Tato kapitola se zaměřuje na teplotu vzduchu, tj. teplotu vzduchu pozorovanou ve výšce 1,2 m nad povrchem země. Teplota vzduchu podmiňuje mnoho aspektů lidského života, od oblečení, které nosíme, až po náklady na pohonné hmoty, které platíme. Teplota vzduchu a její cykly působí také na výběr rostlin a živočichů, kteří tvoří biologickou krajinu dané oblasti. A teplota vzduchu je spolu se srážkami klíčovým faktorem určujícím klima, kterému se budeme podrobněji věnovat v kapitole 7.

Teplotu vzduchu ovlivňuje pět důležitých faktorů:

1. Zeměpisná šířka. Denní a roční cykly insolace se systematicky mění v závislosti na zeměpisné šířce, což způsobuje, že se mění i teplota vzduchu a cykly teploty vzduchu. Roční oslunění směrem k pólům klesá, takže pro ohřev vzduchu je k dispozici méně energie. Protože však sezónní cyklus insolace se zeměpisnou šířkou sílí, dochází ve vysokých zeměpisných šířkách k mnohem většímu rozptylu teplot vzduchu během roku.
2. Typ povrchu. Teplota vzduchu ve městech je obecně vyšší než na venkově. Městské povrchové materiály – asfalt, střešní šindele, kámen, cihly – zadržují ve srovnání s vlhkým povrchem půdy na venkově a v lesích málo vody, takže dochází k malému ochlazování odpařováním. Městské materiály jsou také tmavší a absorbují větší část sluneční energie než povrchy pokryté vegetací. Totéž platí pro oblasti s neúrodným nebo kamenitým povrchem půdy, jako jsou pouště.
3. Pobřežní nebo vnitrozemská poloha. V místech v blízkosti oceánu se vyskytuje užší rozsah teplot vzduchu než v místech ve vnitrozemí kontinentů. Protože se voda ohřívá a ochlazuje pomaleji než pevnina, jsou teploty vzduchu nad vodou méně extrémní než teploty nad pevninou. Při proudění vzduchu z vody na pevninu pocítí pobřežní lokalita vliv přilehlé vody.
4. Nadmořská výška. Teplota klesá s nadmořskou výškou. Ve velké nadmořské výšce je nad povrchem méně atmosféry a skleníkové plyny poskytují méně účinnou izolační přikrývku. Do prostoru se ztrácí více tepla z povrchu. Na vysokých vrcholech se hromadí sníh a zůstává tam déle. Snížený skleníkový efekt má také za následek větší denní kolísání teplot.
5. Atmosférické a oceánské cirkulace. Místní teploty mohou rychle stoupat nebo klesat, když se vzduch z jedné oblasti dostane do jiné. Teplotu pobřežních oblastí mohou ovlivňovat teplé nebo studené pobřežní proudy. (Tento faktor budeme podrobněji zkoumat v kapitole 5.)

POVRCHOVÁ TEPLOTA

Teplota je známý pojem. Je to míra úrovně kinetické energie atomů v látce, ať už se jedná o plyn, kapalinu nebo pevnou látku. Když látka přijímá tok zářivé energie, například sluneční světlo, její teplota se zvyšuje. Podobně, pokud látka energii ztrácí, její teplota klesá. Tento tok energie se pohybuje dovnitř a ven z pevné nebo kapalné látky na jejím povrchu – například ve velmi tenké povrchové vrstvě půdy, která ve skutečnosti absorbuje krátkovlnné sluneční záření a vyzařuje dlouhovlnné záření do vesmíru.

Teplota povrchu je určena rovnováhou mezi různými toky energie, které se po něm pohybují. Čisté záření – rovnováha mezi příchozím krátkovlnným zářením a odchozím dlouhovlnným zářením – vytváří tok zářivé energie, který může povrch ohřívat nebo ochlazovat. Během dne příchozí sluneční záření obvykle převyšuje odchozí dlouhovlnné záření, takže čistá radiační bilance je kladná a povrch se ohřívá. Energie proudí přes povrch do chladnější půdy pod ním. V noci je čisté záření záporné a půda ztrácí energii, protože teplota povrchu klesá a povrch vyzařuje dlouhovlnnou energii do vesmíru.

