Atmosféra

*Zde vedle sebe vidíme veškerý život... a život v jeho nejmenším balení: jedinou buňku. Jako složitý fraktál, když si ho přiblížíme a oddálíme, nevypadají struktury života o moc jinak.  To, co oběma těmto strukturám umožňuje přežít, je tenká ochranná vrstva. Buněčná membrána neboli vnější bariéra selektivně filtruje, co do buňky vstupuje a co z ní vychází.  Na Zemi máme atmosféru, tedy obal z plynů, který kolem planety udržuje gravitace, a který funguje jako "největší membrána na světě".  Toto přirovnání použil lékař a spisovatel Lewis Thomas v roce 1973. Stejně jako buněčná membrána filtruje atmosféra to, co smí dovnitř a ven, například různé vlnové délky světla.  Thomas žasl nad tím, jak fotografie, jako je slavný "Východ Země", ukazují sterilní povrch Měsíce a v pozadí vystupující "bujnou" Zemi. Zdálo se mu zázračné, že Země je tak živá, zatímco všechno kolem ní se zdálo tak... neživé. Většina z nás považuje atmosféru za samozřejmost a málokdy přemýšlí o tom, z čeho se skládá, jak se pohybuje nebo mění. Všimneme si jí, když nás znepříjemňuje špatné počasí, nebo ji oceníme, když si užíváme pobytu v přírodě. Ale vytvářela se 5 miliard let a díky ní jsme my i všechny ostatní buňky života schopni přežít.  Jmenuji se Alizé Carrère a toto je Crash Course Geography.*

Zemská atmosféra je jedinečnou zásobárnou, která tvoří ochrannou hranici mezi vesmírem a biosférou, v níž existuje veškerý život na zemském povrchu. Vzduch je ve skutečnosti směs plynů, které jsou bez zápachu, chuti, barvy, beztvaré a mísí se tak dobře, že mají tendenci působit jako jeden plyn.  Recepturu v blízkosti zemského povrchu tvoří z 99 % dusík a kyslík, o něco méně než 1 % argon a nepatrné procento objemu pochází z vedlejších plynů, jako je oxid uhličitý. Tato většinou konzistentní směs se však začíná odchylovat, jakmile se přiblížíme k vnějšímu okraji atmosféry.  Pro lepší studium tohoto vývoje můžeme atmosféru rozdělit do vertikálních vrstev nebo "sfér" pomocí několika různých charakteristik.  Čtyři vrstvy, o kterých slyšíme nejčastěji, jsou troposféra, stratosféra, mezosféra a termosféra a vycházejí ze studia atmosféry na základě její teplotní struktury.

Každá vrstva má jinou počáteční teplotu, která se snižuje nebo zvyšuje s tím, jak se pohybujeme směrem do vesmíru.  Teplota ovlivňuje i tloušťku jednotlivých vrstev. Vrstva nejblíže k Zemi, kde se vyskytuje veškeré počasí a většina molekul vzduchu - troposféra - může sahat od 8 do 16 kilometrů nad povrch v závislosti na ročním období nebo zeměpisné šířce místa, kde se na zeměkouli nacházíte.  Zní to trochu svévolně, ale ve skutečnosti jde o fyziku: když je chladno, molekuly vzduchu se k sobě shlukují, takže je vzduch hustší a kompaktnější. Takže v zimě nebo v blízkosti pólů je troposféra nejtenčí. A nejhustší je tam, kde se molekuly vzduchu rozprostírají, například v teplých místech na rovníku.  Když se přesuneme do stratosféry, další vrstvy, teploty bývají vrstevnaté a postupně se oteplují. Zde se nachází ozonová vrstva, což je část atmosféry s nejvyšší koncentrací ozonu, jednoho z minoritních plynů v naší receptuře. Ozonová vrstva propouští vlnové délky světla příznivé pro život a zároveň filtruje ty škodlivé, jako je většina ultrafialových vln.

Absorpce UV záření způsobuje zvyšování teploty ve stratosféře.  V mezosféře pak teploty klesají a opět se zvyšují v neuvěřitelně horké termosféře, kde může teplota několika málo molekul vzduchu, které se tam vznášejí, dosáhnout až 1100 stupňů Celsia!  Celkem se atmosféra rozprostírá 480 kilometrů nad zemským povrchem. To zní jako hodně, ale průměr Země je 12 756 kilometrů. V porovnání s tím se atmosféra jeví jako... slupka pomeranče.  Tato tenká vrstva plynu je pro existenci života velmi důležitá, a proto je tak důležité o ní mluvit hned na začátku naší cesty do fyzikální geografie.  Bez atmosféry by nefungoval žádný z procesů, které budeme studovat v hydrosféře, litosféře a biosféře. Energie ze Slunce neustále prochází různými vrstvami atmosféry v podobě vln, dopadá na zemský povrch a je do něj absorbována, aby poskytovala teplo a teplo pro život.

