Plyny, ze kterých se atmosféra skládá, již známe. Nyní se podíváme na vrstvy atmosféry, protože od povrchu země až do vesmíru nemá atmosféra pochopitelně stejné složení a vlastnosti.
Názvy všech vrstev atmosféry (kromě stratosféry, která pochází z latiny) jsou odvozeny z řeckých slov: sféra je řecky koule, neboli v tomto významu vrstva. Ozó v řečtině znamená "vonět", proto je tak pojmenován ozón, který je opravdu cítit... I slovo atmosféra je odvozeno od řeckého atmos, což znamená "pára".
Troposféra se nachází nejníže, žijeme v ní a je tedy pro nás nejdůležitější. Sahá do výšky okolo 10 km (nad póly a nad rovníkem je to různé). S narůstající výškou teplota v troposféře klesá (viz červená čára na diagramu vpravo). V troposféře probíhají všechny meteorologické jevy (počasí): vyskytuje se tu vítr, oblaka, dešťové srážky atd. Z tohoto vznikl také její název: tropos znamená řecky "míchat", čili ve smyslu, že se zde vzduch větrem míchá...
Stratosféra sahá do výšky od 10 do 50 km a do výšky 30 km je v ní stálá teplota. V této výšce kolem 30 km uprostřed stratosféry se nachází vrstva s vyšší koncentrací ozónu (tzv. ozonová vrstva neboli ozonosféra) — o ní viz dále. Nad ozonovou vrstvou teplota stratosféry stoupá. Kolem pólů se ve stratosféře mohou vyskytovat i tzv. perleťová oblaka (tvořená hlavně vodou), která rovněž způsobují vznik ozonových děr.
Mezosféra (z řeckého mesos = uprostřed — vzpomeň z dějepisu mezolit...) sahá do výšky od 50 do 80 km a teplota v ní opět klesá. I mezosféra je pro nás důležitá, protože v ní shoří většina meteorů, které by jinak dopadly na zem.
Termosféra (z řeckého thermos = teplo) sahá do výšky od 80 až do 500 km a teplota v ní stoupá na neuvěřitelných 1400°C! Vyskytuje se zde polární záře (plyny, které "svítí" v důsledku zionizování slunečním větrem, tedy částicemi přicházejícími od Slunce).
Exosféra (z řeckého exó = ven, mimo, vnější...) je poslední vrstvou atmosféry, která nemá horní hranici, neboť plynule přechází do meziplanetárního prostoru. Je tvořena jen volnými atomy nejlehčích plynů (helia, vodíku).
Atmosféra má pro život na Zemi několik důležitých významů, především jde o:
Na ozonovou vrstvu a skleníkový jev se trochu podrobněji podíváme nyní.
Již minule jsme si řekli, že 21 % vzduchu tvoří plyn kyslík. Ačkoli chemii budeš mít až v osmičce, možná už dnes víš, že chemické látky se skládají z molekul, které jsou poskládané z atomů. Chemická značka kyslíku je O (z latinského oxygenium, z čehož vzniklo anglické oxygen). Jelikož molekulu kyslíku tvoří 2 atomy, můžeme ji označit O₂ (aspoň už víš, kde se inspiroval španělský mobilní operátor :-).
Za určitých podmínek však může vzniknout ozon. Ozon není nic jiného než molekula se třemi atomy kyslíku, jeho vzoreček je tedy O₃. Vzpomeň si, jak zvláštně voní vzduch po bouřce (ozó je řecky vonět). Tu vůni dělá ozon, který vzniká elektrickými výboji během bouřky. Molekula ozónu je však značně nestabilní a ozon má snahu rozpadat se zpátky na dvouatomový kyslík. Třetí atom je chvíli sám a říká se mu volný radikál, dokud si nenajde druhého kámoše volného radikála a neudělají ze sebe novou molekulu kyslíku.
Právě volné radikály jsou pro člověka nebezpečné, protože ve větší koncentraci poškozují např. plicní tkáň či způsobují dýchací problémy. Troposférický neboli přízemní ozon tedy není moc zdravé dýchat. Něco jiného je ale stratosférický ozon vysoko nad námi tvořící ozonovou vrstvu, bez kterého by život na Zemi nebyl...
