Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III.
Slnko a vzduch
Zborník prednášok zo seminára pre učiteľov základných a stredných škôl,
ktorý sa konal 13. - 16. júna 2012 v kongresovom centre SAV ACADEMIA.
Zborník bol vydaný s podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja v
rámci projektu APVV – LPP – 0247 – 09 Meteorológia pre verejnosť.
Vydal Geofyzikálny ústav SAV, Dúbravská cesta 9, 845 28 Bratislava.
ISBN 978- 80 -85754-25-4
Editor: Dr. Anna Pribullová, Meteorologické observatórium GfÚ SAV Stará Lesná
Fotografie na obálke: halový stĺp, súmrak (foto T. Pribulla) , irizácia (foto A. Pribullová), hotel Academia (D. Božik)
Obsah
Predslov..................................................................................................................................................................1
SLNKO A VZDUCH
Slnko a klimatické zmeny
Július Koza....................................................................................................................................................................3
Sluneční záření a jeho interakce se zemskou atmosférou
Jan Bednář......................................................................................................................................................................7
Radiačná a energetická bilancia
František Matejka.........................................................................................................................................................13
Slnečné ultrafialové žiarenie
Anna Pribullová .........................................................................................................................................................18
Meranie radiačných tokov v meteorológii
Miroslav Chmelík.......................................................................................................................................................23
Optické javy v atmosfére
Ján Hrvoľ.....................................................................................................................................................................27
Elektrické javy v atmosfére Zeme
Róbert Kvak.................................................................................................................................................................33
Fotochemické reakcie v atmosfére, fotochemický smog
Martin Kremler...........................................................................................................................................................38
Kozmické žiarenie a jeho vplyv na okolité prostredie
Alexander Dirner, Júlia Hlaváčová ............................................................................................................................43
Monitorovanie atmosféry Zeme dištančnými meraniami
Ján Kaňák....................................................................................................................................................................47
Spektroskopická metóda merania stratosférického ozónu
Oliver Mišaga...............................................................................................................................................................53
Základy spektroskopie
Theodor Pribulla.........................................................................................................................................................58
Klíma Zeme, scenáre vývoja klímy v budúcnosti
Milan Lapin..................................................................................................................................................................63
Trendy súčasnej klimatickej zmeny na Slovensku
Pavel Faško, ................................................................................................................................................................69
Fenologické údaje ako zdroj informácií o variabilite klímy
Zora Snopková.............................................................................................................................................................74
Významné osobnosti slovenskej meteorológie a klimatológie v druhej polovici XX. storočia
Dušan Podhorský.........................................................................................................................................................78
METEOROLÓGIA A KLIMATOLÓGIA VO VYUČOVANÍ
Neznáme kozmické žiarenie
Marek Bombara, Alexander Dirner, Júlia Hlaváčová, Ivan Kimák, Karel Kudela ...................................................86
Planetárna geografia na základnej škole a gymnáziu
Ivana Tomčíková..........................................................................................................................................................91
Bádateľsky zamerané vzdelávacie aktivity k téme optické javy
Marián Kireš...............................................................................................................................................................96
Skleníkový efekt - projektové vyučovanie na ZŠ
Anna Hantáková.........................................................................................................................................................100
Žiacky slnečný kolektor
Mária Kučerová.........................................................................................................................................................104
Jednoduché video meteorologických objektov
Dušan Božik, Michal Pikler.......................................................................................................................................108
E- experimentovanie v prírodovednom vzdelávaní
Miroslava Ožvoldová ..............................................................................................................................................113
Počítačom podporované experimenty z oblasti meteorológie – využitie školského spektrometra pri experimentálnej
činnosti žiakov
Martin Hruška ..........................................................................................................................................................115
Deň vedy na škole – motivácia k štúdiu prírodovedných predmetov
Mária Goláňová........................................................................................................................................................120
Hráme sa so svetlom – počítačové fyzikálne simulácie
Zdeněk Hájek.............................................................................................................................................................124
Organizácia meteorologických meraní v školách
Dušan Božik..............................................................................................................................................................131
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Predslov
Hlavnou témou tretieho seminára pre učiteľov základných a stredných škôl Meteorológia a klimatológia
vo vyučovaní je vzájomné pôsobenie žiarenia a atmosféry. Slnko je hlavným zdrojom energie pre procesy
prebiehajúce v atmosfére Zeme. Slnečné žiarenie, či už vo forme toku častíc alebo elektromagnetického
vlnenia, sa prechodom cez atmosféru mení kvalitatívne aj kvantitatívne a vstupuje do rôznych procesov
prebiehajúcich vo vzduchu. So vzduchom však neinteraguje iba slnečné žiarenie ale, hoci v
zanedbateľnom množstve, aj žiarenie z iných zdrojov vo vesmíre. Interakcie žiarenia s rôznymi zložkami
atmosféry často vnímame ako pôsobivé svetelné javy – irizácie, dúhy, glorioly, či halové kruhy.
Samotný povrch Zeme vyžaruje tepelné žiarenie, ktoré čiastočne zachytáva atmosféra. To prispieva k
vytvoreniu priaznivých klimatických podmienok pre rozvoj života vo forme, aký na Zemi poznáme.
Človek svojou činnosťou zmenil atmosféru, ovplyvnil chemické procesy, ktoré v nej prirodzene
prebiehajú. Tieto zásahy sa už prejavili narušením ozónovej vrstvy v stratosfére. Výskum ukazuje, že
ľudskou činnosťou sa pravdepodobne narušila energetická rovnováha sústavy Zem – atmosféra. Ako sa
tieto zmeny prejavia? Je možné ich ešte zvrátiť? Akú úlohu v nich hrá človek a akú procesy človekom
neovplyvniteľné?
Aj týmto otázkam budú venované príspevky v prvej - odbornej časti seminára. Tak ako predchádzajúce
dva semináre, aj tento sa bude v druhej časti zaoberať zahrnutím tém z oblasti meteorológie a klimatológie
do vyučovania prírodovedných predmetov. Jedným z cieľov seminára je podporiť na školách záujem o
amatérsku meteorológiu a klimatológiu a o prírodovedné vzdelávanie. To, že tieto ciele sa darí plniť
dokazujú prezentácie zaujímavého vyučovania prírodovedných predmetov tých učiteľov, ktorí ukončili
predchádzajúce semináre ako kontinuálne aktualizačné vzdelávanie.
Zborník prednášok je rozdelený na dva celky. V prvej, hlavnej, časti nazvanej Slnko a vzduch sú
sústredené príspevky zamerané na vysvetlenie interakcií žiarenia a vzduchu. Sú tu zaradené príspevky
odborníkov tak z výskumných, ako aj zo vzdelávacích a z prevádzkových inštitúcií. Prezentácie sú radené
tak, aby poslucháč dostal informácie o rôznych aspektoch vzájomného pôsobenia žiarenia a vzduchu –
od vysvetlenia vzniku slnečného žiarenia, fotochemických reakcií vo vzduchu, procesov absorpcie,
odrazu, lomu a rozptylu žiarenia vo vzduchu a prejavov týchto procesov pri vzniku fotometeorov
a elektrometeorov, až po vysvetlenie využitia týchto procesov v rôznych metódach diaľkového prieskumu
atmosféry. Na túto časť prednášok nadväzuje exkurzia do múzea priekopníka fotografovania J.M. Petzvala
v Spišskej Belej. Samostatný blok prednášok je venovaný problematike súčasného globálneho otepľovania
a možnej súvislosti so zmenami v zložení vzduchu vyvolanými človekom. Exkurzia na náučnom
chodníku v Národnej prírodnej rezervácii so zachovaným lužným lesom v Tatrách rozširuje informácie o
vplyve súčasného otepľovania na citlivé prírodné spoločenstvá v horskom prostredí.
Druhá časť zborníka obsahuje príspevky vysokoškolských pedagógov, ako aj učiteľov zo základných
a stredných škôl, ktorých spoločným menovateľom je snaha využívať nové metódy vo vyučovaní
prírodovedných predmetov tak, aby žiaci získali potrebné informácie a zároveň ich výuka zaujala
a motivovala k samostatnému štúdiu. Pozornosť je, ako počas predchádzajúcich seminárov, zameraná na
bádateľský prístup vo vzdelávaní a tiež na využitie nových informačných technológií vo vyučovaní a pri
realizácii experimentov.
Zborník obsahuje dvadsaťsedem príspevkov. Vychádza vďaka podpore agentúry na podporu výskumu
a vývoja APVV, ktorá v rámci projektu LPP-0247-09 Meteorológia pre verejnosť podporila aj realizáciu
prezentovaného vyučovania meteorológie.
Seminár, podobne ako aj predchádzajúce dva zamerané na problematiku vody v atmosfére (2010)
a dynamiku vzduchu (2011), zorganizovali pracovníci Oddelenia fyziky atmosféry Geofyzikálneho ústavu
SAV zo Starej Lesnej. Poďakovanie patrí odborníkom, ktorí pripravili jednotlivé príspevky, ale aj
učiteľom, ktorí prejavili ochotu a tvorivosť pri realizácii prezentovaného vyučovania meteorológie.
Organizátori dúfajú, že aj tento seminár bude pre učiteľov podnetným a inšpiratívnym podujatím, čím
prispeje k tomu, aby sa výuka prírodných vied stala atraktívnou nielen pre žiakov, ale aj pre učiteľov
základných a stredných škôl.
V Starej Lesnej 19. mája 2012.
Anna Pribullová
1
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Slnko a vzduch
2
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Slnko a klimatické zmeny
Július Koza
Astronomický ústav SAV, Tatranská Lomnica, [email protected]
Úvod
Slnku patrí rozhodujúci podiel v zásobovaní Zeme
energiou, preto každá zmena v jeho žiarivom
výkone sa prejaví v energetickej bilancii povrchu a
atmosféry Zeme a v istej miere to ovplyvní aj jej
klímu. Zmeny v slnečnom spektre, hlavne v
ultrafialovej oblasti, môžu zosilniť alebo zoslabiť
tento vplyv moduláciou chemických procesov v
stratosfére. Medzi nimi je najdôležitejšia rovnováha
medzi tvorbou a rozkladom ozónu, ktorú
podmieňuje žiarenie rôznych vlnových dĺžok. Slnko
môže ovplyvniť klímu tiež inými, omnoho
komplikovanejšími spôsobmi ako napríklad
moduláciou toku kozmického žiarenia, ktoré podľa
predpokladov môže zväčšovať tvorbu nízkej Obrázok 1. Svietivosť Slnka L ako funkcia času noroblačnosti. Ako významne sa však Slnko mení a do malizovaná na súčasnú svietivosť L☉ (červený bod).
akej miery to ovplyvňuje klímu Zeme? Je dôležité Biele vertikálne čiary oddeľujú tri rôzne časové škály
nájsť odpovede na tieto otázky aby príspevok Slnka charakteristické pre zrýchľujúcu sa evolúciu Slnka
(Sackmann a kol., 1993).
dostal primerané miesto v diskusii o globálnych
klimatických zmenách a obzvlášť aby mu bola daná
patričná váha vzhľadom k antropogénnym skleníkovým plynom, t.j. plynom produkovaným ľudstvom. V
súčasnosti môže byť otázka príspevku Slnka ku klimatickým zmenám iba čiastočne zodpovedaná. Tento
príspevok, vychádzajúci z práce Solanki (2002), je veľmi stručným úvodom do problematiky z pohľadu
slnečného fyzika.
Slnečná variabilita
Premennosť Slnka alebo variabilita má dve hlavné príčiny: prvou je vlastná evolúcia Slnka podmienená
termonukleárnymi reakciami v jeho jadre; druhou je magnetické pole Slnka, presnejšie, pole v jeho
konvektívnej zóne a atmosfére (Koza, 2009). Slnko je uprostred etapy trvajúcej približne 10 miliárd rokov,
počas ktorej sa nachádza na takzvanej hlavnej postupnosti (obr. 1).
Počas tejto etapy sa približne zdvojnásobí jeho svietivosť a výrazne vzrastie jeho polomer. Po opustení
hlavnej postupnosti sa evolúcia Slnka zrýchli, čo bude sprevádzané náhlymi zmenami jeho svietivosti a
polomeru. To je však veľmi vzdialená budúcnosť. Ale ako to bolo v minulosti?
Svietivosť Slnka na začiatku jeho pobytu na hlavnej postupnosti bola približne o 30% nižšia ako je
súčasná (obr. 1). To by však v prípade absencie iných činiteľov spôsobilo nedostatok energie na zemskom
povrchu a jeho následné zaľadnenie. Pretože ľad odráža takmer všetko dopadajúce žiarenie, jeho vysoká
odrazivosť by znemožnila roztopenie ľadu dokonca aj pri súčasnej svietivosti Slnka. Skutočnosť, že Zem
nie je úplne pokrytá ľadom, svedčí o tom, že nejaký ďalší činiteľ vstúpil do hry. Tým bola pravdepodobne
postupná zmena zloženia atmosféry Zeme, ktorá kompenzovala evolučné zmeny svietivosti Slnka.
Koncentrácia skleníkových plynov bola pravdepodobne v atmosfére mladej Zeme oveľa väčšia, takže v
priebehu miliárd rokov evolúcia Slnka a zmeny koncentrácie skleníkových plynov v rovnakej miere avšak
s opačným znamienkom formovali klímu Zeme.
Ďalším činiteľom ovplyvňujúcim svietivosť Slnka je jeho magnetické pole. Jeho najnápadnejšími predstaviteľmi sú slnečné škvrny (obr. 2, vľavo), ktorých priemer je porovnateľný s priemerom Zeme. Menej
nápadnou formou sú jasné body s polomerom do 300 km nazývané magnetické elementy (Koza, 2009).
Rozsiahle koncentrované skupiny magnetických elementov sú viditeľné ako jasné fakulové polia v
aktívnych oblastiach a v okolí slnečných škvŕn a ako jemná sieť pokrývajúca celý povrch Slnka
(obr. 2, vpravo). Magnetické pole Slnka a s ním súvisiaca aktivita sa s časom významne mení. Najnápadnejším prejavom tejto premennosti je cyklus slnečnej aktivity s periódou približne 11 rokov (obr. 2,
hore). Cyklus sa nápadne prejavuje zmenami počtu slnečných škvŕn viditeľných na disku, ktorých počet
3
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
markantne narastá medzi minimom a maximom cyklu. Z obr. 2 je zrejmé, že niektoré cykly sa vyznačujú
väčším počtom škvŕn ako iné a cykly sa tiež líšia dĺžkou svojho trvania. V extrémnom prípade sú cykly tak
slabé, že ich na obr. 2 nie je možné rozoznať. To je prípad takzvaného Maunderovho minima v rokoch
1645 až 1715. Toto obdobie sa v Európe kryje s takzvanou Malou dobou ľadovou, pre ktorú boli typické
kruté zimy, pravidelné zamŕzanie Temže a zostup ľadovcov nižšie do údolí. Prejavmi slnečnej aktivity,
ktoré môžu mať vzťah ku klíme, sú zmeny celkového a spektrálneho vyžarovanie Slnka (t.j. vyžarovania v
úzkej spektrálnej oblasti).
Celkové slnečné vyžarovanie
Všimnime si ďalej podrobnejšie
prvý z vyššie spomenutých
prejavov slnečnej aktivity, a to
variácie
svietivosti
Slnka
pozorovaného ako hviezdu a merané nad zemskou atmosférou, t.j.
variácie slnečného vyžarovania.
Presné
merania
celkového
slnečného
vyžarovania
(t.j.
vyžarovania
integrovaného
cez všetky vlnové dĺžky) sú k
dispozícii od roku 1978 vďaka
rádiometrom na satelitoch (obr. 3,
vľavo).
Cyklické
11-ročné
variácie celkového vyžarovania s
amplitúdou 0,1% sú nápadne
modulované krátkodobými fluktuáciami pripomínajúcimi skôr
šum. Tieto fluktuácie majú
väčšinou slnečný pôvod. Zmeny
Obrázok 2. Ročné priemerné počty slnečných škvŕn v rokoch 1609 až ich amplitúdy sú vo fáze s cyklom
2000 (hore). Slnečné škvrny aktívnej oblasti obklopené menšími jasnými a všetky veľké výchylky smerujú
granulami - vrcholmi stúpajúcich konvektívnych prúdov horúceho plynu dolu, čo je príznačné pre náhle,
a krátkodobé
poklesy
(vľavo dolu). Slnko vo svetle emitovanom iónmi jedenkrát ionizovaného ostré
teda stemnenia.
vápnika (vpravo dolu). Tmavé štruktúry sú škvrny, väčšie jasné oblasti sú vyžarovania,
fakulové polia a menšie jasné body sú prvky chromosférickej siete.
Príklad takéhoto poklesu je
znázornený na obr. 3, vpravo, s
jemnejšou časovou škálou spolu so snímkami Slnka získanými postupne počas piatich dní, keď pokles
vyžarovania nastal. Na snímkach je viditeľný pár slnečných škvŕn, ktoré sú príčinou stemnenia či poklesu
vyžarovania. Slnečné škvrny (obr. 2, vľavo) sú tmavé pretože ich silné magnetické pole blokuje
konvekciu, ktorá je hlavným mechanizmom prenosu energie vo vonkajšej tretine slnečného telesa (Koza,
2009). Vertikálny prenos energie žiarením v škvrne je málo efektívny na to, aby kompenzoval straty
spôsobené výpadkom konvekcie a škvrny sú príliš veľké na to, aby horizontálne prenikanie žiarenia z
okolia významnejšie ovplyvnilo ich jasnosť. Tento scenár však vedie k nasledujúcej otázke: keďže škvrny
spôsobujú nepatrné stemnenie Slnka, prečo je Slnko v priemere jasnejšie počas maxima slnečnej aktivity,
teda v čase, keď býva na disku viac škvŕn ? Podľa súčasných predstáv je za toto zjasnenie zodpovedná
ďalšia, menej nápadná forma magnetického poľa na slnečnom povrchu. Škvrny sú iba najväčšia,
najnápadnejšia a najzriedkavejšia forma zo širokej škály povrchových magnetických štruktúr. Menšie
magnetické silotrubice vytvárajúce fakulové polia a sieť (obr. 2, vpravo) sú na rozdiel od škvŕn jasné.
Podobne ako škvrny, aj v magnetických elementoch (t.j. v magnetických silotrubiciach) je zablokovaná
konvekcia. Narozdiel od škvŕn sú však dostatočne tenké na to, aby žiarenie prenikajúce z okolitých granúl
dovnútra silotrubíc nielenže kompenzovalo výpadok konvekcie, ale ho dokonca aj mierne prevyšovalo,
vďaka čomu sú magnetické elementy jasnejšie ako okolitá fotosféra (obr. 2, vľavo).
Podobne ako pri škvrnách, aj počet týchto malých jasných magnetických elementov stúpa od minima
k maximu slnečného cyklu. Naviac, celková plocha pokrytá týmito elementami rastie omnoho viac ako
plocha pokrytá škvrnami.
4
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Obrázok 3. Variácia celkového slnečného vyžarovania počas 21., 22. a 23. cyklu slnečnej aktivity (vľavo)
Viacfarebná čiara sú denné hodnoty a hrubá čierna čiara sú 81-dňové priemerné hodnoty (zdroj:
http://www.pmodwrc.ch). Variácia a krátkodobý pokles celkového slnečného vyžarovania vyvolaný skupinou
slnečných škvŕn (vpravo).
Obrázok 4. Rozklad variácie celkového slnečného vyžarovania (obr. 3, vľavo) na komponenty podmienené
jasnými fakulovými poliami a slnečnými škvrnami (vľavo, Lean 2005). Krátkodobý nárast celkového slnečného
vyžarovania spôsobený jasným fakulovým poľom (vpravo).
Preto na dlhších časových škálach (t.j. po spriemerovaní počas niekoľkých slnečných rotácií zjasnenie
spôsobené fakulovými poliami prevyšuje stemnenie spôsobené škvrnami (obr. 3, vpravo). Obr. 4, vľavo,
ilustruje príspevok slnečných škvŕn a fakulových polí k variáciám celkového slnečného vyžarovania. Na
obr. 4, vpravo, je príklad krátkodobého zjasnenia vyvolaného rozsiahlym fakulovým poľom. V hornej časti
obrázku sú mapy magnetického poľa Slnka získané postupne počas piatich dní, na ktorých je spomenuté
fakulové pole viditeľné ako nápadná bieločierna oblasť.
Uvedený scenár podporujú aj kvantitatívne výpočty založené na jednoduchom trojkomponentnom modeli
zahrňujúcom príspevok pokojnej fotosféry, fakulových polí a škvŕn k variáciám celkového slnečného
vyžarovania. Obr. 5 porovnáva namerané hodnoty celkového slnečného vyžarovania s hodnotami
vypočítanými na základe tohto trojkomponentného modelu. Medzi nameranými a vypočítanými
hodnotami je vynikajúci súlad ako na kratkodobých časových škálach typických pre rotáciu Slnka a vývoj
aktívnych oblastí (obr. 5, horné panely) ako aj na dlhších časových škálach od minima k maximu slnečnej
aktivity (obr. 5, dolný panel). To naznačuje, že základný predpoklad modelu je správny, teda že škvrny a
fakulové polia sú zodpovedné za variáciu celkového slnečného vyžarovania. Podstatne menej jasný je však
mechanizmus spôsobujúci variáciu slnečného vyžarovania na časových škálach dlhších ako 11-ročný
cyklus. Predovšetkým čisto periodickými variáciami slnečného vyžarovania sa nedajú vysvetliť jeho
dlhodobé zmeny a teda nie je možné ani uvažovať o ich príspevku ku klimatickým zmenám. Slnečný 11ročný cyklus však nie je celkom periodický a jeho amplitúda sa v priebehu storočí výrzne menila (obr. 2,
hore). Zmena amplitúdy cyklu spôsobila za uplynulých 150 rokov nárast slnečného vyžarovania o menej
ako 0,05%. Je nepravdepodobné, aby takáto zmena ovplyvnila klímu významnejším spôsobom.
Záver
Východiskom pre hľadaní spojitostí medzi slnečnou variabilitou a klimatickými zmenami je porovnávanie dlhodobých slnečných a klimatických radov. Ich podobnosť však nedokazuje, že Slnko spôsobuje
klimatické zmeny. Ak sa však významne líšia, potom je možné presnejšie vymedziť podiel Slnka na
5
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
prebiehajúcich klimatických zmenách. V tomto duchu sú na obr. 6 porovnané variácie slnečného
vyžarovania po roku 1850 s klimatickým radom zmien teploty.
Obrázok 5. Celkové slnečné vyžarovanie získané meraniami (čiara) a na
základe modelu predpokladajúceho, že variácie vyžarovania sú spôsobené
slnečnými škvrnami, fakulovými poliami a sieťou jasných magnetických
elementov (hviezdičky). Na horných paneloch sú zväčšené úseky z dolného
panelu označené červenými a zelenými hviezdičkami (Solanki 2002).
Červené šrafovanie približne
reprezentuje
neistotu
spätne
rekonštruovaného
vyžarovania
pred rokom 1978 (ypsilonová os
vľavo). Šrafovanie leží medzi
dvomi rekonštrukciami založenými na mierne odlišných
predpokladoch. Žlté šrafovanie
znázorňuje
rozdiel
medzi
globálnou teplotou a teplotou na
severnej pologuli (ypsilonová os
vpravo). Z obr. 6 vyplýva, že pred
rokom 1980 prebiehali variácie
slnečného vyžarovania približne
synchrónne s variáciami rozdielu
teplôt, prípadne ich mierne
predbiehali. To je v súlade s
kauzálnym vzťahom medzi nimi,
čo podporuje ale nijakým
spôsobom nedokazuje domnienku, že Slnko malo v minulosti
dôležitý, možno až dominantný
vplyv na klímu. Ďalšími činiteľmi
klimatických zmien sú vulkanická
aktivita,
vlastná
variabilita
atmosféry Zeme a antropogénne
skleníkové plyny. Po roku 1980
však dochádza k pozoruhodne
prudkému nárastu teploty, zatiaľ
čo slnečné vyžarovanie vykazuje
iba malý sekulárny trend.
Záverom je teda možné povedať,
že
Slnko
nemôže
byť
dominantným zdrojom nedávneho oteplenia a najpravdepodobnejšou alternatívou sú práve
antropogénne skleníkové plyny.
Obrázok 6. Dve rekonštrukcie celkového slnečného vyžarovania (csv)
do minulosti (ich rozdiel znázorňuje červené šrafovanie) spojené s
modernými meraniami po roku 1978 porovnané s dvomi radmi
klimatických meraní rozdielov teploty voči normálom, ktorých rozdiel
znázorňuje žlté šrafovanie (Solanki, 2002).
Literatúra
Koza, J. 2009: Pokroky matematiky, fyziky a astronómie, ročník 54, č. 2, str. 117
Lean, J. 2005: Physics Today, June 2005, 32
Sackmann, I.-J., Boothroyd, A. I.; Kraemer, K. E., 1993: Astrophysical Journal, 418, 457.
Solanki, S. K. 2002: Astronomy & Geophysics, 43, 5.9
6
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Sluneční záření a jeho interakce se zemskou atmosférou
Jan Bednář
Matematicko-fyzikální fakulta UK v Praze, katedra meteorologie a ochrany prostředí, V Holešovičkách 2, 180 00
Praha 8, [email protected]
Sluneční záření - zdroj energie pro atmosféru
Příkon slunečního záření představuje pro Zemi a její atmosféru základní, a možno říci, že přímo
jedinečný, energetický vstup. Heliofyzika je dnes schopna velmi přesně určit toky elektromagnetického
záření, jejichž zdrojem je Slunce, a odtud můžeme přímo vyčíslit tok tohoto záření, jenž neustále dopadá
na soustavu tvořenou Zemí a její atmosférou. Takovýto primární energetický příkon představuje pro Zemi
jako planetu ca 2.1017 W. Srovnáme-li tento přirozený příkon energie slunečního záření se současným
energetickým potenciálem lidské civilizace (tj. s celkovou bilancí výkonů všech elektráren, motorů,
výtopen atd. na Zemi), je to přibližně o 4 řády více. Člověk tedy přímo disponuje energetickým výkonem
řádově odpovídajícím setinám procenta toho, co Země průběžně získává od Slunce.
Naznačme si nyní alespoň náznakově a pouze informativně schéma následných energetických
transformací v atmosféře, na jejichž vstupu stojí sluneční záření. Prvním krokem je zde transformace
energie slunečního záření na vnitřní energii plynného obalu Země (zemské atmosféry) E, jejíž mírou je v
termodynamice ideálního plynu teplota T dle vztahu
E=cv T ,
kde E představuje vnitřní energii jednotky hmotnosti, T teplotu vyjádřenou v kelvinech a cv je měrné teplo
daného ideálního plynu při stálém objemu. Tato počáteční transformace energie probíhá z menší části
přímo primární absorpcí slunečního záření v atmosféře, z větší části sekundárním ohříváním atmosféry od
zemského povrchu dříve ohřátého absorpcí na něj dopadlého slunečního záření.
Dalším krokem je pak transformace vnitřní energie plynné atmosféry na energii potenciální.
V elementárním přiblížení si to můžeme názorně představit tak, že zahřívaná plynná soustava atmosféry se
v tíhovém poli Země vertikálně rozpíná, a tím na úkor vnitřní energie zvětšuje svoji potenciální energii. Z
hlediska dynamiky atmosféry je pak velmi zajímavým procesem následná transformace potenciální
energie v energii kinetickou. Z tohoto hlediska představuje atmosféra specifický fyzikální systém, v němž
pouze kolem procenta z úhrnu kinetické energie jejího veškerého pohybu je schopno vstupovat do
energetických transformací souvisejících např. s časovým vývojem trojrozměrného pole tlaku vzduchu.
Ostatní kinetická energie je "umrtvena" v rovnovážném poli tzv. geostrofického proudění v atmosféře.
Právě uvedená skutečnost představuje v analogickém poměru zásadní omezující bariéru v transformaci
atmosférické potenciální energie v energii kinetickou. V této souvislosti se v meteorologické literatuře
mluví o tzv. dostupné potenciální energii, tj. o relativně malé části celkové potenciální energie atmosféry,
jež je schopna transformace v energii kinetickou. Z hlediska našeho primárního srovnání přirozeného
příkonu slunečního záření k Zemi a energetického potenciálu lidské civilizace musíme pak učinit závěr, že
mezi energií, jíž přímo disponuje člověk, a energií vstupující do atmosférických přirozených procesů tak,
že je schopna se podílet na transformacích souvisejících s časovým vývojem tlakového a pohybového pole
v atmosféře, není rozdíl čtyř, ale spíše dvou řádů.
Další transformační proces pak pokračuje postupnou disipací kinetické energie tak, že základní
atmosférické proudění velkých měřítek se rozpadá do menších a menších cirkulací, kinetická energie
posléze přechází do stále menších turbulentních vírových pohybů, až nejmenší z těchto vírů zanikají
působením vazkosti vzduchu a kinetická energie se tak vnitřním třením ve vzduchové hmotě transformuje
na nízkopotenciálové "degradované" teplo.
Spektrum slunečního záření
Sluneční záření je elektromagnetické vlnění o spektru vlnových délek, které před jeho vstupem do zemské
atmosféry přibližně připomíná spektrum vyzařování černého tělesa o povrchové teplotě ca 6000 K
(schematicko znázorněno na obr. 1, kde funkce E  vyjadřuje rozdělení energie v daném spektru
v závislosti na vlnové délce λ). Pro ty, kdo jsou obeznámeni se základy teorie radiačních procesů,
7
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
připomeňme, že spektrum vyzařování černého tělesa je obecně popsáno Planckovým zákonem, z něhož lze
přímo odvodit dílčí zákony vyzařování černého tělesa, např. zákon Stefanův a Boltzmannův nebo tzv.
Wiennův posunovací zákon. Podrobnější přehledné poučení o těchto zákonech lze v meteorologické
literatuře nalézt např. v publikaci Bednáře (1989).
Sluneční spektrum obvykle dělíme na tři hlavní oblasti:
a)
ultrafialové (UV) záření s vlnovými délkami menšími než 400 nm. Toto záření před vstupem do
zemské atmosféry tvoří z energetického hlediska asi 7% celkového toku slunečního záření a je z
velké části absorbováno již ve vysoké a střední atmosféře, a to především stratosférickým ozonem.
b)
viditelné (VIS) sluneční záření s vlnovými délkami od 400 do ca 750 nm (asi 48% energie
celkového slunečního záření před vstupem do atmosféry) vytvářející spektrum barev od modré po
červenou.
c)
infračervené (IF) sluneční záření s vlnovými délkami nad 750 nm, jež před vstupem do zemské
atmosféry energeticky odpovídá ca 45% celkového slunečního záření, není lidským okem
viditelné, avšak má výrazné tepelné účinky.
Ve vztahu k obr. 1 zde upozorňujeme, že vlnové délky jsou na něm
pro lepší přehlednost popisů na vodorovné ose uváděny
v mikrometrech, tj. v jednotkách tisíckrát větších než nanometry.
Spektrum ultrafialového záření se podrobněji dělí na tzv. vzdálenou
(dalekou) oblast s vlnovými délkami menšími než 200 nm, a dále na
pásy UV-C s vlnovými délkami od 200 do 280 nm, UV-B (280-315
nm) a UV-A (315-400 nm). Toto dělení však není v odborné
literatuře zcela jednotné, někteří autoři zahrnují např. do pásu UV-C
vlnové délky již od 100 nm, jako hranici mezi pásy UV-B a UV-C
lze poměrně často v literatuře nalézt i 320 nm. V současné době se
Obrázek 1.
věnuje velká pozornost měření toků ultrafialového slunečního záření
Spektrum slnunečního záření.
v oblasti pásu UV-B, neboť směrem od jeho horní hranice k hranici
dolní dramaticky roste škodlivá biologická aktivita UV záření, a
právě v oblasti tohoto pásu se nalézá práh, od něhož směrem ke kratším vlnovým délkám již UV záření do
troposféry a k zemskému povrchu vůbec neproniká, neboť je zcela absorbováno zejména stratosférickým
ozonem v tzv. ozonosféře. Přesná poloha tohoto prahu uvnitř pásu UV-B se však mění v závislosti na
množství stratosférického ozonu. Hlavní hrozba ve spojení s možným, třeba i jen dílčím antropogenním
poškozením ozonosféry potom spočívá především v tom, že by k zemskému povrchu pronikaly i poněkud
kratší vlnové délky s biologicky ničivými účinky.
Z obr. 1 je patrno, že ve spektru slunečního záření, pokud není pozměněno průchodem zemskou
atmosférou, jsou nejvíce zastoupeny vlnové délky z oblasti kolem hodnoty max =475 nm , což
přímo vyplývá z Wiennova posunovacího zákona:
max [ nm]=
2880000
,
T
kde T je teplota vyzařujícího povrchu v Kelvinech, uvažujeme-li pro povrch Slunce teplotu ca 6000 K.
Tyto vlnové délky se nalézají v oblasti viditelného záření a barevně odpovídají modronazelenalým
odstínům. Jak ještě uvedeme dále, propustnost zemské atmosféry pro sluneční záření poněkud roste se
zvětšující se vlnovou délkou. Ve spektru slunečního záření, jestliže je měříme u zemského povrchu, je
proto maximum ( max ) posunuto k poněkud větším vlnovým délkám do oblasti nad 500 nm
ke žlutavým odstínům.
Základní pojmy vztahující se k průchodu slunečního záření atmosférou
V této části našeho příspěvku uvedeme přehled hlavních pojmů, jejich definice, popř. s nimi související
krátká vysvětlení.
Přímé sluneční záření − svazek prakticky rovnoběžných slunečních paprsků vstupujících do našeho oka
(na čidlo měřícího přístroje) přímo ze směru od slunečního disku na obloze. Jde o tu část slunečního
záření, která nebyla v atmosféře ani absorbována ani rozptýlena.
8
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Rozptýlené (difúzní) sluneční záření − sluneční záření, které bylo v atmosféře rozptýleno
na molekulách plynných složek vzduchu nebo na nejrůznějších aerosolových částicích, vodních
kapičkách nebo ledových částečkách. Ve viditelném oboru vlnových délek pozorujeme toto záření jako
světlo oblohy, a kdyby ho nebylo, jevila by se klenba oblohy i ve dne černá s ostře zářícím slunečním
diskem a hvězdami.
Intenzita přímého slunečního záření − množství přímého slunečního záření, které za jednotku času
dopadá na jednotkovou plochu orientovanou kolmo na sluneční paprsky.
Insolace − množství přímého slunečního záření, které za jednotku času dopadá na jednotkovou plochu
nalézající se v horizontální poloze. Označíme-li insolací I´ a intenzitu přímého slunečního záření I,
potom zřejmě platí trigonometrický vztah
I ' = I sin =I cos  ,
kde α značí úhlovou výšku Slunce (středu slunečního disku) nad ideálním (geometricky rovinným)
obzorem a δ představuje úhlovou vzdálenost Slunce od zenitu (tzv. zenitový úhel Slunce). Insolace
takto fakticky představuje tok přímého slunečního záření dopadající na ideálně horizontální a rovinný
zemský povrch.
Tok rozptýleného (difúzního) slunečního záření − množství rozptýleného slunečního záření, které za
jednotku času dopadá z celé horní polosféry (z celé oblohy) na jednotkovou plochu nalézající se
v horizontální poloze.
Globální sluneční záření − součet insolace a dopadajícího toku rozptýleného slunečního záření v úrovni
zemského povrchu. Jde o celkové množství slunečního záření, jež za jednotku času dopadá na
jednotkovou plochu horizontálního zemského povrchu.
Solární konstanta − množství elektromagnetického slunečního záření, jež za jednotku času dopadá na
jednotkovou plochu orientovanou kolmo na sluneční paprsky a nalézající se vně zemské atmosféry v
takové vzdálenosti od Slunce, která je rovna střední roční hodnotě vzdálenosti Země od Slunce. Tuto
definici možno též vyslovit zkráceně: intenzita slunečního záření vně zemské atmosféry v takové
vzdálenosti od Slunce, která je rovna střední roční hodnotě vzdálenosti Země od Slunce. Solární
konstanta není, přísně vzato, konstantou v pravém smyslu slova, neboť její přesná hodnota poněkud
závisí na sluneční aktivitě, ale tato závislost je natolik slabá, že z meteorologického hlediska se jeví
jako nevýznamná. Je zřejmé, že solární konstanta představuje výchozí veličinu charakterizující příkon
slunečního záření k Zemi. Tento příkon v ročním průměru evidentně spočteme tak, že hodnotu solární
konstanty vynásobíme účinným průřezem Země jako planety kolmým na sluneční paprsky. K
orientačnímu výpočtu můžeme použít hodnot solární konstanty I 0 a střední poloměru Země r z :
I 0=1,37 kW m−2 , r z =6371 km , čímž pro odhad hledaného příkonu P,
P= r 2z I 0 ,
dostáváme již zmiňovanou hodnotu 2 1017 W.
Ohledně solární konstanty si uveďme ještě jednu ilustrativní poznámku:
Země obíhá kolem Slunce po eliptické dráze s velmi malou výstředností, minimální vzdálenost od Slunce
během roku je ca 147 milionů km a nastává na počátku ledna, v maximální vzdálenosti ca 152 milionů km
je Země od Slunce na počátku července. Označme střední vzdálenost Země od Slunce R0 (ca 150
milionů km) a okamžitou vzdálenost R. Uvažujeme-li potom solární konstantu I 0 a intenzitu slunečního
záření na jeho vstupu do zemské atmosféry I, evidentně platí:
2
0
2
I 0 R =I R , tj.
.
2
R
Vezmeme-li potom v úvahu právě zmíněné rozpětí hodnot okamžité vzdálenosti Země od Slunce během
roku, dospějeme zřejmě k závěru, že na vstupu slunečního záření shora do zemské atmosféry kolísá
9
I =I 0
R20
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
intenzita slunečního záření ve svém ročním průběhu kolem solární konstanty v mezích ca ± 3,5% její
hodnoty. Podobné relativně malé kolísání se pochopitelně projevuje v ročním průběhu celkového příkonu
slunečního záření k Zemi. Jižní polokoule tedy získává v ročním úhrnu o několik % více sluneční energie
než polokoule severní, neboť Země je v době léta jižní polokoule o něco blíže Slunci než během léta
polokoule severní.
Rozptyl a absorpce slunečního záření
Přímé sluneční záření je během svého průchodu atmosférou zeslabováno rozptylem a absorpcí
(pohlcováním). Pokud jde o rozptyl, základním prostředkem pro jeho jednotný popis je literárně velmi
známá tzv. Mieova teorie rozptylu elektromagnetického záření na sférických částicích, již publikoval
německý fyzik Gustav Mie na počátku 20. století, shodou okolností přibližně v době, kdy působil
na německé větvi tehdejší Karlo-Ferdinandovy univerzity v Praze. V průběhu 20. století byl pak řadou
autorů teoretický aparát této teorie rozšiřován i pro různá složitější vyjádření tvarů rozptylujících částic. V
tomto stručném a informativním pojednání se však omezíme na dva dílčí případy rozptylu typické pro
běžné atmosférické podmínky.
V prvním případě věnujme pozornost situaci, kdy elektricky nevodivé rozptylující částice jsou tak malé,
že poměr jejich poloměru a vlnové délky rozptylovaného záření je řádově menší než jedna. Tuto podmínku
pro vlnové délky typicky se vyskytující ve slunečním záření velmi dobře splňují molekuly plynných
složek vzduchu, a mluvíme pak o molekulárním rozptylu. Takovýto typ rozptylu lze teoreticky v
základním přiblížení popsat prostřednictvím tzv. Rayleighova rozptylu, jenž představuje dílčí speciální
případ v rámci obecnější Mieovy teorie a při němž je pole rozptýleného elektromagnetického záření
totožné s polem elektromagnetického vyzařování elektrického dipólu. Účinnost i právě zmíněného
molekulárního rozptylu je v Rayllighově aproximaci úměrná čtvrté mocnině převrácené hodnoty vlnové
délky λ rozptylovaného záření, tj.
i≈
1
4

a z tohoto důvodu jsou ve slunečním záření rozptýleném v
atmosféře více zastoupeny kratší vlnové délky příslušející ve
viditelné části spektra především fialové a modré barvě. Z toho
okamžitě vyplývá vysvětlení modré až modrofialové barvy čisté
bezoblačné oblohy. Dalším důsledkem je skutečnost, že propustnost
atmosféry pro sluneční záření obecně poněkud roste s rostoucí
vlnovou délkou.
