Atmosféra - stratifikace atmosféry - její složení a změny v čase - reakce v atmosféře Záření - elektromagnetické vlnění Ultrafialové záření (UV) - vlnová délka 290 - 380 nm - závisí na vzdálenosti od zemského povrchu - směrem nahoru intenzita stoupá - fotosyntetický i tepelný účinek nevýznamný, fotodestrukční Viditelné záření = vlnová délka 380 - 710 nm, účinky fotosyntetické a tepelné Infračervené záření (IR) = vlnová délka 710 -4 000 nm, význam v tepelné oblasti, suma = přímý vstup do atmosféry se slunečním zářením a tepelným vyzařováním objektů. Dlouhovlnné záření = vlnová délka 4 000 - 100 000 nm, významné především v tepelné oblasti Vertikální členění atmosféry Podle • teploty a hustoty vzduchu • intenzity promíchávání vzduchu • elektrických vlastností atmosféry • molekulární hmotnosti -70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 Temperature (°C) Stratifikace atmosféry Stratosféra = ustává pokles teploty s rostoucí nadmořskou výškou, teplota uvnitř stratosféry se zpočátku s výškou prakticky nemění (izotermie), potom roste až na cca -20°C. ozónosféra - absorbuje UV-složku slunečního záření a tuto vrstvu ohřívá. Tropopauza = chladná vrstva, bariéra proti úniku vody do vyšších hladin atmosféry, kde by docházelo k její fotodisociaci Troposféra = část atmosféry, dosahuje výšek mezi 8 a 17 km v závislosti na zeměpisné šířce a ročním období Exosféra = volně pokračující termosféra směrem od Země, teplota se již příliš nemění, tato vrstva volně přechází v meziplanetární prostor - molekuly a ionty odsud nevratně unikají z atmosféry Termosféra = zpočátku prudce roste teplota 1200 °C díky absorpci silně energetického záření o vlnových délkách <200 nm Mezosféra = mezi 50 až 80 km, ostrý pokles teploty s výškou z důvodu absence sloučenin absorbujících sluneční záření; teplota -80 až -100 °C Sluneční záření energetický zdroj procesů v atmosféře a na zemském povrchu. Energetická bilance plochy: • přímé záření (insolace) • rozptýlené (difúzního) záření • odražené záření (albedo) • tepelné vyzařování místa i atmosféry Chemické složení suché a čisté troposféry: relativní podíly se do výšky cca 100 km téměř nemění s výjimkou vody, ozonu a C02. - směs plynů, vodní kapičky, ledové krystalky a znečišťující příměsi. Plyn Chemická značka % objemu oxid uhličitý C02 0,031 neon Ne 0,001 818 hélium He 0,000 524 metan CH4 0,000 200 krypton Kr 0,000 114 vodík H2 0,000 050 oxid dusný N20 0,000 050 xenon Xe 0,000 009 oxid siřičitý S02 Oaž 0,000 100 ozón o3 0 až 0,000 007 oxid dusičitý N02 0 až 0,000 002 čpavek NH3 stopy oxid uhelnatý CO stopy jód "2 stopy Zdroje chemických sloučenin v atmosféře: PŘÍRODNÍ (~ 90 %) ANTROPOGENNÍ (~ 10 %) Rada složek je přítomna v koncentracích menších než 1 ppm Hlavní polutanty 1) Oxid uhelnatý, oxidy síry a dusíku (koncentrace 0.001 až 0.1 ppm) 2) Aerosolové částice 3) Přízemní ozón Aerosolové částice - pevné nebo kapalné částice rozptýlené v plynu - přírodní - zejména terpeny (biogenní aerosolové částice), půdní a prachové částečky, jemné krystalky mořských solí, saharský písek, částice vulkanického popele, částice organického původu (pylová zrna, spory, výtrusy, bakterie, malá semínka rostlin, rozkladné produkty organických látek v přírodě), produkty vznikající při hoření meteority, kosmický prach proniklý do ovzduší aj. - antropogenní Prašný aerosol • Pevné částice - anorganického či organického původu • Nebyla popsána neúčinná koncentrace • Vstup do organismu a účinek je dán velikostí