2. ATMOSFÉRA JAKO KOMPONENTA KLIMATICKÉHO SYSTÉMU
ZEMĚ
Atmosféra – plynný obal Země, tvořený zvláštní směsí plynů – vzduchem.
Atmos – pára, sphaira – koule, obal
2.1 FYZIKÁLNĚ-CHEMICKÉ VLASTNOSTI ATMOSFÉRY
• hmotnost 5,157.1018
kg
• rozložení hmotnosti: 50 % do 5-6 km, 90 % do 16 km, 99 % do 30 km
• hustota vzduchu při povrchu 1,2 kg.m-3
, v 5 km 0,7 kg.m-3
- pokles hustoty vzduchu
s výškou
• změna molekulové hmotnosti s výškou:
homosféra (do 90 km) – molekulová hmotnost se s výškou prakticky nemění, homopauza,
heterosféra (90-1000 km) – disociace kyslíku a dalších plynů
• hlavní plynné složky atmosféry v suchém čistém vzduchu:
a) dusík – N2 – 78,084 % (objemový podíl) – 75,51 % (hmotnostní podíl) [inertní plyn,
vulkanická činnost]
b) kyslík – O2 – 20,946 % - 23,01 % [dýchání, reaktivní plyn, pohlcování záření, ozon,
fotosyntéza]
c) argon – Ar – 0,934 % - 1,286 % [inertní plyn, rozpad 40
K]
d) stopové plyny: oxid uhličitý CO2, ozon O3, methan CH4, neon, krypton, xenon,
vodík, oxid dusný N2O, 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:
a) přirozené aerosoly
– kosmický prach (1,4.1010
kg ročně)
– vulkanický prach (vulkanické erupce, vliv na intenzitu přímého slunečního
záření)
– kouřové částice (lesní a rašeliništní požáry)
– částice z povrchu půdy a moře (zvednuty větrem – písečné a prachové bouře,
vlnění)
– aeroplankton (např. pyl, bakterie)
b) antropogenní aerosoly (asi 10 %, toxické účinky, dálkový přenos, kondenzační
jádra, rozložení s výškou; pevné a kapalné příměsi - sedimentace na povrchu, plynné
příměsi – SO2, halogenované uhlovodíky aj.)
• koncentrace libovolné atmosférické složky v atmosféře – výsledek pohyblivé rovnováhy
mezi její produkcí a úbytkem; primární příměsi – unikají do atmosféry z povrchu,
sekundární vznikají v ovzduší často složitými fotochemickými mechanismy
• střední doba setrvání molekul dané směsi v ovzduší:
a) zdrojový člen
b) vlastnosti (rychlost fotodisociace, reaktivita, rozpustnost ve vodě)
c) vnější podmínky (sluneční záření, teplota, vlhkost, oblačnost, srážky)
d) přítomnost jiných látek (reaktanty, katalyzátory, sorbenty)
e) vlastnosti povrchu (suchá deposice)
• podle střední doby setrvání molekul se rozlišují složky:
– kvazistálé (více než 1000 let) (N2, O2, vzácné plyny)
– variabilní (1-300 let) (CO2, CH4, N2O atd.)
– velmi variabilní (menší než 3 měsíce) (H2O, CO, SO2, nemetanové uhlovodíky, O3
v troposféře aj.)
2.2 VERTIKÁLNÍ ČLENĚNÍ ATMOSFÉRY
• podle změny teploty vzduchu s výškou:
– troposféra – do 17 km (mezi 42º s. a j. š.) až do 11 km; pokles teploty o 0,65ºC na
100 m výšky; 75-90 % hmotnosti; vertikální pohyby – hydrometeory; vzduchové
hmoty – fronty; západní přenos vzduchu; trysková proudění (jet stream)
– tropopauza (mocnost do 1,5 km, inverze – vzestup teploty, izotermie – nemění se,
narušení v oblasti jet streamu)
– stratosféra – do 50-55 km, spodní část – téměř izotermie, od 25 km vzestup teploty
(pohlcování záření O3); nepatrný obsah vodní páry; perleťová oblaka
– stratopauza
– mezosféra – do 80-85 km; pokles teploty na -100ºC; stříbřitá (světélkující) oblaka
– mezopauza
– termosféra – prudký růst teploty (vysoká kinetická energie částic); polární záře
– exosféra – nad 800 km; únik částic do meziplanetárního prostoru; zóny uchvácené
radiace; sahá do 20 až 40 tisíc km
– ionosféra – část atmosféry od svrchní mezosféry, kde dochází k ionizaci vzduchu;
působení korpuskulárního a UV záření – ionty (kladně a záporně nabité částice);
vodivost plynů – zóny D (60-80 km), E (100-120 km), F1 (180-200 km), F2 (300-400
km) – šíření radiových vln
• dělení atmosféry podle interakce aktivního povrchu a atmosféry:
a) planetární mezní vrstva – do 1,5 km; pohyb vzduchu ovlivňován aktivním
povrchem a turbulentním třením; vyjádřen denní chod meteorologických prvků
(přízemní vrstva atmosféry, též Prandtlova – do 50 -100 m)
b) volná atmosféra – od 1,5 km výše; neprojevuje se vliv aktivního povrchu,
turbulentní tření lze zanedbat
2.3 OZON A JEHO ZMĚNY V ATMOSFÉŘE
• ozon – zapáchající plyn vznikající při elektrických výbojích v atmosféře (C. F. Schönbein
– 1840)
2.3.1 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 vzduchu 298 K vrstva O3 o tloušťce
1 mm)
• 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
• vznik a zánik O3 – Chapmanova teorie:
Vznik:
UV-záření o λ < 242 nm – disociace kyslíku: O2 + hν → 2O
reakce atomárního a molekulárního kyslíku: O + O2 + M → O3 + M
Zánik:
disociace O3 zářením s λ < 1200 nm: O3 + hν → O + O2, popř.