Zaměřme dále svoji pozornost na rozdělení účinnosti molekulárního
rozptylu do různých směrů. Na obr. 2a vidíme prostorový diagram,
tzv. rozptylovou indikatrici, kde vodorovná šipka odpovídá směru
dopadajících paprsků, rozptylující element se nalézá v bodě O a
zakreslená přerušovaná křivka znázorňuje prostorové rozložení
účinnosti molekulárního rozptylu do různých směrů vzhledem ke
směru dopadajících rovnoběžných paprsků. Přímé sluneční záření je
nepolarizované a v tomto případě dostaneme trojrozměrnou
Obrázek 2.
Rozptyl a absorpce slunečního záření. prostorovou indikatrici jako válcově symetrickou tak, že naším
obrázkem rotujeme kolem přímky A1A2. Z uvedeného obr. 2a je
patrno, že podstatnou vlastnost molekulárního rozptylu představuje jeho symetrie vzhledem k rovině
kolmé ke směru dopadajících paprsků a procházející středem rozptylujícího elementu, stručně řečeno
rozptyl vpřed je stejný jako rozptyl vzad. Dále na obr. 2a platí OA1 = OA2 = 2OB1 = 2OB2, tzn. že
účinnost molekulárního rozptylu ve směrech kolmých ke směru dopadajících paprsků přímého slunečního
záření je přesně poloviční ve srovnání s rozptylem do jejich původního směru nebo do směru právě
opačného.
Druhý případ se týká tzv. aerosolového rozptylu slunečního záření, tj. rozptylu přímých slunečních
paprsků na nejrůznějších prachových částicích, vodních kapičkách, ledových částečkách a pod. v oblacích,
mlhách nebo volně se vznášejících v atmosféře a vytvářejících případně tzv. kouřmo nebo suchý zákal.
Zde je poměr poloměru rozptylujících částic a typických vlnových délek slunečního záření řádově rovný
10
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
jedné nebo větší a vlastnosti tohoto rozptylu jsou podstatně odlišné od rozptylu molekulárního. Především
zde účinnost rozptylu prakticky nezávisí na vlnové délce, o čemž mj. svědčí neutrální bílá barva sluncem
ozářených oblaků. Běžná zkušenost rovněž ukazuje, že při výraznějším zakalení vzduchu suchými
prachovými částicemi nebo produkty kondenzace vodní páry je modrá barva oblohy tlumena a nebeská
klenba nabývá bělavých odstínů. Naproti tomu sytě modrá až modrofialová obloha svědčí o vysoké
průzračnosti vzduchu a zcela dominantním podílu molekulárního rozptylu na celkovém rozptylu
slunečního záření v atmosféře. Rovněž rozptylová indikatrice aerosolového rozptylu, již máme uvedenu na
obr. 2b., má ve srovnání s molekulárním rozptylme dosti odlišnou podobu. Jak z ní patrno, rozptyl má v
tomto případě výrazně asymetrický charakter a naprosto převažující většina rozptýleného záření je
orientována do směrů blízkých směru původních paprsků přímého slunečního záření, tzn. že silně převládá
dopředný rozptyl. Příčinou této skutečnosti je ohyb paprsků procházejících v blízkosti kontur
rozptylujících aerosolových částic.
Dalším významným faktorem ovlivňujícím průchod slunečního záření zemskou atmosférou je absorpce
(pohlcování). Bezoblačná atmosféra absorbuje sluneční záření poměrně slabě, jen asi 15-20% z jeho
vstupujícího množství. Na této absorpci se podílí především vodní pára, a to zejména v infračervené
oblasti spektra slunečního záření, ultrafialové záření je, jak jsme již zde uvedli, podstatnou měrou
absorbováno stratosférickým ozonem a z dalších plynných složek vzduchu se na absorpci slunečního
záření již menší měrou podílí oxid uhličitý, dále pak následují s velkým odstupem např. oxidy dusíku atd.
V rámci celkové absorpce slunečního záření v atmosféře se však významně uplatňují oblaky.
Albedo
Albedo (neboli odrazivost) je pro daný povrch definováno jako poměr množství odraženého záření ku
množství záření dopadlého. Obvykle se vyjadřuje v %. Albedo rovné 100% by tedy odpovídalo dokonale
odrážejícímu povrchu, 0% povrchu dokonale absorbujícího ideálního černého tělesa. Z reálných typů
zemského povrchu má největší albedo sněhová pokrývka, event. zaledněné oblasti Země. Čistý, čerstvě
napadlý sníh odráží kolem 70% a někdy i ještě více dopadajícího slunečního záření. Přirozené povrchy
půdy a vegetačního krytu mívají albedo většinou v rozmezí 5 - 30%, přičemž se může projevovat i určitá
závislost na spektrálním složení dopadajícího záření a na úhlu dopadu paprsků. Jako příklad relativně
velmi malého albeda možno uvést čerstvě zorané vlhké černozemní pole, naproti tomu povrchy světlého
pouštního písku nebo stepní povrchy pokryté řídkou suchou trávou mívají velmi vysoká albeda, a to až ke
40%. Albedo vodních povrchů vykazuje extrémně velkou závislost na úhlu dopadu slunečních paprsků,
což se projevuje např. zrcadlovým leskem vodních ploch při polohách Slunce nízko nad obzorem (vysoké
albedo) nebo naopak jejich tmavým odstínem (nízké albedo) při pozorování za podmínek, kdy Slunce je
vysoko nad obzorem (polední hodiny jasných letních dnů). Albedo tak obecně představuje velmi výrazný
parametr ovlivňující radiační a tepelnou bilanci zemského povrchu.
Poměr množství slunečního záření odraženého Zemí jako planetou ku množství téhož záření dopadajícího
na soustavu tvořenou Zemí a její atmosférou se nazývá planetární albedo Země a podle současných
družicových měření dosahuje hodnot kolem 30%. Na tomto výsledku má největší podíl odraz slunečního
záření oblaky, dále k němu přispívá zpětný rozptyl na molekulách plynných složek vzduchu a v oblastech
bez oblačné pokrývky i vlastní albedo zemského povrchu. Jako zajímavost lze uvést, že v minulosti bylo
planetární albedo Země na základě určitých spekulativních odhadů, různých hypotetických modelových
představ nebo nepřímých dílčích měření (např. porovnáním měřených jasů částí měsíčního disku
zastíněných a nezastíněných Zemí) zpravidla nadhodnocováno, např. na počátku 20. století se soudilo, že
má hodnotu kolem 50%.
Refrakce (lom) slunečních paprsků v atmosféře
Tato závěrečná pasáž našeho příspěvku je zamýšlena jako elementární uvedení do problematiky řady
význačných optických jevů v atmosféře, jimiž se zřejmě budou zabývat další autoři příspěvků v rámci
tohoto semináře.
V oblasti vlnových délek vyskytujících se ve viditelné (světelné) části spektra slunečního záření závisí
absolutní index lomu primárně na hustotě vzduchu tak, že se poněkud zvětšuje s jejím růstem. Kromě toho
se zde ovšem uplatňuje i obecná závislost indexu lomu elektromagnetických vln na jejich vlnové délce v
tom smyslu, že index lomu vzrůstá s klesající vlnovou délkou, a elektromagnetické vlny tedy jeví při
refrakci (lomu) disperzi tak, že kratší vlnové délky jsou lámány poněkud více. Jako určitou zajímavost
však zde uveďme, že např. u centimetrových a milimetrových elektromagnetických vln (velmi krátkých
11
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
radiovln), s nimiž pracují např. meteorologické radiolokátory, závisí index lomu nezanedbatelně i na
množství vodní páry obsažené ve vzduchu, tj. projevuje se zde významně i jeho závislost na absolutní
vlhkosti vzduchu. Příčinou je skutečnost, že při naposled zmíněných vlnových délkách se již pro index
lomu uplatňuje vliv orientační polarizace souborů polárních (dipólových) molekul H 2O, zatímco při
podstatně kratších vlnových délkách slunečního světla se tato orientace ještě nestačí uplatnit, neboť
střídání polarit složek elektromagnetického pole je příliš rychlé.
Za běžných situací, kdy hustota vzduchu s výškou klesá, tedy s výškou klesá i index lomu světla. Světelný
paprsek šířící se atmosférou šikmo vzhůru se potom láme od kolmice způsobem, jenž je kvalitativně
zřejmý z obr. 3a.
Pro sluneční paprsky je však typické šíření atmosférou šikmo dolů,
tj. do oblasti zvětšujících se hodnot hustoty vzduchu a tím i růstu
indexu lomu podél trajektorie paprsku. Paprsek se pak láme ke
kolmici, ale v obou právě uvedených případech zřejmě vzniká
zakřivení paprsku ve smyslu, jenž odpovídá zakřivení zemského
povrchu. Mluvíme pak o normální refrakci (normálním lomu)
světelných paprsků v ovzduší. S touto refrakcí souvisí řada
optických jevů, jejichž popis a výklad lze nalézt např. v publikaci
Bednáře (1989). Jde zejména o astronomickou refrakci, zvednutí a
případnou laminaci slunečního disku při jeho poloze nízko u
obzoru, o zvýšení obzoru, popř. o tzv. horní (svrchní) zrcadlení. Je
přitom zřejmé, že normální refrakce paprsků je tím větší, čím
rychleji klesá hustota vzduchu s výškou. Z elementárních vztahů
termodynamiky vzduchu vyplývá, že pokles hustoty vzduchu s
výškou je zvláště rychlý ve vrstvách teplotních inverzí, tj. ve
vzduchových vrstvách, v nichž teplota s výškou roste. Z této
Obrázek 3.
situace bývají v atmosféře splněny podmínky pro totální odraz
Refrakce (lom) slunečních paprsků v světelných paprsků, s čímž např. souvisí právě zmíněné zrcadlení.
atmosféře.
Anomálně se však mohou vyskytnout i případy vzduchových
vrstev, v nichž hustota vzduchu s výškou roste. Dochází k tomu tehdy, jestliže teplota vzduchu klesá s
rostoucí výškou rychleji než o 0,0342 K/m. Takovéto vzduchové vrstvy jsou však extrémně instabilní, a
mohou se tedy bez svého "převracení" udržet pouze v nevelké tloušťce, pokud se bezprostředně opírají o
zemský povrch. Jde pak o tzv. inverze hustoty vzduchu, s nimiž se někdy setkáváme v přízemních
hladinách atmosféry, dochází-li k velmi intenzivnímu ohřívání zemského povrchu slunečním zářením.
Typicky jde o betonové nebo asfaltové plochy za letních slunných dnů, o sluncem rozpálené povrchy
pouštního písku apod. Za této situace má refrakce světelných paprsků opačný charakter (viz obr. 3b),
paprsek šířící se šikmo vzhůru se láme ke kolmici a paprsek směřující šikmo dolů od komice, jde potom o
tzv. anomální refrakci, kdy zakřivení paprsků má ve srovnání se zakřivením zemského povrchu opačný
smysl. S tímto typem refrakce světelných paprsků jsou potom spojeny např. optické jevy snížení (deprese)
obzoru nebo tzv. dolního (spodního) zrcadlení, jejichž popis a výklad lze opět nalézt např. v publikaci
Bednáře (1989).
Literatúra
Bednář J., 1989: Pozoruhodné jevy v atmosféře. Atmosférická optika, akustika a elektřina. Academia, Praha, ISBN 80-2000054-2, 236 str.
12
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Radiačná a energetická bilancia
František Matejka
Slovenská bioklimatologická spoločnosť pri SAV, Bratislava, [email protected]
Úvod
Slnečné žiarenie je jednou zo základných podmienok vzniku a ďalšej existencie života na Zemi. Bez neho
by nemohla prebiehať fotosyntéza, nemohli by teda existovať zelené rastliny a vo vnútri Zeme by sa
nevytvorili zásoby uhlia, ropy a zemného plynu. Bez slnečného žiarenia, z ktorého zemská atmosféra
odfiltruje spektrálnu oblasť najkratších vlnových dĺžok, nebezpečnú pre živé organizmy, by nebol možný
život na Zemi. Slnko predstavuje pre ľudstvo prakticky nevyčerpateľný zdroj čistej energie, ktorá môže
v budúcnosti nahradiť fosílne palivá a ostatné konvenčné energetické zdroje. Pre využitie týchto možností
a tiež aj z hľadiska ochrany a tvorby životného prostredia je vhodné, aby stredné školy oboznámili svojich
žiakov s meteorologickými aspektami šírenia slnečného žiarenia a jeho premeny na iné formy energie.
Táto prednáška si kladie za cieľ poskytnúť prehľad základných poznatkov o slnečnom žiarení, jeho
spektrálnom zložení a šírení v atmosfére z hľadiska meteorológie ako vednej disciplíny a o
jeho transformácii na toky tepla a vodnej pary na zemskom povrchu.
Spektrum slnečného žiarenia a jeho zložky
V jadre Slnka neustále prebieha jadrová fúzia, pri ktorej sa menia atómy vodíka na atómy hélia. V tomto
procese sa spájajú štyri vodíkové jadrá a vytvárajú jedno héliové jadro. Hmotnosť vzniknutého héliového
jadra je asi o 0,7% menšia než hmotnosť štyroch pôvodných vodíkových jadier. Táto hmotnostná strata sa
následne vyžiari vo forme energetického kvanta, pričom sa celkove uvoľňuje obrovské množstvo energie,
primárne vo forme gama žiarenia, ktoré na dlhej ceste z vnútra Slnka k jeho povrchu interaguje s atómami
slnečnej hmoty a v dôsledku toho sa spektrum žiarenia rozširuje smerom do oblasti väčších vlnových
dĺžok. Žiarenie, ktoré vyžaruje povrch Slnka, pokrýva spektrálnu oblasť od gama žiarenia až po
infračervené žiarenie.
Za každú sekundu povrch Slnka vyžiari energiu približne sa rovnajúcu 3,8.1026 Joulov. Pri tom sa
za každú sekundu premení asi 700 miliónov ton vodíka na hélium a skonvertuje sa okolo 4,4 milióna ton
hmoty na energiu. Keďže objem Slnka je viac než milión krát väčší než objem Zeme, v procese jadrovej
fúzie sa doteraz spotrebovala asi polovica všetkých zásob vodíka, obsiahnutých v jadre Slnka. Teda,
pri nezmenenej rýchlosti jadrovej fúzie, by zásoby vodíka v slnečnom jadre mali vystačiť ešte na viac než
štyri miliardy rokov.
Na Zem dopadá len približné jedna dvojmiliardtina výkonu slnečného žiarenia, avšak z ľudského
hľadiska je to veľmi veľké množstvo energie. Slnko nám ponúka energiu, ktorá presahuje súčasné
energetické požiadavky ľudstva viac než desaťtisíckrát, keď za necelú pol hodinu Slnko vyžiari na Zem
toľko energie, koľko spotrebuje celé ľudstvo za jeden rok. Žiarivý výkon Slnka predstavuje približne
63 miliónov W m-2. Vzhľadom na to, že intenzita slnečného žiarenia klesá so štvorcom vzdialenosti
od Slnka, pri priemernej vzdialenosti Zeme od Slnka, rovnej 149,5 milióna km, na hornú hranicu
atmosféry dopadá približne 1367 W m-2. Táto hodnota sa v meteorológii nazýva solárna konštanta, a to aj
napriek tomu, že v skutočnosti nie je presnou konštantou, ale sa mení v závislosti od slnečnej aktivity a od
priebehu slnečných cyklov.
Priemerná hustota toku slnečného žiarenia na horizontálnu plochu na hornej hranici atmosféry je 342 W
m-2, z toho sa od Zeme ako celku odrazí 107 W m-2, pri planetárnom albede Zeme dosahujúcom takmer
30%. Z prichádzajúceho slnečného žiarenia sa v atmosfére pohltí v priemere 67 W m-2. Zemský povrch pri
priemernej teplote asi 15 °C vyžaruje dlhovlnné žiarenie s priemernou hustotou toku 390 Wm -2, z čoho 40
W m-2 opustí atmosféru cez tzv. atmosférické okno absorpcie vodnej pary (8,5 - 12,5 µm), zvyšok sa pohltí
v atmosfére a použije sa na jej ohriatie. Absorpciu dlhovlnného žiarenia v atmosfére zabezpečujú
predovšetkým skleníkové plyny, oblačnosť a niektoré aerosóly, pričom na vodnú paru a oblačnosť pripadá
z toho až okolo 67% a na oxid uhličitý asi 25%. Kým oxid uhličitý je v atmosfére rozložený vcelku
rovnomerne, vodná para je sústredená prevažne v teplých oblastiach Zeme a v dolnej časti troposféry, do
výšky asi 2 km. Atmosféra Zeme vyžaruje smerom k zemskému povrchu dlhovlnné žiarenie s hustotou
toku v priemere 324 W m-2 a smerom do kozmického priestoru spolu s oblačnosťou 195 W m -2. Zem ako
13
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
priemerne opúšťa tiež 342 W m-2, pričom z toho predstavuje 30% krátkovlnné žiarenie
celok teda
a 70%
je dlhovlnné vyžarovanie Zeme ako celku. Tento pomer je dlhodobo veľmi stabilný a jeho stabilitu
narušuje len následkom vulkanických erupcií zmenené albedo Zeme, výskyt ľadových dôb a zmenená
rozloha oceánov. Určitú úlohu tu hrá aj málo sa meniaca celková plocha, rozloženie a hustota oblačnosti
(Lapin, 2004).
Povrch Slnka vyžaruje energiu, uvoľnenú
v procese
jadrovej
fúzie
vo
forme
elektromagnetického žiarenia rôznych vlnových dĺžok od gama žiarenia až
po infračervené žiarenie (obr. 1). Z obrázku
vidieť, že konkrétne spektrum slnečného
žiarenia na hornej hranici atmosféry možno
dobre aproximovať krivkou žiarenia absolútne
čierneho telesa s teplotou, v tomto prípade,
rovnou 5250 ºC. Samozrejme, v iných prípadoch sa teplota aproximujúceho absolútne
čierneho telesa mení podľa aktivity Slnka.
Žiarenie s vlnovými dĺžkami z intervalu 100 400 nm sa volá ultrafialové. Pre ľudské oko
viditeľné slnečné žiarenie má vlnovú dĺžku
Obrázok 1.
približne od 380 do 760 nm s farbami od
Slnečné spektrum.
fialovej, cez modrú, zelenú, žltú, oranžovú až
po červenú. Žiarenie z viditeľnej oblasti slnečného spektra využívajú aj rastliny pri fotosyntéze. Vzhľadom na to, že zelené časti
rastlín pohlcujú slnečné žiarenie selektívne,
z hľadiska účinnosti fotosyntézy sú najvýznamnejšie oblasti vlnových dĺžok 400-510
nm a 610 - 720 nm, teda približne modré
Obrázok 2.
a červené pásmo viditeľnej oblasti slnečného
Rozdelenie ultrafialového žiarenia.
spektra.
Slnečné žiarenie s vlnovými dĺžkami presahujúcimi 780 nm ľudské oko väčšinou nezaznamená, môžeme
ho však registrovať ako tepelné žiarenie. V meteorológii sa slnečné žiarenie s vlnovými dĺžkami pod 700
nm súhrnne označuje termínom krátkovlnné slnečné žiarenie a pre slnečné žiarenie s vlnovými dĺžkami
nad 700 nm sa zaužívalo pomenovanie dlhovlnné slnečné žiarenie.
Pri prechode zemskou atmosférou pohltia atmosférické plyny, najmä kyslík a dusík, všetko gama žiarenie,
Röntgenové žiarenie a ultrafialové žiarenie s vlnovými dĺžkami pod 200 nm. Veľkú časť ultrafialového
žiarenia v rozsahu vlnových dĺžok medzi 200-300 nm pohltí stratosférický ozón. Spektrálne pásmo
ultrafialového žiarenia delíme na niekoľko oblastí (obr. 2). Oblasť UV-B nazývame aj erytémne žiarenie,
pretože pri dlhšej expozícii spôsobuje začervenanie ľudskej pokožky (erytém). Intenzita ultrafialového
žiarenia na úrovni zemského povrchu sa s časom dosť výrazne mení v závislosti od množstva oblačnosti,
koncentrácie stratosférického ozónu a stupňa znečistenia atmosféry.
Na opačnej strane slnečného spektra je infračervené žiarenie s vlnovými dĺžkami nad 700 nm silne
pohlcované ozónom, oxidom uhličitým a najmä vodou v plynnom aj kvapalnom skupenstve, ktorá sa
nachádza v atmosfére. Pohlcovanie slnečného žiarenia atmosférickými plynmi a prímesami má
za následok, že po prechode zemskou atmosférou dopadá na povrch Zeme v priemere len asi 40%
zo slnečného žiarenia pohlteného na hornej hranici atmosféry.
Rovnica radiačnej bilancie
Slnečné žiarenie dopadá na hornú hranicu atmosféry vo forme zväzku rovnobežných slnečných lúčov
smerujúcich od Slnka k Zemi. Časť z tohto zväzku lúčov preniká atmosférou až k zemskému povrchu bez
zmeny smeru. Tento rovnobežný zväzok lúčov, ktorý spôsobuje, že za jasného dňa predmety na zemskom
povrchu vrhajú tiene, voláme priame slnečné žiarenie. Zostávajúca časť slnečného žiarenia, ktorá
nepreniká k zemskému povrchu ako priame slnečné žiarenie, sa na atmosférických časticiach odráža
a rozptyľuje, čo má za následok, že počas dňa je pre zemský povrch každý bod oblohy zdrojom žiarenia
14
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
s rôznou intenzitou. Toto žiarenie oblohy sa nazýva rozptýlené (difúzne) žiarenie. Súčet priameho
a rozptýleného slnečného žiarenia predstavuje globálne žiarenie. Globálne slnečné žiarenie dopadajúce na
zemský povrch sa od povrchu čiastočne odráža a ako odrazené slnečné žiarenie smeruje od zemského
povrchu a zvyšok slnečného žiarenia sa povrchom pohlcuje.
Množstvo slnečného žiarenia odrazeného od zemského povrchu závisí od odrážacej schopnosti zemského
povrchu, ktorá sa nazýva albedo a vyjadruje sa v percentách z hodnoty globálneho žiarenia dopadajúceho
na zemský povrch. Hodnoty albeda sa pre jednotlivé typy povrchu značne menia. Príklady typických
hodnôt albeda pre vybrané typy zemského povrchu obsahuje tabuľka č. 1.
Tabuľka 1
Typické hodnoty albeda vybraných typov zemského povrchu.
Povrch
asfalt
ihličnatý les
holá pôda
zelená tráva
betón
čerstvý sneh
Albedo [%]
4 - 12
5-9
15 - 20
22 - 27
52 - 60
90 - 95
Slnečné žiarenie pohltené zemským povrchom zohrieva povrchové vrstvy pôdy, vody alebo rastlinstva
a zohriaty zemský povrch následne vyžaruje späť do atmosféry dlhovlnné tepelné žiarenie. Jeho tok sa v
meteorológii nazýva vyžarovanie Zeme a jeho hodnoty závisia, podľa Stefan-Boltzmannovho zákona, od
vyžarovacej schopnosti povrchu a od štvrtej mocniny jeho teploty, vyjadrenej v Kelvinovej stupnici. Od
teplejšieho zemského povrchu sa následne zohrieva prízemná vrstva ovzdušia. Atmosféra, ako každé iné
teleso, ktorého teplota je vyššia, než absolútna nula, vyžaruje smerom k zemskému povrchu tok
dlhovlnného tepelného žiarenia, ktoré sa nazýva spätné žiarenie atmosféry. Rozdiel medzi vyžarovaním
Zeme a spätným žiarením atmosféry sa v meteorológii označuje termínom efektívne vyžarovanie.
Rozdiel medzi globálnym žiarením, ktoré jednotková plocha zemského povrchu pohltí za určitý čas
a efektívnym vyžarovaním za rovnaký časový interval sa nazýva radiačná bilancia zemského povrchu.
Ak budeme rešpektovať platnosť zákona zachovania energie, potom možno vzťah medzi radiačnou
bilanciou a jej zložkami vyjadriť rovnicou:
R=G 1−−V ef
(1)
V tomto vzťahu, ktorý sa nazýva rovnica radiačnej bilancie zemského povrchu, je R radiačná bilancia
zemského povrchu, G znamená globálne žiarenie,  označuje albedo zemského povrchu a V ef je
efektívne vyžarovanie.
Všetky zložky radiačnej bilancie možno merať pomocou aktinometrických prístrojov, ktorých dnes
existuje viacero typov a väčšinou sú schopné fungovať v automatickom režime. Priame slnečné žiarenie sa
meria pyrheliometrami, globálne žiarenie pyranometrami, na meranie difúzneho žiarenia sa používajú
difuziometre, odrazené slnečné žiarenie sa meria albedometrami. Efektívne vyžarovanie, ako aj jeho
zložky, možno merať špeciálnymi pyrgeometrami, ktoré sú schopné odfiltrovať zo slnečného spektra jeho
krátkovlnné zložky.
Cez deň, keď zvyčajne prevažuje príkon slnečného žiarenia nad stratami z vyžarovania, nadobúda
radiačná bilancia zemského povrchu kladné hodnoty. V nočných hodinách, pri absencii slnečného žiarenia,
klesá radiačná bilancia zemského povrchu do oblasti záporných hodnôt. Prechod od záporných hodnôt
radiačnej bilancie ku kladným hodnotám však nenastáva práve pri východe a západe Slnka, ale obvykle
prebieha pri výške Slnka 10º - 15º nad obzorom. Pri súvislej snehovej pokrývke nadobúda radiačná
bilancia kladné hodnoty len vtedy, ak je Slnko vyššie než 20º- 25º nad obzorom. Preto v zimnom období
môžu pretrvávať záporné hodnoty radiačnej bilancie zemského povrchu vo dne i v noci.
Energetická bilancia a jej zložky
Radiačná bilancia zemského povrchu predstavuje množstvo žiarivej energie, ktorú má zemský povrch
k dispozícii na zabezpečenie svojich energetických potrieb. V globálnom meradle najväčšiu časť energie z
radiačnej bilancie povrch používa na energetické zabezpečenie výparu z pôdy a z rastlinného porastu,
ktorým môže byť pôda pokrytá. Táto energia prechádza zo zemského povrchu do atmosféry vo forme toku
tepla spotrebovaného na výpar. V prípade, že je zemský povrch teplejší než ovzdušie nad nim, je
rovnakým smerom orientovaný aj turbulentný tok tepla, ktorý má za následok zohrievanie najnižších
vrstiev ovzdušia. Keď je zemský povrch teplejší než pôda pod ním, ďalšia časť energie radiačnej bilancie
15
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
zemského povrchu sa využije na zohrievanie povrchových vrstiev pôdy tokom tepla do pôdy.
V oblastiach, kde je zemský povrch pokrytý vegetáciou, sa posledná časť energie radiačnej bilancie
použije na energetické zabezpečenie fotosyntézy. Napriek tomu, že sa na tento účel využije len pomerne
malá časť z celkovej energie radiačnej bilancie zemského povrchu, v celosvetovom meradle je to len
niekoľko desatín percenta z radiačnej bilancie, je táto položka veľmi dôležitá z hľadiska vzniku
a existencie zelených rastlín, pretože zabezpečuje základnú podmienku pre ich život a znamená najväčší
príkon slnečného žiarenia do pozemských ekosystémov.
Radiačná bilancia predstavuje obvykle pre zemský povrch príjem energie, ostatné toky, spomenuté
v predchádzajúcom odseku, znamenajú najčastejšie straty energie zo zemského povrchu. V prípade, že sa
teplota zemského povrchu v danom okamihu nemení, musí sa v určitom časovom intervale príjem energie
zemským povrchom rovnať strate energie zo zemského povrchu. Musí teda platiť vzťah, ktorý nazývame
rovnicou energetickej bilancie, ktorá má za predpokladu konštantnej teploty zemského povrchu v danom
časovom intervale tvar:
R= PH L E F ,
(2)
kde R je radiačná bilancia zemského povrchu, P znamená tok tepla do pôdy, H označuje turbulentný tok
tepla, L je latentné teplo výparu vody a E znamená sumárny výpar zo zemského povrchu, prípadne,
z rastlinného porastu (evapotranspiráciu). Teda, súčin LE označuje tok tepla spotrebovaného na výpar
a konečne F je teplo spotrebované na fotosyntézu. Vzhľadom na relatívne malé hodnoty tepla
spotrebovaného na fotosyntézu možno tento člen rovnice energetickej bilancie zemského povrchu pre
dlhšie časové intervaly zanedbať. Pomer turbulentného toku tepla k toku tepla spotrebovaného na výpar H/
LE sa v meteorológii nazýva Bowenov pomer a označuje sa obvykle symbolom β.
Všetky zložky energetickej bilancie zemského povrchu možno merať, avšak vzhľadom na to, že priame
meranie turbulentného toku tepla a toku tepla spotrebovaného na výpar metódou „eddy covariance“ je
dosť zložité a zabezpečenie potrebnej prístrojovej techniky je finančne náročné, používajú sa aj
alternatívne metódy vychádzajúce z výsledkov profilových meraní meteorologických prvkov v prízemnej
vrstve atmosféry. Ich prehľad poskytuje odborná literatúra (napr. Brutsaert, 1982, alebo Miller, 1981).
Pomery, v akých sa jednotlivé veličiny
na pravej strane rovnice (2) podieľajú
na celkovej radiačnej bilancii zemského povrchu tvoria štruktúru rovnice jeho energetickej
bilancie. V skutočných podmienkach je
štruktúra rovnice energetickej bilancie veľmi
premenlivá veličina, ktorá závisí od viacerých
faktorov, akými sú termofyzikálne charakteristiky pôdy a jej vlhkosť, dostupnosť vody
na zemskom povrchu, teplota a vlhkosť
vzduchu a rýchlosť jeho prúdenia. Príklad
štruktúry rovnice energetickej bilancie
zemského
povrchu
je
prezentovaný
Obrázok 3.
na
obrázku
č.
3,
kde
sú
graficky
znázornené
Denné sumy toku tepla do pôdy P, turbulentného toku tepla H a
tepla spotrebovaného na výpar LE zapojeného smrekového podiely jednotlivých tokov z pravej časti
porastu v oblasti Vysokých Tatier v júli 2011.
rovnice (2) na radiačnej bilancii zemského
povrchu. Vidieť, že aj v tomto prípade
klimaticky aktívny povrch, ktorý tvorili v tomto prípade koruny stromov smrekového lesa a povrch lesnej
pôdy, spotreboval najviac energie, za mesiac to bolo až 63,1% energie z radiačnej bilancie zemského
povrchu, na energetické zabezpečenie evapotranspirácie, teda výparu z pôdy a transpirácie z korún
stromov. Na turbulentný tok tepla sa v sledovanom období využilo 27,8% z radiačnej bilancie a na tok
tepla do pôdy len o niečo viac než 9%.. Priemerná hodnota Bowenovho pomeru bola v danom mesiaci
rovná číslu 0,44.
Je zrejmé, že hodnoty jednotlivých členov rovnice energetickej bilancie určujú, koľko vody a energie sa
dostáva zo zemského povrchu do atmosféry a koľko tepla prichádza z povrchu do hlbších vrstiev pôdy.
Z toho možno usudzovať, aká bude teplota a vlhkosť v najnižších vrstvách ovzdušia a aká bude teplota
v povrchových vrstvách pôdy. Štruktúra rovnice energetickej bilancie zemského povrchu je preto dôležitá
z hľadiska posúdenia mikroklimatických účinkov konkrétneho aktívneho povrchu.
16
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Záver
Slnečné žiarenie pri svojej ceste zo slnečného jadra k povrchu Zeme prekoná značné kvalitatívne aj
kvantitatívne zmeny z pôvodne vysoko energetického gama žiarenia na ultrafialové, svetelné a tepelné
žiarenie v širokom intervale vlnových dĺžok, pričom na zemský povrch dopadá, až na malé výnimky, len
tá časť spektra slnečného žiarenia, ktorá má priaznivý vplyv na vznik a vývoj života na Zemi. Slnko
poskytuje ľuďom takmer nevyčerpateľný zdroj energie, ktorej využívanie môže v blízke budúcnosti
vyriešiť problémy spôsobené obmedzenými zdrojmi fosílnych palív, ktoré v hlbinách Zeme vznikli ako
nepriamy dôsledok dopadu slnečného žiarenia na zemský povrch. Žiarivá energia Slnka, pohltená
povrchom Zeme energeticky zabezpečuje pohyb vzduchu v zemskej atmosfére a do značnej miery určuje
aj počasie a klímu jednotlivých lokalít na zemskom povrchu. Slnečné žiarenie je prakticky jediným
zdrojom energie pre atmosférické procesy a jeho premena na toky tepla a vodnej pary má významný vplyv
na stabilitu klimatického systému. Zeme. Pre ľudstvo je dôležité poznať zákonitosti interakcie slnečného
žiarenia so zemskou atmosférou a s povrchom Zeme a s pomocou týchto poznatkov využívať slnečné
žiarenie vo svoj prospech.
Literatúra
Brutsaert, W., 1982: Evaporation into the Atmosphere. Dodrecht, D. Reidel Publishing Company, 269 p.
http://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight
http://www.eoearth.org/article/Solar_radiation
Lapin, M., 2004: Stručne o teórii klimatického systému Zeme, najmä v súvislosti so zmenami klímy. Inauguračná prednáška,
Bratislava, 20.9.2004.
Miller, D. H., 1981: Energy at the Surface of the Earth. Acad. Press, New York, 516 p.
17
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Slnečné ultrafialové žiarenie
Anna Pribullová 1,2
1
Slovenský hydrometeorologický ústav, Poprad Gánovce, 2 Geofyzikálny ústav SAV, Stará Lesná,
[email protected]
Úvod
Slnečné ultrafialové (UV) žiarenie predstavuje na hornej hranici atmosféry Zeme iba 7% z celkovej
hustoty toku slnečného žiarenia. Spektrum UV žiarenia sa rozdeľuje na tri oblasti podľa vlnovej dĺžky :
UV-A v rozsahu vlnových dĺžok 315 – 400 nm, UV-B s vlnovými dĺžkami 280 – 315 nm a UV – C
v rozsahu od 100 do 280 nm. Po prechode atmosférou pripadá na UV-B oblasť asi 0,1 %, UV-A oblasť
spektra asi 5% a energia UV žiarenia spôsobujúceho erytém (sčervenenie) ľudskej kože predstavuje iba
0,013% z celkovej slnečnej energie na povrchu zeme. Žiarenie v UV-C oblasti spektra sa na zemský
povrch nedostáva, je úplne pohltené atmosférou. UV žiarenie sa neprejavuje tepelnými účinkami,
vzhľadom na malý podiel z celkovej energie slnečného spektra, a nemožno ho postrehnúť ľudským
zrakom. Nositeľmi tejto zdanlivo zanedbateľnej energie sú však fotóny, ktoré majú, v porovnaní
s viditeľnou alebo infračervenou oblasťou spektra, niekoľkonásobne väčšiu energiu. Napriek malému
podielu z celkovej energie slnečného žiarenia pri zemskom povrchu, UV žiarenie interaguje s mnohými
zložkami atmosféry, s neživou prírodou, s materiálmi vytvorenými človekom a so živými organizmami,
pričom sa prejavuje výraznými biologickými účinkami.
História
Už staroveké civilizácie si uvedomovali, že slnko zabezpečuje ľuďom svetlo (videnie), teplo, zdravie a
životnú silu. Existencia ultrafialového žiarenia bola zistená na základe jeho fotochemických účinkov. Už v
r. 1614 boli zaznamenané pozorovania toho, ako neznáme svetlo spôsobilo sčernenie papiera namočeného
v dusičnane striebornom. Okolo r.1777 Scheele zaznamenal stmavnutie papiera namočeného v chloride
striebornom po expozícii slnečnému žiareniu. Keď hranolom rozložil slnečné žiarenie a nechal jednotlivé
zložky dopadať na papier s chloridom strieborným zistil, že papier intenzívnejšie stmavol v oblasti modrej
a fialovej farby spektra. Neskôr (1815) Ritter zistil, že stmavnutie chloridu strieborného vyvoláva žiarenie
z oblasti slnečného spektra pred modrou a fialovou oblasťou (tepelným žiarením bolo vtedy nazývané
žiarenie za červenou oblasťou spektra). Toto neviditeľné žiarenie nazval deoxidačné lúče, a neskôr sa ujal
názov chemické žiarenie. Tiež sa ukázalo, že podobne ako chlorid strieborný, reagujú na ožiarenie
chemickým žiarením aj iné soli kovov - najefektívnejšie jodid strieborný. Položili sa tak základy
fotografovania. V roku 1842 Bequerel a Drapper zistili, že fotochemickú reakciu v jodide striebornom
spôsobuje žiarenie s vlnovými dĺžkami 340 – 400 nm. Takto sa prvý krát uviedol rozsah vlnových dĺžok
ultrafialového žiarenia (názov „ultrafialové“ žiarenie sa začal používať až začiatkom 20. storočia).
Začiatkom 20. storočia vznikali prvé spektrografy, pomocou ktorých sa zistili emisie niektorých látok v
ultrafialovej oblasti spektra. V r. 1903 Schumann použitím vákuového spektrofotometra detegoval emisie
vodíka s vlnovou dĺžkou 125 nm, neskôr Lymann zistil emisie hélia s vlnovou dĺžkou 50 nm a absorbčné
pásy kyslíka pre žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok 127 – 176 nm. Langleyho merania slnečného žiarenia
ukázali, že atmosféra Zeme spôsobí zoslabenie žiarenia v UV oblasti o viac ako 40%. Lymannove objavy
absorbcie UV žiarenia kyslíkom viedli k predpokladu, že absorpciu slnečného UV žiarenia v atmosfére
spôsobuje najmä kyslík. Zistilo sa, že na zemský povrch nedopadá žiarenie s menšími vlnovými dĺžkami
ako cca 290 nm. Fabry a Buisson v r. 1921 meraním slnečného spektra a celkového ozónu usúdili, že ozón
vo vyšších vrstvách atmosféry absorbuje v UV oblasti žiarenia. Merania UV žiarenia vo švajčiarskom
Davose, ktoré začiatkom 20. storočia robil Carl Dorno (zakladateľ fyzikálno-meteorologického
observatória v Davose, súčasného svetového radiačného centra) ukázali, ako sa mení hustota toku UV
žiarenia počas dňa a roka a ako súvisí s nadmorskou výškou.
Biologické účinky samotného UV žiarenia sa zistili až po objavení jeho existencie. Dovtedy však bol
známy súvis medzi vystavovaním sa slnečnému žiareniu a liečbou niektorých ochorení (depresie, kožné
choroby a pod.). N. Finsen dostal v r. 1903 Nobelovu cenu za štúdium vplyvu UV žiarenia na priebeh
ovčích kiahní a kožnej tuberkulózy. Zistil, že vystavovanie pacientov s tuberkulózou UV žiareniu
spomaľuje priebeh tohto ochorenia. Na základe jeho výskumu boli v Alpách zriadené mnohé sanatóriá.
Finsen zistil, že UV žiarenie má antibakteriálne účinky. Po objavení deoxirybonukleovej kyseliny (DNA)
18
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
sa objasnili smrtiace účinky UV žiarenia na mikroorganizmy. Rôzny pohľad biológov a fyzikov na UV
žiarenie spôsobil, že v biológii sa UV žiarenie delilo podobne ako dnes na UV-A zložku (žiarenie
prenikajúce čiastočne sklom), UV-C zložku (žiarenie s vlnovou dĺžkou menšou ako 290 nm, ktoré je úplne
absorbované v atmosfére) a žiarenie UV-B s rozsahom vlnových dĺžok medzi oblasťami UV-A a UV-B.
Fyzici rozdelili UV oblasť spektra na blízke UV žiarenie s vlnovými dĺžkami žiarenia, ktoré ešte dosahujú
povrch zeme (290 – 400 nm), na tzv. vákuové UV žiarenie, ktoré bolo možné merať iba vo vákuu (vlnové
dĺžky žiarenia kratšie ako 180 nm) a ďalekú UV oblasť spektra s vlnovými dĺžkami medzi 290 a 180 nm.
