Klimatologie a hydrogeografie
(Ml
Lekce 7
Pod povrchové vody, Hydrologie jezer a bažin, Základy oceánografie, Interakce oceán - atmosféra
RNDr. Jiří Jakubínský, Ph.D. | 11. 12. 2017
Podpovrchové vody
hydrologie podpovrchových vod
- voda pod zemským povrchem jako součást oběhu vody v krajině
- vztahy mezi vodou a horninovým prostředím -> příznačné fyzikální a chemické vlastnosti vody
základní řešené otázky:
- zdroje vzniku a doplňování zásob podzemních vod (PZV)
- pohyb PZV v horninovém prostředí určitých vlastností
- režim a bilance zásob PZV
- horizontální a vertikální rozmístění PZV
- fyzikální a chemické vlastnosti a výskyt organismů
- metody zjišťování zásob PZV a jejich jímání
- ochrana zdrojů PZV
1
Podpovrchové vody
zdroje vzniku a doplňování PZV
- juvenilní voda
• magmatického původu
• zemská kůra: molekuly vodíku a kyslíku -> vodní pára
• v chladnějších vrstvách přechod do kapalného stavu
• slučování s povrchovou vodou
• aktivní sopečná činnost, vody horkých pramenů a gejzírů
• malá část PZV
- vadózní (mělká) voda
• stálá složka oběhu vody
• kondenzační voda x infiltrační voda
• fosilní PZV
druhy vody v horninách
- výskyt PZV ve volných prostorech v horninách
- sopečné horniny, zvětraliny a půdy: průliny
- pevné horniny: pukliny (trhliny, praskliny)
- pásmo provzdušnění -> půdní vláha _^
Podpovrchové vody
- PŮDNÍ VLÁHA
- pásmo nasycení -> podzemní voda
• vodní pára - vypařování kapalné vody J| v horninách, kondenzace
• adsorpční (adhezní) voda - blanky na M povrchu zrn a puklin, poutané adsorpčními silami, vznik z vodní páry i z infiltrující a filtrující vody
zdroj: Netopil, 1984
Podpovrchové vody
• kapilární voda
- v pórech menších než 1 mm a puklinách menších než 0,25 mm
- na povrch poutána kapilární silou
- trvalý výskyt v jemnozrnných sypkých horninách nad hladinou PZV -> vznik pásma kapilárního zdvihu
- vertikální pohyby spolu s hladinou PZV
- vznik možný i ve svrchní vrstvě půdy (při vsaku srážek)
- „zavěšená voda"
• vsakující voda
- pronikání z povrchu do půdy a dále prasklinami, trhlinami a volnými prostory
- vliv gravitační síly
- část se zadržuje na povrchu hornin jako kapilární a adsorpční voda
- hloubka závislá na množství srážek, druhu povrchu i spotřebě na jiné druhy půdní vody
• půdní led
Podpovrchové vody
PODZEMNÍ VODA
- výskyt vázán na horniny se schopností vodu pojmout a předávat (štěrky, štěrkopísky, pískovce, slepence, sopečné tufy, porézní lávy ...)
- nutný obsah pórů a puklin větších než kapilárních
- pohyb důsledkem gravitační síly
- s vyšším hydrostatickým tlakem může proudit i póry a kapilárními puklinami
- výskyt PZV až do hloubky 6,5 km v rámci podzemní hydrosféry
- 3 pásma z hlediska výměny s vodou povrchové hydrosféry:
• pásmo svrchní (sladká, slabě mineralizovaná voda)
• střední pásmo (zpomalená výměna vody, silnější mineralizace, vyšší teplota, zvýšený obsah síranů - sirnaté vody [smrďávky], hořké vody [šaratice])
• spodní pásmo (velmi silná mineralizace, často slané vody, vysoký obsah chloridů)
Podpovrchové vody
obtížná identifikace polohy hranic pásem -> mělké a hluboké zvodné podle pohybu vody rozlišujeme průlinovou a puklinovou vodu PRŮLINOVÁ VODA
- přemisťuje se filtrací či filtračním prouděním
- čištění a mineralizace
- prům. rychlost jen cm - dm/den (v hrubozrnných píscích max. metry/den)
- výškový rozsah určen polohou nepropustného podloží a polohou hladiny vody (nebo polohou nadložní nepropustné vrstvy) - mocnost zvodně
- volná x napjatá hladina podzemní vody
- otvor ve vrchní nepropustné vrstvě -> výstupná (piezometrická) výška
- negativní / pozitivní výstupná výška
- výškový rozdíl mezi napjatou hladinou a výstupnou výškou = velikost hydrostatického tlaku
- absolutní výšková poloha volné hladiny zvodně - hydroizohypsy / napjaté hladiny - hydroizopiezy
Podpovrchové vody
artéská voda
- průlinová podzemní voda s napjatou hladinou
- tlak narušuje artéský strop
- artéská pánev - mísovitě prohnuté vrstvy sedimentárních hornin rozdílné propustnosti (pískovce, jíly,...)