Již z minula víme, že stratosféra se nachází ve výšce od asi 10 do 50 km. Zhruba uprostřed stratosféry, ve výšce okolo 25 až 35 km, se nachází ozonová vrstva (ozonosféra). Ta filtruje škodlivé ultrafialové záření typu B (anglicky ultra-violet, čili UV-B), které přichází od Slunce. UV-B záření poškozuje živou tkáň, způsobuje např. rakovinu kůže nebo poškození oční rohovky.
Ozonové díry se nacházejí hlavně v oblastech pólů. Obrázek ukazuje vývoj ozonové díry (modrá barva) nad Antarktidou v letech 2002 až 2017. V roce 2019 byla údajně ozonová díra nejmenší od roku 1982.
Bohužel, lidé od 30. let 20. století začali vyrábět chemické látky zvané freony, které byly používány např. jako hnací plyny do sprejů nebo jako chladící média do ledniček. Freony vždy tvoří atomy prvků fluoru nebo chlóru, a právě chlór, pokud se freony dostanou vysoko do stratosféry, rozbíjí molekuly ozonu a tím narušuje a ztenčuje ozonovou vrstvu. Ozonová díra tedy není místo, kde by ozon vůbec nebyl (jak by slovo "díra" mohlo naznačovat), ale je ho tam méně...
Od 70. let vědci přicházeli na to, že vznik ozonových děr způsobují právě freony, a tak se jejich produkce začala od 80. let postupně snižovat a zakazovat. Molekuly freonů bohužel ale mají dlouhou "životnost", a tak rozkládají ozón i roky po té, co se ve vyspělém světě (Evropská unie 1994, USA 1996...) přestaly vyrábět. Některé země Afriky či Asie navíc freony vyrábějí a používají dál...
V médiích se v posledních letech často řeší problém tzv. skleníkového jevu (efektu) a zdůrazňují se jeho negativní (špatné) dopady na planetu. Skleníkový jev je zodpovědný za udržování stálé a vyšší teploty na Zemi. Vzpomeň si na ta dvě čísla uvedená v části Funkce atmosféry: bez atmosféry by průměrná teplota na Zemi byla -18°C, s atmosférou je průměrná teplota +15°C. Skleníkový jev je tedy sám o sobě pro lidi dobrý a nutný, špatné je však jeho zesilování, které způsobuje člověk.
V atmosféře se vyskytuje celá řada plynů, které mají tu vlastnost, že na sebe vážou teplo získané ze slunečního záření. Takovým plynům se v této souvislosti říká skleníkové plyny, protože ve skleníku je také větší teplo než mimo něj, když na skleník svítí... Kdyby tyto plyny v atmosféře nebyly, mnohem větší část tepla by se z atmosféry vyzářila zpátky do vesmíru.
Mnoho plynů má tu vlastnost vázat na sebe teplo a je možné je řadit mezi skleníkové plyny. Nejznámější je oxid uhličitý a metan, často se ale zapomíná na vodní páru nebo nám už známý ozon, který kromě filtrování škodlivých UV-B paprsků má schopnost i vázat teplo.
Oxid uhličitý (CO₂) je přirozenou součástí vzduchu a jeho molekulu tvoří atom uhlíku (C) a 2 atomy kyslíku (O).
Největší přírodní producent CO₂ jsou sopky, které kromě lávy a kamení (pyroklastik) chrlí i spousty plynů, mezi nimi právě CO₂.
Jenže před zhruba 200 lety člověk zdokonalil parní stroj, který byl poháněn uhlím, jehož pálením a reakcí s kyslíkem vzniká právě CO₂. Před zhruba 100 lety člověk vymyslel spalovací motory, které pohání produkty z ropy, a hlavní složkou ropy je opět uhlík C, který se jejím spalováním v motorech uvolňuje do atmosféry.
Hlavními antropogenními (člověkem vytvořenými) zdroji CO₂ jsou tedy továrny (průmysl) a doprava (automobilová, letecká...). Člověk však nejen CO₂ vyrábí, ale znemožňuje i jeho likvidaci, neboť lidé kácejí stromy, které CO₂ dýchají a vydechují kyslík O₂. Amazonský prales, největší deštný les světa a "plíce planety", ubývá ročně v průměru o rozlohu Moravy!
