Fyzika Atmosféry, Meteorologie A Bezpečnost (1)

Fyzika atmosféry popisuje především meteorologie, tj. věda o zemské atmosféře, jejím složení, vlastnostech, jevech a dějích probíhajících v ní. Využívá především fyzikálních poznatků a metod řešení, označována jako fyzika atmosféry. Dle zdroje se vědní obor metrologie dělí dle zaměření na:

– dynamickou – formuluje a matematicky řeší vztahy a rovnice popisující statiku, dynamiku a termodynamiku atmosféry, cílem je objektivní, fyzikálně podložená předpověď počasí,

– synoptickou – analyzuje a studuje atmosférické jevy většího měřítka; analýza a předpověď počasí,

– fyzikální – fyzika oblaků a srážek, nauka o záření v atmosféře, optických, elektrických a akustických jevech v atmosféře; uplatňuje metody experimentální fyziky,

– družicová – získávání a zpracování dat z kosmického prostoru,

– radarová – využití radiofon v atmosféře k lokaci a posouzení meteorologických cílů.

Pro účely bezpečnostních oborů je zajímavá především fyzikální meteorologie, společně s některými oblastmi aplikované meteorologie, tj. vedle biometeorologie a agrometeorologie především letecká a námořní meteorologie.

Fyzika atmosféry také souvisí s klimatologií, tj. nauka o podnebí: věda o klimatech Země, o podmínkách a příčinách jejich formování, věda o působení klimatu na člověka, objekty lidské činnosti člověka a naopak.

Z hlediska fyzikální meteorologie se zaměříme na následující oblasti a otázky: tepelné jevy v atmosféře a proudění vzduchu, voda v atmosféře, atmosférický tlak, vznik oblačnosti a srážek.

Použité zdroje:

Klima skripta. Gisáci na UPOL: GIS GEOINFORMATIKA A ROMANTIKA [online]. Olomouc: MarijaStudio, 2007 [cit. 2017-09-03]. Dostupné z: http://www.gisaci.upol.cz/filesftp/Klima_skripta.pdf

NEČAS, Tomáš. Fyzika v atmosféře aneb základy meteorologie: Modulární systém dalšího vzdělávání pedagogických pracovníků JmK v přírodních vědách a informatice CZ.1.07/1.3.10/02.0024. Brno: Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita v Brně, 2011. Dostupné z: http://ucitele.sci.muni.cz/materialy/94_1.pdf

Úplný klimatický systém (UKS)

Atmosféra je součástí Úplného klimatického systému, který se skládá z 5 ti prvků: Atmosféra; Hydrosféra; Kryosféra; Biosféra; povrch pevnin. Kde všechny prvky kromě atmosféry tvoří tzv. aktivní povrch, tj.: ta část krajinné sféry, na které dochází k odrazu záření a kde současně probíhá přeměna radiační energie krátkovlnného slunečního záření na energii tepelnou.

Okamžitý stav úplného klimatického systému nazýváme počasí. Statistický soubor všech stavů, jimiž prochází úplný klimatický systém během několika desetiletí dle nazýváme klima.

Meteorologická měření

Pro získávání a zpracování meteorologických dat slouží meteorologické stanice a observatoře. Hlavní činností stanic je měření a pozorování meteorologických i jiných jevů. Tj dle zdroje¹:

Měřené prvky – teplota, vlhkost, tlak vzduchu, směr a rychlost větru, úhrn srážek, výška sněhové pokrývky, doba trvání slunečního svitu, přízemní minimální teplota v 5 cm, příkon fotonového dávkového ekvivalentu.

Pozorované prvky – vodorovná dohlednost, pokrytí oblohy oblačností, charakteristiky oblačnosti (množství, druh, výška spodní základny), stav a průběh počasí, nebezpečné a zvláštní atmosférické jevy a náhlé změny počasí .

Nadstandardní činnosti – výpar vody z vodní hladiny, teplota půdy v hloubkách 5,10,20,50,100 cm, monitoring slunečního záření, monitoring čistoty ovzduší (SO₂ , NO_x , polétavý prach, přízemní ozón), fotografování bolidů (velmi jasný meteor) pro AVČR.

Observatoře Dukovany a Temelín plní kromě normálních úkolů také meteorologické zabezpečení provozu jaderné elektrárny.