Vlastnosti a biologické účinky slnečného UV žiarenia
Z fotochemických reakcií, v ktorých hrá úlohu
slnečné UV žiarenie možno spomenúť vznik
fotochemického smogu. Známe sú bieliace účinky
UV žiarenia, ktoré sú nežiadúce pri rôznych
vonkajších náteroch a využívali sa napr. pri
výrobe domáceho plátna. Z materiálov UV
žiarenie negatívne vplýva najmä na polyméry
(polyetylén, polypropylén, polystyrén).
Stupeň absorpcie žiarenia rôznymi biologickými
makromolekulami závisí od vlnovej dĺžky
žiarenia a preto je potrebné, pre vyjadrenie
relatívneho účinku UV radiácie na rôzne
Obrázok 1.
biologické procesy, použiť rôzne váhy pre
Akčné spektrá pre rôzne biologické účinky UV žiarenia spektrálne hustoty toku UV žiarenia. Vyjadrenie
a relatívna spektrálna citlivosť UV biometra..
relatívnej účinnosti spektrálnej hustoty toku
žiarenia ako funkcie vlnovej dĺžky žiarenia sa
nazýva akčným spektrom. Integrálnu hustotu toku žiarenia s určitým biologickým účinkom Jef môžeme
pomocou akčného spektra Wλ a spektrálnej hustoty toku Jλ vyjadriť nasledovne : J ef =∫ J  W  d  .
Účinok UV žiarenia na niektorý biologický fenomén závisí nielen od hustoty toku dopadajúceho účinného
žiarenia [W m-2], ale aj od dĺžky expozície tomuto žiareniu, teda od celkovej dávky žiarenia E [J m- 2].
Biologické účinky UV radiácie možno rozdeliť na tri kategórie : (1.) pôsobenie na bunku, (2.) pôsobenie
na tkanivo a (3.) pôsobenie na organizmus ako celok. Z účinkov UV žiarenia na bunky sa najčastejšie
uvádza narušenie štruktúry DNA, nielen fyzikálne (zlomy v reťazci DNA), ale aj chemické (zvýšená
tvorba niektorých základných zložiek DNA ako je napr. pyrimidín, narušenie bázy DNA tymínu). Kožné
bunky majú zvýšenú schopnosť regenerácie po poškodení UV žiarením. Pri nadmernej expozícii kože UV
žiareniu však obranné mechanizmy kožných buniek zlyhávajú a naopak, môžu viesť k ich mutácii, alebo
likvidácii. Žiarenie v UV-C oblasti má na bunky mikroorganizmov smrtiace (germicídne) účinky –
využíva sa na dezinfekciu operačných priestorov. Zmeny na bunkovej úrovni zložitejších organizmov vedú
k zmenám v tvorbe enzýmov, hormónov a následne ovplyvňujú fyziológiu celého organizmu. Príkladom
vplyvu UV žiarenia na tkanivá je napr. predčasné foto-starnutie pokožky (súvisí s UV-A žiarením a jeho
vplyvom na štruktúru kožných bielkovín elastínu a kolagénu), erytém, hnednutie pokožky u ľudí. U rastlín
vystavených zvýšenej expozícii UV žiareniu sa pozorovali napr. zmeny hrúbky listov a zmeny obsahu
škrobu v listoch. Vplyvom UV žiarenia sa môže zmeniť fyziológia organizmu a narušiť funkčnosť
niektorých orgánov. Príkladom je poškodenie očí u ľudí a zvierat (tzv. snežná slepota, zvýšený výskyt
očného zákalu, zápal očných spojiviek, zhrubnutie očnej rohovky), poruchy obranyschopnosti
(imunosupresia následne ľahšie prenikanie infekcie do organizmu) a rakovina kože. UV expozícia
ovplyvňuje fotosyntézu a rast rastlín. Z pozitívnych účinkov UV žiarenia na človeka možno uviesť jeho
nezastupiteľnú úlohu pri tvorbe vitamínu D. V súčasnosti výskum potvrdil veľký význam dostatočnej
hladiny vitamínu D v ľudskom tele nielen pri procesoch súvisiacich so vstrebávaním vápnika
(protirachitcké pôsobenie), ale uvádzajú sa výrazné imunostimulačné účinky D vitamínu. Tvorbu
vitamínu D v ľudskej koži pri expozícii UV žiareniu sa fyziologicky reguluje, nehrozí predávkovanie.
Dostatok vitamínu D sa v koži vytvorí po expozícii kože s plochou asi ako dlaň slnečnému žiareniu na
desať minút, nie je potrebné celodenné opaľovanie celého tela až do sčervenania pokožky. V meraní
a modelovaní a predpovedi UV žiarenia sa pozornosť sústreďuje na jeho účinky na ľudí, hlavne na ľudskú
pokožku, ktorá je prirodzenému UV žiareniu najviac vystavená - na erytemálne UV žiarenie. Akčné
spektrum pre erytemálne účinky UV žiarenia bolo deklarované organizáciou CIE (Commission
19
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Internationale de L’Eclairage). Tvar akčného spektra pre erytém (obr. 1), potvrdzuje výraznú úlohu UV-B
žiarenia pri vzniku erytému. Podľa citlivosti na UV žiarenie a vonkajších znakov bola európska populácia
rozdelená na štyri kategórie. (prvé dva typy pokožky po expozícii UV žiareniu nepigmentujú a takmer
vždy sčervenajú).V súvislosti s erytemálnym žiarením sa používa jednotka minimálna erytemálna dávka
(MED). MED je dávka žiarenia v J m-2, ktorá spôsobí začervenanie dovtedy neexponovanej kože. MED
pre jednotlivé druhy kože stanovené podľa normy DIN-5050 dosahujú hodnoty od 200 do 450 J m-2
erytémového UV žiarenia. Ak je známa skutočná hodnota hustoty toku erytémového žiarenia, je možné pre
jednotlivé druhy pokožky vypočítať čas, po ktorom pokožka začne červenať. Účinok prostriedkov, ktoré
by mali chrániť pred UV žiarením vyjadruje tzv. slnečný ochranný faktor (SPF x znamená, že po použití
ochranného prostriedku môže byť daný typ pokožky exponovaný x krát dlhšie v porovnaní s dovolenou
dobou expozície bez neho). Aj slnečné okuliare by mali spĺňať európske normy a neprepúšťať UV-B ani
UV-A zložky slnečného žiarenia k oku a to ani po stranách okuliarov (norma E-400).
Pre jednoduché vyjadrenie hladiny slnečného ultrafialového žiarenia pre verejnosť sa používa slnečný UV
index (UVI). Pre verejnosť by sa mal uvádzať ako celé číslo. Vypočíta sa vydelením hustoty toku UV
žiarenia s erytémovým účinkom zodpovedajúcej poludniu v danej lokalite pri bezoblačnej oblohe číslom
25. Pri hodnotách UVI < 2 je pobyt vo vonkajšom prostredí z hľadiska expozície UV žiareniu bezpečný.
Stredný UVI je v rozmedzí 3 – 5, vysoký UVI v rozsahu 6 - 7. V takýchto podmienkach je potrebné
používanie ochranných prostriedkov na tvár, kožu a oči, okolo poludnia sa odporúča zotrvať v tieni. Pri
veľmi vysokých (UVI 8 – 10) a extrémnych (UVI ≥ 11) hodnotách UVI sa okolo poludnia neodporúča
pobyt vo vonkajšom prostredí (bez ochranných prostriedkov ani v tieni). Informácie o úrovni UVI v
jednotlivých krajinách poskytujú meteorologické služby, alebo vedecké inštitúcie. Na Slovensku
predpoveď UVI vydáva Slovenský hydrometeorologický ústav (www.shmu.sk).
Slnečné UV žiarenie a astronomické parametre
Tak ako ostatné zložky slnečného spektra, aj hustota toku slnečného UV žiarenia pri zemskom povrchu
závisí od vzdialenosti zdroja od daného povrchu a od uhla dopadu slnečného žiarenia na povrch. Výška
slnka, alebo zenitový uhol slnka sú astronomické parametre, ktoré najvýraznejšie ovplyvňujú hodnotu UV
žiarenia za jasnej oblohy. Tento parameter určuje denný aj ročný chod UV žiarenia a jeho zonálne
rozdelenie podľa zemepisnej šírky. Počas dvoch hodín okolo poludnia dopadne na povrch 30 (v letných
mesiacoch) - 50 (v zimných mesiacoch) % z dennej sumy UV žiarenia. Vplyv zenitového uhla na hodnotu
hustoty toku UV žiarenia pri zemskom povrchu súvisí s dĺžkou dráhy lúča v atmosfére, na ktorej je
žiarenie zoslabované, resp. s hmotou atmosféry, cez ktorú žiarenie prechádza. V lete sa zvyšuje podiel
UV-B žiarenia na celkovom UV žiarení. V prípade UV-B žiarenia je jeho výrazná ročná amplitúda
spôsobená súčasným vplyvom ročného chodu zenitového uhla slnka a celkového ozónu, ktorého hodnoty
sú najvyššie v koncom zimy a na jar a najnižšie koncom leta a v jeseni. Pre UV žiarenie, ktorá je ozónom
najviac ovplyvnené, sa posúva ročné maximum z júna, kedy sa pozorujú najnižšie zenitové uhly na júl,
kedy je množstvo celkového ozónu menšie ako v júni a minimum z decembra na január. V globálnom
šírkovom rozložení UV-B resp. erytemálneho UV žiarenia satelitné aj prízemné merania udávajú vyššie
letné hodnoty pre rovnaké vysoké a stredné zemepisné šírky na južnej pologuli (vplyv globálneho
rozloženia ozónu, vplyv vzdialenosti Zeme od Slnka).
Absorpcia slnečného UV žiarenia v atmosfére
Na absorpcii slnečného UV žiarenia sa podieľajú molekulárny dusík a kyslík, zložky atmosféry
s najvyšším percentuálnym zastúpením, a napriek svojej malej objemovej koncentrácii sa na nej významne
podieľa aj ozón. Slnečné UV žiarenie s najkratšími vlnovými dĺžkami (do 80 nm) je spojite absorbované
ionosférou zeme (tzv. ionizačné kontinuum kyslíka a dusíka). Molekulárny dusík má silné absorpčné pásy
v oblasti 100 - 145 nm (Lymanove, Birrdove, Hopfieldove) a slabšie v oblasti 230-340 nm (VegardoveKaplanove). Molekulárny kyslík O2 výrazne pohlcuje žiarenie s vlnovými dĺžkami do 100 nm
(Hopfieldove pásy), 125-200 nm (Schumanove-Rungeho pásy) a slabšie v oblasti 260-200 nm
(Herzbergove pásy dôležité pri tvorbe ozónu). Atmosferický ozón má silné absorpčné pásy v oblasti 230 290 nm (Hartleyove pásy) aj v oblasti dlhovlnného žiarenia (4750 nm, 9600 nm, 14000 nm), preto sa
zaraďuje k tzv. skleníkovým plynom. Absorpcia ozónom v oblasti Hartleyových pásov závisí od teploty,
s rastúcou teplotou sa zväčšuje účinný absorpčný prierez molekuly ozónu. V UV oblasti majú absorpčné
pásy aj SO2 a NO2, avšak vzhľadom na ich nízke koncentrácie v atmosfére v porovnaní s ozónom
20
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
absorpcia UV žiarenia týmito plynmi nie je významná. Odhaduje sa, že na každé 1% úbytku
stratosférického ozónu pripadá zvýšenie hustoty toku UV – B žiarenia o cca 1,1 – 1,2 %.V polárnych
oblastiach a v miernom pásme sa najväčšie úbytky stratosférického ozónu vyvolané ľudskou činnosťou
prejavujú po skončení polárnej noci – v jarných mesiacoch (u nás v apríli), čo sa pri bezoblačnej oblohe
prejavuje zvýšením hustoty toku UV žiarenia pri zemskom povrchu.
Rozptyl slnečného UV žiarenia
Rozptyl slnečného UV žiarenia prebieha priamo na molekulách vzduchu (takýto druh rozptylu na
čiastočkách s rozmermi porovnateľnými s vlnovou dĺžkou žiarenia nazývame Raylaighovým, alebo
molekulovým), alebo na pevných, alebo kvapalných čiastočkách vznášajúcich sa vo vzduchu, ktoré sa
súhrnne nazývajú atmosférickým aerosólom (rozptyl na väčších čiastočkách sa nazýva Mieho
rozptylom). Raileighovým rozptylom sa intenzívnejšie zoslabuje žiarenie s kratšími vlnovými dĺžkami, v
porovnaní dlhšími. S nadmorskou výškou klesá hustota vzduchu a klesá aj podiel UV žiarenia
rozptýleného na molekulách vzduchu a aerosóle a rastie podiel priamej zložky globálneho UV žiarenia.
V prípade Mieho rozptylu na atmosférickom aerosóle intenzita rozptýleného UV žiarenia závisí od nižších
mocnín vlnovej dĺžky žiarenia, alebo od vlnovej dĺžky nezávisí (v tom prípade je rovnako rozptyľované
žiarenie na všetkých vlnových dĺžkach). Zmeny obsahu aerosólu v atmosfére môžu viesť k poklesu, alebo
nárastu UV radiácie. V našej oblasti je medzidňová variabilita hustoty toku UV-B žiarenia spôsobená
premenlivosťou celkového ozónu a aerosólu porovnateľná. Pri zenitovom uhle slnka 60° sa priama zložka
UV žiarenia stráca a na povrch dopadá iba rozptýlené žiarenie. Podiel priamej a difúznej zložky UV
žiarenia s mení v závislosti od výšky slnka, aj od koncentrácie a vlastností atmosférického aerosólu,
niekedy rozptýlené UV žiarenie predstavuje až 50% globálneho UV žiarenia pri bezoblačnej oblohe, čo
znamená, že ani tieň neochráni človeka pred jeho účinkami úplne.
UV žiarenie a oblaky
Oblačnosť patrí medzi faktory najviac ovplyvňujúce UV žiarenie dopadajúce na povrch zeme. Okrem
celkového ozónu je oblačnosť tiež klimatický prvok, ktorý môže byť ovplyvnený antropogénnou
činnosťou (globálne zvýšenie teploty a s tým spojený očakávaný celkový nárast absolútnej vlhkosti
vzduchu a oblačnosti). Celkové zvýšenie oblačnosti je jedným z faktorov, ktoré môžu prekrývať zvýšené
hodnoty UV žiarenia spojené s úbytkom celkového ozónu. Zoslabenie, alebo nárast UV radiácie závisí od
druhu, hrúbky, pokrytia oblohy oblačnosťou a polohy oblačnosti na oblohe. Oblačná vrstva zoslabuje
priamu zložku UV radiácie a prispieva k zvýšeniu difúznej zložky. Štatisticky nebolo zistené žiadne
zoslabenie UV žiarenia s erytémovým účinkom pri pokrytí oblohy oblakmi do 3/8, pri pokrytí oblohy
oblakmi 7/8 bol zistený pokles hustoty toku UV žiarenia s erytémovým účinkom iba o polovicu.
Zmena UV žiarenia s nadmorskou výškou
S nadmorskou výškou rastie globálne a priame UV, difúzna zložka, naopak, klesá. Zmena UV žiarenia
s nadmorskou výškou závisí od vlnovej dĺžky žiarenia a zenitového uhla dopadajúceho priameho žiarenia.
Najväčšie zmeny sa pozorujú vo vrstve vzduchu 0 - 2 km nad povrchom. Zmena UV s nadmorskou výškou
súvisí s vertikálnymi zmenami obsahu aerosólu, zmenami hustoty čistého vzduchu (Rayleighov rozptyl), s
oblačnosťou, reliéfom a albedom povrchu. Údaje autorov získané z rôznych lokalít sa líšia. Uvádza sa
nárast hustoty toku UV žiarenia s výškou 6 - 12%/ km. Menšie výškové gradienty sú pozorované v
oblastiach s malým množstvom aerosólu vo vzduchu
Interakcie UV žiarenia s povrchom zeme
UV žiarenie odrazené od povrchu prispieva k zvýšeniu pozorovanej globálnej UV radiácie a to hlavne
príspevkom k jej difúznej zložke. Merania ukázali, že UV žiarenie na danom mieste je ovplyvnené
albedom povrchu v až v 10 km okruhu okolo miesta pozorovania. Odrazivosť povrchov, najmä snehu a
vody, pre UV žiarenie s rastúcim zenitovým uhlom rastie. Satelitné merania ukázali, že albedo povrchov
bez snehu je menšie ako 10% (hodnota 10% zodpovedá piesku). Zoslabenie UV žiarenia vo vode závisí
najmä od obsahu organických látok vo vode. Pre vodu, ktorá je extrémne čistá a neobsahuje takmer žiadnu
organickú hmotu, bola pre žiarenie s vlnovou dĺžkou 310 nm zistená hĺbka, kde bolo namerané 1%
hustoty toku UV žiarenia dopadajúcej na povrch až 17 m, pre vodu s vyšším obsahom organického
materiálu bola zistená takáto hĺbka iba 0,5 m. V publikáciách pre verejnosť sa udáva, že do hĺbky 0,5 m
pod hladinou preniká ešte 50% z hustoty toku UV žiarenia na hladine. Pre erytemálne žiarenie je albedo
21
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
nového snehu asi 95%, pre starý vlhký sneh asi 74%. Merania vo Vysokých Tatrách ukázali zvýšenie
hustoty toku globálneho UV žiarenia s erytémovým účinkom pri rôznom obsahu aerosólu v atmosfére
o 18 – 30%.
Meranie slnečného UV žiarenia na Slovensku
Brewerovým ozónovým spektrofotometrom sa UV žiarenie meria cez UV-B port orientovaný
horizontálne (meria sa globálne UV žiarenie). Jedno meranie trvá asi 8 min a pozostáva z dvoch meraní
celého spektrálneho rozsahu prístroja (290 - 325 nm) s krokom 0,5 nm. Výstupom sú spektrálne hustoty
toku žiarenia vo W m-2 nm-1, integrálne hodnoty UV-B žiarenia vo W m-2 (získané sumáciou cez meraný
rozsah vlnových dĺžok) a integrálne erytemálne UV žiarenie (DUV) vo W m-2(vážené erytémovým
akčným spektrom pre vlnové dĺžky do 325 nm). Merania UV žiarenia Brewerovým spektrofotometrom
majú diskrétny charakter. Tieto hodnoty nemusia odrážať skutočný chod UV žiarenia, hlavne počas
oblačných dní. Na kontinuálne meranie UV žiarenia s erytémovým účinkom slúžia UV-biometre Merajú
sa okamžité hodnoty UV žiarenia v jednotkách MEDh, pričom výrobca udáva nasledovný prevodný vzťah
medzi používanými a fyzikálnymi jednotkami: 1 MED/h = 58,3 W m-2, 1 MED = 210 J m-2. UV biometre
sú umiestnené v Bratislave, pri Košiciach, v Poprade- Gánovciach, v Starej Lesnej a na Skalnatom Plese.
Od r. 2002 je pravidelne kontrolovaná ich citlivosť. Prehľad niektorých meraných hodnôt v PopradeGánovciach uvádza nasledujúci obr. 2.
Obrázok 2
Priemerné hodinové a
denné sumy slnečného
UV žiarenia s
erytémovým účinkom
(UVE) v Gánovciach v
období 1999 - 2011.
Maximálna hodinová
suma UVE žiarenia: 3,7
MED (22.6.2011, 12 h )
Maximálna denná suma
UVE žiarenia: 25,1 MED
(22.6.2011 )
1 MED= 210 J m-2 UVE
Trendy UV žiarenia, smerovanie výskumu v budúcnosti
Kým v 90-tych rokoch 20. storočia bol výskum zameraný na štúdium parametrov ovplyvňujúcich hustotu
toku UV žiarenia pri zemskom povrchu a na zjednotenie vydávania informácie o úrovni slnečného UV
žiarenia pre verejnosť, po r. 2000 sa výskum sústredil na odhad dlhodobých zmien UV žiarenia, určenie
lokálneho vplyvu aerosólu na UV žiarenie a na zistenie individuálnej expozície rôznych častí ľudského
tela UV žiareniu pri rôznych aktivitách. Výskum sa sústreďuje aj na zvýšenie presnosti merania UV
žiarenia. Merania od r. 1980 s umožňujú odhad súčasných trendov UV žiarenia. V Európe (pre 10 lokalít)
bol zistený rastúci trend UV žiarenia s erytémovým účinkom cca 4,3%/10 rokov od roku 1980, pričom iba
1,2 %/10 rokov spôsobujú zmeny celkového ozónu. Vzhľadom na očakávanú obnovu ozónovej vrstvy
okolo r. 2050 a zmenu globálnej cirkulácie, sa predpokladá v budúcnosti zníženie hodnôt UV žiarenia v
polárnych oblastiach a mierne zvýšenie v trópoch.
Literatúra
Pribullová, A., 2004: Meranie a modelovanie slnečného UV žiarenia na Slovensku. Dizertačná práca.
WMO, Scientific Assessment Panel, UNEP/WMO, 2011: Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2010.
http://www.photobiology.info/Hockberger.html , http://www.cost726.org/, http://www.ta3.sk/gfu/download/mikova.pdf
22
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Meranie radiačných tokov v meteorológii
Miroslav Chmelík
Slovenský hydrometeorologický ústav, Aerologické a radiačné centrum Gánovce, SHMÚ, Bratislava-Koliba
Jeséniova 17, [email protected]
Úvod
Stanovenie radiačných a tepelných bilancií v meteorológii vyžaduje presné meranie radiačných
a tepelných tokov, ktoré do bilancií vstupujú. Energia žiarenia sa meria prístrojmi, ktoré sa
vo všeobecnosti nazývajú rádiometre. Najčastejšie meranými charakteristikami sú hustota toku žiarenia
vyjadrená vo Wm-2 a dávka žiarenia za určitú dobu vyjadrená v Jm-2.
V článku sú popísané konštrukcie a základné princípy merania najčastejšie používaných rádiometrov na
meranie jednotlivých zložiek slnečnej radiácie s dôrazom na prístroje používané v staničných sieťach na
Slovensku. Meracie prístroje sú postupnosťou kalibrácií naviazané na Svetovú rádiometrickú škálu (World
Radiometric Reference, WRR), ktorá platí od roku 1980 a udržuje sa vo Svetovom radiačnom centre
(World Radiation Centre, WRC) v Davose pomocou Svetovej štandardnej skupiny (World Standard Group,
WSG). WSG pozostáva z najmenej štyroch rádiometrov rôznej konštrukcie od rôznych výrobcov, ktoré
musia spĺňať prísne kritériá presnosti a stability.
Záverečná časť článku sa týka funkcie a úloh Národného radiačného centra.
Meranie priameho slnečného žiarenia
Priame slnečné žiarenie je krátkovlnné žiarenie prichádzajúce z malého priestorového uhla, v ktorého osi
sa nachádza stred Slnka, na plochu kolmú k tejto osi. Meria sa pyrheliometrami. V pyrheliometri sa
energia slnečného žiarenia, ktorá prešla tubusom s malým vstupným otvorom pohlcuje čiernym povrchom
snímača a premieňa na teplo. Ak sa údaj prístroja dá vyjadriť priamo vo fyzikálnych jednotkách hovoríme
o absolútnom pyrheliometri. Relatívne pyrheliometre sa často nazývajú aktinometrami.
V SHMÚ sa ako národný referenčný prístroj používa Ǻngströmov kompenzačný pyrheliometer. Tento
prístroj sa principiálne dá použiť ako absolútny, v praxi sa však používa takmer vždy ako relatívny. Ako to
vyplýva aj z názvu, pyrheliometer pracuje na kompenzačnom princípe. Tubus prístroja je rozdelený na dve
izolované časti, z ktorých sa striedavo jedna vystavuje priamemu slnečnému žiareniu a druhá sa svetelne
izoluje. V obidvoch sú snímačmi rovnaké tenké začiernené manganínové pásiky. Na neožiarenej strane
pásikov sú pripojené spoje termočlánku. Pásik, ktorý je pred slnečným žiarením zatienený sa vyhrieva
elektrickým prúdom takej intenzity, aby mal rovnakú teplotu ako ožarovaný pásik. Vtedy citlivý
galvanometer v okruhu s termočlánkom prestane indikovať prúd a intenzita meraného žiarenia je priamo
úmerná štvorcu kompenzačného prúdu. Tento prístroj skonštruoval švédsky fyzik K. Ǻngström v roku
1893. Ǻngströmov kompenzačný pyrheliometer bol štandardným prístrojom pre Ǻngströmovú
pyrheliometrickú škálu, ktorá platila od roku 1905. Ǻngströmová a ďalšie rádiometrické škály sa na škálu
WRR prepočítavajú pomocou prevodných faktorov. Na obr. 1 je Ǻngströmov kompenzačný pyrheliometer
č. 13439 s riadiacou jednotkou, ktorý je národným etalónom v správe SHMÚ. Tento prístroj bol vyrobený
v roku 1974 a pri meraní vyžaduje manuálnu obsluhu. Konštrukcia tubusu prístroja vymedzuje vstup
žiarenia z väčšieho vstupného uhlu ako modernejšie prístroje, čo zvyšuje nároky na ideálne poveternostné
podmienky pri meraní. Na obr. 2 je novší absolútny pyrheliometer PMO6, riadený počítačom a vybavený
zariadením na automatické sledovanie dráhy Slnka.
V niektorých krajinách sa používa pyrheliometer so strieborným diskom, ktorý skonštruoval americký
astronóm C. G. Abbot v roku 1900. Mierou energie žiarenia je teplo, ktoré pohltí začiernený strieborný
disk v tubuse za 100 sekúnd. Prírastok energie, ktorú pohltil strieborný disk sa určí zo zvýšenia jeho
teploty meranej zapusteným teplomerom.
Kým absolútne pyrheliometre slúžia hlavne na kalibračné účely, aktinometre sa používajú
v meteorologickej praxi. Môžu slúžiť ako pracovne kalibračné etalóny alebo staničné prístroje. Pre spojité
merania priameho slnečného žiarenia je potrebné, aby boli vybavené vodotesným krytom, ktorý prepúšťa
celé merané spektrum slnečného žiarenia, a aby boli namontované na zariadení automaticky sledujúcom
Slnko. SHMÚ používa ako cestovný pracovný etalón aktinometer CM1. Tento aktinometer má v spodnej
časti tubusu snímaciu čiernu plôšku, ktorá absorbuje takmer celú energiu dopadajúceho slnečného žiarenia.
Termoelektrická batéria, ktorá sa skladá z mnohých termočlánkov zapojených do série, indikuje teplotný
23
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
rozdiel medzi spojmi pripojenými k zohriatemu čiernemu povrchu a spojmi so stálou nižšou teplotou.
Pretože citlivosť termoelektrických batérií nie je rovnaká, každý prístroj má svoj individuálny kalibračný
faktor a jeho závislosť od teploty, ktorá musí byť monitorovaná súbežne s meraním. Priemerná citlivosť
aktinometrov je 10 μV/(Wm-2).
V minulosti sa aj na našej najstaršej meteorologickej stanici v Hurbanove používal bimetalický
aktinometer Michelson-Martenov, ktorého pôvodnú verziu skonštruovanú v roku 1905 ruským fyzikom V.
M. Michelsonom zdokonalil v roku 1928 v Nemecku W. Marten. Princíp merania týmto prístrojom
spočíval v tom že ohnutie bimetalického pásiku, spôsobené dopadajúcim priamym slnečným žiarením, sa
odčítalo na stupnici v mikroskope.
Obrázok 1.
Obrázok 2.
Ǻngströmov kompenzačný pyrheliometer číslo 13439 s Počítačom riadený absolútny rádiometer PMO6 so
riadiacou jednotkou.
zariadením na automatické sledovanie Slnka.
Meranie globálneho slnečného žiarenia
Globálne slnečné žiarenie je tok krátkovlnného žiarenia smerujúceho dolu. Skladá sa z vertikálnej zložky
priameho slnečného žiarenia a rozptýleného slnečného žiarenia dopadajúceho na vodorovnú plochu z
priestorového uhla 2π. Globálne slnečné žiarenie sa meria pyranometrami. Tieto prístroje najčastejšie
pracujú na termoelektrickom princípe, ktorý bol stručne popísaný pri aktinometri CM1. Do tejto skupiny
patria aj pyranometre typového označenia CM a CMP, ktoré sa používajú v sieti SHMÚ. Jednoduchý
princíp merania a robustná konštrukcia zaručuje dlhodobú stabilitu prístroja. Na obr. 3 je niekoľko
pyranometrov CM a CMP, ktoré majú rovnaký vzhľad, ale môžu sa líšiť použitými materiálmi a
súčiastkami, čo modifikuje aj ich parametre. Snímacia plôška prístrojov je chránená dvojitou sklenenou
pologuľou.
V minulosti sa na meranie globálneho slnečného žiarenia používali pyranometre a pyranografy, v ktorých
bol mierou energie prijatého žiarenia teplotný rozdiel rôzne zafarbených povrchov, meraný teplomermi
alebo indikovaný ohybom bimetalických páskov. Na destilačnom princípe pracoval destilačný
pyranometer (lucimeter). Guľový sklenený snímač potiahnutý kovom bol čiastočne naplnený vhodnou
kvapalinou, ktorá sa pohltenou energiou žiarenia premenenou na teplo vyparovala a predestilovala do
kalibrovanej trubice. žiarenia premenenou na teplo vyparovala a predestilovala do kalibrovanej trubice.
Meranie rozptýleného slnečného žiarenia
Rozptýlené slnečné žiarenie ako súčasť globálneho žiarenia bolo popísané v predchádzajúcej časti.
V praxi je pri meraní potrebné odtieneniť priame slnečné žiarenie, čo sa dosiahne zakrytím slnečného
disku. Slnečný disk sa zakrýva terčíkom, ak je tieniaci terčík umiestnený na zariadení, ktoré sleduje dráhu
Slnka alebo prstencom, ktorý zabezpečuje celodenné tienenie (obr. 3). Rozptýlené slnečné žiarenie sa
meria pyranometrami rovnakých typov aké sa používajú na meranie globálneho žiarenia.
Meranie albeda
Albedo je pomer množstva odrazeného žiarenia ku množstvu dopadnutého žiarenia na určitý povrch.
24
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Môže sa merať pyranometrom, ktorý je upevnený tak, aby sa dal otočiť z normálnej vodorovnej polohy o
180°. V súčasnosti sa však používajú albedometre, ktoré pozostávajú z dvoch rovnakých pyranometrov
otočených opačnými smermi (obr. 4).
Meranie dlhovlnného žiarenia a celkovej bilancie žiarenia
Bilancie žiarenia sa zúčastňujú aj dlhovlnné toky žiarenia zemského povrchu a atmosféry. Dlhovlnné
žiarenie sa meria pyrgeometrami. Stavba prístroja a princíp merania sú podobné pyranometru. Zásadným
rozdielom je, že pyrgeometer má namiesto sklených pologúľ plochý kryt zo špeciálneho silikónového
materiálu, ktorý prepúšťa infračervené žiarenie od vlnových dĺžok 4500 nm a filter, ktorý neprepúšťa
slnečné krátkovlnné žiarenie. Na meranie bilancie dlhovlnného žiarenia sa používa bilancometer
označovaný ako net pyrgeometer, ktorý pozostáva z dvoch pyrgeometrov orientovaných nahor a nadol ako
u albedometra.
Na meranie celkovej bilancie žiarenia sa používa bilancometer označovaný ako net pyrradiometer, ktorý
pozostáva z dvoch pyranometrov a dvoch pyrgeometrov navzájom opačne orientovaných.
Obrázok 3.
Obrázok 4.
Pyranometre CM a CMP na streche Aerologického a Albedometer
radiačného centra SHMÚ v Gánovciach.
Bohuniciach.
na
stanici
SHMÚ
v
Jaslovských
Meranie slnečného ultrafialového žiarenia
Energia ultrafialového (UV) slnečného žiarenia pri zemskom povrchu sa podieľa na celkovej energii
slnečného žiarenia 5 percentami a takmer úplne spadá do UV-A oblasti (320-400 nm). Z hľadiska
biologických účinkov je najzaujímavejšia UV-B oblasť (280-320 nm), na ktorú pripadá len 0,1 % celkovej
energie. Meranie takejto malej hustoty toku žiarenia je možné len prístrojmi špeciálnej konštrukcie.
Najpresnejšou skupinou sú spektrorádiometre s vysokým rozlíšením (0,5 – 1 nm). Patrí sem aj Brewerov
ozónový spektrofotometer, ktorý je v prevádzke v Aerologickom a radiačnom centre SHMÚ v
Gánovciach. Tomuto prístroju je venovaný samostatný príspevok, v ktorom je vysvetlený aj princíp
merania UV žiarenia pomocou spektrorádiometrov.
Početnou skupinou prístrojov na meranie slnečného UV žiarenia sú širokopásmové rádiometre, ktoré
merajú UV žiarenie s erytémovým účinkom. Patrí k nim aj UV Biometer SL M501 používaný u nás
(obr. 5). Tento prístroj je stavbou podobný pyranometru, jeho konštrukcia je však oveľa zložitejšia,
pretože meria len aktívnu energiu pre erytémový účinok na ľudskú pokožku, ktorej maximálne hodnoty v
našich podmienkach tvoria len 0,015 % celkovej slnečnej energie dopadajúcej na zemský povrch. Energia
UV-B žiarenia sa upravuje presne definovaným spektrom účinnosti pre vytvorenie erytému.
25
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Takto upravená hodnota je medzinárodne akceptovaná v systéme výmeny informácií o škodlivých
účinkoch slnečného UV žiarenia. UV Biometer sa na stanici umiestňuje ako pyranometer na meranie
globálneho žiarenia. Snímacia časť prístroja je
kombináciou absorpčných filtrov (čierneho a
zeleného), fosforu a GaAsP (gálium-arzén-fosfor)
diódy, čo zabezpečuje, že sa úplne odfiltruje viditeľná
a infračervená a takmer úplne aj UV-A zložka
slnečného žiarenia. Snímač je takmer úplne priepustný
iba pre žiarenie do 300 nm. Spektrálna citlivosť
prístroja je veľmi blízka erytémovému spektru
účinnosti. Princíp merania spočíva v tom, že fotóny
UV žiarenia po prechode filtrami a náraze na fosforovú
vrstvu vyvolajú emitovanie viditeľného žiarenia, ktoré
sa registruje diódou. Prúd vyprodukovaný diódou je
mierou hustoty toku erytémového UV žiarenia. V
prístroji je veľmi dôležité udržať stabilnú teplotu
fosforu a diódy, na čo slúži vstavaný Peltierov článok.
V oblasti merania slnečného UV žiarenia sa ešte
môžeme stretnúť s viackanálovými rádiometrami
so stredným rozlíšením (2 – 10 nm) a
Obrázok 5.
spektrorádiometrami bez rotujúcich častí, ktoré merajú
UV Biometer SL M501 v Gánovciach.
oveľa rýchlejšie ako spektrorádiometre uvedené
vyššie, ale nedosahujú ich presnosť.
Národné radiačné centrum
V úvode bola spomenutá potreba náväznosti všetkých radiačných meraní na Svetovú radiačnú škálu
WRR, ktorú udržuje svetové radiačné centrum v Davose. Pre jednotlivé regióny sú zriadené regionálne
radiačné centrá, ktoré tiež musia udržiavať štandardnú skupinu absolútnych rádiometrov naviazanú
kalibráciami na WRR. Jednotlivé štáty majú zriadené národné radiačné centrá NRC, ktoré by mali spĺňať
niekoľko základných požiadavok. Mali by vlastniť najmenej jeden štandardný pyrheliometer, naviazaný
kalibráciou v najviac päťročnom cykle na WRR. Centrá by mali mať kvalifikovaný personál vedcov a
odborníkov v oblasti slnečného žiarenia a podmienky na kontrolu a prevádzku prístrojov v národnej
radiačnej sieti.
Na Slovensku plní úlohy NRC Aerologické a radiačné centrum SHMÚ v Gánovciach. V pôsobnosti má 5
základných staníc na meranie slnečnej radiácie (Gánovce, Bratislava, Banská Bystrica, Hurbanovo
a Milhostov). Všetky stanice sú vybavené pyranometrami CMP11 alebo CMP21 na meranie globálneho a
v Gánovciach, Bratislave a Milhostove aj rozptýleného slnečného žiarenia. Na posledne menovaných
staniciach sú aj UV Biometre SL Model 501 a v Hurbanove aj snímač na meranie fotosynteticky aktívnej
radiácie. Centrum v Gánovciach vlastní etalóny a robí kalibrácie sieťových prístrojov v predpísaných
intervaloch. Cieľom do blízkej budúcnosti je rozšírenie počtu radiačných staníc a obnovenie merania
ďalších zložiek radiačnej a tepelnej bilancie. Úlohou NRC je aj zber, kontrola a ďalšia distribúcia všetkých
nameraných dát. Okrem ukladania do databázy SHMÚ sa radiačné dáta štvrťročne posielajú do Svetového
radiačného dátového centra (World Radiation Data Centre, WRDC) v Sankt Petersburgu.
Literatúra
Sobíšek, B. a kolektív autorov, 1993: Meteorologický slovník výkladový a terminologický. MŽP ČR, Praha, 594 strán.
Petrovič, Š. a kolektív autorov, 1960: Klimatologické pomery Hurbanova, HMÚ, Praha, 278 strán.
26
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Optické javy v atmosfére
Ján Hrvoľ
Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK Bratislava
[email protected]
Úvod
Základným zdrojom energie pre atmosférické procesy je energia slnečného žiarenia transformovaná
zemským povrchom. Časť slnečnej energie vyžarovanej predovšetkým fotosférou Slnka pri teplote
približne 6000 K pripadá na viditeľné žiarenie – svetlo v intervale vlnových dĺžok 380-780 nm. Práve pri
tejto teplote pripadá na uvedenú časť spektra najväčšia časť z celkového žiarenia Slnka – 49,7 % (Vavilov,
1981). Zdravé ľudské oko rozpoznáva v uvedenom intervale 7 farieb – fialovú, indigovú, modrú, zelenú,
žltú, oranžovú a červenú. Maximum energie na hornej hranici atmosféry, t. j. bez vplyvu rozptylu
a pohlcovania pripadá na modré svetlo 474 nm, na zemskom povrchu na 555 nm – žltozelené svetlo, na
ktoré je ľudské oko cez deň pri tzv. farebnom videní najcitlivejšie. Pri malej intenzite osvetlenia večer
a v noci sa toto maximum posúva smerom k menším vlnovým dĺžkam –510 nm (Purkyňov efekt), pri
ktorých nastáva maximum intenzity nočného svetla oblohy (Zvereva, 1988). Z tohto dôvodu pri slabom
osvetlení nevnímame červenú farbu tak zreteľne, ale sa nám javí tmavá. Pri prechode svetla (slnečného,
hviezd) zemskou atmosférou dochádza k jeho interakcii s molekulami vzduchu a pevnými, ako aj
kvapalnými časticami nachádzajúcimi sa v atmosfére – od zemského povrchu až po jej najvyššie vrstvy.
Na týchto zložkách sa svetelné lúče rozptyľujú, lámu, odrážajú, ohýbajú a pohlcujú, čo má za následok
vznik rozličných optických javov v atmosfére. Tie, ktoré sú zapríčinené slnečným svetlom alebo slnečným
svetlom odrazeným od Mesiaca, zahŕňame v meteorológii pod názov fotometeory.
Optické javy
Optické javy možno rozdeliť na:
a) javy vyvolané rozptylom a pohlcovaním svetelných lúčov v atmosfére – modrá farba oblohy, ranné
a večerné zore, protizore, zmena farby slnečného kotúča počas dňa, aureola, ranný a večerný súmrak
b) javy spôsobené lomom (refrakciou) svetelných lúčov v dôsledku nerovnomerného rozloženia teploty
a hustoty vzduchu (astronomická refrakcia, spodné a horné zrkadlenie (fatamorgána), mihotanie hviezd
(scintilácia), sploštenie kotúča Slnka a Mesiaca pri východe a západe, disperzia svetla, zelený lúč, modrý
lúč, predĺženie dňa (času od východu do západu Slnka) o 8 až 10 minút
c) javy zapríčinené difrakciou svetelných lúčov v oblakoch na kvapkách a kryštálikoch – koróna, gloriola,
irizácia
d) javy spojené s lomom alebo odrazom svetelných lúčov na ľadových kryštálikoch nachádzajúcich sa
v atmosfére – halové javy
e) javy spojené s lomom a odrazom svetelných lúčov v kvapôčkach vody – dúha (Slabá,1972).
