globální energetická bilance země

 

1.1  Elektromagnetické záření

-         sluneční záření – elektromagnetické x korpuskulární (částicové)

-         elektromagnetické záření – soubor záření různých vlnových délek vycházejícího od povrchu objektu

-         vlnová délka L – vzdálenost od jednoho hřbetu vlny k sousednímu hřbetu; jednotka – μm (10-6 m) nebo nm (10-9 m)

Obr. 2.1/31 - Strahler, Strahler (1999)

 

1.1.1        Záření a teplota

-         dva základní principy emise elektromagnetického záření:

a)      nepřímý vztah mezi vlnovou délkou záření daného tělesa a jeho teplotou (Slunce – kratší vlnové délky, Země – větší vlnové délky)

b)      teplejší tělesa vyzařují mnohem více než tělesa chladnější (závislost na čtvrté mocnině absolutní teploty – Stefan-Boltzmannův zákon)

 

1.1.2        Sluneční záření

-         Slunce: jaderné reakce proton-protonového cyklu (přeměna vodíku na hélium) – povrchová teplota 6000 ˚C – výkon Slunce 2,8.1026 W – rychlost elektromagnetického záření 300 tisíc km.s-1 – 8 1/3 min. než dorazí na Zemi

-         vzdálenější planety – méně energie od Slunce; Země – 1,7.1017 W

-         spektrum elektromagnetického záření:

a)      ultrafialové záření – 0,2-0,4 μm – pohlceno téměř úplně plyny v atmosféře – škodlivé pro živé organismy

b)      viditelné záření – 0,4-0,7 μm – světelná energie – barva závislá na vlnové délce (fialové, modrá, zelená, žlutá, oranžová, červená) – jen malá část pohlcována

c)      krátkovlnné infračervené záření – 0,7-3 μm – lidské oko není ne ně citlivé – snadno proniká atmosférou

-         a) + b) + c) = krátkovlnné záření

d)      tepelné infračervené záření – > 3 μm – vydáváno chladnějšími objekty – pociťováno jako teplo – označuje se jako dlouhovlnné záření (tepelné snímkování)

Obr. 2.2/32 - Strahler, Strahler (1999)

 

1.1.3        Charakteristiky slunečního záření

-         různá intenzita vyzařování podle vlnové délky: ultrafialové – 9 %, viditelné – 41 %, krátkovlnné infračervené – 50 % (velmi málo energie pro L > 2 μm)

-         intenzita slunečního záření je největší ve viditelné části spektra

-         solární konstanta - celková intenzita elektromagnetického záření Slunce, dopadajícího na horní hranici atmosféry na jednotkovou plochu kolmou k paprskům při střední vzdálenosti Země-Slunce: IS = 1367 W.m-2 ± 0,3 %

 

1.1.4        Dlouhovlnné záření Země

-         zemský povrch a atmosféra vyzařují méně energie o větších vlnových délkách (v porovnání se Sluncem)

-         intenzita vyzařování má tři maxima pro L = 5, 10 a 20 μm – vlnové délky mezi tím pohlcovány hladně vodní párou a CO2

 

1.1.5        Globální radiační bilance

-         Země stále pohlcuje krátkovlnné sluneční záření a vydává dlouhovlnné záření – radiační bilance

-         krátkovlnné záření je zčásti odráženo zpět do meziplanetárního prostoru (též oblaky, částicemi), zčásti pohlcováno v atmosféře a na aktivním povrchu (vzestup teploty) 

-         dlouhovlnné záření uniká do meziplanetárního prostoru (pokles teploty)

-         dlouhodobě je příjem krátkovlnného záření vyrovnáván výdejem dlouhovlnného záření (zářivá rovnováha)

 

1.2  Insolace Země

-         sluneční záření je proměnlivé v závislosti na čase a na místě na Zemi

-         insolace – tok dopadající sluneční energie na exponovaný povrch pro sférickou Zemi bez atmosféry (W.m-2) – závisí na výšce Slunce (maximální pro Slunce v zenitu)

-         výška Slunce závisí na zeměpisné šířce, části dne a části roku

Obr. 2.5/35 - Strahler, Strahler (1999)