Energie se může na povrch nebo z povrchu pohybovat i jinými způsoby. Vedení popisuje tok citelného tepla z teplejší látky do chladnější látky přímým kontaktem. Když teplo během dne proudí do půdy z jejího teplého povrchu, proudí vedením. V noci je teplo vedeno zpět do chladnějšího povrchu půdy. Důležitý je také přenos latentního tepla. Když se voda na povrchu vypařuje, odnímá teplo uložené při změně skupenství z kapaliny na páru, a tím povrch ochlazuje. Když voda na povrchu kondenzuje, uvolňuje se latentní teplo, čímž se povrch ohřívá.

Další formou přenosu energie je konvekce, při níž se teplo v kapalině šíří mícháním. Pokud je povrch v kontaktu s tekutinou, například povrch půdy se vzduchem nad ním, mohou na povrch působit proudy směřující nahoru a dolů, které povrch ohřívají nebo ochlazují.

Teplota vzduchu

Na rozdíl od povrchové teploty je teplota vzduchu, která se měří ve standardní výšce 1,2 m nad povrchem země. Teplota vzduchu se může od povrchové teploty značně lišit. Když jdete za jasného letního dne po parkovišti, všimnete si, že chodník je proti horní části vašeho těla mnohem teplejší než vzduch. Obecně platí, že teploty vzduchu nad povrchem odrážejí stejné trendy jako teploty na povrchu země, ale teploty na povrchu země jsou pravděpodobně extrémnější.

V USA se teplota stále běžně měří a udává pomocí Fahrenheitovy stupnice. V této knize používáme Celsiovu teplotní stupnici, která je mezinárodním standardem. Na Celsiově stupnici je bod mrznutí vody 0 °C a bod varu 100 °C. Převodní vzorce mezi těmito dvěma stupnicemi jsou uvedeny na obrázku 3.4.

Měření teploty vzduchu se běžně provádí na meteorologických stanicích. Ačkoli některé meteorologické stanice uvádějí teploty každou hodinu, většina z nich uvádí pouze nejvyšší a nejnižší teplotu zaznamenanou během 24 hodin. Tyto hodnoty jsou nejdůležitější pro pozorování dlouhodobých trendů teploty.

Měření teploty se hlásí vládním agenturám pověřeným předpovídáním počasí, jako je Meteorologická služba USA nebo Kanadská meteorologická služba. Tyto agentury obvykle zpřístupňují denní, měsíční a roční teplotní statistiky pro každou stanici s použitím denního maxima, minima a průměrné teploty. Průměrná denní teplota je definována jako průměr maximální a minimální denní hodnoty. Průměrná měsíční teplota je průměr průměrných denních teplot v daném měsíci. Tyto statistiky se spolu s dalšími, jako jsou denní srážky, používají k popisu klimatu stanice a jejího okolí.

TEMPERATURY V BLÍZKOSTI ZEMĚ

Teploty půdy, povrchu a vzduchu ve vzdálenosti několika metrů od země se během dne mění (obrázek 3.6). Denní kolísání teplot je největší těsně nad povrchem. Teplota vzduchu ve standardní výšce je mnohem méně proměnlivá. V půdě se denní cyklus s hloubkou postupně stává méně výrazným, až dosáhneme bodu, kdy denní kolísání teploty na povrchu nezpůsobuje vůbec žádné změny.

VIRONMENTÁLNÍ KONTRASTY: MĚSTSKÉ A VENKOVSKÉ TEPLOTY

V horkém dni bude venkovské prostředí pocitově chladnější než městské. Ve venkovských oblastech je voda přijímána kořeny rostlin a přechází do listů v procesu zvaném transpirace. Tato voda se odpařuje a ochlazuje povrch listů, které následně ochlazují okolní vzduch. Povrch půdy je vlhký, protože voda při deštích prosakuje do půdy. Když sluneční světlo ohřívá povrch, voda stoupá vzhůru a odpařuje se, čímž opět dochází k ochlazování. Kombinovaný účinek transpirace a vypařování označujeme jako evapotranspiraci.