Metan (též methan, CH₄) možná znáte, pokud vám dědeček vyprávěl, jak pracoval na šachtě. V dolech se mohl tento plyn z geologického podloží uvolnit a ve styku s ohněm způsobil výbuch. Metan je také součástí zemního plynu.
Ovšem největší podíl metanu (kolem 90 %) vyprodukuje dobytek, který lidé chovají na maso. Metanu je sice v atmosféře asi 200× méně než oxidu uhličitého, avšak jeho skleníkový účinek je přesto asi 20× větší než u CO₂!
Vodní pára je vypařená voda. Oblaka nejsou nic jiného, než "chuchvalce" vodní páry. Je to nejvýznamnější skleníkový plyn. Pára je významná pro přenos tepla, její skleníkový efekt je vyšší než u oxidu uhličitého! Právě ony parní stroje, které se začaly používat během průmyslové revoluce před 200 lety, konaly svou práci díky páře. Vždyť i celému 19. století, kdy se parní stroje masově rozšířily, se někdy říká "století páry".
Teplota je neproměnlivější a spolu se srážkami nejvíce sledovaný ukazatel počasí. Měří se v rozličných stupnicích:
Nejpoužívanější je Celsiova stupnice (°C). Švédský fyzik Anders Celsius ji v 18. století odvodil od teplot skupenských přeměn nejběžnější látky na Zemi, kterou je voda. Při 0°C voda tuhne, při 100°C přechází do varu.
Německý fyzik Gabriel Fahrenheit [fárnhajt] stanovil nulu své stupnice podle nejnižší teploty, jaké se mu podařilo dosáhnout smícháním určitých chemických látek. Fahrenheitova stupnice (°F) se používá v USA. Celsiovy a Fahrenheitovy stupně jsou různě velké.
V chemii se používá Kelvinova stupnice (K), která má stejně velké stupně jako Celsius. Nemá záporné stupně, protože 0 K je tzv. absolutní nula (asi -273°C), tedy teplota, v jaké se zastaví pohyb atomů v látce a nižší teploty proto nelze dosáhnout.
V minulosti byly používány i další, dnes již zapomenuté stupnice (Réaumurova [reomyrova] °Ré, Rankinova °R a další).
Zařízení k měření teploty se nazývá teploměr. Je to skleněná trubička naplněná tekutou látkou, která se změnou teploty výrazně mění objem. Kdysi se hojně používal jediný kapalný kov rtuť, jehož výpary jsou však jedovaté, což při rozbití teploměru představovalo problém. Dnes se proto používá obarvený líh (ethanol).
Úkol: Najdi podle informací v učebnici nebo v prezentaci místa, kde byla naměřena nejvyšší a nejnižší teplota na Zemi a tato místa vyhledej v atlase.
Vzniká nahromaděním vodní páry. Rozlišujeme 2 základní druhy oblačnosti:
Kupovitá oblačnost je typická letní oblačnost, ze které mohou přijít přívalové (krátké a vydatné) dešťové srážky.
Slohovitá oblačnost je typická pro podzim a zimu. Jedná se o souvislou šedivou pokrývku oblohy, ze které mohou vypadávat dlouhodobější srážky.
Typů oblak samozřejmě rozlišujeme víc. Jejich názvy jsou složeny z těchto latinských slov, ke kterým existují následující české ekvivalenty:
Dle množství oblačnosti rozlišujeme:
Pokud se v oblačnosti nahromadí vlhkosti příliš mnoho, začnou vypadávat srážky. Srážky mohou být kapalné (dešťové) nebo pevné (sněhové v zimní části roku nebo kroupy v letní části roku, které zjednodušeně řečeno vznikají tak, že kapky vody propadávají chladnější vrstvou atmosféry, kde namrznou).
Kdybyste toho divného týpka s brýlemi, bez vousů a s vlasy nemohli poznat, tak vězte, že je to váš učitel na vysoké škole ve společnosti srážkoměru, kterým se měří srážky...
