Lekce VI / 10: Atmosféra

Cíl lekce:

Žáci si vyrobí model jednotlivých vrstev atmosféry, na pokusu s rukavicí si ukáží nejběžnější plyn a vyrobí si různé typy oblaků.

Zeptejte se Vašich dětí:

Jak se nazývá plynný obal Země?
Který plyn je pro lidi nejdůležitější?
Kterého plynu je v atmosféře nejvíce?
Z jakých vrstev se skládá atmosféra?
Díky kterému plynu se nafoukla rukavice?
Jak se jmenovaly vyráběné typy mraků?

Atmosféra Země

Atmosféru lze rozdělit z hlediska chemického složení nebo ji rozčlenit vertikálně, tj. podle stupně ionizace vzduchu a podle teploty vzduchu v závislosti na výšce. Naše atmosféra se z chemického hlediska skládá z tzv. čisté atmosféry, vody a aerosolů. Dokonale suchá a čistá atmosféra je směs plynů, která se z hlediska fyziky chová jako ideální plyn.

Složení atmosféry
Obrázek Složení atmosféry od VNB

Obsahuje přibližně 78 % dusíku, 21 % kyslíku a 1 % ostatních plynů (argon, oxid uhličitý, vodík, helium, neon, radon, xenon, ozon a stopové příměsi dalších plynů). Voda v atmosféře se vyskytuje hojně, a sice ve všech třech skupenstvích (vodní pára, vodní kapky i ledové krystaly). Množství vody v atmosféře je proměnlivé jak v prostoru, tak v čase. Např. obsah vodní páry kolísá mezi neměřitelnou hodnotou až po 4 % v oblasti tropů. Suchý vzduch snadněji vychladne, protože voda velice dobře pohlcuje teplo. Proto bývají noci v oblasti tropů, kde je v atmosféře hodně vodní páry, teplejší. Třetí složkou atmosféry jsou různé znečišťující aerosoly (prachové a půdní částice, částečky z vulkanické činnosti, pylová zrna, produkty spalování meteorů...), které jsou běžnou součástí atmosféry. Dále sem patří aerosoly antropogenního původu, které vznikají lidskou činností (doprava, spalování uhlí, atd.). Někdy však není možné odlišit, zda se tyto aerosoly do atmosféry dostaly lidskou činnosti či přirozenou cestou.

Hustota atmosféry s rostoucí výškou dramaticky klesá. Atmosféra do výšky 30 km nad zemským povrchem tvoří 99 % její celkové hmotnosti. Šířka troposféry je v závislosti na ročním období a na zeměpisných šířkách v rozmezí mezi 8 až 18 kilometry nad úrovní moře. Nejširší je v létě a nejužší naopak v zimě, u pólů dosahuje 8 - 9 km, nad rovníkem asi 17 – 18 km. V této části atmosféry se odehrávají veškeré atmosférické děje – počasí. Tato vrstva se vyznačuje poklesem teploty s výškou. Země je tedy jedinou známou planetou ve vesmíru, kde existuje život. Pro život na Zemi jsou velmi důležité dvě vrstvy atmosféry, a to troposféra a biosféra.

Atmosférický tlak přímo vyplývá z hmotnosti vzduchu. Protože se množství (a hustota) vzduchu nad povrchem země mění podle zeměpisné pozice, není ani atmosférický tlak v různých místech stejný. Obecně platí, že tlak klesne přibližně o 50 % při výstupu do výšky 5 km. Průměrný atmosférický tlak na úrovni mořské hladiny je přibližně 101,3 kPa = 1013 hPa.

Vznik atmosféry

Procentní obsah kyslíku v atmosféře před miliony let. Podle některých výzkumů byl podíl kyslíku před 800 miliony lety menší než 0,1 %.

Atmosféra s dnešním složením vznikla jako výsledek dlouhého procesu, kdy byla soustavně přetvářena živými organismy. Původní složení atmosféry vzniklé po zformování planety bylo chemicky zcela rozdílné. Obsahovalo směs sopečných plynů, které se uvolnily z odplynění magmatu, které se rozprostíralo v ohromném magmatickém oceánu po většině povrchu planety. Společně s částicemi, které do atmosféry zanesly kolize s jinými tělesy bombardujícími povrch, byla tato atmosféra pro život v dnešní podobě toxická.

S rozvojem života a rozšířením zelených řas v oceánech nastal proces změny složení atmosféry. Během fotosyntézy se začal jako odpadní plyn dostávat toxický a pro většinu tehdejších životních forem jedovatý kyslík. Ovšem vyšší vrstvy atmosféry již obsahovaly značné množství kyslíku. Po zoxidování hornin jeho procentuální zastoupení postupně narůstalo (vedlo ke kambrické explozi života) a nyní dosahuje hodnoty okolo 21 %.

