Atmosféra a hydrosféra Země Lekce 3 Teplota vzduchu, Voda v atmosféře RNDr. Jiří Jakubínský, Ph.D. | 2. 4. 2019 Teplota vzduchu teplota - střední kinetická energie molekul tělesa - teplotní stupnice Celsiova [°C], bod mrazu 0 °C, bod varu 100 °C - teplotní stupnice Fahrenheitova [°F], bod mrazu 32 °F, bod varu 212 °F denní chod teploty vzduchu - minimum teploty asi 34 hodiny po východu slunce - maximum mezi 13.-16. hod. prům. denní teploty vzduchu dne 20. 4. v Lednici na Moravě, za období let 1961-1990, zdroj: í Litschmann, Svoboda (1999) J n s n n Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Teplota vzduchu geografické rozložení teploty vzduchu - vliv energetické bilance systému AP - atmosféra - obecně pokles teploty od rovníku k pólům - nejnižší teploty v oblastech „pólů zimy (chladu)" • střední Sibiř, severní Kanada, Grónsko, centrum Antarktidy • sibiřský / grónský / antarktický pól zimy • kontinentalita klimatu, vysoké hodnoty albeda • absolutní minima teploty až -80 "C (Antarktida), resp. -70 "C (Sibiř -Ojmjakon) • stanice Vostok, 21. 7. 1983: -89,2 "C - nejvyšší teploty vzduchu • v letním období S polokoule na Sahaře, v Perském zálivu, J USA a Mexiku • v letním období J polokoule v centrálni Austrálii a J Americe (Atacama) • maximálni teploty okolo 50 "C • Údolí smrti, Kalifornie (USA), 10. 7. 1913: 56,7 °C Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Teplota vzduchu nerovnoměrné zahřívání a ochlazování oceánů a pevniny vede ke změně v průběhu izoterm během roku - zimní období: oceány jsou na stejné z. š. teplejší než kontinenty - letní období: větší zahřívání kontinentů vliv mořských proudů na průběh izoterem vliv atmosférické cirkulace vzduchu - nejintenzivnější v lednu nad Asií a S Amerikou - nad západní části kontinentů proniká ve středních šířkách teplý oceánský vzduch - nad východními částmi se formují tlakové výše -> silné ochlazování vlivem dlouhovlnného vyzařování (viz poloha „pólů zimy") vliv nadmořské výšky ie v Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 2 průměrné lednové teploty vzduchu (zdroj: Strahler 2006) Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský průměrné červencové teploty vzduchu (zdroj: Strahler 2006) Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 3 průměrné rozdíly teploty vzduchu mezi lednem a červencem (zdroj: Strahler 2006) Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Teplota vzduchu kontrast teploty mezi městem a venkovskou krajinou • venkov - na vegetačním pokryvu probíhá transpirace (výpar z povrchu rostlin) -> odnímání tepla z povrchu - půdní povrch je vlhčí -> ochlazování při výparu město - srážková voda odváděna mimo zástavbu -> sušší povrch - rychlejší a intenzivnější prohřívání povrchu insolací - stavební materiály pohlcují a uchovávají zářivou energii, v noci ji vyzařují - noční teploty jsou vyšší oproti venkovské krajině - častý odraz záření od vertikálních povrchů ve městě -> větší akumulace energie tepelný ostrov města - vyšší teplota ve městě oproti okolí - zejména v noci (dlouhovlnné vyzařování) a v zimě (úniky odpadního tepla, apod.) - pouštní oblasti - situace může být opačná (závlaha městské vegetace) Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 4 Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 5 Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Změna teploty vzduchu s výškou vertikální teplotní gradient r (0 0,65 °C na 100 m) změna teploty vzduchu s výškou je nelineární (nejvýraznější v blízkosti AP) závislost na denní a roční době, nadmořské výšce a poloze místa planetární mezní