Atmosférický termostat

TEPELNÉ ÚČETNICTVÍ

Zemský povrch a k němu přilehlý vzduch můžeme přirovnat k bankovnímu účtu, jehož stav je podmíněn bilancí příjmů a výdajů. Jinými slovy, pokud vyděláváme víc peněz, než jich utrácíme, množství úspor stoupá a naopak. Obdobně je tomu s teplotou zemského povrchu. Ta roste, pokud je množství přijímané energie vyšší než jeho tepelné ztráty, a klesá při opačné nerovnováze.

Když se zvyšují naše příjmy, rostou obvykle i naše výdaje. Poté stačí, aby bylo příjmů méně, a stav našeho účtu se začne snižovat. Žijeme nad poměry a musíme začít šetřit. I v této věci existuje paralela se zemským povrchem. Při kladné tepelné bilanci zesilují toky tepla, které brzdí jeho další ohřívání. Když pak tyto záporné toky převáží a zemský povrch se ochlazuje, aktivují se jiné mechanizmy, které dalšímu poklesu teploty brání. V obou případech je podstatným činitelem zemská atmosféra.

SKLENÍKOVÍ DOBRODINCI

Hlavními položkami v bilanci příjmů a výdajů jsou toky tepla realizované prostřednictvím elektromagnetického záření. Příjem má formu krátkovlnného záření a jeho zdrojem je Slunce. Velikost příkonu ovšem značně závisí na sezóně – v zimě přichází záření méně intenzivní a po kratší část dne, v polárních oblastech se pak musí po dobu polární noci bez tohoto příjmu obejít úplně.

Zářivé toky od zemského povrchu naproti tomu probíhají neustále, a to ve formě dlouhovlnného, tepelného záření. Intenzita vyzařování nicméně není v čase stálá, nýbrž rovněž kolísá během dne a roku. V souladu s naším přirovnáním je největší ve chvíli, kdy má zemský povrch nejvíce tepla na rozdávání. Přibližně můžeme k popisu tohoto jevu použít Stefanův–Bolzmannův zákon, podle kterého intenzita vyzařování roste se čtvrtou mocninou teploty tělesa.

Kdyby Země neměla atmosféru ani hydrosféru, bylo by počítání příjmů a ztrát tepla poměrně jednoduché. Atmosféra však tepelné vyzařování zemského povrchu, které by jinak unikalo do vesmíru, z 90 % zachycuje a většinu vrací zpět k zemskému povrchu. Jako kdyby vám v obchodě vrátili většinu utracených peněz zpátky na účet. Toto zpětné záření atmosféry navíc probíhá nepřetržitě a po celé Zemi, takže alespoň částečně nahrazuje případný výpadek slunečního záření. A kdo že jsou ti dobrodinci? Kromě oblačnosti, o níž ještě bude řeč, jsou to tzv. skleníkové plyny v čele s vodní párou, oxidem uhličitým a metanem. Jako problematický se dnes jeví nárůst koncentrace některých z nich, ale to je jiný příběh.

POHYBY MEZI ÚČTY

Přebytek prostředků na účtu nám obvykle nevadí, nicméně atmosféra to vidí jinak. Pokud se zemský povrch za jasného dne ohřívá příliš prudce, přichází ke slovu další termoregulační mechanizmus, totiž turbulentní tok tepla. Zemský povrch předává energii přilehlým molekulám vzduchu, které ji odnášejí pryč. Zde může pomoci i obyčejný vítr, větší roli však hrají pohyby vzduchu ve vertikálním směru zvané konvekce. Čím více se molekuly vzduchu dodanou energií rozkmitají, tím více místa zabírají. Teplejší vzduch má proto nižší hustotu a působením vztlaku jsou jeho bubliny vyzdvihovány vzhůru. To, jak vysoko proniknou, záleží na teplotním profilu a vlhkosti vzduchu. K zemskému povrchu se pak dostává chladnější vzduch z větších výšek.

K ještě výraznějšímu ovlivnění teploty vzduchu při zemském povrchu dochází v případě, že na místo uvolněné stoupajícím teplým vzduchem číhá někde poblíž chladnější vzduch. Je to trochu, jako bychom na sebe vzali část cizích dluhů. Dochází k tomu v místech, kde se setkávají povrchy s různými tepelnými vlastnostmi, jako je např. pobřeží rozsáhlé vodní plochy nebo předěl dvou svahů s odlišnou orientací. Během dopoledne se dává do pohybu denní fáze místního cirkulačního systému, kterému podle typu rozhraní říkáme mořská či jezerní bríza, resp. údolní či svahový vítr. V oblastech s výraznou místní cirkulací tak za jasného počasí nastává maximum teploty vzduchu již během dopoledne, než se uplatní ochlazující efekt chladnějšího vzduchu od moře či velkého jezera.