Vrstvy atmosféry

Teplota a složení zemské atmosféry se liší podle nadmořské výšky. Konkrétní úměra mezi výškou a teplotou se však rovněž mění s výškou. Průměrná teplota atmosféry u povrchu země je 14 °C a v troposféře klesá průměrně o 0,65 °C na každých 100 m výšky. Podle tohoto vztahu tedy dělíme zemskou atmosféru na tyto vrstvy (uváděné výšky jsou přibližné – závisí na dalších fyzikálních parametrech):

Troposféra sahá od povrchu země až do 7 km v polárních oblastech a 17 km okolo rovníku a je tedy nejnižší vrstvou atmosféry vůbec. Název pochází z řeckého slova „tropos“ – mísit. Teplota troposféry klesá s nadmořskou výškou.
Stratosféra sahá až do výšek asi 50 kilometrů nad zemským povrchem. V této vrstvě teplota s rostoucí výškou roste, přičemž růst v první polovině stratosféry je velice nepatrný. Součástí stratosféry je pro život na Zemi velmi významná ozónová vrstva (vrstva tříatomového kyslíku O3). Tato vrstva je oproti stratosféře mnohem teplejší v důsledku absorpce ultrafialového slunečního záření. Právě tato absorpce ji činí nepostradatelnou pro život na Zemi. Ozónová vrstva se nachází mezi 20 a 30 km a reguluje množství procházejícího ultrafialového záření. Kdyby došlo k jeho zvýšenému průniku na povrch naší planety, mělo by to katastrofické následky pro životní prostředí. V dnešní době je ozónová vrstva díky lidskému působení narušena. Ozón v této vrstvě je nepostradatelný, naopak v blízkosti zemského povrchu je nežádoucí a působí negativně nejen na lidské zdraví, ale také na životní prostředí.
Mezosféra se nachází 50 – 85 km nad zemí. Tato vrstva je charakteristická značným poklesem teploty. Ve výšce 80 km dosahuje -100 °C, což je způsobeno zanedbatelným obsahem vodních par, vody a ozónu a tím, že nedochází k absorpci slunečního záření. Meteory v této části atmosféry většinou pohasínají, a to jako důsledek kolize s miliardami částeček plynu obsažených v této vrstvě. Kolize vytvoří dostatečné množství tepla, aby objekt padající k Zemi shořel, než dosáhne jejího povrchu.
Termosféra navazuje na stratosféru a dosahuje až do výšky cca 640 km nad zemský povrch. Tato vrstva je charakteristická enormním vzrůstem teploty. Teplota této vrstvy dosahuje hodnot 500 °C až 2 000 °C v závislosti na aktivitě Slunce. V této vrstvě vznikají polární záře a obíhají zde družice a sondy, a také vesmírná stanice ISS (360 km).
Exosféra je vnější vrstva atmosféry, která tvoří přechodovou vrstvu do meziplanetárního prostoru, dosahuje výšky asi 1000 km. Pouze z této vrstvy mohou unikat atmosférické plyny, atomy a molekuly do meziplanetárního prostoru. Teplota je téměř konstantní. Horní hranice může být definována jako vzdálenost, ve které vliv slunečního záření na atomární vodík převáží nad gravitačním působením Země, což je v polovině vzdálenosti k Měsíci (190 000 km). Exosféra, pozorovaná z kosmu jako geokoróna, je viditelná do vzdálenosti minimálně 10 000 km.

Hranice mezi těmito vrstvami jsou nazývány tropopauza, stratopauza, mezopauza a termopauza.

Jiné možnosti členění atmosféry

Atmosféru lze rozdělit na vrstvy i podle jiných kritérií, některé vrstvy se potom mohou překrývat:

Podle koncentrace iontů a volných elektronů dělíme atmosféru Země na:

Neutrosféra sahá od zemského povrchu po spodní vrstvu ionosféry, tj. asi do výšky 60 km. Svůj název získala od toho, že obsahuje převážně neutrální částice (atomy a molekuly). Elektrická vodivost vzduchu nízká.
Ionosféra obsahuje elektricky nabité částice (ionty a elektrony). Tato vrstva leží výše 60 až 500 km nad zemí (oblast mezosféry a termosféry). Obsahuje mimo jiné vrstvy F2 (350 km), F1 (180 km), E (120 km) a D (90 km). V této vrstvě dochází k ionizaci ultrafialovým zářením. Umožňuje odraz rádiových vln.

Podle složení:

Homosféra je vrstva atmosféry ve výšce 0 až 90 - 100 km nad povrchem země. Má s výškou převážně stabilní složení - 99 % dusíku a kyslíku dohromady. Kolísá jen obsah O3, CO2 a vodních par.
Heterosféra je vrstva atmosféry ve výšce 90 až 500 – 750 km nad povrchem Země. Roste zde podíl vodíku, helia a lehkých plynů vůči homosféře. Nad 200 km je dusíku méně než kyslíku. Kyslík se zde vyskytuje pouze v atomární formě – tedy O a ne jako molekula O2.