reakce O3 s atomárním kyslíkem: O3 + O → O2 + O2
katalytické reakce: 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
2.3.2 Ozonová díra a její příčiny
Stratosférický ozon:
• ozonová díra – drastický úbytek celkového ozonu, pozorovaný v Antarktidě v září-říjnu
v porovnání se situací z konce 70. let 20. století
• halogenované uhlovodíky: lehké uhlovodíky (zejména methan CH4 a ethan C2H6), v nichž
vodík je nahrazen
a) atomy fluoru F a chloru Cl (chlorofluorouhlovodíky – CFC – též freony;
hydrochlorofluorouhlovodíky – HCFC)
b) atomy bromu Br (bromované uhlovodíky, též halony)
– vlastnosti: plyny nebo lehce těkavé kapaliny – nehořlavost, nejedovatost,
chemická netečnost, domnělá ekologická nezávadnost – prudký nárůst produkce
– použití: hnací plyny, chladiva, nadouvadla, čistící a odmašťovací prostředky,
protipožární technika atd.
• mechanismus působení 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 – polární vortex, teploty 190-200 K
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)
Obr. 1 Vznik ozonové díry
Troposférický ozon:
• růst koncentrací o 1-2 % ročně
• přenos O3 ze stratosféry
• oxidace uhlovodíků:
a) oxidace CH4:
CH4 + OH + 5O2 + hν → O3 + CO + H2O + 3HO2
(NOX > 20 ppt, ppt = 1012
, OH – hydroxidový radikál, HO2 – peroxidový radikál)
b) oxidace CO: CO + 2O2 + hν → O3 + CO2
c) oxidace vyšších uhlovodíků (poměr koncentrací NOX auhlovodíků)
2.3.3 Možné důsledky úbytku stratosférického O3
• troposféra:
– ekologický stres (dráždění sliznice, kancerogenita, toxicita, poškozování buněk)
– vyšší koncentrace O3 v troposféře – zesilování skleníkového efektu
• stratosféra:
– pohlcování UV-záření
UV-C λ < 280 nm – ozonem úplně pohlcené
UV-B λ = 280-320 nm
UV-A λ = 320-400 nm
– stabilní teplotní zvrstvení stratosféry
– růst intenzity UV-záření – jeho absorpce základními složkami živé hmoty (DNA),
které poškozuje a vyvolává změny v genetické informaci
– malé dávky UV-záření u člověka – tvorba vitamínu D
– velké dávky UV-záření u člověka – poškození zraku, kůže a imunního systému
– zelené rostliny – růst UV-záření s λ < 300 nm – potlačení fotosyntézy, krátkodobé
ochromení nebo zničení chloroplastů
– změny stability a složení celých ekosystémů
– dopady na mořský fytoplankton – potravní řetězce, globální cyklus uhlíku
2.3.4 Vývoj a budoucnost ozonosféry
• 1974: F. S. Rowland, M. Molina – varování o možném narušení ozonové vrstvy
• 1985: Vídeň – první rámcová dohoda o ochraně ozonové vrstvy
• 1987: montrealský protokol – stanovil konkrétní redukce výroby a spotřeby
halogenovaných uhlovodíků
• 1990: Londýn, 1992: Kodaň – další redukce
• zakázané látky; u látek, kde neexistují jiné alternativy, použití do roku 2040
• s ohledem na dobu životnosti halogenovaných uhlovodíků v troposféře pokračuje úbytek
O3
2.3.5 Vývoj koncentrací ozonu v ČR