Atmosféra

Hodnocení stránky

Podrobnější informace o plynném či jinými slovy vzdušném obalu planety Země. Co je to atmosféra a na jaké vrstvy se dělí. Základní informace o těchto vrstvách a krátká zmínka o reálné atmosféře. Atmosféra Země je už blíže počasí tak, jak ho známe, než vesmír či jiné planety.

Témata stránky: Atmosféra a její obecná charakteristika, složení, dělen a standardní (ISA) a reálná atmosféra.

Anglické názvy: Atmosphere (atmosféra) – standard (standardní), international standard atmosphere – ISA (mezinárodní stadardní atmosféra), real (reálná). Gaseous envelope of the Earth (plynný obal Země), nitrogen (dusík), oxygen (kyslík), troposphere (troposféra), stratosphere (stratosféra),

Výukový prostředek k tomuto tématu: METEOROLOGIE 2

ATMOSFÉRA ZEMĚ

Plynným obalem planety Země, jinými slovy obalem vzdušným, je atmosféra. Jedná se o poměrně slabou vrstvu, kterou je obklopena celá planeta. Byť sahá prakticky až do nekonečna, tak se za vrchol atmosféry považuje výška 100km nad povrchem Země. Atmosféra nás na povrchu určitými způsoby chrání a to absorpcí a rozptylováním záření co přichází z kosmu a také z povrchu Země. V atmosféře se odehrávají další procesy jako jsou například fázové změny, rozdělování energie a další. Malé změny v atmosféře mohou vyvolat velké následky v různých oblastech. Procesy, které v atmosféře změny působí, jsou velmi složité a navzájem propojené. Je velmi obtížné odhadnout tedy vývoj atmosféry a do tohoto můžeme řadit také počasí.

Hustota a tlak vzduchu v atmosféře klesají s přibývající výškou. Teplota vzduchu s výškou vykazují různorodé změny, což vyplyne z popisu jednotlivých atmosférických vrstev. Výše zmíněné veličiny se mění i v horizontálním měřítku působí tak v čase různé změny. Horní hranici atmosféry nelze jednoznačně definovat, jde obecně o prostor, kde již nelze atmosféru rozeznat od kosmického prostoru a do tohoto tedy atmosféra tímto volně přechází. Hustota atmosféry by měla být nulová až v nekonečné vzdálenosti od Země. V oblastech, kde molekuly plynů rotují společně se Zemí, jde ještě o atmosférický prostor. Tento stav byl potvrzen ve výškách několik desítek tisíc kilometrů nad zemským povrchem.

Ve spodní části atmosféry se odehrává náš život, náš každodenní pohyb. Změny atmosféry určují počasí a kdyby byl její stav všude neustále shodný, počasí by neexistovalo. Počasí jako charakteristika meteorologických prvků a atmosférických jevů v daném místě a čase.

⇒ O proměnlivosti atmosféry ve vztahu k počasí píšeme v textu Počasí jako nerovnováha atmosféry. Úvahu o tom, co by se dělo, kdyby se počasí neměnilo předkládáme v článku Co kdyby se počasí neměnilo?

Vznik atmosféry

Od úplného počátku vývoj atmosféry neznáme. Vědecké obory geologie a paleobiologie ale ukazují, že za poslední miliardu let došlo k velkým změnám klimatu. Zásadní děje s vlivem na složení atmosféry se odehrály během prvních 4/5 doby vývoje Země staré odhadem 5 miliard let. O tomto období víme bohužel nejméně a máme díky nálezům nejméně informací, ale nikoli žádné. Přesnější naměřené údaje o klimatu na Zemi máme za 1 miliardu let.

⇒ O vzniku Země a dalších informacích o planetě nabízíme více na stránce Planeta Země.

Jak vznikla Země se též přesně neví, existují dvě teorie. Tzv. horká cesta, vzniku z lůna “praslunce” existujícího dříve. A tzv. studená cesta, tedy nikoli ze Slunce, ale ve spolupráci se Sluncem a nahromaděním meteorických těles, prachových a plynných oblaků – původní studená hmota. Dále probíhaly další děje a procesy, které popisujeme alespoň v základu na výše jmenované stránce.  Na základě různých procesů utvořily lehké plyny “praatmosféru”. Proces smršťování ovlivňovala teplota Země. Každopádně došlo k takovým procesům, které vytvořily planetu Zemi a její atmosféru za těchto podmínek. Podmínek vhodných pro život.

