura: •Netopil, R. a kol. (1984): Fyzická geografie I. SPN, Praha. Kap. 2.3.5: s. 65-75. •Strahler, A., Strahler, A. (2006): Introducing Physical Geography. Wiley, New York. Kap. 4: Atmospheric Moisture and Precipitation, s. 118-149.