- napájení artéských zvodní v oblasti výstupu propustných vrstev na povrch
- oblast přetlaku
- Velká australská pánev
I pmpuMnl www itoWfWí
I nrpropmmi mfv.i {uoUtor) jrtWcý pramm
ptatnen op<toodnu(W volnou nod>n - hbcfcu wolnŕ vocjy
NEW
SOUTH
»_ D»«lonolRo»
Podpovrchové vody
PUKLINOVÁ VODA
- pohyb vlivem gravitace
- krátká doba setrvání v horninovém prostředí -> slabá mineralizace a nedostatečná filtrace vody
- výrazná roční amplituda teploty vody (zejm. při povrchu)
- krasové vody (systém závrtů, ponorů, vyvěraček, ...)
- „hladové prameny" - periodické krasové vody
Podpovrchové vody
PRAMENY
- přirozený výtok vody na zemský povrch
- vydatnost pramene [l.s-1]
- zjevný x utajený
- soustředěný x rozptýlený
- prameny stálé, občasné (periodické), epizodické
- prameny sestupné x výstupné
- druhy pramenu dle vlastností horninového prostředí
• vrstevnaté prameny
• puklinové prameny
• vzduté prameny
• suťové prameny
zdroj: Kettner, 1948
zvodné
Podpovrchové vody
prameny dle teploty vody:
- studené (prům. teplota nepřesahuje prům. teplotu vzduchu v lokalitě)
- teplé (termy, t > 20 °C)
• vlažné (hypotermy, t < 37 °C)
• teplé (termální, t < 50 °C)
• vřídla (termy, t > 50 °C) prameny dle obsahu minerálních látek
- prosté
- minerální (více než 1 g rozpuštěných látek na 11 vody) prameny dle charakteru obsažených minerálních látek
- kyselky (C02, Lázně Kyselka)
- alkalické prameny (uhličitan sodný, Bílina)
- železité prameny (uhličitan železnatý, Kynžvart, Toušeň)
- slanice (min. 15 %o NaCI, Luhačovice)
- hořké prameny (síran horečnatý, Šaratice, Zaječice u Mostu v Čechách)
- sirné (sirovodíkové) prameny (sirovodík, Ostrožská Nová Ves)
6
Hydrologie jezer a bažin
jezero - uzavřená, přirozená deprese zemského povrchu, vyplněná vodou
tvořeno horninovým prostředím, flórou a faunou na dně i vznášející se ve vodě
členění jezer podle hydrologických, morfometrických, morfografických, fyzikálních, chemických a biologických kritérií dělení dle charakteru přítoku a odtoku vody
- bezodtoká
- odtoková (otevřená)
- průtočná
- konečná reliktní jezera
dělení dle původu jezerní pánve
- hrazená
- kotlinová (např. tektonická, ledovcová, krasová, vulkanická, alasy)
- údolní
- smíšeného původu
Hydrologie jezer a bažin
dělení jezer dle geologických a geomorfologických podmínek, které formovaly jezerní pánev
- jezera tektonického původu
• riftové zóny
• časté kryptodeprese
• Bajkal, Tanganika, Malawi, Ukerewe, Titicaca ...
