RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek Chemie životního prostředí II – Znečištění složek prostředí Atmosféra (01) Základní vlastnosti Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 Atmosféra Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Sluneční záření - 1,34 103 W.m-2 Průměrná teplota - 15 °C Vedení tepla – přenos sousedními molekulami Proudění tepla – pohyb celé hmoty atmosféry „Citlivé“ teplo – energie ve formě kinetické energie molekul Latentní teplo – teplo odpařování Záření – elektromagnetické záření, jediná cesta, jak je energie přenášena vakuem Atmosféra Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 Počasí – krátkodobé změny v atmosféře Klima – dlouhodobé průměrné počasí Vlhkost – obsah vody ve vzduchu Relativní vlhkost – procento nasycení vodní parou Rosný bod – teplota, při které začíná kondenzovat vodní pára Kondenzační jádra – povrch jader poskytuje místo pro kondenzaci vodní páry Atmosféra Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Interakce záření s hmotou Energie Translační Rotační Vibrační Elektronů Atmosféra Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 Celková hmotnost: 5,3.1018 kg Z toho: 50 % do 6 km 99 % do 30 km Hustota: r = 1 / h Homosféra: molekulární hmotnost se s výškou nemění – do 90 km Homopauza Heterosféra: disociace plynů, změna molekulové hmotnosti Atmosféra – základní vlastnosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Atmosféra představuje vzdušný obal Země a z hlediska složení ji lze dělit na tři kvalitativní složky: (1) Tzv. suchou a čistou atmosféru tvořenou směsí plynů, které při běžných teplotách a tlacích můžeme velmi dobře považovat za termodynamicky ideální plyny, tj. plyny řídící se přesně stavovou rovnicí p / r = R * T kde p značí tlak plynu, r jeho hustotu, T teplotu v kelvinech a R měrnou plynovou konstantu. Největší relativní zastoupení mezi těmito plyny v atmosféře má dusík (cca 78 objemových procent) a kyslík (cca 21 objemových procent). Složení suchého a čistého vzduchu se v podstatě nemění až do výšek 90 – 100 km nad zemským povrchem. Atmosféra – základní vlastnosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 Pokud jde o právě uvedenou stavovou rovnici, je běžné ji vyjadřovat ve tvaru: p * a = R * T kde a ≡ 1/ r je měrný objem (tj. objem jednotky hmotnosti) plynu Vynásobíme-li obě strany rovnice poměrnou molekulovou hmotností, dostaneme p * m * a = m * R * T Atmosféra – základní vlastnosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9 a zavedeme-li dále V = m * a, Ra = R * T, můžeme okamžitě psát p * V = m * Ra kde V představuje objem jednoho molu termodynamicky ideálního plynu a Ra univerzální plynovou konstantu Atmosféra – základní vlastnosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 (2) Vodní páru, vodní kapičky, popř. ledové částice, neboť voda se může za běžných meteorologických podmínek v atmosféře vyskytovat ve třech skupenstvích. Vodní pára se v ovzduší chová jako reálný plyn, tzn. že se přibližně řídí stavovou rovnicí, pokud ovšem nejde o páru nasycenou. Množství vodní páry i vody v ostatních dvou skupenstvích je ve vzduchu prostorově i časově velmi proměnlivé. V atmosférických podmínkách může vodní pára přecházet v kapalnou vodu kondenzací nebo přímo sublimovat v led. (3) Různé znečišťující příměsi, zejména příměsi aerosolové povahy (složky tzv. atmosférického aerosolu). Atmosféra – základní vlastnosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Makrokomponenty: N2 (78,09 %); O2 (20,94 %); Ar (0,93 %) = 99,96 % Mikrokomponenty: CO2 (315 ppm); Ne (18 ppm); He (5,2 ppm) CH4 (1-2 ppm) CO, H2S, NO2 (0,001 – 0,1 ppm) H2O (do 4 %) O3 (25-30 km, ozonosféra) Atmosféra – chemické složení Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 Plyn Koncentrace (ppm) Doba zdržení Cyklus Ar 9 340 --- Žádný Ne 18 --- Žádný Kr 1.1 --- Žádný Xe 0.09 --- Žádný N2 780 840 106 let Bio- a mikrobiologický O2 209 460 10 let Bio- a mikrobiologický CH4 1.65 7 let Bio- a mikrobiologický CO2 332 15 let Antropogenní a bioCO 0.05-0.2 65 dnů Antropogenní a chemický H2 0.58 10 Bio- a chemický N2O 0.33 10 let Bio- a chemický SO2 10-5 – 10-4 40 dnů Antropogenní a chemický NH3 10-4 – 10-3 20 dnů Bio- a chemický NO + NO2 10-6 – 10-2 1 den Antropogenní a chemický O3 10-2 ? Chemický HNO3 10-5 – 10-3 1 den Chemický H2O různá 10 dnů Fyzikálně-chemický He 5.2 10 let Fyzikálně-chemický Složení čisté atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Látka Čistá troposféra Znečistěná troposféra SO2 1 – 10 20 – 200 CO 120 1 000 – 10 000 NO 0.01 – 0.05 50 – 750 NO2 0.1 – 0.5 50 – 250 O3 20 – 80 100 – 500 HNO3 0.02 – 0.3 3 – 50 NH3 1 10 – 25 HCHO 0.4 20 – 50 HCOOH 1 – 10 HNO2 0.001 1 – 8 CH3C(O)O2NO2 5 – 35 nemethanové uhlovodíky 500 – 1 200 Koncentrace stopových látek v čisté a znečistěné troposféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Atmosféra – plyny v atmosféře Venuše, Země a Marsu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Nejstarší atmosféra obsahovala pravděpodobně He a H2 – lehké plyny, pro které není gravitace Země dostatečná. Stržena solárním větrem. Sekundární atmosféra se tvořila v průběhu odplyňování chladnoucí planety a měla podobné složení jako vulkanické plyny: H2O (50- 60%), CO2 (24%), SO2 (13%), CO, Cl2, S2, N2, H2, NH3 a CH4 Vznik atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Dnešní atmosféra obsahuje 78% N2, 21% O2, 0.93% Ar, 0.037% CO2. N2 - hromadění v atmosféře během geologických procesů z původních látek obsahujících NH4 +, -NH2, nitridy Ar - produkt radioaktivního rozpadu K Kam zmizely CO2, H2O a SO2, kde se vzal kyslík? Složení současné atmosféry Současná atmosféra Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17  Země je natolik „správně“ vzdálená od Slunce, aby mohla H2O kondenzovat a zůstat v kapalném stavu.  Značná část vody zřejmě nepochází z odplyňování zemského povrchu, ale z dopadu ledových meteoritů.  CO2 se rozpouští ve vzniklých oceánech za vzniku karbonátů: CO2 + 3 H2O  CO3 2- + 2 H3O+  Rozpuštěný CO2 pak může reagovat s ionty Mg2+ a Ca2+ ve vodě za vzniku málo rozpustných vápenců a dolomitů (tak je deponováno cca 80% původního množství).  Další CO2 zůstává rozpuštěný v oceánech a posledním úložištěm jsou živé organismy.  Podobné procesy proběhly i pro SO2. Vznik oceánů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18 Původ kyslíku v atmosféře 0,1 % 1 % začátek fotosyntézy Kyslík produkovaný organismy je spotřebováván v oceánu na oxidaci Fe2+  Fe3+ + eS2- + 2 O2  2 SO4 2% dnešní koncentrace Fotolýza H2O  2H + O Kyslík se uvolňuje do atmosféry, klesá množství UV fotonů 10 % Je odstíněna podstatná část škodlivého záření, výstup života na souš Dýchání místo fermentace Fotolýzou může vzniknout pouze malé množství kyslíku (reakce je pomalá) Fotosyntéza 6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Atmosféra a život na Zemi  Stáří Země je kolem 4.5 miliardy let.  Život se v oceánech objevuje před nejméně 3.5 miliardami let.  Před 0.9 miliardou let je v atmosféře dostatek kyslíku na vytvoření ozónové vrstvy a život se může přesunout na souš. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 20 Life’s influence on Earth’s atmosphere. The diagram shows, on a logarithmic scale, the mixing ratios for the major gases and some significant trace species found in our atmosphere in the presence of life and those expected in its absence. Diagram devised by Professor Peter Liss. Atmosféra – vliv života na složení zemské atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 [ppm] = 0,0001 % (10-6) – 1 cm3 složky (g) v 1 m3 vzduchu [ppb] = 0,000 000 1% (10-9) – 1 mm3 složky (g) v 1 m3 vzduchu Hmotnost škodliviny v 1 m3 vzduchu za normálních podmínek (0 °C; 101,3 kPa) [mg.m-3; mg.m-3] Přepočet (0 °C; 101,3 kPa): c [mg.m-3] = c [ppm] * M * 273 /22,4 * 278 c [mg.m-3] = c [ppb] * M * 273 /22,4 * 278 Atmosféra – vyjadřování koncentrací Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Pro plyn nasycený vodní parou při dané teplotě T – zavedení korekce na nasycený tlak vodní páry při této teplotě PW [kPa]: c [mg.m-3] = c [ppm] * M * 273 *(P – PW) / 22,4 * T * 101,3 Korekce na teplotu a tlak – důležité pro měření emisí Atmosféra – vyjadřování koncentrací Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 Atmosféra - plynná fáze s příměsí kapalné a tuhé Přirozené – produkty hoření meteoritů, kosmický prach, vulkanický popel, kouřové částice, prachové a vodní částice, krystalky mořských solí, pyl, malá semínka rostlin, bakterie, výtrusy, spóry Antropogenní – průmyslové, doprava, zemědělské Atmosférické aerosoly Definujeme-li obecně aerosol jako soustavu částic pevného nebo kapalného skupenství rozptýlených v plynném prostředí, potom atmosférickým aerosolem rozumíme všechny pevné a kapalné částečky vyskytující se v zemském ovzduší. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 24 Absorpce slunečního záření v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 25 Interakce světla s částicemi Efektivita rozptylu Podstata světla Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 26 Sluneční záření je elektromagnetické záření o charakteristickém spektru vlnových délek, které před vstupem do zemské atmosféry přibližně odpovídá spektru vyzařování dokonale černého tělesa o povrchové teplotě 6 000 K. Sluneční záření Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 27 Sluneční spektrum obvykle dělíme na tři základní oblasti a podle toho rozlišujeme:  ultrafialové sluneční záření s vlnovými délkami menšími než 400 nm, které energeticky tvoří před vstupem do zemské atmosféry asi 7 % celkového slunečního záření a je z velké části absorbováno atmosférickým ozonem ve stratosféře,  viditelné sluneční záření s vlnovými délkami od 400 do 750 nm (asi 48 % celkového slunečního záření před vstupem do atmosféry) vytvářející spektrum barev od modré po červenou,  infračervené záření, s vlnovými délkami většími než 750 nm, které před vstupem do atmosféry tvoří asi 45 % slunečního záření. Sluneční záření Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 28 Spektrum ultrafialového (UV) záření se podrobněji dělí na tzv. vzdálenou (dalekou) oblast s vlnovými délkami λ menšími než 200 nm, a dále na pásy C (200 < λ < 280 nm), B (280 < λ < 315 nm) a A (315 < λ < 400 nm). V současné době se věnuje velká pozornost měření toků biologicky aktivního UV záření v oblasti pásu B, neboť v oblasti vlnových délek kolem 290 nm leží práh, od nějž směrem dolů jsou vlnové délky slunečního záření již úplně absorbovány stratosférickým ozonem a k zemskému povrchu vůbec nepronikají. Sluneční záření Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 29 Teplota – termodynamická veličina, která udává stav termodynamické rovnováhy objektu. Může existovat stav:  rovnovážný – těleso se nachází v termodynamické rovnováze tehdy, je-li tepelně izolováno od okolního prostředí, nebo je-li bilance tepla na povrchu tělesa rovnovážná v případě, že se výdej a příjem tepla rovnají – pak se teplota nemění,  nerovnovážný – těleso se nachází v tepelně vodivém prostředí nebo ve spojení s ním, takže pak převod energie probíhá od tělesa s vyšší T k tělesu s teplotou nižší. Teplota Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 30 Vyjádření: T - termodynamická (absolutní) – [K] – 1 / 273,16 část termodynamické teploty trojného bodu vody Běžně t [°C, °F] t = T – T0 T0 = 273,16 K t [°C] = (t [°F] –32) * 0,555 Denní, sezónní chod teplot Teplota Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 Teplota vzduchu je ovlivněna především energií předávanou do ovzduší z aktivních povrchů následujícími způsoby:  molekulárním vedením,  konvekcí a turbulencí (pohybem vzduchu),  přenosem tepla uvolňovaného při fázových změnách vody,  dlouhovlnnou radiací. Teplota vzduchu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32 Teplotní stratifikace atmosféry Struktura a vývoj atmosféry:  troposféra  stratosféra  mesosféra  Termosféra Teplota v atmosféře je komplikovanou funkcí výšky. The temperature structure of the atmosphere. Temperatures show a complex dependence on altitude, decreasing with altitude at some heights but increasing at others. The turning points of the temperature gradient mark the boundaries between regions of the atmosphere. The diagram indicates the clouds and other features found at different altitudes. The right-hand ordinate scale shows both the pressure and the mean free path (l) corresponding to the left-hand altitude scales. This version of the figure was constructed in 2009 by Dr P. Biggs, who kindly gave permission for its use here. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33 Troposféra a stratosféra obsahují 99,9% hmoty atmosféry, 75% je v troposféře. Mezi jednotlivými vrstvami atmosféry dochází vzhledem k teplotním inverzím jen k omezenému míšení. Ve výškách kolem 100 km dochází k intenzivní fotodisociaci kyslíku na kyslíkové radikály: O2 + hn  2 O Stratifikace atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 34 Troposféra 0-12 km Troposféra 80 % hmotnosti, téměř všechna voda (g) Meteorologické děje T klesá s výškou o 0,65 °C na 100 m výšky V troposféře (pod 10 km) teplota s výškou klesá ze 17°C na – 58°C (kolem 7°C na kilometr). Sahá do 7 - 18 km, vzniká v ní klima, intenzivní pohyb mas je dán ohřevem zemského povrchu a pohybem teplého vzduchu směrem vzhůru Tlak s výškou klesá logaritmicky, v 10 km je tlak 0,28 atm. 12 km Tropopauza Stálá T – první teplotní minimum (213-203 K) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Stratosféra 12–50 km Stratosféra 25-30 km – ozonosféra T se zvyšuje od ozonosféry (pohlcování záření ozonem) teplota opět vzroste nad 0°C. Nachází se v ní ozónová vrstva, kde při radikálových reakcích dochází k produkci O3 a k pohlcování tvrdého záření, pohlcená energie se uvolňuje jako teplo Méně intenzivní míšení, delší setrvání stabilních škodlivin Látková výměna mezi stratosférou a troposférou je omezená, děje se zejména difúzí 50-55 km Stratopauza Atmosférické teplotní maximum – 273 K (rovník, stř. z. š.) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36 Mezosféra 55-85 km Mezosféra Pokles T až na 173 K Pokles teploty daný menším vlivem fotochemických reakcí ve srovnání s ozonosférou, vzniká slabá vrstva mraků 85-90 km Mezopauza Druhé atmosférické teplotní minimum – 190-200 K (nad rovníkem); 170-210 K (stř. z. š.) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 Termosféra 90-800 km Termosféra Nárůst teploty až na 1 800 K - daný množstvím fotochemických reakcí, sahá do 150 km Vznik optických jevů (polární záře, světélkující oblaka) Ionizace vzduchu – ionosféra (80-500 km) - D – 60-90 km – silná ionizace NO, S e- < S I+, jsou přítomny i I- (NO3 -, CO3 2-) - E – 90-120 km – fotoionizace O2 - F1 – 120-160 km – ionizované O2, O, N2 – převládají zde chemické děje - F2 - > 160 km – převažují fyzikální děje E, F – nejsou přítomny I-, S e- = S I+ Elektricky neutrální vodivá plazma (UV, RTG) Nad 150 km – nárůst 5 K/km Nad 800 km – průměrná volná dráha molekul se zvětšuje – malá hustota, vysoká kinetická energie – dlouhá volná dráha částic Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Nad 800 - 1 000 km Exosféra Únik do kosmu Nad 2 000 – 20 000 km Zemská korona Rozrušení atmosféry Vyšší vrstvy atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 39 Interakce aktivního povrchu s atmosférou Planetární mezní vrstva – vliv zemského povrchu na probíhající děje (tření) Přízemní vrstva atmosféry – 50 - 100 m Volná atmosféra - > 1,5 km, fyzikální děje zde již nejsou ovlivněny povrchem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 Interakce aktivního povrchu s atmosférou Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 41 Síla, kterou působí atmosférický vzduch na zemský povrch [Pa] – hmotnost sloupce vzduchu. Atmosférický tlak – tlak, který vyvolává síla 1 N rovnoměrně rozložená na rovinné ploše 1 m2, kolmé ke směru síly. Vertikální tlakový gradient – dp / dz – udává o kolik jednotek tlaku poklesne tlak vzduchu při výstupu o 100 m (v nižších nadmořských výškách = 12,5 hPa). Horizontální tlakový gradient (barický stupeň) – dz / dp – výška v metrech o kterou je nutné vystoupit, aby tlak poklesl o jednotku (v nižších nadmořských výškách = 8 m) Tlak vzduchu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42 Energetická bilance atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 Energetická bilance atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 Radiation trapping or ‘greenhouse’ heating. Incoming solar infrared radiation (yellow line) passes through the atmosphere to warm the land and the oceans. The Earth emits radiation to balance the input, but at much longer wavelengths (red lines) that are absorbed by ‘greenhouse ases’ (GHGs) such as CO2 and H2O present in the atmosphere. This trapping of radiation means that the lower atmosphere acts as a blanket that keeps the surface warmer than it would herwise be. N2O, CH4 and many other species are also GHGs. Záchyt záření – „skleníkové“ ohřívání Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 Suma toků energie vstupujících do a vystupujících z atmosféry (jak radiační, tak i neradiační cestou). Celková energetická bilance povrchu Země - suma toků E – k/od povrchu, ca = 0 B + P + Qp + LV = 0 Přibližné roční orientační zhodnocení – za předpokladu, že příkon slunečního záření na horní hranici atmosféry = 100 %: B = + 30 %, P = - 7 %, LV = - 23 % (QP = 0) Radiační bilance zemského povrchu Turbulentní tok tepla mezi zemským povrchem a atmosférou Tok tepla mezi zemským povrchem a jeho podložím Tok tepla spojený s fázovými přeměnami vody