 

1.2.1        Dráha Slunce na obloze

Obr. 2.6/35 – Strahler, Strahler (1999)

 

1.2.2        Denní insolace během roku

-         denní insolace závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků a době expozice (tedy na zeměpisné šířce a roční době)

-         v pásmu mezi obratníky existují dvě maxima (na rovníku v době rovnodenností), která se od rovníku k obratníkům přibližují až splývají v jedno maximum

-         mezi obratníky a polárními kruhy – maximum při letním slunovratu, minimum při zimním slunovratu

-         mezi polárními kruhy a póly – minimum nulové postupně se rozšiřující na půl roku

Obr. 2.7/36 - Strahler, Strahler (1999)

 

1.2.3        Roční insolace podle zeměpisných šířek

-         roční insolace plynule klesá od rovníku k pólu – na pólu asi 40 % hodnoty insolace na rovníku

-         díky sklonu zemské osy je významná část insolace přerozdělena od rovníku k pólům a střídají se roční období

Obr. 2.1/31 - Strahler, Strahler (1999)

 

1.3  Světové šířkové zóny

-         rovníkový pás (10° s.š. – 10° j.š.) – intenzivní insolace během roku, dny a noci téměř stejně dlouhé

-         tropický pás (10-25° z.š.) – roční cyklus, velká roční insolace

-         subtropický pás (25-35° z.š.)

-         pás mírných šířek (35-55° z.š.) – velké rozdíly ve výšce Slunce a délce dnů a nocí mezi zimou a létem

-         subarktický (subantarktický) pás (55-60° z.š.)

-         arktický (antarktický) pás (60-75° z.š.) – velké rozdíly v délce dne a v insolaci

-         polární pás (nad 75° z.š.) – dominuje vždy téměř půl roku polární den a polární noc

Obr. 2.9/37 - Strahler, Strahler (1999)

 

1.4  Složení atmosféry

-         atmosféra (atmos – pára, sphaira – koule, obal) – plynný obal Země, tvořený zvláštní směsí plynů – vzduchem

-         hmotnost 5,157.1018 kg

-         rozložení hmotnosti: 50 % do 5-6 km, 90 % do 16 km, 99 % do 30 km

-         hlavní plynné složky atmosféry v suchém čistém vzduchu:

a)      dusík – N2 – 78,084 % (objemový podíl) – 75,51 % (hmotnostní podíl) [inertní plyn, vulkanická činnost]

b)      kyslík – O2 – 20,946 % - 23,01 % [dýchání, reaktivní plyn, pohlcování záření, ozon, fotosyntéza]

c)      argon – Ar – 0,934 % - 1,286 % [inertní plyn, rozpad 40K]

d)      stopové plyny:

oxid uhličitý – CO2 – pohlcování dlouhovlnného záření (oteplování atmosféry), spotřebováván při fotosyntéze

další stopové plyny: ozon, methan, neon, krypton, xenon, vodík, oxid dusný, hélium

-         vlhký čistý vzduch:

vodní pára – max. do 4 % objemu (průměr 2,6 %) na úkor dalších plynných komponent, pokles s výškou, pohlcování dlouhovlnného záření

-         atmosférické aerosoly – pevné a tekuté příměsi ve vzduchu

 

1.4.1        Ozon ve stratosféře

-         ozon – zapáchající plyn vznikající při elektrických vývojích v atmosféře (C. F. Schönbein – 1840)

 

1.4.1.1  Přirozená rovnováha ozonu v atmosféře

-         stopový plyn, tvořený 3 atomárními kyslíky (O3)

-         90 % ve stratosféře, asi 3/4 v 15-30 km – ozonosféra

-         měření spektrofotometrem

-         Dobsonovy jednotky (DU) – celkové množství O3 ve vertikálním sloupci o základně 1 cm2 (100 DU odpovídá při normálním tlaku a teplotě 298K vrstva O3 o tloušťce 1 mm)

-         geografické rozložení: růst koncentrací od minim v oblasti rovníku (cca 250 DU) k maximům na 60º z.š. (cca 400 DU), odtud pokles k pólům, koncentrace v Arktidě vyšší než v Antarktidě

-         roční chod: maximum na jaře, minimum na podzim

-         vznik a zánik O– Chapmanova teorie:

Vznik:

a)      UV-záření o L < 0,242 μm – disociace kyslíku: O2 + hν ® 2O

b)      reakce atomárního a molekulárního kyslíku: O + O2 + M ® O3 + M

Zánik:

a)      disociace O3 zářením s L < 1,2 μm: O3 + hν ® O + O2, popř. reakce O3 s atomárním kyslíkem: O3 + O ® O2 + O2

b)      katalytické reakce: O3 + X ® OX + O2

                                    OX + O ® X + O2

katalyzátory: radikály dusíku NOX (NO, NO2) – 70 % v 15-35 km

                      radikály vodíku HOX (HO, HO2) – 70 % nad 50 km

 

2.4.1.2 Ozonová díra a její příčiny

-         ozonová díra – drastický úbytek celkového ozonu, pozorovaný v Antarktidě v září-říjnu v porovnání s koncem 70. let

-         halogenované uhlovodíky: lehké uhlovodíky (zejména methan CH4 a ethan C2H6), v nichž vodík je nahrazen

a)     atomy fluoru F a chloru Cl (chlorofluorouhlovodíky – CFC – též freony

                                                  hydrochlorofluorouhlovodíky – HCFC)

b)     atomy bromu Br (bromované uhlovodíky, též halony)

-         vlastnosti: plyny nebo lehce těkavé kapaliny – nehořlavost, nejedovatost, chemická netečnost, domnělá ekologická nezávadnost – prudký nárůst produkce

-         použití: hnací plyny, chladiva, nadouvadla, čistící a odmašťovací prostředky, protipožární technika atd.

-         mechanismus působení na O3:

a)      průnik z troposféry do stratosféry

b)      vůči O3 inertní sloučeniny Cl (chlorovodík HCl, chlornitrát ClONO2)

c)      v polární noci na částicích polárních stratosférických oblak (PSO) – aktivní formy (Cl2, HOCl)

PSO – polární vortex, teploty kolem –80 ºC

d)      časně zjara působením slunečního záření uvolňován aktivní Cl – katalytické reakce – zánik O3

-         pokles O3 v Antarktidě větší než v Arktidě (nestabilní vortex, vznik PSO méně častý)

Obr. Vznik ozonové díry

 

1.5  Turbulentní a latentní tok tepla

-         stýkají-li se dva objekty různé teploty, předává se teplo od teplejšího k chladnějšímu vedením

-         neuspořádaný vertikální přenos tepla – turbulentní tok tepla (sensible heat transfer)

-         teplo spotřebované či uvolňované při fázových změnách vodní páry – latentní teplo

-         latentní tok tepla – přenos tepla od povrchu do atmosféry při výparu, uvolňování tepla na povrchu při kondenzaci nebo sublimaci

 

1.6  Globální energetická bilance

-         tok energie mezi Sluncem a Zemí zahrnuje nejen záření, ale i ukládání a transport energie

 

1.6.1        Ztráty záření

-         molekuly a částice ve vzduchu rozptylují sluneční záření všemi směry – rozptýlené záření

-         část záření, která je rozptýlena zpět do prostoru, se označuje jako difuzní odraz (asi 5 % přicházejícího slunečního záření)

-         pohlcování záření při průchodu atmosférou (asi 15 % přicházejícího záření)

-         pohlcování záření se může měnit výrazně podle prostředí

-         oblaka mohou odrážet 30-60 % přicházejícího záření a pohlcovat 5-20 %; v případě husté oblačné vrstvy může být při povrchu jen 10 % z dopadajícího záření

Obr. 2.11/42 - STRAHLER, STRAHLER (1999)

 

1.6.2        Albedo

-         albedo – percentuální podíl odraženého záření vzhledem k celkovému dopadajícímu záření