Distanční měření a pozorování jsou v meteorologii nepostradatelným doplňkem pozemních. Řadíme mezi ně radarová, aerologická a družicová měření a pozorování, dle zdroje²:

radarová měření (digitální i analogová) – zjišťování rozložení okamžitých intenzit atmosférických srážek;

aerologická měření (balóny, letadla, radiosondy, ozónodrážní sondy, nepřímá aerologie ze zemského povrchu) – měření především vyšších vrstev atmosféry – měření teploty vzduchu, atmosférický tlak, vlhkost vzduchu, směr a rychlost větru, výzkumu ozónu v atmosféře, sledování radioaktivity a měřením některých složek dlouhovlnného záření;

družicová měření (automatické resp. umělé, pilotované, orbitální kosmické stanice) – synoptická měření, předpovědi počasí, studium oblačnosti, odhady rychlosti větru, výzkum tropických cyklón, předpovědi výskytů hurikánů a tajfunů; družicová klimatologie se zabývá také anomáliemi geofyzikálního pole, anomáliemi v toku dlouhovlnného záření, vytváření klimatických oblastí, mapy glob.

Povrchové teploty, mapy průměrných měsíčních teplot mezi dnem a nocí, mapy průměrných měsíčních, hodnot vodních par v atmosféře.

Zemská atmosféra

Atmosféra je plynný obal Země, tj. směs plynů, které navzájem nereagují, nazýváme jej vzduch. Zemská atmosféra vznikla odplyňováním lávy, která vytvořila zemskou kůru. Láva za určitých podmínek obsahuje 7-8% vodních par, které se při vytékání lávy na povrch uvolňovaly do atmosféry. Vulkanické plyny obsahují také CO₂, SO₂, Cl₂, CH₄, NH₃, H₂S, H₂ aj.

Atmosférické aerosoly – aerosoly – rozptyl tuhých látek nebo kapalin o velikosti částic 10^-6– 10^-2μm v plynech. Všechny kapalné a pevné částice v atmosféře jsou aerosoly. Působí jako kondenzační nebo krystalizační jádra. Cca 10 % aerosolů má antropogenní původ, zbytek přírodní. Malé aerosoly odrážejí cca 90 % slunečního záření a tím způsobují ochlazení zemského povrchu.

Atmosféra se člení podle různých vlastností: termodynamických, chemických nebo kinematických procesů, chemického složení.

Vertikální rozdělení atmosféry dle teplot

Vertikální rozdělení atmosféry dle teplot, viz také obrázek:

Troposféra – spodní část zemské atmosféry, bezprostředně přiléhající k zemskému povrchu; troposféra podléhá vlivům zemského povrchu; tvoří až 75 % hmotnosti atmosféry; troposféru odděluje od vyšší vrstvy tropopauza, pod ní je tzv. pás tryskového proudění – až 300 km/h (důležité pro zabezpečení letectví); bezprostředně přiléhající vrstva troposféry k zemskému povrchu je přízemní vrstva; dále se dělí na další 3 vrstvy – laminární (nad aerodynamickými hladkými předměty jako vodní hladina, sněhová pokrývka), přízemní mezivrstva a vrstva (Prandltova) Ekmanova spirálová vrstva – pohyb turbulencí,

Stratosféra – do výšky 55 km, ve spodní části (20-25 km), téměř izotermie, od 25 km teplota vzrůstá vlivem pohlcování UV záření; maximální teplota je cca 0°C; vodní páry ve stratosféře tvoří perleťová oblaka; končí stratopauzou,

Mezosféra – 50-85 km horní hranice, teplota od 0° do –90° (léto) a –50°C (zima), stříbřitá oblaka (kosmický a vulkanický prach a ledové krystalky), mezopauza, termosféra,

Termosféra – od 80-90 do 450 km, rychlý vzestup teplot, 200km = 500°C, 600km=1500°C, zde se také vytváří polární záře – vtahování korpuskulárního záření Slunce do magnetického pole Země.

7c50f049 image — Vertikální rozdělení atmosféry (zdroj³)

Vertikální rozdělení atmosféry dle dalších vlastností

Vertikální členění podle fyzikálně chemických procesů dle zdroje⁴:

Neutrosféra – do 60-70 km, koncentrace iontů je tak malá, že na ně nepůsobí odraz radiových vln, především nenabité částice,

Ionosféra – od 60 do 500 km, plyny jsou díky vysoké koncentraci iontů velmi vodivé, občas ovlivňuje radiové spojení,

Chemosféra – realizují se zde fotochemické reakce molekul O₂ , O₃ , N₂,

Vertikální členění podle charakteru kinetických procesů:

Exosféra – vnější atmosféra, 500 – 700 km, nízká hustota vzduchu a vysoká kinetická energie, částice zde mohou opouštět atmosféru (sféra rozptylu). Kolem Z dále 2 pásy záření – radiační pásy.