- jezera vulkanického původu
• kalderová (hrazená lávovými proudy, Crater Lake [Oregon, USA], Pinatubo [Filipíny], Albano [Itálie], Nikaragua,...)
• maary (explozivní krátery, Porýní, Kanárské ostrovy,...)
- ledovcová jezera
• nepravidelný půdorys i reliéf dna
• často bezodtoká
• zdroj vody: srážky, PZV
• zanikání říční sedimentací u průtočných jezer
• horské ledovce -> jezera v oblasti ablace a ukládání morén (hrazená jezera) a v oblasti vyživování ledovců (karová jezera)
• Ženevské, Bodamské, Gardské jezero,...
Hydrologie jezer a bažin
jezera říčního původu (údolní)
— výsledek erozní a akumulační činnosti vodního toku
— mělká a rozlehlá jezera
— mrtvá říční ramena, zaškrcené meandry
— zásobována vodou za povodní
— zarůstání vegetací -> bažiny
— typicky v deltách velkých toků - Dunaj, Volha, Mississippi,... pobřežní jezera mořského původu
— v oblasti limanů
— postupné „vyslazování"
— zarůstání vegetací -> bažiny, poldry, marše jezerní pánve eolického původu
— vyváté terénní deprese v pustinných oblastech
— nesoudržné zvětraliny a usazeniny
— velmi mělké a rozlehlé pánve zaplavované periodicky či epizodicky vodou
— časté solné kůry, slané bažiny, šoty
Hydrologie jezer a bažin
krasová jezera
- karbonátové horniny
- jezera trvalá, občasná, dočasná
- v poljích
- malá krasová jezera i v podzemních prostorách (zahrazení dna jeskyň zřícenými stropy, za sifony, sintrovými hrázemi, apod.)
- napájena převážně krasovou podzemní vodou - specifický termický a chemický režim
8
Hydrologie jezer a bažin
Hydrologie jezer a bažin
bažiny
- části zemského povrchu s trvale nebo po delší dobu roku zamokrenou i mělce zaplavenou půdou, porostlou vlhkomilnými a vodomilnými rostlinami
- často vzniklé zarůstáním jezerních pánví nebo zvýšením hladiny PZV
- dělení dle vegetačního krytu:
• bažiny ekvatoriálních šířek s porosty deštných lesů, trav i vodních rostlin, na pobřeží moří s mangrovovými porosty
• bažiny vlhkých tropů a subtropů s porosty rákosů, trav i vysokých dřevin (bahenní cypřiše, blahovičníky)
• bažiny suchých tropů  a  subtropů  s nahromaděnou  solí a slanomilnou vegetací (playas)
• bažiny mírných šířek - slatiny, slatinná rašeliniště a vrchoviště, na pobřeží moří marše
10
Hydrologie jezer a bažin
- vznik zanášením či zarůstáním jezer, mrtvých říčních ramen a zaplavovaných údolí řek v nejnižších polohách
- akumulace minerálních látek
- typické pásmovité uspořádání vegetace a půd
- po okrajích kyselé prostředí vlhkých půd (glejí) - možný vznik rašelinišť slatinné rašeliniště
- terénní deprese na dnech říčních údolí nebo kotlin v rovinatém terénu
- nedokonalý odtok vody, vysoká hladina PZV (hlavní zdroj vody)
- minimální mineralizace (srážky, PZV) -> rozvoj rašeliníku
- v ČR název „blata" (jižní Čechy) vrchoviště (vrchovištní rašeliniště)
- terénní deprese ve vyšších polohách, napájená zejm. dešťovou vodou
- typický vypouklý tvar
- rašeliník, suchopýr, borovice blatka, kleč, ...
11
Umělé vodní plochy
rybník
- uměle vytvořené vodohospodářské dílo, v ČR cca 21 000
- chov ryb, vodní drůbeže
- rybniční soustavy
- zdroj vody:
• srážková voda dopadající do jejich povodí („nebeský rybník")
• podzemní voda (pramenný rybník)
• vodní tok
- průtočné / obtočné rybníky
• napájené říční vodou přívodními kanály (Zlatá stoka)
- Rožmberk (489 ha), Máchovo jezero (max. hloubka 12 m), Staňkovský rybník (objem 6,6 mil. m3)
přehrada
- funkce energetická, protipovodňová, zásobovací, dopravní, rekreační, produkční (chov ryb)
- Lipno I (4909,8 ha), Dalešice (85,5 m), Orlík (716,5 m3)
Základy oceánografie
fyzická oceánografie (fyzikální vlastnosti mořské vody a interakci oceán - atmosféra)
chemická oceánografie
biologická oceánografie
mořská geologie a geofyzika
aplikovaná oceánografie
zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005
12
Základy oceánografie
členění světového oceánu
— oceány
— moře (okrajová / vnitřní + „středozemní moře")
— zálivy a zátoky (malé části oceánu či moře vnikající do pevniny, někdy však charakter okrajových moří!)
— průlivy
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI MOŘSKÉ VODY
— teplota vody
• zdroj energie: pohlcování slunečního záření, konvektivní přenos tepla pod hladinou, kondenzace vodní páry na hladině
• ochlazování vlivem vyzařování z hladiny, konvektivním přenosem tepla a výparem
• horizontální (z nižších do vyšších z. š.) i vertikální přenos tepla (konvekční proudění a tubulence)
• termohalinní konvekce - změna hustoty vody podmíněná teplotou a salinitou
• prům. teplota svrchní vrstvy mořské vody = 17,4 °C (min. -1,9 °C; max. +30 °C)
13
Základy oceánografie
teplota hlubinných vod
- tropický - mírný pás: výrazný pokles s hloubkou (skočná vrstva termoklina)
- v hloubce 2 km průměrná teplota cca 2-4 °C
- polární moře: od hloubky několika desítek metrů do cca 300-500 m nárůst teploty z -1,9 °C na 0 °C, homogenní studená vrstva až ke dnu
srpen
křivka pro vysoké zeměpisné šířky
1000
E
m 2000
zvyšující se teplota (°C) —»■
12   16   20 24
unor
3000
4000
křivka pro nízké zeměpisné šířky
termoklina
zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005
Základy oceánografie
hustota mořské vody
- závislost na teplotě, salinitě a tlaku
- při salinitě 35 %o, teplotě 0 °C je hustota 1,028
- při teplotě 20 °C je hustota 1,024
- nárůst hustoty s rostoucí salinitou a klesající teplotou (platí jen při nízké salinitě - cca do 10 %o) - max. hustota při 4 °C
- nárůst hustoty s rostoucím tlakem
- nárůst hustoty od tropických šířek po polární oblasti
- pyknoklina
zvyšující se hustota (g/cm3)— 1,025 1,026 1,027 1,028
0 ľ
zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005
Základy oceánografie
barva mořské vody
- závislost na množství biogenní a minerální suspenze - vliv na intenzitu pohlcování paprsků světelného spektra
- velké množství minerální suspenze (jíl, silt) - žlutavá až hnědavá barva
- velké množství planktónu - zelená barva
- menší množství planktónu - modrá barva
- nejchudší oblasti z hlediska obsahu planktónu (mořské pouště), nejčastěji 40° s.š.-40° j.š. - kobaltově modrá barva (např. Sargasové moře)
- vnitřní a okrajová moře mírného pásu + studená polární moře - zelená až zelenohnědá barva
- názvy moří podle specifického zabarvení
• Žluté moře, Bílé moře, Rudé moře, ...
- průhlednost mořské vody měřena Secchiho deskou
15
Základy oceánografie
•   CHEMICKÉ SLOŽENÍ MOŘSKÉ VODY
- nejvýrazněji složení a vlastnosti mořské vody ovlivňují soli (0 3,5 %)
- salinita [%, %o] - celkové množství pevných látek a plynů, rozpuštěných v 1 litru mořské vody
- nejvíce zastoupené soli: chlorid sodný, chlorid horečnatý, síran horečnatý, síran vápenatý, síran draselný, uhličitan vápenatý
- prům. salinita mořské vody = 35 %o
- max. v tropických šířkách (37 %o), min. v polárních oblastech (35-33
%o)
- Rudé moře (42 %o), Baltské moře (4-6 %o)
- v okrajových a vnitřních mořích mírného pásu salinita nižší - převaha srážek nad výparem, přítok říčních vod
- v okrajových a vnitřních mořích tropického pásu salinita vyšší -převládající výpar
- s rostoucí hloubkou salinita mírně klesá
- brakické vody
- skočná vrstva změny salinity s hloubkou (400-1000 m) - haloklina
Základy oceánografie
Základy oceánograf
LED NA MOŘSKÉ HLADINĚ
- teplota zámrzu mořské vody při salinitě 35 %o a hustotě 1,028 činí -1,9 °C
- sůl se z ledu postupně vylučuje vertikální difúzí
- nový led = jiskřivě bílá barva / starý led = nasedly či namodralý
- rychlost tvorby ledové pokrývky je dána mírou rozvlnění hladiny, sněžením, salinitou, zásobami tepla ve svrchní i hluboké vrstvě vody
- max. rozsah ledu (konec zimy na J polokouli) - cca 24 mil. km2 světového oceánu
- tabulový led - souvislý ledový pokryv o mocnosti až do 2,5 m
- ledová návrš - nakupení ledu rozlámaného vlivem vlnění
- ledová tříšť (drift) - roztávání ledové návrše
- „pack ice" - víceletý led o mocnosti přes 10 m
- iceberg (ledová hora) - velká ledová kra, vynášená z polárních oblastí až po 30° z. š. (obvykle útžky grónského pevninského ledovce či antarktického ledovcového štítu)
Základy oceánografie
ROZPTÝLENÉ ČÁSTICE V MOŘSKÉ VODĚ (SUSPENZE)
- anorganická suspenze (pevné částice přinášené řekami, větrem, ...)
- organická suspenze
• fytoplankton
• zooplankton
- větší rozvoj planktónu v chladnější a více okysličené vodě - nárůst obsahu planktónu do vyšších z. š. a směrem k pobřeží
Základy oceánografie
POHYBY MOŘSKÉ VODY
- pohyb v uzavřených drahách-vlnění
- přemisťování vody ve vertikálním či horizontálním směru ■ proudění, mořské proudy a mořské dmutí
- astronomické a atmosférické vlivy
- geodynamické vlnění (sopečná a zemětřesná činnost) -tsunami
- příčiny vzniku pohybů mořské vody:
• přitažlivá síla Měsíce a Slunce (mořské dmutí)
• všeobecná cirkulace atmosféry (povrchové proudy)
• nerovnoměrné ohřívání vody v různých zeměpisných šířkách
• rozdílná salinita (hlubinné proudění)
• gradienty atmosférického tlaku (vlnění)
• vliv podmořského zemětřesení (tsunami)
• sopečná činnost (tsunami)
mořské
Základy oceánografie
vlnění
- pohyb vodních částic po uzavřených, kruhu blízkých drahách
- vlnění eolické, vnitřní, stojaté (séše), geodynamické a rázové
- základní parametry vlny:
• délka vlny - horizontální vzdálenost mezi dvěma hřbety
• výška vlny - vertikální vzdálenost mezi nejvyšším bodem hřbetu a nejnižším bodem za ní následující vpadliny
• perioda vlny - doba mezi přechodem dvou po sobě následujících hřbetů vln stejným bodem
• rychlost vlny - podíl délky vlny a její periody
zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005
18
Základy oceánografie
mořské proudění
- vliv na lokální salinitu, teplotu vody, vlastnosti ovzduší nad mořem i pobřežím pevnin
- výrazná interakce s atmosférou
- hlavní příčiny vzniku oceánského proudění:
• vzdušné proudění v přízemních vrstvách atmosféry souvisící se všeobecnou cirkulací vzduchu na Zemi, působením pravidelných a stálých větrů vznikají nucené proudy zvané driftové
• odlišná teplota a salinita částí oceánských mas vody
• celková bilance oběhu vody nad oceány a moři jako výsledek vzájemné výměny vody mezi oceány a pevninou i mezi oceány a jejich částmi
• setrvačnost driftových proudů (volné proudy)
• vyrovnáváni úbytku vody přítokem ze sousední oblasti (vyrovnávací čili kompenzační protiproudy)
• vlnění a slapové jevy, vyvolávající periodické proudy při pobřeží nebo mezi řetězy ostrovů
zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005
20
Základy oceánografie
•   směr proudů ovlivněn:
- rozložením pevnin
- tvarem pobřeží
- reliéfem mořského dna
- rotací Země (Ekmanova spirála)
Základy oceánografie
•   výstupné mořské proudy
— vznik:
• při proudové divergenci v oblasti rovníku (Severní a Jižní rovníkový proud) - rovníkový výstupný proud - výstup chladné a na živiny bohaté vody
• výstup vody při pobřeží
zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005
Základy oceánografie
sestupné mořské proudy
— vznik:
• při proudové konvergenci - styk dvou a více proudů v uzlovém bodě
• např. Golfský, Labradorský a Východní grónský proud - konvergence - hromadění vody a její pokles ke dnu
• sestup vody při pobřeží
severní vítr
zdroj: Thurmann a Trujillo, 2005
Základy oceánografie
systémy povrchových mořských proudů v rámci jednotlivých oceánů
- viz skripta Ruda (2014) HLUBINNÉ PROUDĚNÍ
- příčina = rozdíly v hustotě mořské vody (-> salinita, teplota vody)
- termohalinní cirkulace
- povrchové + hlubinné proudění = pásová cirkulace
22
Interakce oceán - atmosféra
•   EL NINO -jižní oscilace (ENSO)
- periodicky se vyskytující oslabení intenzity studeného Peruánského (Humboldtova) proudu a oteplení povrchových vod při západním pobřeží J Ameriky
- kolísání atmosférického tlaku
- „normální" podmínky
• Z pobřeží J Ameriky: anticyklona v subtropických šířkách
• Z Pacifik: celoroční oblast nízkého tlaku vzduchu -> intenzivní výpar -> vysoké srážkové úhrny, vznik JV pasátů
• stálá cirkulace vzduchu ovlivňuje pohyb mořské vody - „teplý pacifický bazén"
• Walkerova cirkulační buňka
• intenzita oscilace určena Indexem jižní oscilace - rozdíl tlaku vzduchu při hladině sv. oceánu měřeného na Tahiti a v Darwinu
• kladná hodnota indexu = teplá fáze (El Nino)
• záporná hodnota indexu = chladná fáze (La Nina)
zdroj: Geoscience Animation Library, 2005
Interakce oceán - atmosféra
teplá fáze (El Nino)
- narušení Walkerovy cirkulační buňky
- oslabení či zastavení JV pasátů
- teplý pacifický bazén se přesouvá na východ
- výrazný nárůst teploty povrchové vody až o 10 °C
- oslabení výstupného proudění u pobřeží J Ameriky (nebo i sestupné proudy!)
- oblast nízkého tlaku u pobřeží J Ameriky - srážky, tropické cyklony,...
- období sucha v Austrálii
- perioda výskytu cca 3-7 let
- doba trvání 7-9 měsíců
Interakce oceán - atmosféra
El Nino Conditions
zdroj: Geoscience Animation Library, 2005
Interakce oceán - atmosféra
studená fáze (La Nina)
- přichází po El Ninu
- výrazné tlakové rozdíly mezi Z a V části Tichého oceánu - intenzivní JV pasáty
- výrazné výstupné proudění u pobřeží J Ameriky
La Nina Conditions
{fully developed}
Walker Circulation Cell
zdroj: Geoscience Animation Library, 2005
25
Interakce oceán - atmosféra
Severoatlantická oscilace (NAO)
- změny atmosférického tlaku mezi oblastí Azorských ostrovů a Islandem
- velký rozdíl tlaku = vysoké hodnoty indexu NAO+ = zesílené západní proudění vzduchu (chladnější léta a teplejší zimy, vlhčí počasí v Evropě)
- malý rozdíl tlaku = NAO- = extrémní hodnoty teplot v létě i zimě, nízké srážkové úhrny
- patrný vliv také na počasí v S Americe (východní pobřeží) a ve Středomoří