Škola letecké meteorologie, 9. díl - Distribuce tepla

Teplo a teplota hrají v dynamice atmosféry zásadní roli. Nebýt tepelné energie, atmosféra by byla nehybná, klidná a bez vývoje. Nebyl by vítr, tvorba tlakových útvarů, oblačnosti ani srážek.

Ve skutečnosti atmosféra přijímá energii především z vnějšího zdroje, Slunce. Ostatní kosmické záření je oproti tomu slunečnímu pro energetiku atmosféry zanedbatelné.

Spektrum slunečního elektromagnetického záření prochází celou trasu mezi Sluncem a Zemí víceméně nerušeno nějakým hmotným prostředím. Pak prochází zemskou atmosférou, ve které se částečně rozptyluje, částečně absorbuje v částicích plynů, a zůstatek potom dopadá na zemský povrch. Ten toto záření zpracovává — část pohltí, část odrazí. Toto záření zahřívá zemský povrch stejným principem, jako mikrovlnná trouba. Jednotlivé typy povrchů absorbují a odrážejí dané vlnové délky různě; poměr mezi reflektovaným a příchozím zářením se nazývá albedo. Rozehřátý zemský povrch potom vysílá elektromagnetické záření coby zdroj, ovšem zatímco maximum příchozí energie od Slunce leží na vlnových délkách kolem 0,6 nm, zemský povrch vydává maximální energii na vlnových délkách podstatně vyšších, v infračervené oblasti spektra. Vlnová délka těchto maxim závisí na teplotě zdrojového tělesa. Čím je těleso chladnější, tím vyšší vlnové délky připadají na maximum vyzářené energie. Teplota povrchu Slunce je 5500 K, povrchu Země asi 300 K.

Atmosféra funguje jako tepelný výměník díky tomu, že část energie pohlcuje. Je to vlastně takové „zateplení“ zemské koule. Nebýt této absorpce, dopadalo by na zemský povrch možné maximum energie, stejně jak tomu je na povrchu Měsíce, a teplota povrchu by byla kolem 120 °C. To jistě vědí astronauti na oběžné dráze kolem Země, mimo atmosféru — i proto mají bílé skafandry, aby se nepřehřáli, jako se to stalo prvnímu člověku, který vystoupil do otevřeného prostoru, Alexeji Leonovi. Vlivem vysoké teploty se výrazně potil a naplnil tak svůj skafandr, že se téměř nemohl dostat zpátky do lodi. Na zemském povrchu je však teplota pod slunečním zářením mnohem příznivější, i když v tropických oblastech někdy i přesahuje 50 °C. Naopak v noci by teplota na povrchu bez účinku atmosféry klesla na -90 °C.

Energie, přijatá hmotou, se distribuuje několika způsoby. Vyzařování neboli radiaci jsme již zmínili. Infračervené záření sice nemůžeme zjišťovat naším zrakem, ale můžeme si prohlížet teplotu těles pomocí infrakamery či termokamery, což je zařízení, které převádí dlouhovlnné (též tepelné) záření na zrakem viditelné barvy. Radiace je tedy šíření energie pomocí elektromagnetického záření a šíří se všude tam, kde mohou pronikat paprsky, včetně vakua. K tomuto šíření není potřeba hmoty. Tepelná energie se může šířit také vedením, kondukcí. Jednotlivé molekuly hmoty si mezi sebou předávají svoji kinetickou energii, podobně jako kdyby jedna kulečníková koule narazila na druhou, druhá na třetí a tak dále. Zatímco třeba železo je dobrým vodičem tepla, což poznáme, když ponoříme chladnou kovovou lžičku do horkého čaje a po chvíli bude horká i vyčnívající část, tak vzduch je vodičem velmi špatným. Alias je dobrým izolátorem. V atmosféře se tak teplo šíří vedením jen s obtížemi, většinou jen těsně u zemského povrchu, kde je vedeno od povrchu do nejpřilehlejších vrstev vzduchu a dál se potom šíří jinými způsoby. K nim patří konvekce, proudění. Zatímco k vedení tepla potřebujeme tuhé, kapalné nebo plynné látky (tj. jakoukoli hmotu), ke konvekci je nutná tekutina, tj. kapalina nebo plyn — tuhé látky proudit nemohou. Konvekci budou určitě znát kuchařky, i když se jí asi podrobněji věnovat nebudou. Při vaření se takto pohybuje hmota v hrnci. Voda kolotá nahoru a dolů, stejně jako vzduch v atmosféře při vhodných podmínkách. Atmosférickou konvekci budou zase znát plachtaři, kteří ji využívají k získávání výšky ve stoupavých proudech. Principem konvekce je nehomogenita hustotního pole, která má příčinu v nehomogenitě pole teplotního. Objemy tekutiny, které mají nižší hustotu než obklopující prostředí, nabývají archimédovské vztlakové síly, která je vynáší směrem vzhůru, proti působení gravitace. Jakmile tyto částice dosáhnou hladiny rovnováhy, tj. hladiny, kde je jejich teplota shodná s okolím, začnou svůj výstup zpomalovat, až se nakonec zastaví a klesají zpět k zemskému povrchu. Je zřejmé, že konvekce je především vertikálně orientovaný pohyb částic, roli zde hraje vztlak versus gravitace.

Advekce je naopak horizontální přenos tepla, popřípadě jiného parametru. Během přesouvání vzduchové hmoty podél zemského povrchu přejímá vzduch nové vlastnosti od povrchu, přes který se zrovna pohybuje. Ovšem teplota je poměrně konzervativní veličina a mění se neochotně. I tak se ale odehrávají zajímavé události během přesunu vzduchové hmoty. Například v zimním období je zpravidla teplejší povrch moří, zatímco pevnina bývá podchlazená. Proudí-li vzduch z oceánu nad pevninu, ochlazuje se a to vede často ke kondenzaci obsažené vlhkosti a vzniku mlh, oblačnosti nebo srážek.

Na šíření tepla se výrazně podílí také turbulence. Na rozdíl od kondukce se turbulencí přenášejí násobně větší kvanta vzduchu a účinnost distribuce tepla v turbulenci je o 5 až 6 řádů vyšší.

RNDr. Petr Dvořák
Letecký meteorolog, lektor

www.jasno.cz