Dráha lúča v atmosfére, zrkadlenie, refrakcia
Atmosférický tlak klesá s rastom nadmorskej výšky o polovicu pri výstupe o 5500 m. 99 % hmotnosti
atmosféry sa teda nachádza v spodnej vrstve hrubej okolo 36 km, čo predstavuje len 0,56 % polomeru
Zeme. Z uvedeného vyplýva, že relatívna optická hmota je pri východe, resp. západe Slnka približne 35krát väčšia, ako keď lúče dopadajú na zemský povrch zo zenitu. Rovnica dráhy lúča v atmosfére má
n r sin =C ,
tvar:
(1)
kde n je absolútny index lomu, r vzdialenosť bodu v atmosfére od stredu Zeme a γ je uhol, ktorý zviera
smer lúča v danom bode s vertikálou. Konštantu C možno určiť z hodnôt na zemskom povrchu. Z rovnice
vyplýva, že dráha lúča je zakrivená, pokiaľ lúč nedopadá zo zenitu. Tento jav sa nazýva astronomická
refrakcia. Pri normálnom teplotnom zvrstvení vidíme nebeské telesá vyššie (pod väčším uhlom), napr. o 1
uhlovú minútu pri zenitovej vzdialenosti 45º a o 35´ pri východe, resp. západe oproti ich výške bez
atmosféry pri priamočiarom šírení svetla. Slnečný, resp. mesačný kotúč je pri východe (západe) sploštený
vo vertikálnom smere o 7´, pretože refrakcia (refrakčný uhol) s rastúcou zenitovou vzdialenosťou rastie.
Refrakcia R závisí tiež od vlnovej dĺžky podľa vzťahu (2), nakoľko pre index lomu platí empirický vzťah
(3):
27
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
R=16,09
p
tg  ,
T
p
p
n−1=10−6 77,6 0,584
 ,
2
T
T
(2)
(3)
kde  je zenitová vzdialenosť,  je vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia z intervalu od 200
do 20 000 nm, p je tlak vzduchu v hPa a T teplota vzduchu v K. Preto v atmosfére pri refrakcii (lome)
dochádza k disperzii svetla, rozloženiu bieleho svetla na jeho farby. Pri zelenom a modrom svetle je
refrakcia väčšia ako pri červenom. Rozdiel medzi refrakciou fialových a červených lúčov spektra je
v priemere 38´´(Zvereva,1988). Pri vhodných podmienkach môžeme najmä pri západe Slnka pozorovať
ako posledný zelený, resp. modrý lúč. Vzhľadom na zmenu indexu lomu v atmosfére – jeho raste s výškou
pri prudkom poklese teploty vzduchu pri gradiente teploty vzduchu väčšom ako je gradient
autokonvekcie, t.j. 3,42 ºC/100 m, napr. nad prehriatym pieskom púšte alebo nad rozpálenou asfaltovou
cestou, sa lúč z oblohy prehýba smerom nadol a zobrazenie tej časti oblohy vyvoláva ilúziu vodnej plochy,
v ktorej sa prevrátené zrkadlia predmety na zemskom povrchu, pozorujeme spodné zrkadlenie. Naopak, pri
menšom gradiente, napr. nad studeným morom alebo ľadovou pláňou pozorujeme horné zrkadlenie.
Zrkadlenie je optický jav, pri ktorom vidíme vzdialené objekty ako obrazy stabilné alebo chvejúce sa,
priame alebo zrkadlovo prevrátené, zväčšené alebo zmenšené vo vertikálnom smere. Okrem vlastných
objektov vidíme ešte ich zdanlivú polohu a niekedy dokonca len túto zdanlivú polohu (u vzdialených
objektov neviditeľných priamo z miesta pozorovania). Za horné zrkadlenie môžeme považovať
i zapadajúce Slnko dotýkajúce sa horizontu, pretože jeho skutočná poloha je pod horizontom. Refrakcia
pri zenitovom uhle slnka 90o je 35´ a priemer Slnka je 31´.
Molekulový rozptyl a Mieho rozptyl
Zapadajúce Slnko vidíme často červené, lebo v dôsledku molekulového rozptylu, pri ktorom intenzita
rozptylu svetla ( účinný prierez rozptylu  m ) je nepriamo úmerná štvrtej mocnine vlnovej dĺžky:
m =
konštanta
4

,
(4)
je z bieleho svetla rozptýlené modré i zelené svetlo viac ako červené, preto v priamom slnečnom žiarení
dominuje červená farba. Ak Slnko svieti zo zenitu, jeho farba je biela, ktorá pri narastajúcej zenitovej
vzdialenosti (a teda i relatívnej optickej hmote) sa postupne mení na žltú, čo je doplnková farba k modrej
farbe oblohy, neskôr oranžovú a nakoniec červenú. Na kvapôčkach a kryštálikoch oblakov alebo hmly
dochádza k neutrálnemu rozptylu, keď intenzita rozptylu svetla nezávisí od jeho vlnovej dĺžky,
a rozptýlené svetlo je biele. Neutrálny rozptyl je hraničným prípadom Mieho rozptylu (5) - rozmer častíc
je pri Mieho rozptyle (aerosólovom rozptyle) väčší ako jedna desatina vlnovej dĺžky svetla. Objemový
koeficient aerosólového rozptylu a môžeme vyjadriť ako súčin geometrického prierezu častice, počtu
častíc N v jednotke objemu a efektívneho prierezu rozptylu Q, ktorý je funkciou komplexného indexu
a
lomu m a parametra ρ ( ϱ=2 
):

a =a 2 Q  , m N .
(5)
V rámci tohto rozptylu môžeme pozorovať pri určitom rozmere častíc anomálny rozptyl, keď červené
svetlo je viac rozptyľované ako modré a fialové – obr. 1. Ako príklad takéhoto rozptylu svetla môžeme
uviesť modrú farbu slnečného kotúča a žltú farbu oblohy pozorovanú v strednej Európe na časticiach
z požiarov priviatych z Kanady s rozmerom častíc 800 nm 26.-28.9.1951 alebo červenú farbu oblohy na
púšti. V stratosfére vo výške 19-25 km sa nachádzajú aerosólové častice s rozmermi 100-1000 nm
a vytvárajú vrstvu, ktorá dostala názov vrstva zôr - Jungeho vrstva. Táto vrstva sa podieľa na veľkej
farebnosti pri zorách. Zorami nazývame sfarbenie časti obzoru na strane Slnka pri jeho východe a západe.
Jav zôr je spojený s rozptyľovaním predovšetkým červených a žltých lúčov v atmosfére, a preto v zorách
prevládajú farby červené, oranžové a žlté. Zore sú tým intenzívnejšie, čím viac vodnej pary a prachu sa
nachádza atmosfére. Podľa farebného vzhľadu zôr je možné usúdiť na pôvod vzduchovej hmoty, v ktorej
dochádza k rozptylu svetla. V kontinentálnom vzduchu prevažujú farby červené a oranžové, v arktickom
zelené a žlté (Strnad,1996).
28
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Nad zorami vo výške okolo 25º sa objavuje najskôr
ružové, neskôr purpurové svetlo. Jeho horný okraj
dosahuje 38 - 40º nad horizontom. Maximum jasnosti
dosahuje pri výške Slnka 4º pod horizontom. Na opačnej
strane oblohy dochádza tiež k zmene farebných odtieňov
(„protizore“), pričom v nich prevláda purpurová
a purpurovofialová farba (Chromov, 1968). Po západe
Slnka sa tu objavuje sivomodrý tieň Zeme, ktorý
postupne rastie. Jeho okraj býva lemovaný úzkym
pruhom purpurového odtieňa (Venušiným pásom), ktorý
postupne mizne. V tomto čase možno pozorovať
Obrázok 1.
Závislosť funkcie rozptylu Q od parametra ρ. krepuskulárne (súmračné) lúče, vychádzajúce priamočiaro
Úseky klesajúcich častí pravých strán odpovedajú z miesta za obzorom, kde je Slnko. Často vytvárajú na
anomálnemu rozptylu. Pri ρ > 45 začína oblasť oblohe svetelný jav v podobe vejára. V podstate sú to
neutrálneho rozptylu, keď hodnota efektívneho tiene oblakov premietajúce sa na pevné alebo kvapalné
prierezu rozptylu nezávisí od vlnovej dĺžky častice vznášajúce sa v atmosfére. Niekedy sa tiene
(Q = 2).
premietajú až na opačnú stranu oblohy a sú pozorovateľné
v blízkosti antisolárneho bodu ako antikrepuskulárne lúče.
Krátko po západe Slnka dochádza k súmrakovému ožiareniu vrcholov, ktoré sa prejavuje ich
načervenalým zafarbením, zatiaľ čo údolné polohy sú pri nízkej výške Slnka v tieni (Kobzová, 1998).
Zore zanikajú v čase občianskeho súmraku (od 0º do 6º pod horizontom) po západe Slnka, kedy
osvetlenie klesá na 1-4 lx. Purpurové svetlo je sotva badateľné a segment zôr sa zužuje a bledne. Ku
koncu nautického súmraku (12º pod horizontom) klesá osvetlenie na 0,006 lx a ku koncu astronomického
(18º pod horizontom) na 10-4 až 10-5 lx. Koniec astronomického súmraku je začiatkom noci, ktorá trvá
do začiatku ranného súmraku – svitania. V prípade, že Slnko neklesne pod horizont viac ako 6o, hovoríme
o bielych nociach, a ak neklesne viac ako18o pod horizont, hovoríme o celonočnom astronomickom
súmraku. V čase letného slnovratu sa pozoruje celonočný astronomický súmrak medzi zemepisnými
šírkami 48º33´ a 65º42´, teda aj na našom území. Biele noci sa u nás nevyskytujú. Z výšky Slnka 18º pod
horizontom vyplýva, že zemská atmosféra účinne rozptyľuje slnečné žiarenie do výšky okolo 80 km.
Počas noci môžeme vidieť voľným okom okolo 6000 hviezd. Pri ich pozorovaní na rozdiel
od pozorovania planét dochádza k zmene jasnosti – mihotaniu, scintilácii. Príčinou mihotania je
turbulencia vzduchu, pri ktorej sa vytvára systém vírov rôznych rozmerov. Keby všetky hviezdy viditeľné
okom zhasli, osvetlenie by sa zmenšilo len o 1-2 %, čo by sme ani nepostrehli. Na nočnom svetle oblohy
sa podieľajú oveľa väčšou mierou hviezdy, ktoré voľným okom nevidíme, ale ktorých je veľmi veľa.
Koróna, gloriola, irizácia
Okolo zdrojov svetla – Slnka, Mesiaca pozorujeme korónu, jednu, alebo niekoľko sérií (zriedka viac než
3) farebných prstencov pomerne malého priemeru, vznikajúcich ohybom
svetelných lúčov na veľmi drobných kvapôčkach vody alebo kryštálikoch
ľadu v dymne, hmle, prípadne v oblakoch. Obvykle máva polomer 5 - 6º,
v každej sérii je vnútorný okraj fialový alebo modrý, vonkajší okraj je
červený. Medzi nimi sa pozorujú ostatné farby. Rozmer prstencov sa určuje
priemerným rozmerom kvapôčok alebo kryštálikov oblaku. Pre uhlový
polomer k-teho minima prstenca platí empirický vzťah:

pre vodný oblak sin k =k 0,22
(6)
2r
Obrázok 2.

a pre ľadové oblaky sin k =k ,
(7)
Ohyb na kruhovom otvore.
d
A – amplitúda vlnenia,
kde k je poradie prstenca, Өk je uhlový polomer k-teho prstenca, d je
hrúbka kryštálika, λ je vlnová dlžka a r je polomer kvapiek. Pri bielom
a – priemer otvoru
svetle za účelom určenia rozmerov elementov oblaku sa berie vlnová dĺžka
(Stoll, 1996).
570 nm (priemer zo 700 nm pre červené a 450 nm pre modré svetlo)
a uhlový priemer vonkajšieho okraja k-teho červeného prstenca.
V odrazenom svetle môžeme pozorovať podobný jav, gloriolu. Vzniká kombináciou ohybu, lomu a
odrazu slnečných lúčov na kvapkách alebo kryštálikoch približne rovnakého tvaru a veľkosti. Predstavuje
29
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
jeden alebo niekoľko dúhovo sfarbených prstencov okolo tieňa vlastnej postavy alebo lietadla
premietnutého na oblaky, resp. vrstvu hmly nachádzajúce sa pod úrovňou pozorovateľa. Ak oblak alebo
hmla sú veľmi blízko pozorovateľa, jeho zväčšený tieň pri malých výškach Slnka vytvára jav známy ako
Brockenské strašidlo, Brockenský prízrak alebo Brockenské spektrum (môže ale nemusí byť ovenčené
farebnou gloriolou). Gloriola sa môže vyskytnúť i na rose alebo snehu. Gloriolu môžeme z hľadiska
vzniku považovať za „antikorónu“.
Rosa na tráve, alebo kvapky dažďa môžu odrážať slnečné svetlo okolo tieňa prekážok a vytvárať žiaru –
auru. Uvedený jav vzniká tým, že kvapky sú udržiavané na jemných chĺpkoch listov, čím sa za nimi môžu
pri dopade lúčov vytvárať lokálne zjasnenia, ktoré sa spätne premietajú v odrazenom svetle. Ďalším
javom, ktorý vzniká ohybom a interferenciou svetla pri prechode slnečných lúčov cez priesvitné časti
oblakov, je irizácia. Prejavuje sa výrazným perleťovým zafarbením na okrajoch tenkých oblakov
vyskytujúcich sa neďaleko slnečného kotúča (najčastejšie do 10o). Prevládajú farby ružová, zelená, často
s pastelovými odtieňmi. Intenzívnou irizáciou sa vyznačujú perleťové oblaky, nachádzajúce sa
v stratosfére vo výške 20-30 km. Tvoria sa pri teplotách nižších ako -78ºC.
K ohybovým javom v atmosfére patrí aj Bishopov kruh. Ten je možné pozorovať za jasnej oblohy ako
červenohnedý prstenec okolo Slnka. Vzniká ohybom svetla na pevných časticiach obvykle vulkanického pôvodu. Jeho vnútorný polomer má 10o a vonkajší okolo 20º. Pri znižovaní výšky Slnka nad
horizontom sa uhlový polomer oboch prstencov zväčšuje (Sobíšek a kol.,1993).
Halové javy
Obrázok 3.
I – malé halo, II– parhélia malého hala,
III– dotykové oblúky malého hala,
IV– Lowitzove oblúky,
V– Parryho oblúk,
VI– veľké halo
VII – vedľajšie slnká,
VIII – spodné dotykové oblúky veľkého hala,
IX – parhelický kruh (Schmidt,1980).
Medzi halové javy patria optické javy, vyskytujúce sa v podobe svetelných prstencov, oblúkov, stĺpov,
škvŕn, ktoré vznikajú lomom alebo odrazom svetla na ľadových kryštáloch v atmosfére (riasová vrstva,
riasy, zmrznutá hmla). Najznámejšie sú malé halo (halo 22º), veľké halo (halo 46º), horný cirkumzenitálny oblúk, dolný cirkumhorizontálny oblúk a parhélia, ktoré sú farebné, lebo vznikajú lomom, kde sa
uplatňuje disperzia svetla. Halové javy bez disperzie, vznikajúce odrazom, sú biele ako parhelický kruh,
horný a dolný slnečný stĺp a spodné slnko. Halové javy vznikajú lomom na doštičkách (lámavý uhol je
60º), ako malé halo, vedľajšie slnká a na stĺpikoch, keď lámavý uhol je 90º, ako veľké halo, horný
cirkumzenitálny oblúk a dolný cirkumhorizontálny kruh. Pri chaotickej orientácii doštičiek (stĺpikov)
pozorujeme kruhy a to malé (veľké) halo. Kruhy predstavujú najväčšiu koncentráciu svetla pri tzv.
minimálnej odchýlke. Pri ich viac-menej usporiadanej orientácii, keď sú základne väčšinou rovnobežné so
zemským povrchom, pozorujeme vedľajšie slnká, horný a dolný slnečný stĺp, parhelický kruh a spodné
slnko. Parhelický kruh sa nachádza v rovnakej výške ako Slnko. Vzniká odrazom od vertikálne
orientovaných základní stĺpikov, keď ich hlavná os nadobúda všetky možné smery vo vodorovnej rovine
alebo od bočných stien doštičiek horizontálne sa vznášajúcich.
•
Malé halo, halo 22º, sa javí ako belavý prstenec s uhlovým polomerom 22º. Jeho vnútorný okraj má
načervenalé zafarbenie.
•
Veľké halo, halo 46º, sa vyskytuje menej často. Má tvar kružnice alebo jej častí v uhlovej
vzdialenosti 46º od Slnka.
•
Parhéliá sú vedľajšie slnká, paslnká, na parhelickom kruhu v uhlovej vzdialenosti 22º od Slnka.
Parhélia 44º a 66º vznikajú opakovaným procesom lomu ako pri parhéliách 22º.
30
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
•
Paranthélium, bočné slnko 120º, vzniká lomom a odrazom na doštičkách.
•
Antihélium je biela jasná škvrna vznikajúca oproti Slnku v uhlovej vzdialenosti 180º odrazmi na
stĺpikoch s hlavnou osou v horizontálnej polohe.
•
Horný (dolný) slnečný stĺp vidíme na predĺžení lúčov odrážajúcich sa od spodnej (hornej) základne
doštičiek vo vodorovnej rovine.
•
Halový kríž je tvorený časťou parhelického kruhu pri Slnku, horným a dolným slnečným stĺpom.
•
Spodné slnko je žiarivo biela škvrna na vertikále pod Slnkom, ktorá sa podobá obrazu Slnka na
pokojnej vodnej hladine.
•
Horný cirkumzenitálny oblúk vzniká pri lámavom uhle 90º, keď lúč vstupuje hornou základňou
a vystupuje bočnou stenou. Výška Slnka nesmie prevýšiť 32,3º, pretože v stĺpiku by vznikol totálny
odraz.
•
Dolný cirkumhorizontálny oblúk pozorujeme, ak lúče Slnka vstupujú plášťom – bočnými stenami
a vystupujú spodnou základňou stĺpikov. Tento oblúk je pozorovaný menej často ako cirkumzenitálny, nakoľko výška Slnka musí prevyšovať 57,8º. Horný cirkumzenitálny a dolný
cirkumhorizontálny oblúk teda nemôžeme vidieť súčasne.
Medzi zriedkavejšie halové javy patria tie, ktoré sa vytvárajú na kryštálikoch s pyramidálnym zakončením. Patria sem: halo 6º, 9º, 12º, 18º, 20º, 23º, 24º, 28º, 35º, parhéliá 9º, 12º, 18º, 20º, 23º, 24º, 28º, 90º,
horné a dolné dotykové (tangenciálne) oblúky k halu 9º, 18º, 20º, 23º, 24º, 28º, 35º, Parryho a Lowitzove
oblúky, supralaterálny a infralaterálny dotykový oblúk veľkého hala (Tržický, 2012). Niektoré halové javy
vykazujú závislosť tvaru od výšky Slnka nad horizontom (napr. Parryho oblúk, pyramidálne halo, zmena
uhlovej vzdialenosti parhélií od Slnka). Halové javy sa podarilo modelovo simulovať, nie všetky však boli
doteraz pozorované.
Dúha
Dúha patrí medzi najkrajšie optické javy. Je to zväzok sústredných farebných oblúkov, v ktorom farby
prechádzajú spektrom od fialovej k červenej. Jav vyvolávajú slnečné alebo mesačné lúče na clone vodných
kvapiek v atmosfére (dažďové kvapky, kvapôčky mrholenia alebo hmly), na ktorých sa lámu a vnútorne
odrážajú. Pri jednom vnútornom odraze vzniká hlavná – primárna dúha, pri dvoch vedľajšia, sekundárna
dúha, pri troch terciárna dúha a pri štyroch dúha štvrtého rádu. Dúhu je možné pozorovať aj na kvapkách
rosy, v blízkosti vodopádov na vodnej triešti alebo fontán. Zo zemského povrchu je možné pozorovať
dúhu len ako neúplný kruh. Celý dúhový kruh je možné vidieť z vysokej veže alebo z lietadla. Hlavná
dúha, ktorú pozorujeme na opačnej strane ako Slnko, teda okolo antisolárneho bodu, má vnútorný oblúk
fialovej farby (polomer oblúka 40o) a vonkajší červenej farby (polomer 42o). Vedľajšia dúha, ktorá býva
omnoho menej zreteľná ako hlavná dúha a je dvakrát širšia, sa nachádza nad hlavnou dúhou, má
vnútorný oblúk červenej farby (polomer 50o) a vonkajší fialovej farby (polomer 54o). Usporiadanie farieb
je v nej opačné ako pri hlavnej dúhe. Pás oblohy medzi primárnou a sekundárnou dúhou je tmavší ako
obloha pod primárnou dúhou. Tento pás sa nazýva Alexandrov pás. Terciárna dúha, dúha okolo Slnka, sa
nachádza v uhlovej vzdialenosti 43o od Slnka. Vedľa nej možno pozorovať dúhu 4. rádu – kvartickú. Ide
o vzácne, zriedkavo pozorované javy. Obe dúhy boli prvý raz zadokumentované až v roku 2011.
Biela dúha je hlavná dúha vyskytujúca sa na clone hmly alebo dymna. Javí sa ako biely pás lemovaný na
vonkajšej strane úzkym červeným a na vnútornej strane úzkym modrým prúžkom.
Červená dúha je hlavná dúha, vznikajúca pri západe Slnka, keď slnečný lúč v dôsledku rozptylu obsahuje
prevažne svetlo červenej farby. Spektrum veľkosti kvapiek určuje, ktoré farby sú zastúpené a aký široký
pruh zaberajú.
V blízkosti vodných plôch môžeme pozorovať dúhu alebo len jej časť– kraj oblúka, pri ktorej je zdro-jom
svetla obraz (odraz) Slnka vo vode. Dúha má charakter hlavnej dúhy a vzhľadom na vyššiu polohu
antisolárneho bodu sa nachádza nad hlavnou dúhou (reflection rainbow).
Nadpočetné prúžky – vedľajšie dúhy pri vnútornom okraji hlavnej dúhy boli vysvetlené interferenciou
svetla.
Vznik dúhy
Dúha podobne ako halové javy vzniká hromadením svetla pri uhle odpovedajúcom minimálnej
31
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
odchýlke. Z teórie vyplýva, že vstupný uhol α, ktorému odpovedá minimálna odchýlka, možno vypočítať
podla vzťahu (8), kde nr je relatívny index lomu vody a k = 3 pre jeden vnútorný odraz a k = 4 pre dva
vnútorné odrazy. Zo známeho uhla α vypočítame podľa vzťahu (9) uhol lomu β v kvapke. Minimálna
odchýlka je potom daná vzťahom (10).
cos =

n 2r −1
2
k −2k
(8),
sin =nr sin 
(9),
 k=k −22 [− k −1 ] .
(10)
Obrázok 4.
Vznik primárnej (vľavo) a sekundárnej (vpravo) dúhy (Bednář,1989).
Záver
Optické javy sprevádzajú človeka od počiatku jeho existencie. Človek v minulosti, oveľa tesnejšie
spojený s prírodou ako dnes, si ich všímal a svoje poznatky odovzdával z pokolenia na pokolenie.
Niektoré zriedkavé javy považoval za znamenia (halový kríž). Skúsenosti z mnohých pozorovaní spojené
s poveternostnými vplyvmi využíval pri poľnohospodárskych prácach v priebehu roka. Avšak ani
v súčasnosti pri využívaní modernej techniky niektoré z nich nestratili svoje opodstatnenie a tvoria
neoddeliteľnú súčasť našej ľudovej slovesnosti a ozvláštňujú predpovede počasia doteraz.
Literatúra
Bednář, J., 1989: Pozoruhodné jevy v atmosfére. Atmosférická
optika, akustika a elektřina. Academia Praha, 240 s.
Chromov, S. P., 1968: Meteorológia a klimatológia. SAV,
Bratislava, 456 s.
Kobzová, E.,1998: Počasí. Rubico, Olomouc, 280 s.
Schmidt, M., 1980: Meteorológia pre každého. Alfa, Bratislava,
256 s.
Slabá, N., 1972: Návod pro pozorovatele meteorologických
stanic ČSSR. HMÚ Praha, 224 s.
Sobíšek, B. a kolektív autorov, 1993: Meteorologický slovník
výkladový a terminologický. MŽP ČR, Praha, 594 s.
Stoll, I., 1996: Svět očima fyziky. Prometheus, Praha 1996,
256s.
Strnad, E., 1996: Předpovídáme si počasí. Papyrus a
Nakladatelství Viener, Vimperk, 228, s.
Tokárová, D., 2001: Teória dúhy.
http://physedu.science.upjs.sk/sis/fyzika/ucebnetexty/doplnkove
/lucovaoptika/02.04.gif
Obrázok 5.
Popis častí dúhy (Tokárová, 2001).
32
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Elektrické javy v atmosfére Zeme
Róbert Kvak
Prírodovedecká fakulta Univerzity Komenského Bratislava, Štefana Moysesa 77/12 Žiar nad Hronom 96501,
[email protected]
Úvod
Elektrometeory môžeme označiť za jedny z najkrajších a zároveň najnebezpečnejších javov, ktoré sa
vyskytujú vo vzdušnom obale Zeme. Ich vznik a výskyt sa úzko viaže na ionizáciu vzduchu, ktorú
spôsobuje
ultrafialové
žiarenie,
kozmické
žiarenie
a v neposlednom rade aj rádioaktívne látky. S rastúcou výškou
tak pozorujeme silnejúcu ionizáciu, samozrejme v závislosti od
chemického zloženia prostredia. Vo výškach približne 60-500
km, kde vzduch je natoľko vodivý, že tieto vrstvy môžeme
považovať za ekvipotenciálne plochy (plocha s rovnakou
potenciálnou energiou), sa nachádza ionosféra. Vzduch sa skladá
z molekúl, v ktorých pri ionizácií dochádza k odtrhnutiu jedného
alebo viacerých elektrónov. Práve tento jav zapríčiňuje určitú
koncentráciu záporne a kladne nabitých iónov v atmosfére. Za
podmienok bezoblačnej oblohy sa v minulosti začal pri zápornej
polarite elementárneho náboja elektrónu, náboj zemského
povrchu označovať ako záporný a náboj atmosféry ako kladný.
Z tohto dôvodu vzniká v atmosfére vertikálne orientované
elektrické pole, ktorého hodnoty dosahujú pri zemskom povrchu Obrázok 1.
Sférický kondenzátor.
počas pokojného počasia zvyčajne 130-140 V.m-1. V oblasti (zdroj:http://www.thunderbolts.info)
atmosferickej elektriny sa zavádza všeobecný vzorec pre výpočet

intenzity
elektrického
poľa
pomocou
potenciálového
rozdielu
U
a
to:
E ,
∂
U
∂
U
∂
U
 U =


i ,
j ,
E=∇
k .
.
∂x
∂y
∂z
Prihliadnuc na náboje na zemskom povrchu a vo veľkých výškach vznikla myšlienka prirovnania rozdielu
potenciálov povrchu Zeme a atmosféry k sférickému kondenzátoru v podobe záporne nabitého povrchu
Zeme a kladne nabitej ionosféry, ktoré oddeľuje vzduch s menšou elektrickou vodivosťou. V tomto
prostredí vznikajú elektrické javy, ktoré sú pravidelne pozorované ľuďmi a zaznamenávané na
meteorologických staniciach po celom svete.
Elektrické vlastnosti vzduchu
Pri elektrických procesoch v atmosfére sa uvádzajú dva typy prostredia, "fair weather conditions" pre
pokojnú poveternostnú situáciu a "disturb weather conditions", ktoré
jsa vyskytuje najmä počas búrok (obr. 2). Vo zvislo orientovanom
elektrickom poli neustále preteká elektrický prúd, ktorý k zemskému
povrchu privádza kladný náboj. V každom sĺpci atmosféry s
prierezom s plochou 1 m2 z ionosféry k zemskému povrchu, preteká
V1
elektrický prúd I, ktorý sa dá vyjadriť nasledovne: I =
, kde VI
Rc
predstavuje elektrický potenciál ionosféry s hod-notou 250 kV, ktorý
udržuje regenerácia náboja od zemského povrchu a Rc označuje odpor
vzduchu 125 1015 Ω. Výsledná veľkosť elektrického prúdu sa vo
všeobecnosti rovná 2 pA m-2. Závislosť hustoty vertikálne
pretekajúceho elektrického prúdu j od intenzity elektrického poľa
Obrázok 2.

E sa dá vyjadriť pomocou Ohmovho zákona v diferenciálnom tvare
Globálny model sférického kondenzátora
(Leblanc a kol., 2008)
j= E
 . S rastúcou nadmorskou výškou slabne intenzita elektrického poľa kvôli zmenšujúcemu sa potenciálovému rozdielu. Rozdiel potenciálov medzi zemským
povrchom a ionosférou dosahuje až 105 V.
33
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Obrázok 3.
Vznik aeroiónov.
(http://www.dynamind.com/whatareions.htm)
Elektrostatická príťažlivosť vo vzduchu, zapríčiňuje
vznik skupín ionizovaných a neutrálnych molekúl
(obr. 3). Tieto molekuly sa v ovzduší môžu zachytiť
na aerosólových časticiach. Všetky elektricky nabité
častice, molekuly, ich skupiny a aerosólové častice sa
nazývajú aeroióny. H. Israël ich rozdelil podľa
veľkosti polomeru na ióny ľahké, stredné, ťažké
a veľmi ťažké. Prihliadnuc na ich veľkosť a pohyb
v elektrickom poli, najviac prispievajú k pretekaniu
elektrickému prúdu tie s menším polomerom. Keďže
znečistenie vzduchu má na svedomí zvýšený počet
aerosólových častíc a tým aj znižovanie početnosti
malých aeroiónov, možno pri takomto stave
pozorovať zníženú vodivosť ovzdušia a podobný jav
sa pozoruje v oblakoch.
Elektrické vlastnosti oblakov
Správanie sa elektrického poľa a nábojov v oblakoch
má značne zložitejší priebeh ako za bezoblačného
počasia. Oblačnú elektrinu dodnes nespája jednotná
teória, ktorá by vysvetľovala dôvody rozloženia
elektrického náboja v slabo vertikálne vyvinutých
oblakoch a naopak v tých, ktoré vystupujú až do
stratosféry. Na základe výskumov z minulosti možno
konštatovať, že dôležitý vplyv na rozdiel elektrických
potenciálov v oblaku má vertikálna rozvinutosť
a s tým spojené teplotné rozdiely, ktoré spôsobujú
rozdielne fyzikálne vlastnosti látok (voda a ľad) ako
Obrázok 4.
aj prúdenie vzduchu. Práve preto počas chladnejších
Zoskupenie nábojov v okolí oblakov. (Leblanc a kol.,
mesiacov možno pozorovať výskyt elektrických
2008).
výbojov aj v oblakoch s nižšie položenou hornou
hranicou. Vrstevnatá oblačnosť disponuje malým
elektrickým nábojom, ktorý je takmer porovnateľný
s tým
za
pekného
počasia.
S narastajúcou
mohutnosťou a výškou oblakov sa zvýrazňujú
rozdiely medzi prúdením, teplotou a skupenstvom
vody na hornej a dolnej hranici oblaku. Medzi javy
vplývajúce na elektrický náboj v oblasti hornej
hranice oblaku môžeme zaradiť aj zvýšený vplyv
ultrafialového žiarenia a následnej ionizácie.
Vplyvom silnejúcich výstupných a zostupných
prúdov, jednotlivé vodné kvapky a ľadové kryštáliky
do seba narážajú, spájajú sa alebo trieštia na menšie
Obrázok 5.
čiastočky. Pri tom vznikajú kladné a záporné náboje.
Náboj e vo vnútri oblaku (Leblanc a kol., 2008, str. 19).
Cirkuláciou vzduchu v búrkovom oblaku sa nabité
častice premiešavajú vertikále, čím vznikajú väčšie
rozdiely potenciálov medzi rôznymi časťami oblaku. Vo všeobecnosti sa oblak delí na dve centrá s
opačnými nábojmi - s kladným vo vrcholových častiach a záporným v jeho základni. Wilson toto
usporiadanie označil za formu zvislého dipólu.
Počas zrážok sa prenosom kladného náboja z vyšších hladín oblaku vytvára samostatné centrum
kladného náboja v základni oblaku. Lenardov jav predstavuje vznik záporného náboja pri rozpade
vodných kvapiek. Kvapky s priemerom väčším ako 5,5 mm sa pri voľnom páde rozpadajú. Elektrický
náboj sa v kvapke pri pohybe v oblaku rozloží tak, že vnútro je nabité kladne a povrch záporne. Pri
rozpade kvapiek sú malé odštiepené časti nabité záporne a zvyšné kladne. Vo vnútri oblakov prebieha
okrem rozpadu kvapiek aj ich koagulácia a agregácia. Centrá s rozdielnym elektrickým nábojom vznikajú
taktiež pri záporných teplotách, kedy sa stretávajú rôzne nabité ľadové kryštáliky a podchladená voda.
34
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Záporne nabitý oblak vyvoláva elektrostatickou indukciou na priľahlej zemi kladný náboj. Ten sa rozkladá
na najvyšších predmetoch na povrchu. V prípade búrkových situácií dosahujú hodnoty elektrického poľa
na zemskom povrchu pod základňou oblaku až desiatky tisíc V m-1. Rozdiely potenciálov nedokáže
elektrický prúd postupne vyrovnávať a po dosiahnutí kritickej hodnoty napätia 10 000 V na centimeter
nastáva elektrický výboj.
Blesky, guľový blesk a Eliášov oheň
Blesk, ako náhly elektrický výboj medzi dvoma
centrami rozdielnej polarity, nemá priamy vplyv na
priebeh počasia, aj keď určité pôsobenie nemožno
zanedbať. V závislosti od toho kde sa nachádza
počiatok a koniec výboja sa blesky delia na CG (medzi
oblakom a zemou), CA (medzi oblakom a atmosférou),
CC (medzi dvoma oblakmi) a IC(vo vnútri oblaku),
poprípade je možný aj výboj za jasného počasia alebo
vedúci zo zeme do oblaku. Z vyššie spomínaných
dôvodov sa častejšie vyskytujú blesky CG- ako CG+,
ktoré sú mohutnejšie a smerujú k zemi z vrchnej časti
búrkového oblaku. V prvej fáze CG blesku vzniká tzv.
leader, kedy v za sebou idúcich stupňoch klesá k zemi
záporný náboj približne 5 C. Už pri tvorbe blesku sa
Obrázok 6.
Elektrický výboj CG+ zachytený v Peci pod snežkou
kanál jeho postupu zohrieva na viac ako 30 000 °C.
20.mája 2011 v ranných hodinách.
Vysoká teplota a rozpínanie okolitého vzduchu
(http://kamery.humlnet.cz/cz/kamery/)
spôsobujú silný zvukový efekt, teda hrom. Nakoľko sa
nesúhlasné náboje priťahujú, zo zeme nahor v ústrety
zápornému smeruje kladný, čím vznikajú vzostupné výboje. Miesto úderu blesku závisí práve od spojenia
dvoch opačných nábojov. Cez kanál blesku preteká stále väčšie množstvo náboja z oblaku, pričom kanál
dosahuje šírku do 10 cm, výnimočne okolo 30 cm. Veľké blesky s kladným nábojom môžu dosiahnuť prúd
až 120 kA a náboj 350 C. Letiace elektróny sa k zemi pohybujú rýchlosťou 100 km/s. Spätný ráz, ktorý
človek zaznamenáva ako svetelný jav sa pohybuje rýchlosťou až 20 000 km/s, preto nie je oko schopné
rozoznať pohyb blesku a pozoruje len jednotný svetelný záblesk. Z estetického hľadiska sa rozlišuje blesk
čiarový, perlový, rozvetvený, plošný, stuhový a guľový.
Guľový blesk je samostatnou kategóriou medzi
tvarom a správaním sa bleskov. Jeho výskyt a podstata
zatiaľ nie sú jednoznačne popísané a taktiež chýbajú
snímky, ktoré by potvrdzovali jeho existenciu.
K tvorbe hypotéz zatiaľ prispievajú najmä svedectvá
osôb, ktoré sa s ním stretli. Poznáme veľa fyzikálnych
teórií o jeho vlastnostiach. V podstate ide o sférický
útvar s priemerom do desiatok centimetrov, poprípade
metrov. Hypotézy hovoria o sústredenej elektrónovej
plazme, ktorá vzniká v okolí čiarového blesku
pôsobením extrémnych fyzikálnych podmienok
a čerpá energiu z vonkajšieho prostredia, ktoré je
Obrázok 7.
bohaté na voľné elektróny a ióny. Tieto hypotézy však
Hypotetická fotografia guľového blesku.
nepodporujú svedectvá, kedy sa guľový blesk objavil v
(http://weathertracking.webs.com/apps/photos/phot
interiéri ďaleko od búrky, dokonca aj za pokojného
o?photoid=49678770)
počasia. Niektorí ľudia pripisujú guľovému blesku
určitú inteligenciu za jeho neuveriteľné správanie.
Príbehy rozprávajú o prenasledovaní ľudí bleskom, zastavení a následným pohybom, prenikaním do budov
cez malé priechody alebo vyberavým útokom na ľudí.
Eliášov oheň alebo hrotový výboj vzniká pri silnom elektrickom poli, ktoré vytvára podmienky na tzv.
ionizáciu nárazom. Tá prebieha v okolí vyčnievajúcich predmetov zo zemského povrchu akými sú stromy,
35
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
stožiare, bleskozvody, skaly a to nielen počas búrky, ale aj počas silného vetra a hmly najmä na horách
alebo na mori.
V okolí hrotov prostredníctvom ionizácie nárazom sú
uzemnením prenášané k zemi opačne nabité častice ako na
povrchu zeme. Podobne ako v oblakoch, aj tu existuje
kritická hranica intenzity elektrického poľa s hodnotou 6001000 V m-1, po ktorej dosiahnutí nastáva výboj. Hrotové
výboje môžu mať dlhé trvanie a spravidla sú sprevádzané
praskaním alebo syčaním. Pre svoju slabú svietivosť sú
počas dňa takmer neviditeľné.
Elektrina vo vyššej atmosfére
Obrázok 8.
Do tejto kategórie sa zaraďujú všetky elektrické úkazy,
ktoré prebiehajú medzi mohutnými búrkovými systémami
a ionosférou, V Angličtine sa označujú ako Transient
Luminous Events. Ide o pomerne vzácne atmosferické javy,
ku čomu prispieva aj
slabá
viditeľnosť
ľudským okom a malá
dĺžka trvania. Ich vznik
sa viaže výlučne na
elektricky veľmi aktívne
búrky a majú veľmi
krátke trvanie, maximálne
jednu
sekundu.
V anglickom jazyku sú
sem
patriace
druhy
nazývané Red Sprites,
Elves,
Blue
Jets
a Gigantic Jets, viď obr.
č. 9.
Vzhľadom na výšku,
Obrázok 9.
Druhy javov „Transient Luminous Events“. (http://www.spritesandjets.com/) - v ktorej sa vyskytujú
vľavo.
Farebne
upravený
obrázok
javu
Red
sprite. (15-100 km) sú veľmi
(http://galerie.bourky.com/displayimage.php?pid=5533) - vpravo.
slabo preskúmané. Teórie
hovoria o tom, že vzduch
v týchto výškach je mimoriadne riedky a elektrické pole také silné, že vzduch sa môže ionizovať ako plyn
v neónovej lampe. Zvýšená koncentrácia dusíka pravdepodobne spôsobuje to, že jav Red sprite nadobúda
červenú farbu, ktorou horí dusík. Tieto javy vznikajú uvoľnením elektrónov s energiou väčšou ako 1 MeV
pri pôsobení kozmického žiarenia na búrkovú oblačnosť, nad ktorou veľkou rýchlosťou prúdia smerom k
ionosfére. Elektróny v interakcií s molekulami vzduchu produkuje röntgenové žiarenie a ako druhotné
gama žiarenie. Predpokladá sa, že tieto javy sprevádza intenzívny rádiový prenos dosahujúcich desiatky
MHz. Výskytu javu Red sprite je pripisovaná určitá súvislosť s bleskami CG+.
Eliášov oheň na krídle lietadla.
