FYZIKA ATMOSFÉRY A KOSMU

1. FYZIKA ATMOSFÉRY A KOSMU MUDr. Petr DOŠEL

2. ATMOSFÉRA • Každá profese v lidském životě je specifická svým pracovním prostředím, v širším slova smyslu to pro letce je právě atmosféra. • Normální funkce lidského organismu jsou úzce spjaty se stupněm chemické a fyzikální normality atmosféry, přičemž s rostoucí výškou se vlastnosti a tím pádem i její biologické působení mění.

3. ATMOSFÉRA • Atmosféra je směsí plynů, v níž jsou dále přítomny vodní kapky, ledové krystaly a různé znečišťující příměsi původu přírodního (prachové částečky a pylová zrna) i antropogenního. • V důsledku intenzivního vertikálního promíchávání vzduchu se jeho složení do nadmořské výšky asi 100 km téměř nemění. • Výjimku tvoří ozón, oxid uhličitý a vodní pára. Vznikající také činností člověka. • A. - složena z plynů o definovaných vlastnostech. • Hmotnost A. - 5,3.1021 g

4. ATMOSFÉRA

5. Složení atmosféry

6. ATMOSFÉRA • Vzdušný obal Země se nad hranicí 100 km začíná postupně měnit a kyslík je zastoupen jen atomárně. • S ohledem na charakter teplotních změn dochází k vertikálnímu rozdělení do 5 základních vrstev, které jsou od sebe odděleny 1 - 2 km silnými přechodovými vrstvami (tzv. pauzami): • Troposféra • Stratosféra • Mesosféra • Termosféra • Exosféra • Přechody závisí na řadě faktorů (vlhkost, teplota atd.) a na geografické lokalitě.

7. ATMOSFÉRA

8. TROPOSFÉRA

9. TROPOSFÉRA • 75 % objemu A. • Max. vzdušné vlhkosti (do 26 000 ft.) • Max. pevných částic A. • Konstantní pokles teploty - 6,5°C/1000 m - 1,98 °C /1000 ft. • nejnižší část atmosféry sahající od zem. povrchu průměrně do výšky 11 km. • Nejsilnější je troposféra v blízkosti rovníku - až 18 km a směrem k zemským pólům její tloušťka postupně klesá k 9 km. • Vyskytují se zde sestupné a vzestupné pohyby různé intenzity umožňující vertikální výměnu tepla a vlhkosti. • S tím je spojena i naprostá většina povětrnostních jevů, protože troposféra je oblastí vzniku mlh, nejdůležitější oblačnosti, bouřkové činnosti a srážek. • Rychlost proudění v troposféře obvykle s  výškou roste a maxima dosahuje v blízkosti tropopauzy

10. STRATOSFÉRA

11. STRATOSFÉRA • Nepřítomnost vzdušné vlhkosti. • Část atmosféry nacházející nad tropopauzou sahající do výšky přibližně 50 km. • Je pro ni charakteristické převážně horizontální proudění • v její spodní části se v průměru do výšek 20 – 25 km teplota nemění (isotermní zákony) • Nad touto výškou roste až k 0°C v blízkosti stratopauzy. • Zvýšení teploty je dáno exotermní reakcí při ionizaci kyslíku (*ozónu) a dále přítomností ozonu, který pohlcuje ultrafialové sluneční záření a silně se zahřívá. • Rychlost větru ve stratosféře s výškou nejprve klesá, od 25 km výše opět roste.

12. MESOSFÉRA

13. MESOSFÉRA • část atmosféry nacházející se v rozmezí 50 – 85 km. • Detailní průzkum této vrstvy je poměrně složitý, jelikož leží příliš vysoko nad oblastmi, kde létají letadla a příliš nízko pro oběžné dráhy kosmických družic. • To je důvod, proč některé procesy nejsou zcela objasněny. Vzhledem k nízké hustotě částic schopných absorbovat UV záření teplota postupně klesá až k – 90 až - 113°C. • Ionosféra: 70 - 500 km: koncentrace volných elektronů - odraz radiových vln na Zem a do kosmického prostoru.

14. TERMOSFÉRA • spodní hrance je 80 km a horní hranice leží mezi 600 – 700 km. • S přibývající vzdáleností od zemského povrchu teplota díky slunečnímu záření stoupá až k 1 400°C. • Teplota - významně závisí na sluneční aktivitě: • den: 1500 - 2000 st. C (190 km) • noc: 350 - 600 st. C • Uvedená teplota je však jen výrazem kinetické energie částic a vzhledem nízké hustotě A. nemá biologický význam. • Biologicky percipovatelná teplota je okolo -150 st.C. • Charakt. je dobrá vodivost - velké množství nabitých částic. • Výška 100 km - Von Karmanova linie – přechod mezi zemskou atmosférou a kosmickým prostorem • Hraniční hustota A. umožňující generovat aerodynamický vztlak křídla.

15. EXOSFÉRA

16. EXOSFÉRA • Vnější plynný obal Země volně přecházející do hlubokého kosmického prostoru • Nejasně ohraničitelná – nad 700 km • Velmi nízká hustota částic - dlouhé volné dráhy - balistické. • Aerodynamická hranice kosmického prostoru: 200 km

18. HUSTOTA A TLAK • H.:koncentrace částic v objemové jednotce • T:síla působící kolmo na jednotkový povrch • H a T jsou ovlivněny dvěma protichůdnými faktory: • Slunečním zářením: expanze plynů do vyšších vrstev A. případně do kosm. prostoru. • Gravitační síla: retrakce plynů k povrchu • Oba faktory dynamicky ovlivňují jak hustotu tak tlak A. • H a T progresivně klesají s narůstající výškou • Protože vzduch je stlačitelný je tato závislost přibližně exponenciální.

19. HUSTOTA A TLAK • Odchylky od přesné exp. závislosti - roli hraje i teplota A. • Tlak: • 0 ft. 760 torr • 18 000 ft.(5,5km) 380 torr • 33 700 ft. (10,2km) 190 torr • 100 000 ft.(30,5 km) 7,60 torr • Nad 600 km je retrakční síla zemské gravitace tak nízká, že umožňuje lehkým částicím emisi do exosféry (volného kosmického prostoru)

20. Změny atmosférického tlaku v závislosti na výšce

21. TEPLOTA • Průběh teploty s výškou kolísá - obr. • Zdroje: • Zem. jádro • Sluneční záření • Přenos: • část energie je odražena do kosm. prostoru zpět • část je absorbována v horních vrstvách A. • většina IČ záření dosáhne Z. povrchu • Zahřátý zemský povrch ohřívá vzduch v dolních vrstvách A. částečně kondukcí a hlavně radiací s frekvenčním posunem. • Tato radiace je pohlcována CO2 a vodními parami v dolních vrstvách A a zpětně vyzařuje IČ záření k povrchu. • Toto záření je zčásti znovu vyzařováno a posléze pohlcováno v horních vrstvách A. • Proto se Zemský povrch zahřívá více než by odpovídal jen součtu tepelné energie slunečního záření. • Zahřívání Z. povrchu vytváří konvekční proudění v dolní části atmosféry a to hraje klíčovou roli v tvorbě počasí a klimatu.

22. TEPLOTA • Teplota v nízkých vrstvách A. je ovlivněna především radiací IČ záření Z. povrchu a klesá progresivně – gradient 0,65o C/100 m • Při inverzi je to důvod proč nedochází k disperzi mlhy nad zemí • Pokles teploty se zastavuje na 60 000 ft nad rovníkem a 42 000 ft nad póly v důsledku absorbce tepla ozonosférou. • Teplotní inverze inhibuje konvekci a tím izoluje veškeré meteorologické jevy souvisící s počasím do dolních vrstev A. • Zvyšování teploty však nemá význam – nízká hustota A. – nedostatek částic absorbujících energ. Sluneč. záření

23. Teplota v závislosti na výšce

24. Závislost Teploty a Tlaku na výšce

25. TEPLOTA • Vysoké vrstvy A.: nízká hustota a intenzivní UV záření, většina plynů v atomárním stavu, relativně vysoká koncentrace volných elektronů. • Ionosféra (60 – 80 km) je ovlivňována 11 letým slunečním cyklem. • Elektrony ionosféry odráží dlouhé vlny elektromagnetického záření zpět k zemi a tím umožňuje radiokomunikaci. • Současně odráží obdobné záření zpět do kosmu. • Vysokofrekvenční záření prochází oběma směry.