vrstva (PMV): - turbulentní výměna tepla (pohyb horizontálním i vertikálním směrem), radiační bilance systému AP - atmosféra střední a vysoká troposféra: - latentní teplo vlivem kondenzace vodní páry (-> oblaka) - ľ = 0,5 °C / 100 m (vlhkoadiabatický gradient) pokles tlaku vzduchu -> nárůst objemu vystupujícího vzduchu -> spotřeba vnitřní energie -> pokles teploty v případě průběhu bez výměny energie s okolím = adiabatický děj změna teploty při vertikálním adiabatickém přemisťování suchého vzduchu = suchoadiabatický teplotní gradient y (0 1 °C na 100 m) Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 6 Změna teploty vzduchu s výškou pseudoadiabatický děj - kondenzace vodní páry a vypadávání srážek sníží obsah vody ve vzduchu -> vliv na změnu teploty podle sucho/vlhko/adiabatického gradientu - nevratný proces při přetékání horských překážek - fén, chinook („snow eater") -2S'C zdroj: Netopil a kol. 1984 hladina kondonľace 5 10 15 20 25 TCO Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 7 Změna teploty vzduchu s výškou kontinentalita klimatu v horských oblastech - vliv expozice svahů vůči převládajícímu proudění - změna teploty s výškou je menší na návětrných svazích - vysoké denní amplitudy teploty vzduchu - Vojejkovův zákon inverze teploty - přízemní inverze • radiační • advekční (jarní / sněhové) - ve volné atmosféře • radiační (obvykle nad horní hranicí oblaků) • subsidenční (inverze „sesedáním") - sestupná proudění v oblastech vysokého tlaku vzduchu, suchoadiabatický nárůst teploty • pasátové - subsidence vzduchu z vyšších vrstev atmosféry v oblasti pasátových větrů Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 8 Změna teploty vzduchu s výškou Teplota půdy teplota povrchu půdy a jejího podloží - denní a roční periodicita energetické bilance AP -> časové změny teploty AP a podloží - teplota AP při radiačním režimu počasí = max. kolem poledne, min. před východem slunce - zatažená obloha = nižší denní amplituda teploty AP - výrazný vliv vegetačního pokryvu a sněhové pokrývky - Fourierovy zákony • perioda výkyvů teploty půdy se s hloubkou nemění • teplotní amplituda se s aritmetickým růstem hloubky geometricky zmenšuje • čas minima a maxima teploty se s hloubkou zpožďuje • hloubky stálé denní a roční teploty jsou ve stejném poměru jako odmocniny period výkyvů 1/V365 « 1/19,1 Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 9 Voda v atmosféře výskyt vody ve všech třech skupenstvích transport vody do atmosféry převážně výparem z AP - evaporace (fyzikální proces) - transpirace (fyziologický proces) - celkový výpar: evapotranspirace - výparnost: měřená veličina za umělých podmínek výpar z AP závisí na vlastnostech povrchu a vlastnostech atmosféry - roste s obsahem vláhy v podloží AP - roste s teplotou AP, sytostním doplňkem vzduchu a rychlostí větru denní a roční chod (s maximy a minimy) zhruba odpovídá chodu teplot AP (za předpokladu dostatečného obsahu vláhy v podloží) přenos vodní páry do atmosféry probíhá turbulentním prouděním a molekulární difúzí Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 10 Voda v atmosféře vlhkost vzduchu - obsah vodní páry ve vzduchu, vyjádřený následujícími charakteristikami: - napětí (tlak) vodní páry-e [mbar] • dílčí tlak vodní páry ve směsi se suchým vzduchem • max. množství vodní páry = nasycený vzduch, jeho napětí páry = napětí nasycení -E - poměrná (relativní) vlhkost vzduchu - r [%] • procentuálně vyjádřený poměr e a £ r = (-) x 100 - sytostní doplněk -d [mbar] d = E — e • rozdíl mezi max. napětím a skutečným napětím vodní páry • vyjadřuje napětí vodní páry, které vzduchu chybí k dosažení stavu nasycení - absolutní vlhkost vzduchu - a [kg.m 3] • hmotnost vodní páry v jednotce objemu vzduchu - specifická vlhkost vzduchu - s [bezrozměrná veličina] • hmotnost vodní páry v jednotce hmotnosti vlhkého vzduchu - rosný bod - r [°C] • teplota, při které by vodní pára nacházející se ve vzduchu tento vzduch nasytila • teplota, na kterou musí klesnout teplota nenasyceného vlhkého vzduchu o napětí páry e, aby se změnilo na napětí nasycení E • při poklesu teploty pod r dochází ke kondenzaci vodní páry -> vznik rosy / mlhy • při relativní vlhkosti nižší než 100 % je r vždy nižší než teplota vzduchu - poměr směsi (směšovací poměr) -1/1/ [bezrozměrná veličina, v praxi g.kg_1] • hmotnost vodní páry připadající na jednotku hmotnosti suchého vzduchu Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře Voda v atmosféře napětí vodní páry e se vyznačuje: - jednoduchým denním chodem (typ mořský / zimní) • při malé intenzitě turbulence, těsně nad povrchem vody či extrémně vlhkým povrchem souše • průběh úzce souvisí s denním chodem teploty AP a výparu • max. okolo 13. hod. (vysoká intenzita výparu), min. okolo 4. hod. (nízký výpar) - dvojitým denním chodem (typ pevninský / letní) • větší nadmořské výšky nad AP • druhotné minimum v odpoledních hodinách (zvýšená turbulence a konvekce) • druhotné maximum večer (pokles intenzity turbulence) 10 12 14 16 13 20 22 W zdroj: Netopil a kol. 1984 Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře kondenzace vodní páry v atmosféře - úbytek obsahu vodní páry s nadmořskou výškou (vzdalování od zdroje) - vliv kondenzace vodní páry - výrazný pokles napětí páry s výškou (99 % obsahu vodní páry je v troposféře) - pokles teploty na rosný bod (stav nasycení) -> kondenzace páry - s dalším výstupem se část páry sráží a na tzv. kondenzačních jádrech (krystaly soli, prachové částice) vznikají mikroskopické (zárodečné) kapky (r = 10~2 um) - hladina kondenzace - desublimace (-> ledové krystalky) - kondenzace či desublimace vodní páry na povrchu kondenzačních jader -> vznik oblačných kapek nebo krystalů (r = 1-102 um) - malá rychlost pádu vlivem výstupných proudů vede k akumulaci oblačných kapek a vzniku oblak - hladina ledových jader (cca -12 °C) - výšková úroveň nad níž jsou oblaka tvořena ledovými krystaly (přechodná vrstva) - při nadměrném růstu oblačných kapek (krystalů) -> vertikální srážky Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 12 roj: Ruda 2014 Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 13 Voda v atn • dělení oblak podle složení: - vodní / smíšená / ledová • dělení oblak podle tvaru: - řasa - Cirrus (Ci) - rasová kupa - Cirrocumulus (Cc) - rasová sloha - Cirostratus (Cs) - vyvýšená kupa - Altocummulus (Ac) - vyvýšená sloha - Altostratus (As) - dešťová sloha - Nimbostratus (Ns) - slohová kupa - Stratocumulus (Sc) - sloha-Stratus (St) - kupa - Cumulus (Cu) - bouřkový oblak - Cumulonimbus (Cl Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře oblaka vysoká -, ***** Cirrocumulus ■' Halo ;" Cirrostratus ť? -7 km- o o~ oblaka střední ego O --==- Altostratus - ^^Altocumulus —2 km- oblaka nízká Cumulus t[ Nimbostratus stratocumulus humilis Stratus _ s/*$£?hf> \'2^> oblaka í(f/ff*^'X s vertikálním ^\\ vývojem ' ) Cumulus~--Lf -^W conqestus fi~~-—*. ~=4v, "Si 2km- zdroj: Netopil a kol. 1984 zemský povrch Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 14 Voda v atmosféře dělení oblak podle průměrné výšky základny: - oblaka vysoká (Ci, Cc, Cs) - základna od 5 do 13 km - oblaka střední (Ac, As) - 2 až 7 km - oblaka nízká (Ns, Sc, St) - od zemského povrchu do cca 2 km - oblaka s vertikálním vývojem (Cu, Cb) - 0,5 až 1,5 km, horní hranice může být až nad tropopauzou dělení oblak podle příčin vzniku: - oblaka z konvekce (Cu, Cb) - oblaka z výstupných klouzavých proudů - oblaka vlnová (Sc, Ac - teplotní inverze ve volné atm. - spodní hranice = rozhraní dvou vrstev atmosféry) - oblaka z vyzařování (St - důsledek dlouhovlnného vyzařování a ochlazování atm. v noci, často souvislá vrstva pod základnou výškové inverze) - zvláštní oblaka (perleťová, stříbřitá, z požárů, sopečná, kondenzační pruhy) Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře optické jevy v atmosféře (fotometeory) - ohyb, lom a odraz světelných paprsků na kapkách vody či ledových krystalech - věnec (koróna) • vznik ohybem světla na částicích oblaků druhu Ac, Cc a Cs, kolem Slunce a Měsíce • světelný kruh (aureola) přiléhající zdroji světla (->namodralé až načervenalé zbarvení) - gloriola • barevné kruhy kolem stínů předmětů na oblacích nebo mlze - halové jevy • vznikají lomem paprsků a odrazem světla při průniku tenkými vrstvami oblaků druhu Ci a Cs • světlé až mírně duhové kruhy o úhlovém poloměru 22° nebo 46° (malé a velké halo nebo tzv. vedlejší Slunce) - duha • rozklad světla při pronikání kapkami deště vlivem nestejného lomu paprsků o různé vlnové délce (duha základní a vedlejší) Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře mlhy - produkty kondenzace vodní páry při zemském povrchu, s dohledností nižší než 1000 m - tvořeny vodními kapkami, přechlazenými kapkami, směsí kapek a ledových krystalů - četnost výskytu a hustota mlhy závisí na počtu kondenzačních jader - mlhy radiační • ochlazením vzduchu od AP vyzařováním • spjaty s radiačními inverzemi teploty • přízemní (vázané na noční inverze) a vysoké (inverze zimní) - mlhy advekční • přemísťováním relativně teplého vzduchu nad studený povrch - mlhy z vypařování • vypařováním relativně teplé vody do studeného vzduchu, ihned po výparu dochází ke kondenzaci (zejm. na podzim a v zimě) • nebo po dešti, kdy se vlhký vzduch střetává s frontální vzduchovou hmotou („frontální mlha") Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský radiační mlha advekční mlha Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 18 Voda v atmosféře Ihy z vypařování Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře atmosférické srážky - dělení dle skupenství, tvaru a velikosti srážek: • déšť (vodní kapky, 0 min. 0,5 mm, max. do 2 mm) • mrholení (malé kapky vody, 0 pod 0,5 mm) • sníh (ledové krystalky hvězdicového tvaru, při t > -5°C se krystaly shlukují do vloček • sněhové krupky (bílá, neprůsvitná, kulovitá ledová zrna, 0 2-5 mm) • sněhová zrna (krupice, malá, bílá, neprůsvitná zrna, 0 pod 1 mm) • zmrzlý déšť (průhledná ledová zrna, 0 pod 5 mm) • námrazové krupky (sněhová zrna obalená vrstvou ledu, 0 kolem 5 mm) • kroupy (kuličky či kousky ledu, 0 5-50 mm, vznikají z námrazových krupek) • sněhové jehličky (jehlicovité, sloupkovité nebo destičkovité krystalky ledu) Voda v atmosféře horizontální srážky: produkty kondenzace vodní páry na relativně studeném zemském povrchu, na předmětech a vegetaci • rosa (vodní kapky různé velikosti) • zmrzlá rosa • jíní (šedý mráz) - ledové krystalky tvaru jehlic, šupin a vějířků bílé barvy, vznikající za podmínek jako rosa, ale pod 0 °C desublimací vodní páry • jinovatka (krystalická námraza) - kypré ledové krystaly jehlicovitého tvaru na stromech, el. vedeních a návětrné straně předmětů při silném mrazu a mlze • ovlhnutí - povlak