Samostatné:

Magnetosféra je část atmosféry, ve které zemské magnetické pole reaguje se slunečním větrem. V této oblasti se tvoří polární záře. Může dosahovat až několik tisíc kilometrů nad zemský povrch. Je silně asymetrická a na straně odvrácené od Slunce dosahuje do mnohonásobně větší vzdálenosti, než na straně ke Slunci přivrácené.
Ozonová vrstva (též ozonosféra) se nachází ve výšce od 20 do 40 km, koncentrace ozónu vůči běžnému dvouatomárnímu kyslíku O2 je zde výrazně vyšší než v ostatních částech atmosféry.

Rozložení jednotlivých vrstev
Obrázek Atmosfera (upraveno) od Um gajo importante [CC BY 3.0] via Wikimedia commons

Vrstvy atmosféry
Obrázek Atmosphere layers-cs od Koroner; Mysid [Public domain] via Wikimedia commons

Oblak

Oblak, lidově též mrak nebo mračno, je viditelná soustava malých částic vody nebo ledu (případně jiných látek) v atmosféře Země nebo jiných planet. Oblaky vznikají tehdy, když se vlhkost vzduchu zkondenzuje na kapky nebo ledové krystalky. Výška, ve které se děj odehrává, bývá různá a hranice, za kterou se voda v plynném skupenství mění na kapalinu, se nazývá rosný bod. Závisí na stabilitě vzduchu a množství přítomné vlhkosti. Průměrná oblaková kapka nebo ledový krystalek má v průměru přibližně 0,01 mm. Studená oblaka tvořící se ve velkých výškách obsahují pouze ledové krystalky, nižší, teplejší oblaka obsahují pouze vodní kapky.
Často se objevuje mylný názor, že oblaky jsou složeny z vodní páry. Není to pravda, protože samotná vodní pára je neviditelná bez ohledu na výšku a hustotu. Oblaky tvoří voda v kapalném nebo pevném skupenství.
Oblaky se liší vzhledem, výškou, ve které vznikají, i vlastnostmi. Tyto rozdíly jsou základem mezinárodního systému jejich klasifikace a ta je odvozena od klasifikace, kterou zavedl v roce 1803 Luke Howard. Název mraků se tvoří kombinací čtyř latinských slov: cirrus (řasa nebo kučera), stratus (vrstva nebo sloha), nimbus (déšť) anebo cumulus (kupa). Tato klasifikace obsahuje 10 základních typů. Jen z některých typů oblaků padají pevné či kapalné srážky. Za oblaka se někdy považují i přírodní nebo umělé viditelné útvary z malých částic, například mrak vzniklý po výbuchu sopky, z požáru, kondenzační stopy po přeletu letadla či atomový hřib.

U oblaků se rozlišuje:

10 druhů
14 tvarů
9 odrůd
9 zvláštností

V jedné chvíli může mít jeden oblak jen jeden konkrétní tvar a jednu odrůdu.

Podle výšky se dají oblaky zařadit mezi vysoké (5 – 13 km nad povrchem Země), střední (2 – 7 km) a nízké (0 – 2 km). Bouřkový oblak cumulonimbus není zařazen do žádné výškové kategorie, protože se rozprostírá současně ve všech výškách. Největší výška, ve které se ještě oblaky běžně nacházejí, je 20 km, ale pouze v rovníkových oblastech. Minimální výška není nijak vymezená, protože oblak může doslova „ležet na zemi“ a nazývá se pak mlha.
Méně používaná je klasifikace podle mikrostruktury oblaku a genetická klasifikace oblaků podle jejich vzniku a vývoje. Oblaky se dají označovat i pomocí jejich mateřského oblaku, tzn. oblaku, ze kterého vznikly. Označují se názvem patřičného druhu s přívlastkem z názvu druhu mateřského oblaku + přípona.

Základní typy oblaků
Obrázek Cloud types en od Valentin de Bruyn / Coton [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia commons

Nejčastěji využívané je třídění oblaků podle jejich tvaru (morfologie). Tato klasifikace vychází z Mezinárodního atlasu oblaků, který aktualizuje a znovu vydává Světová meteorologická organizace (World Meteorological Organisation WMO). Poslední vydání pochází z roku 1987. Existuje 10 morfologických druhů oblaků a to:

Cirrus,
Cirrocumulus,
Cirrostratus,
Altocumulus,
Altostratus,
Stratocumulus,
Cumulus,
Stratus,
Nimbostratus,
Cumulonimbus

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: