Teplota atmosféry

Vertikální teplotní profil

Úloha Slunce v teplotě atmosféry

Skleníkový efekt

Zdroje

Teplota zemské atmosféry se mění podle vzdálenosti od rovníku (zeměpisná šířka) a výšky nad povrchem (nadmořská výška). Mění se také s časem, mění se od ročního období k ročnímu období a od dne k noci a také nepravidelně v důsledku procházejících povětrnostních systémů. Pokud se však místní odchylky zprůměrují na globální úrovni, vznikne vzorec globální průměrné teploty. Vertikálně se atmosféra dělí na čtyři vrstvy: troposféru, stratosféru, mezosféru a termosféru.

Vertikální teplotní profil

Zprůměrováním teplot atmosféry ve všech zeměpisných šířkách a během celého roku získáme průměrný vertikální teplotní profil, který je známý jako standardní atmosféra. Průměrný vertikální teplotní profil naznačuje čtyři odlišné vrstvy (obr. 1). V první vrstvě, známé jako troposféra, průměrná atmosférická teplota postupně klesá od své hodnoty na povrchu, přibližně 290 K (63 °F; 17 °C), a dosahuje minima přibližně 220 K (-64 °F;-53 °C) ve výšce přibližně 6,2 mil (10 km). Tato úroveň, známá jako tropo-pauza, se nachází těsně nad cestovní výškou komerčních proudových letadel. Pokles teploty s výškou, nazývaný lapse rate, je v celé troposféře téměř rovnoměrný a činí 43,7 °F (6,5 °C) na 0,6 míle (1 km). V tropopauze se rychlost lapse prudce snižuje. Teplota atmosféry je během následujících 12 mil (20 km) téměř konstantní, poté začíná s rostoucí výškou stoupat až do výšky přibližně 31 mil (50 km). Tato oblast se zvyšující se teplotou je stratosféra. V horní části této vrstvy, nazývané stratopauza, jsou teploty téměř stejně vysoké jako hodnoty na povrchu. Mezi přibližně 31-50 mílemi (50-80 km) se nachází mezosféra, kde teplota atmosféry opět klesá s výškou a na vrcholu vrstvy (mezopauzy), přibližně 50 mil (80 km), dosahuje minima 180 K (-136°F;-93 °C). Nad mezopauzou se nachází termosféra, která je, jak napovídá její název, zónou vysokých teplot plynů. Ve velmi vysoké termosféře (asi 311 mil (500 km) nad

zemským povrchem) může teplota plynu dosahovat 500-2 000 K (441-3 141 °F; 227-1 727 °C). Teplota je měřítkem energie pohybu molekul plynu. Přestože mají vysokou energii, molekuly v termosféře se vyskytují ve velmi malém množství, méně než jedna miliontina množství přítomného v průměru na zemském povrchu.

Teplotu atmosféry lze také znázornit jako funkci zeměpisné šířky i nadmořské výšky. Obrázky 2 a 3 ukazují takové grafy se zeměpisnou šířkou jako souřadnicí x a nadmořskou výškou jako souřadnicí y.

Úloha Slunce v teplotě atmosféry

Většina slunečního záření je vyzařována jako viditelné světlo, s menšími částmi na kratších vlnových délkách (ultrafialové záření) a delších vlnových délkách (infračervené záření nebo teplo). Jen malá část viditelného světla je pohlcena atmosférou (i když část se odráží zpět do vesmíru od mraků), takže většina této energie je pohlcena zemským povrchem. Země se přitom zahřívá a vyzařuje teplo (infračervené záření) zpět nahoru. Tím se atmosféra ohřívá, a stejně jako je člověku tepleji, když stojí blíže k ohni, jsou nejteplejší vrstvy vzduchu nejblíže povrchu.

Podle tohoto vysvětlení by měla teplota s výškou neustále klesat. Obrázek 1 však ukazuje, že teplota se zvyšujeS s výškou ve stratosféře. Stratosféra obsahuje téměř veškerý ozon v atmosféře. Ozon (O3) a molekulární kyslík (O2) pohlcují většinu krátkovlnného ultrafialového slunečního záření. Přitom se rozpadají a neustále se reformují. Konečným výsledkem je, že molekuly ozonu přeměňují ultrafialové záření na tepelnou energii, ohřívají vrstvu a způsobují rostoucí teplotní profil pozorovaný ve stratosféře.