Vertikální členění podle chemického složení:

Homosféra – do 90 km, nemění se objemové zastoupení plynů směsi, vliv intenzivního turbulentního promíchávání vzduchu, tato vrstva ovlivňuje tepelnou bilanci Země,

Heterosféra – nad 90 km, promíchávání slabé, přirozeně ubývá těch plynů, které jsou těžší než vzduch; ve výšce několik tisíc km převládá atomární vodík; probíhá zde fotodisociace molekul plynů a díky pohlcování sluneční energie je teplota v heterosféře několik set °C.

Tepelné jevy v atmosféře a slunečné záření

Způsoby tepelné výměny dle zdroje⁵:

– atmosféra se ohřívá zářením ze Slunce – solární konstanta cca 1360 W/m ²,

– atmosféra chladne zářením do Vesmíru,

– ohřev Země je nerovnoměrný – záleží na úhlu dopadu záření, době oslunění, složení atmosféry, albedu (odražené záření),

– proudění vody a vzduchu rozvádí, tepelnou energii po celé Zemi,

– velký význam má také tepelná kapacita vody.

Sluneční záření (radiace) je elektromagnetické (dále jen EM) záření. V současnosti je to jediný zdroj tepla a světla a také jediný zdroj energie pro planetární geosystém a pro UKS. Další zdroje jsou bezvýznamné. Zdrojem je H přeměněný na He při termonukleárních reakcích na Slunci. Šíří ve formě el. a magnet. vln (3*10 ⁸ m.s ^-1 ). Vlnová délka10^-14 – 10^-2 m.

Korpuskulární záření ⁶– proud elektricky nabitých částic hmoty (elektrony, protony, neutrony,…), příkladem je např. sluneční vítr (spojité vytékání plazmy z oblasti sluneční koróny). Velikost záření je ve W.m ^-2 . Intenzita je Wh, nebo kWh. 1 Wh=3,6*10 ³ J.

Celkové množství slunečního záření, které dopadne v celém spektru na horní hranici atmosféry je tzv. solární (sluneční) konstanta = 1373 +/-20 W.m ^-2 . Svazek slunečních paprsků, bereme vzhledem ke vzdálenosti S-Z jako rovnoběžný. Množství přímého slunečního záření dopadajícího na jednotkovou vodorovnou, nebo ukloněnou plochu za jednotku času označujeme jako insolace.

Největší insolace je na kolmé ploše. Insolace na horní hranici atmosféry je extraterestriální insolace. Roční režim nepravidelné extraterestriální insolace je solární klima. Množství dopadajícího záření závisí na z.š. Spektrum: UV, VIS, IR, MW. 99 % je v 0,1- 4,0 μm. Více než 4 μm je dlouhovlnné záření. UV oko nevnímá, je to méně než 0,400 μm, před vstupem do atmosféry je to 6,7 %, je pohlcované ozónem a téměř nic se nedostane k povrchu. VIS – 0,400-0,730 μm, 46,8 %, od fialové po červenou. 0,4738 modrozelené světlo má největší intenzitu. IR – 0,730 – 1000 μm, 46,5 %.

Druhy záření – přímé slunečné (insolace), rozptýlené (difúzní), globální (přímé + difúzní), odražené (albedo), zpětné záření atmosféry a vyzařování Země (tepelné).

Voda v atmosféře

Vlhkost vzduchu patří mezi základní meteorologické prvky a vyjadřuje množství vodních par ve vzduchu. Charakteristiky vlhkosti vzduchu se dají vyjádřit jako 2D (zeměpisné souřadnice) i 3D (zeměpisné souřadnice a zvolený vertikální řez). Pokud vlhkost vzduchu roste s výškou jde o vlhkostní inverzi.

Charakteristiky:

Napětí (tlak) vodních par – vyjadřuje parciální tlak vodní páry ve směsi se suchým vzduchem. Udává se v hPa (15-20), je-li vzduch nasycený nahrazuje tuto hodnotu napětí nasycení.

Absolutní vlhkost vzduchu a – množství vodních par v jednotce objemu vzduchu. g.m ^-3.

Maximální absolutní vlhkost A – je maximální hmotnost vodních par, které může vzduch obsahovat za dané teploty. Je-li max. množství překročeno, dochází ke kondenzaci.

Poměrná (relativní) vlhkost vzduchu r – poměr skutečného napětí vodních par k maximální absolutní vlhkosti A (tj. maximálnímu nasycení), r = a/A, udává se v % objemu.

