Škola letecké meteorologie, 10. díl - Teplo, radiační bilance a energetika atmosféry

17.7.2020

Dodávka sluneční energie je alfou a omegou dynamiky atmosféry. Procedura událostí je asi takováto:

 

Slunce vyzáří spektrum radiace. Tato energie se šíří všemi směry od hvězdy a zasahuje také Zemi. Před vstupem do zemské atmosféry dopadá na metr čtvereční, vystavený kolmo k paprskům, energie 1,366 kJ a příkon za jednu sekundu je tedy 1,366 kW. Průchodem atmosférou se část této energie rozptýlí, odrazí nebo pohltí molekulami některých plynů a atmosféra se tak částečně zahřívá. Zbývající tok energie záření dorazí k zemskému povrchu, od kterého se rovněž částečně odráží a částečně jej zahřívá. Vzniklé teplo je následně vyzařováno zpět do atmosféry, ovšem maximum takto vyzařované energie leží v dlouhých vlnových délkách v oblasti infračervené části spektra, naším zrakem neviditelné — pokud chceme spatřit toto tepelné záření, musíme si vypomoci termokamerou, která změří tepelnou radiaci a převede ji na viditelné barvy světla na displeji.

Tepelná radiace, vycházející ze zemského povrchu a procházející skrze atmosféru, se ještě znovu částečně zachycuje na molekulách skleníkových plynů a ty se zahřívají. Aby to nebylo jednoduché, tyto molekuly pak zase vyzařují dlouhovlnnou radiaci kolem sebe do všech směrů, včetně směru zpátky k zemskému povrchu. To se nazývá zpětné záření. Další části radiace jsou absorbovány a rozptylovány oblačnými kapičkami, část tepla se spotřebovává na výpar. Celkově tak vzniká komplikované nehomogenní pole teploty zemského povrchu i atmosféry. Výsledkem je vznik hustotních nehomogenit vzduchu, tolik odlišných od idealizovaného modelu ISA. A zase důsledkem toho vznikají nehomogenity tlaku, který se však neustále snaží dostat do rovnováhy, což činí přesunem hmoty neboli větrem. Vodorovný posuv vzduchu přenáší i některé parametry, jako třeba teplotu, vlhkost nebo kinetickou energii, čemuž říkáme advekce. Svislý posuv vzduchových elementů vzniká, jestliže je porušena hydrostatická rovnováha, a to nazýváme konvekce. Samozřejmě i konvekce přenáší určité parametry, ale protože po vertikále se mnohonásobně výrazněji mění tlak oproti horizontálnímu přesunu, mění se výrazněji i hustota, teplota nebo vlhkost takového vzduchového elementu.

Pomocí rovnice hydrostatické rovnováhy, stavové rovnice a první věty termodynamiky se dá dovodit, jak se bude měnit teplota vzduchového elementu při jeho vertikálním pohybu. Výsledkem je zjištění, že nenasycený vzduch se při pohybu vzhůru ochladí o 0,98 °C na každých 100 m výšky (zaokrouhlujeme na 1 °C/100 m). Tato vlastnost se ukáže jako důležitá, když máme rozhodnout, zda vzduchové elementy budou stoupat samovolně, anebo jen z donucení — to si budeme vysvětlovat v pozdějších lekcích o termice.

Země obíhá kolem Slunce po mírně výstředné elipse. Rozdíl mezi přísluním a odsluním není velký, v lednu je naše planeta vzdálená od Slunce 147 miliónů km, v červenci 152 miliónů km. V důsledku toho kolísá sluneční konstanta, tj. 1,366 kW na metr čtvereční, o 6,9 %, takže to není úplně konstanta. Nicméně pro tepelný režim Země je to málo podstatné. Daleko víc se uplatní sklon paprsků vůči jednotkové ploše. Například na 50. rovnoběžce je v červnu, kdy slunce stojí na obloze nejvýš, příkon na vodorovnou plochu o velikosti metru čtverečního kolem 1 až 1,2 kW za plně slunného dne. Tento údaj jistě potěší provozovatele solárních elektráren. V prosinci, kdy je polední výška slunce jen asi 17 ° nad obzorem, je příkon záření sotva třetinový. To ale nezapočítáváme vliv atmosféry, ve které se, jak jsme už řekli, velká část energie absorbuje nebo rozptýlí, a při nízké výšce slunce nad obzorem procházejí paprsky daleko větší hmotou atmosféry, než když je slunce vysoko. Na jednotkovou plochu pak dopadá jen několik desítek Wattů energetického příkonu, což provozovatele solárních elektráren naopak úplně netěší.

Tepelné záření zemského povrchu ovlivňuje teplotu v troposféře. Blízko země je obvykle teplota vzduchu nejvyšší a s rostoucí výškou pak klesá. Ve vyšších vrstvách atmosféry někde teplota roste, ale to je dáno právě vysokou absorpcí sluneční radiace s molekulami např. ozónu. U zemského povrchu je tedy teplota troposféry zpravidla nejvyšší. Nastávají však situace, kdy zemský povrch silnou radiací vyzařuje velké množství energie a ochlazuje se. Typicky za bezoblačných a bezvětrných nocí, v zimě je toto vyzařování ještě posíleno sněhovou pokrývkou. Od výrazně ochlazeného povrchu se ochladí i přiléhající vrstvy vzduchu a pak u zemského povrchu není nejtepleji; naopak je zde nižší teplota, než o desítky až stovky metrů výš. Vertikální profil teploty je uspořádán do teplotní inverze, kdy teplota vzduchu s výškou roste a teprve nad ochlazenou vrstvou zase klesá. Teplotní inverze může být situována hned u zemského povrchu, té říkáme přízemní, anebo ve výšce, to je inverze výšková.

Přízemní radiační inverzi většinou účinně rozptýlí větrné počasí, které způsobuje turbulentní promíchávání vzduchu. Vzduchové elementy v turbulentním prostředí vykonávají chaotické pohyby včetně vertikálních. Při pohybu vzhůru se vzduch ochlazuje (je-li nenasycený, tak o 1 °C/100 m) a při pohybu dolů otepluje, rovněž o 1 °C/100 m. Díky tomu se průběh teploty vzduchu s výškou tzv. normální, tj. s rostoucí výškou klesá o ten 1 °C/100 m.


RNDr. Petr Dvořák
Letecký meteorolog, lektor

www.jasno.cz

Flying Revue > Letecká videa > METEO > Škola letecké meteorologie, 10. díl - Teplo, radiační bilance a energetika atmosféry
Loading...

Čtěte v rubrice dále

Loading...

Čtěte v rubrice dále

.

         Máme pro vás »

FR 4/2020: Už máte?

Letecký cestopis pro vás:


První český letecký cestopis » 

Pojišťovna Ergo:

Předplatné + Předplatné jako dárek:

..
1234

 

Knihy:

..
12345

Aplikace VFR Comm.:


             Kapitola zdarma - vyzkoušejte »

Tracker Trexee


    » Další rozměr létání i pomoc v nouzi
 

Kalendárium:

Dne 13.08.1932 se stalo...
13.08.1932
První let závodního a rekordního stroje Gee Bee Model R.
zavřít

e-Shop FR:

Živě z dráhy 06/24:

Partneři:

..
123456