(http://www.meteoros.de/light/elmse.htm)
Polárna žiara
Ide o najvyššie vyskytujúci sa elektrický jav v atmosfére s tvarom závojov, pásov, oblúkov alebo lúčov
rozličnej farby. Zafarbenie polárnych žiar závisí od výšky, v ktorej sa nachádzajú a od častíc, ktoré polárnu
žiaru vyžarujú. Vo vysokých výškach atómy kyslíka absorbujú energiu a spôsobujú až hnedočervené
sfarbenie, v nižších zelené. Dusík má za následok modré sfarbenie, ak bol atóm ionizovaný a červenú po
excitácii. Kombináciou farieb sa ešte pozoruje ružové alebo žlté sfarbenie. Aurora vzniká vo výškach od
80 až po približne 800 km ako dôsledok korpuskulárneho žiarenia zo Slnka v podobe atómových jadier,
elektrónov, protónov, neutrónov, pozitrónov atď., ktoré v magnetickom poli Zeme ionizuje alebo excituje
atómy a molekuly atmosféry, čím vznikajú fotóny (svetlo).
Po latinsky sa nazýva polárna žiara Aurora borealis na severnom póle a Aurora australis na južnom.
K polárnej žiare dochádza v okolí pólov Zeme, kde sa zbiehajú siločiary magnetického poľa. Vznik
36
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
polárnej žiary teda priamo závisí od slnečnej aktivity. S rastúcim počtom a intenzitou slnečných erupcií
počas jedenásťročného cyklu narastá aj početnosť svetelných javov vo vysokej atmosfére v regiónoch
vzdialených približne 10-20° od magnetických pólov Zeme. Po mohutnom výrone koronálnej hmoty na
Slnku, počas silných geomagnetických búrok, môže byť žiara pozorovateľná aj v našej oblasti. Ľudia ju
zároveň považujú za jeden z najkrajších prírodných úkazov.
Záver
Atmosférická elektrina patrí medzi
najmenej preskúmané zložky našej
atmosféry, nakoľko javy s ňou spojené
prebiehajú od najnižších hladín až po tie
najvyššie. Výskyt javov, ktoré ju
prezentujú vo viditeľnom spektre
vzhľadom na plochu Zeme je pomerne
vzácny. Výskum sa uskutočňuje ťažko.
Javy ako napr. elektrické výboje
predstavujú nebezpečenstvo pre zdravie
ľudí. Preto by sme mali pozorne sledovať
vývoj počasia a predpovede búrkovej
činnosti. Podrobnú predikciu búrok
môžete nájsť aj na stránke amatérskych
meteorológov združenia SKYWARN
http://www.skywarn.cz/ . Elektrické javy
však prinášajú aj pozitívny estetický
zážitok a sú dôležité pre život na našej
planéte, aký ho poznáme.
Obrázok 10.
Polárna žiara počas islandskej noci.
(http://apod.nasa.gov/apod/ap110517.html)
Literatúra
Bednář, J., 1989: Pozoruhodne javy v atmosfére,
Academia Praha,240 s.
Vasquez T., 2009: Severe Storm Forecasting,
Printed in the United States of America, 266 s.
Leblanc F. a kolektív autorov, 2008: Planetary
Atmospheric Electricity (Space Sciences Series
of ISSI), Springer, 540s.
Hlaváč A., 1986: Bojíte sa blesku?, Alfa
Bratislava, 203 s.
Obrázok 11.
Priebeh a predpoveď početnosti slnečných škvŕn z NASA na
najbližšie roky.
(http://solarscience.msfc.nasa.gov/images/ssn_predict_l.gif).
37
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Fotochemické reakcie v atmosfére, fotochemický smog
Martin Kremler
SHMÚ, Jeséniova 17, 833 15 Bratislava, [email protected]
Úvod
V polovici štyridsiatych rokov minulého storočia boli v Los Angeles po prvý raz zaznamenané epizódy s
vysokými koncentráciami prízemného ozónu. Tento jav dostal pomenovanie fotochemický smog. Termín
smog je kombináciou anglických slov smoke (dym) a fog (hmla). Pôvodne sa ním označovali epizódy
hmiel londýnskeho typu s veľmi vysokými koncentráciami sadzí a oxidu siričitého. Hlavnou črtou
fotochemického smogu je vysoká koncentrácia oxidantov, hlavne ozónu a peroxidových zlúčenín,
produkovaných fotochemickými reakciami. Na rozdiel od klasického smogu sa vyskytuje v lete, keď je
vysoká intenzita slnečného žiarenia. Dôležité sú aj ďalšie meteorologické podmienky ako vyššia teplota
vzduchu, prípadne existencia teplotne inverzných vrstiev v spodnej troposfére, ktoré podporujú
nahromadenie smogových prekurzorov, pretože zabraňujú vertikálnej výmene vzduchu, a tým rozptylu
znečisteného vzduchu do voľnej troposféry. Fotochemický smog má pôvod vo zvýšených emisiách oxidov
dusíka a prchavých uhľovodíkov pochádzajúcich hlavne z dopravy.
Spočiatku sa vyskytoval vo veľkých mestách so slnečným a teplým počasím v letnom období a považoval
sa za lokálny problém znečistenia ovzdušia. No neskôr nadobudol regionálny charakter. Merania ukázali,
že počas epizód fotochemického smogu môžu oblasti s vysokými koncentráciami ozónu dosiahnuť
horizontálne rozmery niekoľko sto až vyše tisíc kilometrov. Najnovšie poznatky tiež poukazujú na
transkontinentálny prenos ozónu a jeho prekurzorov, čo začína tento problém radiť medzi globálne.
Vysoké koncentrácie prízemného ozónu škodia zdraviu ľudí, zvierat i rastlín. Preto je prízemný ozón
považovaný za škodlivinu. Ozón taktiež poškodzuje rôzne materiály, spôsobuje tvrdnutie gumy, blednutie
farbív a farebných textílií a koróziu kovov.
K prvým nápravným opatreniam na zníženie častosti výskytu a prejavov fotochemického smogu patrilo
obmedzovanie automobilovej dopravy v postihnutých mestách, povinné zavádzanie katalyzátorov a
emisných kontrol automobilov. Komplexnejším opatrením bolo na európskom kontinente prijatie
protokolov o oxidoch dusíka, uhľovodíkoch ku Ženevskej konvencii a zavedenie KÚ pre ozón.
Chemizmus tvorby prízemného ozónu
Ozón vzniká zlučovaním atomárneho a molekulárneho kyslíka. V stratosfére je zdrojom atomárneho
kyslíka fotodisociácia molekuly kyslíka UV-C žiarením s vlnovou dĺžkou pod 242,2 nm. Toto žiarenie
však do troposféry nepreniká, preto v troposfére musí atomárny kyslík vznikať iným spôsobom. Deje sa to
fotodisociáciou oxidu dusičitého žiarením s vlnovými dĺžkami pod 420 nm:
NO2 + hν ---> NO + O
(1)
Fotodisociácia NO2 je jediným dostatočným zdrojom atomárneho kyslíka v troposfére, ten potom
primárne reaguje s molekulárnym kyslíkom a vzniká ozón:
O + O2 + M ---> O3 + M
(2)
M je nezávislá molekula odvádzajúca uvoľnené reakčné teplo. Reakčný cyklus končí deštrukciou ozónu:
O3 + NO ---> NO2 + O2
(3)
Celá reakčná sekvencia (1)-(3) je pre všetky komponenty nulová. Preto táto samotná sekvencia
(zahrňujúca len reakcie medzi NO, NO2 a O3) nemôže vysvetliť produkciu ozónu vo fotochemickom
smogu. Musí existovať reakcia, ktorá konvertuje NO na NO2 bez toho, aby ovplyvňovala ozón. Táto
reakcia musí byť naviac dostatočne rýchla, pretože na začiatku produkcie ozónu dochádza k veľmi rýchlej
oxidácii NO na NO2.
Rýchlu oxidáciu NO na NO2 sprostredkováva reakcia s organickými peroxylovými radikálmi
všeobecného typu ROO (R je alkylový alebo iný uhľovodíkový radikál), ktoré vznikajú zlučovaním
uhľovodíkových radikálov s molekulárnym kyslíkom. Reakčná sekvencia vyzerá nasledovne:
R + O2 + M ---> ROO + M
(4)
38
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
ROO + NO ---> NO2 + RO
(5)
Reakcia (5) je veľmi rýchla pre metylperoxylový radikál CH3OO a aj reakcie ostatných
alkylperoxylových radikálov sú podobne rýchle. Okrem reakcie (5) sprostredkováva rýchlu konverziu NO
aj reakcia s hydrogénperoxylovým radikálom HO2:
HO2 + NO ---> NO2 + OH
(6)
Reakcia (5) alebo (6) nahrádzajú reakciu (3), reakčná sekvencia troposférickej tvorby ozónu potom
vyzerá:
ROO + NO ---> NO2 + RO
NO2 + hν ---> NO + O
O + O2 + M --->
λ < 420 nm
(7)
λ < 420 nm
(8)
O3 + M
alebo:
HO2 + NO ---> NO2 + OH
NO2 + hν ---> NO + O
O + O2 + M ---> O3 + M
Hydrogénperoxylový radikál HO2 vzniká pri oxidácii oxidu uhoľnatého, metánu a ďalších uhľovodíkov a
radikály ROO vznikajú pri oxidácii uhľovodíkov. Oxidáciu oxidu uhoľnatého iniciuje hydroxylový
radikál:
CO + OH ---> COOH
(9)
Následne sa vzniknutý radikál zlúči s molekulárnym kyslíkom za prítomnosti nezávislej molekuly M:
COOH + O2 + M ---> CO2 + HO2 + M
(10)
Reakciou (10) vzniká oxid uhličitý a jeden hydrogénperoxylový radikál, ktorý sa môže zužitkovať
v reakčnej sekvencii (8), teda výsledkom oxidácie jednej molekuly oxidu uhoľnatého je jedna nová
molekula ozónu. Celá postupnosť reakcií (9), (10) a (8) sa dá zjednodušene zapísať:
CO + 2O2 + hν ---> CO2 + O3
(11)
Oxidácia metánu je trocha zložitejšia. Opäť ju začína OH radikál, ktorý si „požičia“ jeden vodík z
molekuly metánu:
CH4 + OH ---> CH3 + H2O
(12)
Metylový radikál sa zlúči s kyslíkom, čím vznikne metylperoxylový radikál:
CH3 + O2 ---> CH3OO
(13)
Následne tento radikál oxiduje oxid dusičnatý na oxid dusičitý:
CH3OO + NO ---> CH3O + NO2
(14)
Reakciou s kyslíkom stráca radikál CH3O ďalší atóm vodíka a vzniká formaldehyd a hydrogénperoxylový
radikál:
CH3O + O2 ---> H2CO + HO2
(15)
Takto sa metán oxidáciou konvertoval na formaldehyd. Tým sa však celý mechanizmus nekončí.
Pôsobením UV-A žiarenia na molekulu formaldehydu sa fotochemicky rozloží väzba medzi uhlíkom a
vodíkom:
H2CO + hν ---> H + HCO
λ < 338 nm
(16)
Atóm vodíka sa hneď zlúči s kyslíkom:
H + O2 ---> HO2
(17)
a HCO radikál uvoľní aj posledný vodík v reakcii s O2, čím vznikne oxid uhoľnatý:
HCO + O2 ---> CO + HO2
(18)
39
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Oxidácia metánu končí oxidáciou CO, teda reakciami (9) a (10). Popísaných 9 krokov sa dá zhrnúť do
reakcie:
CH4 + 5O2 + NO + 2OH + hν ---> CO2 + H2O + NO2 + 4HO2
λ < 338 nm (19)
Priamo v oxidačnej sekvencii sa konvertovala jedna molekula NO na NO2, naviac v nej vznikajú 4
hydrogénperoxylové radikály, ktoré môžu konvertovať 4 ďalšie molekuly NO, dokopy je to teda 5 nových
molekúl NO2. Takže pri kompletnej oxidácii metánu môže vzniknúť až 5 molekúl ozónu.
Mnohé z popísaných reakcií sú fotochemické, takže môžu prebiehať iba počas dňa. V noci sa preto ozón
netvorí (nedochádza k fotodisociácii NO2 – reakcia (1)), no rozkladá sa naďalej reakciou s NO (reakcia
(3)). O3 naviac v noci reaguje s NO2:
O3 + NO2 ---> NO3 + O2
(20)
Táto reakcia je počas dňa zanedbateľná, nakoľko radikál NO 3 rýchlo fotodisociuje. Oxid dusičný vzniká
reakciou:
NO2 + NO3 ---> N2O5
(21)
Z neho potom heterogénne vzniká kyselina dusičná:
N2O5 + H2O ---> 2 HNO3
(22)
Tieto reakcie sú spolu so suchou depozíciou zodpovedné za nočný pokles koncentrácií ozónu.
Prekurzory tvorby ozónu
Uhľovodíky sú emitované do troposféry z antropogénnych zdrojov, z vegetácie, pôd a oceánov.
V mestách dominujú antropogénne zdroje: emisie z dopravy, úniky zemného plynu pri preprave
a spotrebe, emisie z petrochemických tovární a rafinérií, spaľovania odpadov a chemických rozpúšťadiel.
Časť emisií z dopravy pochádza priamo z paliva, isté percento opúšťa spaľovaciu komoru nespálené.
Ďalšia časť uhľovodíkov vzniká fragmentáciou zložiek paliva a niektoré sa tvoria spaľovacími reakciami.
Významným zdrojom je aj výpar pri čerpaní pohonných hmôt.
Uhľovodíky sa uvoľňujú do atmosféry aj pri spaľovaní biomasy. V priemyselných krajinách sú tieto
emisie malé, no v tropických oblastiach, kde dochádza k značnému vypaľovaniu tropických pralesov, sú
hlavným zdrojom VOC. Celkovo sú emisie zo spaľovania biomasy porovnateľné s ostatnými
antropogénnymi zdrojmi.
Medzi prirodzenými emisiami uhľovodíkov z rastlín dominuje výpar z olejov, ktoré sa nachádzajú
v listoch, ihličí a živici stromov. Izoprén uvoľňujú niektoré listnaté dreviny, monoterpény zas ihličnany.
Okrem týchto uhľovodíkov sa z väčšiny listnatých stromov a tráv uvoľňujú niektoré alkány a alkény.
Amoniak NH3, rajský plyn N2O a do určitej miery aj oxidy dusíka NO a NO2 sú prirodzenými súčasťami
vzduchu. Na vysvetlenie, akým spôsobom sa dostávajú do atmosféry, je potrebné popísať biologický
kolobeh dusíka v systéme pôda – biosféra – atmosféra. Vzdušný dusík sa dostáva do biosféry v pôde
najmä prostredníctvom fixácie nitrogénnymi baktériami, pri ktorej je zabudovávaný priamo do živej
biomasy. Schopnosť asimilovať atmosferický dusík majú aj niektoré kvasinky, riasy a huby.
Po odumretí baktérií a rastlín podlieha dusík, fixovaný v organických zlúčeninách tvoriacich ich bunky,
rozkladu. Ten sprostredkovávajú viaceré aeróbne a anaeróbne baktérie, plesne a huby. Organický dusík sa
takto mineralizuje na amoniak. Časť z neho viažu mikróby na stavbu bielkovín vlastného tela, časť je
spotrebovávaná rastlinami (uptake koreňmi rastlín), čím opäť prechádza na organickú formu. Čpavok sa
môže pri vhodných podmienkach (pH, teplota) z pôdneho roztoku uvoľňovať do atmosféry.
Ďalším článkom kolobehu dusíka je nitrifikácia. Pri nej nitrifikačné organizmy (hlavne baktérie) pri
aeróbnych podmienkach oxidujú mineralizovaný amoniak najprv na dusitany a v druhom stupni ďalej na
dusičnany. Väčšina rastlín dokáže dusičnany, tak ako amoniak, použiť pre svoju výživu a metabolicky ich
premeniť na organické dusíkaté zlúčeniny.
Ostatná časť dusičnanov podlieha bakteriálnej redukcii – denitrifikácii. Denitrifikačné baktérie za
anaeróbnych podmienok získavajú kyslík redukciou dusičnanov na oxid dusnatý, oxid dusný a
elementárny dusík.
Oxid dusnatý NO a oxid dusičitý NO2 sa spolu sa zvyknú označovať ako NOX. V blízkosti zdrojov je
vysoký pomer NO voči NO2, no so zvyšujúcou sa vzdialenosťou od nich oxid dusnatý rýchlo reaguje
s ozónom, vzniká oxid dusičitý, ktorý sa potom stáva dominantnou zložkou NOX. Základnými zdrojmi
oxidov dusíka sú spaľovacie procesy, nitrifikácia a denitrifikácia v pôdach a blesky. Pričom antropogénne
40
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
zdroje prevyšujú prirodzené. Z atmosféry sa odstraňujú hlavne oxidáciou na kyselinu dusičnú a jej
následnou suchou a mokrou depozíciou.
Oxid dusnatý sa tvorí v spaľovacích motoroch zo vzdušného dusíka a kyslíka pri vysokých teplotách
počas spaľovacieho cyklu. Ďalším významným zdrojom NOX okrem automobilovej dopravy je energetický
priemysel (spaľovanie fosílnych palív). Pri spaľovaní uhlia a ťažkých vykurovacích olejov prispievajú
k tvorbe NO aj organické dusíkaté zlúčeniny obsiahnuté v týchto palivách.
Pri prirodzených požiaroch, spaľovaní dreva, biomasy a poľnohospodárskych odpadov sú teploty
zriedkavo také vysoké, aby dochádzalo k oxidácii N2 zo vzduchu, emisie NOX pochádzajú preto z dusíka
obsiahnutého v spaľovanom materiáli.
Pri bleskovom výboji dochádza k prudkému ohriatiu vzduchu v kanále blesku i v jeho okolí, čím
dochádza k tepelnej disociácii molekuly dusíka. Malými zdrojmi oxidov dusíka v troposfére je aj prienik
HNO3 zo stratosféry, letecká doprava a oxidácia amoniaku.
Škodlivé účinky prízemného ozónu
V 40. až 70. rokoch minulého storočia bol fotochemický smog problémom veľkých miest so slnečným a
teplým počasím v letnom období. V extrémnych prípadoch sa v Los Angeles namerali koncentrácie ozónu
prevyšujúce 600 ppb. Z európskych metropol sú fotochemickým smogom najviac postihované Atény a
Rím.
Od 80. rokov už fotochemický smog nadobudol regionálny charakter. Merania ukázali, že počas epizód
fotochemického smogu môžu oblasti s vysokými koncentráciami dosiahnuť horizontálne rozmery
niekoľko sto až vyše tisíc kilometrov. Fotochemický smog epizodicky postihuje každoročne veľkú časť
európskeho kontinentu. Je to spôsobené tým, ozón sa vo zvýšenej miere netvorí len v oblastiach zdrojov
jeho prekurzorov (v mestách a priemyselných centrách), ale aj vo voľnej krajine, pretože prekurzory sú
cirkuláciou prenášané na veľké vzdialenosti. Vysoké koncentrácie ozónu sa potom pozorujú vo vlečkách
miest vzdialených často aj 100 km.
Európske epizódy fotochemického smogu sú väčšinou spojené s pomaly postupujúcimi systémami
vysokého tlaku vzduchu, počasie v nich sa dá charakterizovať bezoblačnými podmienkami, vysokými
intenzitami slnečného žiarenia a vysokými teplotami. Vytvoreniu epizód napomáhajú aj subsidenčné
pohyby v týchto tlakových systémoch, ktoré vytvárajú rozsiahle teplotné inverzie. Tie spôsobujú
akumuláciu ozónu a tiež jeho prekurzorov v plytkej vrstve vzduchu nad zemským povrchom.
Koncentrácie prízemného ozónu na európskom kontinente počas epizód fotochemického smogu dosahujú
značné hodnoty (na Slovensku vyše 120 ppb), no zďaleka nie také extrémne hodnoty, aké boli namerané
v Los Angeles.
Vysoké koncentrácie prízemného ozónu neprospievajú zdraviu ľudí, zvierat i rastlín. Preto je prízemný
ozón považovaný za škodlivinu. Ozón spôsobuje prechodné podráždenie očí a dýchacieho systému, ktoré
sa prejavuje kašľom, podráždením slizníc hrdla a nosa, skracovaním dychu a bolesťami hrudníka pri
hlbokom dýchaní. Preto aj mladí a zdraví ľudia, keď vonku športujú počas epizód fotochemického smogu,
zaznamenávajú na sebe tieto symptómy. Podobné negatívne účinky má prízemný ozón aj na živočíchy.
Ozón má nepriaznivé účinky i na rastlinstvo. Krátke epizódy vysokých koncentrácií prízemného ozónu sú
škodlivejšie ako dlhšie trvajúce obdobia mierne zvýšených koncentrácií, pretože spôsobujú akútne
poškodenie asimilačných orgánov. Ozón je rastlinami zachytávaný prieduchmi, čo následne vedie
k poškodzovaniu respiračného systému, vo vážnejších prípadoch sa objavuje viditeľné poškodenie listov.
No i dlhodobá expozícia mierne zvýšenými koncentráciami ozónu má negatívne účinky. Ozón v súčasnosti
patrí medzi najvýznamnejšie stresové faktory lesných porastov. Na poľnohospodárskych plodinách sa
dlhodobé pôsobenie ozónu prejavuje znižovaním úrody.
Ozón tiež poškodzuje rôzne materiály. Spôsobuje tvrdnutie gumy, blednutie farbív a farebných textílií a
koróziu kovov.
Nápravné opatrenia a imisné limity
Najvýznamnejším zdrojom prekurzorov fotochemického smogu a aj ozónu je automobilová doprava,
preto sa prvé nápravné opatrenia v mestách týkali hlavne obmedzovania týchto emisií. Niektoré mestá
zaviedli trocha kuriózne opatrenie, keď počas smogových situácií smela jazdiť vždy len polovica
automobilov, jeden deň mohli jazdiť len autá s párnou štátnou poznávacou značkou a druhý s nepárnou.
Emisie oxidov dusíka sa pri spaľovacom procese dajú obmedziť znížením teploty plameňa. V minulých
desaťročiach sa však viac dosiahlo povinným zavedením katalyzátorov. Tie priaznivo menia zloženie
41
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
výfukových plynov v prospech látok, ktoré nespôsobujú vznik ozónu. Prvé dvojcestné katalyzátory
ovplyvňovali výfukové plyny len z hľadiska uhľovodíkov a oxidu uhoľnatého tým, že sa v nich
dokončovalo spaľovanie (oxidácia) týchto látok na oxid uhličitý. V modernejších trojcestných
katalyzátoroch prebiehajú súčasne dva procesy. Pri prvom, redukčnom, procese dochádza k premene
oxidov dusíka (hlavne NO, ktorého je väčšina vo výfukových plynoch) späť na molekulárny dusík
(katalyzátorom je ródium). Druhým je už spomínaná paládiom alebo platinou katalyticky urýchľovaná
oxidácia uhľovodíkov a CO. Správne pracujúce trojcestné katalyzátory eliminujú po zahriatí motora
80 - 90 % uhľovodíkov, CO a oxidov dusíka vychádzajúcich z motora. Avšak značné množstvo
prekurzorov ozónu unikne v čase, kým motor nie je zahriaty na dostatočnú teplotu. Ďalším opatrením je
zavedenie pravidelných emisných kontrol automobilov, ktoré preverujú správnu činnosť katalyzátorov a
nastavenie motorov. Katalytické konvertory v autách s naftovými motormi sú oveľa menej efektívne ako
pri benzínových motoroch.
Emisie NOX pri spaľovaní v energetickom priemysle je možné znížiť viacerými možnosťami. Jednou
z nich je použitie špeciálnych horákov, ktoré znižujú teplotu plameňa. Vznik oxidov dusíka sa dá značne
obmedziť aj pri spaľovaní v dvoch stupňoch. V prvom stupni pri vysokých teplotách nie je prítomný
žiadny prebytočný kyslík, a tak sa dusík nemá s čím zlučovať. Spaľovanie sa dokončuje v druhom stupni,
kedy sa dodáva kyslík, ale už pri nižších teplotách. Ďalšou možnosťou je katalytická redukcia vzniknutého
NO pridaním amoniaku do ochladených spalín (250 – 500 °C v závislosti od použitého katalyzátora)
v komínoch elektrární a teplární.
Emisie prekurzorov tvorby ozónu je potrebné obmedzovať aj z ostatných zdrojov. Keďže oxidy dusíka
majú aj vplyv na zvyšovanie kyslosti zrážkových vôd (podobne ako oxid siričitý), bol v rámci Ženevskej
konvencie o diaľkovom cezhraničnom znečisťovaní ovzdušia prijatý aj protokol o oxidoch dusíka (Sofia
1988). V 1991 roku bol prijatý ku konvencii protokol o prchavých uhľovodíkoch. Göteborský protokol
o acidifikácii, eutrofizácii a prízemnom ozóne z roku 1999 stanovuje individuálne národné emisné stropy
pre oxid siričitý, oxidy dusíka, uhľovodíky a amoniak, pod ktoré musia klesnúť národné emisie do roku
2010.
Okrem limitov pre emisie sú v krajinách zavedené aj imisné limity pre jednotlivé škodliviny a je tomu tak
aj pre prízemný ozón. Vplyv ozónu na ľudské zdravie sa hodnotí primárnymi (hygienickými) a účinky na
vegetáciu sekundárnymi (ekologickými) imisnými limitmi. Imisný limit je najvyššia prípustná
koncentrácia škodliviny (v našom prípade prízemného ozónu) v ovzduší.
Literatúra
Baird, C. 1999. Environmental chemistry. New York : Freeman, 1999. 557 s.
Kremler, M. 2006. Modelovanie výmeny látok medzi zložkami prírodného prostredia : Prízemný ozón. [Dizertačná práca].
Bratislava : FMFI UK, 2006. 170 s.
Warneck, P. 1988. Chemistry of the natural atmosphere. San Diego; New York; Berkeley; Boston; London; Sydney; Tokyo;
Toronto: Academic Press, 1988. 762 s.
42
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Kozmické žiarenie a jeho vplyv na okolité prostredie
Alexander Dirner1,2, Júlia Hlaváčová3
1
Ústav fyzikálnych vied, PF UPJŠ Košice, Jesenná 5, Košice, [email protected], 2Ústav experimentálnej fyziky SAV, Watsonova 47, Košice, [email protected], 3 Katedra fyziky, FEI Technická univerzita
Letná 9, Košice, [email protected]
Úvod
Výskum kozmického žiarenia započal v r. 1912, keď Victor Franz Hess, z Univerzity vo Viedni, podnikol
balónový let do výšky okolo 5300 m. Objavil dôkaz o veľmi prenikavej radiácii (kozmické žiarenie, KŽ),
ktorá prichádza z vonkajšieho priestoru za našou atmosférou. Ukázal, že ionizácia vzduchu začína od
výšky 2.5 km narastať s výškou – jej zdroj teda musí pochádzať z prostredia nad atmosférou. V roku 1936
V. F. Hess získal za tento objav Nobelovu cenu.
Kozmické žiarenie a heliosféra
Plazma je najrozšírenejšou formou viditeľnej hmoty vo vesmíre, tvorí ju až 99 % pozorovanej hmoty
vesmíru. Nielen Slnko a hviezdy, ale aj drvivá väčšina hmlovín v galaxiách je tvorená rozsiahlymi oblakmi
plazmy. Teplota plazmy je od niekoľkých Kelvinov až po milióny Kelvinov.
Za plazmu sa považuje ionizovaný plyn zložený z iónov a elektrónov, ktorý vzniká odtrhnutím elektrónov
z elektrónového obalu atómov plynu, či roztrhnutím molekúl (ionizácia). Za plazmu nepovažujeme
akýkoľvek ionizovaný plyn, ale definujeme ju ako kvázineutrálny plyn nabitých a neutrálnych častíc, ktorý
vykazuje kolektívne chovanie. Kvázineutralitou rozumieme to, že plazma sa javí byť makroskopicky
neutrálnou, i keď obsahuje veľký počet nabitých častíc. Plazma je vodivá a silno reaguje na elektrické a
magnetické pole. Najzaujímavejšou charakteristikou plazmy je, že sa v nej vyskytujú voľné elektróny,
voľné nosiče nábojov a tým plazma môže reagovať na elektrické a magnetické polia. Plazma sa od
ostatných skupenstiev výrazne odlišuje, čo sa prejavuje aj v jej vlastnostiach.
Jadro Slnka tvorí hustá plazma s teplotou takmer 15 milińov Kelvinov. Jej vonkajšia atmosféra - koróna,
je zriedená plazma s teplotou vyše 1 až 2 milióny Kelvinov. V medziplanetárnom priestore našej Slnečnej
sústavy je všadeprítomná horúca plazma slnečného vetra. Slnečný vietor predstavuje prúdenie nabitých
častíc (plazmy), ktoré sú emitované zo slnečnej atmosféry. Energia voľných iónov a elektrónov
tisícnásobne prevyšuje energiu fotónov viditeľného svetla (>1 keV), ktoré unikajú z gravitácie Slnka.
Slnečný vietor vynáša slnečné magnetické pole cez heliosféru a vytvára medziplanetárne magnetické pole,
pohybujúce sa rýchlosťou niekoľko sto km/s. Magnetické siločiary sú určované tokom slnečného vetra.
Slnečný vietor nie je homogénny a mení sa aj v čase.
Intenzita kozmického žiarenia je ovplyvnená magnetickým poľom v heliosfére. Je maximálna v období
minima slnečnej aktivity a minimálna v období slnečného maxima. Nízkoenergetická zložka kozmického
žiarenia je ovplyvnená aj slnečnými erupciami a urýchlením v medziplanetárnom prostredí.
Meranie kozmického žiarenia na Lomnickom štíte
Kozmické žiarenie nedopadá priamo na Zem, ale zráža sa s atómami vrchnej vrstvy atmosféry. Tak sa
vytvára veľa sekundárnych častíc ako protóny, neutróny, mióny, elektróny. Magnetické pole Zeme pôsobí
ako filter, ktorý sa pri magnetických póloch Zeme neprejavuje, ale smerom k rovníku pôsobí čoraz
silnejšie. Preto najvýznamnejšiu časť častíc kozmického žiarenia možno detegovať pozemnými detektormi
častíc v blízkosti magnetických pólov Zeme. Čím bližšie k rovníku, tým väčšiu rýchlosť musí mať nabitá
častica, aby prekonala magnetické pole a mohla byť pozemným detektorom detekovaná. Detektory častíc
na rôznych miestach na Zemi teda merajú kozmické žiarenie s rôznou minimálnou rýchlosťou – odhaľujú
tak energetické spektrum kozmického žiarenia.
Zavedeným prístrojovým vybavením na meranie kozmického žiarenia zo Slnka a nízkoenergetickej
zložky kozmického žiarenia z vesmíru sú neutrónové monitory. Používajú sa od roku 1950. Za účelom
zvýšenia počtu častíc kozmického žiarenia, ktoré môžu byť detekované, sú detektory v neutrónových
monitoroch obklopené olovom, kde častice z jeho atómov vyrážajú neutróny. Neutrónový monitor počíta
tieto neutróny a keďže intenzita kozmického žiarenia je priamo úmerná tomuto počtu, opisuje tok
kozmického žiarenia v hornej časti atmosféry.
Meranie intenzity kozmického žiarenia na Lomnickom štíte bolo spustené v januári 1958 v rámci
43
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Medzinárodného geofyzikálneho roka. Monitorovací systém bol niekoľkokrát vylepšený. Od decembra
1981 až do súčasnosti 8-detektorový neutrónový monitor NM64 kontinuálne pracuje v meracom domčeku
na streche budovy na Lomnickom štíte. Na meranie sa používa 8 proporcionálnych detektorov typu
SNM-15. Priemerná početnosť NM je teraz asi 1,6.106 častíc za hodinu. Zvýšenie štatistickej presnosti od
decembra 1981 umožňuje zaznamenávať krátkodobé variácie.
Obrázok 1.
Hore - grafický záznam z neutrónového monitora na
Lomnickom štíte, 28. októbra 2003. Dole vľavo a vpravo
- neutrónový monitor na Lomnickom štíte.
V súčasnej dobe sú k dispozícii 1-minútové dáta v reálnom čase, ako aj ďalšie dáta, vrátane archívu
hodinových dát na adrese: http://neutronmonitor.ta3.sk. Kontinuálne meranie kozmického žiarenia na
Lomnickom štíte spadá pod Ústav experimentálnej fyziky Slovenskej akadémie vied v Košiciach,
Oddelenia kozmickej fyziky: http://space.saske.sk. Monitor je významnou súčasťou celosvetovej sústavy
neutrónových monitorov. V roku 1982 boli na Lomnickom Štíte prvýkrát na svete (spolu so stanicami
Jungfrayoch a Rím) zaregistrované slnečné neutróny, čo potvrdilo teoretické predpoklady možnej
registrácie slnečných neutrónov na povrchu Zeme.
Neutrónový monitor na Lomnickom štíte je tiež začlenený do projektu „Neutron Monitor Database“
(NMDB): http://www.nmdb.eu. NMDB je projekt, zahrňujúci tímy z 11 rôznych krajín, financovaný
v období rokov 2008-09 v rámci 7. rámcového programu EÚ. Všetky neutrónové monitory, prevádzkované
v Európe a niektorých ďalších krajinách, distribuujú svoje experimentálne údaje tak, aby boli prístupné
v reálnom čase a dali sa jednoducho využiť vedcami i ďalšími užívateľmi.
Kozmické počasie
Zaujímavé je porovnanie hlásení o poruchách technologických systémov počas dvoch veľkých
magnetických búrok s podobnou intenzitou, a to na začiatku (1903) a koncom minulého storočia (1989). V
prvom prípade boli hlásené poruchy na telegrafickom systéme, komunikácia bola počas niekoľkých hodín
takmer celkom prerušená a prestížny vedecký časopis Nature hovorí o indukci 675 V v drôtoch bez
pripojenej batérie. Podstatne rozsiahlejšie sú ale informácie o následkoch porovnateľnej búrky v r. 1989.
Možno ich rozdeliť do piatich skupín:
a)
poškodenia družíc (zmena dráhy nízkoorbitálnej družice SMM, poruchy na elektronike na 4
družiciach),
b)
poruchy komunikácie (výpadky vf rádiového spojenia južných oblastí USA s rôznymi miestami na
svete, rušenie správ diaľničnej kontroly v Kalifornii lokálnymi prenosmi v Minnesote, značné nárazy
napätia zaznamenané podvodnými káblami v Atlantickom a Tichom oceáne),
c)
poruchy navigácie (viaceré poruchy navigačného systému LORAN - LOng RAnge Navigation –
pozemný navigačný systém nízkofrekvenčných rádiových prenosových zariadení, ohlásené pobrežnou
44
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
ochranou USA, narušenie navigácie lodí v blízkosti Austrálie využívajúcej signály navigačných družíc),
d)
elektrické rozvodné siete (výpadok elektrickej energie v Quebecu pričom 6 miliónov ľudí zostalo
počas 9 hodín bez elektriny, výpadok rozvodného 130 kV systému vo Švédsku, poruchy viacerých
rozvodných systémov bez úplného výpadku),
e)
iné efekty (v severovýchodnej časti USA boli niektoré mikročipové zariadenia v tej dobe
nefunkčné).
Rozvoj nových technologických systémov spolu s otázkami ich spoľahlivosti viedli k zavedeniu pojmu
„kozmické počasie“ a k systémovému multidisciplinárnemu prístupu k týmto otázkam v medzinárodnom
merítku.Podľa definície používanej v USA kozmické počasie zahŕňa podmienky na Slnku a v slnečnom
vetre, magnetosfére, ionosfére a termosfére, ktoré môžu ovplyvniť funkčnosť a spoľahlivosť kozmických
ako aj pozemných technologických systémov a môžu ohroziť zdravie a život ľudí. V rámci európskeho
projektu COST 724, ktorého sa zúčastnil aj ÚEF SAV Košice, bola prijatá nasledujúca definícia: Kozmické
počasie je fyzikálny a fenomenologický stav prirodzeného kozmického prostredia. Príslušná vedná
disciplína má za cieľ prostredníctvom pozorovaní, monitorovania, analýzy a modelovania pochopiť a
predvídať stav Slnka, medziplanetárneho priestoru a prostredia v okolí planét, ako aj poruchy zapríčinené,
či nezapríčinené Slnkom, ktoré tieto prostredia ovplyvňujú. Zaoberá sa tiež predpovedaním a skúmaním
možných dopadov na biologické a technologické systémy.
Vplyv kozmického počasia na komunikáciu a navigáciu
Ešte pred kozmickou érou boli efekty dnes označované za kozmické počasie pozorované v
technologických systémoch dôležitých pre komunikáciu. Pravdepodobne prvá zmienka o poruchách na
telegrafných systémoch (galvanometer zaznamenávajúci odchýlky s meniacim sa znamienkom na kábli z
Derby do Birminghamu) pochádza z r. 1849. Efekty vonkajšieho fyzikálneho stavu na bezdrôtové
transkontinentálne spojenie boli spomenuté už v práci Marconiho z r. 1928. Ten uvádzal, že prakticky
všetky prípady strácajúcich sa rádiových signálov koincidovali s časovými úsekmi, kedy boli pozorované
veľké slnečné škvrny, intenzívne polárne žiary a geomagnetické búrky.
Okrem satelitných anomálií spôsobených energetickými kozmickými časticami, sú dôležité aj vplyvy
zmien ionosféry. Jedným z nich sú tzv. scintilácie. Ide o rýchle fluktuácie intenzity transionosferického
signálu (družica-Zem). Spôsobujú dodatočnú nízkofrekvenčnú šumovú komponentu k užitočnému signálu.
Namiesto homogénnej vrstvy sú v niektorých oblastiach ionosféry miesta so zvýšenou alebo zníženou
koncentráciou elektrónov. Tieto neregularity sa vyskytujú v dvoch oblastiach – polárnej (tam sú
spôsobované časticami uvoľňovanými z oblastí záchytu – ich vysypávaním do atmosféry – vyskytujú sa v
ľubovoľnom miestnom čase s tendenciou zosilnenia v noci a počas zvýšenej magnetickej aktivity) a
rovníkovej (význačne závislé od miestneho času – dajú sa predvídať, majú periodicity rovnaké ako
extrémne UV a X žiarenie zo Slnka).
Pre elektromagnetické vlny využívané v globálnych navigačných družicových systémoch (GNSS) akými
sú GPS, GLONASS alebo európsky Galileo, sú veľmi dôležité zmeny stavu ionosféry. Pri používaní
frekvencií v oblasti 1,2–,6 GHz môže ionosféra spôsobiť oneskorenie signálu odpovedajúce chybám
vzdialenosti až 100 m.
Vplyv kozmického počasia na pozemné systémy
Okrem prúdových systémov v ionosfére počas geomagnetických porúch vznikajú aj prúdové systémy v
technologických zariadeniach na zemskom povrchu. Fyzikálne ide o geomagneticky indukované prúdy
(GIC), ktoré možno opísať základnými zákonmi elektromagnetizmu. Porucha kozmického počasia
spôsobuje vznik intenzívnych a rýchlo sa meniacich prúdových systémov v ionosfére, ktoré podľa BiotSavartovho zákona spôsobujú časovo premenné magnetické polia pozorované ako geomagnetické
subbúrky alebo búrky, čo podľa Faradayovho indukčného zákona je vždy sprevádzané elektrickým poľom.
Geomagnetické poruchy a geoelektrické pole na zemskom povrchu nielen primárne závisia od
priestorových prúdov, ale sú tiež sekundárne ovplyvnené prúdmi vyvolanými vo vnútri zemského telesa.
Hlavne pre elektrické pole je sekundárny príspevok dôležitý. Horizontálna zložka geoelektrického poľa
vyvoláva na technologických vodivých sieťach ohmické prúdy. Časové zmeny magnetického poľa sú
veľké hlavne na miestach s väčšou zemepisnou šírkou a indukované prúdy sú tam preto značné. Prejavujú
sa napr. v rozvodných systémoch v Kanade, severských krajinách Európy a inde. Hlásené sú z období
extrémne silných geomagnetických búrok. Najsilnejší hlásený indukovaný prúd veľkosti 320A bol na
švédskom rozvodnom systéme v búrke v apríli 2000.
