Teplota povrchů

Jak se zahřívají různé povrchy a jak tyto ovlivňují teplotu vzduchu? To je tématem této stránky, která nabízí rozšíření obecných znalostí o teplotě jako meteorologické veličině, položených na uvedené stránce.

Témata stránky: Sluneční energie, teplota povrchu a její změny, teplota v půdní vrstvě a její změny, teplota vodní plochy a její změny.


TEPLOTA POVRCHU, PŮDY A VODY

Základem je energie získávaná formou záření ze Slunce. O záření putujícím od slunečního disku jsou základní informace na uvedené stránce. Zde se zaměříme na příkon a změny tepelné energie vůči různým povrchům, se kterými se na Zemi setkáváme.

Zopakujme základní pojmy:

Albedo – je odrazivost zemského povrchu ve smyslu odraženého slunečního záření povrchem v poměru k dopadlému záření na něho.

Insolace – je množství přímého záření dopadajícího za určitý čas na plochu zemského povrchu.

Zpětné záření atmosféry – je tok dlouhovlnného záření atmosféry směřující dolů a měřený v úrovni povrchu Země.

Efektivní vyzařování – jedná se o vyzařování, které má za následek radiační ochlazování povrchu Země v nočních hodinách, kdy chybí sluneční záření, které přes den dodává teplo.

Tepelná bilance – je příjem a ztráta tepla, resp. rozdíl mezi nimi v určité době, tj. ve dne a v noci.

Teplota povrchu a její chod

Zde hraje roli příjem a naopak ztráta tepla (bilance, viz výše) zemského povrchu, které jsou závislé na slunečním záření. Výrazně se tedy liší teplota povrchu v denní době od jeho teploty v době noční a proto si rozdělme též faktory mající vliv na teplotu zemského povrchu ve dne a ty, které mají vliv na jeho teplotu v nočních hodinách.

  • Denní doba

Příjmem tepla je přímé i difúzní sluneční záření, to atmosféra pohlcuje jen nepatrně. Pohlcuje ho zemský povrch bez ohledu na typ povrchu. (zatím nerozlišujme pevninu bez vegetace, s vegetací či vodní hladinu) Určitou část záření zemský povrch odrazí zpět, jedná se o ztrátu jeho tepla. Teplo se dostává i do hlubších částí pod zemský povrch a procesem výměny (hl. turbulentní a konvekční, viz patřičné články) teplo opět předává dále a jedná se o ztrátu tepla ohledně povrchu Země. Dále zde působí ohledně ztráty také efektivní vyzařování a latentní teplo.

Co to je latentní teplo? Jedná se o vyzářené teplo vlivem vypařování vody, resp. se jedná o spotřebu tepla, vydání tepla na výpar.

  • Noční doba

Zcela odlišná situace nastává v nočních hodinách a to hlavně v důsledku toho, že odpadá příjem tepla ze slunečního záření. Pokračuje ovšem každopádně efektivní vyzařování, což je ztráta tepla a povrch Země je tedy studenější než například prostor pod ním, teplota v půdě je vyšší. Tepleji je také v ostatních vrstvách vzduchu. Teplo z nižších vrstev půdy se dostává tedy na povrch, současně se dostává k zemskému povrchu teplo z okolních vzduchových vrstev. Příliv tepla se koná i vlivem kondenzaci, k níž v noci často dochází a jedná se opět o uvolnění latentního tepla.

Intenzita příjmu a vyzařování tepla závisí na mnoha faktorech. Obdobně jako u teploty vzduchu či jeho tlaku lze vypozorovat určité pravidelné změny a tak rozdělit tento tzv. chod teploty povrchu na denní a roční.

Denní chod teploty povrchu má obecně jedno minimum (doba východu Slunce) a jedno maximum (kolem 13. hodiny). Minimum nastává hned po východu Slunce, neboť poté začne Slunce dodávat na povrch záření a tím tedy teplo, naopak už po 13. hodině klesá teplota povrchu, neboť vyzařování – odevzdávání tepla již převyšuje míru jeho příjmu. V denních hodinách je povrch Země teplejší než okolí vrstvy vzduchu a v noci je tomu naopak. Proto nelze měřit teplotu vzduchu (zdůrazňujeme vzduchu) přímo na povrchu Země, hodnoty by byly značně zkresleny a vznikla by o poznání větší amplituda. Největšího rozdílu dosahuje teplota povrchu a vzduchu v letním období.

Co to je denní amplituda teploty? V krátké definici se jedná o maximální výchylku teploty během dne, jinými slovy rozdíl mezi ranním minimem a odpoledním maximum teploty. Amplitudy dosahují v létě převážně 20°C, výjimečně ale i hodnoty dvojnásobné.

2d1e238b24_100527485_o2Obr. 1 Náčrt příjmových a výdajových složek tepla zemského povrchu v denní a noční době

Ohledně ročního chodu teploty povrchu lze charakterizovat jako důsledek oběhu Země kolem Slunce a sklonu osy rotace. Jak jistě mnozí vědí, tak minimální teplota povrchu půdy se obvykle vyskytuje v lednu a maximální v červenci z hlediska severní polokoule, na jižní se jedná o stav opačný.

Druhy mrazů

Mrazy na povrchu půdy jsou mrazy povrchu půdy vůči teplejšímu vzduchu ve 2m nad Zemí v přechodových obdobích, tj. zejména na počátku jara a během podzimu. Tyto ranní mrazy lze klasifikovat do tří skupiny: RADIAČNÍ MRAZY, ADVEKČNÍ MRAZY A RADIAČNĚ ADVEKČNÍ MRAZY obdobně jako je tomu u druhů mlh.

Nejčastější radiační mrazy jsou důsledkem efektivního vyzařování zemského povrchu a intenzita těchto mrazů je závislá především na oblačnosti, proudění, reliéfu či tepelné vodivosti půdy. Je obecně známo, že za bezoblačné noci budou radiační mrazy intenzivnější než za noci oblačné, protože oblačnost zmírňuje efektivní vyzařování. Též je zřejmé, že budou intenzivnější za malého či žádného proudění, jinými slovy za bezvětří nebo jen slabého vánku. Vítr totiž promíchává vzduch u zemského povrchu s okolním. Silné radiační mrazy vznikají častěji v kotlinách (známe v ČR oblasti Šumavy – Modrava, Kvilda, dále Krušných hor – Šindelová či Krkonoš – Jizerka atp.) kam stéká studený vzduch. A vzniku mrazů též svědčí nízká vodivost půdy.

Advekční mrazy vznikají naopak při přílivu studeného vzduchu s teplotou pod bodem mrazu, často se jedná o arktický vzduch. (viz Vzduchové hmoty a podmínky počasí v nich) Rozdíl mezi povrchem a vzduchem bývá při těchto mrazech relativně malý oproti radiačním mrazům. Mrazy v teplé části roku vznikají spolupůsobením výše uvedených jevů, tj. působením advekce i vyzařování a nazývají se advekčně radiační. Dochází k nim při přílivu arktického vzduchu v jarním a podzimním období, v našich podmínkách jsou teploty sice kladné, ale při vyjasnění za působení radiačního ochlazování povrchu klesají pod bod mrazu a to výrazněji, zejména v údolích. Krásným příkladem jsou relativně pravidelní květnoví zmrzlí, kteří často zahrádkáře a zemědělce připraví o již vzkvétající úrodu, před těmito mrazy je nutné úrodu do jisté míry chránit, je nutné znát podmínky dané oblasti, základy meteorologie a předpověď počasí.

Teplota v půdní vrstvě

Teplo šířené na povrch Země zajisté, jak bylo už výše také řečeno, proniká pod tento povrch do nižších vrstev půdy. Změna teploty půdy s hloubkou je označena jako vertikální teplotní gradient. Teplo se šíří pod povrch do půdy jen v případě rozdílných teplot ostatních vrstev. Vznikat mohou i značné rozdíly mezi teplotou povrchu půdy a teplotou v hloubce a to v ne nijak hluboké vrstvě a to vlivem intenzivní insolace. (pojem výše)

V určité hloubce v půdě se změny teploty již neprojevují a teplota zde zůstává neměnná. Jedná se hladinu se zánikem denních či nočních změn teploty. Z hlediska pozorování je prokázáno, že denní změny teploty lze většinou pozorovat do 1m hloubky v půdě. Roční změny teploty v půdě jsou patrné do 15-30m hloubky pod povrchem.

Teplotu v půdě měříme během vegetační sezóny v polabské nížině v zahradní oblasti a hodnoty z těchto měření naleznete v sekci článků Zajímavosti. Teplota v půdě je zjišťována zpravidla v hloubce 5, 10, 20, 30 a 50cm pod povrchem. Profesionálními přístroji je měřena teplota v půdě na vybraných meteorologických stanicích ČHMÚ, například v Praze-Libuši.

Teplota vodních ploch

V případě teplot nad vodními plochami lze konstatovat, že vykazují o poznání nižší teplotní amplitudy během dne i roku než teplota povrchu půdy a teplota v půdě. Jedná se o důsledek fyzikálních vlastností vody a to jejího objemového měrného tepla, které je 2-3 krát větší než u půdy a zejména pak na pohyblivosti vody. Dochází ke stálému promíchávání vody turbulencí, konvekcí a vlněním (podobně jako v případě vzduchu a půdy, kde je ovšem někdy promíchávání vyloučeno) a takto je voda promíchávána do velké hloubky.

V nočních hodinách dochází k ochlazování vody vyzařováním, v denních naopak k oteplování vlivem záření. Voda ovšem nevykazuje tak značné změny teploty. Závěrem lze říci, že ve vodě se šíří teplo o hodně rychleji než v půdě a do větších hloubek. Proto jsou změny teploty vody během dne i roku mnohem menší než v půdě a tím pádem jsou zde i menší teplotní amplitudy. Minima dosahuje teplota na povrchu vody dané plochy až za určitou dobu po východu Slunce a maximum je dosaženo též později než v případě povrchu Země a to mezi 15. a 16. hodinou. Nejnižší roční teploty dosahuje voda v nádržích koncem února či v březnu a maxima dosahuje v srpnu.

Může mít teplota vody zápornou hodnotu? Může, ale ne nijak značně oproti teplotě povrchu půdy či teplotě vzduchu. V případě, že se teplota vody blíží 0°C, tedy bodu mrazu, dává možnost při dalším mrazu vzniku ledových jevů. Dochází k zámrazu vodní plochy či tvorbě ledu v korytu vodního toku. Poté záleží na hloubce promrznutí, teplota samotné vody nijak moc do záporných čísel nejde. V polárních oblastech se vyskytly teplot vody kolem -2 až -3°C, naopak ještě zmiňme dosažená maxima z Perského zálivu s velmi vysokou hodnotou na 35.6°C. Průměrná teplota oceánu tropických oblastí činí 25-27°C a v arktických oblastech je lehce pod nulou, od 0.0 do -0.5°C.

Reference

Použitá a doporučená literatura:

BEDNÁŘ, J. KOPÁČEK, J. Jak vzniká počasí? Praha: Karolinum, 2005

WHITAKER, R. a kol. The Encyklopedia of Weather and Climate Change. Sydney: Weldon Owen Pty Limited, 2010 (CZ verze STAŘECKÁ, E. PAUER, M. Encyklopedie počasí a změna klimatu. Praha: Svojtka a Co, 2012)

KOPP, J. NĚMEC, J. a kol. Vodstvo a podnebí v České Republice. Praha: Consult, 2009