Energetická bilance atmosféry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 BQ = B + P + Qp + LV Zahrneme-li do této rovnice jednotlivé složky radiační bilance: BQ = S´ + D – R + BD + P + Qp + LV Denní variace - BP, P, LV, QP mohou mít během 24 hod. rozdílná znaménka, jiné složky v noci chybí (S´+ D, R). Energetická bilance BQ aktivního povrchu Přímé sluneční záření na vodorovný povrch Difúzní záření Odražené záření Bilance dlouhovlnných radiačních složek Tok tepla do podloží mezi aktivním povrchem a podložím Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 47 Mezní vrstva atmosféry (MVA) - spodní část troposféry, v níž se bezprostředně projevuje vliv zemského povrchu na pole meteorologických prvků. Výška mezní vrstvy narůstá od stovek metrů až přibližně do 2 km v závislosti na míře nerovnosti (drsnosti) povrchu a dalších meteorologických parametrech. Rozptyl znečišťujících látek (a tím i úroveň znečištění ovzduší) je převážně určován procesy v MVA. Mezní vrstva atmosféry (MVA) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Spodní část MVA - do několika desítek metrů je tvořena přízemní vrstvou atmosféry, v níž se vlivy povrchu projevují zvláště výrazně. V rámci posuzování kvality ovzduší je často zaváděn pojem přízemní dýchací vrstva - do 2 m nad povrchem. Z hlediska imisních limitů stanovených za účelem ochrany zdraví lidí bývá zpravidla vyhodnocována úroveň znečištění v této vrstvě. Mezní vrstva atmosféry (MVA) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 49 Rozptylové podmínky Rozptylové podmínky - podmínky pro zmenšování koncentrace znečišťujících látek ve vnějším ovzduší vymezené intenzitou turbulentní difúze (determinované jak termickou tak mechanickou turbulencí). V ČR se rámci posuzování kvality ovzduší používá stabilitní klasifikace rozptylových podmínek v atmosféře (resp. MVA) dle Bubníka a Koldovského, rozeznávající pět tříd stability (tj. typů rozptyl. podmínek) v závislosti na vertikálním teplotním profilu. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 50 Rozptyl znečišťujících látek v atmosféře, meteorologické souvislosti Rozptyl znečišťujících příměsí v atmosféře (resp. MVA), který souvisí převážně s intenzitou turbulentního promíchávání, je nejvýrazněji ovlivňován třemi základními parametry:  prouděním v atmosféře  rozložením tlakových útvarů  stabilitními podmínkami v atmosféře vymezenými vertikálním teplotním gradientem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 51 Tyto parametry jsou samozřejmě úzce vzájemně provázané. Pole proudění v atmosféře je primárně vymezeno rozložením tlakového pole. Vertikální složka tohoto pole (produkující turbulenci) je vedle vlivu tření o nerovný zemský povrch a dalších faktorů iniciována vertikálními proudy v tlakových útvarech. Rozptyl znečišťujících látek v atmosféře, meteorologické souvislosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 52 Stabilitní podmínky (složka počasí) jsou v atmosféře vytvářeny nejen v souvislosti s polem proudění, resp. jeho dynamikou, ale i působením tlakových útvarů samotných (prostřednictvím jiných faktorů než proudění - vznik, rozpouštění oblačnosti ap.). Stabilita atmosféry, která samozřejmě souvisí s řadou dalších parametrů (sluneční záření, radiační vlastnosti povrchu, orografie ap.) má zásadní vliv na intenzitu vertikálních pohybů a tím zpětně ovlivňuje pole proudění (v MVA). Rozptyl znečišťujících látek v atmosféře, meteorologické souvislosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 53 Proudění v atmosféře Je primárním faktorem ovlivňujícím rozptyl v atmosféře zprostředkovává jej. V rámci měřítka střední Evropy jsou trajektorie unášení částic znečisťujících příměsí od jednotlivých zdrojů determinovány polem proudění v MVA. Toto pole navazuje na horní hranici mezní vrstvy na proudění ve volné atmosféře, které je v zásadě determinováno rovnováhou mezi horizontálním tlakovým gradientem, Coriolisovou silou a odstředivou silou vyvolanou horizontálním zakřivením proudnic. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 54 Směrový vektor proudění, obdržený jako výslednice těchto tří sil, je orientován podél zakřivených izobar, tj. proudnice jsou v tomto případě ztotožněny s izobarami. Takto definované proudění se nazývá gradientové. Oproti dějům v reálné atmosféře jsou u gradientového proudění zanedbány:  časové změny v poli proudění a v poli atmosférického tlaku (gradientové proudění je statické - odpovídá rovnováze)  vertikální pohyby  tečná složka zrychlení Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 55 Na rozdíl od přiblížení geostrofického však není zanedbána normálová složka zrychlení - gradientové proudění připouští cyklonální (a anticyklonální) zakřivení izobar resp. proudnic, vyskytující se v reálné atmosféře. Definice geostrofického proudění (=speciální případ gradientového proudění) uvažuje v důsledku zanedbání normálové složky zrychlení izobary přímkového tvaru, resp. s nekonečným poloměrem zakřivení. Gradientové je dobrým přiblížením k reálné situaci ve volné atmosféře (tj. atmosféře nad mezní vrstvou). Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 56 Ohřátý vzduch v tropech stoupá Ochlazený vzduch klesá k pólům Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 57 Jednoduchá cirkulační buňka Ohřátý vzduch v tropech stoupá Ochlazený vzduch klesá k pólům Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 58 Coriolisova síla je důsledkem rotace Země Rotace Ohřátý vzduch v tropech stoupá Ochlazený vzduch klesá k pólům Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 59 Ohřátý vzduch v tropech stoupá Ochlazený vzduch klesá k pólům Coriolisova síla Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 60 Ohřátý vzduch v tropech stoupá Ochlazený vzduch klesá k pólům Coriolisova síla Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 61 3 cirkulační buňky Ohřátý vzduch v tropech stoupá Ochlazený vzduch klesá k pólům Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 62 3 cirkulační buňky na každé polokouli Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 63 Proudění v atmosféře  obecným rysem troposféry je velká cirkulace a rychlý pohyb vzdušných mas daný rozdílným ohřevem  základní systém globální cirkulace ovzduší (Ferrelův model) tvoří dva subsystémy severní a jižní polokoule Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 64 Proudění v atmosféře  každý subsystém se skládá ze třech konvekčních buněk (Ferrelova, Hadleyova a polární), jejichž hranice jsou dány základními zeměpisnými šířkami (rovník, koňské šířky a polární fronta)  základní směry proudění větru vznikají ohřevem vzduchu v rovníkových oblastech a jejich poklesem kolem obratníků Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 65 V MVA se jako další významný faktor uplatňuje síla (turbulentního) tření rostoucí s drsností zemského povrchu. Rychlost větru je v tomto důsledku v MVA nižší oproti volné atmosféře a zvláště významně klesá v bezprostřední blízkosti povrchu. Důsledkem tření je také stáčení směrového vektoru proudění - odklon od proudnic (izobar) existujících nad mezní vrstvou (viz. gradientové nebo geostrofické proudění) na severní polokouli ve směru vlevo o jistý úhel rostoucí ve směru k povrchu. Popsaný odklon směrového vektoru proudění od proudnic, resp. izobar existujících ve volné atmosféře vede v MVA (resp. ve spirální vrstvě) k sbíhavosti proudnic - konfluenci v tlakové níži (cyklóně) a k rozbíhavosti - difluenci v tlakové výši (anticyklóně). Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 66 Sbíhavost, resp. rozbíhavost je v tlakových útvarech kompenzována vzestupnými, resp. sestupnými pohyby vzduchu. Uspořádané sestupné pohyby v anticyklóně jsou označovány jako subsidence. Schéma proudění v hlavních tlakových útvarech Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 67 Vliv zemského povrchu na pole proudění v MVA se však zdaleka neprojevuje jen prostým snížením rychlosti a stáčením směru v důsledku třecích sil. Vedle produkce turbulence je pole proudění pro pohyby větších měřítek reprezentujících advekci (pole střední) velmi výrazně determinováno tvarem zemského povrchu. V oblastech se složitější orografií (pohoří ap.) lze předpokládat, že výchozí pole proudění ve volné atmosféře, mající přibližně charakter gradientového proudění, bude v blízkosti povrchu zcela rozrušeno v důsledku obtékání členitého terénu. Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 68 Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 69 Lesní požáry Sibiř, kouřové vlečky dokumentují složitost pole proudění v MVA Převzato z NASA Visible Earth (http://visibleearth.nasa.gov) Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 70 Proudění v MVA nad zemským povrchem má převážně turbulentní charakter, tj. obsahuje intenzivní fluktuace vířivosti v širokém spektru měřítek. Směry horizontálního unášení částic znečišťujících příměsí (kouřových vleček od zdrojů) zpravidla odpovídají pohybům velkých měřítek - souvisejícím s advekční složkou pole proudění (tj. pole střední). Vertikální rozptyl (turbulentní difúze v profilu vlečky) je samozřejmě determinován turbulencí. Fluktuace větších měřítek mají na rozptyl výraznější vliv. Vyšší rychlost proudění znamená obecně intenzivnější rozptyl znečišťujících příměsí. Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 71 Při výskytu horizontálního proudění malých rychlostí a nízké intenzitě turbulence (anticyklonální situace) bývá často pozorovatelná kompaktní kouřová vlečka šířící se do větší vzdálenosti od zdroje. Kouřová vlečka při zvýšené aktivitě sopky Etny, situace při nižší intenzitě turbulence v MVA. Převzato z NASA Visible Earth (http://visibleearth.nasa.gov) Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 72 Turbulentní pohyby menších měřítek formující chaotickou strukturu vlečky souvisí v tomto případě převážně s produkcí turbulence na vstupu horkých odpadních plynů do vnějšího ovzduší. V jisté vzdálenosti jsou pak tyto pohyby zcela utlumeny v důsledku disipace a vertikální struktura vlečky se jeví statickou. Další rozptyl - rozšíření vlečky je již podmíněno turbulencí v MVA s pohyby i relativně větších měřítek (stovky m a více). Produkce turbulence na vstupu horkých odpadních plynů do vnějšího ovzduší Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 73 Turbulence v atmosféře je iniciována:  Vertikálními proudy - konvekcí (termická turbulence) • Souvisí s archimedovskými vztlakovými silami, vznikajícími následkem horizontálních teplotních nehomogenit - termická konvekce. • Vzniká jako vertikální cirkulace v oblasti tlakových útvarů (vzestupné v cyklóně, sestupné v anticyklóně) - dynamická konvekce (nejde o konvekci v obvyklém slova smyslu).  Působením vertikálního střihu větru (mechanická turbulence) • Vzniká v důsledku tření proudícího vzduchu o zemský povrch, resp. při obtékání orografických překážek a nerovností. • Dále vzniká ve volné atmosféře z dynamických příčin (v blízkosti atmosférických diskontinuit ap.) Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 74 Proudění vzduchu může intenzitu rozptylu znečišťujících příměsí ovlivňovat i sekundárně - přiváděním relativně teplého vzduchu nad chladný zemský povrch, čímž dojde k vzrůstu stability atmosféry (teplotní inverze advekčního původu), tj. k výraznému zhoršení rozptylových podmínek. V zimním období jde o proudění jihozápadních směrů. Proudění v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 75 Pole atmosférického tlaku ovlivňuje podmínky pro rozptyl znečišťujících příměsí především působením vertikálních vzduchových proudů. V důsledku sbíhavosti (konfluence) dochází v cyklóně (ve spirální vrstvě MVA) s klesající výškou ke zmenšování poloměru zakřivení proudnic. Tyto pohyby jsou v souvislosti s kontinuitou kompenzovány vzestupnými proudy v oblasti středu cyklóny. V anticyklóně je situace opačná - rozbíhavost (difluence) je kompenzována sestupnými vertikálními pohyby. Schéma proudění v hlavních tlakových útvarech Rozložení tlakových podmínek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 76 V popsaných souvislostech je pak pro rozptyl znečišťujících příměsí jednoznačně příznivější situace cyklonální, kdy dochází vlivem vzestupných pohybů k intenzivnímu vertikálnímu promíchávání (viz - nárůst intenzity turbulence dynamickou konvekcí) vzduchových hmot. Sestupné proudy vyskytující při situaci anticyklonální udržují znečišťující příměsi v blízkosti zemského povrchu, tj. zvyšuje se pravděpodobnost výskytu vyšších koncentrací těchto látek v přízemní vrstvě. Vlivem sestupných proudů dochází k sesedání (subsidenci) vzduchu, což často vede ke vzniku subsidenčních inverzí, které samozřejmě významně potlačují vertikální promíchávání a tím i rozptyl znečišťujících příměsí. Rozložení tlakových podmínek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 77 Anticyklonální oblasti obecně mají výrazně nižší hustotu izobar oproti oblastem cyklonálním. S tím souvisí nižší rychlost horizontálního proudění, která znamená také nižší intenzitu rozptylu znečišťujících příměsí. Sestupné pohyby transportující chladnější vzduch se zkondenzovanou vlhkostí k teplejšímu zemskému povrchu vedou k rozpouštění oblaků - vyskytuje se pěkné počasí s malou oblačností. Zejména v zimním období pak tato situace napomáhá intenzivnímu radiačnímu ochlazování zemského povrchu, což vede ke vzniku mohutných přízemních radiačních inverzí, tj. nepříznivých podmínek pro rozptyl znečišťujících příměsí. Rozložení tlakových podmínek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 78 Na podmínky pro rozptyl znečišťujících příměsí v oblasti České republiky má zejména v zimním období velmi nepříznivý vliv situace, kdy dochází k přechodu tlakové výše ve směru se západu na východ spojenému se změnou směru horizontálního proudění. V první fázi, kdy střed tlaková výše leží západně od ČR, dochází vlivem severního nebo severozápadního proudění k vyplnění české kotliny studeným vzduchem. Po přechodu středu tlakové výše na východ se nad ČR začne nasouvat teplejší vzduch z jižních směrů. Tato situace obvykle vede ke vzniku advekční výškové inverze. Vlastní negativní působení oblasti vysokého tlaku (výše popsané vlivy) je pak ještě zesíleno touto zpravidla déle trvající inverzní situací, což samozřejmě vede k dalšímu zhoršení podmínek pro rozptyl znečišťujících příměsí. Rozložení tlakových podmínek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 79 Vliv oceánů na klima, hlubokomořské proudění Oceány pohlcují více než polovinu dopadajícího slunečního záření a oceánské proudy zajišťují distribuci tepla od rovníku k pólům. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 80 Povrchové oceánské proudění Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 81 El NIÑO  Teplý proud, který je součástí klimatického jevu Jižní Oscilace – ovlivňuje počasí a srážky od Afriky přes jihovýchodní Asii a Austrálii až po Jižní, Střední a zčásti i Severní Ameriku.  Souvislost mezi prouděním v atmosféře, oceánu a mezi srážkami v této oblasti je známá nejpozději od konce 19. století (Gilbert Walker)  V systému fungují pozitivní zpětné vazby (zeslabování východo-západních větrů zesiluje proudění na východ a naopak) a zpožděná „pamět“ oceánu. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 82 El NIÑO: normální podmínky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 83 El NIÑO: El NIÑO Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 84 El NIÑO: La NIÑA Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 85 Frekvence výskytu a intenzita El NIÑO od 9. století Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 86 Množství atlantických cyklónů souvisejících s El NIÑO Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 87 Důsledky El NIÑO / La NIÑA Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 88 Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Teplota vzduchu závisí na tom, kolik E je do ovzduší předáno ze zemského povrchu nebo kolik E je zemským povrchem z ovzduší odebráno. Pokud se vzduch horizontálně nepohybuje – teplota v přízemní vrstvě může s výškou buď klesat, nebo stoupat, nebo se event. neměnit. Teplota směrem k pólům ubývá mnohem pomaleji než vertikálně. V planetárním měřítku je zdrojem tepla zemský povrch – se stoupající výškou teplota klesá. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 89 Stabilitní podmínky v atmosféře Stabilita atmosféry (resp. MVA) obecně souvisí s vertikálním gradientem teploty - zápornou změnou teploty připadající na jednotkovou vzdálenost ve vertikálním směru v klidném vzduchu. Tlak v atmosféře a stejně tak její hustota v důsledku gravitace stoupá se zmenšující se výškou. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 90 Stavy teplotního zvrstvení vyjadřujeme teplotními gradienty. Vertikální geometrický teplotní gradient – udává skutečnou změnu teploty připadající na 100 m výšky atmosféry – týká se teploty jednotlivých hladin v atmosféře: G = - dt / dz + - pokles teploty s výškou – normální zvrstvení – 0,6 °C na 100 m výškového rozdílu - růst teploty s výškou – inverze = 0 – izotermie Termické zvrstvení vzduchu je tím výraznější, čím je ovzduší klidnější. Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 91 Adiabatické gradienty – při vertikálním pohybu, týkajícím se jen některých objemových částí, a to nahoru nebo dolů. Konvekční, vzestupné proudy – vznikají nad tou částí krajiny, která z dopadajícího záření absorbovala povrchem více a méně vedla do hloubky. Sestupné proudy – vznikají tam, kde je povrch chladnější, protože větší část E byla vedena do hloubky (vody, lesní komplexy). Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 92 Výstup určitého objemu vzduchu – pokles tlaku s výškou – roste objem – při rozpínání se spotřebovává vnitřní energie – koná se tedy práce na úkor U (tepelné) – klesá teplota stoupajícího vzduchu. Nedochází-li k výměně energie s okolní atmosférou – adiabatický děj. Při adiabatickém (tj. bez výměny tepla z okolím, což je v klidném vzduchu velkou měrou splněno) vertikálním přesunu vzduchové částice dojde k změně teploty - nárůstu v důsledku stlačení při pohybu sestupném, resp. poklesu rozpínáním při vzestupném pohybu. Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 93 Adiabatický teplotní gradient – pokles teploty se v tomto případě týká každé vystupující, od okolní atmosféry teoreticky izolované částice vzduchu: g = - dt / dz Tato obecná teplotní závislost je pro případ suchého vzduchu nazývána suchoadiabatickým gradientem. Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 94 Stálá hodnota – suchoadiabatický gradient ga – změna teploty s výškou v suchém či vodní parou nenasyceném vzduchu - ga = 1 °C na 100 m. Hodnota suchoadiabatického gradientu γa = 0,0098 K.m-1 je odpovídající i pro vlhký, ale nenasycený vzduch, neboť vliv nenasycené vodní páry na měrné teplo vzduchu je velmi malý. Ve vzduchu nasyceném vodní párou však nelze zanedbat kondenzační teplo, které hodnotu adiabatického gradientu teploty snižuje. Z naznačených principů vyplývá, že odpovídá-li vertikální profil teploty v MVA suchoadiabatickému gradientu, je hustota vzduchu v této vrstvě konstantní. Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 95 Proměnná hodnota – nasyceně adiabatický gradient (vlhkoadiabatický) – teplota klesá při výstupu méně – kondenzace vodní páry – uvolnění latentního tepla – zmenšování hodnoty ochlazování: ga´ = (ga > ga´ > 0 °C/100 m) Adiabatické děje jsou vratné, pokud nedojde ke změnám v obsahu vodní páry, například vyloučením srážek. Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 96 Druhy vertikálního teplotního zvrstvení atmosféry Adiabatické změny teploty vzduchu podmiňují jednotlivé druhy vertikálního teplotního zvrstvení ovzduší:  labilní,  stabilní,  indiferentní. Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 97 Určujícím faktorem je rozdíl mezi adiabaticky ochlazovaným vystupujícím vzduchem (t) a změnou teploty v okolní atmosféře (t´). Stabilní zvrstvení – t < t´ - nastane pohyb chladnějšího objemu vzduchu dolů (G < g) Inverze teploty - G > 0 - extrémní případ stabilního zvrstvení Labilní zvrstvení – t > t´ (G > g) - nastane pohyb teplejšího objemu vzduchu vzhůru Indiferentní (neutrální) zvrstvení – t = t´ (G = g) - objem nemá tendenci ani k výstupu ani k sestupu. Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 98 Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 99 Stabilitní podmínky v atmosféře Při této situaci pak vzduchová částice vychýlená ze své původní výškové hladiny nejeví tendenci k návratu nebo k zvyšování výchylky. Atmosféra (resp. MVA) je indiferentní (viz zvýrazněná přímka závislosti). Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 100 Je-li vertikální gradient teploty (v MVA) vyšší než suchoadiabatický (viz obr závislost 1), bude mít vychýlená vzduchová částice v důsledku růstu hustoty s výškou (tj. archimédovské síly) tendenci dále zvyšovat svoji výchylku - ať už kladnou nebo zápornou. Atmosféra (resp. MVA) je v tomto případě instabilní, což reprezentuje dobré vertikální promíchávání, tedy dobré podmínky pro rozptyl znečišťujících příměsí. Stabilitní podmínky v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 101 V opačném případě, kdy teplota klesá s výškou pomaleji než odpovídá suchoadiabatickému gradientu (viz obr - závislost 2), nebo se s výškou nemění (izotermie - závislost 3), nebo může dokonce růst (tj. záporný vertikální gradient - teplotní inverze závislost 4), vykazuje vychýlená vzduchová částice snahu k návratu do původní hladiny (opět to souvisí s archimédovskými silami - hustota klesá s výškou). Stav atmosféry (resp. MVA) je pak charakterizován jako stabilní. Vertikální pohyby jsou brzděny a promíchávání vzduchu se tím tlumí podmínky pro rozptyl znečišťujících příměsí jsou nepříznivé. Stabilitní podmínky v atmosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 102 Teplotní inverze Z hlediska stabilitních podmínek reprezentuje nejméně příznivou situaci pro rozptyl znečišťujících příměsí teplotní inverze, která může být buď přízemní nebo výšková. V souvislosti se způsobem vzniku a charakterem je rozlišováno několik typů inverze. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 103 Radiační inverze Vzniká v důsledku vyzařováním tepla zemským povrchem. V noci, kdy chybí kompenzující příkon slunečního záření, může dojít k výraznému ochlazení zemského povrchu a tím k prochlazení bezprostředně přiléhající vzduchové vrstvy. V zimním období mohou podmínky pro vznik radiační inverze v důsledku ostřejšího úhlu dopadajících slunečních paprsků (a tedy nižší absorpci slunečního záření) existovat i během dne. V podobných souvislostech napomáhá vzniku přízemních radiačních inverzí existence sněhové pokrývky, neboť sníh velmi účinně odráží sluneční záření a kromě toho brání přívodu tepla z půdy, čímž podstatně přispívá k prochlazování přízemní vrstvy vzduchu. Mezi další faktory podporující vznik a trvání přízemních radiačních inverzí je jasná obloha umožňující velké efektivní vyzařování a slabé proudění až bezvětří v přízemní vrstvě, které neumožňuje rozrušení teplotní stratifikace. Tento charakter počasí je typický pro anticyklonální situaci. V důsledku sklesávání studeného vzduchu podél svahů je výskyt přízemních inverzí daného typu častější v údolích, kotlinách ap. Z radiačních příčin mohou vznikat i inverze výškové související s tím, že vzduchové vrstvy se zvýšeným množstvím vodní páry a zejména vrstvy oblačnosti silně vyzařují infračervenou radiaci a v důsledku toho se prochlazují. Teplotní inverze Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 104 Advekční inverze Přízemní inverze advekčního typu vznikají při proudění relativně teplého vzduchu nad studenější zemský povrch, který tento vzduch ochlazuje. Situace tohoto typu nastává např. v zimním období při proudění teplejšího oceánského vzduchu nad prochlazený kontinent. Mechanizmus vzniku výškové advekční inverze – viz dříve - proudění z jižních nebo jihozápadních směrů nad českou kotlinu vyplněnou prochlazeným vzduchem). Frontální inverze Vznikají na teplé frontě nasouváním relativně teplého vzduchu nad vzduch studený nebo na studené frontě, kde těžší studený vzduch proniká pod teplejší vzduchovou hmotu a "nadzvedává" ji, což je samozřejmě primárně podmíněno tím, že vertikální gradient teploty je v případě tohoto typu stratifikace výrazně větší než suchoadiabatický (příp. nasyceně adiabatický). Teplotní inverze Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 105 Subsidenční inverze Vzniká vlivem sesedání (subsidence) stabilní vzduchové hmoty v oblastech vysokého tlaku vzduchu. Subsidenční inverze jsou výškové, ale mohou postupně klesat až k zemskému povrchu, kde rychle zanikají. Turbulentní inverze Nepříliš mohutná výšková inverze vznikající při mírně stabilním zvrstvení v důsledku intenzivního turbulentního promíchávání vzduchové vrstvy nad zemským povrchem (zpravidla do výše několika set metrů) např. z mechanických příčin (tj. v souvislosti s třením o drsný povrch). V této vrstvě se tedy následně vytvoří přibližně indiferentní zvrstvení, čímž vznikne mezi touto vrstvou a nepromíchaným vzduchem nad ní (s mírně stabilním zvrstvením) přechodová inverzní vrstva. Příčiny vzniku teplotních inverzí v MVA se mohou kombinovat, resp. uplatňovat současně. Teplotní inverze Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 106 Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 107 Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 108 Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 109 Charakteristické tvary skutečných kouřových vleček Intenzitě rozptylu znečišťujících příměsí v MVA determinované popisovanými parametry odpovídají následující charakteristické tvary kouřových vleček: Tvary kouřových vleček: a) vlnění, b) čeření, c) unášení, d) zadýmování, e) odrážení, f) přemetání Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 110 Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu těchto vleček Typický tvar Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení koncentrací znečišťujících příměsí a) Vlnění Mírně stabilní zvrstvení vertikální gradient teploty v rozmezí od suchoadiabatického po izotermii. Mírný až čerstvý vítr. Odpovídá přibližně tvaru kužele s horizontální osou symetrie. Mírně se vlní. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 111 Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu těchto vleček Typický tvar Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení koncentrací znečišťujících příměsí b) Čeření Teplotní inverze ve vrstvě sahající dostatečně vysoko nad efektivní výšku zdroje. Mírné proudění. Výskyt této situace je nejčastější v nočních a ranních hodinách, v zimním období za vhodných meteorologických podmínek i po celý den. Rozptyl ve vertikálním směru je silně potlačen poměr vertikálního zobecněného difúzního koeficientu k horizontálnímu je podstatně menší než jedna. Příčný profil vlečky je v její celé délce silně "zploštělý". Přízemní koncentrace znečišťujících příměsí jsou v vysokých zdrojů v rovinném terénu nízké. Vyvýšená místa mohou být naopak v případě kontaktu s vlečkou vystavena velmi vysokým koncentracím škodlivin. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 112 Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu těchto vleček Typický tvar Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení koncentrací znečišťujících příměsí c) Unášení Přízemní teplotní inverze, jejíž horní hranice leží níže než efektivní výška zdroje Kouřová vlečka se rozptyluje v prostoru nad inverzí, přenos znečišťujících příměsí směrem dolů je silně omezen stabilitou v inverzní vrstvě. V rovinném terénu jde z hlediska výskytu přízemních koncentrací škodlivin o nejpříznivější typ rozptylové situace. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 113 Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu těchto vleček Typický tvar Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení koncentrací znečišťujících příměsí d) Zadýmování Vertikálně mohutná stabilní vrstva vzduchu (zpravidla teplotní inverze) ležící zprvu bezprostředně u zemského povrchu se odspodu prohřívá a teplotní zvrstvení v její spodní části se postupně mění na přibližně indiferentní do výšky, jež přesáhne efektivní výšku zdroje. Tato situace trvá většinou omezenou dobu (několik desítek minut) - v případě prohřívání radiačních inverzí od zemského povrchu v dopoledních hodinách, nebo trvá i několik dnů - při prohřívání přízemní stabilní vrstvy umělými zdroji tepla v oblastech velkoměst a prům. aglomerací v chladné polovině roku. Kouřová vlečka se rozptyluje pod dolní hranicí stabilního zvrstvení, které brání síření znečišťujících příměsí směrem vzhůru. Tato nepříznivá rozptylová situace vede k vytváření vysokých přízemních koncentrací znečišťujících látek v blízkosti zdrojů. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 114 Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu těchto vleček Typický tvar Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení koncentrací znečišťujících příměsí e) Odrážení Výšková inverze subsidenčního (viz. anticyklonální situace) nebo advekčního původu. Situace trvá relativně déle (zpravidla několik dnů). Stejný obraz jako u zadýmování. Znečišťující příměsi se mnohonásobně odrážejí od zemského povrchu a dolní hranice výškové inverze. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 115 Popis meteorologických situací charakteristických pro prezentované typy kouřových vleček, rozložení koncentrací znečišťujících příměsí v profilu těchto vleček Typický tvar Meteorologická situace Charakteristický profil rozložení koncentrací znečišťujících příměsí f) Přemetání Silně instabilní zvrstvení, slabší vítr. Tato situace je častá ve slunných dnech během poledních hodin, kdy se vzduch vlivem insolance odspodu značně prohřívá). Kouřová vlečka je strhávána vertikálními pohyby vzduchu. Znečišťující příměsi se krátkodobě dostávají k zemskému povrchu ve vysokých koncentracích. Přemetání je méně časté u zdrojů s velkou efektivní výškou. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 116 Změny teploty vzduchu s výškou, teplotní gradienty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 117 V přirozených podmínkách neexistuje suchý vzduch. Rovnovážný stav mezi vodou (př. ledem) a vodní párou označujeme jako stav nasycení. Zdroj – výpar ze zemského povrchu. Přenos:  turbulentní proudění,  molekulární difuze. Vlhkost vzduchu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 118 Napětí (tenze) par (e) – dílčí tlak vodní páry ve směsi se suchým vzduchem [hPa]. Napětí nasycení (E) – maximální možné napětí – roste s teplotou vzduchů. Poměrná (relativní) vlhkost (r) – je definován pomocí tlaku vodní páry: r = (e / E) (event. * 100) Absolutní vlhkost a – hmotnost vodní páry v objemové jednotce vzduchu [kg.m-3] Teplota rosného bodu (t) – teplota, na kterou je třeba isobaricky ochladit vzduch, aby se nasytil v něm obsaženou vodní párou. Vlhkost vzduchu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 119 Vlhkost vzduchu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 120 Vlhkost vzduchu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 121 V počáteční fázi mikrostrukturálního vývoje oblaku vzniká na kondenzačních jádrech veliký počet mikroskopických kapiček, jejichž velikosti dosahují řádově několika mikrometrů a jejich počet v cm3 je až kolem 104. Je zřejmé, že zásoba vodní páry obsažená v oblačném vzduchu nemůže v žádném případě postačovat k tomu, aby všechny tyto kapičky postupně narostly do rozměrů dešťových kapek, jejichž pádová rychlost, daná rovnováhou mezi silou tíže a silou odporu vzduchu vůči pohybu kapky, převyšuje rychlost vzestupných proudů vzduchu obvykle existujících uvnitř oblaku. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 122 Mechanismus vzniku padajících atmosférických srážek (déšť, mrholení, sněžení, kroupy atd.) tedy musí spočívat v tom, že z určitého důvodu část maličkých oblačných elementů, tj vodních kapiček, popř. ledových částic, začne intenzivně narůstat na úkor ostatních. Teorie vysvětlující tento mechanismus, které má meteorologie v současné době k dispozici, lze v podstatě rozdělit do dvou skupin. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 123 Ke vzniku srážek je v mírných a vyšších zeměpisných šířkách nezbytná přítomnost ledových částic v oblaku. Představme si v tomto směru situaci, kdy při teplotách pod 0 °C menší část přechlazených vodních kapiček obsahující vhodná krystalizační jádra zmrzne v ledové částečky. Protože tlak nasycené vodní páry nad ledem je menší než tentýž tlak nad kapalnou vodou, vytvoří se pak záhy stav, kdy se kapičky přechlazené vody vypařují, zatímco ledové částice narůstají postupným ukládáním molekul vodní páry na svém povrchu. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 124 Kromě toho je přechlazená voda z termodynamického hlediska v metastabilní fázi a jestliže se kapička přechlazené vody srazí při teplotě pod 0 °C s ledovou částicí, takřka okamžitě na ní namrzne. Právě naznačenými způsoby dochází k intenzivnímu narůstání ledových částic na úkor přechlazených vodních kapiček a po dosažení kritické velikosti, kdy jejich pádová rychlost převýší rychlost vzestupných pohybů vzduchu v oblaku, začnou ledové částice padat dolů, v oblasti pod hladinou teploty 0 °C (hladina nulové izotermy) tají a mění se v dešťové kapky. Podle právě popsané teorie je tedy každá dešťová kapka svým původem roztátým kouskem ledu. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 125 Skutečnost, že zejména v nízkých zeměpisných šířkách často vypadávají intenzivní srážky, např. ve formě tropických lijáků, z tzv. teplých oblaků nalézajících se níže než hladina nulové izotermy, vyvrací představy o výlučné platnosti právě zmíněné teorie. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 126 Vzniklou mezeru vyplňuje tzv. koalescenční teorie vzniku srážek. Mezi kondenzačními jádry se vyskytují obří kondenzační jádra o poloměrech několik mikrometrů, jejichž koncentrace bývá řádově menší (nejčastěji asi o 4 – 6 řádů) než koncentrace všech kondenzačních jader přítomných ve vzduchu. Tyto relativně velké částice jsou pravděpodobně tvořeny hygroskopickými krystalky mořských solí a za vhodných podmínek na nich mohou vznikat kapky až o řád větších rozměrů než kapičky vytvořené na ostatních kondenzačních jádrech. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 127 Takto vzniklé relativně větší kapky pak zachycují při vzájemných srážkách menší kapičky (koalescence – vzájemné splývání srážejících se kapek) a narůstají do takových rozměrů, že začnou padat skrze vzestupné proudy vzduchu formující oblak, při pádu dále urychleně narůstají koalescencí s dalšími malými kapkami a dorostou-li určité velikosti (poloměr asi 2 - 5 mm podle konkrétních podmínek uvnitř oblaku), samovolně se rozpadají na několik málo větších zbytků a značný počet mikroskopických kapiček. Vlastní příčinou jejich rozpadu je skutečnost, že blána povrchového napětí už není schopna udržet pohromadě narůstající objem vody a praská. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 128 Větší zbytky jsou pak vzestupnými proudy vzduchu znovu unášeny vzhůru, přičemž opět narůstají koalescencí, znovu začnou padat a celý proces se opakuje. Tímto způsobem vznikne uvnitř oblaku jakousi „řetězovou reakcí“ zásoba větších vodních kapek a stačí pak impuls, např. v podobě oslabení vzestupných proudů vzduchu působením tíže nahromaděné vody, aby došlo k jejich vypadnutí. Podmínkou pro vznik srážek podle koalescenční teorie je velký obsah vodní páry a kapalné vody v oblaku, což je typické zejména pro oblaky v rovníkové zóně. Teorie vzniku srážek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 129 Oblačné multifázové procesy a jejich vliv na klima M. C. Facchini, C.N.R., Bologna, Italy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 130 Oblaka a klima  Oblaka jsou nejdůležitější faktor kontrolující planetární albedo a tedy teplotu naší planety  Optické vlastnosti oblaků jsou řízeny velikostí/počtem kapek, které řídí „dostupnost“ aerosolových částic sloužících jako kondendenzační jádra (CCN - Cloud condensation nuclei) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 131 Oblaka a klima  Oblačná kondenzační jádra (CCNs) – malé částice typické velikosti kolem 0.2 µm, nebo kolem 1/100 velikosti oblačných kapiček kolem kterých oblačné kapky splývají.  Voda vyžaduje povrch bez plynů, aby došlo k přechodu z páry na kapalinu.  V atmosféře se takový povrch vyskytuje jako malá tuhá nebo kapalná kondenzační jádra (CCNs).  Pokud nejsou CCNs přítomny, vodní pára může být ve stavu hluboce podchlazeném pod 0 °C (32 °F) kdy kapičky začnou spontánně vznikat.  Za nízkých teplot vzduch musí být přesycen až na hodnotu kolem 400 % než oblačné kapičky začnou vznikat. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 132 Oblaka a klima  Velikostní průměr dešťových kapek je okolo 2 mm, průměr oblačné kapičky kolem 0.02 mm a průměr oblačných kondenzačních jader je 0.0001 mm (0.1 mm) nebo větší.  Počet oblačných kondenzačních jader ve vzduchu je možné měřit a pohybuje se mezi 100 a 1 000 na CM3.  Celková hmotnost CCNs injektovaných do atmosféry je odhadována na 2x1012 kg za rok.  Vyšší koncentrace částic jsou zodpovědné za tvorbu oparu v oblastech s nízkou vlhkostí.  Tento suchý opar ovlivňuje klima absorpcí nebo odrážením záření. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 133 Oblaka a klima  Existuje velké množství různých atmosférických částic, které mohou sloužit jako CCN.  Tyto částice mohou být složeny s prachu nebo jílu, sazí nebo černého uhlíku jako výsledek emisí z pastvin, lesních požárů, sprayování mořských solí z mořské hladiny, popílku ze spalovacích zdrojů průmyslových nebo dopravních.  Mohou být tvořeny sírany z vulkanické činnosti, fytoplanktonu nebo vzniklých oxidací oxidu siřičitého a také sekundární organickou hmotou vznikající oxidací VOCs.  Schopnost těchto různých typů částic tvořit oblačné kapičky se liší dle jejich velikosti a také závisí na jejich složení – hygroskopických vlastnostech jejich komponent – ty se mohou velmi lišit. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 134 Oblaka a klima  Sírany a mořské soli například snadno absorbují vodu, zatímco saze, popílek, organický uhlík nebo minerální částice ne.  Složení částic je často komplikované a obsahuje jejich směsi, což ovlivňuje proces absorpce – například (sírany a organický uhlík)).  Takže mnohé částice (saze, minerály) nejsou dobrými CNN, ale mohou sloužit jako ledová jádra v chladnějších částech atmosféry.  Počet a typ CCNs se může ovlivňovat dobu života oblaků a jejich radiační vlastnosti stejně jako jejich množství může mít vliv na klimatické změny.  Předpokládá se také, že variace slunečního záření může prostřednictvím CCNs ovlivňovat vlastnosti oblaků a ovlivňovat klima. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 135 Změny optických vlastností oblaků mohou být způsobeny řadou antropogenních aktivit – mnoho nejistot v interpretaci Oblaka a klima Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 136 Počet oblačných kapek  Existuje předpoklad, že nejdůležitějším parametrem ovlivňujícím počet oblačných kapiček (cloud droplet number - CDN) je koncentrace aerosolů, zatímco jeho chemické složení má relativně menší vliv.  Ukázalo se na základě experimentů a modelů, že tento předpoklad není zcela správný a bylo nutné přehodnotit relativní příspěvky jednotlivých faktorů ovlivňujících CDN. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 137 CDN a množství aerosolu  Počet CDN není “lineární” funkcí množství aerosolu (Ramanathan et al., Science, 2001).  Velké množství variací umožňuje předpoklad že vlastnosti oblaků jsou řízeny mnoha různými faktory. Jak může chemie oblačného multifázového systému ovlivňovat vznik a vývoj populace oblačných kapiček ?? Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 138 RH Suché částice Mokrý aerosol Oblačné kapičky Plynná fáze R R Intuitivní schéma oblačné chemie Absorbovaný materiál s Rozpustná chemická frakce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 139 Vznik oblaků  Atmosférické termodynamické parametry (dostupná vlhkost, vzestupná rychlost, teplota, atd.)  Vlastnosti aerosolů: klasicky – řízené chemické proměnné jsou velikostní distribuce a ve vodě rozpustná frakce CCN. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 140 Teorie vzniku oblaků           = TrR v as g w w s2 exp aw = aktivita vody s = povrchová tense nw = molární objem vody Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 141 Aktivita vody      = 1000 exp mw w M a n orginorgorgorginorginorga orginorgorgorginorginorg wgas waer wgaswaerw a aaa      = ? ?Pro anorganické vodné roztoky elektrolytů Clegg et al., J. Aerosol Sci., 2001 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 142 Modified Köhler equation              norginorg j j jj i i ii Ns sw w ws M m M m rr M rRT M s nn rr s )(4 32 1 33 Kelvin term Raoult term Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 143 Chemické faktory řídící vznik oblaků  Málo rozpustné anorganické soli ovlivňují vznik oblaků  Velmi dobře rozpustné nebo dobře rozpustné organické látky ovlivňují rovnovážný tlak vodních par a snižují povrchové napětí kapiček  Rozpustné plyny kondenzují (Charlson et al., Science 2001) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 144 Chemické složení aerosolů Spring - Summer SO 4 14% other ions 9% NO 3 11% NH4 7% W SO C 18% W INC 19% unk 22% Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 145 Organické aerosoly Organické aerosoly ovlivňují rovnováhu supernasycení:  “přidáváním” rozpustného materiálu  snižováním povrchového napětí vzhledem k čisté vodě nebo roztoku anorganické soli Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 146 Organické látky v oblacích  Ve vodě rozpustné organické látky (WSOC – water soluble organic compounds) jsou komplexní směsí vysoce oxidovaných, multifunkčních sloučenin se zbytky aromatických jader a alifatickými řetězci:  Neutrální sloučeniny: hlavně alifatické polyoly, polyethery, cukry;  Mono-/di-kyseliny: hydroxylované alifatické kyselé sloučeniny;  Polyakyseliny: nenasycené polykyselé sloučeniny s alifatickými i aromatickými částmi a s menším obsahem hydroxy skupin. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 147 CH2 CH3 38 % CH OH 31 %9 % O C CH2CH2 21 % Ar 8 % CH HO 9 % CH2 CH2 42 % CH2 OH O 41 % Ar 50 % CH HO 5 % CH2 CH2 23 % CH2 OH O 23 % Ar neutrální frakce mono-/di-kyseliny polykyseliny (Fuzzi et al., GRL, 2001) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 148 Předpovědi počasí  Počasí zahrnuje 6 prvků: směr a rychlost větru, teplota, tlak, vzdušná vlhkost, tvorba mraků a srážky. Pro reálnou předpověď je nutné pracovat se všemi.  Lze je popsat matematicky pomocí Newtonových pohybových zákonů (v diferenciální formě), zákonů zachování hmoty a energie, stavové rovnice a vlhkostní rovnice. Vzniklá soustava rovnic je ovšem špatně podmíněná – její řešení se chová chaoticky.  První pokus: Lewis Fry Richardson – Weather Prediction by Numerical Process, 1922.  Dnes předpovědi počasí využívají nejvýkonnější počítače a jsou spolehlivé nejvýše na několik dnů (podle množství a kvality vstupních dat).  Principiálně nebude ani v budoucnosti možné provádět spolehlivé předpovědi na více než týdny. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 149 Modelování klimatu  Klimatické modely využívají stejné principy jako modely pro předpovědi počasí, ale pracují v makroměřítku – řídká síť bodů, velké časové kroky.  Výstupem modelů jsou klimatické trendy nad velkými oblastmi. Detailnější předpovědi (typu suché léto, hurikány atd.) neposkytují.  Kalibrace klimatických modelů se provádí na historických datech (jsou k dispozici od r. 1860).  Předpovědi klimatických změn se opírají právě o počítačové modely klimatu. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 150 Kalibrace a predikce klimatických modelů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 151 Chemické a fotochemické procesy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 152 Chování stopových látek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 153 Chemické reakce v atmosféře V zemské kůře dochází k redukčním reakcím V atmosféře a v kontaktu s atmosférou dochází k oxidaci Biota obnovuje s pomocí slunečního záření oxidant (O2) Většina reakcí se odehrává v troposféře Produkty jsou „vymyty“ srážkami Stratosféra – dusík, kyslík – ozon (absorbuje většinu UV záření) Vyšší části – vysoce nabité iony a radikály Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 154 Atmosférické reakce Typy:  fotolýza - homolytické (radikálové) štěpení v plynné fázi  reakce s radikály  fotochemická oxidace  katalytické – povrch (s), kovy, soli Ovlivněny:  meteorologickými faktory (šíření, zřeďování)  slunečním zářením (E pro štěpení vazeb)  V plynné fázi  Na povrchu prachových částic (malý význam, krátká doba zdržení)  Ve vodných roztocích (kapky vody; acidobazické) Nejdůležitější - hydroxylový radikál Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 155 Reakce:  fotochemické  oxidace  protolýza  komplexotvorné Příklady atmosférických reakcí: - SO2  SO3  H2SO4  SO4 2-, HSO4 - NO  NO2  HNO3  NO3 - RH  ROOH  ROH  RCHO, R2CO  RCOOH  CO2 - O2  O3 - PAHs  Chinony, PAH-NO2,… Atmosférické reakce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 156 Oxidace CO a NO Vznik síranu amonného (NH4)2 SO4 Oxidace C, S, N Iontové sloučeninyMethan  formaldehyd Atmosférické reakce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 157 Rychlé a selektivní reakce s většinou atmosférických příměsí, inertnost k hlavním plynným složkám ovzduší (N2, O2, vzácné plyny, H2O, CO2, Výskyt v celé atmosféře, Opakovaná tvorba radikálu v oxidačních cyklech atmosférických příměsí. OH radikál – „čistící prostředek“ atmosféry. Posuzování rizik atmosférických polutantů – na základě rychlosti reakce s OH radikálem. Atmosférické reakce – reakce s OH radikálem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 158 OH• Molekul.cm-3 Léto - den 5-10 × 106 Zima - den 1-5 × 106 Noc < 2 × 105 Výsledek procesů: konstantně 10 milionů hydroxylových radikálů.cm-3 v povrchové vrstvě Atmosférické reakce – reakce s OH radikálem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 159 Tvorba – fotolýza ozonu UV slunečním zářením (kolem 300 nm): O3 + hn  O(1D) + O2 O(1D) + N2 (nebo O2)  O(3P) + ) + N2 (nebo O2) O(1D) + H2O  2OH Funkce OH radikálu v koloběhu nejvýznamnějších atmosférických polutantů:  hnací faktor oxidace atmosférických uhlovodíků, SO2,  centrální postavení v troposférickém koloběhu CO, CH4, NOX, O3,  zdroj radikálu HO2 Atmosférické reakce – reakce s OH radikálem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 160 Toxické látky v ovduší O3Viditelnost PM2.5 Kvalita vody . OH NOX + VOC + OH + hv  O3 SOx [or NOx] + NH3 + OH  (NH4)2SO4 [nebo NH4NO3] SO2 + OH  H2SO4 NO2 + OH  HNO3 VOC + OH  Organické PM OH  Toxické látky (POPs, Hg, etc.) Jemné PM (Nitráty, Sulfáty, Organické PM) NOx + SOx + OH (Acidifikace, eutrofizace) Kyselý déšť Hydroxylový radikál – význam při znečišťujících látek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 161 Reakce v atmosféře zahrnující hydroxylový radikál Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 162 Denní průměrná koncentrace OH radikálů v čisté volné troposféře se obvykle pohybuje v rozmezí 2 * 105 – 3 * 106 molekul.cm-3. V městském ovzduší, se koncentrace OH radikálů pohybují v rozmezí 1 * 106 – 1 * 107 molekul.cm-3. Při pokojové teplotě a relativní vlhkosti 50 % se z jednoho atomu O(1D), vzniklého fotolýzou O3, vytvoří 0,2 radikálů OH. Koncentrace OH radikálů vykazují denní chod, při maximálních koncentracích v denní době kolem 8 * 106 molekul.cm-3 (~ 0,2 ppt). Dvacetičtyřhodinový průměr koncentrace radikálů OH je kolem 8 * 105 molekul.cm-3. Reakce v atmosféře zahrnující hydroxylový radikál Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 163 Katalytické HOx cykly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 164 Propad (sink) – závisí na charakteru sloučeniny – transport do jiné složky nebo reakce (s OH radikály,.., příjem listovím vegetace). Procesy odstraňování: - tuhých částic:  mokrá atmosférické depozice,  suchá atmosférická depozice,  suchý spad dopadem na vegetaci; - plynů:  mokrá atmosférická depozice,  absorpce nebo reakce na zemském povrchu,  konverze na jiné plyny nebo reakce s tuhými částicemi,  transport do stratosféry. Mechanismy atmosférického propadu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 165 Hlavní atmosférické propady SO2 – vymývání srážkami, oxidace v (l) fázi na SO4 2-, sorpce na povrchu vegetace, stomatální příjem, mikrobiální degradace v půdě, absorpce v hydrosféře, chemické reakce, H2S – oxidace na SO2, O3 – chemické reakce na vegetaci, půdě, sněhu a oceánu, NO/NO2 – chemické reakce v půdách, sorpce a příjem vegetací, chemické reakce v (g) a (l) fázi, N2O – mikrobiální degradace v půdách, fotodisociace ve stratosféře, absorpce v oceánech, Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 166 NH3 – chemické reakce v (l) a (g) fázi, vymývání srážkami, příjem povrchy, absorpce, CO – reakce s OH ve stratosféře, mikrobiologická aktivita v půdách, CO2 – fotosyntéza, absorpce v oceánech, CH4 - mikrobiologická aktivita v půdách, vegetace - chemické reakce, bakteriální aktivita, chemické reakce v troposféře a stratosféře, HCs – chemické reakce na částicích, mikrobiologická aktivita v půdách, absorpce a příjem vegetací. Hlavní atmosférické propady Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 167  Transport na velké vzdálenosti  Suspenze - srážky (mokrá depozice), prach (suchá depozice)  Kyselé srážky Regionální vlivy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 168 Dálkový transport aerosolů a plynů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 169 CCl Cl CCl3 H Globální transport Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 170 Globální transport Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 171 Černobyl, havárie 24. dubna 1986 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 172 Konstantin Krivoruchko : Wind direction over the Belarus territory in April 1986. Using filtered kriging, Byelorussian districts are colored according to the probability that thyroid cancer rates in children exceeded one case per 10 000. Red represents the highest probability and cycles through the spectrum to blue, the lowest probability. Jaderná energetika – Černobyl, Bělorusko, 1986 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 173 Jaderná energetika – Černobyl, Bělorusko, 1986 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 174 http://www.reddit.com/tb/g4c2l http://ramanan50.wor dpress.com/2011/03/15 /spread-of-radioactive- cloud-from-fukushima- animated-prediction/ Jaderná energetika – Fukušima, Japonsko, 2011 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 175 Koncentrace polutantů v přízemní vrstvě Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 176 Imisní limity pro látky znečišťující ovzduší Znečišťující látka Vyjádřená Imisní limity v (mg.m-3) jako IHr IHd IH8h IHk Obecný požadavek Prašný aerosol 60 150 500 Koncentrace IHd aIhk Oxid siřičitý SO2 60 150 500 nesmí být v průběhu Oxid siřičitý a prach SO2+ polétavý prach 250* překročena ve více Oxidy dusíku NOx 80 100 200 než 5% případů Oxid uhelnatý CO 5000 10 000 Ozón O3 160 Olovo v prachu Pb 0,5 Kadmium v prachu Cd 0,01 Pachové látky Nesmějí být v koncentracích obtěžujících obyvatelstvo Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 177 Vysvětlivky: IHr - průměrná roční koncentrace znečišťující látky. Průměrnou koncentrací se rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na stanoveném místě v časovém úseku jednoho roku jako aritmetický průměr z průměrných 24 hodinových koncentrací. IHd - průměrná denní koncentrace znečišťující látky. Průměrnou denní koncentrací se rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na stanoveném místě v časovém úseku 24 hodin. Průměrnou denní koncentrací se rozumí též střední hodnota nejméně dvanácti rovnoměrně rozložených měření průměrných půlhodinových koncentrací v časovém úseku 24 hodin (aritmetický průměr). IH8h - průměrná osmihodinová koncentrace znečišťující látky. Průměrnou osmihodinovou koncentrací se rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na stanoveném místě v časovém úseku osmi hodin. IHk - průměrná půlhodinová koncentrace znečišťující látky. Průměrnou půlhodinovou koncentrací se rozumí střední hodnota koncentrace, zjištěná na stanoveném místě v časovém úseku 30 minut. Imisní limity pro látky znečišťující ovzduší Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 178 Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky