Teplotní poměry povrchu půdy a vodních ploch

Hodnocení článku

V tomto textu podrobněji vykládáme fyzikální a meteorologické děje týkající se teploty povrchu země a vodních ploch. Téma teplotní poměry povrchu půdy a vodních ploch má za úkol ukázat, proč a jakým způsobem se odehrává vedení tepla na těchto odlišných površích. A tedy jak odlišné chování z hlediska tepelných poměrů tyto povrchy mají. Jakou roli hraje pro okolí ohřívající se povrch a jeho typ a jakou roli hraje ohřívající se vodní hladina? Proces ohřívání a vedení tepla je u těchto povrchů diametrálně rozdílný. Jaký typ povrchu zvolit, aby byl v lokalitě zmírněn negativní dopad horkého počasí? Co je to tepelná vodivost? A za jakých podmínek dochází k intenzivnějšímu ochlazování povrchu? Tématice se věnují některé jiné zde vydané texty. V tomto tyto rozšiřujeme a přidáváme podrobnější informace, objasňující veškeré příčiny procesů vedení a odvádění tepla z těchto povrchů.

Na úvod zdůrazněme, že v tomto textu hovoříme o teplotě povrchu, resp. povrchů (pevniny různého druhu a vodních ploch). Nejde tedy o teplotu a teplotní poměry vzduchu, neboť tato tématika je odlišná, byť spolu samozřejmě velmi úzce souvisí. Problematika teploty vzduchu je předmětem jiného samostatného textu. K tomuto tématu nabízíme základní teorii též na stránce Teplota povrchů.

Teplotní poměry půdy

Základním zdrojem energie, jak je obecně známo, je sluneční záření. Jde nejen o hlavní zdroj energie pro ohřívání a tedy zdroj tepla. Ale pro veškeré pro veškeré atmosférické procesy i procesy probíhající na povrchu. Dělí se na přímé a rozptýlené, kdy přímé přichází přímo na povrch. Rozptýlené se odehrává v důsledku rozptylu přímého záření na molekulách vzduchu, vodních kapičkách, aerosolu a podobně. Pozorováno je prostřednictvím záření oblohy, což je ona modrá barva, kterou na obloze vidíme. Bez výskytu tohoto rozptylu záření by byla obloha i za denního světla a slunečního svitu černá (těžko představitelné). Důležitým pojmem zde je pojem albedo, znamenající odrazivost. Přesněji řečeno zde budeme hovořit o odrazivosti povrchu, tj. konkrétního typu povrchu. Odrazivost si představme v podobě množství přicházejícího (dopadajícího) slunečního záření odraženého zpět do atmosféry. To znamená, že o toto přicházející záření je povrch ochuzen a o toto množství se neoteplí. Což je poté spjato s oteplováním vzduchu od povrchu. Neboť již zde nutno zdůraznit, že vzduch se neotepluje přímo slunečním zářením, ale od ohřívajícího se zemského povrchu.

Zasněžený povrch je před poklesem teploty izolován sněhovou pokrývkou a nedojde k jeho takovému ochlazení během nočního vychládání. Izolace je větší, čím je pokrývka vyšší.

Toto oteplení totiž závisí na oteplení daného povrchu a oteplení tohoto povrchu závisí na tom, v jaké míře tento vstřebá (absorbuje) přicházející záření. Odrazivost a absorpce závisejí mimo jiné na výšce Slunce nad obzorem a úhlu dopadu jeho záření na povrch. Poté silně závisí na typu povrchu. Bílý povrch odráží sluneční záření nejspolehlivěji a čím je rozsáhlejší, tím má významnější vliv na ohřívání okolního vzduchu. Proto jak je obecně známo, v bílém oblečení nám bude v horkém počasí menší horko než například v černém. Proto je doporučením přesného měření na meteostanicích používat radiační štít (kryt) na teploměry resp. teplotní čidla natřený bílou barvou. Například typicky meteorologická budka natřená bíle. Největší albedo, tedy odrazovat, tak má sněhová pokrývka či ledový pokryv. Čistý čerstvý sníh je nejspolehlivějším povrchem, který odráží přibližně až 70% či více dopadajícího záření. Proto jsou pro zamezení vzestupu teploty na Zemi důležité povrchy se sněhem a ledem. Těch ovšem v důsledku oteplování značně ubývá a to působí i vlivem sníženého albeda (odrazivosti) další oteplování. Jde tedy o takový „začarovaný kruh“. Ostatní povrchy a vegetace odrážejí většinou 5 až 30% záření.