ZRUINOVANÝ ÚČET

Místní cirkulační systémy se částečně uplatňují i při zmírňování nočního ochlazování, kdy studený vzduch při povrchu stéká díky vyšší hustotě nad moře či dolů z hor a je shora nahrazován méně prochlazeným vzduchem. Tentokrát naše dluhy přebírá někdo jiný. Také obyčejný vítr může pomoci tím, že rozruší přízemní teplotní inverzi.

Pokud je však jasno a prakticky bezvětří, nočnímu ochlazování nic nebrání. Vůbec nejnižších teplot pak dosahuje přízemní vrstva vzduchu v uzavřených údolích a kotlinách. Zdejší situace se podobá bankovnímu účtu, který je kromě vlastních výdajů ruinován i dluhy blízkých osob, v tomto případě tepelným vyzařováním přilehlých svahů. Studený vzduch stéká dolů a během noci se hromadí v tzv. mrazových kotlinách. Ranní mráz se zde proto může vyskytnout i během léta. U nás je tento jev nejvýraznější na šumavských slatích.

TAJNÉ TRANSAKCE

Oceány i jiné vodní plochy výrazně zmírňují klima Země svou schopností absorbovat velké množství tepla a postupně ho zase uvolňovat, trochu na způsob termínovaného účtu. Podstatnou roli však hraje i voda v atmosféře. O roli vodní páry coby skleníkového plynu již byla řeč, neméně důležité jsou však i její fázové přechody. V naší analogii se podobá cenným papírům, do kterých můžeme investovat nadbytečné příjmy. Místo nárůstu zůstatku na účtu pak roste náš majetek. V případě atmosféry jde o výpar vody, kdy se dodávaná sluneční energie přeměňuje na latentní, skryté teplo. Neprojeví se totiž ohřátím vzduchu, nýbrž nárůstem jeho absolutní vlhkosti. Podmínkou fungování tohoto mechanizmu je samozřejmě dostatek vody na zemském povrchu.

Na rozdíl od lidí, kteří cenné papíry pečlivě schraňují, se zemský povrch takto vzniklého latentního tepla ochotně zbavuje. Protože současně s intenzivním výparem zpravidla probíhá i výše zmíněná termická konvekce, je vodní pára unášena vzhůru, čímž se vzduch ochlazuje. Pokud vystoupá dostatečně vysoko, ochladí se vzduch nesoucí vodní páru natolik, že se v něm voda neudrží v plynném skupenství a kondenzuje do podoby oblačných kapiček, případně tzv. depozicí vznikají oblačné krystalky.

Ve výšce uvolněné latentní teplo navíc termickou konvekci dál zesiluje, takže mohou vznikat konvektivní bouře doprovázené bouřkami. Jestliže dojde k vypadávání srážek, ochladí se zemský povrch ještě více.

Jakkoliv tok latentního tepla směřuje převážně od zemského povrchu vzhůru a zmíněný mechanizmus slouží hlavně k ochlazování povrchu, někdy dojde i k opačnému působení. Cenné papíry je totiž možné opět prodat. A tak vodní pára, které se vzduch nezbaví tvorbou oblaků, může při výrazném ochlazení zemského povrchu kondenzovat přímo na něm nebo v přilehlém vzduchu ve formě rosy, resp. mlhy. I v tomto případě se může pára měnit také přímo v ledové krystaly, takže na zemském povrchu pozorujeme jíní, lidově nazývané jinovatka.

OBLAČNÝ FILTR

Ať už se plynné skupenství mění na kapalné, nebo pevné, pokaždé se uvolňuje latentní teplo kondenzace (depozice), které zemský povrch a přilehlý vzduch otepluje. Poslední slovo musí mít již zmíněná oblačnost, která představuje výkonný filtr našeho účtu, jenž odmítá mnoho příchozích plateb (zastiňuje zemský povrch), nicméně vrací zpět i řadu plateb odchozích. Z planetárního hlediska je v tomto ohledu výkonná vysoká cirrovitá oblačnost. Lokálně je však důležité především působení nízké inverzní oblačnosti, typické pro podzim a zimu. Její účinek je tak výrazný, že může prakticky eliminovat denní chod přízemní teploty vzduchu.

Jakožto obyvatelé nižších nadmořských výšek ji nemáme rádi, protože brání slunečnímu svitu. Její izolační působení během noci je pro nás ve skutečnosti významnější, protože množství přijatého slunečního záření by bylo v tuto roční dobu výrazně menší než následné noční ztráty tepla. Takový nevděčný postoj míváme ostatně i k jiným procesům v atmosféře. A nejen v ní.