45
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Iným druhom porúch pozemných systémov počas geomagnetických búrok sú poškodenia plynovodov a
ropovodov. Transport veľkého množstva kvapalín alebo plynov pod zemou alebo pod vodou, či dokonca
na zemskom povrchu, vyžaduje pevné konštrukcie odolné voči nárazom. Poškodenie ale môže potom
vzniknúť z korózie oceľových rozvodov. Preto sú pokryté izolačným náterom a pripojené k špeciálnym
zariadeniam (katódové ochranné rektifikátory). Cez malé dierky na vonkajšej vrstve potrubia sa môže oceľ
dostať do kontaktu s pôdou, vodou alebo vlhkým vzduchom a korodovať. Týmto elektrochemickým
reakciám možno brániť záporným napätím udržiavaným na oceli (katóde) voči okolitej zemine (anóda)
pripojením záporného výstupu jednosmerného zdroja k potrubiu a kladného výstupu k anodovému
zariadeniu v pôde, takže prúd tečie od anódy k potrubiu. Ochranný systém tak udržuje potenciál potrubia
na úrovni od –0,85 do -1,35 V. Časovo premenné magnetické polia vytvárajú elektrické prúdy na dlhých
vodivých potrubiach, čo môže spôsobiť napäťové zmeny na ochranných rektifikátoroch. Počas
geomagnetických búrok tieto variácie môžu spôsobiť väčšiu zmenu potenciálu ako je povolená, a tým
redukovať dobu života potrubia.
Biologické aspekty
Vysokofrekvenčná časť spektra kozmického žiarenia môže vytvárať nehostinné prostredie pre život. Na
Zemi nás však chráni zemská magnetosféra a atmosféra. Naša planéta predstavuje veľký magnet a
magnetické pole sa rozprestiera ďaleko do vonkajšieho priestoru – označovaného ako magnetosféra.
Magnetosféra chráni atmosféru aj nás pred prúdom zmagnetizovaného plynu zo Slnka – slnečného vetra –
jeho brzdením a odchyľovaním z okolia Zeme. Hustá atmosféra Zeme nás chráni tým, že absorbuje
ultrafialové slnečné žiarenie a redukuje teplotné extrémy medzi dňom a nocou.
Záver
Dlhoročný výskum kozmického žiarenia na Slovensku je veľmi úspešný. V súčasnosti sa rozvíja na
viacerých inštitútoch a uberá sa viacerými smermi. Oddelenie kozmickej fyziky na Ústave experimentálnej
fyziky v Košiciach študuje kozmické žiarenie, slnečný vietor a zemskú magnetosféru a podieľa sa na
výrobe nových zariadení pre výskum planetárnych procesov v rámci budúcich vesmírnych misií. Výskum
zahŕňa analýzu pozemných aj družicových meraní, simuláciu kozmofyzikálnych procesov v heliosfére a
magnetosfére Zeme a prípravu nových kozmických experimentov. Doteraz sa Oddelenie zúčastnilo na
vývoji experimentálnych vedeckých aparatúr, ktoré boli umiestnené na 14 družiciach, dvoch kozmických
sondách a dvoch suborbitálnych raketách. V súčasnosti v rámci medzinárodnej spolupráce pracuje na
teleskope JEM-EUSO, ktorý bude v blízkej budúcnosti nainštalovaný na Medzinárodnej vesmírnej stanici
ISS. Teleskop sa zameria na ultrafialové žiarenie vznikajúce pri interakcii kozmických častíc s atmosférou
Zeme.
Strategickým cieľom projektu Európskeho fondu rozvoja prostredníctvom Operačného programu Výskum
a vývoj a to na základe Zmluvy o poskytnutí nenávratného finančného príspevku č. 18/2009/2.1/OPVaV,
kód ITMS 262201200009, názov projektu: "Centrum kozmických výskumov: vplyv kozmického počasia"
a projektmi Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky je dobudovanie Centra
kozmických výskumov ako základu pre koncentráciu inštitúcií orientujúcich sa na výskum kozmogénnych
vplyvov na Zem a technologickú spoločnosť.
Poďakovanie
Publikácia bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. LPP-0059-09.
Literatúra
Kudela, K., 2009: On Energetic Particles in Space, Acta Physica Slovaca 59, No 5, 537-652.
Kudela K., 2012: Variability of Low Energy Cosmic Rays Near Earth, EXPLORING THE SOLAR WIND, Edited by Marian Lazar, ISBN 978-953-510339-4, Croatia.
Kudela, K., Slivka, M., 2003: Energetické častice v kozme a kozmické počasie. Slovenský príspevok k štúdiu efektov október – november 2003,
http://stara.suh.sk/obs/slnsem/17css/energcast.pdf.
Prigancová, A., Bieleková, M., K problematike kozmického počasia, http://www.cbks.cz/sbornikkosice/priganco.pdf.
Kudela, K., Variabilita kozmického žiarenia a kozmické počasie, http://stara.suh.sk/obs/slnsem/16css/variab.pdf.
Space Weather and Europe - an Educational Tool with the Sun (SWEETS),
http://www.physik.uni-greifswald.de/sweets2007/.
NMDB, Neutron Monitor Database, http://www.nmdb.eu/?q=node/316
Kudela, K., Moduly dištančného vzdelávania - „Okná do modernej fyziky“, Kozmické žiarenie, Kozmické počasie.
46
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Monitorovanie atmosféry Zeme dištančnými meraniami
Ján Kaňák
Slovenský hydrometeorologický ústav, Jeséniova 17, 83315 Bratislava, [email protected]
Úvod
Pod dištančnými meraniami v meteorológii rozumieme použitie takej metódy, pri ktorej meracie
zariadenie prijíma, alebo vysiela a následne prijíma mechanické alebo elektromagnetické vlnenie a
vyhodnocuje ho za účelom získania meteorologickej informácie o atmosfére. Zdrojom vlnenia v prvom
prípade je samotná atmosféra a hovoríme o pasívnej detekcii. V prípade aktívnej detekcie musí prístroj
vlnenie najprv vygenerovať a vyžiariť do atmosféry. V atmosfére sa vlnenie šíri od zdroja, čiastočne sa
rozptyľuje, absorbuje alebo odráža. Odrazené vlnenie prijímač prístroja zaregistruje a vyhodnotí.
Prístroje diaľkovej detekcie
LIDAR – (http://en.wikipedia.org/wiki/LIDAR) Light Detection And Ranging) je optické zariadenie pre
meranie vzdialenosti, ktoré využíva laserové pulzy ultrafialového, viditeľného alebo blízkeho
infračerveného žiarenia. V meteorológii sa využíva pri meraní koncentrácií plynných zložiek atmosféry
(O3, CO2, H2O), ak pracuje súčasne v dvoch spektrálnych pásmach, alebo pri meraní teploty a rýchlosti
prúdenia vzduchu, ak využíva Dopplerov efekt. Ak navyše je prístroj postavený ako skener, meria sa ním
rozloženie rýchlosti prúdenia v priestore.
Wind profiler – (http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_profiler) je prístroj, využívajúci buď
elektromagnetické alebo zvukové vlnenie na určenie vertikálneho profilu smeru a rýchlosti vetra
(vertikálny profil predstavuje súbor hodnôt meranej veličiny na zvislici, ktorá má začiatok v mieste
meracieho prístroja a siaha do určitej výšky v troposfére, podľa vyžarovacieho výkonu prístroja). Ak sa
používa elektromagnetické vlnenie, hovoríme o radare (http://en.wikipedia.org/wiki/Radar), ak sa používa
zvukové vlnenie, hovoríme o SODAR-e (http://en.wikipedia.org/wiki/SODAR).
Vyššie uvedené prístroje sa používajú na lokálne merania, merajú parametre atmosféry na zvislici alebo v
určitom smere v mieste inštalácie prístroja, teda v jednorozmernom priestore. V tejto prednáške sa budeme
detailne zaoberať prístrojmi, ktoré získavajú informácie o atmosfére v dvoj alebo aj v trojrozmernom
priestore. Vo všeobecnosti môžeme viacrozmerné metódy dištančných meraní v meteorológii rozdeliť
podľa toho, či sú aktívne alebo pasívne:
Medzi pasívne patria skenery pracujúce v pásme viditeľného (λ=0,6-1,6μm), infračerveného (λ=1,614μm) alebo mikrovlnného žiarenia (λ=1-1000mm). Používajú detektory špeciálne konštruované na
detekciu žiarenia v úzkom spektrálnom pásme. Tieto zariadenia sú umiestnené na družici, ktorá sa
pohybuje na obežnej dráhe okolo Zeme (na geostacionárnej alebo s nízkou dráhou letu).
Medzi aktívne radíme meteorologické radary pracujúce v mikrovlnných pásmach X (λ=3cm), C (λ=5cm)
alebo S (λ=10cm). Zariadenie je umiestnené na zemskom povrchu tak, aby malo dobrý výhľad do
všetkých smerov v atmosfére. Experimentálne radary bývajú umiestnené aj na družiciach.
Meteorologický rádiolokátor
Princíp rádiolokátora bol objavený pomerne dávno, už koncom 19. storočia Heinrich Hertz robil pokusy s
detekciou odrazeného rádiového signálu. V 30-tých rokoch minulého storočia v Anglicku zachytili
prvýkrát rádiový signál odrazený od letiaceho lietadla pomocou osciloskopu. Po týchto experimentoch
nastal rýchly rozvoj rádiolokátorov.
Dnešné moderné meteorologické radary sú konštruované tak, že dokážu mapovať priestorové rozloženie a
hustotu vodných kvapiek tvoriacich oblačnosť. Konečným cieľom je mapovanie intenzity dažďa na
zemskom povrchu a integráciou tejto intenzity v čase sa získavajú zrážkové úhrny potrebné pre
modelovanie odtokov vody v povodiach a prietokov v korytách riek.
Hlavné časti rádiolokátora sú vysielač, vlnovody, anténa, automatický prepínač - cyklovač medzi
vysielaním a prijímaním signálu, prijímač, procesor pre spracovanie signálu a softvér pre vyhodnocovanie
signálu a prípravu cieľových meteorologických produktov. Srdcom vysielača je magnetrón, špeciálna
vysokofrekvenčná elektrónka v silnom magnetickom poli, ktorá generuje potrebné mikrovlnné žiarenie.
Toto žiarenie sa upravuje do pulzov a vlnovodmi sa pulzy dostávajú na žiarič úzko-smerovej parabolickej
antény. Z nej sa signál v tvare kužeľového lúča s priemerom približne 1º šíri do atmosféry. V čistej
atmosfére sa mikrovlnný signál šíri takmer bez interakcie, slabne iba s druhou mocninou vzdialenosti. Ak
47
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
sa vo vzduchu nachádza oblak tvorený hydrometeormi - kvapkami alebo ľadovými kryštálikmi, na nich sa
signál čiastočne odráža späť k anténe radaru. Odraz je úmerný počtu hydrometeorov a ich veľkosti.
Intenzita odrazeného signálu je mnohonásobne nižšia ako intenzita pôvodného signálu. Napriek tomu
anténa radaru tento odrazený signál zachytí a je privedený vlnovodom do prijímača. Pulz musí byť
dostatočne krátky a silný, aby lokalizácia v priestore bola presná. Následne po vyslaní pulzu sa prepínač
vo vlnovode prepne tak, že prichádzajúci signál z antény je presmerovaný do prijímača. Pri spracovaní
signálu sa vyhodnocuje jeho intenzita a čas, ktorý uplynul od okamihu vyslania pulzu. Trvanie pulzu
určuje radiálne rozlíšenie radaru, teda dĺžku úseku pozdĺž lúča, na ktorom došlo k odrazu signálu na
hydrometeoroch. Uhlová šírka lúča určuje rozlíšenie v azimute a v elevácii a závisí najmä od priemeru
parabolickej antény. Anténa sa priebežne otáča okolo zvislej osi, čím sa zabezpečuje postupné skenovanie
atmosféry v azimutálnom (horizontálnom) smere. Po každej otočke sa skokom zmení elevácia antény a
proces vysielania a prijímania pulzov sa takto opakuje dovtedy, kým sa nenaskenuje celý priestor
atmosféry v radarovom horizonte. Radarový horizont je ohraničený maximálnou vzdialenosťou, z ktorej je
ešte možné zachytiť a správne vyhodnotiť odrazený signál.
V skutočnosti prebieha činnosť radaru podstatne zložitejšie, jej detailný opis je však nad rámec rozsahu
tejto prednášky. Okrem jednoduchého rádiolokátora popísaného vyššie sa často používa dopplerovský
rádiolokátor, ktorý vyhodnocuje aj rýchlosť pohybu oblačnosti v smere k radaru alebo od neho (radiálna
rýchlosť, využíva sa aj na odlíšenie odrazov od zemského povrchu), ďalej dvoj-vlnový rádiolokátor, ktorý
vyžaruje paralelne v dvoch vlnových pásmach (napr. X a S) a nakoniec dvoj-polarizačný rádiolokátor,
ktorý striedavo polarizuje pulzy signálu horizontálne a vertikálne. Vyhodnocovaním rozdielov v signáloch
možno určovať napr. typ hydrometeorov a ich fázu (kvapalná/tuhá).
Bodový rádiolokačný cieľ a súbor vodných kvapiek
Intenzita odrazeného signálu je úmerná veľkosti jednotlivý
cieľov a ich počtu, v našom prípade vodných kvapiek
tvoriacich oblak. Faktor odrazivosti Z možno vypočítať ako
súčet šiestych mocnín priemerov všetkých kvapiek (obr. 1).
Intenzita zrážok je nenulová vtedy, ak aspoň časť kvapiek
vypadáva z oblaku na zemský povrch. Marshall a Palmer
stanovili empirický vzťah medzi rádiolokačnou odrazivosťou
intenzitou zrážok
a
b
Z =aR .
Obrázok 1. Rozdelenie vodných kvapiek v
jednotkovom objeme vzduchu v závislosti od
ich veľkosti a súvis s rádiolokačnou
V tomto vzťahu vystupujú empirické konštanty a, b, ktoré sa
odrazivosťou Z.
môžu meniť v závislosti od lokality, ročnej doby a
meteorologickej situácie. V strednej Európe sa najčastejšie používa Marshall-Palmerov vzťah s hodnotami
a = 200, b = 1,6. Exponenciálny vzťah rádiolokačnej odrazivosti a intenzity zrážok vyjadruje názorne aj
graf na obr. č. 2. Absolútna presnosť určenej intenzity zrážok
je vysoká pri nízkych odrazivostiach. S rastúcou hodnotou
odrazivosti táto presnosť exponenciálne klesá, avšak je
postačujúca pri moni-torovaní silných zrážok.
Geometria skenovania rádiolokátorom
Zvolená geometria skenovania alebo skenovacia stratégia
významne rozhoduje o tom, z akého objemu atmosféry
získame údaje a akým spôsobom sa budú môcť spracovať do
výsledných produktov.
Na obr. 3 je zobrazená geometria skenovania pre radar Malý
Javorník. Obsahuje 11 elevácií antény od 0,2º do 25º.
Elevácie sú zvolené tak, aby rovnomerne pokryli vertikálny
Obrázok 2.
Grafické znázornenie závislosti Z/R. Viac rez atmosférou od radaru až po maximálny dosah signálu
informácií o závislosti Z/R možno nájsť na 240 km.
internetovej stránke http://www.crh.noaa.gov/
ncrfc/content/weather/radar/radar_zr_display.
php.
48
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
.
Obrázok 3. Geometria skenovania používaná pre radar SHMÚ Malý Javorník. Okrovou farbou je
znázornený priestor atmosféry pod najnižšou, modrou nad najvyššou eleváciou. Svetlou sivou farbou je
označená šírka lúča 1º, zelenou vertikálny profil terénu, ktorý môže blokovať lúče s nízkymi eleváciami. Pri
výpočte tejto geometrie bolo zohľadnené zakrivenie Zeme a refrakcia (index lomu) atmosféry.
Radar je umiestnený v nadmorskej výške 600m. Šírka lúča je 1º, preto sa signál pri najnižšej elevácii
dotýka zemského povrchu. Odrazy zachytené z najnižších elevácií preto často pochádzajú nielen z
atmosféry, ale aj od zemského povrchu a odstraňujú sa pomocou dopplerovského filtra. Naopak, nad
najvyššou eleváciou vzniká prázdny kužeľ nepokrytý signálom radaru. Objem tohto kužeľa je však malý,
vo výške 15 km siaha do vzdialenosti asi 34 km od radaru. Celkový dosah rádiolokátora je 240km.
Produkty meteorologického rádiolokátora
Obrázok 4. Ukážka produktu CMAX zo 7. júna 2011, kedy bola na úpätí Malých Karpát pozorovaná silná
búrka, ktorá spôsobila ničivé povodne v obci Píla a okolí. Merané radarom na Malom Javorníku od 14:50 do
15:10 UTC. Červené oblasti zodpovedajú intenzitám zrážok nad 50 mm/h. Nebezpečnosť takýchto búrok
spočíva v ich pomalom horizontálnom pohybe.
Uskutočnením merania pomocou skenovacej stratégie získame tzv. celo objemové údaje v polárnej
súradnej sústave (r, α, ε), kde r je vzdialenosť skenovaného bodu od radaru, α je jeho azimut a ε je jeho
elevácia. V tejto súradnej sústave jednotlivé elevácie predstavujú kužeľovú plochu, ktorú možno zobraziť
do roviny ako základný produkt označovaný PPI ( Plan Position Indicator ). Z praktického hľadiska je
pred prípravou produktov užitočné údaje geometricky transformovať do pravouhlej súradnej sústavy
(x,y,z). Vznikne tak pravidelná sieť bodov, v ktorej možno jednoduchšie zostavovať najrozličnejšie
meteorologické produkty. Na obr. 3 je šedou čiarou zobrazený najbližší lúč k horizontálnej rovine s výškou
2km. Pravidelná sieť bodov sa často získava aj interpoláciou hodnôt s dvoch najbližších lúčov.
Najznámejšie produkty meteorologických rádiolokátorov sú:
• CAPPI (Constant Altitude PPI) – odrazivosť v konštantnej výške nad hladinou mora
49
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
• CMAX (Column Maximum) – maximálna odrazivosť vo vertikálnom stĺpci
• HMAX (Height of maximum reflectivity) – výška maximálnej odrazivosti vo vertikálnom stĺpci
• BASE (Base reflectivity) – hodnota odrazivosti nameranej na spodnej základni oblaku
• ETOP (Echo Top) – výška hornej hranice oblaku
• VIL (Vertically integrated Liquid) – množstvo vody vo vertikálnom stĺpci
• PCP (Precipitation intensity) – intenzita zrážok pri zemskom povrchu
• ACCPCP (Accumulated Precipitation) – množstvo zrážok spadnuté za daný časový interval
Ukážka časového vývoja búrok 7.6.2011 14:50 až 15:10 pomocou produktu CMAX je na obr. 4.
Meteorologické družice
V Európe a tiež na Slovensku v meteorologickej praxi používame údaje z družíc prevádzkovaných
medzinárodnou organizáciou EUMETSAT (www.eumetsat.int). Úlohou EUMETSATu je vývoj nových
družíc podľa meniacich sa požiadaviek užívateľov, ich výroba, vypustenie na obežnú dráhu,
prevádzkovanie, zabezpečovanie prenosu údajov a produktov k užívateľom, vývoj aplikačných programov
pre spracovanie družicových údajov a školenia užívateľov. EUMETSAT prevádzkuje v súčasnosti dva
družicové systémy: geostacionárny MSG (Meteosat Second Generation) a EPS (European Polar System),
družice s nízkou dráhou letu pozdĺž poludníkov, synchrónnou so Slnkom. Rozdiel oboch systémov je
najmä v tom, že geostacionárna družica snímkuje zemskú pologuľu z jedného miesta (36000km nad
rovníkom a definovaným poludníkom) v pravidelných časových intervaloch (15 alebo 5 minút) a polárne
družice snímkujú pás Zeme široký 1000km pozdĺž poludníkov v dlhších časových intervaloch. Polárne
družice sa s výhodou využívajú nad polárnymi oblasťami, kde geostacionárne družice nemajú výhľad.
Obrázok 5. Absorpčné pásy atmosféry v infračervenej oblasti spektra, atmosférické okná a stredné vlnové
dĺžky kanálov družíc MSG. Farebné číslice v spodnej časti obrázku indikujú číslo kanálu, spodné čierne
číslice jeho strednú vlnovú dĺžku. Širokospektrálny kanál č.12 (0,6 - 1μm) poskytuje snímky s vysokým
rozlíšením, až 1km2.
Základným prístrojom oboch družicových systémov je obrazový skener (imager), ktorý zhotovuje snímky
s vysokým rozlíšením (5 až 1 km2). Snímky sú zhotovené vo viditeľnej a infračervenej oblasti spektra,
družice MSG snímajú v 12 spektrálnych pásmach, družice EPS v 5 pásmach. Výber spektrálnych pásiem
má fyzikálne a meteorologické dôvody, ktoré si vysvetlíme na obr. 5. Graf vyjadruje priepustnosť
štandardnej atmosféry v závislosti od vlnovej dĺžky. Pásma s vysokou priepustnosťou nazývame aj
atmosférické okná. Žiarenie zemského povrchu a atmosféry s takouto vlnovou dĺžkou prechádza
atmosférou takmer bez straty intenzity. V absorpčných pásmach závisí zníženie intenzity žiarenia od
koncentrácie absorpčnej zložky (H2O, O3, CO2) vo vzduchu. Okrem toho výsledná intenzita žiarenia
50
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
smerujúceho z atmosféry smerom hore ku družici závisí aj od vertikálneho rozloženia teploty atmosféry.
Oblačnosť významne zoslabuje toto žiarenie alebo ho úplne absorbuje, takže potom družica meria iba
žiarivú teplotu hornej hranice oblačnosti a zvyšných vrstiev atmosféry nad touto oblačnosťou. Uvedené
charakteristiky prechodu IR žiarenia atmosférou a oblačnosťou sa využívajú pri vyhodnocovaní meraných
družicových údajov a pri príprave rôznych produktov: teplota hornej hranice oblačnosti, tlak na hornej
hranici oblačnosti, jej výška, typ oblačnosti, množstvo vody vo vertikálnom stĺpci, pravdepodobnosť
zrážok, teplota zemského povrchu, určenie nízkej, strednej a vysokej oblačnosti a mnohé ďalšie.
Kanály č. 5 až 11 majú ešte ďalšie využitie, a to pri
určovaní vertikálneho priebehu teploty a vlhkosti
atmosféry. Ako je zrejmé z obr. 6, každý z týchto
kanálov má maximálny príspevok v inej výškovej
(tlakovej) hladine atmosféry, pričom výška tejto
hladiny závisí od aktuálneho teplotného a
vlhkostného profilu atmosféry. Na odhad týchto
profilov z integrálnych hodnôt žiarivostí
nameraných družicou sa používajú rôzne fyzikálnoštatistické metódy. Čím viac kanálov je k dispozícii,
tým presnejší výsledok je možné dosiahnuť.
Algoritmus vyžaduje počiatočnú inicializáciu
profilov, na ktorú sa používa výstup z numerického
Obrázok 6. Normalizované váhové funkcie pre predpovedného modelu. Úlohou algoritmu je
profilov
predpovedaných
infračervené kanály MSG vyjadrujú príspevok upresňovanie
jednotlivých tlakových hladín k celkovej intenzite numerickým modelom pomocou aktuálne meraných
družicových údajov. Pre kanály z atmosférického
žiarenia na hornej hranici atmosféry.
okna platí, že maximálny príspevok žiarenia
prichádza zo zemského povrchu. Pre kanály v absorpčných pásmach sa maximum, alebo aspoň podružné
maximum nachádza tým vyššie, čím vyššie sa nachádza aj vrstva absorpčného plynu. Podružné maximum
pozorujeme pri kanáli č. 8 (tyrkysová čiara na obr. 6), nad tlakovou hladinou 100hPa. Teplotné a vlhkostné
profily získavané týmto spôsobom sa v meteorológii využívajú na výpočet rôznych indexov, indikujúcich
také zvrstvenie atmosféry, ktoré podmieňuje vznik a vývoj búrkovej oblačnosti. Tieto indexy sú dôležité
najmä pri krátkodobej predpovedi veľmi silných búrok, ktoré sú sprevádzané ničivými prejavmi počasia
na zemskom povrchu (nárazový vietor, krúpy, silné lejaky).
RGB kompozície družicových snímok
Čím väčší počet spektrálnych kanálov skener družice má, tým viac informácie o atmosfére a oblačnosti
poskytuje. Pre efektívne využívanie tak veľkého množstva informácií sa v praxi osvedčili RGBkompozície. Sú to farebné snímky, zostavené kombinovaním jednotlivých spektrálnych kanálov alebo ich
rozdielov. Jednotlivé snímky sú použité ako základné farebné vrstvy R, G a B (červená, zelená modrá) vo
výslednej snímke. Tieto špeciálne RGB-produkty umožňujú rozpoznávať vzduchové hmoty, zvrstvenie
oblačnosti, relatívnu veľkosť hydrometeorov a ich fázu (kvapalná/tuhá). Príklady najpoužívanejších RGBproduktov sú zobrazené na obr. 7. Kým napr. produkt Natural Colours ukazuje v oblastiach bez oblačnosti
zreteľne hustotu vegetácie, produkt Airmass oddeľuje teplé a vlhké vzduchové hmoty (zelená na juhu) od
studených a suchých, modrá farba predstavuje zvýšenú koncentráciu stratosférického ozónu. Produkt Day
Solar odlišuje sýtou červenou farbou snehovú pokrývku od oblačnosti obsahujúcej ľadové kryštáliky
zobrazené oranžovou, svetlá modrá v pravej časti snímky ukazuje na zemský povrch prehriaty slnečným
žiarením. Produkt HRV Near Natural poskytuje nielen detailný pohľad na vlnovú oblačnosť na severe
Čiech vo vysokom rozlíšení, ale oddeľuje tiež farebne nízku oblačnosť a hmly na juhu Rakúska od
tyrkysovej snehovej pokrývky na hrebeňoch Álp. Oblaky z ľadových kryštálikov sú v tomto produkte
zobrazené svetlomodrou farbou.
Záver
Dištančné merania poskytujú nenahraditeľné zdroje informácií o atmosfére Zeme. Tieto informácie
využívajú meteorológovia pri analýze aktuálneho stavu počasia, pri zostavovaní veľmi krátkodobej
predpovede (nowcasting) a najmä pri vydávaní výstrah pred nebezpečnými poveternostnými javmi. Najmä
v letnom období sú to silné búrky, elektrické výboje, lejaky, nárazový vietor. Ale aj v zimnom období
51
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
pomáhajú radary pri meraní úhrnov zrážok, družicové snímky pri monitorovaní výskytu hmiel, nízkych
teplôt, orkánov alebo dýzových prúdení spojených so silnými veternými smršťami.
Obrázok 7.
Najčastejšie používané RGB-produkty v meteorologickej praxi – Natural Colours (vľavo hore), Day Solar (vpravo
hore), Airmass (vľavo dolu) a HRV Near Natural (vpravo dolu).
Snímková forma rádiolokačných a družicových údajov nie je vhodná pre prípravu predpovede počasia.
V posledných rokoch sa tieto údaje prispôsobujú - transformujú na hodnoty premenných v numerických
predpovedných modeloch. Proces prispôsobovania sa nazýva asimilácia. Takto sa dištančné merania
atmosféry priamo podieľajú pri inicializácii modelov a výrazne prispievajú k zvyšovaniu kvality
a úspešnosti meteorologických predpovedí počasia.
Literatúra
Ronald E. Rinehart, 1992: Radar for meteorologists. Department of Atmospheric Sciences, University of North Dakota, USA,
334 strán, 43 obrázkov, 6 tabuliek.
Ján Feranec a kolektív, 2010: Slovensko očami satelitov. VEDA, vydavateľstvo Slovenskej akadémie vied, Bratislava, 263 s.
M. Jurašek, J. Kaňák, D. Kotláriková, 2009: História družicových meteorologických pozorovaní V Slovenskom
hydrometeorologickom ústave. Životné prostredie zväzok 43, č. 4, strany 208-211.
J. Kaňák, R. Habrovský, 2009: Možnosti včasnej detekcie silných búrok s využitím meteorologickej družice MSG. Životné
prostredie zväzok 43, č. 4, strany 227-229.
52
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Spektroskopická metóda merania stratosférického ozónu
Oliver Mišaga
Aerologické a radiačné centrum SHMÚ Poprad – Gánovce, [email protected]
Úvod
Ozón je nestabilná trojatómová molekula kyslíka (O3), ktorá vzniká hlavne vo vysokých vrstvách
atmosféry fotodisociáciou bežného dvojatómového kyslíka, pôsobením ultrafialového (UV) slnečného
žiarenia s vlnovými dĺžkami menšími ako 242 nm. V menšej miere vzniká ozón aj v prízemnej vrstve
fotodisociáciou ďalších plynov, predovšetkým NO2. Ozón je takto prirodzenou súčasťou zemskej
atmosféry, v ktorej sa začal vyskytovať súbežne s rastúcou koncentráciou O2 zhruba pred 3 miliardami
rokov. Dôležitou vlastnosťou ozónu je absorpcia UV žiarenia, predovšetkým v UV-C oblasti (100–280
nm) a UV-B (280–320 nm), v ktorej sa ozón rozkladá a znovu vytvára dvojatómovú molekulu O2. Za
normálnych podmienok je proces vzniku a rozkladu ozónu v atmosfére v rovnováhe a vedie k absorpcii
biologicky škodlivej časti slnečného spektra.
Geografické a výškové rozloženie koncentrácie O3 je vplyvom atmosférickej cirkulácie a rozdielmi
v dopade slnečného žiarenia značne odlišné. Množstvo ozónu sa výrazne mení aj s nadmorskou výškou a
so zemepisnou šírkou. Najvyššie koncentrácie ozónu (až 90%) sú v stratosfére, vo výškach od 15 km
(polárne oblasti) až do 25 km (tropické pásmo). Tu zohráva tento stratosférický ozón ochrannú úlohu
a označuje sa ako „ozónová vrstva“. Zvyšok (asi 10%) sa nachádza v spodnej troposfére, kde tvorí hlavnú
zložku fotochemického smogu. Troposférický ozón má negatívne biologické účinky pre vegetáciu a živé
organizmy.
Základné parametre ozónovej vrstvy
(
Obrázok 1.
Vysvetlenie Dobsonove jednotky.
Fyzikálny stav ozónovej vrstvy charakterizujú predovšetkým dva
základné parametre. Je to vertikálne rozloženie koncentrácie ozónu v
atmosfére (ozónový profil) a celkový obsah ozónu v atmosfére
celkový ozón). Ozónový profil charakterizuje množstvo
(koncentráciu) ozónu v zmesi atmosférických plynov v rôznych
výškach nad zemským povrchom. Vertikálna štruktúra ozónovej
vrstvy sa obvykle popisuje profilom parciálneho tlaku ozónu
v milipascaloch (mPa). Meranie vertikálnych profilov je dôležité
predovšetkým pre štúdium vplyvu regionálnych cirkulačných
podmienok a termodynamických procesov na zmeny v ozónovej
vrstve v spodnej stratosfére. Celkový ozón vyjadruje obsah ozónu v
stĺpci atmosféry s jednotkovou plochou základne medzi zemským
povrchom a vonkajšou hranicou atmosféry. Najčastejšie sa
vyjadruje ako geometrická hrúbka vrstvy, ktorú by ozón vytvoril,
pokiaľ by bol v tomto stĺpci stlačený pri teplote 15 °C na tlak
1013 hPa (štandardný tlak atmosféry na hladine mora).
Najpoužívanejšou jednotkou pre celkové množstvo ozónu
v atmosfére je Dobsonova jednotka (DU), ktorá sa rovná 0,001cm
čistého ozónu v štandardnej atmosfére.1 DU tak reprezentuje vrstvu
ozónu hrúbky 0.01milimetra. Napríklad celkový ozón 300 DU
predstavuje ozónovú vrstvu o hrúbke iba 3 mm (obr.1). Meranie
celkového ozónu slúži hlavne k popisu geografického rozloženia
hrúbky ozónovej vrstvy a k sledovaniu ich dlhodobých zmien
v rôznych zemepisných šírkach.
Spôsoby merania stratosférického ozónu
Množstvo ozónu v atmosfére možno monitorovať napr. prístrojmi
z
Meranie množstva ozónu v atmosfére. pozemných staníc, leteckým prieskumom, rádiosondážnymi
meraniami pomocou meteorologických balónov a zo satelitov (obr.
Obrázok 2.
53
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
2). Niektoré metódy merania sú založené na lokálnej analýze vzoriek vzduchu, využívajú napr. chemické
reakcie s ozónom. Iné metódy spočívajú v diaľkovej detekcii pomocou špeciálnych optoelektronických
prístrojov. Tieto prístroje používajú na analyzovanie ako zdroj slnečné svetlo alebo laserové lúče,
mikrovlnové technológie a podobne. Skutočnosť, že sa ozónová vrstva nachádza v ťažko dostupných
výškach spočiatku dlho neumožňovala spoľahlivé meranie jej vlastností. Skôr, než mohli vedci priamo
analyzovať vzorky vzduchu z vysokých vrstiev atmosféry, boli nútení uskutočňovať diaľkovú detekciu
ozónovej vrstvy iba pomocou metód atmosférickej spektrofotometrie. Pri tomto meraní sa vyhodnocuje
zoslabenie ultrafialového slnečného žiarenia na vlnových dĺžkach, ktoré ležia v absorpčnej oblasti ozónu.
Používa sa na určenie celkového množstva ozónu, ale aj pri meraní koncentrácie prízemného
(troposférického) ozónu.
Pozemné spektrometrické merania celkového ozónu
Najčastejšie používanými pozemnými prístrojmi v súčasnosti sú Dobsonov a Brewerov ozónový
spektrofotometer. Okrem uvedených dvoch základných typov spektrofotometrov používaných na väčšine
staníc GO3OS bolo skonštruovaných ešte niekoľko ďalších prístrojov na meranie celkového ozónu. Ich
praktické použitie však zostalo len veľmi obmedzené alebo pre ne neboli definované štandardné
prevádzkové a kalibračné normy.
Dobsonov spektrofotometer – základný popis a funkcie
Od objavenia ozónu Ch. Schönbeinom v r.
1840 prešlo viac ako 80 rokov, aby v roku
1924 G. Dobson skonštruoval prvý
spoľahlivý prístroj na meranie celkového
ozónu – Dobsonov spektrofotometer. Tento
prístroj pomocou svojho optického systému
rozkladá slnečné žiarenie dopadajúce na
zemský povrch a z ultrafialovej časti jeho
spektra vyberá fixné dvojice vlnových dĺžok
so silnou a slabou absorpciou ozónom.
Elektrický
signál
generovaný
na
fotonásobiči zodpovedá intenzitám žiarenia
Obrázok 3.
prenášaného na obidvoch vlnových dĺžkach.
Dobsonov spektrofotometer č. D074 používaný v ČHMÚ (SOO Ich porovnaním v matematickom modeli,
Hradec Králové) na meranie celkového atmosférického ozónu.
ktorý popisuje prenos žiarenia v atmosfére,
možno určiť celkové množstvo ozónu vo vertikálnom stĺpci atmosféry medzi zemským povrchom a
vonkajšou hranicou atmosféry. Táto metóda sa všeobecne nazýva DAT (Differential Optical Technique).
Dobsonov spektrofotometer sa postupne stal najrozšírenejším prístrojom na meranie celkového ozónu,
ktorý sa po modernizácii elektronického systému celosvetovo používa až do dnešnej doby. Jeho presnosť
dosahuje 1% pri meraní na priamom slnečnom žiarení a 2–3 % pri použití rozptýleného žiarenia z
oblačnosti. V súčasnosti je v Globálnom ozónovom monitorovacom systéme GO3OS (Global Ozone
Observing System) programu GAW (Global Atmosphere Watch) Svetovej meteorologickej organizácie v
prevádzke zhruba 90 týchto prístrojov. Dobsonov spektrofotometer (obr. 3) je manuálne ovládaný dvojitý
monochromátor (zariadenie prepúšťajúce len veľmi úzku časť spektra, ktorého vlnovú dĺžku možno meniť
a zosilovať), ktorý rozkladá dopadajúce slnečné žiarenie pomocou optických hranolov. Celý optický a
elektronický systém je uložený v masívnom liatinovom korpuse z kovovej zliatiny s minimálnou tepelnou
rozťažnosťou. Spektrofotometer je umiestnený na pohyblivej platforme alebo na vozíku a je chránený
termoizolačným krytom. Teplota prístroja sa meria vnútorným teplomerom. Lúče priameho slnečného
žiarenia sú nasmerované do prístroja optickým tubusom SD, pod ktorým je umiestnený kremenný difúzor.
Z ultrafialovej časti vytvoreného spektra sú sústavou fixných štrbín a clon vybraté 3 páry vlnových dĺžok
označené A, C, D so silnou (λ1) a slabou (λ2) absorpciou ozónom. Intenzity ich spektrálneho toku I1 a I2
vytvárajú na fotodióde elektrický signál, ktorý je detekovaný vonkajším mikroampérmetrom MA. Vlnové
páry λ1, λ2 a im prislúchajúce absorpčné koeficienty ozónu α a atmosférického rozptylu β sú definované v
Bass-Paurovej škále v tab. 1.
54
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Nastavenie vlnových párov A, C, D oproti
štrbinám sa uskutočňuje pomocou pohybliDobsonov spektrofotometer: vlnové páry λ1, λ2 a im prislúchajúce
vých hranolov ovládaných vonkajšími
absorpčné koeficienty ozónu α a atmosférického rozptylu β.
posuvnými ramenami Q1 a Q2. Ich pozícia
je definovaná na základe aktuálnej teploty
prístroja kalibračnou tabuľkou. V priebehu
merania je spektrálna intenzita I2 na
ozónom menej absorbovanej vlnovej dĺžke
λ2 umelo zoslabená posuvnými absorpčnými klinmi tak, aby sa vyrovnala intenzite I1.
Tento rovnovážny stav je indikovaný
rovnakým elektrickým signálom vytváraným na fotodióde. Poloha absorpčných klinov je určená na
stupnici ovládacieho kotúča OK hodnotou R, ktorá je ekvivalentná množstvu celkového ozónu v atmosfére
a ktorá je potom jedným zo základných vstupných údajov pre výpočet celkového ozónu.
Tabuľka 1.
Brewerov ozónový spektrofotometer – popis prístroja, merania
V posledných rokoch je Dobsonov spektrofotometer postupne nahradzovaný modernejším Brewerovým
mriežkovým ozónovým spektrofotometrom (obr. 4), ktorý má rovnakú triedu presnosti, je taktiež založený
na princípe DAT meraní pomocou pasívnej atmosférickej spektroskopie, ale na určenie celkového ozónu
používa väčšie množstvo vlnových dĺžok získaných skenovaním spektrálnej intenzity v UV-B časti
slnečného spektra. Prístroj je plne automatizovaný, riadený 8-bitovým počítačom a naviac umožňuje
presné spektrálne merania slnečného žiarenia v UV-B oblasti. Určitou prekážkou v širšom použití prístroja,
predovšetkým v rozvojových krajinách, je technologicky náročný a drahý servis týchto spektrofotometrov.
I napriek tomu bolo do roku 2011 vyrobených a rozmiestnených po svete viac než 200 týchto prístrojov.
Brewerov spektrofotometer je
jednoduchý
alebo
dvojitý
monochromátor, ktorý rozkladá
dopadajúce priame alebo rozptýlené
slnečné žiarenie po-mocou mriežky.
Prístroj pozostáva z troch hlavných
častí: z prednej optiky, mriežkového
spektrometra a fotonásobiča (obr.
Obrázok 4.
5). Je uzavretý vo vodo-tesnom a
Brewerov ozónový spektrofotometer vyhrievanom puzdre, do ktorého
MKIV č. 097 na stanici SHMÚ Poprad – preniká slnečné žiarenie vstupným
Gánovce a jeho pracovné vlnové dĺžky. preskleným
otvorom.
Spektrofotometer je umiestnený na
automatickom nosiči a na stabilnej
trojnožke, ktorý počas dňa neustále sleduje azimut slnka. Pohyb nosiča a jednotlivých častí optického
systému umožňujú krokové motorčeky ovládané riadiacim PC umiestneným v miestnosti mimo
spektrofotometra. Počítač rovnako sníma a registruje merané údaje a realizuje výpočet celkového O3 a
SO2. Predná optika upravuje vlastnosti žiarenia, ktoré vstupuje cez vstupnú štrbinu do spektrometra.