V prvním stádium měla atmosféra pravděpodobně velmi vysokou teplotu a došlo k odpaření vzácného plynu neon do světového prostoru. V tomto případě dnešní malé množství neonu může být pozůstatkem, co při procesech vypařování odolal a po vychladnutí Země došlo k tvorbě nové atmosféry. Jde o stále nezodpovězené otázky, které by mohlo pomoci odpovědět další zkoumání chemického složení atmosfér ostatních planet kosmickými sondami. V historii Země byl obsah oxidu uhličitého v atmosféře převážně výrazně vyšší než dnes. Tato skutečnost je důležitá z pohledu studia změny klimatu a vývoje biosféry.

Složení atmosféry

Atmosféra a její složení.

Obr. 1 Atmosféra Země a její složení – stručný přehled

Atmosféra se v dnešní podobě skládá z různých plynů, přičemž dva základní plyny v ní dominují. Jedná se o dusík se zastoupením 78% a o kyslík se zastoupením 21%. Poté se v atmosféře nachází malé množství dalších plynů jako je argon, neon, helium či oxid uhličitý a další. Voda se v atmosféře nachází také a její zastoupení je proměnlivé, pohybuje se mezi 0 až 4%. Tato je ovšem důležitým prvkem atmosféry, neboť se díky ní odehrává počasí. Může se jako jediný prvek nacházet ve všech třech svých skupenstvích najednou – v kapalném, plynném a pevném (například voda jako tekutina a led plavající v ní jako pevné skupenství vody).

Složení vzdušné směsi suché a čisté atmosféry podle zastoupení:

  • Dusík (78%)
  • Kyslík (21%)
  • Argon (0.9%)
  • Oxid uhličitý (0.03%)
  • Neon (0.002%)
  • Helium (0.0005%)
  • Metan (0.0002%)
  • Krypton (0.0001%)
  • Vodík, xenon, ozon, oxid dusičitý a další (méně než 0.0001% až stopové množství)

Složení v jednotlivých vrstvách

Pokud by působila jen síla tíže, těžší plyny by se vyskytovaly ve spodních vrstvách atmosféry a lehčí (nejlehčí vodík) v nejvyšších výškách atmosféry. Nicméně turbulence a všeobecná cirkulace a zejména vertikální pohyby různého měřítka či další jevy působí vertikální promíchávání vzduchu. Měření v suché a čisté atmosféře ukazují neexistenci větších změn ve složení vzduchu v nejvyšších výškách a toho v nížinách. Vzorky vzduchu z balonových výstupů též změny složení s výškou neukazují. Raketová měření později tak neukázala ani ve stratosféře (do 50km výšky) či ani ve většině mezosféry (až 80km výšky) větší odlišnosti chemického složení atmosféry. Výjimkou z uvedeného ale mohou být vodní pára, oxid uhličitý a ozon.

Od výšky asi 90k nad povrchem již neměnné složení vzduchu neexistuje. Zde se začíná vyskytovat difuzní rovnováha s ustavením se podle molekulových vah jednotlivých plynů. Lehké plyny s výškou ubývají pomaleji. Atmosféra se poté podle chemického složení vzduchu dále dělí, viz další kapitola. V oblasti heterosféry ustává turbulentní promíchávání vzduchu a neudržuje se zde stejné složení vzduchu. Existuje zde elektromagnetické záření. To působí určité projevy chemického typu.

Z uvedeného lze vyvodit závěr, že chemické složení atmosféry zůstává přibližně do 90km výšky nad povrchem téměř bez jakýchkoli změn. Nad touto výškou, kde nazýváme podle tohoto hlediska atmosférickou vrstvu heterosférou ustává turbulence a s tím i neměnné složení vzduchu s výškou.

Dělení atmosféry

Vrstvy atmosféry a stručná charakteristika.Obr. 2 Dělení atmosféry Země podle teploty vzduchu s výškou, výskyt jevů ve srovnání s vrcholy hor, převzato z Bednář, Kopáček 2009 a zpracováno podle Liljequist a Cehak 1985

Podle výšky (chodu teploty ve výšce) dělíme atmosféru na několik vrstev, ve kterých se odehrávají různé jevy a základní prvky, zejména teplota vzduchu, v nich mají specifický trend. Atmosféru však můžeme členit i z pohledu chemického, elektrického a podobně. Z pohledu chemického se atmosféra dělí na homosféru a heterosféru, z hlediska elektrického na neutrosféru a ionosféru (více dále). Z hlediska meteorologie se více zabýváme členěním dle vertikálního chodu teploty vzduchu a to poté i na dalších stránkách. Tam pojednáme podrobně zejména o vrstvě, v níž se odehrává počasí – troposféře. Ve které také probíhá život, na který má počasí značný vliv.