V mezosféře se obnovuje pokles teploty s výškou. Termosféra je však vystavena ultrafialovému a rentgenovému slunečnímu záření s velmi vysokou energií a krátkou vlnovou délkou. Protože atomy nebo molekuly přítomné na této úrovni absorbují část této energie, jsou ionizovány

(je jim odebrán elektron) nebo disociovány (molekuly jsou rozštěpeny na své složkové atomy). Vrstva plynu se tímto energetickým bombardováním silně zahřívá, zejména v obdobích, kdy Slunce vyzařuje zvýšené množství záření krátkých vlnových délek.

Skleníkový efekt

Sluneční energie není jediným faktorem určujícím teplotu atmosféry. Jak bylo uvedeno výše, zemský povrch po pohlcení slunečního záření ve viditelné oblasti,

Klíčové pojmy

Skleníkový efekt -Oteplování zemské atmosféry v důsledku zachycování tepla zpětně vyzářeného ze Země některými plyny přítomnými v atmosféře.

Infračervené záření -Záření podobné viditelnému světlu, ale o něco delší vlnové délky.

Lapse rate -Rychlost, s jakou se atmosféra ochlazuje s rostoucí výškou, udávaná v jednotkách stupňů C na kilometr.

Mezosféra -Třetí vrstva atmosféry, která leží ve výšce asi 50 až 80 kilometrů a vyznačuje se malou lapse rate.

Stratosféra -Vrstva horních vrstev atmosféry nad výškou 5 až 10,6 mil (8 až 17 km) a sahající asi do 31 mil (50 km), v závislosti na ročním období a zeměpisné šířce. Ve stratosféře se teplota vzduchu s výškou mění jen málo a je zde málo konvektivních vzdušných proudů.

Termosféra -Svrchní vrstva atmosféry, která začíná asi ve výšce 50 mil (80 km) a táhne se stovky mil nebo kilometrů do vesmíru. V důsledku bombardování velmi energetickým slunečním zářením může mít tato vrstva velmi vysokou teplotu plynů.

Troposféra -Vrstva vzduchu do 24 km (15 mil) nad povrchem Země, známá také jako spodní atmosféra.

Ultrafialové záření -Záření podobné viditelnému světlu, ale s kratší vlnovou délkou, a tedy vyšší energií.

Rentgenové záření -Záření s vlnovou délkou kratší než nejkratší ultrafialové záření; velmi energetické a škodlivé pro živé organismy.

vyzařuje infračervené záření zpět do vesmíru. Několik atmosférických plynů toto tepelné záření pohlcuje a znovu vyzařuje do všech směrů, včetně zpět k povrchu. Tyto takzvané skleníkové plyny tak zachycují infračervené záření v atmosféře a zvyšují její teplotu. Mezi důležité skleníkové plyny patří vodní pára (H2 O), oxid uhličitý (CO2) a metan (CH4). Odhaduje se, že bez skleníkových plynů by teplota zemského povrchu byla v průměru asi o 32 °C nižší. Protože tato teplota je hluboko pod bodem mrazu vody, byla by planeta bez skleníkového efektu mnohem méně vhodná pro život.

Ačkoli jsou skleníkové plyny pro život na planetě nezbytné, jejich větší množství nemusí být nutně lepší. Od počátku průmyslové revoluce v polovině 19. století vypouští člověk spalováním fosilních paliv do atmosféry stále větší množství oxidu uhličitého. Hladina oxidu uhličitého měřená ve vzdálené atmosféře vykazuje od roku 1958, kdy se začaly vést záznamy, neustálý nárůst. Pokud se tento nárůst promítne do odpovídajícího zvýšení teploty atmosféry, může to mít za následek tání polárních ledovců a zvětšování moří, což povede k tomu, že pobřežní města budou pokryta oceánem; změny klimatu, které možná povedou k vymírání, a nepředvídatelné změny větru a počasí, což bude představovat významný problém pro zemědělství. Předvídat změny, které může přinést zvýšené množství skleníkových plynů, je složité. Vzájemné působení atmosféry, oceánů, kontinentů a ledovců není zcela pochopeno. Je sice známo, že část vypouštěného oxidu uhličitého je pohlcována oceány a nakonec se ukládá ve formě karbonátových hornin (např. vápence), není však známo, zda se jedná o stálý proces nebo zda může držet krok se současnou úrovní produkce oxidu uhličitého.

.