Voda v atmosféře

11.27 – Voda je látkou, které má rozhodující vliv na podobu naší planety.

Voda je látkou, které má rozhodující vliv na podobu naší planety. V tabulce si můžete prohlédnout zastoupení vody v různých částech hydrosféry.

Část hydrosféry Objem v milionech km3 Podíl z celku
oceán 1370 97,6 %
ledovce 29 2,07 %
spodní voda 4 0,29 %
jezera 0,23 0,016 %
voda v půdě 0,067 0,005 %
voda v atmosféře 0,014 0,001 %

Vidíme, že voda v atmosféře tvoří jen tisícinu procenta z celkového množství vody na Zemi. Přesto je její význam mnohem větší, neboť má rozhodující vliv na podnebí a počasí v každém místě naší planety. Pro porozumění jevům, které v atmosféře probíhají, jsou velmi důležité změny skupenství vody. Právě těm se budeme věnovat v poslední části této kapitoly.

Sytá pára

Nejčastěji se v atmosféře setkáváme s vypařováním a kapalněním, proto je nyní podrobněji prozkoumáme. Začneme detailním rozborem vypařování ve třech různých případech. Vlevo je vždy výchozí stav za pokojové teploty (20 °C) a vpravo výsledný rovnovážný stav.

1. Voda v uzavřené nádobě

11.28 – Voda v uzavřené nádobě. Po dosažení rovnovážném stavu bude nad hladinou vody sytá pára.

Z fázového diagramu vody můžeme odečíst, že při nulovém tlaku (výchozí stav v nádobě) a teplotě 20 °C by voda měla být v plynném skupenství. Proto se voda začne vypařovat (díky absenci tlaku dokonce vařit). Tím se ale začne zvětšovat tlak páry nad hladinou a s ním také koncentrace molekul. Některé molekuly se začnou zase vracet zpět do vody, čímž se proces vypařování bude zpomalovat, až se nakonec úplně zastaví. Prostor nad hladinou kapaliny bude maximálně nasycen plynem, což označujeme pojmem sytá pára. Vznikne rovnovážný stav, který lze popsat pomocí tlaku syté páry nad hladinou kapaliny. Ve fázovém diagramu mu odpovídá hranice mezi kapalným a plynným skupenstvím. V grafu vidíte výřez z fázového diagramu vody, který ukazuje závislost tlaku syté páry na teplotě. Dodejme ještě, že pro vypařování je vždy potřeba energie, proto se voda při vypařování zároveň ochlazuje.

11.29 – Tlak syté vodní páry v závislosti na teplotě (výřez z fázového diagramu vody pro teploty dostupné v přírodě)

2. Voda v uzavřené nádobě se vzduchem

11.30 – Voda v uzavřené nádobě se vzduchem. Po dosažení rovnovážném stavu bude nad hladinou vody stále vzduch a navíc ještě sytá vodní pára.

Tato situace je mnohem blíž naší běžné zkušenosti. Prostě nalijete vodu do nádoby a zavřete ji. Nad hladinou vody zůstává vzduch o atmosférickém tlaku. I tato soustava dospěje do rovnovážného stavu. Voda se bude vypařovat (tentokrát už jen z hladiny) a tlak vodní páry nad hladinou nakonec dosáhne hodnoty odpovídající syté páře stejně jako v předchozím případě. Nyní se ovšem jedná o parciální tlak plynu (vodní páry). Parciální tlak si můžete představit jednoduše tak, jako by na stěny nádoby působily jen vybrané molekuly (např. vodní páry). Podle Daltonova zákona parciálních tlaků je celkový tlak směsi plynů roven součtu jejich parciálních tlaků. Proto se tlak vodní páry prostě přičte k tlaku dusíku, kyslíku a ostatních plynů. To ale není vše. Plyny obsažené ve vzduchu mohou pronikat do vody, tomu říkáme rozpouštění plynu v kapalině. Všeobecně platí, že rozpustnost určitého plynu ve vodě roste s tlakem a klesá s rostoucí teplotou. V našem případě (20 °C, atmosférický tlak) můžeme najít tyto hodnoty rozpustnosti: dusík 0,02 g/l, kyslík 0,04 g/l. Díky tomu parciální tlak těchto plynů nad hladinou mírně klesne podle toho, kolik se jich ve vodě rozpustí.

11.31 – Oxid uhličitý je velmi dobře rozpustný ve vodě (rozpustnost 1,8 g/l při 20 °C) a používá se k sycení perlivých nápojů. Po otevření láhve klesne tlak a plyn se uvolňuje ve formě malých bublinek. Ve sklenici se pak nápoj ohřívá, rozpustnost klesá a plyn se dále uvolňuje.
Kontrolní otázka

Objemová koncentrace je procentuální zastoupení molekul určitého druhu v daném objemu. Objemová koncentrace plynů v zemské atmosféře je přibližně tato: dusík 78 %, kyslík 21 %, ostatní plyny 1 %. Jaký bude parciální tlak kyslíku v atmosféře při atmosférickém tlaku 100 kPa? Napište hodnotu v kPa.

Příklad 1
  1. Jaký bude parciální tlak syté vodní páry ve vzduchu o teplotě 30 °C při tlaku vzduchu 100 kPa? Napište hodnotu zaokrouhlenou na celé kPa.
  2. Jaká přibližně bude objemová koncentrace vody ve vzduchu o teplotě 30 °C a tlaku 100 kPa, jedná-li se o sytou vodní páru?
Řešení:

a) Z grafu pro tlak syté páry v závislosti na teplotě odečteme hodnotu cca 4 kPa. Na tlaku vzduchu vůbec nezáleží.

b) Tlak syté páry je 4 kPa, celkový tlak je 100 kPa, proto bude koncentrace vody ve vzduchu cca 4/100 = 4 %. Všimněte si, že voda se ve složení atmosféry skoro nikdy neuvádí, její množství se totiž podstatně mění.

3. Voda v otevřené nádobě

11.32 – Voda v otevřené nádobě. Všechna voda se vypaří a zvýší se koncentrace vodní páry v místnosti.

Jedná se opět o dobře známou situaci. Ze zkušenosti víme, že voda se nakonec (třeba za týden) všechna vypaří. Jak dlouho bude vypařování trvat? A může se stát, že v nádobě nějaká voda zůstane? Abychom mohli odpovědět, je potřeba si uvědomit, že nestačí sledovat jen samotnou nádobu. Dejme tomu, že je nádoba umístěna v uzavřené místnosti. Soustava, jejíž rovnovážný stav hledáme, je teď tvořena celou místností. Vypařená voda se proto rozptýlí po celé místnosti. Zvýší se zde celkové množství vodní páry. Pokud by byla místnost extrémně malá nebo v ní již na začátku byl tlak vodní páry velmi blízko tlaku syté páry, nemuselo by dojít k vypaření veškeré vody.

Z předchozích případů vyplývá vliv tlaku par nad povrchem kapaliny na rychlost vypařování. Dalšími významnými faktory jsou také teplota a velikost povrchu kapaliny.

Rychlost vypařování závisí na:

  1. teplotě kapaliny,
  2. velikosti povrchu kapaliny,
  3. tlaku páry nad povrchem.

Vlhkost vzduchu

Vlhkost vzduchu ovlivňuje celou řadu jevů. A nejde jen o schnutí prádla či nepříjemné letní dusno. Vlhkost vzduchu v interiéru budov má velký vliv také na naše zdraví. Koncentraci vody ve vzduchu můžeme popsat pomocí parciálního tlaku vodní páry. Častěji se ale používá absolutní vlhkost vzduchu, která udává hmotnost vodní páry v určitém objemu vzduchu. Značí se velkým řeckým písmenem \(\Phi\) a definuje se jednoduchým zlomkem.

\(\displaystyle \Phi = \frac{m_\mathrm{H_2O}}{V} \)

Absolutní vlhkost vzduchu je definována jako hustota vodní páry ve vzduchu.