Dělení podle výšky s průběhem teploty

Atmosféra a její vrstvy.

Obr. 3 Náčrt atmosférických vrstev s barevným odlišením dle trendu teploty vzduchu s vyznačením případných pod vrstev a mezi vrstev (detail vrstvy troposféra zobrazuje stejnojmenná stránka)

Atmosféra se dělí nejčastěji dle výšky a průběhu teploty a to na podvrstvy:

  • Troposféra (povrch Země až cca 11km – proměnlivé, více informací na samotné stránce)
  • Tropopauza jako mezivrstva
  • Stratosféra (do cca 50km)
  • Stratopauza jako mezivrstva
  • Mezosféra (do cca 90km)
  • Termosféra (nad 90km)
  • Exosféra (100 – 1000km a výše)

Troposféra se považuje z hlediska meteorologie za důležitou vrstvou, neboť 99% projevů počasí se odehrává právě v ní. Začíná u povrchu Země a její horní hranice je proměnlivá v čase i na různých místech planety i při výskytu různých teplot vzduchu. Za průměrnou horní hranici je uváděna výška 11km na povrchem, ale v našich podmínkách sahá v zimě jen do 8km, ale v létě až do 14km, kolem rovníku pak až do 17km. Teplota v této vrstvě zpravidla a za běžné situace klesá. O troposféře a jejích pod vrstvách důležitých pro projevy počasí pojednává podrobně samostatná stránka (odkaz níže).

Stratosféra je vrstvou, která začíná za tenkou mezivrstvou zvanou tropopauza, která je silná asi 1-2km beze změny teploty. Ve stratosféře se teplota zpočátku nemění, ale později roste ze zhruba -57°C (ale nad některými oblastmi i z nižších teplot) až k 0°C, která je dosažena na horní hranici této vrstvy.

Mezosféra začíná za přechodovou vrstvou zvanou stratopauza. V mezosféře teplota opět klesá a na její horní hranici dosahuje -90°C (v létě i -130°C). V letním období se v této vrstvě objevují noční svítící oblaky (NLC). I když není přesný důvod jejich vzniku zcela znám, zřejmě nevznikají vlivem procesů počasí.

V termosféře teplota opět roste a to výrazně, není ji možno měřit teploměry, neboť hustota vzduchu se zde rovná téměř nule. Exosféra se poté nachází až do nekonečna, tedy do pomyslného konce atmosféry Země (použít můžeme orientační výšku cca 100km nad povrchem, ale tato vrstva sahá i do tisíců kilometrů nad povrchem).

Další dělení atmosféry

Atmosféru lze dělit podle chemického složení na vrstvy:

  • Homosféra
  • Heterosféra

Podle koncentrace iontů a dalších neutronů se dělí na vrstvy:

  • Neutrosféra
  • Ionosféra

Homosféra (do výšky asi 90km) se vyznačuje prakticky neměnným zastoupením hlavních plynů a to vyjma vodní páry, ozonu a oxidu uhličitého. Uplatňuje se zde totiž turbulentní promíchávání vzduchu. Vedle uvedených látek zde mají proměnlivé složení také další a to například čpavek, prach a voda v tekutém i pevném stavu. Z pohledu meteorologického jde o značný vliv, protože některé tyto proměnlivé látky pohlcují některé vlnové délky ze spektra slunečního a tepelného záření planety. tím dochází k vlivu na radiační a tepelnou bilanci soustavy Země  a atmosféra.

V heterosféře (výšky nad 90m) se naopak uplatňuje ustávání turbulence a tím i fakt, že se zde přestává udržovat neměnné složení vzduchu a to i co se týče ostatních látek než uvedených proměnlivých ve vrstvě předchozí, tedy pod heterosférou se nacházející.

Neutrosféra zasahuje oblast od povrchu Země do výšky 60km. Ionosféra má takovou koncentraci iontů a volných elektronů, že zde dochází k odrazu radiových vln a vrstva se vyskytuje ve výškách nad 60km.