Srážkoměr je nádoba, která má plochu 1 m² a je konstruována tak, aby se zabránilo výparu nachytané vody z ní. Pokud na plochu 1 m² naprší výška 1 mm srážek, je to objemově 1 litr.
Stejně jako teplota, i úhrn srážek se značně liší v průběhu roku, ale také na různých místech na Zemi.
Zprůměrované roční srážky za 30 let v letech 1961 až 1990.
K nejdeštivějším místům v Česku patří Lysá hora v Beskydech (kolem 1300 mm/ročně, tedy asi 1,3 metru srážek za rok.
K nejsušším místům patří jižní Morava a Poohří, schované ve srážkovém stínu Krušných hor, kde napadne ročně jen kolem 400 mm srážek (necelého půl metru).
Atmosférický tlak je síla, kterou na nás působí hmotnost sloupce vzduchu nad námi. Čím jsme tedy ve větší nadmořské výšce, tím je atmosférický tlak nižší. Ovšem tlak se může lišit i ve stejné nadmořské výšce na dvou různých místech. Jedná se o tzv. tlakovou výši a tlakovou níži.
Červená křivka ukazuje, jak s narůstající nadmořskou výškou (km) klesá tlak (jednotka mb = milibar)
Pokus s PET lahví, ve které je vakuum: na vrcholu hory je okolní atmosférický tlak nejnižší, PET láhev je tedy nezdeformovaná; na hladině moře (poslední obrázek) je okolním vyšší tlakem zmáčknutá...
Zařízení na měření tlaku se nazývá barometr (tlakoměr).
Nejjednodušším je rtuťový barometr: v misce se rtutí je ponořena zkumavka, ve které je vzduchoprázdno (vakuum). Okolní atmosférický tlak vytlačí rtuť do určité výšky (při normálním tlaku 1013 hPa je to 7,6 cm... kdyby tam byla místo rtuti voda, musela by být zkumavka vysoká asi 10 metrů, což by bylo jistě poněkud nepraktické :-)
Aneroid je jiný tlakoměr, který sestává z duté plechové krabičky, ve které je rovněž vakuum. Krabička se tlakem promačkává a míra promáčknutí je pérkem přenášena na ručičku, která ukazuje tlak.
Meteorologové vytvářejí tzv. synoptické mapy, které můžeš vidět v televizi při předpovědi počasí a jejíž ukázku vidíš i zde. Můžeš na ní pozorovat tlakové výše (V) a níže (N). Tak jako na topografické mapě ti místa se stejnou nadmořskou výškou zobrazují vrstevnice (cizím slovem izohypsy), na synoptické mapě místa se stejným tlakem zobrazují izobary. Oranžové šipky ukazují směr větru a světlé šedé chuchvalce znázorňují oblačnost.
Právě vítr vzniká vyrovnáváním rozdílů mezi tlakovými výšemi a nížemi. U větru měříme jeho rychlost a směr.
Směr větru ukazuje větrná korouhev. Směr se určuje podle toho, odkud vítr vane: v ČR nejčastěji severozápadní vítr (tedy vane od severozápadu na jihovýchod — vzpomeň si na dějepis: kde obvykle v pravěkých domech bývalo umístěno ohniště? :-).
Rychlost větru měří zařízení zvané anemometr. Měří se v metrech za sekundu (m/s) nebo v kilometrech za hodinu (km/h). V ČR je obvyklá rychlost větru kolem 10 m/s (tzn. 36 km/h). Nejsilnější bouře na Zemi dosahují až 85 m/s (300 km/h).
Charakter podnebí (klimatu) na nějakém místě na Zemi v zásadě určuje kombinace několika okolností (faktorů), kterými jsou:
Je jasné, že na všechna místa na Zemi nedopadají sluneční paprsky pod stejným úhlem. Zatímco v oblasti rovníku dopadají pod víceméně pravým úhlem, a tudíž nejvíce ohřívají povrch, v polárních oblastech dopadají pod ostrým úhlem a značná část se jich od zemského povrchu odráží. Proto čím víc se vzdalujeme od rovníku směrem k pólům, tím méně je zemský povrch ohříván slunečními paprsky.
