NAUKA O ZEMI přednáška č. 8

1. ATMOSFÉRA Elektronické zdroje http://www.ngdc.noaa.gov http://spacezone.wz.cz/ NAUKA O ZEMI přednáška č. 8

2. ATMOSFÉRA Atmosférapředstavuje plynný obal Země a tvoří přechodovou vrstvu mezi jejím povrchem a kosmickým prostorem. Funkce atmosféry: • Ovlivňuje teplotu na zemském povrchu (omezuje pronikání slunečního záření k zemskému povrchu ve dne a omezuje jeho ochlazování vyzařováním v noci). • Chrání především život na Zemi před škodlivými složkami sluneční radiace. • Chrání Zemi před dopadem pevných částic a těles z kosmu, které se ze značné části v zemské atmosféře vlivem tření zahřejí natolik, že shoří.

3. Geneze dnešní ATMOSFÉRY Země na počátku svého vzniku atmosféru neměla. Atmosféra se začala vytvářet až při jejím chladnutí, kdy se uvolňované plyny (především vulkanickou činností) kumulovaly v jejím okolí. Složení původní atmosféry: • CO2, • metan, • čpavek, • sirovodík, • vodními páry. Sluneční paprsky ohřívaly Zemi a vyvolávaly bouře s blesky. Docházelo k rozbíjení molekul primitivní atmosféry, vytvářely se komplexnější formy, které se rozpouštěly v oceánech Země. Následně vzniklé organismy fotosyntézou transformovaly složení atmosféry (zhruba od doby před 1,8.109 let).

4. Skleníkové plyny • V atmosféře obsažené tzv. skleníkové plyny (oxid uhličitý, metan, vodní páry) byly a jsou velmi důležité pro existenci života na Zemi. • Propouští krátkovlnné sluneční záření, které otepluje Zemi a současně brání vyzařování tepelného záření. • Bez účinku skleníkových plynů by teplota Země byla zhruba -180 C. • Nadměrná koncentrace skleníkových plyn však způsobuje stálé větší ohřívání Země. • Hmotnost atmosféry je asi 5,15.1018 kg a je držena u Země její přitažlivou silou.

5. Složení dnešní ATMOSFÉRY Současná atmosféra se do zhruba 80 km nad zemský povrch skládá ze směsi plynů, převážně složených z: • N2 (78,09%), • O2 (20,95%), • argonu (0,93%), • CO2 (0,03 %) • vodních par. Další plyny jsou obsaženy v  malých koncentracích: Ne (1,8.10-3 %), He (5,2.10-4 %), Kr (1.10-4 %), H2 (5.10-5 %), Xe (8.10-6 %), O3 (1.10-6 %), Rn (6.10-18 %).

6. Proč je obloha modrá? • Na molekulách čistého vzduchu dochází k rozptylu především modré části spektra slunečního záření (tzv. Rayleighův rozptyl). • V nižších výškách se vyskytuje obrovské množství miniaturních zrníček prachu, na kterých se rozptyluje světlo větších vlnových délek. Proto pozorujeme např. purpurové západy Slunce, kdy světlo prochází mnohem mocnější vrstvou znečištěného vzduchu.

7. Vrstvy ATMOSFÉRY Atmosféra se skládá z několika koncentrických vrstev. Podle chemického složení lze rozlišit: • homosféru - sahající do výšky 90 ÷ 100 km se stálým složením suchého vzduchu (obsahuje především N2 a O2 dohromady přibližně 99 %). • heterosféru - sahá od 90 ÷ 100 km do 500 ÷ 750 km, složení vzduchu se v ní mění s výškou - je zde větší podíl lehkých plynů, zejména He a H. O2 je ultrafialovým zářením rozkládán na atomární kyslík. Od úrovně 200 km výše převládá již O2 nad N2. • exosféru - tvoří přechod mezi tmosférou a kosmickým „prázdným“ prostorem. Horní hranice je od 960 ÷ 1000 km do 10 000 km. • Ionosféra (od 60 km do 500 km) částečně překrývá homosféru a heterosféru. Obsahuje vysokou koncentraci iontů a volných elektronů, které vznikají účinkem ultrafialové a rentgenové složky slunečního záření. Odráží radiové vlny.