Nejčastěji používanou jednotkou je g/m3. Převod tlaku na absolutní vlhkost je možný pomocí stavové rovnice ideálního plynu (můžete si to sami vyzkoušet ve cvičení). Symbolem \(\Phi_\mathrm{max}\) označujeme maximální možnou absolutní vlhkost za dané teploty, která odpovídá syté vodní páře. Graf syté vodní páry díky tomu můžeme překreslit do podoby \(\Phi_\mathrm{max}=f(t)\).

11.34 – Graf maximální možné absolutní vlhkosti \(\Phi_\mathrm{max}\) jako funkce teploty.

Pro praktické použití je se nejvíc hodí relativní vlhkost vzduchu, která udává, z kolika procent je vzduch nasycen vodní párou. Rychlost vypařování totiž nezávisí na absolutní, ale právě na relativní vlhkosti vzduchu.

\(\displaystyle\phi = \frac{\Phi}{\Phi_\mathrm{max}} \)

Relativní vlhkost vzduchu je definována jako podíl absolutní vlhkosti \(\Phi\) a maximální vlhkosti při dané teplotě \(\Phi_\mathrm{max}\). Tento podíl udává, z kolika procent je vzduch nasycen vodní parou.

Jde o bezrozměrnou veličinu, která se udává v procentech. Stoprocentní vlhkost vzduchu znamená, že vzduch je vodní párou zcela nasycen. Jinak řečeno, jde o sytou páru.

Velmi důležitý je fakt, že při změně teploty vzduchu se jeho relativní vlhkost mění, přestože absolutní vlhkost zůstává neměnná. Je to díky závislosti \(\Phi_\mathrm{max}\) na teplotě a dobře to bude patrné z následujícího příkladu.

Příklad 2

Vzduch má teplotu 23 °C a vlhkost 50 %. Jak se změní jeho relativní vlhkost po ohřátí na 40 °C? Řešte pomocí grafu.

Řešení:

K řešení postačí graf \(\Phi_\mathrm{max}=f(t)\). V grafu vyznačíme obě zadané teploty a výchozí vlhkost 50 %, což odpovídá 10 g/m3. Absolutní vlhkost se ohřátím nezmění, proto ji můžeme přenést vodorovně do požadované teploty. Pak již snadno odečteme, že vlhkost vzduchu je 10/50 = 0,2 = 20 %.

11.35 – Změnu relativní vlhkosti vzduchu můžeme snadno odečíst z grafu. Při ohřátí vzduchu z 23 °C na 40 °C klesne jeho relativní vlhkost z 50 % na 20 %.
Kontrolní otázka

Vzduch o teplotě 30 °C a vlhkosti 33 % se ochladil na 23 °C. Jak se změnila jeho vlhkost? Řešte pomocí grafu. Zapište přibližnou hodnotu vlhkosti v procentech (použijte celé číslo).

Příklad 3

Vlhkost vzduchu v interiéru by se měla pohybovat v intervalu 40 až 60 %.

  1. Uveďte typickou situaci, která vede k poklesu vlhkosti v interiéru pod 40 %.
  2. Uveďte typickou situaci, která vede k nárůstu vlhkosti v interiéru nad 60 %.
Řešení:
  1. Taková situace nastává zejména v zimě v topné sezóně. Pokud v místnosti vyvětráme, dojde k ohřátí venkovního vzduchu a tím klesne jeho relativní vlhkost. Nejvýraznější pokles vlhkosti nastane, je-li venkovní vzduch hodně studený a suchý (při mrazivém a jasném dni).
  2. Vlhkost v interiéru zvyšujeme zejména vypařováním vody při vaření, sušení prádla, ale i obyčejným dýcháním. Vysoká relativní vlhkost je také například ve sklepech, které jsou v létě chladnější než okolní vzduch. Při ochlazování venkovního vzduchu se zvyšuje jeho relativní vlhkost.

Relativní vlhkost nemůže překročit 100 %. Co se ale stane v případě, že při ochlazování vzduchu „narazíme“ na křivku \(\Phi_\mathrm{max}\)? V případě, kdy vzduch dosáhne 100 % vlhkosti, začíná voda měnit skupenství z plynného na kapalné (případně pevné). V tomto bodě začíná kondenzace (případně desublimace), která pokračuje při dalším ochlazování vzduchu. Teplota, při které vzduch dosáhne 100 % vlhkosti, se nazývá rosný bod. Můžeme ho opět snadno vyčíst z grafu \(\Phi_\mathrm{max}=f(t)\), což ukazuje další příklad.