Dělení atmosféry na přízemní vrstvu, mezí vrstvu a volnou atmosféru detailněji popisujeme na stránce Troposféra. A to z důvodu, že tyto vrstvy tvoří pod vrstvy právě troposféry jako pod vrstvy atmosféry. A mají největší vliv na počasí.

Nakonec můžeme rozdělit atmosféru podle atmosférických dějů a jevů, které studujeme – jde o zjednodušená dělení a tedy modely atmosféry, zejména:

  • Homogenní atmosféra
  • Izotermní atmosféra
  • Baroklinní atmosféra
  • Barotropní atmosféra

Objasnění těchto můžete najít na naší stránce Atmosféra v encyklopedii.

Praktickým pojmem, se kterým se lze častěji setkat, je standardní atmosféra – popsána dále. Další informace o jejím použití můžete najít též na stránce Letecká meteorologie, v tomto oboru se totiž pojem hojně využívá.

Reálná atmosféra (ISA)

Též nazývaná jako standardní mezinárodní atmosféra (ISA) je idealizovaný model atmosféry, jinými slovy vzor pro vyváženou atmosféru v klidové podobě. Jde o neměnnou atmosféru co se týče místa i času. Skutečná atmosféra taková být nemůže, má tedy permanentní odchylky. Hodnoty této reálné atmosféry se používají ke kalibraci přístrojů, letových vlastností či normování podmínek v letectví. Tato reálná atmosféra jako souhrn podmínek různých meteorologických prvků jako například teplota, tlak, hustota a jejich rozdíly v jednotlivých oblastech.

V reálné, čili standardní atmosféře máme již výše uvedené složení či zastoupení chemických prvků (dusík 78% objemu, kyslík 21% objemu a ostatní plyny 1%), dále tlak vzduchu na hladině moře činí 1013.25hPa, hustota vzduchu ve shodné oblasti je 1.225kg/m3 a teplota vzduchu 15.0°C.

Částice v atmosféře

V atmosféře lze téměř vždy najít vedle vodní páry také produkty této páry při kondenzaci a to vodní kapičky a ledové krystalky. Tyto působí snížení dohlednosti, kdy na naší stejnojmenné stránce se o uvedených faktorech i o prvku dohlednosti dočtete podstatně více. Velmi drobné kapičky o průměru 10-3mm a menším patří kouřmu. O něco větší kapičky mají mlhy a oblaky a to kapičky o průměru 10-3mm. Ve vzduchu se také setkáme s částicemi prachu a kouře. Podle jejich původu rozlišujeme další částice. Tyto částice nevznikají v důsledku výskytu vody, tj. netvoří je voda.

  • Částice kouře
  • Prach z půdy (půdní)
  • Organický prach (pyly, bakterie …)
  • Vulkanický prach
  • kosmický prach
  • Solný prach (odpařené kapky z moře, probublávání vzduchových bublin povrchem vody)

Obsah prachu ve vzduchu ovlivňuje dohlednost. Tyto částice dále pohlcují sluneční záření a tím se více zahřívá vzduch. částice smáčitelné vodou a ty nejdrobnější částice rozpustné ve vodě hrají ještě důležitější funkci. Plní funkci kondenzačních jader, takže podporují kondenzaci vodní páry, neboť se pára může na těchto srážet. Cirkulace vzduchu značně ovlivňuje koncentrace prachových částic ve vzduchu. Neustále do něj vynáší částice prachu a i vzduch hodnocený jako čistý obsahuje velké množství prachových částic. Při silném proudění nad pouštěmi bývá vynášeno do vzduchu extrémní množství těchto částic.

Pádová rychlost částic

Velká průmyslová města se potýkají se spadem 0.5g prachu na 1m2 za den v letním období. Tyto částice v atmosféře padají a mají různé pádové rychlosti. Pro zajímavost uvedeme podle Bednáře a Kopáčka 2009 rychlosti vypočtené podle vzorce pro pádové rychlosti vodních kapiček v atmosféře.

  • Kapičky kouřma o průměru 0.001mm = 0.03mm/s
  • Kapičky mlh a oblačné o průměru 0.01mm = 0.3cmús
  • Mrholení s kapičkami o průměru 0.1mm = 31.7cm/s
  • Kapky deště o průměru 1mm = 31.7m/s
  • Velké kapky deště (typicky při konvekčních srážkách) o průměru 5mm = 794m/s

Z měření byly zjištěny pádové rychlosti pro kapičky mrholení 27cm/s, deště 4m/s a velké kapky deště 9m/s. Významné vzestupné pohyby vzduchu o rychlosti 10m/s a vyšší mohou bránit i pádu velkých kapek deště.