26. Elektromagnetické záření

27. Elektromagnetické záření • Záření v rozsahu 0,6 nm - 100 m • Pásma: rádiové vlny, mikrovlnné záření, IČ, viditelné světlo, UV, RTG, gama záření • Sluneční konstanta - 0,13J/cm2/1s ve vysokých vrstvách A. • Absorpce na částicích A. - změna kinetické energie na jiné druhy (tepel., el., chem.) – proto je na Z povrchu sluneční konstanta asi poloviční • Ve výškách 20 km a výše – UV záření (210 – 300 nm) fotodisociace molekul plynů - rozpad molekul na atomy • Mezosféra – 75 km - UV záření pod 100 nm – fotoionizace – z molekul a atomů jsou vyráženy elektrony – zbytek kladný el.náboj - ionizace • viditelné světlo – není zachycováno plyny, ale absorpce vodními parami a prachem - rozptyl světla - modré zbarvení oblohy • IČ - CO2 a vodní páry - skleníkový efekt

28. Ionizující záření

29. Ionizující záření - korpuskulární • Povrch země bombardován subatomárními částicemi s vysokou energií (rychlost se může blížit až rychlosti světla): protony (97%), alfa částice (jádra He, 20%) a jádra těžkých atomů (1%) • Zdroj: • Slunce - solární záření • Hvězdy - galaktické záření • Částice ve vysokých vrstvách A.(60 - 120 000 ft.) kolidují s atomy – ztráta energie (o 3 až 6 řádů) - vznik sekundárního záření: dosahuje zemského povrchu: protony, elektrony, neutrony, mezony a ά částice • Sekundární záření má nižší energii - ale vyvolává ionizaci

30. Ionizující záření - korpuskulární • Při pronikání sekundárního záření do nižších vrstev A. narůstá absorpce a ionizační kapacita záření progresivně klesá. • Zemského povrchu dosáhne jen malý zlomek částic. • Zem. Povrch - ionizační efekt: 1/70 oproti výšce 70 000 ft.

31. Ionizující záření

32. Ionizující záření - korpuskulární • Dávky ionizačního záření absorbované posádkou letounů opakované studie potvrzující, že létání je bezpečné. • 20 let provozu Concordu – posádka je vystavena 2x vyšší dávku než u konvenčního letounu ale dávka nepřesáhla 6 mSv (milisievert)/rok – norma pro pracovníky pracovišť s ioniz. Zářením – 20 mSv/rok • Problém s kumulací dávek ioniz záření při velmi dlouhých vesmírných letech a speciálně přiextravehikulárních aktivitách – konstrukce stínění – vývoj.

33. Složení atmosféry • Plyn % • Dusík 78,09 • Kyslík 20,95 • Argon 0,93 • CO2 0,03 • Neon 1,82x 10-3 • Helium 5,24x 10-4 • Krypton 1,14x 10-4 • Vodík 5,00x 10-5

34. Složení atmosféry • Složení A. je konstantní v rozmezí výšek 0 až 300 000 ft. • Složení se může měnit vlivem různých faktorů: lidská činnost (skleníkové plyny, výfuk. plyny apod.), přírodní fenomény (vulkanická činnost apod.) – CO2, CO, metan

35. Složení atmosféry • Kyslík – oxidačně-redukční děje • Koncentrace - 20,95% • Parciální tlak – kopíruje atm tlak

36. Ozón

37. Ozón • Tříatomární forma kyslíku O3 • V signifikant. Koncentraci 40 000- 120 000 ft. - ozonosféra • vzniká ionizací molekul O2 UV zářením (200nm) - dělení molekuly na volné atomy a další reakcí volných atomů vzniká: O3. • Množství ozónu závisí: na množství molekul O2 a intenzitě UV záření. • modrý, nestabilní, toxický plyn, silný oxidant • Akutní expozice koncentraci 0,6 – 0,8 ppmv po dobu 2 hod – snižuje vitální kapacitu – snížením difuzní kapacity • 1 ppmv – intenzivní plicní dráždění, kašel • 10 ppmv – fatální otok plic • Expozice ozónu zhoršuje noční vidění a vede ke chromosomálním aberacím • O3 je termonestabilní – spolehlivě chrání kompresor motorů – klimatizace (pozor na začátek sestupu – stažení plynu – ochlazení) jinak bez rizika.

38. Oxid uhličitý

39. Oxid uhličitý • Koncentrace - 0,04%, průmysl oblasti 0,05% • pCO2 – střední hodnota 0,3 torr • V atmosféře – úprava teplotního režimu planety • V org. – respirace a vnitřní prostředí

40. Dusík • Metabolicky indiferentní • Hlavní podíl na vytváření atmosférického tlaku • pN2 – 593 torr • Patogeneze dysbarismů

41. Vodní páry

42. Vodní páry • Množství se mění v závislosti na: • charakteru krajiny • ročním období • teplotě • Absolutní vlhkost: • rovník: 20 g/m3 • střední šířky (léto): 5-7 g/m3 • střední šířky (zima): 1 g/m3 • Množství vodních par s výškou rychle klesá: • výška 1, - 2 km: 50% • výška 5 km: 10% • V oblasti tvorby mraků: 100%

43. Standardní atmosféra

44. Standardní atmosféra • ICAO standard je užíván od 1964 a reprezentuje reálnou atmosféru na 45 st. zemské severní délky. • Vlastnosti: • vzduch je suchý, stabilního složení • atm. Tlak na hladině moře je 760 torr, • hustota vzduchu na hladině moře je 1,225 kg/m3 • relativní molekulární hmotnost je 28,96 • gravitační zrychlení na hl. moře je 9,806 m/s a je konstantní • teplota na hl. moře je 15 st.C • teplotní gradient je 0,65 st.C/100 m do výšky 11km

45. Zákonitosti plynů • Boyle-Mariottův z.: součin tlaku a objemu daného hmotnostního množství plynu je za dané teploty konstantní: p.V=konst. • Henryho z.: Hmotnost rozpuštěného plynu v jednotkovém objemu kapaliny je přímo úměrná parciálnímu tlaku plynu nad kapalinou. • Gay-Lussacův z: Všechny plyny se rozpínají stejně. • Charlesův zákon: objem daného množství plynu při konstantním tlaku je přímo úměrný jeho absolutní teplotě • Daltonův zákon: tlak směsi plynů se rovná součtu parciálních tlaků, které by byly uplatněny každou složkou, kdyby tato zaujímala prostor naplněný směsí plynů

46. Zákonitosti plynů • Zákon difuse plynů - Grahamův • difuse je úměrná rozdílu mezi tlaky plynu na obou místech a nepřímo úměrná druhé odmocnině jeho mol. váhy. • Je úměrná též rozpustnosti plynu v tekutině a je tím rychlejší čím více plynu se v tekutině rozpouští • Fickův zákon • množství difundovaného plynu je úměrné velikosti plochy tkáně, přes kterou plyn prochází a rozdílu mezi parc. tlaky na obou stranách tkáně a nepřímo úměrné tloušťce tkáně.

47. DĚKUJI ZA POZORNOST

48. Tlak • Absolutní tlak = lokální atmosférický tlak + tlak odchylka (přetlak x podtlak) • Kabinový diferenciální tlak = vnitřní kabinový tlak (abs.) - atmosférický tlak (abs.) • Kabinový absolutní tlak = kabinový diferenciální tlak + atmosférický tlak (abs.)

49. Teplota • Teplota A kolísá v závislosti na výšce viz. Obr. • V každé dané výšce je teplota ovlivněna řadou faktorů (geografické umístění, charakter krajiny, přítomnost vodních ploch apod). • Země a její A je ohřívána sluneční energií. Tento proces se odehrává několika různými mechanismy. • Část solární energie je odrážena vnějšími vrstvami A. zpět do exosféry. • Část je absorbována vnitřními vrstvami A. • Infračervené záření proniká A a dosahuje zemský povrch. • Teplý zemský povrch ohřívá spodní vrstvy A zčásti kondukcí, ale zejména radiací. • Tepelná radiace je pohlcována CO2 a vodními parami zejména dolních vrstev A. • Tyto částice pak sekundárně vyzařují teplo • zpět k povrchu země • částečně do vyšších vrstev A. • Tím dochází na povrchu země k vyšší kumulaci tepelné energie než při pouhém přímém účinku Slunečního záření - skleníkový efekt • Zahřívání povrchu Země hraje klíčovou roli pro cirkulaci A. a klimatické jevy (pevnina, moře, míra vegetace apod.)