Příklad 4

Vzduch má teplotu 23 °C a vlhkost 50 %. Určete teplotu rosného bodu pro tento vzduch. Řešte pomocí grafu.

Řešení:

K řešení nám opět poslouží graf \(\Phi_\mathrm{max}=f(t)\). V grafu vyznačíme počáteční vlhkost a teplotu. Absolutní vlhkost je zde 10 g/m3. Nyní postupujeme doleva tak dlouho, až narazíme na křivku \(\Phi_\mathrm{max}\). Vidíme, že rosný bod je cca 11 °C. Při ochlazení pod tuto teplotu vzduch kondenzuje.

11.36 – Při ochlazování vzduchu dosáhneme při určité teplotě 100 % vlhkosti. Tato teplota se nazývá rosný bod. V tomto případě má rosný bod hodnotu 11 °C.

Relativní vlhkost nejjednodušším způsobem vystihuje nasycení vzduchu vodní parou. Zároveň je to také poměrně snadno měřitelná veličina. Zařízení, které měří relativní vlhkost, se nazývá vlhkoměr neboli hygrometr. V galerii si můžete prohlédnou některé druhy vlhkoměrů.

Jak vzniká oblačnost a srážky?

Při překročení rosného bodu vzduch kondenzuje (při teplotách nad 0 °C), nebo desublimuje (při teplotách „pod nulou“). Jakým způsobem bude tento proces probíhat, záleží na konkrétní situaci. Například v místnosti začíná kondenzace na nejchladnějším místě, nejčastěji na oknech. V přírodě vzniká rosa nebo jinovatka, nejchladnějším místem bývají předměty na zemském povrchu, které se přes noc ochladí vyzařováním.

11.38 – Při překročení rosného bodu vzniká kondenzací rosa nebo desublimací jinovatka.

Co když ale kondenzace proběhne v celém objemu vzduchu? Takto vzniká mlha nebo oblačnost tvořená malými kapičkami vody, které jsou unášeny vzdušnými proudy. Při jejich formování hraje velkou roli přítomnost kondenzačních jader. Jsou to mikroskopické částečky (prach, saze, mořská sůl), které výrazně usnadňují vznik těchto kapiček. Pro kondenzaci vody ve vzduchu sice nejsou kondenzační jádra nezbytná, ale bez nich by voda ve volném prostoru zkondenzovala až při vlhkosti výrazně vyšší než 100 %. Upřesněme tedy tvrzení, že relativní vlhkost nemůže nikdy překročit 100 %. V některých případech, kdy nejsou v blízkosti žadné předměty ani kondenzační jádra, může dojít k přesycení vzduchu vodní párou a k překročení 100 % vlhkosti.

Ochlazováním vlhkého vzduchu vznikají na kondenzačních jádrech malé kapičky vody tvořící oblačnost. Kdy ale začne z oblačnosti pršet? K tomu je potřeba, aby kondenzace pokračovala dál. Kapičky se postupně zvětšují a spojují. V jednom momentě jejich velikost překročí kritickou hranici a výstupný proud vzduchu už je neunese (viz úloha – výpočet mezní rychlosti – kapitola 5). Kapičky začínají padat a cestou nabírají další a zvětšují se. Z vysokého oblaku proto vypadávají velké kapky. To je případ bouřek a silných přeháněk. Naopak jemné mrholení je známkou toho, že dešťové kapky se tvoří přímo nad naší hlavou.

11.39 – Obrázek ukazuje typické velikosti částic tvořících oblačnost.
Kontrolní otázka

Jaký je rozdíl mezi částicemi oblačnosti a srážkovými částicemi? Vyberte správné tvrzení.