8. Vrstvy ATMOSFÉRY Podle vertikálního profilu teploty atmosféry lze vyčlenit: • troposféru, • stratosféru, • mezosféru, • termosféru. Troposféra sahá do výšky cca 8 ÷ 15 km. Pokles teploty s výškou je přibližně 60C km-1. Obsahuje 99 % vodních par celé atmosféry. Veškeré jevy spojené s počasím vznikají v troposféře, i když turbulentním prouděním se mohou rozšířit až do dolních vrstev stratosféry. Horní hranice kolísá vlivem ročních období a místa (polární oblasti = 8 km; rovníkové oblasti do 18 km).

9. Vrstvy ATMOSFÉRY • Stratosféra sahá zhruba od 10 ÷ 15 km do 50 km výšky nad zemský povrch. Teplota je přibližně 200 ÷ 260 K. Nedochází zde ke  konvekčnímu proudění a stratosféra má tak stabilizující vliv na atmosférické podmínky oblastí. • Nad výškou 19 km je tak nízký tlak atmosféry, že nechráněný pobyt v  ní je pro člověka smrtelně nebezpečný (vaří se krev). • Stratosféra a část mezosféry je označována také jako ozonosféra. • Ozon je regulátor teplotního režimu. Přibližně 90 % ozonu je obsaženého ve stratosféře. • Mezosféra se rozkládá od přibližně 50 km výšky do 80 km. Je charakterizována poklesem teploty na 180 ÷ 190 K na horní hranici. • Koncentrace ozonu i vodních par jsou v této vrstvě atmosféry zanedbatelné. S narůstající vzdáleností od zemského povrchu roste podíl lehkých plynů. Termosféra je od mezosféry oddělena mezopauzou. Horní hranice je ve výšce 450 km. Teplota v termosféře vzrůstá až na 1000 ÷ 1500 K v důsledku absorbce intenzivního slunečního záření molekulami O. Ve výšce 100 ÷ 200 km jsou hlavními složkami atmosféry N a O.

10. Hlavní pohyby v atmosféře Pohyb ATMOSFÉRY Vychýlení vlivem rotace - vznik pasátů Pohyb atmosféry ovlivňuje sluneční záření. Většina slunečního záření dopadá na Zemi v oblasti rovníku, chladnější vzduch se tlačí na místo teplejšího. Pohyb je ovlivněn otáčením Země. Útvary vertikálně cirkulujícího vzduchu se nazývají buňky. V Hadleyových buňkách stoupá teplý vzduch nad rovníkem. Po ochlazení klesá k zemskému povrchu zhruba na 300 severní a jižní zeměpisné šířky. Část klesajícího vzduchu proudí k pólům a vytváří Ferrelovy buňky. V nich se vzduch otáčí opačným směrem než v Hadleyových buňkách. Cirkulace vyvolává na severní polokouli převážně západní, na jižní východní proudění. Další pohyb je způsoben rozdílnou rychlostí ohřívání kontinentů a oceánů -monzunové větry

11. Atmosférická fronta je úzké rozhraní mezi teplými a studenými vzduchovými hmotami. Nejčastěji jsou vymezovány: Teplá fronta - je úzké, ostře ohraničené rozhraní mezi ustupujícím studeným vzduchem a nastupujícím teplým. Rychlost pohybu teplého vzduchu je větší než studeného, teplý vzduch vystupuje pomalu po nakloněné rovině nad studený vzduch, vlhkost se v teplém vzduchu začíná srážet a tak prvními příznaky postupující teplé fronty jsou vysoká chomáčovitá oblaka. Mohutný systém oblačnosti sahá až stovky km před frontální čáru. Mračna postupně klesají, houstnou a obvykle následuje vytrvalý déšť v pásmu šířky 300 ÷ 400 km. Po přechodu teplé fronty déšť postupně přestává, v zimním období sněžení postupně přechází v déšť. Za teplou frontou převládá teplé počasí, otepluje se, a to v zimě výrazněji než v létě.

12. Atmosférická fronta Studená fronta - představuje úzké přechodové pásmo meziustupujícím teplým vzduchem a pronikajícím studenějším. Studený vzduch je rychlejší a podsouvá se pod teplejší masu jako klín. Za frontální čarou studené fronty 1. druhu (pomalu se pohybující) se vyskytují trvalé srážky. Studená fronta 2. druhu (rychle postupující) má srážkové pásmo užší a srážky se vyskytují i před frontální čarou. Průchod studené vlny doprovázejí bouře, změny ve směru větru, pokles teplot a vyjasnění.

13. Atmosférická fronta Okluzní fronta– vzniká tehdy, dostihne-li teplá fronta studenou frontu postupující před ní či naopak. U zemského povrchu se spojí jejich studený vzduch, teplý je vyzdvižen do výšky. Velmi často se v okluzní frontě vyskytuje brázda nízkého tlaku vzduchu. Okluzní fronta bývá nepravidelná, vznikají v ní cyklóny, které představují krouživý pohyb vzduchu.

14. Mraky Mrak– nahromaděné kondenzované vodní páry. Kondenzační jádra mají rozměry řádu 10-5 m a tvoří je např. prachová zrníčka, krystalky soli. Při teplotách kolem -120 C ve výškách v létě 5 ÷ 6 km, v zimě 1 ÷ 2 km dochází k desublimaci vodních par a vzniku ledu. V nízkých mracích, které zůstávají pod hranicí mrazu, se miliony vodních kapiček spojují v dešťové kapky. Spojování je ovlivněno také jejich často opačným elektrickým nábojem. Kapky padají dolů velkou rychlostí, tříští se třením o vzduch na mnoho malých krůpějí. Větší zrna ledových krup se tvoří v arktických oblastech v silných vzestupných vzduchových proudech s rychlostí řádově 100 km.h-1. Vířivé turbulentní proudy je vynášejí nad hranici mrazu, při čemž dochází k nabalování podchlazených vodních kapek.

15. Typy mraků Cirrus– světlé, chomáčové, jako kadeře vlasů, vznikají obvykle ve výškách nad 5 km, svědčí většinou o silném větru ve vyšších partiích a nadcházejícím proměnlivém počasí, jsou tvořeny především z ledových krystalků. Cumulus – kupovité, obvykle osamocené, bílé, husté, vznikající ve středních výškách jako bílí beránci, věští obvykle pěkné počasí.

16. Typy mraků Stratus roztahuje se do šířky, je jednotvárný, šedý bez obrysů, vyskytuje se ve výškách (300 ÷ 2 000) m, může přinést déšť, špatné počasí, bouřky, většinou však spíše mrholení.

17. Předpověď počasí Současná předpověď počasí vychází z měření základních charakteristik atmosféry (teploty, vlhkosti, tlaku, rychlosti větru). • Měření probíhá pomocí sond vynášených balony zhruba do výšek 40 km, vypouštěných dvakrát denně z aerologických stanic. • Přibližně půl hodiny poté jsou k dispozici údaje meteorologům na celém světě. • K naměřeným údajům se přidávají údaje z meteorologických družic, radarových měření apod. • V meteocentrech se na vysoce výkonných počítačích vypočítává budoucí stav atmosféry na 6 ÷ 10 dnů dopředu pro celozemské modely. Výpočet modelu se opakuje po dvanácti hodinách, přičemž se berou v úvahu i předchozí výsledky. • Přesnost předpovědi počasí je především závislá na správné interpretaci a zhodnocení výsledků meteorology.

18. Pojmy v meteorologii Dělí oblastí podle nadmořských výšek: • nižší polohy – do 400 m n.m., • střední polohy – 400÷600 m n.m., • vyšší polohy – 600÷800 m n.m., • horské polohy – nad 800 m n.m. Četnost vyskytujících se jevů je uváděna jako: • bez specifikace - jev, např. sněžení, se očekává na více než 70 % plochy daného území, • na většině území – jev nastane na 50 ÷ 70 % plochy území, • místy – jev se vyskytne na 30 ÷ 49 % plochy území, • ojediněle – jev se vyskytne na 5 ÷ 29 % plochy, • bez jevů – daný jev se vyskytne jen na ploše do 4 % celkové plochy území. Oblačnost se vyjadřuje stupněm pokrytí oblohy oblačností: • jasno - obloha bez oblačnosti, • skoro jasno – 1/8 ÷ 1/4 plochy je pokryta oblačností, • polojasno – pokrytí oblačností z 3/8 ÷ 1/2, • oblačno – pokrytí oblačností z 5/8 ÷ 3/4, • skoro zataženo – pokrytí ze 7/8, • zataženo – pokryta celá plocha oblohy oblačností.

19. ElektrometeoryElektrometeor je viditelný nebo slyšitelný projev atmosférické elektřiny. Blesky - mohou být příčinou přírodních katastrof, především způsobit i obrovské požáry. Představují elektrické výboje, doprovázené vysokou ionizací vzduchu, vysokým zahřátím vzduchu, řádově na 25.1030C.Doprovází je hřmění.

20. Fotometeory - Optické jevysvětelný jev vyvolaný odrazem, lomem, rozptýlením nebo interferencíslunečního nebo měsíčního světla. Polární záře - vzniká důsledkem interakce slunečního větru se zemskou magnetosférou. Dochází k nim po velkých slunečních erupcích. Nabité částice slunečního větru (elektrony) se dostávají ve větší míře do magnetosféry v oblasti geomagnetických pólů, kde je směr geomagnetického pole téměř kolmý k zemskému povrchu. Při srážkách těchto rychlých částic s horními vrstvami atmosféry jsou molekuly a atomy zemské atmosféry vybuzeny, tento vybuzený energetický stav je nestabilní, při návratu na stabilní energetickou úroveň atomy či molekuly vyzařují fotony.

21. Optické jevy • Sluneční halo • Skupina optických jevů vyskytujících se v podobě světelných prstenců, oblouků, sloupů nebo skvrn, které vznikají lomem nebo odrazem světla na ledových krystalech suspendovaných v atmosféře (vysoké průsvitné oblaky - cirry, zmrzlá mlha aj.). • Nejčastějším halovým jevem je malé kolo kolem Slunce, je to prstenec o poloměru 22 stupňů, který má slabě zřetelný červený vnitřní okraj a velmi zřídka fialový vnější okraj. Méně časté a méně jasné bývá velké kolo kolem Slunce, prstenec má poloměr 46 stupňů. • Halové jevy se v plné nádheře u nás vyskytuji velmi zřídka, často se vyskytují pouze zlomky kruhů nebo části ostatních jevů. Existuje i měsíční halo.

22. Optické jevy • Duha • Svazek soustředných barevných oblouků, ve kterém barvy přecházejí spektrem od fialové k červené. Jev je vyvolán dopadem slunečních, zřídka měsíčních, paprsků na clonu vodních kapek v atmosféře (déšť, mrholení, mlha). Pozorovatel musí být mezi zdrojem světla a clonou vodních kapek. • Hlavní duha má vnitřní oblouk fialové barvy a vnější červené. Poloměr vnějšího oblouku je 42°. Je-li Slunce nad obzorem, duha vytvoří prakticky celý půlkruh. Při zvětšování výšky Slunce nad obzorem se duha zmenšuje a snižuje. Při výšce Slunce nad obzorem více než 42° se stává duha neviditelnou. • Čím jsou kapky, které způsobují vznik duhy větší, tím jsou barvy výraznější a duha užší. Duha vznikající na cloně drobných kapek bývá široká a bledá. • Někdy se vyskytují dvě, výjimečně i několik duh současně. Vedlejší duha má obrácené pořadí barev než duha hlavní a je obvykle méně výrazná. • Měsíční duha se vyskytuje mnohem řidčeji, pouze v úplňku a je velmi bledá, téměř bílá.

23. Optické jevy Svrchní a spodní zrcadlení Při velmi intenzivním ohřívání zemského povrchu slunečním zářením může vzniknout situace, kdy v přízemní vrstvě vzniká teplejší vrstva než vrstvy vyšší, a hustota vzduchu tedy s výškou roste. Na spodním okraji řidší vrstvy potom může dojít k totálnímu odrazu a nastat jev tzv. spodního zrcadlení.

24. Katastrofické atmosferické jevy Tromba (smršť), tornádo Vzduchový vír s jinou než horizontální osou a průměrem řádově jednotek, desítek a v našich podmínkách výjimečně stovek metrů. a) malá tromba - tvoří se od země vzhůru v silně přehřátém vzduchu nad zemí a dosahují do výšek několika desítek až stovek metrů. V letních měsících je možno ji zaznamenat i v naších zeměpisných šířkách, projevuje se jako prachový nebo písečný vír. b) velká tromba - tvoří se ve vyšších vrstvách ovzduší, vychází ze základny bouřkového oblaku (kumulonimbu), projevuje oblačným kuželem nálevkovitého tvaru (ve tvaru dlouhého chobotu) a postupuje s tímto oblakem a je často velmi prudká. Bývá doprovázena bouřkou s velmi silnou dešťovou nebo kroupovou přeháňkou. Dojde-li, v průběhu existence tohoto silně rotujícího vzduchového víru (se zhruba vertikální osou), k prokazatelnému kontaktu se zemským povrchem a byl-li vír natolik silný aby způsobil hmotné škody, označujeme jev jako tornádo. Vzduchový vír při svém postupu zvedá nejen prach a písek, ale i těžší předměty, vyvrací stromy, strhává střechy apod.

25. Katastrofické atmosferické jevy