Oteplování a ochlazování povrchů, aneb tepelná bilance

V souvislosti s radiačním ochlazování a vznikem mlh zmiňujeme tepelnou bilanci v článku Tepelná bilance a radiační ochlazování. Zde jsou důležité příjem a ztráta tepla v různých obdobích dne. Tepelná bilance povrchu tak má dvě složky, příjmovou a ztrátovou. Hlavním zdrojem tepla je energie získaná ze slunečního záření. Mezi příjem tepla povrchu patří teplo přijatí přes den prostřednictvím přímého slunečního záření. Ztrátou tepla povrchu je zejména efektivní vyzařování povrchu, ale i odražená část přímého záření. Pronikající teplo do hlubších půdních vrstev znamená také ztrátu tepla pro zemský povrch. Tepelný tok také patří ke ztrátové složce tepelné bilance povrchu. Kdy je teplo konvekcí a turbulentní výměnou předáváno přilehlým vrstvám vzduchu. Poslední ztrátovou složkou této bilance během dne je latentní teplo spotřebované na výpar vody.

V nočních hodinách je příjmovou složkou tepelné bilance povrchu jednak příliv tepla z přilehlých vrstev vzduchu. Ale také příliv tepla z hlubších vrstev půdy (opačně než přes den). Příjem tepla na povrchu půdy působí i latentní teplo uvolňované při kondenzaci páry u povrchu. Efektivní vyzařování patří stále mezi zásadní výdajovou složku tepelné bilance povrchu. Jde o jedinou výdajovou složku tepelné bilance povrchu během noci.

Tmavé plochy a plochy bez vegetace se obecně více ohřívají, proto tuto plochu v podobě strniště po posekaném obilí můžeme přes den při insolaci čekat o poznání více rozpálenou než plochu s trávníkem, např. na louce.

Chod teploty povrchu půdy

Rozlišit můžeme chod, tedy vývoj, teploty povrchu půdy během dne a během celého roku. Tento je charakteristický pro střídání dne a noci i pro čtyři roční období v našem klimatu. V rámci dne se mění za jinak shodných meteorologických podmínek teplota povrchu periodicky. Vyskytuje se jedno minimum teploty v období východu Slunce, což je v létě dosti brzy ráno a v zimě naopak na konci ranního období. A obvykle po poledni se vyskytuje jedno maximum teploty v rámci dne. Tento chod teploty povrchu závisí mimo jiné na celkové tepelné bilanci, vedle zásadních okamžitých toků záření. Vzestup teploty povrchu se odehrává ihned po východu Slunce, byť bilance záření je ještě nějakou dobu záporná. Příliv tepla z přilehlých vrstev vzduchu k půdě a z hlubších půdních vrstev k jejímu povrchu totiž přivádějí pozdě v noci či ráno dostatek tepla. Takový dostatek, který kompenzuje ztrátu tepla vyzařováním. Po východu Slunce se k přísunu tepla přidává ještě teplo ze slunečního záření.

Shodné je to před západem Slunce, kdy se radiační bilance stane zápornou až nějakou dobu před západem Slunce. Teplota povrchu začne klesat už cca po 13. hodině. Důvodem je ztráta tepla povrchu odlivu tepla do hlubších vrstev půdy, do okolních vrstev vzduchu a uvolněné latentní teplo spotřebované při vypařování. Tepelná bilance se stává zápornou tedy již v tuto chvíli. Povrch půdy bývá během dne teplejší než okolní vzduch. V noci je teplota povrchu nižší než teplota vzduchu. v letním období jsou rozdíly teploty povrchu a vzduchu největší, neboť sluneční záření povrchu velmi významně otepluje až rozpaluje. V tropech se mohou v létě objevit i velmi vysoké hodnoty teploty povrchu půdy, až kolem 80°C. Denní amplituda (výchylka) teploty povrch je také významně větší než v případě teploty vzduchu. Opět zejména v létě v důsledku intenzivního ohřívání povrchu. Amplitudy teploty povrchu dosahují tedy často 20°C, v některých oblastech i dvojnásobné hodnoty. Velikost výchylky a tzv. denní chod teploty povrchu závisí na několika faktorech:

• Oblačnost.
• Výměna tepla mezi půdou a vzduchem.
• Expozice (sklon a orientace povrchu).
• Vlastnosti půdy (odrazivost, výskyt sněhu, vegetace, vlhkost půdy aj.).

Povrch s vegetací se přes den méně intenzivně ohřeje, v noci též méně ochladí. Nízká vegetace je menší izolátor než hustá a vysoká vegetace, viz na fotografii louka a v pozadí postupně les, kde je povrch při nočním vyzařování teplejší a při denní insolaci naopak o poznání chladnější.

Nyní rozeberme zejména hlavní faktory působící na teplotu povrchu. Insolaci a efektivní vyzařování povrchu ovlivňuje oblačnost na obloze. Insolace se uplatňuje během dne, kdy se odehrává sluneční svit. Při výskytu oblaků se tedy logicky insolace snižuje a pakliže oblačnost zcela znemožňuje průnik slunečních paprsků k povrchu, je insolace nulová. V takovém případě se odehrává jen difuzní sluneční záření. Efektivní vyzařování tepla z povrchu se uplatní v nočních hodinách. Též je toto za jasné oblohy vyšší než při výskytu oblačnosti. Tím tedy dochází za jasné oblohy k většímu poklesu teploty povrchu. To má vliv na denní amplitudu teploty povrchu. Při jasném počasí je tato vyšší – v noci se povrch více ochladí a přes den naopak ohřeje.

Vegetace snižuje bezprostřední oteplování půdy slunečním zářením během dne. Holá půda bez vegetace tak může být v létě až o 10°C teplejší než půda s výskytem rostlin. i noční ochlazení půdy s výskytem vegetace je méně intenzivní. V zimním období působí sněhová pokrývka také méně intenzivní ochlazování povrchu (pozor, nikoli vzduchu) a půdu před mrazem chrání. S tou samozřejmě chrání i vegetaci. Sníh má totiž malou tepelnou vodivost. Více chrání a snižuje denní rozdíl teploty povrchu půdy vyšší sněhová pokrývka.

Tepelná vodivost půdy má vliv na tok tepla. Při větší tepelné vodivosti půdy je přes den odváděno více tepla z povrchu do hlubších vrstev a ztráta tepla na povrchu je větší. Z toho tedy plyne, že vzestup teploty povrchu bude menší. V nočních hodinách se uplatňuje v případě větší tepelné vodivosti půdy menší ochlazení takové půdy. Důvodem je intenzivnější tok tepla z hlubších vrstev půdního profilu směrem k povrchu. Při větší tepelné vodivosti je amplituda teploty v rámci dne nižší. Větší tepelnou vodivost má například vlhká půda. Amplituda teploty povrchu bude tedy v tomto případě vyšší v případě suché půdy.

Noční mráz na povrchu půdy

V přechodových ročních obdobích (jaro a podzim) se v našich podmínkách vyskytují v noci a ráno na povrchu půdy mrazy. Tyto mrazy nazýváme mrazy na povrchu půdy či tzv. přízemní mrazy. Dělí se na radiační, advekční a radiačně-advekční mrazy. Velmi časté jsou radiační mrazy vzniklé v důsledku efektivního vyzařování v nočních hodinách, které ovlivňuje několik základních faktorů.

• Oblačnost.
• Rychlost větru.
• Typ krajiny.
• Tepelná vodivost půdy.

Šíření tepla do půdy

Teplo se šíří do hlubin půdního profilu vedením, avšak pouze v případě existence rozdílů teploty v profilu půdy. Nástup denních maxim a minim teploty se s hloubkou v půdě zpožďuje o 2.5 – 3.5 hodiny na každých 10cm hloubky. Zpoždění ročních extrémů teploty čítá 20-30 dní na metr hloubky. Jde o výsledky pozorování, která korelují s teoretickými výpočty dle rovnic. V zimním období teplota půdy s hloubkou narůstá. Na jaře je vyšší teplota na povrchu a ve větších hloubkách a mezi těmito vrstvami se nachází oblast s nižší teplotou. V létě teplota v půdě s hloubkou klesá. V podzimním období jde o nejvyšší teplotu půdy v určité hloubce. Oběma směry teplota půdy klesá, tj. půda je na povrchu a ve větších hloubkách oproti jarnímu období nižší. Hladina zániku ročních změn teploty v půdě se nachází asi dvacetkrát hlouběji než hladina zániku denních změn teploty v půdě. Denní změny teploty v půdě sahají asi do hloubek kolem metru, roční změny až do 30 metrů.

Teplotní poměry vodních nádrží stručně

Časové změny teploty na povrchu vodních nádrží vykazují nízké denní i roční amplitudy (výchylky/změny) oproti povrchu půdy. To je dáno zejména tím, že objemové měrné teplo vody je asi 2-3 krát větší než u půdy různých druhů. Shodným množstvím tepla se voda tedy oteplí méně než půda a shodně to platí i o ochlazování těchto rozdílných povrchů. Teplotní změny povrchu vody jsou tak významně pomalejší než u změn teploty půdy (větší tepelná setrvačnost vody). Zejména přes den je oteplování povrchu vody snižováno spotřebou tepla (pozn. latentní teplo) na výpar. Voda je navíc pro sluneční záření do jisté míry propustná a část paprsků tak proniká do určité hloubky vody. Tímto zářením se tak otepluje dosti silná vrstva a na povrchu vody je tak oteplení menší než u půdy. Tam sluneční paprsky do hlubších vrstev proniknout nemohou. Teplotní poměry a změny také značně ovlivňuje pohyblivost vody, kdy dochází k jejímu promíchávání. To je podobné jako pohyb vzduchu při větru nebo třeba jen vánku v nočních hodinách, který brání intenzivnějšímu ochlazování. o tom pojednáváme v jiném článku, týkajícím se teplotních poměrů vzdušných vrstev u povrchu.

Podobně jako u vzduchu dochází turbulencí, konvekcí a prouděním či vlněním k neustálému promíchávání vody a to do poměrně velké hloubky. Tím se vertikálně přemisťují objemy vody a s nimi i jejich zásoby tepla. Příčinou těchto pohybů tekutiny je hlavně turbulence a konvekce. Konvekce se odehrává vlivem termiky. Při teplotě nádrže nižší než 4°C jsou z důvodu nejvyšší hustoty sladké vody při této teplotě složitější. Pokud se otepluje povrch sladké vody o nižší teplotě než 4°C, poroste hustota vody u povrchu. Makroskopické částice v této části vodního profilu, které se ohřátím staly těžšími, klesnou do nižších vrstev. A na jejich místo budou stoupat částice z hlubších vrstev k povrchu, tedy ty lehčí s nižší teplotou. V nádržích se sladkou vodou o nižší teplotě než 4°C je tedy konvekce větší při oteplování vodního povrchu, tedy v denní době.