Meteorologie

Tlak, teplota, proudění a vlhkost vzduchu hrají klíčovou roli v meteorologii. Meteorologie je aplikovaná věda, někdy také označovaná jako fyzika atmosféry. Zabývá se všemi procesy, které probíhají v zemské atmosféře. Podstatnou úlohou meteorologie je předpovídání počasí, neboť to ovlivňuje náš život doslova každý den. V dnešní době máme k dispozici desítky meteorologických družic, tisíce automatických meteostanic a modely, které předpovídají počasí pomocí nejvýkonnějších počítačů. Přesto bez pochopení základních principů tvorby oblačnosti a srážek nemůžete výstupům z těchto modelů správně porozumět. Díky složitosti procesů v atmosféře je v principu nemožné předpovědět přesně, že „zítra ve 14.30 začne ve vaší obci bouřka“. Mnohem důležitější je znalost určitého charakteru počasí v daném místě a čase.

Pojďme nyní stručně popsat souvislost čtyř základních meteorologických veličin, které určují počasí. O meteostanicích, které tyto veličiny měří, si můžete přečíst v motivačním článku meteostanice.

Tlak

Pro vývoj počasí je podstatné horizontální rozložení tlaku vzduchu, které dobře známe z meteorologických map.

11.40 – Horizontální rozložení tlaku na meteorologické mapě. Tato mapa vznikne tak, že atmosférický tlak naměřený jednotlivými stanicemi je přepočten na hladinu moře. Tím je odstraněn vliv poklesu tlaku s nadmořskou výškou.

Jednoduchý fyzikální princip říká, že vzduch vždy proudí směrem od vyššího tlaku k nižšímu. Tím se tlakové rozdíly vyrovnávají. V atmosféře má však proudění složitější charakter, proto se vítr stáčí a vytváří víry. Obecně ale platí, že z oblasti vysokého tlaku je vzduch nasáván do oblasti nízkého tlaku. V oblasti nízkého tlaku vzduchu díky tomu dochází k mísení teplého a studeného vzduchu za vzniku výstupných vzdušných proudů. To je optimální příležitost pro vznik oblačnosti a srážek.

Teplota

Teplota vzduchu v určitém místě je ovlivněna především dvěma faktory. Zaprvé je to množství slunečního svitu, které přijme zemský povrch. To závisí na roční době (určuje úhel dopadu paprsků) a samotném povrchu, na který záření dopadá. Oblačnost nebo sníh ho odrážejí, zatímco tmavší povrchy či vodní plochy většinu záření pohltí. Druhým faktorem ovlivňujícím teplotu je vítr, jehož směr vyplývá z rozložení tlaku vzduchu. V našich končinách zhruba platí, že severní proudění přináší vzduch chladný, zatímco jižní vítr přináší teplý vzduch.

Nezapomínejme ale také na změny teploty s výškou. Jestliže vzduch stoupá vzhůru, při tom se rozpíná a také ochlazuje. Pro suchý vzduch je pokles teploty přibližně 1 °C na 100 m výšky, pro vlhký vzduch o něco méně. Může ale nastat i situace, kdy se naopak studený vzduch, který má větší hustotu, drží dole, zatímco nad ním se udržuje vrstva teplejšího vzduchu. Tato situace nastává zejména v chladných měsících roku a nazýváme ji teplotní inverze.

11.41 – Při teplotní inverzi se studený vzduch drží dole v údolí a na jeho horní hranici se často tvoří oblačnost.

Vlhkost

Vlhkost vzduchu je rozhodující pro vznik oblačnosti a srážek. Obecně platí, že voda se do vzduchu dostává výparem z vodních ploch, případně také z půdy a vegetace. Důležitou roli zde hraje teplota, neboť teplejší vzduch pojme větší množství vody (\(\Phi_\mathrm{max}\) závisí na teplotě).

Proudění

Proudění vzduchu v atmosféře je nesmírně složité a zároveň rozhodující pro vznik oblačnosti a srážek. Naštěstí je to právě oblačnost, která nám umožňuje proudění zviditelnit, jako například v následujícím časosběrném záznamu oblačnosti.

Přestože je proudění složité a často i chaotické, je možné vystihnout a pochopit jeho typické rysy. Asi nejdůležitějším poznatkem je fakt, že oblačnost vzniká při ochlazování vlhkého vzduchu ve výstupném vzdušném proudu. Vzduch může stoupat třeba proto, že je ohříván od zemského povrchu (viz obrázek), nebo proto, že narazí na překážku v podobě hor (proto je na horách víc srážek).