částic, rychlostí a směrem větru, způsobem dýchání • Adsorpce anorganických (těžké kovy) nebo organických látek (PAU, nitroPAU, mikroorganismy) na povrch částic • Účinek je závislý také na složení částic a jejich rozpustnosti v tělních tekutinách a na jejich biologické aktivitě. • Podle svého složení a složení adsorbovaných látek může mít prach dráždivé, toxické, fibrogenní a alergizující účinky . Aerosol - prachové částice • nad 100 |jm - sedimentují velmi rychle a do dýchacích cest se prakticky nedostanou • mezi 100 a 10 |jm jsou většinou zachyceny v horních cestách dýchacích • menší než 10 |jm pronikají do dolních partií dýchacích cest thorakální částice • menší než 2,5 |jm se dostávají až do plicních alveolu a jsou nazývány respirabilní částice • submikronické(<0,100 |jm) jsou pravděpodobně z velké části opět strhávány vydechovaným vzduchem a dostávají se ven z organismu Oxid uhelnatý - CO •bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, nedráždivý •produkt nedokonalého spalování fosilních paliv i biomasy, v sopečných plynech, výfukové plyny •doba setrvání v atmosféře = 30 až 90 dnů. •jedovatý, váže se na hemoglobin Vznik ■ teplota spalování příliš nízká, nedochází k úplné oxidaci ■ čas hoření je příliš krátký ■ není k dispozici dostatek kyslíku Ozón (03) - silně reaktivní světle modrý plyn - vznik fotolýzou kyslíku při elektrických výbojích - přirozená složka atmosféry v koncentraci cca 3 ppm - Zdroje ozónu v čisté troposféře : průnik ozónu ze stratosféry fotochemická produkce - ochranný štít Země proti tvrdému kosmickému záření - množství 03 ve stratosféře se udává v Dobsonových jednotkách (D.U.) 1 D.U. = síla vrstvy ozónu 105m 100 D.U. = 1 mm. Oxid siřičitý - S02 • bezbarvý, štiplavě páchnoucí, jedovatý plyn • vyskytuje se v v sopečných plynech, vedlejší produkt při spalování hnědého uhlí s obsahem síry a sulfidů. • působí dráždivé zejména na horní cesty dýchací Oxidy dusíku = oxid dusičitý - N02 a oxid dusnatý NO • součástí chemických reakcí vedoucích ke vzniku fotochemického smogu. • největší podíl - automobilová doprava Voda v atmosféře - ve skupenství pevném, kapalném i plynném - soustředěna v troposféře (0,2 do 4 % obj.) - průměrný obsah vody v zemské atmosféře = 1,23.1016 kg, což odpovídá celosvětové srážkové vrstvě 22 mm. - Vodní pára se nad každým místem zemského povrchu obnovuje v průměru 47krát za rok, tedy asi každých 8 dní. co2 bezbarvý plyn bez chuti a zápachu... • tezsi nez vzduch • v pevném skupenství znám jako suchý led -78°C při atmosférickém tlaku Zdroje: • Spalování organické hmoty • Vulkanismus • Produkt dýchání živých organismů • Tepelný rozklad vápence C02 cyklus Zvýšení teploty způsobí • nárůst rychlosti tvorby karbonátů v mořích • vyšší rychlost rozpouštění C02 v mořské vodě - nižší obsah C02 v atmosféře - slabší skleníkový efekt - neutralizuje počáteční oteplování. Snížení teploty způsobí • karbonáty se tvoří pomaleji. • rychlost rozpouštění C02 v oceánech klesá, C02 uvolněné vulkanismem zůstává v atmosféře • nárůst koncentrace C02 posiluje skleníkový efekt a ohřívá planetu. Reakce v atmosféře - většina probíhá v troposféře - fotochemické reakce - reakce oxidační Fotochemické reakce - absorpce světelného kvanta, změna vlastností výchozí látky - způsobuje záření v rozsahu vlnových délek 280-750 nm (nejúčinější do 420 nm) Reakce v atmosféře Kyslík v atmosféře - Účastní se reakcí produkujících energii - spalování fosilních paliv - Využíván aerobními mikroorganismy