Ve skutečnosti je tato "energie" elektromagnetickým zářením neboli různými vlnovými délkami energie, které se šíří od povrchu objektu. Všechny objekty - Slunce, Země, naše kůže - neustále vyzařují vlny elektromagnetického záření.  Velmi horké a vysoce energetické objekty, jako je Slunce, vyzařují obrovské množství energie v podobě krátkých vlnových délek neboli slunečního záření ve formě světla. Chladnější objekty, jako je Země, vyzařují mnohem delší tepelné vlny neboli zemské záření.  Vzhledem k tomu, že atmosférou neustále prochází sluneční záření, můžeme očekávat, že se teplota bude neustále zvyšovat, jako když sedíte pod dekou a je vám takové horko, že ji chcete shodit.  Naštěstí se Země neohřívá, protože Země a atmosféra přirozeně vyrovnávají krátkovlnnou sluneční energii, která k nám přichází, s dlouhovlnnou energií posílanou zpět do vesmíru.

Jedná se o atmosférický energetický rozpočet, kterého je dosaženo třemi běžnými typy přenosů energie. Prvním typem přenosu energie je záření, o kterém jsme hovořili, což je obecněji přenos energie prostřednictvím vlnění. Jako když si ohříváme ruce nad ohněm. Insolace neboli přicházející sluneční záření se k nám dostává prostřednictvím - hádáte správně! -- zářením.  Představte si, že jedeme na slunečním paprsku, který se snaží proplout atmosférou a řítí se k povrchu. Atmosféra chrání Zemi tím, že filtruje sluneční světlo, takže je zde poměrně dost překážek, přes které se musíme dostat.  Pokud má náš sluneční paprsek 100 jednotek zářivé energie, většina z nich bude zachycena dříve, než se dostaneme na povrch.

Vnější vrstva Slunce je díky své intenzivní energii extrémně horká, takže náš sluneční paprsek vyzařuje na krátkých vlnových délkách.  Tato zářivá energie může snadno procházet molekulami kyslíku a dusíku, protože jsou to v podstatě malá okénka propouštějící krátkovlnnou energii dovnitř a ven.  Ostatní plyny v atmosféře však krátkovlnnou energii pohlcují jako houba naplněná vodou.  Ve stratosféře je hlavní překážkou ozón.  A v troposféře je nepřítelem vodní pára v mracích.  Celkem 19 jednotek zářivé energie našeho slunečního paprsku je zachyceno absorpcí.  Další částice ve vzduchu jsou také nepříjemné!  Prach, kouř a sopečné emise rozptylují záření a mění směr pohybu světla, aniž by měnily jeho vlnovou délku.  8 jednotek energie z našeho slunečního paprsku se vrátí zpět do vesmíru, zatímco 20 jednotek se rozptýlí jako rozptýlené záření, ale přetrvá a dosáhne povrchu Země. V tomto okamžiku 53 % našeho slunečního paprsku stále směřuje k zemskému povrchu.  Další překážkou jsou mraky.  Husté mraky jsou ve skutečnosti schopny odrazit až 80 % celkového dopadajícího záření, jako zrcadlo odrážející energii zpět do vesmíru.  A i když se dostaneme na povrch, náš sluneční paprsek není v bezpečí - země může odrážet i krátkovlnnou zářivou energii.  Sníh a led mají vyšší albedo a odrážejí většinu sluneční energie, která na ně dopadá, zatímco černý chodník má albedo nízké a pohlcuje veškerou dopadající sluneční energii. Průměrně 26 jednotek sluneční energie se odrazí zpět do vesmíru od mraků nebo albedem na zemi.  Když to všechno sečteme, na zemský povrch dopadne pouhých 27 % původního slunečního paprsku, aniž by byl pohlcen, rozptýlen nebo odražen!

Takže po této kamenité cestě se na zem dostane 47 jednotek (nebo tak nějak) zářivé energie jako kombinace přímého záření, které nebylo pohlceno, rozptýleno ani odraženo, a rozptýleného záření, které bylo krátce rozptýleno, ale přesto se dostalo přes atmosféru.   Jak by řekl můj osobní hrdina David Attenborough, těchto 47 % je pro život na naší planetě tak akorát.  Ještě víc a povrch by mohl být pro život příliš horký, jako je tomu u Merkuru. Ještě méně a pro život, jak ho známe, by byl příliš chladný. Poté, co je přicházející záření pohlceno povrchem, je nakonec znovu vyzářeno Zemí jako pozemské záření. Zde hrají roli další dva typy přenosu tepla, které odvádějí tepelnou energii ze zemského povrchu do atmosféry a do vesmíru. Teplo je od Země odváděno vzhůru konvekčními proudy. Sluneční záření například ohřívá vodu ze zemského povrchu, která se vypařuje, mění se ve vodní páru a kondenzuje v mracích v troposféře.

Jak vodní pára kondenzuje a mění se z plynu na kapalinu, uvolněná energie ohřívá okolní molekuly vzduchu.  Je to podobné, jako když se vaří voda: konvekční proudy nechávají horké molekuly vody proudit vzhůru a ochlazovat se.  A část tepla se skutečně přenáší vedením, neboli skutečným kontaktem. Jako když jdete vzít za horkou rukojeť hrnce s vařící vodou.  Teplo se přenáší do vaší dlaně prostřednictvím fyzického kontaktu s hrncem. Vedení je nejdůležitější v nejspodnějších vrstvách vzduchu, které jsou v kontaktu se zemí, ale vzduch je ve skutečnosti docela špatný vodič tepla. Takže malé množství tepla přenášeného vedením se nakonec přenáší dále nahoru konvekcí.  Takže sluneční záření přicházející dovnitř se rovná zemskému záření plus konvekci plus vedení vycházející ze Země. Je to vyvážené! Atmosféra ve skutečnosti zachycuje poměrně velkou část dlouhovlnného zemského záření, které znovu vyzařuje a odráží tyto tepelné vlny zpět v rámci nepřetržité výměny energie. Atmosféra je tedy ve skutečnosti ohřívána zespodu. Některé plyny mohou sluneční záření na cestě k Zemi pohlcovat, ale jiné stopové plyny, jako je oxid uhličitý, metan, vodní pára a oxid dusný, skvěle pohlcují dlouhovlnné zemské záření a vracejí je zpět na zemský povrch. Tím vzniká přirozený skleníkový efekt.  Ve skleníku sklo propouští sluneční záření, ale nedovoluje teplému vzduchu uvnitř unikat.

Tyto skleníkové plyny dělají totéž v naší atmosféře.  Skleníkovým plynům se věnuje mnoho negativní pozornosti, ale bez přirozeného skleníkového efektu by byl povrch Země pro lidský život příliš chladný.  Dostáváme se však do problémů, protože lidská činnost - například spalování fosilních paliv a masivní odlesňování - zvýšila koncentraci skleníkových plynů. V atmosféře tak zůstává více tepelné energie.  To vyvolává trend oteplování, který narušuje ekologické systémy Země. Když se energetické systémy atmosféry dostanou do nerovnováhy, dochází ke kaskádovému efektu na další fyzikální a biologické procesy, od zvyšování hladiny moří až po změnu rozšíření rostlin a živočichů.  To, kde se na zeměkouli nacházíme, hraje velkou roli v tom, kolik energie je zachyceno skleníkovým efektem nebo kolik jí může uniknout. V předchozím díle jsme se dozvěděli, že na každé místo na Zemi nedopadá stejné množství sluneční energie, protože se Země naklání a pohybuje. Atmosféra nakonec tuto nerovnováhu ještě zvýrazňuje.  Například na rovníku, když je Slunce nad hlavou, se musí přicházející záření dostat pouze přes vertikální tloušťku atmosféry a poměrně velké množství se dostane dovnitř.  Ve vysokých zeměpisných šířkách však sluneční záření nedopadá přímo na hlavu a musí projít větším množstvím atmosféry. Je zde tedy více příležitostí k rozptylu a odrazu.

Teoreticky, kdyby byl vertikální rozpočet energie atmosféry vše, co máme, tropické oblasti by se ve skutečnosti oteplily a Arktida a Antarktida ještě více ochladily. To se však neděje.  Místo toho velké horizontální cirkulační systémy - jako jsou oceánské proudy a větrné systémy - přesouvají přebytečné teplo, které Země přijímá v nízkých zeměpisných šířkách, k pólům. Brzy uvidíme, jak je tento přenos energie z rovníku na póly jednou ze základních hnacích sil celkové cirkulace atmosféry kolem zeměkoule. V několika následujících dílech budeme zkoumat, jak jsou atmosféra a její energetické systémy základními složkami počasí a klimatu. Stejně jako to, jak atmosféra nakonec umožňuje pěstování rýže v horkých a vlhkých místech, jako je Vietnam. Nebo proč mají domy v chladných zasněžených místech, jako je Sibiř, strmé střechy.  To, jak se energie, teplo a voda pohybují v atmosféře, ovlivňuje mnohé z toho, jak lidé působí na naše životní prostředí.  Atmosféra zdaleka není jen nudnou pokrývkou vzduchu, ale inteligentním a důmyslným štítem, který plní složité funkce umožňující život na naší planetě.