Sytostní doplněk – deficit vlhkosti – rozdíl mezi maximálním tlakem a skutečným napětím vodních par.

Specifická (měrná) vlhkost vzduchu – poměr hmotnosti vodních par k celkové hmotnosti vlhkého vzduchu ve stejném objemu. Bezrozměrná veličina.

Poměr směsi – poměr hmotnosti vodních par k celkové hmotnosti vlhkého vzduchu, bezrozměrná.

Rosný bod – teploty, při které by vodní páry nacházející se ve vzduchu, se mohly nasytit, může k tomu dojít také při adiabatickém ochlazování = bez dodání vodních par. Při poklesu pod rosný bod dochází ke kondenzaci – rosa, mlha. Při vlhkosti pod 100 % je vždy nižší než teplota vzduchu, udává se ve °C.

9483eb5c image — Závislost vlhkosti (obsahu vody) nasyceného vzduchu na teplotě dle zdroje⁷

Atmosférický tlak

Tlak vzduchu se projevuje na všech místech zemského povrchu, ve všech směrech stejně. Vzduch (atmosféra) má svoji hmotnost a tou působí na zemský povrch – tlak. Tlak je síla působící v daném místě atmosféry kolmo na libovolně orientovanou plochu. Průměrný tlak při hladině moře a teplotě 15°C je 1013,27 hPa. S výškou se mění tlak – 1hPa/8 m (dle zdroje⁸), viz obrázek.

Stavová rovnice plynů [17] – p × v = r × T , kde p=tlak, v=specifický objem, T=absolutní teplota, r=plynová konstanta a závisí na povaze plynu (287 m ² s ^-2 K ^-1 ). Hustota vzduchu je přímo závislá na tlaku a nepřímo na jeho teplotě.

Tlakové pole – barické pole – horizontální rozložení tlaku vzduchu je důsledek variability slunečního záření dopadajícího na zemský povrch a určuje režim větru. Rozložení atmosférického tlaku se nazývá barické pole, oblasti stejného tlaku jsou spojeny izobarami.

Mapy izobarické topografie – zachycují neustále se měnící polohu izobarických ploch.

Mapa absolutní barické topografie – do mapy vynášíme výšky izobarických ploch nad hladinou moře. Pokud řadíme jen vyšší izobarické plochy nad nižší – mapa relativní barické topografie.

Horizontální rozložení tlaku dle zdroje⁹:

– tlak není všude stejný ani po přepočtení na hladinu moře (87kPa – 109kPa),

– vzniká tlakový gradient, proudění,

– tlaková výše (anticyklóna) a tlaková níže (cyklóna), viz obrázek.

Základní tlakové útvary dle zdroje¹⁰: tlakové pole je tvořeno oblastmi vysokého a nízkého tlaku vzduchu.

Cyklona – TN – uzavřené izobary, ve středu je nejnižší tlak.

Anticyklona – TV – uzavřené izobary, uprostřed je nejvyšší tlak.

Brázda nízkého tlaku – tvar písmene V, osa je místem s nejnižším tlakem, mezi dvěma TV. Hřeben vysokého tlaku – tvar U, hřbet je nejvyšší tlak.

Barické sedlo – oblast v atmosféře, mezi dvěma TV, nebo TN, neutrální bod.

Časové změny tlaku vzduchu – neperiodický charakter, pozvolné (max. 20-30 hPa/den).

Denní chod tlaku – dvojitý chod – maximum před polednem a před půlnocí, min. Brzy ráno a po poledni. Amplituda kolísá 3-4 hPa. Příčinami je denní chod teplot aktivního povrchu, denní kmity atmosféry a slapové pohyby atmosféry. Max. 1083,3 hPa na Sibiři, min. 870,0 hPa oko tajfunu.

Roční chod tlaku vzduchu – souvisí se sezónním pohybem tlakových útvarů a s tlakovými změnami stacionárních tlakových útvarů. Pevninský typ – max. zima, min. léto. Oceánský – max. začátek léta, min. zima. Monzunový – zimní max., letní min.

Zonálnost v rozložení tlaku vzduchu – rovníkový pás NT, subtropy VT, subpolární NT, polární VT. „Zákonitosti zonálního rozložení tlaku vzduchu jsou rozhodující pro charakter všeobecné cirkulace atmosféry.“.

Pokračování článku zde: Fyzika Atmosféry (2) (kint.cz)

Fyzika atmosféry, meteorologie a bezpečnost (1)

Štítky:Atmosféra Bezpečnost Fyzika Meteorologie