pro degradaci OH - Spotřebováván při zvetrávaní - do atmosféry se vrací fotosyntézou, předpokládá se, že v atmosféře pochází z fotosyntézy Reakce v atmosféře Jaderné reakce Uran238 - obsažený v mnoha typech hornin - poločas rozpadu je 4,5 miliardy let Radon - poločas rozpadu 3,8 dní. - uniká zemským povrchem přímo do atmosféry (uhelné doly, sklepy ap.) - většina pochází ze svrchní části země (do 2 m), radon vznikající ve větších hloubkách je konvertován na produkty, které nejsou v plynné fázi. - inertní a málo rozpustný - nebezpečnejšou 3 isotopy- polonium, olovo, bismuth Počasí je aktuální stav atmosféry ve výšce od zemského povrchu do 10 až 15 kilometrů nad ním, velmi variabilní. Klima je charakteristický režim počasí v dané oblasti. Obvykle se vyhodnocuje za dobu 30 let. Klimatické změny - změny v zemském klimatu, probíhající po dobu desítek až tisíců roků z pohledu průměrných teplot. Příčiny změn klimatu Přírodní - změny orbitální dráhy Země, sluneční činnost, rozložení pevnin a oceánů, vegetace a sopečná činnosti. Antropogenní - spalování fosilních paliv, výroba cementu a změny ve využití půdy - odlesňovaní (snižuje se množství uhlíku zachyceného ve vegetaci), chov dobytka a pěstování rýže (emise metanu) observations 1850 1900 1950 2000 year © 2005 Pearson Education, Inc., publishing as Addison Wesley Globální oteplování Dochází k postupnému zvyšování průměrné teploty zemské atmosféry od roku 1900 o 1°C. Co nastane: Nárůst obsahu vodní páry v troposféře. - Vodní pára = silný skleníkový plyn =^> nárůst teploty - Vyšší teplota = vyšší výpar =^> růst teploty. Ledovec - rekonstrukci klimatických změn - koncentrace oxidu uhličitého v posledních 400 tis. letech - stabilní Figure 1: Changes in Carbon Dioxide and Temperature in the last 400,000 years -n330 340 £ a. 400 359 300 250 200 150 100 50 0 Thousand of years before present Teplota - modrá Oxid uhličitý - červená Globální oteplování, které plyny za to mohou? • Vodní pára - 36-70% z celkového skleníkového efektu (nezahrnuje vliv oblačnosti) • Oxid uhličitý-9-26%; • Metan - 4-9% • Ozón - 3-7% • Oxidy dusíku Absorpční spektrum - míra, jakou látka pohlcuje světlo různých vlnových délek ukazatel „radiační účinnost" - o kolik více energie ze Slunce se díky jednotlivým plynům zadrží ve srovnání se stavem v roce 1750. vr ■ vr ( vr r i vr r Znečistení ovzduší - chemický, fyzikálni nebo biologický činitel, který mění přírodní vlastnosti zemské atmosféry. - VnějŠíhO OVZdllŠÍ (venkovního ovzduší) = ovzduší, které můžeme dýchat venku - na vnějších prostranstvích, mimo prostory budov - Vnitřního ovzduší = ovzduší, které, nemá přímé spojení s ovzduším venkovním případně je natolik ovlivňováno - vnitřními zdroji, že se významně liší od ovzduší venkovního. Primární zdroje látky všech skupenství, které se dostávají do ovzduší z jednotlivých zdrojů (z komínů či výfuků) Sekundární zdroje reakcemi primárních polutantů mezi sebou nebo s jinými látkami EMISE - proces uvolňování škodlivin do prostředí, forma -plynná, kapalná nebo pevná. 1. komíny (spalovny, elektrárny, průmyslové podniky, lokální topeniště) 2. větrací šachty (městské aglomerace, těžařství,...) 3. výfuková potrubí (osobní a nákladní automobily,...) 4. kapalné odpady (průmysl, městské aglomerace, zemědělství,...) se měří přímo u zdroje znečištění IMISE - škodliviny rozptýlené a pozměněné reakcemi. Imisní limity: ohodnocení biologické aktivity jednotlivých emitovaných škodlivin, se měří v okolí zdroje znečištění Kvalitu vnějšího ovzduší ovlivňují: - meteorologické podmínky, - typ krajiny, - vegetace, - přírodní zdroje, - antropogenní činnost (průmysl, doprava aj.)