Existují i další důvody, proč jsou povrchy ve městech teplejší než na venkově. Mnoho městských povrchů je tmavých a sluneční energii spíše pohlcují, než odrážejí. Asfaltová dlažba ve skutečnosti pohlcuje více než dvakrát tolik sluneční energie než vegetace. Déšť stéká ze střech, chodníků a ulic do dešťové kanalizace. Protože jsou povrchy ve městě suché, dochází jen k malému odpařování, které pomáhá snižovat teploty. Dalším důležitým faktorem je odpadní teplo. V létě zvyšuje teplotu městského vzduchu klimatizace, která odčerpává teplo z budov a uvolňuje ho do ovzduší.

V zimě je teplo z budov a staveb odváděno přímo do městského prostředí.

MĚSTSKÝ TEPLÝ OSTROV

V důsledku těchto vlivů je teplota vzduchu v centrální oblasti města obvykle o několik stupňů vyšší než na okolních předměstích a venkově, jak ukazuje obrázek 3.8.

. Náčrt teplotního profilu v městské oblasti v pozdním odpoledni tento efekt ukazuje. Centrální oblast nazýváme městským tepelným ostrovem, protože má výrazně zvýšenou teplotu. Během denních hodin je v zemi uloženo tak velké množství tepla, že tepelný ostrov zůstává teplejší než jeho okolí i během noci. Termovizní infračervený snímek centrální obchodní čtvrti Atlanty v noci demonstruje efekt tepelného ostrova.

Efekt městského tepelného ostrova má významné ekonomické důsledky. Vyšší teploty vyžadují v létě více klimatizace a více elektrické energie. Fosilní paliva spalovaná k výrobě této energie přispívají k emisím CO2 a znečišťujících látek do ovzduší. Zvýšené teploty mohou vést k tvorbě smogu, který je nezdravý a poškozuje materiály. Pro snížení těchto účinků se v mnoha městech vysazuje více vegetace a používají se odrazivější povrchy, jako je beton nebo světlé střešní krytiny, které odrážejí sluneční energii zpět do vesmíru.

Efekt tepelného ostrova se nemusí nutně týkat měst v pouštním podnebí. V poušti může evapotranspirace zavlažované městské vegetace ve skutečnosti udržovat město chladnější než okolní neúrodná oblast.

Vysokohorské prostředí

Viděli jsme, že povrch země ovlivňuje teplotu vzduchu přímo nad ním. Co se však děje při cestě do vyšších nadmořských výšek? Například při výstupu do vyšších poloh na horách se můžete zadýchat a můžete si všimnout, že se snadněji spálíte na slunci. Při stoupání také pociťujete pokles teploty. Pokud se utáboříte, zjistíte, že noční teplota je nižší, než byste očekávali, a to i vzhledem k tomu, že čím výše jdete, tím jsou teploty obecně nižší.

Co tyto účinky způsobuje? Ve vysokých nadmořských výškách je nad vámi podstatně méně vzduchu, takže tlak vzduchu je nízký. Je těžší popadnout dech jednoduše proto, že je v plicích nižší tlak kyslíku. A protože je zde méně molekul, které rozptylují a pohlcují sluneční světlo, sluneční paprsky se vám budou zdát silnější. Je méně oxidu uhličitého a vodní páry, a tak se snižuje skleníkový efekt. Díky menšímu oteplování budou mít teploty v noci tendenci klesat ještě níže. Později v této kapitole uvidíme, jak se tento vzorec klesající teploty vzduchu rozšiřuje vysoko do atmosféry.

Obrázek 3.10 ukazuje grafy teplot pro pět stanic v různých výškách v pohoří And v Peru. Průměrné teploty zřetelně klesají s nadmořskou výškou, od 16 °C (61 °F) na úrovni moře po ?1 °C (30 °F) ve výšce 4380 m (14 370 stop). Rozpětí mezi maximálními a minimálními teplotami se také zvyšuje s nadmořskou výškou, s výjimkou Qosqo. Teploty v tomto velkém městě neklesají tak nízko, jak by se dalo očekávat, kvůli jeho městskému tepelnému ostrovu.

INVERZE TEPLOTY

Dosud se zdá, že teploty vzduchu s výškou klesají. Je to však vždy pravda? Zamyslete se nad tím, co se děje za jasné a klidné noci. Přízemní povrch vyzařuje dlouhovlnnou energii k obloze a čisté záření se stává záporným. Povrch se ochlazuje. To znamená, že se ochlazuje i vzduch v blízkosti povrchu, jak jsme viděli na obrázku 3.6. Zůstane-li povrch chladný, vytvoří se nad zemí vrstva chladnějšího vzduchu pod vrstvou teplejšího vzduchu, jak je znázorněno na obrázku 3.11. Jedná se o teplotní inverzi.

V teplotní inverzi může teplota vzduchu při zemi klesnout pod bod mrazu. Tento teplotní stav se nazývá smrtící mráz – i když se skutečný mráz nemusí vytvořit – kvůli jeho vlivu na citlivé rostliny během vegetačního období.

Pěstitelé ovocných stromů nebo jiných plodin používají několik metod, jak inverzi rozbít. K promíchání chladného vzduchu u povrchu s teplejším vzduchem nad ním lze použít velké ventilátory a k ohřátí přízemní vrstvy vzduchu se někdy používají ohřívače spalující olej.

Teplotní indexy

Teplotu lze také použít spolu s dalšími údaji o počasí a klimatu k vytvoření teplotních indexů – ukazatelů vlivu teploty na životní prostředí a lidské podmínky. Dva z nejznámějších indexů jsou index chladného větru a index tepla.

Index chladného větru se používá k určení toho, jak chladné nám připadají teploty, a to nejen na základě skutečné teploty, ale také rychlosti větru. Vzduch je ve skutečnosti velmi dobrý izolant, takže když je vzduch v klidu, může se teplota naší pokožky velmi lišit od teploty okolního prostředí. Jak se však vzduch pohybuje po naší kůži, odebírá citelné a latentní teplo a odvádí ho pryč od našeho těla. V létě nás tento proces ochlazuje, protože se odpařuje pot a snižuje teplotu pokožky. V zimě odvádí teplo potřebné k udržení tepla našeho těla, čímž ochlazuje naši pokožku a způsobuje, že podmínky jsou mnohem chladnější, než je skutečná naměřená teplota.

Index větrného chladu, který se používá ve Spojených státech a měří se v °F, se může od skutečné teploty velmi lišit (obrázek 3.12). Například skutečná teplota 30°F (?1°C) a rychlost větru 30 mil/h (13,45 m/s) dávají chlad větru 15°F (?26°C).

Index tepla udává, jak horké se cítíme na základě skutečné teploty a relativní vlhkosti. Relativní vlhkost je vlhkost uváděná ve většině meteorologických zpráv a udává, kolik vodní páry je v atmosféře v procentech z maximálního možného množství. Nízká relativní vlhkost znamená relativně suché atmosférické podmínky, zatímco vysoká relativní vlhkost znamená relativně vlhké atmosférické podmínky.

Proč má relativní vlhkost vliv na to, jak horká je teplota? Jedním ze způsobů, jak naše tělo odvádí přebytečné teplo, je odpařování potu z pokožky. Toto odpařování odstraňuje latentní teplo, které naše tělo ochlazuje. Když je však relativní vlhkost vzduchu vysoká, dochází k menšímu odpařování, protože okolní atmosféra je již relativně vlhká, a ochlazující účinek se snižuje.

Teplotní index se udává ve °F a stejně jako chlad větru se může od skutečné teploty velmi lišit (obrázek 3.13). Například pokud je skutečná teplota 32 °C a relativní vlhkost 90 %, index tepla udává, že se teplota bude cítit jako 50 °C, což je rozdíl 32 °C!

.