Na rovníku v poledne máme slunce v nadhlavníku (zenitu). Sluneční paprsky dopadají kolmo na zemský povrch.
V polárních oblastech je v poledne slunce těsně nad obzorem (horizontem), sluneční paprsky dopadají na povrch pod velmi ostrým úhlem a odrážejí se od povrchu, který příliš neohřívají.
S narůstající nadmořskou výškou klesá teplota, zhruba o 0,65°C na každých 100 výškových metrů... Asi každý z vás byl někdy na horách a ví, že je tam "větší zima" než dole...
Ačkoli nejvyšší hora Afriky Kilimandžáro leží téměř na rovníku, její vysoká nadmořská výška (skoro 6 km) způsobuje, že se na vrcholku drží celoročně sníh.
Vzdálenost nějakého místa od oceánu také velmi výrazně ovlivňuje, jaké je na daném místě podnebí, protože voda a pevnina mají rozdílné tepelné vlastnosti, které si nyní vysvětlíme:
OCEANICKÉ PODNEBÍ:
Voda se na rozdíl od pevniny pomalu ohřívá, ale také pomaleji chladne. Co to tedy znamená? V létě jsou pobřežní oblasti od oceánu ochlazovány. V zimě naopak, kdy by pevnina jinak rychle zchladla, oceán pevninu ohřívá, protože se přes léto pomaličku nahřál. Takovému podnebí říkáme oceanické a je typické menšími teplotními výkyvy během roku: léta bývají mírnější (chladnější), zimy naopak teplejší. Typickým příkladem oceanického podnebí je Anglie s teplými zimami bez sněhu a deštivějšími léty...
KONTINENTÁLNÍ PODNEBÍ:
Pevnina se na rozdíl od vody rychle ohřívá, ale také rychle chladne. Místa velmi vzdálená od oceánu (např. střední Asie) tedy v létě vykazují velmi vysoké teploty, v zimě naopak velmi kruté a mrazivé zimy. Sibiř, asijská část Ruska, je pověstná svými mrazivými zimami, kdy teplota padá zcela běžně např. k -60°C, ale již méně známá jsou velmi teplá sibiřská léta plná komárů z bažin. Kontinentální podnebí je tedy typické obrovskými teplotními výkyvy mezi létem a zimou.
Tento náhodný graf ukazuje průběh teplot během roku v případě oceanického (maritime) a kontinentálního (continental) podnebí. Třetí křivka (equatorial) ukazuje teploty na rovníku, které jsou v průběhu roku téměř neměnné...
Dalším faktorem jsou teplé a studené oceánské proudy. Známý je např. teplý Golfský proud, který z Karibiku přináší teplou vodu směrem ke břehům západní Evropy. V Irsku, Británii nebo Norsku je tak mnohem tepleji, než na stejné zeměpisné šířce v Kanadě, kterou omývá naopak studený Labradorský proud.
V malém krajinném měřítku hraje roli také sklon svahu. Zde na severní polokouli máme slunce na jižní obloze, proto jižní svahy jsou slunečním paprskům více vystaveny (exponovány) než svahy severní. Na severních svazích tedy většinou rostou rostliny a dřeviny, které mají rády větší chladno a vlhko, na jižních svazích naopak roste teplomilná vegetace, která je náročnější na sluneční světlo. (Na jižní polokouli je vše samozřejmě naopak: slunce se pohybuje během dne po severní straně oblohy, chilské víno si tedy lidé vychutnávají ze severních svahů ;-)
Jihomoravská vinice je situována na jižním svahu, který je více exponován slunečnímu záření.
Z obrázku vidíme, že sluneční paprsky dopadají pod přímějším úhlem na jižní svah, který se více hodí k zemědělství. Severní svah je chladnější, hodí se např. pro lesnictví.
No a poslední faktor, tedy jak člověk ovlivňuje klima, je nám již dobře známý: jedná se především o emise (vypouštění) skleníkových plynů do atmosféry (oxid uhličitý, metan atd.), kácení lesů a odstraňování vegetace, zastavování ploch atd.