- Kvalitu vnitřního ovzduší ovlivňují: - stavební materiály - vybavení interiéru - lidská činnost - venkovní ovzduší Syndrom nemoci budov Smog - chemické znečištění atmosféry způsobené lidskou činností. - Obohacení atmosféry o složky, které v ní normálně nejsou a které jsou zdraví škodlivé. Rozlišujeme typ: redukční a oxidační. Smog Redukční (Londýnský): - směs městského a průmyslového kouře s mlhou, vyskytující se v zimních měsících - přízemní inverze - složen převážně z oxidů siřičitého S02 a látek snadno podléhajících oxidaci (produkty spalování uhlí, popílek), které tvoří mlhu zředěné kyseliny sírové Smog Oxidační - fotochemický (Los Angelský) - působení slunečních paprsků na některé složky dopravních exhalací - vlivem slunečního UV záření dochází k rozpadu N02 na radikály N02 —UV—> NO + O následně vzniká ozón 03 O ■ + 02 -> 03 - vysoké koncentrace přízemního ozónu - bezoblačné počasí, sluneční záření (UV), teplota 25-30°C Hodnocení kvality ovzduší Posuzování kvality ovzduší se provádí na úrovni zón a aglomerací. Na území České republiky byly jako zóny definovány všechny kraje. Jako aglomerace byly zvlášť vymezeny Hlavní město Praha, město Brno a Moravskoslezský kraj. Index kvality ovzduší - IKO - slouží k hodnocení stavu ovzduší na základě výsledků měření hmotnostních koncentrací látek v ovzduší - S02, N02, PM10, As, Cd, Pb, benzenu a BaP. Imisní limity pro látky znečišťující ovzduší Znečišťující látka Vyjádřená Imisní limity v (mg.m3) jako IHr IHd Obecný požadavek Prašný aerosol 60 150 500 Koncentrace IHd alhk Oxid siřičitý S02 60 150 500 nesmí být v průběhu Oxid siřičitý a prach S02+ polétavý prach 250* překročena ve více Oxidy dusíku NOx 80 100 200 než 5% případů Oxid uhelnatý CO 5000 10 000 Ozón °3 160 Olovo v prachu Pb 0,5 Kadmium v prachu Cd 0,01 Pachové látky Nesmějí být v koncentracích obtěžujících obyvatelstvo Principy odstraňování kontaminantů z atmosféry 1. Suchá depozice - záchyt chemických sloučenin při styku se zemským povrchem 2. Mokrá depozice - vymývání chemických sloučenin deštěm 3. Chemické reakce - v troposféře nebo v nižších vrstvách stratosféry Mokrá depozice a) Sněhová depozice -sněhové srážky b) Dešťová depozice -dešťové srážky Horizontální depozice - depozice malých vodních kapiček z atmosféry (mlha), kdy nepadají kapalné srážky ani sníh. Odráží povrchové vlastnosti kapek mlh a mraků. Vymývání - Sníh je lepší „vymývač" větších nepolárních organických sloučenin, které jsou jen omezeně rozpustné ve vodě. Proces vymývání (plyn vs. částice) a efektivita úplného vymytí pro takové sloučeniny jsou proměnlivé a závislé na teplotě a charakteristice sněhu. Efektivní teplota je hlavní důvod, proč vymývací koeficienty sněhu jsou často větší než vymývací koeficient deště, zvláště pod -10 °C, a proto představují dominantní depoziční mechanismy pro některé organické kontaminanty v arktickém prostředí. Suchá depozice - jednosměrný transport částic z atmosféry na povrch bez účasti deště, mlhy nebo sněhu, - probíhá nepřetržitě - ukládání ve formě plynu nebo tuhých částic - plynné výměny jsou významné nejen pro těkavé kontaminanty, ale také pro organochlorované látky a specie rtuti. Klíčové faktory: - charakter atmosféry (rychlost větru, relativní vlhkost, turbulence) - povrch částic (tvar) - fyzikální a chemické vlastnosti kontaminantů