vodních kapek na svislých plochách na návětrné straně předmětů při proudění teplého a vlhkého vzduchu, který se od předmětů ochlazuje • námraza - trsy vláknitých, bílých, ledových krystalů na návětrné straně předmětů při podmínkách obdobných ovlhnutí, ale pod 0 °C • ledovka - sklovitá, ledová vrstva vznikající zmrznutím přechlazených vodních kapek na předmětech, jejichž teplota je nižší než 0 °C • náledí, zmrazky - ledová vrstva pokrývající zemský povrch, vzniká mrznutím nepřechlazených vodních kapek na zemském povrchu o teplotě nižší než 0 °C Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 20 Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře denní chod srážek typ pevninský • dvě maxima a minima • hlavní maximum po poledni, vedlejší ráno (= denní chod oblačnosti) typ mořský (pobřežní) • jedno maximum - ráno (labilita teplotního zvrstvení vzduchu - teplá prízemní vrstva, vyšší vrstvy ochlazovány vyzařováním -> konvekce) • jedno minimum - po poledni - rozdílný denní chod srážek v horách (vrcholové vs. úpatní polohy) roční chod srážek - rovníkový typ • dvě období dešťů (v době rovnodennosti - max. insolace) - tropický typ • s rostoucí z. š. se přibližují 2 rovníková maxima - splynutí v jedno maximum (léto, cca 4 měsíce) - typ tropických monzunů • obdobný jako tropický typ, ale výraznější ohraničení období dešťů a sucha Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 21 Voda v atmosféře - typ subtropický stredomorský • minimum srážek v létě, maximum na podzim a v zimě - typ mírných šířek pevninský • srážkové maximum v létě (cyklonální činnost), minimum v zimě - typ mírných šířek mořský • mírné maximum v zimě (cyklonální činnost), rovnoměrné rozložení srážek během roku • typicky na západních okrajích kontinentů - monzunový typ mírných šířek • max. v létě, min. v zimě, výraznější amplituda ročního chodu srážek • východní Asie - polární typ • max. v létě (vysoká vlhkost vzduchu), min. v zimě Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský 22 Voda v atmosféře geografické rozložení srážek na Zemi - hlavní faktory: • rozložení oblačnosti -> všeobecná cirkulace atmosféry • vodní obsah oblaků • rozložení oceánů (zdroj vlhkosti) • tvar a rozložení pevnin • charakter reliéfu - orografické zesílení intenzity srážkových úhrnů - srážkový stín - růst srážkových úhrnů na svazích s výškou, do kritické úrovně (souvisí s hladinou kondenzace - níže na okraji kontinentů) rovníkové oblasti - vysoké srážkové úhrny (0 1000-2000 mm /rok) - až 3000 mm v tropické zóně konvergence na pevninách (intenzivní konvekce) a na východních okrajích kontinentů (vlhké mořské pasáty) - srážkově nejbohatší - povodí Amazonky, Guinejský záliv, Indonésie,... Atmosféra a hydrosféra Země | J. Jakubínský Voda v atmosféře monzunové oblasti - oblast Indického oceánu -> monzuny posunují výrazné srážkové úhrny do vyšších šířek (Přední a Zadní Indie, Madagaskar) - na návětrných svazích Himaláje prům. roční úhrny i přes 10 000 mm - Čerápundží (Indie): roční maximum 22 990 mm (rok 1861) subtropické a suché tropické oblasti - výrazný pokles srážkových úhrnů (oblasti vysokého tlaku vzduchu) - roční úhrny obvykle do 250 mm oblasti mírných šířek - vyšší srážkové úhrny (oblačné cyklonální systémy) - maxima na západních okrajích pevnin (500-1 000 mm), minima v centrálních a východních částech (300-500 mm) - výrazný vliv závětří / návětří horských pásem (Skandinávie, Alpy, Skalnaté hory) polární oblasti - nízké srážkové úhrny (max. 200-300 mm / rok) - malý vodní obsah oblaků (Arktida) a oblasti vysokého tlaku vzduchu (Antarktida)