Škola letecké meteorologie, 1. díl — zemská atmosféra

V prvním díle našeho naučného videa letecké meteorologie se seznámíme s úplným základem celého odvětví, se zemskou atmosférou.

Ne snad, že bychom k létání nutně potřebovali vědět, co se odehrává v mezosféře nebo kam sahá termosféra, ale v životě se stále učíme spoustu věcí, o kterých v té chvíli nevíme, k čemu nám jednou budou. Nehledě na to, že snad nikdo nemá jen ty znalosti, které nezbytně nutně potřebuje pro výkon své práce, ale obvykle má širší rozhled. Nakonec, i naše videosekce se jmenuje Daleké obzory, abychom se snažili dohlédnout až za ně. Třeba se někdy za krátké letní noci přihodí, že poletíme kamsi dálkovou linku a nad severním obzorem se budou splétat modravé nitky zdánlivě cirrovité oblačnosti, která nás zaujme — noční svítící oblaka. Budeme se ptát, co to je? Co je to za malebné a nezvyklé oblaky na temné obloze, když tam má být noční tma?

Planeta Země vznikla spolu s ostatními planetami i centrální hvězdou Sluncem před 4,55 miliardami let. Zpočátku byla Země horkou koulí s mnoha vulkány, chrlícími žhavou lávu; teplota povrchu byla tak vysoká, že se tu nemohla udržet kapalná voda a vyskytovala se jen v podobě páry v prvotní atmosféře. Tehdejší atmosféra neobsahovala ani kyslík a tudíž ani ozón (tříatomární kyslík), jenž by účinně filtroval příchozí UV záření. Proto po vychladnutí povrchu na přijatelnou hodnotu nemohl existovat ani suchozemský život, protože UV záření by jej zahubilo. První primitivní živé organismy se zformovaly na dně vzniklých oceánů někdy před 3,8 miliardami roků, šlo o jednobuněčné organické sloučeniny, schopné metabolismu a replikace. Tehdy také začalo velmi pomalu přibývat kyslíku a ten se dostával do atmosféry. Život však nadlouho zůstával pod hladinou moří.

Až před 2,5 miliardami let se živé organismy dostaly z moří na suchou zem v podobě zelených řas. Ke slovu se dostala fotosyntéza a masivnější produkce kyslíku a následně i ozónu, ovšem vhodná koncentrace nastala až někdy před 0,85 miliardy roků! Tehdy nastoupily větší výkyvy klimatu, střídání dob ledových a meziledových. V některých obdobích dokonce došlo k výraznému zániku rozvíjejících se ekosystémů a možná nechybělo moc, aby život na Zemi zase zanikl. V době před 0,75 až 0,58 mld. let byla průměrná teplota zemského povrchu -45 °C, zatímco dnes je to kolem 15 °C. Naštěstí byla

Země geologicky neklidná, působila tu bohatá vulkanická činnost a díky její produkci skleníkových plynů, zejména CO2, se klima začalo oteplovat. Měnilo se procentuální zastoupení kyslíku v atmosféře, jeden čas dosahovalo až 35 %, později kleslo na 15 % a ještě později, v době před méně než 0,2 mld. let, se ustálil na současných 21 %. Při výrazných klimatických změnách docházelo také ke změnám druhové skladby živých organismů a zatímco před 65 milióny let dominovali na vrcholu potravinového řetězce různí dinosauři, po jejich vyhynutí se otevřela cesta jiným druhům.

Předchůdce člověka se objevil někdy před 30 milióny let, hominidé, chodící už po dvou končetinách, před 8 milióny let a homo habilis, člověk zručný, je tu teprve 2,5 miliónu let. Letadla však tehdy ještě nebyla. Homo sapiens existuje pouhých 100 tisíc let. Dnešní atmosféra Země má ustálenou chemickou skladbu. 78 % objemového množství zastupuje dusík, 21 % kyslík a 1 % připadá na ostatní plyny včetně vodní páry a tolik diskutovaného oxidu uhličitého, významného svým skleníkovým efektem. Tento efekt je pro klima a život podstatný, protože díky němu se v přímořských výškách udržuje komfortní teplota, vhodná pro většinu organismů. Nebýt atmosféry, byly by na Zemi stejné poměry, jako na povrchu Měsíce — na straně přivrácené ke Slunci by byla teplota povrchu přes 120 °C, na odvrácené kolem -90 °C.

Když stoupáme po vertikále a vzdalujeme se tak od vlivu zemského povrchu, klesá teplota vzduchu až do výšek kolem 11 km rychlostí 0,65 °C na každých 100 m výšky. Tato vrstva se nazývá troposféra a odehrává se v ní drtivá většina počasových jevů. V 11 km se pokles teploty vzduchu zastaví na hodnotě kolem -57 °C a nastává izotermie až do výšek kolem 15-20 km. Několik stovek metrů silná přechodová vrstva je tropopauza a v letecké meteorologii ji ještě mnohokrát zmíníme. Nad tropopauzou až do výšky 50 km je stratosféra. Teplota vzduchu, zpočátku izotermická, pak od 20 km až do 50 km roste, protože tahle vrstva obsahuje vyšší koncentraci ozónu, jehož skleníkový efekt tento růst teploty způsobuje. Na horní hranici stratosféry bychom naměřili teplotu 0 °C. Následuje opět přechodová vrstva, stratopauza, nad kterou teplota vzduchu zase klesá až do výšky 90 km; tuto vrstvu nazýváme mezosféra. Na horní hranici mezosféry je kolem -90 °C, v létě však i -120 °C. Právě zde se v době několika týdnů kolem letního slunovratu příležitostně utvářejí noční svítící oblaky. Nad mezosférou je přechodová vrstva mezopauza a nad ní teplota zase roste, až na stovky až tisíce °C.

Proto se tato vrstva nazývá termosféra. Astronauti na oběžné dráze se však nemusejí obávat, že by se upekli — množství molekul vzduchu je tu už tak nízké, že to ani nepocítí. Někdy se uvádí ještě další vrstva, exosféra, která představuje přechod zemské atmosféry do kosmu. Ve vzdálenostech desítek tisíc km od povrchu Země se stále dají najít molekuly atmosférických plynů, které rotují spolu s matičkou Zemí. Zatímco teplota vzduchu se takto proměňuje, tlak vzduchu se chová spořádaněji. Exponenciálně ubývá hned od zemského povrchu, až se kdesi, stovky až tisíce km nad ním, blíží k praktické nule.

Takřka nulový tlak bychom naměřili už v pouhých 50 km výšky, za jakousi hranici mezi atmosférou a vesmírem někdy považujeme výšku 100 km. Podobně se chová také hustota vzduchu, i když jsou speciální případy, kdy nastává inverze hustoty (což se v případě tlaku nemůže stát). Inverze hustoty je důsledkem výrazných vertikálních gradientů teploty u silně přehřátého povrchu. Známe takové to tetelení horkého vzduchu u země — tehdy v tenké přízemní vrstvičce dochází k takovému průběhu hustoty. Ale o tom budeme hovořit v dalších dílech našeho vzdělávacícho pořadu.

RNDr. Petr Dvořák
Letecký meteorolog, lektor

www.jasno.cz