-         albedo určuje, jak rychle se povrch vystavený insolaci zahřívá

-         např. albedo sněhu 45-85 % - odráží většinu záření, zahřívá se pomalu

-         albedo Země měřené pomocí družic – 29-34 % 

 

1.6.3        Zpětné záření atmosféry

-         aktivní povrch vydává dlouhovlnné záření pouze do atmosféry, kde je pohlcováno CO2 a vodní párou, ale i oblaky

-         atmosféra vyzařuje do meziplanetárního prostoru a také k zemskému povrchu – zpětné záření atmosféry

-         skleníkový efekt atmosféry – atmosféra je dobře propustná pro krátkovlnné záření, ale pohlcuje dlouhovlnné vyzařování zemského povrchu

Obr. 2.12/43 - Strahler, Strahler (1999)

 

1.6.4        Globální energetická bilance atmosféry a aktivního povrchu

Obr. 2.13/43 – Strahler, Strahler (1999)

Bilance krátkovlnného záření:

-         albedo systému zemský povrch - atmosféra 31 %

-         pohlcování v atmosféře 20 %

-         pohlceno zemským povrchem 49 %

Bilance dlouhovlnného záření:

-         vyzařování zemského povrchu 114 %, z čehož 102 % pohltí atmosféra a zbytek 12 % uniká do meziplanetárního prostoru (atmosférické okno)

-         zpětné záření atmosféry 95 %

Zemský povrch:

-         49 (krátkovlnné) + 95 (dlouhovlnné) = 144 %, takže 144 (zisk) – 114 (ztráta) = zisk 30 %

-         tento zisk se předává do atmosféry latentním tokem tepla (23 %) a turbulentním tokem tepla (7 %), takže ztráta zemského povrchu činí celkově 114 (dlouhovlnné) + 23 + 7 = 144 %

Atmosféra:

-         ztráta: 57 % do meziplanetárního prostoru, 95 % k zemi jako zpětné záření atmosféry, tj. 152 %

-         zisk: 102 (dlouhovlnné) + 20 (krátkovlnné pohlcené) + 23 (latentní tok) + 7 (turbulentní tok) = 152 %

-         bez skleníkového efektu by byla Země chladným neobývatelným místem

 

1.6.5        Šířkový transport energie

-         příjem a výdej energie pro Zemi v dalším časovém intervalu je vyrovnaný, což ale nemusí platit pro konkrétní místo nebo kratší časové úseky

-         radiační bilance – diference mezi veškerým přijímaným a vyzařovaným zářením:

a)      pozitivní – příjem záření větší než výdej (např. den)

b)      negativní – výdej záření větší než příjem (např. noc)

-         mezi 40° s.š. a 40° j.š. je v ročním průměru přebytek zářivé energie (kladná radiační bilance)

-         ve vyšších šířkách než je 40° z.š. je negativní radiační bilance – deficit je vyrovnávám transportem energie z rovníkové a tropické zóny směrem k pólům dvěma způsoby:

a)      přenos tepelné energie oceánskou cirkulací

b)      přenos tepelné energie atmosférickou cirkulací (latentní teplo)

Obr. 2.14/45 – Strahler, Strahler (1999)

 

1.6.6        Antropogenní vlivy na energetickou bilanci

-         energetická bilance je citlivá na řadu faktorů, ovlivňujících pohlcování a výdej energie

-         růst CO2 zvyšuje pohlcování dlouhovlnného záření v atmosféře – zesilování skleníkového efektu

-         růst aerosolů ve vyšších vrstvách atmosféry zvyšuje rozptyl záření a tedy snižuje přívod krátkovlnného záření k povrchu

-         větší obsah aerosolů v dolních vrstvách atmosféry zvyšuje pohlcování dlouhovlnného záření

-         lidskou činností se mění charakter aktivního povrchu (vliv na albedo, pohlcování záření a na vyzařování)

 

Literatura:

Netopil, R. a kol. (1984): Fyzická geografie I. SPN, Praha. Kap. 2.2-2.3.2: s. 35-56.

Strahler, A., Strahler, A. (1999): Introducing Physical Geography. Wiley, New York. Kap. 2: The Earth’s Global Energy Balance, s. 31-47.