Vstupný pravouhlý hranol sa podľa zvoleného typu merania otáča tak, aby zdrojom žiarenia bolo priame
slnečné žiarenie (typ Direct-Sun), rozptýlené žiarenie z výseku oblohy okolo zenitu vymedzeného
priestorovým uhlom 10° (typ Zenith-Sky), žiarenie dopadajúce na teflónový difúzny disk z priestorového
uhla 2π (typ UV-B), žiarenie vstavanej kalibračnej ortuťovej lampy (typ HG test). Irisová clona upravuje
šírku zväzku, sústava filtrov intenzitu a polarizáciu žiarenia. Žiarenie, ktoré vnikne cez vstupnú štrbinu do
spektrometra je zrkadlom usmernené na optickú mriežku na odraz s hustotou 1200 vrypov/mm. Z
ultrafialovej časti takto vytvoreného spektra je sústavou štrbín v rotujúcej maske vybraných 5 vlnových
dĺžok λ1 … λ5 (viď tabuľku 2) s rôzne ovplyvnených absorpciou ozónom. Správna poloha spektra na
výstupných štrbinách sa dosahuje otáčaním mriežky pomocou mikrometrickej skrutky a kontroluje sa pri
každej zmene vnútornej teploty prístroja o 2°C pomocou testu ortuťovou lampou. Nízkošumový
fotonásobič prístroja potom meria počet fotónov F, ktoré dopadajú na povrch na týchto vlnových dĺžkach
po prechode atmosférou.
55
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Obrázok 5.
Schematický pohľad na hlavné časti Brewerovho spektrofotometra.
Vzťah medzi intenzitou monochromatického žiarenia a spočítaným množstvom kvánt žiarenia je
pomerne zložitý a je daný i technickými parametrami prístroja. Do výpočtu na určenie celkového
množstva ozónu vstupuje známe žiarenie pre štyri najväčšie vlnové dĺžky (F3 až F6) a vlnová dĺžka 306,3
nm silno ovplyvnená absorpciou ozónom. Štrbina pre žiarenie s najmenšou vlnovou dĺžkou 303,2 nm slúži
na kalibrovanie správnej polohy mikrometra pomocou ortuťovej lampy. Na určenie celkového
množstva ozónu sa používa meranie priameho slnečného žiarenia s uvedenými vlnovými dĺžkami. Merané
počty fotónov pre jednotlivé vlnové dĺžky sa korigujú na teplotu a na tzv. dead-time (čas potrebný
k dosiahnutiu nulového signálu na fotonásobiči). Z celkovej optickej hrúbky atmosféry pre jednotlivé
vlnové dĺžky žiarenia sa ďalej odčíta optická hrúbka atmosféry pre Rayleighov (molekulový) rozptyl.
Extraterestriálna konštanta a absorpčné koeficienty pre ozón a SO2 použité vlnové dĺžky sú prístrojovo
závislé hodnoty.
Výpočet celkového ozónu vychádza z použitia Lambert-Beerovho zákona, ktorý v prípade Brewerovho
spektrofotometra vedie k odvodeniu týchto vzťahov pre výpočet O3 :
O 3=
M 9− F 0 
,
 
kde použité symboly znamenajú:
F(2) … F(6) je počet fotónov nameraných fotonásobičom na vlnových dĺžkach λ1 … λ5
F0 je tzv. extraterestriálna konštanta prístroja, ktorá je kalibračnou konštantou spektrometra (ETC)
M(4) = F(5) - F(2)
M(5) = F(5) - F(3)
M(6) = F(5) - F(4)
M(7) = F(6) - F(5) )
M(8) = M(4) - 3,2 M(7) pre výpočet SO2
M(9) = M(5) - 0,5 M(6) - 1,7 M(7)
µ je relatívna dráha slnečného žiarenia pri prechode ozónovou vrstvou, vypočítaná z dátumu, času
merania a z geografických súradníc stanice.
Δα je konštanta daná lineárnou kombináciou absorpčných koeficientov ozónu na vlnových dĺžkach λ 1 …
λ5 v Bass-Paur škále.
56
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Kalibrácia prístrojov
Na mnohých staniciach sú oba typy spektrofotometrov používané súbežne, z dôvodu zaistenia
homogenity dátových radov celkového ozónu po výmene prístrojov. Dôležitým predpokladom presného
merania celkového ozónu je pravidelná kalibrácia prístrojov používaných v sieti GO3OS. Na tento účel
boli zriadené svetové kalibračné centrá vybavené referenčnými prístrojmi – pre Dobsonove
spektrofotometre v Boulderi (USA) a pre Brewerove v Toronte (Kanada). Voči týmto štandardom, ktoré sú
nositeľmi kalibračných škál, sa porovnávajú prístroje zo staníc globálnej siete. Tým je celosvetovo
zaručená kontinuita a stabilita presnosti a porovnateľnosti meraní stavu ozónovej vrstvy a spoľahlivosť
určovania dlhodobých trendov. Na pracovisku ARC Gánovce sa na meranie celkového ozónu používa
Brewerov spektrofotometer – B097, model MK-IV od 18.08.1993. Prístroj bol dodaný výrobcom
v kalibrovanom stave s certifikátom v Bass-Paur škále naviazanom na svetový etalón (štandard), ktorým je
referenčná trojica spektrofotometrov. Je kalibrovaný pravidelne každé dva roky pomocou kontrolného
(cestovného) etalónu.
Literatúra
Závodská, E., Závodský, D., 1991: Atmosférický ozón. SBS pri SAV, Bratislava, 89 strán.
Brewer MKIV spectrophotometer – Operator’s Manual, 1993. SCI-TEC Instruments Inc., Saskatoon, Canada.
57
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Základy spektroskopie
Theodor Pribulla
Astronomický ústav SAV, 059 60 Tatranská Lomnica
Úvod
Elektromagnetické žiarenie je hlavným zdrojom informácii o kozmických objektoch. Pri ich výskume sa
využívajú tri hlavné techniky: fotometria, polarimetria a spektroskopia. Fotometria je presné meranie
celkovej intenzity žiarenia v určitom rozsahu vlnových dĺžok zvyčajne vymedzenom filtrom alebo
citlivosťou prístroja. Polarimetria skúma stupeň a druh polarizácie svetla. Asi najkomplexnejšie informácie
charakterizujúce zdroje žiarenia môžeme získať spektroskopicky. Vo všeobecnosti pod spektroskopiou
rozumieme náuku ktorá sa zaoberá interakciou elektromagnetického žiarenia a látky a rozborom svetla
dokáže látku skúmať. Spektrum zdroja žiarenia je závislosť intenzity jeho vyžarovania od vlnovej dĺžky.
Spektrum rozlišujeme čiarové a kontinuálne (spojité). Zariadenie, ktorá nám umožňuje rozložiť biele alebo
integrálne svetlo na „jednotlivé“ vlnové dĺžky nazývame spektrograf. Analýzou získaného spektra je
potom možné spoľahlivo zistiť teplotu žiariaceho objektu, jeho chemické zloženie, makroskopický pohyb.
Elektromagnetické žiarenie kozmických objektov je zvyčajne tepelného pôvodu (čiže popísané žiarením
absolútne čierneho telesa a teda Planckovou funkciou), ale pozoruje sa aj synchrotrónové žiarenie, ktoré
vzniká pohybom elektrónov v magnetických poliach. V medzihviezdnych molekulárnych mračnách bolo
zistené aj žiarenie vyvolané stimulovanou emisiou (podobne ako pri pozemských MASER-och).
Elektromagnetické žiarenie je možné rozkladať do spektra od rádiovej až po röntgenovú oblasť. Pri
pozorovaní zo Zeme, je žiarenie kozmických objektov s vlnovými dĺžkami pod zhruba 280nm úplne
pohltené atmosférou a nie je ho možné pozorovať. Preto sa v ďalšom texte sa zameriam na spektroskopiu
vo vizuálnej oblasti a blízkej infračervenej oblasti.
Spektrograf
Asi najjednoduchším zariadením, ktoré dokáže rozložiť svetlo je optický hranol. Pomocou neho už v 17.
storočí Isaac Newton zistil, že biele svetlo sa skladá z viacerých farieb.
Základnými komponentami moderného spektrografu sú (pozri obr. 1) vstupná štrbina, kolimátor,
difrakčná mriežka (alebo hranol), kamera a detektor, ktorým získané spektrum pozorujeme (môže to byť
oko za okulárom). Vstupná štrbina je v prípade astronomických pozorovaní umiestnená v ohnisku
ďalekohľadu a vymedzuje svetlo objektu, ktorý chceme skúmať. Úlohou kolimátora je vytvoriť
z rozbiehavého zväzku lúčov rovnobežný, ktorý je potom difrakčnou mriežkou rozložený na spektrum. To
je zobrazené na detektor takzvanou kamerou. Pritom kamera aj kolimátor sú spojné optické sústavy.
Kamera je zvyčajne zložená z viacerých
optických členov, keďže po rozklade svetla
optickou mriežkou je nutné zobraziť aj lúče, ktoré
sa nachádzajú ďaleko od optickej osi. Ako
kolimátor zvyčajne stačí časť parabolického
zrkadla.
Základnými
charakteristikami
spektrografu sú spektrálne rozlíšenie a spektrálny
rozsah. Spektrálne rozlíšenie R je definované ako
pomer sledovanej vlnovej dĺžky λ a rozdielu
vlnových dĺžok, ktoré ešte rozlíšime ∆λ. Závisí
od celkového počtu vrypov mriežky, priemeru
kolimovaného lúča, veľkosti vstupnej štrbiny, ale
aj pomeru ohniskových vzdialeností kolimátora a
kamery. Spektrálne rozlíšenie volíme (najmä
Obrázok 1.
zmenou difrakčnej mriežky) podľa jasnosti
Schéma jednoduchého štrbinového spektrografu.
objektu, ktorý skúmame a podľa cieľa
spektroskopických pozorovaní. Asi najdôležitejším členom spektrografu je optická mriežka.
V najjednoduchšom prípade sa jedná sa o sústavu rovnobežných vrypov vyrytých na pokovenú sklenú
platničku, ktoré prepúšťajú svetlo. Okrem týchto mriežok na prechod sa používajú aj mriežky na odraz.
Podľa spôsobu výroby rozlišujeme mriežky holografické a rezané na deliacom stroji. Interferencia
58
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
a difrakcia svetla ktoré prechádza vrypmi spôsobuje, že biele svetlo je rozložené. V nultom interferenčnom
ráde majú maximum všetky vlnové dĺžky, takže svetlo nie je rozložené. Vrypy majú často špeciálny tvar
tak, aby maximum intenzity rozloženého svetla nebolo v nultom ráde alebo vo vyššom ráde. Vtedy
hovoríme o fázových mriežkach. Z hľadiska pokrytej spektrálnej oblasti rozlišujeme tzv. longslit
spektrografy (z anglického dlhá štrbina) a échelle spektrografy. Longslit spektrografy pracujú obvykle v
prvom alebo druhom ráde, dosahujú rozlíšenie R < 20000 a zvyčajne zaznamenávajú malú časť spektra.
Sledovanú oblasť pri tomto type spektrografov meníme naklonením difrakčnej mriežky. Na druhej strane,
échelle spektrografy pracujú vo vysokom ráde (zvyčajne 20-100), dosahujú rozlíšenia 20000-100000 a
umožňujú zachytiť aj celé vizuálne spektrum objektu pri vysokom rozlíšení. Keďže sa zaznamenáva
niekoľko rádov súčasne a tieto sa na detektore prekrývajú, je ich nevyhnutné dodatočným disperzným
členom rozdeliť. Tu je možné použiť mriežku s malým počtom vrypov, optický hranol alebo tzv. grism (čo
je kombinácia hranola a optickej mriežky, z anglického grating + prism). Špeciálnu skupinu spektrografov
tvoria prístroje, ktoré využívajú Fourierovu transformáciu. Pri nich nie je celé spektrum zaznamenávane
súčasne ale je scanované podobne ako pri spektrofotometroch (napr. Brewerov spektrofotometer
používaný na meranie slnečného UV žiarenia). Štrbina spektrografu môže byť priamo v ohnisku
ďalekohľadu alebo svetlo môže byť do spektrografu privádzané optickým vláknom. Druhá konfigurácia sa
používa nielen v astronómii ale často aj pri spektrálnej analýze vzoriek v laboratóriu. Výhodou optického
vlákna je, že spektrograf môže byť umiestnený v klimatizovanej miestnosti a nie je vystavený
mechanickému namáhaniu a tepelným zmenám ako v prípade jeho umiestnenia do ohniska ďalekohľadu.
Okrem horeuvedených častí musí každý spektrograf obsahovať kalibračné lampy, ktoré umožnia presne
definovať vlnové dĺžky snímaného spektra a takisto zistiť rozdiely citlivosti jednotlivých pixelov CCD
detektora. Na kalibráciu vlnových dĺžok sa používajú výbojky s dutou katódou, ktoré sú naplnené plynom
s nízkym tlakom. Prechodom elektrického prúdu takouto lampou vzniká čiarové spektrum spôsobené
prechodmi elektrónov medzi rôznymi energetickými hladinami. Vlnové dĺžky tohto porovnávacieho
spektra sú presne známe a umožňujú nájsť transformáciu medzi pixelom na CCD detektore a vlnovou
dĺžkou. Aby sme mali k dispozícii dostatočný počet spektrálnych čiar dobre pokrývajúcich sledovanú
spektrálnu oblasť často je výbojka naplnená dvoma plynmi (napr. Fe-Ar, He-Ne, Th-Ar a podobne).
Rozdielnu citlivosť pixelov môžeme opraviť jeho osvetlením zdrojom spojitého žiarenia (zvyčajne
obyčajná žiarovka). Dôležitou súčasťou spektrografu je detektor. V najjednoduchšom prípade to môže byť
ľudské oko (potom je treba za kameru umiestniť okulár), v minulosti sa používala fotografická platňa, v
súčastnosti je to najmä CCD kamera (v niektorých zariadeniach sledujúcich napr. UV oblasť žiarenia sa
stále používa fotonásobič).
Z horeuvedeného je zrejmé, že spektrograf je komplikované a zvyčajne veľmi nákladné zariadenie.
Navrhovanie spektrografov ja takisto značne zložité a ich parametre musia byť prispôsobené ďalekohľadu
(obvykle svetelnosť ďalekohľadu je rovná svetelnosti spektrografu). V prípade hviezdnej spektroskopie
navyše zápasíme s nedostatkom fotónov a preto sú spektrografy k dispozícií len pri stredných a veľkých
ďalekohľadoch (zvyčajne s hlavným zrkadlom o priemere aspoň 1-1.5 metra). Nedostatok svetla je
dôsledkom toho, že narozdiel od fotometrie, kde meriame celkovú intenzitu svetla v relatívne širokom
rozsahu vlnových dĺžok (zvyčajne okolo 100 nm pre vizuálnu oblasť), pri spektroskopii potrebujeme
zaznamenať dostatočný počet fotónov v úzkych spektrálnych intervaloch (zvyčajne 0.01 - 0.1 nm).
Presnosť merania je v prvom priblížení určená počtom zachytených fotónov (relatívna chyba pozorovania
je Ν−1/2).
V prípade pozemských pozorovaní spektrálny rozsah väčšiny spektrografov je vizuálna oblasť spektra
(cca 380-700 nm). Je to dané nielen priepustnosťou atmosféry ale aj citlivosťou bežných CCD chipov.
Pozorovania v infračervenej oblasti sú možné len v takzvaných atmosferických oknách.
Z astrofyzikálneho hľadiska sú však veľmi dôležité (napr. detekcia substelárnych objektov ako sú hnedí
trpaslíci), ale sú komplikované aj samotným vyžarovaním spektrografu, oblohy a ďalekohľadom a
nevyhnutnosťou chladiť CCD chip na teploty pod cca 60 K. Preto je dnes k dispozícii len niekoľko málo
infračervených spektrografov. Pozorovania v UV oblasti sú limitované atmosférou Zeme. Pre vlnové dĺžky
pod 280nm už atmosféra elektromagnetické žiarenie prakticky neprepúšťa kvôli spojitej absorpcii molekúl
kyslíka a ozónu. Navyše, UV žiarenie pod cca 400nm je úplne pohlcované bežným optickým sklom, preto
spektrografy pracujúce v UV oblasti zvyčajne neobsahujú šošovky, ale zrkadlá. Sklo je nahradené taveným
kremeňom alebo fluoritom.
59
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Hviezdne spektrá
Spektrum hviezd je kombinácia spojitého žiarenia približne zodpovedajúceho žiareniu absolútne čierneho
telesa a nespojitého spektra, čiže spektrálnych čiar spôsobených prechodmi elektrónov medzi
energetickými hladinami. Pritom hovoríme o absorpčných (tmavé čiary na pozadí spojitého spektra) a
emisných čiarach (jasné čiary na spojitom spektre). Najvýraznejšie absorpčné čiary slnečného spektra
nazývame Fraunhoferove čiary. Vo vizuálnom spektre Slnka dominuje Balmerova séria vodíka, ktorá
vzniká prechodom medzi druhou energetickou hladinou a vyššími energetickými hladinami.
Najvýraznejšia je čiara Hα (656.3 nm) vznikajúca prechodmi elektrónu medzi druhou a treťou
energetickou hladinou. Prechody medzi druhou a vyššími energetickými hladinami spôsobujú fotóny
s postupne vyššími energiami. Elektrón na druhej energetickej hladine je ionizovaný fotónmi s vlnovými
dĺžkami kratšími ako 367 nm. Preto v spektre Slnka (a väčšiny hviezd) pozorujeme náhly pokles intezity
spojitého spektra (Balmerov skok). V spektre Slnka pozorujeme niekoľko ďalších silných čiar vyvolaných
prechodmi elektrónov v obaloch iných prvkov v rôznych ionizačných stupňoch. Také sú dublet
neutrálneho sodíka Na I D1 a D2 (589.0 a 589.6 nm), dublet ionizovaného vodíka (Ca II H a K, 393.3 a
396.8 nm). Pri Slnku už pozorujeme aj množstvo čiar vznikajúcich v kovoch (v hviezdnej astrofyzike
nazývame kovmi všetky prvky okrem vodíka a hélia), najmä Fe, Mg, Ti. Celkový vzhľad hviezdneho
spektra silno závisí najmä na teplote hviezdnej fotosféry, menej na obsahu kovov (metalicite) a tlaku vo
fotosfére. Silná závislosť intenzity čiar je spôsobená štatistickým rozložením elektrónov do rôznych
energetických hladín a rozdielnou pravdepodobnosťou prechodov medzi týmito hladinami. Celkový
vzhľad spektier hviezd a výskyt čiar prvkov v rôznych stupňoch ionizácie je základom pre spektrálnu
klasifikáciu hviezd (pozri obr. 2). Základné spektrálne typy normálnych hviezd sú OBAFGKM, pričom
teplota klesá k spektrálnemu typu M. Veľmi chladné objekty (napr. hnedí trpaslíci) majú spektrálne typy
LT a Y. V spektrách najhorúcejších typov O (> 35000 K) a B (20000-30000 K) pozorujeme čiary viackrát
ionizovaných kovov a čiary neutrálneho a ionizovaného hélia, čiary neutrálnych kovov sú veľmi slabé. Pre
spektrálny typ A (12000-9000 K) je typická Balmerova séria, pri neskorších spektrálnych typoch narastá
množstvo a intenzita čiar kovov, pričom Balmerova séria vodíka sa stáva postupne menej výraznou. Pri
najchladnejších hviezdach s teplotami fotosféry pod 3000-4000 K začínajú dominovať absorpčné pásy
molekúl a to najmä TiO a VO. Okrem výskytu čiar rôzne excitovaných prvkov a s elektrónmi v rôznych
energetických hladinách teplota hviezdnej fotosféry určuje celkové rozdelenie intenzity spektra. V hrubom
priblížením môžeme hviezdne fotosféry aproximovať žiarením absolútne čierneho telesa. Rozdelenie
Obrázok 2.
Jednorozmerná spektrálna klasifikácia hviezd. Hlavné spektrálne typy OBAFGKM sú rozdelené do podtried
0-9. Názov objektu je daný na pravej strane.
intenzity potom závisí len na teplote (Planckov zákon) a maximum intenzity vyžarovania je dané
Wienovým posuvným zákonom: čím je teplota fotosféry vyššia, tým sa posúva maximum vyžarovania
viac do fialovej oblasti. Vzhľad spektra je v menšej miere ovplyvnený tlakom v hviezdnej atmosfére. Ten
je najvyšší vo fotosférach bielych trpaslíkov, nižší pri Slnku (a iných trpaslíkoch) a najnižší v obroch a
nadobroch. Tlak v atmosfére je pri rovnakej hmotnosti nepriamo úmerný druhej mocnine jej polomeru.
60
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Kombináciou teploty a polomeru vieme odhadnúť triedu svietivosti objektu.
Vzhľad spektra a množstvo informácií ktoré môžeme jeho analýzou získať silno závisí na rozlíšení
spektrografu (R), na pomere signálu k šumu (S/N) a takisto na spektrálnom rozsahu nášho prístroja.
Spektrá s malým rozlíšením (R = 300 - 1000) pokrývajúce celú viditeľnú a blízku ultrafialovú oblasť sa
využívajú na spektrálnu klasifikáciu, čiže približné zistenie teploty a svietivosti objektu. Spektrá s
vysokým rozlíšením (R > 10000) sa využívajú na presnejšie zistenie chemického zloženia tlaku, teploty vo
fotosfére, zistenie rotácie objektu, príp. na mapovanie povrchu. Vysokodisperzná spektroskopia je dôležitá
takisto na zistenie radiálnej rýchlosti čiže rýchlosti objektov v smere zorného lúča. Základným princípom
je Dopplerov jav: spektrum žiariaceho telesa, ktoré sa k pozorovateľovi približuje sa posúva do fialovej
oblasti. V prvom priblížení je relatívny posun vlnovej dĺžky čiar ∆λ/λ úmerný radiálnej rýchlosti objektu.
Presné meranie radiálnych rýchlostí malo kľúčový dopad na astrofyziku ale aj kozmológiu. Na základe
červených posunov spektier galaxií bolo zistené rozpínanie sa Vesmíru, meranie radiálnych rýchlostí
zložiek dvojhviezd umožnilo presné meraní hmotností hviezd, vysokopresné merania radiálnych rýchlostí
(s presnosťou do 1 m/s) viedlo v posledných rokoch k objavu niekoľko sto extrasolárnych planét, zisteniu
že jadrá galaxií obsahujú hmotné čierne diery. Tak, ako sa prejavuje makroskopický pohyb celkovým
posunom spektra hviezdnych objektov, Dopplerov jav spôsobuje aj rozšírenie spektrálnych čiar rotáciou
hviezd. Je to spôsobené tým, že žiarenie jednotlivých miest povrchu rotujúcej hviezdy má pre
pozorovateľa rozdielne radiálne rýchlosti. Dá sa ukázať, že radiálna rýchlosť povrchového elementu je
priamo úmerná jeho vzdialenosti od rotačnej osi v priemete na rovinu oblohy. Pozorované rozšírenie
spektrálnych čiar rotáciou je ešte ovplyvnené sklonom rotačnej osi. Spektroskopicky tento sklon
nemôžeme zistiť, preto zmeriame len projekciu rotačnej rýchlosti. Tento jav nám otvára zaujímavé
možnosti pre rotujúce objekty: bodové obrazy hviezd, ktoré nie je často možné rozlíšiť ani najväčšími
ďalekohľadmi je možné rozlíšiť spektroskopicky v jednom rozmere ak objekt dostatočne rýchlo rotuje a
spektrálne rozlíšenie prístroja je dostatočne veľké. Toto umožňuje zistiť napr. prítomnosť a polohu škvŕn
na povrchu hviezd iných ako Slnko, zistiť neradiálne pulzácie hviezd (také, kde na povrchu je jedna alebo
viac uzlových kriviek), odhadnúť okrajové stemnenie hviezd, odhaliť viacnásobné sústavy, ale aj
modelovať tesné dvojhviezdy, ktorých zložky majú deformovaný tvar. Kombinácia spektier dvojhviezd z
viacerých orbitálnych fáz (čiže Dopplerovská tomografia) nám umožňuje zistiť a interpretovať rýchlostné
polia v ich okolí a prítomnosť plynných prúdov či akréčnych diskov. Rozloženie svetla objektov
spektrografom je teda veľmi efektívna technika, ktorá nám umožňuje získať množstvo informácií o
objektoch, ktoré sa nám pri pohľade ďalekohľadom javia len ako je nerozlíšené body.
Interakcia zemskej atmosféry so žiarením kozmických objektov.
Pozorovanie vesmírnych objektov zo Zeme silno ovplyvnené a omedzené jej atmosférou. Tá spôsobuje
niekoľko efektov, ktoré musíme pri pozemskej astronómii brať do úvahy: (i) refrakcia, čiže ohyb svetla v
atmosfére, (ii) absorpcia, (iii) rozptyl svetla, (iv) scintilácia alebo chvenie sa obrazu hviezd. Všetky tieto
efekty silno závisia od vlnovej dĺžky a sú najvýraznejšie v modrej a fialovej oblasti svetla. Refrakcia svetla
ovplyvňuje aj spektroskopické pozorovania: obraz hviezdy na štrbine spektrografu je atmosférou
rozložený do krátkeho spektra. Preto musí byť štrbina spektrografu orientovaná zvisle tak, aby celé
spektrum prešlo štrbinou. Celkové pohltenie svetla na určitej vlnovej dĺžke závisí od tzv. vzdušnej hmoty,
ktorá je definitoricky jednotková v zenite a je pomerom hrúbky atmosféry v danej výške nad obzorom a
hrúbky v zenite. V prvom priblížení a pre veľké výšky nad obzorom je vzdušná hmota X= 1/sin h, kde h je
výška nad obzorom (tento vzorec presne neplatí najmä preto, že Zem je guľa). Celkové pohltenie žiarenia
v určitej spektrálnej oblasti svetla je úmerné vzdušnej hmote a tzv. extinkčnému koeficientu, ktorý klesá
do červenej oblasti svetla. Preto slabé objekty sa snažíme pozorovať v blízkosti zenitu. Absorpcia žiarenia
sa však nepozoruje len v spojitom spektre, ale je veľmi výrazná v absorpčných pásoch spôsobených
prechodmi molekúl vzduchu (napr. voda alebo kyslík) medzi rôznymi rotačnými alebo vibračnými
energetickými hladinami. Vo vysokodisperzných spektrách kozmických objektov preto pozorujeme tzv.
telurické pásy, ktoré sú zložené z veľkého množstva absorpčných čiar. Vo vizuálnej oblasti sa pozorujú v
oblastiach okolo 629 nm, 640 nm a veľmi silný pás je okolo 760 nm (v spektrách veľmi vzdialených
objektov sa prejavujú aj čiary spôsobené pohltením v medzihviezdnom prostredí, napr. čiara Na I D, alebo
Ca II H a K). Silné telurické pásy teda zabraňujú pozorovaniu hviezdneho spektra aj vo vizuálnej oblasti.
Scintilácia hviezd (ale aj pozemských objektov) je vyvolená turbulenciou vzduchu v atmosfére Zeme. Pri
pozorovaní voľným okom vidíme, že obrazy hviezd nad obzorom sa mihocú. Pri pozorovaní väčším
ďalekohľadom zistíme, že maximálne dosiahnuteľné rozlíšenie sa od určitého priemeru ďalekohľadu už
61
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
nezväčšuje. Difrakčný (Rayleightov) limit uhlového rozlíšenia ďalekohľadu vo vizuálnej oblasti
zodpovedá skutočnému rozlíšeniu pre ďalekohľady s priemerom len cca 10 cm. Rozmer obrazu hviezd
(tzv. seeing) závisí od podmienok v atmosfére (napr. rýchlosti prúdenia dýzového prúdenia), nadmorskej
výšky observatória ale aj výšky objektu nad obzorom. Aby nedochádzalo k strate rozlíšenia spektrografu,
nie je možné rozšíriť vstupnú štrbinu. Preto pri zlom seeingu dochádza k stratám svetla. Účinnosť
spektrografu sa dá zvýšiť systémami adaptívnej optiky, ktoré eliminujú vplyv turbulencie. Zvyčajne
pracujú len v blízkej infračervenej oblasti (najmä v atmosferických oknách okolo 1200, 1600 a 2200 nm).
Všetky tieto komplikácie odpadajú pri pozorovaní z družicových observatórií.
Konštrukcia jednoduchého spektrografu.
Hoci astronomický spektrograf je komplikovaný prístroj, stavba malého spektrografu je možná s pomerne
jednoduchými prostriedkami a bez väčších nákladov. Na stavbu potrebujeme papierovú škatuľu, CD nosič,
klasickú žiletku a lepiacu pásku. Vstupnú štrbinu spektrografu si vyrobíme rozlomením žiletky na dve
polovice tak, aby sme sa neporezali a zachovali nezdeformované obe ostria. Na jednom konci škatule
umiestnime polovice žiletky tak, aby medzi nimi zostala tenká štrbina. Dbáme na to, aby štrbina mala
rovnakú šírku a takisto, aby sa svetlo dostávalo do škatule len pomedzi ostria žiletiek. Z CD nosiča
vyrežeme segment z vonkajšej strany (čiže miest, kde majú stopy na CD najväčší polomer) o rozmeroch
cca 2x3 cm. Ten umiestnime na druhý koniec škatuľky (stopy na nosiči musia byť rovnobežné so
štrbinou). Na boku škatuľky vyrežeme otvor, kde budeme spektrum pozorovať. Kúsok CD natočíme tak,
aby sme otvorom v škatuli mohli pozorovať vizuálnu časť spektra. Hoci je konštrukcia spektrografu
jednoduchá, dostačuje na to, aby sme v spektre Slnka pozorovali Fraunhoferove čiary. Tento jednoduchý
prístroj nám takisto umožní analyzovať svetlo rôznych zdrojov - napr. zistiť, že zatiaľčo spektrum
žiarovky je spojité (bez žiadnych absorpčných alebo emisných čiar), spektrum žiariviek a výbojok je
čiarové. Spektrograf môžeme využiť aj na pozorovanie emisných spektier výbojok naplnených rôznymi
plynmi alebo spektra sodíka po vložení kuchynskej soli do plameňa (poznámka: viaceré detailné návody
na stavbu takéhoto spektrografu nájdeme na internete zadaním kľúčových slov spectrograph, CD a razor).
Literatúra
Gray, F.D., 2005, The Observation and Analysis of Stellar Photospheres, Cambridge University Press, tretie vydanie.
62
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Klíma Zeme, scenáre vývoja klímy v budúcnosti
Milan Lapin
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky, Univerzita Komenského, Bratislava, [email protected] ,
www.dmc.fmph.uniba.sk , www.ipcc.ch
Úvod do problematiky klimatických zmien
Pojmy a fakty súvisiace so zmenami a premenlivosťou klímy sa často dostávajú do centra pozornosti,
najmä v obdobiach s výskytom rôznych anomálii počasia v porovnaní s dlhodobými priemermi.
Vzhľadom na to, že laická (niekedy aj odborná) verejnosť nemá prehľad o dostupných dlhodobých
klimatických priemeroch a o charakteristikách variability klímy, za významné anomálie (alebo extrémy) sa
niekedy považujú prípady počasia s pomerne častým priemerným výskytom (aj menej ako raz za 10
rokov).Úlohou profesionálnych meteorológov a klimatológov je poskytovanie a rozširovanie takých
informácií o zmenách a premenlivosti klímy, ktoré majú predovšetkým seriózny štatistický základ a sú
správne klimatologicky a fyzikálne interpretované. V tejto prednáške sa venujem predovšetkým zmenám a
premenlivosti klímy v závislosti od času. Premenlivosť klimatických prvkov môže mať aj priestorovú
závislosť, vtedy však nehovoríme o zmenách a premenlivosti klímy. Priestorová premenlivosť klímy sa
môže analyzovať aj pre celú Zem.
Obrázok 1.
Schematický časový priebeh priemerov
globálnej teploty vzduchu a globálnych
úhrnov zrážok v geologických obdobiach
Zeme za 4600 miliónov rokov. Horná krivka
predstavuje odchýlky globálnej teploty
vzduchu od terajšieho dlhodobého priemeru
(hore je chladnejšie) a dolná krivka globálne
priemerné úhrny zrážok (smerom hore je menej ako terajší dlhodobý priemer za uplynulé
storočie, prevzaté z Frakes, 1979).
Definície premenlivosti klímy, kolísanie klímy a premenlivosť klímy
Meteorológia je veda o atmosfére Zeme,
jej zložení, vlastnostiach a o procesoch v
nej prebiehajúcich (zjednodušene tiež o
počasí, alebo o aktuálnom stave
atmosféry a jeho prognóze).
Klimatológia je veda o podnebí Zeme, o
súvislostiach a príčinách vzniku a zmien
určitých klimatických podmienok, o
vplyvoch klímy na objekty činnosti
človeka a naopak (zjednodušene tiež o
dlhodobom režime počasia vo vzťahu ku
geografickým podmienkam, ekosystémom a k socioekonomickej sfére).
Zmeny klímy - tento termín sa v
minulosti používal pre všetky zmeny
Obrázok 2. Príklad variability mesačných úhrnov územných súvisiace s klímou (v súčasnosti podľa
priemerov zrážok na Slovensku, 1881-2009 (SHMÚ). Zámerne je IPCC (1996) takto nazývajú už len
vynechaný rok 2010 s mimoriadnym priebehom doteraz najvyšších zmeny klímy prirodzeného charakteru,
úhrnov zrážok v SR od roku 1881.
príklad je na obr. 1).
Premenlivosť klímy - klimatické
pomery charakterizujeme stredovými, rozptylovými, trendovými a cyklickými charakteristikami
(smerodajná odchýlka a koeficient variácie je príkladom charakteristík variability). Na obr. 2 vidíme
63
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
charakteristiky premenlivosti priemerných mesačných úhrnov zrážok na Slovensku a na obr. 3 odchýlky
ročných priemerov teploty vzduchu a % ročných úhrnov zrážok v časovom rade od r. 1881.
Kolísanie klímy - prirodzené kolísanie klimatických charakteristík je dané predovšetkým solárnou
klímou (ročný chod, 11-ročný cyklus…), iné cykly súvisia s cyklickosťou niektorých klimatotvorných
procesov (napr. 2-ročný cyklus výmeny medzi južnou a severnou pologuľou v stratosfére - QBO, ďalej
ENSO, El Niňo, NAO, AO a rad iných regionálnych indexov cirkulačných oscilácií).
Odchýlky ročných priemerov teploty vzduchu na zemi, na severnej pologuli, na kontinentoch a oceánoch
severnej pologule, príklad variability mesačných a ročných úhrnov územných priemerov zrážok na
Slovensku, príklad priestorovej variability mesačných úhrnov zrážok na Slovensku, príklad časovej
variability mesačných a sezónnych priemerov teploty vzduchu na Slovensku (čiastočne je to vidieť aj
z obrázka 3) možno nájsť na internetových stránkach: http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/main9.html
a najmä v prezentácii http://www.dmc.fmph.uniba.sk /public_html/climate/KZ_slovensky_Lapin_XII_11.pdf .
Orbitálne parametre obehu Zeme okolo Slnka
Excentricita obežnej dráhy Zeme okolo Slnka sa
mení asi v 400 tisíc a 100 tisíc ročnom cykle.
Sklon zemskej osi k rovine ekliptiky sa mení asi
v 41 tisíc ročnom cykle. Precesia (smerovanie
zemskej osi v priestore) sa mení asi v 26 tisíc
ročnom cykle. Kombinácia týchto 3 cyklov
vyvoláva dosť významné cykly vplývajúce na
klímu Zeme, najmä 100 tisíc ročný cyklus.
Prejavilo sa to aj v striedaní ľadových a medziľadových dôb v Pleistocéne. Podrobnosti sú na
internetovej
stránke:http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles .
Trochu viac o zmenách klímy
Obrázok 3.
Príklad variability ročných úhrnov územných priemerov
zrážok na Slovensku v % dlhodobého priemeru (dole)
a odchýlok ročných priemerov teploty vzduchu na
Slovensku v °C (hore), 1881-2011 (podľa SHMÚ).
Všimnite si mimoriadny priebeh úhrnov zrážok v r. 20032011 a vysoké priemery teploty vzduchu v r. 1989-2011.
Trend úhrnov zrážok je za obdobie 1881-2009, teda bez
extrémnych rokov 2010 a 2011.
Prirodzené zmeny klímy boli na Zemi vždy. Boli
však skoro stále veľmi pomalé (trvalo tisíce milióny rokov kým došlo ku globálnej zmene > 2
°C). Rýchle zmeny klímy boli iba za
mimoriadnych okolností (koniec ľadových dôb,
pád asteroidu, supervulkány). Rozdiel medzi
premenlivosťou počasia a zmenami klímy je daný
definíciou (za zmeny klímy sa považujú zmeny
30-ročných charakteristík).
Vedecká teória zmien a zmeny klímy
Je založená na identifikácii faktorov, ktoré vedú k fyzikálnym procesom podmieňujúcim zmeny v
klimatickom systéme celej Zeme (KSZ). KSZ sa skladá z atmosféry, hydrosféry (voda na Zemi), kryosféry
(ľad, permafrost, sneh...), litosféry (horné vrstvy zemskej kôry), biosféry (všetky živé organizmy). Berú sa
do úvahy také časti týchto subsystémov, ktoré majú nejaký vplyv na klímu (podnebie). V posledných
rokoch sa do KSZ zaraďuje aj noosféra (ľudské aktivity, ekonomická sféra). V KSZ pôsobia astronomické
(veľmi pomalé), terestriálne (pomalé), cirkulačné (pomerne rýchle - atmosféra a oceány) a antropogénne
(stále zosilňujúce) faktory, ktoré určujú energetické podmienky a dynamiku rôznych procesov v KSZ.
Pod pojmom „klimatická zmena“ rozumieme iba tie zmeny v KSZ, ktoré sú vyvolané antropogénne
podmienenou zmenou skleníkového efektu atmosféry Zeme (emisia skleníkových plynov a aerosólov do
atmosféry, také zmeny vo využívaní krajiny, ktoré vplývajú na skleníkový efekt atmosféry).
Podrobnosti o klimatickom systéme Zeme možno nájsť v IPCC (2007, www.ipcc.ch) a napr. v článku na
internetovej adrese http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/climate/TeoriaKSZ_INT.htmv prezentácii na internetovej
adrese http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/climate/KZ_slovensky_Lapin_XII_11.pdf .
64
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
„Zmena klímy“ - definícia Svetovej meteorologickej organizácie a Medzinárodného panelu pre
klimatickú zmenu, skleníkový efekt atmosféry.
Pod pojmom “zmena klímy” rozumieme iba tie zmeny v klimatických pomeroch, ktoré súvisia s
antropogénne podmieneným zosilnením skleníkového efektu atmosféry od začiatku priemyselnej revolúcie
(asi od roku 1750 r.n.l., keď začala významnejšia antropogénne podmienená emisia skleníkových plynov
a aerosólov do atmosféry Zeme).
Vedecká teória klimatickej zmeny má niekoľko častí:
Fyzika, chémia a biológia klimatickej zmeny a prirodzených zmien klímy, socio-ekonomické súvislosti
a dôsledky, dôsledky kliamtickej zmeny na prirodzené ekosystémy, pozitívne a negatívne spätné väzby
a zosilnenia (niektoré s oneskorením desiatky až tisícky rokov), odpovede na dezinformácie šírené
záujmovými skupinami (najmä tými, ktoré sú spojené s využívaním fosílnych palív) a na skreslené informácie
v podaní skupín: „klímaskeptici“ a „klímaalarmisti“.
Adaptácia
Adaptácia je proces evolúcie, pri ktorom sa nejaké spoločenstvo lepšie prispôsobí svojmu prostrediu
(habitátu). Tento proces môže trvať mnoho generácií a patrí medzi základné princípy biológie alebo aj
stratégie úspešného prežitia všeobecne (dôležitá je konkurenčná schopnosť adaptujúceho sa spoločenstva).
Prírodné ekosystémy, iné biologické druhy, ako aj socio-ekonomické aktivity človeka sa adaptovali na
nejaký doterajší režim klímy, vrátane výskytu extrémov počasia, napríklad za posledných 50-100 rokov.