⇒ Podstatně detailnější informace nejen o pádové rychlosti oblačných a srážkových částic v atmosféře najdete na naší stránce Mikrofyzika oblaků.

Ozon v atmosféře

Ozon jako forma molekuly kyslíku sestává z jeho tří atomů. Kondenzace tohoto se odehrává při teplotě -111.9°C a mění se na tmavomodrou kapalinu. Při teplotě -192.7°C dochází k jeho krystalizaci v tmavě fialové barvě. V čistém vzduchu a za malých koncentrací se rozkládá dosti pomalu. V případě teploty na bodu varu, s přítomností oxidu dusičitého, chloru a oxidů těžkých kovů se rozkládá rychle a to na molekulární ozon (zn. O2) a atomární kyslík (zn. O). Nejvíce ozonu v atmosféře se nachází ve výškách 20-50km nad mořem.

Stratosférický ozon pohlcuje škodlivé ultrafialové sluneční záření. Míra pohlcení závisí na spektrálním pásmu záření. Vlnové délky pod 280nm pohlcuje zcela, délky 320-400nm jen z 28%. Ve viditelné části spektra pohlcuje velmi málo a to platí i o infračervené části spektra. Ozon plní funkci filtru, bez něhož by došlo k narušení současných forem života nebo i k jejich zničení. absorpce záření působí také ohřívání vrstev atmosféry s výskytem ozonu, maximum teploty se vlivem tohoto faktu nachází ve výškách kolem 50km (viz členění atmosféry). Vznik ozonu se odehrává ve stratosféře vlivem ultrafialového záření z molekulárního kyslíku.

Oxid uhličitý v atmosféře

Co se týče oxidu uhličitého jako stopového plynu v atmosféře a též má svoji významnost z více hledisek. Velmi důležitou roli hraje v biologii, neboť je životně důležitý pro některé rostliny. Oxid uhličitý se vlivem slunečního záření v listové zeleni rozkládá na uhlík. Tento se využívá při stavbě těla rostliny, kyslík se odevzdává do ovzduší. Pokusy i historické rekonstrukce ukazují, že obohatí-li se vzduch o oxid uhličitý, rostliny lépe rostou. V období karbonu se dokumentuje velmi bujný růst rostlin, neboť obsah tohoto plynu byl v atmosféře i vyšší než dnes. To působila pravděpodobně značná sopečná činnost.

Zásobárnou oxidu uhličitého je hlavně oceán, kde se tento rozpouští v podobě kyseliny uhličité v několikanásobném množství než obsahuje atmosféra oxidu uhličitého. Odehrává se též výměna mezi oceánským oxidem uhličitým a tím v ovzduší, tedy v atmosféře. Přičemž rovnováha mezi koncentrací tohoto plynu v těchto uvedených oblastech záleží na teplotě vody oceánu, dále na biologických procesech v moři i na pevnině. Tento plyn zadržuje část dlouhovlnného tepelného záření ze Země. Působí společně s vodí párou skleníkový efekt atmosféry. To je všeobecně známo a právě v současné době probíhá celosvětový boj s vysokými koncentracemi oxidu uhličitého v atmosféře.

Tím tedy se zesilováním skleníkového efektu a od toho se odvíjejícího globálního oteplování planety. Například na Venuši existuje velmi silný skleníkový efekt, proto tam panuje extrémně vysoká teplota neslučitelného se životem. Naopak, kdyby došlo k vymizení tohoto plynu z atmosféry zcela, ve spodních vrstvách atmosféry by se teplota snížila. V této situaci nastává opačný problém s příliš nízkou teplotou vzduchu na dané planetě.

⇒ Pakliže se chcete dozvědět více informací o turbulenci a konvekci v atmosféře, jako specifických cirkulačních pohybech vzduchu, přejděte na naše stejnojmenné stránky (odkazy ve větě).

Reference

Použitá a doporučená literatura:

DVOŘÁK, P. Letecká meteorologie 2017. Cheb: Svět Křídel, 2017, www.svetkridel.cz.

DVOŘÁK, P. Pozorování a předpovědi počasí. Cheb: Svět Křídel, 2014.

ŘEZÁČOVÁ, D. SETVÁK, M. NOVÁK, M. KAŠPAR, M. Fyzika oblaků a srážek. Praha: Academia, 2007

Napsat komentář