11.42 – Vznik oblačnosti ve výstupném vzdušném proudu. Vzduch stoupá, protože je ohříván od Země. Takto mohou vznikat například letní bouřky.

Prakticky je významnější stoupání vzduchu v tlakové níži při promíchávání teplého a studeného vzduchu. Zde můžeme pozorovat dvě základní situace. Pokud přichází teplý vzduch do oblasti vzduchu studeného, je nucen stoupat vzhůru a vytváří vrstevnatou oblačnost. Rozhraní mezi přicházejícím teplým vzduchem a studeným vzduchem se nazývá teplá fronta (viz obrázek). Srážky jsou většinou mírnější intenzity, avšak delšího trvání. Teplá fronta postupuje většinou pozvolna, její příchod je možné velmi dobře předpovědět.

11.43 – Teplá fronta.

Pokud naopak přichází studený vzduch do oblasti vzduchu teplého, je teplý vzduch vytlačován nahoru a vzniká kupovitá a bouřková oblačnost. Rozhraní mezi přicházejícím studeným vzduchem a teplým vzduchem se nazývá studená fronta (viz obrázek). Srážky bývají prudké a kratší, často doprovázené silným větrem. Po přechodu studené fronty se zpravidla poměrně rychle vyjasní a prudce ochladí.

11.44 – Studená fronta.

O tom, jak se teplá a studená fronta projevují na obloze, si můžete přečíst v motivačním článku (10 types of clouds). Na závěr se ještě vraťme k meteorologické mapě. Fronty na ní najdete vyznačeny barevnými značkami.

Příklad 5

Podle meteorologické mapy popište, jaký charakter počasí očekáváte v daném dni (21. 3. 2021) v České republice.

11.45 – Meteorologická mapa. V mapě se fronty vyznačují pomocí barevných značek.
Řešení:

Na mapě vidíme, že bude přecházet studená fronta. Proto je na místě očekávat rychlý nástup oblačnosti během dne, silný severní vítr, dešťové či sněhové přeháňky a také prudké ochlazení (vidíme, že vzduch přichází od severu). Podle data jde sice o první jarní den, ale počasí bude v tento den spíše zimní.

Poznámka na okraj: Meteorologické modely

V dnešní době pomáhají meteorologům s předpovědí počasí numerické modely. Jsou to počítačové simulace atmosféry na velmi výkonných strojích, které zahrnují celou planetu nebo její vybranou část. Velmi zjednodušeně se dá princip modelu popsat takto: do počítače se zadají co nejpřesnější data o stavu atmosféry (tlak, teplota, vlhkost, proudění, …) v určitém okamžiku. Výkonný počítač poté pomocí fyzikálních zákonů modeluje budoucí pohyb atmosféry. Zpočátku je model velmi přesný, směrem do budoucnosti ale neustále narůstá jeho nepřesnost. V současnosti se považuje za hranici, kdy má ještě předpověď nějaký smysl, deset dní. Sběr dat a provoz takového globálního modelu stojí spoustu peněz a práce, proto je modelů poměrně málo a většina aplikací a médií pouze přebírá jejich data. Například na webové stránce www.windy.com můžete dokonce porovnávat předpovědi z různých modelů.

Nejvíc používané jsou dva globální modely.

  • GFS – Global Forecasting System (globální předpovědní systém). Jedná se o numerický model provozovaný americkým Národním centrem pro predikci životního prostředí (NCEP) a poskytuje předpověď až na 16 dnů.
  • ECMWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (Evropské centrum pro střednědobé předpovědi počasí) je provozován sdružením evropských států.
11.46 – Vývoj průměrné roční korelace mezi modelovou a skutečnou anomálií předpovědi výšky hladiny 500 hPa pro model GFS a model Evropského předpovědního centra (ECMWF) od roku 1985 do roku 2014, údaje platí pro předpověď na 5 dnů dopředu. Patrné je neustálé zlepšování výpočtů numerických modelů za posledních 30 let, zdroj dat: NOAA.