Pokiaľ ide o klimatické podmienky, tak dokážeme podľa zloženia ekosystémov rozpoznať rozdiel
dlhodobého priemeru (za >30 r.) ročnej teploty o 0,1 °C, vodnej bilancie o 1% (vidíme to v rozdieloch
v zložení ekosystémov a v nástupoch dôležitých fenoloických fáz rastlín a drevín).
Vedecká teória scenárov klimatickej zmeny
Pri diskusiách o klimatickej zmene má prioritu otázka: „ Aký to má význam?“ Zmena klímy sa prejaví
nielen zmenou dlhodobých priemerov ale aj zmenou tzv. distribučných kriviek údajov, čiže klimatických
alebo meteorologických prvkov, teda aj výskytu extrémnejších (škodlivých) prípadov počasia. To bude
mať nepochybne veľký vplyv na možnosti adaptácie ekosystémov, sociálnych a ekonomických aktivít
človeka – rýchlosť klimatickej zmeny je v tomto prípade dôležitejšia ako jej veľkosť (predpokladá sa ale,
že iba globálne oteplenie o viac ako 2°C za 100 rokov bude mať neprekonateľné dôsledky pre adaptačné
schopnosti dôležitých ekosystémov a socioekonomické vzťahy v jednotlivých, najmä rozvojových
krajinách). Okrem toho sa prejaví ZK aj zmenou chemizmu prostredia v oceánoch (ale čiastočne aj na
kontinentoch).
Skleníkový efekt atmosféry
Pod pojmom „skleníkový efekt atmosféry“ rozumieme sumu dôsledkov radiačne aktívnych plynov v
atmosfére, ktoré absorbujú tepelné vyžarovanie Zeme, zohrievajú tú časť atmosféry kde sa nachádzajú a
silnejším spätným vyžarovaním atmosféry menia bilanciu dlhovlnného žiarenia Zeme (najmä v pásme
vlnovej dĺžky 5 až 50 mikrometrov, dôležité je okno prakticky bez absorpcie vodnou parou v pásme 8,5 12,0 mikrometrov). V Predkambriu (pred >4000 mil. r.) dosahovala koncentrácia CO2 najprv hodnoty
okolo 90% z celkovej hmoty atmosféry, ku koncu Predkambria (pred asi 1000 mil. r.) klesla na nižšiu
úroveň ako dnes (0,040%). Počas glaciálov v Pleistocéne (posledných 1,8 mil. r.) bola koncentrácia CO2 a
CH4 o 10 až 30% nižšia ako v Holocéne (pred rokom 1750 n.l.) a prirodzene bola nižšia aj koncentrácia
vodnej pary v atmosfére - H2O (kvôli nižšej priemernej teplote vzduchu v atmosfére - limitujúca úloha
tlaku nasýtenia vodnej pary, ktorý závisí od teploty vzduchu, rast množstva H2O o 6% na 1 °C oteplenia
pri teplote nad 0 °C a až o 10% pri teplote pod –20 °C).
K tejto problematike si pozrite webovú stránku: http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas, ktorá je v podstate
zhodná s učebnicami na túto tému, hoci značne stručnejšia. Absorpčné pásy dôležitých skleníkových
plynov (GHGs): CH4, N2O, O2 a O3, CO2, H2O sa dajú ľahko zmerať aj v laboratóriu. Atmosférické okno
pre vodnú paru je v páse vlnových dĺžok 8,5 – 12 µm (dôležité sú GHGs s absorpčnými pásmi v tomto
okne).
Zonálny a meridionálny transport vodnej pary v KSZ (spolu s teplotnými podmienkami) spôsobuje, že
v tropickom pásme je v priemere 10-krát viac vodnej pary v troposfére ako v polárnych oblastiach
(extrémne aj vyše 100-krát viac). Skleníkové plyny CH4, N2O, CO2, O2 a O3, sú ale viac-menej
65
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
rovnomerne rozložené v troposfére a stratosfére Zeme.
Zmena skleníkového efektu atmosféry ovplyvní energetickú bilanciu systému Zem-atmosféra.
Energetická bilancia zemského povrchu je: B = H + LE + Q, kde B je radiačná bilancia, H je turbulentný
tok tepla do atmosféry, LE je tok (spotreba) energie na výpar a Q je tok tepla do pôdy.
Celková radiačná bilancia horizontálneho zemského povrchu má analytické vyjadrenie: B = (S + D)(1 A) - (Ez -(1 - AL)Ea), kde S je priame a D difúzne žiarenie smerom k zemskému povrchu, A je albedo
krátkovlnného a AL albedo dlhovlnného žiarenia, Ez je vyžarovanie zemského povrchu a Ea je spätné
dlhovlnné vyžarovanie atmosféry, radiačnú bilanciu môžeme určiť aj v inej výške nad zemským povrchom
(aj vo výške 10 km). Porovnanie bilancie energie a radiácie v globálnom, regionálnom a lokálnom
rozmere, v prirodzenom a antropogénne ovplyvnenom priestore poskytuje obraz o zložitosti procesov
v klimatickom systéme Zeme (KSZ).
Základom súčasnej klimatickej zmeny je zmena koncentrácie skleníkových plynov v atmosfére, pozrite si
odporúčané
stránky:
http://en.wikipedia.org/wiki/Special_Report_on_Emissions_Scenarios
a
http://en.wikipedia.org/wiki/Global_climate_model
Planetárne albedo
Planetárne albedo (% odrazeného prichádzajúceho slnečného žiarenia) je pre celú Zem v priemere
dlhodobo stabilné (asi 30%), na jednotlivých miestach sa môže značne odlišovať, pričom má u nás aj
výrazný ročný a menej výrazný denný chod. Krajina mimo miest má albedo počas vegetačného obdobia
okolo 22% (vlhký trávnik) až okolo 31% (suchý trávnik), listnatý les má albedo od 16 do 27%, ihličnatý
od 6 do 19%, holá pôda (ornica) od 7 do 20% a snehová pokrývka od 18 do 85% (v Antarktíde aj viac ako
90%). V mestách sa nachádzajú rôzne plochy s veľmi rozdielnou farbou, teda aj albedo sa môže značne
líšiť od okolia, navyše sú tam materiály s rôznou tepelnou vodivosťou (betón, kameň, asfalt, trávniky) a
nízky výpar z pôdy a rastlín. To spôsobuje, že v antropogénne ovplyvnených (najmä urbanizovaných)
oblastiach je podstatne odlišné fungovanie procesov v klimatickom systéme ako v oblastiach
s prirodzeným povrchom. Poľnohospodárske polia majú pri správnom obhospodarovaní u nás podobné
podmienky energetickej a radiačnej bilancie ako prirodzená lesostep.
Aké scenáre klimatickej zmeny existujú?
1)
Scenáre založené na výstupoch fyzikálnych modelov všeobecnej cirkulácie atmosféry – globálne
GCMs a regionálne RCMs s dennými výstupmi okolo 30 klimatických a hydrologických prvkov do r.
2100.
2)
Scenáre analógové – podkladom sú historické údaje paleoklimatologické alebo prístrojové.
3)
Scenáre inkrementálne – používame vopred zvolené prírastky jednotlivých prvkov, najmä
kombinácie prírastkov a úbytkov jednotlivých prvkov (napríklad rast mesačných priemerov teploty
vzduchu T o 1, 2, 3, 4 °C, zmeny mesačných úhrnov zrážok R o 5, 10, 15, 20%) – teraz sa tieto scenáre
používajú iba na testovanie modelov, pričom je snaha, aby boli jednotlivé kombinácie zmien prvkov
fyzikálne konzistentné s modelmi procesov v atmosfére.
4)
Scenáre ako výstup stochastického generátora počasia sa používajú už v súčasnosti zriedka.
5)
Scenáre kombinované – najprv si zvolíme vhodné scenáre T, R a s (merná vlhkosť) podľa
modifikácie výstupov GCMs a RCMs a podľa nich vypočítame analógy extrémov zrážok, výparu,
snehovej pokrývky atď. Uprednostňujeme ich na Slovensku najmä na výpočet scenárov takých prvkov,
ktoré neexistujú vo výstupoch GCMs a RCMs, prípadne majú v týchto výstupoch horšiu kvalitu.
Scenáre sa pripravujú pre časové horizonty (zväčša 30- alebo 50-ročné), pre časové rady alebo pre
dôležité extrémne poveternostné situácie.
Pri regionálnej a lokálnej interpretácii klimatických scenárov sa využívajú najbližšie 4 uzlové body
modelov v okolí danej meteorologickej stanice, pre ktorú robíme tzv. downscaling (štatistickú modifikáciu
výstupov GCMs a RCMs). Pre modely GISS98, CGCM1 a 2 máme v okolí SR 4 uzlové body, ale až 9 pre
CGCM3.1 a 12 pre ECHAM5. Pri regionálnych modeloch RCMs s hustotou sieťou uzlových bodov 25x25
km je to v blízkom okolí SR až 190 uzlových bodov použiteľných na prípravu scenárov klimatickej zmeny
pre asi 30 prvkov.
Rekonštrukcia zmien globálnej a hemisférickej teploty a budúci vývoj
Existuje niekoľko verzií odhadu globálnej a regionálnej teploty vzduchu z podkladov tzv. proxy
(predbežných,
pomocných)
údajov,
napr.
na
webovej
stránke:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hockey_stick_controversy. Od roku 1000 do roku 1860 vidíme dosť rozdielne zmeny a
66
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
variabilitu globálnej teploty vzduchu ako výsledok analýzy podľa rôznych proxy údajov, najmä letokruhov
stromov, korálov, ľadovcov, sedimentov, záznamov v kronikách atď. Po roku 1860 sa používajú už len
výsledky meteorologických meraní, ktoré sú ďaleko spoľahlivejšie, hoci aj v tomto prípade existujú
rozdiely interpretácie na úrovni stotín až desatín °C.
Vývoj globálnej teploty vzduchu podľa emisných scenárov SRES, 10-ročný priemer oteplenia klímy
2090-2099 oproti 1980-1999 na základe SRES A1B. Výstupy modelu CGCM3.1 podľa emisných scenárov
IPCC SRES A2, SRES B1 a rad iných scenárov nájdete na webových stránkach IPCC a na stránke:
http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/climate/KZ_slovensky_Lapin_XII_11.pdf a www.ipcc.ch
Na Slovensku sú najpoužívanejšie nasledujúce emisné scenáre IPCC: SRES A2, B1 a A1B. Ten prvý
reprezentuje pesimistický predpoklad správania ľudstva na Zemi do r. 2100, ten druhý je optimistický
a tretí stredne pesimistický (IPCC, 2000) Emisia fosílneho uhlíka až 28,9 Gt v r. 2100 sa predpokladá
podľa SRES A2 (kumulatívne 1773 Gt) a 5,2 Gt podľa SRES B1 (kumulatívne 989 Gt). Tento rozdiel sa
prejavuje v scenároch najvýraznejšie až po roku 2040 (predovšetkým pri teplote vzduchu).
Zmeny teploty vzduchu a úhrnov zrážok na Slovensku, scenáre zmeny klímy
Monitoring klimatickej zmeny
SLOVENSKO má rozlohu 49 036 km2, strednú nadmorskú výšku asi 440 m a 5,4 mil. obyvateľov. Územné
priemery: 747 mm ročný úhrn zrážok, 7,5 °C priemer teploty (v období 1951-1980).
Sieť zrážkomerných staníc na Slovensku - asi 700 staníc je v činnosti od roku 1951, 203 staníc má kompletné
mesačné údaje od roku 1901. Sieť klimatologických staníc na Slovensku - asi 100 staníc je v činnosti od roku
1951, iba 3 stanice majú kompletné údaje od roku 1881. Observatórium Lomnický štít (2635 m n.m.) bolo založené
v roku 1939. Observatórium Hurbanovo (115 m n.m.) bolo založené v roku 1871.
Pozrite si obrázky na webovej stránke: http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/pub/2005/lapin_egu2005.html
a otvorte
si
obrázky
posterov. Pozrite
si
obrázky
z prednášky
na
webovej
stránke:
http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/climate/KZ_slovensky_Lapin_XII_11.pdf, sú tam okrem iných aj: Detailnejší
pohľad na odhadovaný priebeh odchýlok klimatických prvkov od priemeru z obdobia 1961-1990 podľa
AR4 IPCC. Hlavné faktory vplývajúce na globálnu klímu od roku 900 n.l. (vulkanické erupcie, slnečná
aktivita a vplyv človeka). Informácie o monitoringu klimatickej zmeny na Slovensku.
Podrobnosti
o
rovnici
atmosférických
zrážok
sú
na
internetovej
stránke:
http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/climate/aktualne2.htm Možné zmeny 30-, 60-, a 180-minútových úhrnov
zrážok v závislosti od rastu mernej vlhkosti vzduchu a vertikálnej rýchlosti w (vz) naznačujú, že pri raste
teploty atmosféry o 1 °C počas cyklonálnych a konvektívnych synoptických situácií v priemere dôjde
k rastu úhrnov zrážok až o 10%.
Očakávame zmenu klímy a aké môžu byť dôsledky?
Je isté, že bude naďalej pokračovať emisia skleníkových plynov a tým aj otepľovanie dolnej troposféry:
Môžu to do určitej miery modifikovať prirodzené klimatotvorné faktory. Určite bude najrýchlejšie
prebiehať zmena klímy v Arktíde (oteplenie asi o 7 °C do roku 2100 v porovnaní s priemerom 1961-1990,
teraz už asi 2 °C ). To spôsobí zmenšenie rozsahu plávajúceho ľadu, ale tiež zmenu polohy tlakových
útvarov a synoptických situácií. Na druhej strane dôjde v súvislosti s oteplením k zvýšeniu obsahu vodnej
pary v dolnej troposfére (o 6% na jeden °C priemerného oteplenia, do výšky 5 km). To sa prejaví tak na
zmene charakteru tropických a mimotropických cyklón (ako aj konvektívnych útvarov) kde je v priemere
zväčša takmer 100% relatívna vlhkosť vzduchu. Pri nižšej relatívnej vlhkosti vzduchu ako 100% (pri
anticyklonálnych situáciách v lete je často iba okolo 50%) dochádza k rastu sýtostného doplnku,
potenciálnej evapotranspirácie a aj požiadaviek na zavlaženie pôdy asi o 6% na každý jeden °C oteplenia
atmosféry. S tým súvisí aj rast rizika sucha. Okrem toho sa zvýši riziko celého radu iných súvisiacich
škodlivých prípadov počasia.
Zraniteľnosť (vulnerability) vplyvom klimatickej zmeny
Odhad možných negatívnych dôsledkov vplyvom antropogénne podmienenej klimatickej zmeny sa robí
na základe tzv. impaktných modelov a akceptovaných scenárov klimatickej zmeny. Hydrologický cyklus,
vodné zdroje, vodné a lesné hospodárstvo, lesné a poľné ekosystémy a poľnohospodárstvo sú sektory,
ktoré sme na Slovensku najčastejšie podrobovali analýze možných negatívnych a pozitívnych dôsledkov.
Pripravovali sa impaktné štúdie a adaptačné opatrenia už od roku 1994 (1. Národná správa SR
o klimatickej zmene v r. 1995 a 5. Národná správa bola vydaná v r. 2009, prerokovala ich Vláda SR a boli
zaslané do príslušnej komisie OSN).
Sektor vody – očakáva sa znížená dostupnosť vody najmä na juhu Slovenska; podľa scenárov bude: na
67
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
juhu menej zrážok (až o 20% v lete); častejšie a výraznejšie sucho; ale aj občasné prívalové povodne v lete
v celej SR; viac zrážok v zime, najmä na severe (aj viac ako o 20%); menej snehu do nadmorskej výšky
800 m, častejšie zimné povodne (polohy nad 900 m n.m. majú ale iba asi 10% rozlohy v SR) atď.
Sektor lesov – je nevhodné zloženie aj terajších lesných spoločenstiev (veľa smrekov); očakáva sa zmenená vlahová bilancia (rast rizika sucha pre viaceré lesné spoločenstvá), predĺženie vegetačného obdobia,
posun vegetačných výškových stupňov (nebezpečné najmä pre smrek), škodlivé faktory (abiotické a
biotické) atď.
Poľnohospodárstvo – predpokladá sa zmena agroklimatických podmienok (dlhšie vegetačné obdobie (o
43 – 84 dní v časovom horizonte r. 2075), vyššia potenciálna evapotranspirácia (všeobecne všade),
zmenené podmienky prezimovania plodín), zmeny v produkčnom potenciáli - rast až o 47% v časovom
horizonte r. 2075 (zrejme sa nebude dať využiť kvôli nedostatku pôdnej vlahy), zmeny vo výskyte chorôb,
škodcov, patogénov a burín; degradácia pôdy; introdukcia nových biologických druhov atď.
Iné sektory boli kontaktované, výsledky nie sú zahrnuté ani do 5. NS SR o klimatickej zmene (2009).
Závery
Klimatická zmena môže závažným spôsobom ovplyvniť socio-ekonomické sektory a prírodné prostredie
na Slovensku už v najbližšom období. Súčasné klimatické zmeny (od roku 1980) potvrdzujú platnosť
scenárov pripravených v období 1991-1997 na Slovensku v rôznych projektoch – napríklad obdobie 19882010 bolo asi o 1,0 °C teplejšie ako normál z obdobia 1951-1980 (v teplom polroku, teda vo vegetačnom
období (IV-IX) až o 1,1 °C). Okrem toho sa vyskytli neobvyklé epizódy vysokých a nízkych úhrnov
zrážok. Očakáva sa, že do roku 2100 sa na Slovensku v porovnaní s normálmi z obdobia 1961-1990 oteplí
klíma približne o 2 až 4 °C (podľa rôznych scenárov) a ročné úhrny zrážok sa príliš nezmenia. Zmení sa
ale ročný režim zrážok (rast úhrnov v chladnom polroku a najmä v zime) ako aj ich časového priebehu
(častejší výskyt dlhých období s malými úhrnmi zrážok) a intenzity (častejší výskyt epizód s veľmi
vysokými úhrnmi zrážok s trvaním od niekoľkých hodín do 5 dní). S tým bude súvisieť aj zmena iných
klimatických prvkov a ich charakteristík (najmä relatívnej vlhkosti vzduchu a pôdnej vlhkosti – pokles,
sýtostného doplnku – rast). Sektory poľnohospodárstva, ekosystémov, lesného a vodného hospodárstva
sme na Slovensku analyzovali detailnejšie, sú aj najviac zraniteľné (kontaktovali sa aj iné – energetika,
doprava, zdravie…). Ďalší pokrok v danej problematike závisí od podpory výskumu v klimatológii a v
iných dotknutých sektoroch, tiež od ekonomického zhodnotenia nákladov a ziskov a od strategického
rozhodovania. Ďalšie informácie a kompletnú Národnú správu SR o klimatickej zmene a celý rad
informácií a podkladov v slovenčine nájdete na: http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/main9.html, najmä na
slajdoch z prednášky: http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/climate/KZ_slovensky_Lapin_XII_11.pdf . Teóriu
klimatickej zmeny v Angličtine nájdete aj na: www.ipcc.ch .
Podklady na túto prednášku boli získané čiastočne z riešenie projektu VEGA 1/0063/10 a údajov z databázy SHMÚ, autor ďakuje za poskytnuté podklady.
Rozšírený zoznam vybranej literatúry autora je na webovej stránke: http://www.dmc.fmph.uniba.sk/public_html/profil/lapin_profil_sk.html
Literatúra
IPCC 2007: AR4: The Physical Science Basis: http://www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-wg1.htm
Lapin, M., Tomlain, J., 2001: Všeobecná a regionálna klimatológia. Univerzita Komenského, 184 s.
Lapin, M., 1995: Assessment of Slovak Republic's vulnerability to climate change and adaptive strategies design. In: Journal of
Hydrology and Hydromechanics. Vol. 43, No. 4-5 (1995), 354-370.
Lapin M., Melo M. 2004: Methods of climate change scenarios projection in Slovakia and selected results. Journal of
Hydrology and Hydromechanics, 52: No. 4, 224-238.
Lapin, M., Gera, M., Hrvoľ, J., Melo, M., Tomlain, J., 2009: Possible Impacts of Climate Change on Hydrologic Cycle in
Slovakia and Results of Observations in 1951-2007. Biologia, 64/3, 454-459.
Peixoto, J., P., Oort, A., H., 1992: Physics of Climate. American Inst. of Physics, Springer, New York, 520 pp.
Netopil, R. a kol., 1984: Fysická geografie 1. SPN, Praha, 272 s.
The 5th National Communication of the Slovak Republic on Climate Change (2009): Slovak Ministry of the Environment and
the SHMI, URL: http://unfccc.int/resource/docs/natc/svk_nc5.pdf
68
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Trendy súčasnej klimatickej zmeny na Slovensku
Pavel Faško,
Slovenský hydrometeorologický ústav, Bratislava, [email protected]
Vplyvom globálneho otepľovania sa očakáva zmena charakteristík klímy na Zemi. Zmena všeobecnej
cirkulácie atmosféry a oceánov, posun frontálnych zón, klimatických pásiem a historicky neporovnateľná
rýchlosť týchto zmien, sú vyjadrené v scenároch klimatickej zmeny. Z nich vyplývajú očakávania v akých
intervaloch sa v určených časových horizontoch môžu pohybovať hodnoty teploty vzduchu
a atmosférických zrážok, ale aj iných charakteristík meteorologických prvkov na daných miestach Zeme.
Slovensko je vnútrozemským štátom v strednej Európe a vývoj klímy v tomto regióne by sa mal
približovať, pri rešpektovaní scenárov klimatickej zmeny, k takým charakteristikám klímy, aké sú
v súčasnosti reálne v severných oblastiach vnútrozemia Balkánu.
Teplota vzduchu
Vzostup teploty vzduchu je vo výsledkoch meteorologických meraní zatiaľ najpresvedčivejším
dôsledkom globálneho otepľovania.
Priemerná mesačná a ročná teplota vzduchu
Pri analýze priemernej mesačnej a ročnej teploty vzduchu sa obdobie 30 rokov rešpektuje ako
dostačujúce, na vyčerpanie prirodzenej variability týchto charakteristík teploty vzduchu tak, aby
vypočítaná priemerná hodnota za takéto obdobie bola objektívna. Obdobie 1981-2010 bolo prvým
tridsaťročím, v histórii meteorologických meraní na Slovensku, v ktorom sa priemerná mesačná
a priemerná ročná teplota vzduchu neštandardne zmenila, v porovnaní s predchádzajúcim obdobím 19511980. Priemerná ročná teplota vzduchu za obdobie 1981-2010 vzrástla v porovnaní s obdobím 1951-1980
väčšinou o 0,4 °C, na niektorých miestach východného Slovenska, až po 0,9 °C, na krajnom juhozápade
Slovenska. V jednotlivých mesiacoch bolo oteplenie v období 1981-2010 najvýraznejšie v januári, v máji,
v júli a v auguste, kedy bolo na viacerých meteorologických staniciach väčšie ako 1,0 °C. Iba v novembri
a v decembri boli odchýlky priemernej mesačnej teploty vzduchu za obdobie 1981-2010, v porovnaní
s predchádzajúcim tridsaťročím, štandardné, dosahovali prevažne pár desatín °C a boli väčšinou záporné.
Tento stav je dôsledkom tendencií v ročnom režime teploty vzduchu. V posledných desaťročiach sa viac
zvýrazňujú 2 obdobia v roku, namiesto tradičných 4 ročných období. Prechodné ročné obdobia teraz často
strácajú svoju pôvodnú kontinuitu. V roku sa zreteľnejšie vyčleňuje chladnejší a teplejší polrok.
V chladnejšom polroku (X-III) sa nápadne prejavuje kladná odchýlka charakteristík teploty vzduchu
v januári. Je to v období, kedy by mala zima vrcholiť a ako, keby to bola kompenzácia k relatívne
chladnejšiemu koncu jesene a začiatku zimy. V teplom polroku (IV-IX) prestáva existovať podstatný
rozdiel medzi májom a ostatnými letnými mesiacmi, ktorým niekedy konkuruje aj september, ale nie tak
často, ako máj. Dominantnými sa stávajú rýchle oteplenia v období mesiacov marec a apríl a naopak, dosť
razantné ochladenia v druhej polovici septembra a v októbri.
Hodnotenie odchýlok priemernej mesačnej teploty vzduchu od normálu 1961-1990 v Hurbanove
v rokoch 1951-2012
Priemerná mesačná teplota vzduchu pri porovnaní s normálom môže byť normálna, podnormálna alebo
nadnormálna. Toto hodnotenie sa niekedy nesprávne zamieňa s podobným, kedy sa priemerná mesačná
teplota vzduchu považuje za priemernú, podpriemernú, resp. nadpriemernú. Normálna priemerná mesačná
teplota vzduchu dosahuje hodnoty v určitom intervale, ktorý môže byť v príslušných mesiacoch na danej
meteorologickej stanici rôzne rozsiahly a až za hranicou týchto intervalov nasleduje priestor, v ktorom sa
priemerná mesačná teplota vzduchu považuje za podnormálnu alebo nadnormálnu.
Otepľovanie sa
prejavuje pri takomto prístupe úbytkom teplotne podnormálnych priemerných mesačných teplôt vzduchu
a to aj pri analýze časových radov priemernej mesačnej teploty vzduchu v jednotlivých mesiacoch, aj pri
analýze sérií priemerných mesačných teplôt bez podnormálnych hodnôt, kedy sa dĺžka týchto sérií
zväčšuje.
69
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Charakter priemernej mesačnej teploty vzduchu v Hurbanove na základe jej odchýlky od normálu 1961-1990.
Rok
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
1951
NN
NN
N
N
N
N
N
NN
NN
PN
NN
N
1952
N
NN
PN
NN
N
N
NN
NN
PN
PN
PN
N
1953
N
NN
N
N
PN
N
N
PN
N
NN
PN
N
1954
PN
PN
N
PN
N
NN
PN
N
NN
N
N
NN
1955
N
N
PN
PN
PN
N
N
PN
N
N
N
NN
1956
N
PN
PN
N
N
PN
N
N
N
N
PN
N
1957
N
NN
N
N
PN
NN
N
PN
PN
N
NN
N
1958
N
NN
PN
PN
NN
PN
N
N
N
N
NN
NN
1959
N
N
NN
N
N
N
N
N
PN
N
N
NN
1960
N
N
N
N
N
N
PN
N
N
NN
NN
NN
1961
N
N
NN
NN
N
N
PN
N
NN
NN
NN
N
1962
N
N
PN
NN
PN
PN
PN
NN
N
N
N
PN
1963
PN
PN
PN
NN
N
NN
NN
N
NN
N
N
PN
1964
PN
N
PN
N
N
NN
N
N
N
N
NN
N
1965
N
PN
N
PN
PN
N
N
PN
N
PN
PN
N
1966
PN
NN
N
NN
N
N
PN
N
N
NN
N
N
1967
N
N
N
N
N
N
NN
N
NN
NN
N
N
1968
N
N
N
NN
N
NN
N
N
N
N
NN
PN
1969
N
PN
N
N
NN
N
N
N
N
N
NN
PN
1970
N
PN
N
N
PN
N
N
N
N
N
NN
N
1971
N
N
PN
N
NN
PN
N
NN
PN
PN
N
NN
1972
N
NN
NN
N
N
N
N
PN
PN
PN
N
N
1973
N
N
N
PN
N
N
N
N
N
PN
PN
N
1974
NN
NN
NN
N
PN
PN
N
NN
N
PN
NN
NN
1975
NN
N
NN
N
NN
N
N
N
NN
N
PN
N
1976
NN
N
PN
N
N
N
NN
PN
PN
NN
NN
N
1977
N
NN
NN
PN
N
NN
N
N
PN
N
N
N
1978
NN
N
N
PN
PN
N
PN
PN
PN
N
PN
N
1979
PN
N
NN
PN
N
NN
PN
N
N
PN
N
NN
1980
N
N
N
PN
PN
N
PN
N
PN
N
PN
N
1981
N
N
NN
N
N
N
N
N
N
NN
N
N
1982
PN
PN
N
PN
N
N
N
N
NN
NN
N
NN
1983
NN
PN
N
NN
N
N
NN
N
N
N
PN
N
1984
N
N
N
N
N
PN
PN
N
N
NN
N
N
1985
PN
PN
N
N
N
PN
N
N
N
N
PN
NN
1986
N
PN
N
NN
NN
N
N
N
PN
N
N
N
1987
PN
N
PN
N
PN
N
NN
PN
NN
NN
N
N
1988
NN
N
N
N
N
N
NN
N
N
N
PN
N
1989
N
NN
NN
NN
N
PN
N
N
N
N
PN
N
1990
N
NN
NN
N
N
N
N
NN
PN
N
NN
N
1991
N
PN
NN
PN
PN
N
NN
N
NN
PN
N
PN
1992
NN
NN
N
N
N
NN
NN
NN
N
N
N
N
1993
N
PN
N
N
NN
N
N
NN
N
NN
PN
NN
1994
NN
N
NN
N
N
N
NN
NN
NN
N
NN
NN
1995
N
NN
N
N
N
N
NN
N
N
NN
PN
N
1996
N
PN
PN
N
N
NN
PN
N
PN
N
NN
PN
1997
N
N
N
PN
N
NN
N
NN
N
PN
NN
NN
1998
NN
NN
N
NN
N
NN
N
NN
N
NN
PN
PN
1999
N
N
NN
NN
N
N
NN
N
NN
N
PN
N
2000
N
NN
N
NN
NN
NN
N
NN
N
NN
NN
NN
2001
NN
NN
NN
N
NN
N
NN
NN
PN
NN
PN
PN
2002
N
NN
NN
N
NN
NN
NN
NN
N
N
NN
N
2003
N
PN
N
N
NN
NN
NN
NN
N
PN
NN
N
2004
N
N
N
NN
N
N
N
NN
N
NN
N
N
2005
N
N
N
N
N
N
N
N
NN
N
N
N
2006
N
PN
N
NN
N
NN
NN
PN
NN
NN
NN
NN
2007
NN
NN
NN
NN
NN
NN
NN
NN
PN
N
N
N
2008
NN
NN
N
NN
NN
NN
N
NN
N
NN
NN
NN
2009
N
N
N
NN
N
N
NN
NN
NN
N
NN
N
2010
N
N
N
N
N
NN
NN
N
PN
PN
NN
PN
2011
N
N
N
NN
N
NN
N
NN
NN
N
PN
NN
2012
NN
PN
NN
Legenda: N – normálna NN – nadnormálna PN - podnormálna
70
V konkrétnom príklade, na časovom rade
priemernej mesačnej teploty vzduchu
v Hurbanove od roku 1951, netreba
prehliadnuť,
že
posledný
teplotne
podnormálny január tam bol zaregistrovaný
v roku 1987 a nemenej zaujímavá je na tejto
meteorologickej stanici séria priemerných
mesačných teplôt bez podnormálnej hodnoty
trvajúca od októbra 2007 do augusta 2010, čo
bolo 35 mesiacov za sebou.
Arktické, ľadové, mrazové, letné, tropické
dni a tropické noci
Za arktický deň sa považuje deň, kedy
maximálna denná teplota vzduchu na danom
mieste nevystúpi nad mínus 10 °C. V 50.
a 60. rokoch 20. storočia boli takéto dni ešte
štandardným
prejavom
zimy
u nás,
vyskytovali sa aj v nížinách, aj keď to
nemuselo byť každú zimu, ale neboli ani tam
niečím výnimočným. V súčasnosti je ich
výskyt v týchto polohách vzácny. Ich počet
klesá aj v kotlinách na severe Slovenska a aj
vo vysokých horských polohách. Tento trend
nie je problémom iba karpatskej oblasti, ale aj
Álp a horských oblastí Balkánu.
Ľadový deň je deň, kedy maximálna denná
teplota vzduchu na príslušnom mieste
nevystúpila ani na 0 °C. Takéto dni sa
vyskytujú v zime všade na Slovensku, ale
v posledných desaťročiach, predovšetkým
v nižších polohách, vytrvalosť ich výskytu nie
je taká, ako v minulosti, takže zaregistrovať
v týchto polohách pravidelnejšie dlhšiu sériu
takýchto dní, bude s pribúdajúcim časom
menej pravdepodobné.
Mrazový deň je deň, kedy na danom mieste
klesne minimálna denná teplota vzduchu pod
0 °C. Ústup týchto dní v zime je v porovnaní
s arktickými a ľadovými, celkom nenápadný.
Zaujímavá je však skutočnosť, že pri
výrazných advekciách teplého vzduchu vo
vrcholnom období zimy, pribúdajú prípady
výskytu období bez mrazov a to hlavne na
miestach, kde sa prejavujú u nás fénové
efekty.
Letným dňom je deň, kedy maximálna
denná teplota vzduchu na danom mieste
vystúpi na 25 °C a viac. Pre tento druh
charakteristík
teploty
vzduchu
je
v posledných desaťročiach príznačný trend
rozširovania ich výskytu do časti mesiacov
prechodných ročných období a takmer ich
kontinuálny výskyt v najteplejších oblastiach
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Slovenska v lete. Letné dni sa už u nás vyskytujú vo vrcholnom lete pomerne často aj pri oblačných dňoch
s nedostatočným slnečným svitom. Toto je v porovnaní s minulosťou nová skutočnosť.
Tropický deň je deň, kedy na danom mieste vystúpi maximálna denná teplota vzduchu na 30 °C a viac.
Na začiatku 90. rokov 20. storočia boli v lete (1992, 1994) na Slovensku zaznamenané veľmi nápadné
vzostupy počtu tropických dní. Podobne ako letné dni, rozširujú sa aj tropické dni do neskorých jarných
a skorých jesenných mesiacov a aj do vyšších nadmorských výšok. Toto je veľmi zreteľné v kotlinových
polohách, kde sú pri radiačnom type počasia a pri málo veternom počasí dobré podmienky na prehrievanie
a tak najmä v približne posledných 2 desaťročiach nie je v lete tropický deň v Poprade alebo v Liesku na
severnej Orave, až takou vzácnosťou ako v minulosti. Okrem toho teplota vzduchu počas tropických dni
nevystupuje len tesne nad 30 °C, ale v lete takmer pravidelne dosiahne aspoň niekde minimálne hodnotu
35 °C a v roku 2007, bola prvýkrát na Slovensku zaznamenaná aj teplota vzduchu vyššia ako 40 °C.
Problémom so zdravotnými dôsledkami začínajú byť stále častejšie dlhšie série tropických dní.
Tropická noc je noc, kedy na danom mieste neklesne minimálna teplota vzduchu pod 20 °C. Majú
podobné tendencie ako tropické a letné dni. Na výskyt tropických nocí má výrazný vplyv tepelný ostrov
mesta a teplá svahová zóna. Učebnicovým príkladom pre analýzu takýchto vplyvov je Bratislava, so
svojimi meteorologickými stanicami na Kolibe a na letisku. Počet tropických nocí na týchto
meteorologických staniciach sa v období 1981-2010 v porovnaní s predchádzajúcim tridsať ročným
obdobím niekoľkonásobne zväčšil, na Kolibe to bolo z 58 na 148 a na letisku z 11 na 81.
Rekordy maximálnej a minimálnej dennej teploty vzduchu
Rekordy minimálnej, ale predovšetkým maximálnej dennej teploty vzduchu na príslušný deň, je
v posledných rokoch často medializovaná téma. Pri porovnávaní rekordov minimálnej a maximálnej
dennej teploty vzduchu, je medzi týmito 2 skupinami rekordov výrazný nepomer v neprospech rekordov
minimálnej dennej teploty vzduchu. Rekordy maximálnej dennej teploty vzduchu sú viac sústredené
v rokoch, ktoré sa aj ako celok zaradili medzi najteplejšie v histórii meteorologických meraní u nás,
(napríklad, 2000, 2002, 2007). Rekordy minimálnej dennej teploty vzduchu sú viac rozptýlené
v jednotlivých rokoch, pretože hodnoty minimálnej dennej teploty vzduchu sú citlivejšie na zvláštnosti
prostredia, kde je meteorologická stanica situovaná. V ročnom režime bol zaznamenaný najvyšší počet
rekordov maximálnej dennej teploty vzduchu na príslušný deň v mesiacoch január, júl a august a v prípade
rekordov minimálnej dennej teploty vzduchu na príslušný deň, v mesiacoch apríl, november a december.
Tieto výsledky sú v dobrom súlade aj s trendmi iných charakteristík teploty vzduchu, ale aj niektorých
charakteristík atmosférických zrážok.
Analýza výskytu ochladení a oteplení v jednotlivých desaťročiach od začiatku 2. polovice 20.
storočia v Hurbanove
Analyzované boli vzostupy a poklesy priemernej dennej teploty vzduchu, vzostupy z minimálnej na
maximálnu dennú teplotu vzduchu, poklesy z maximálnej na minimálnu dennú teplotu vzduchu, pričom sa
brali do úvahy oteplenia a ochladenia zo dňa na deň, resp. viacdňové oteplenia a ochladenia, pre jednotlivé
mesiace roka. Za mimoriadne prípady oteplenia, resp. ochladenia boli v štatistickom prístupe považované
2 % najväčších oteplení a ochladení, ktoré sa potom triedili podľa výskytu do jednotlivých decénií od
polovice 20. storočia. Výsledkom bola dosť jednoznačná koncentrácia mimoriadnych oteplení v do
posledných desaťročí analyzovaného obdobia, pričom rozdiely v jednotlivých mesiacoch mali podobný
charakter ako pri analýze iných charakteristík teploty vzduchu. Konkrétnym čerstvým príkladom bolo
oteplenie z apríla 2012, kedy sa v Hurbanove zmenila priemerná denná teplota z 3,6 °C, 1.4.2012 na 16,9
°C, 4.4.2012, čo bolo najväčšie oteplenie, pre túto charakteristiku teploty vzduchu, za 4 dni, v apríli, na
tejto meteorologickej stanici, aspoň od roku 1901.
Atmosférické zrážky a snehová pokrývka
Atmosférické zrážky sú zložitejším meteorologickým prvkom ako teplota vzduchu a klimatická zmena
bude mať pravdepodobne väčší vplyv na ich ročný režim ako na ich absolútne hodnoty. V prípade
snehovej pokrývky sa na Slovensku očakáva zväčšovanie kontrastov medzi nížinami a vysoký horskými
polohami.
Priestorové úhrny zrážok
Predstavujú najkonzervatívnejšiu charakteristiku zrážok. Vyjadrujú množstvo zrážok ktoré pripadá na
71
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
meter štvorcový príslušného územia (napríklad Slovenskej republiky) za určitý čas (napríklad mesiac),
pričom podmienkou je ich rovnomerné rozloženie. V porovnaní s reálnym stavom predstavujú modelovú
situáciu, kedy sa dá z priestorovej hodnoty zrážok a z rozlohy územia zistiť aké množstvo vody dané
územie získalo zo zrážok, čo sa potom využíva napríklad v hydrologických bilanciách, pri hodnotení
odtoku z daného územia. Pretože priestorové úhrny zrážok v sebe obsahujú bilanciu zrážok
z rozsiahlejšieho územia, pričom Slovensko má zložité prírodné podmienky a priestorová a časová
variabilita zrážok je tiež veľká, malo by byť aj menej pravdepodobné dosiahnuť pri tejto charakteristike
zrážok extrémne hodnoty. Napriek tomu boli v rokoch 2010 a 2011 dosiahnuté rekordy aj maximálnej
aj minimálnej hodnoty priestorového úhrnu zrážok pre Slovensko za obdobie od roku 1881, v máji 2010 to
bolo to bolo 226 mm, čo je maximum priestorového mesačného úhrnu zrážok pre Slovensko od roku 1881
a v novembri 2011 to bolo 0,6 mm, čo je minimum priestorového mesačného úhrnu zrážok pre Slovensko
od roku 1881. Naplnili sa očakávania vyplývajúce zo scenárov klimatickej zmeny, podľa ktorých globálne
otepľovanie bude mať pozitívny vplyv na výdatnosť zrážok, pri tých typoch poveternostných situácií,
ktoré podporujú vytváranie zrážok a naopak, do popredia sa budú dostávať aj tie situácie, kedy budú
zrážky chýbať a to aj dlhodobejšie.
Ročné úhrny zrážok
V rámci kalendárneho roka sa vystrieda množstvo poveternostných situácií, pri ktorých sa zrážky
vyskytujú, resp. sú zrážkovo chudobné. V ročnej bilancii sa zaznamená určitý úhrn zrážok, ktorý by
klimatickou zmenou nemal byť ovplyvnený až do takej miery, ako ročný režim zrážok. Ročné úhrny
zrážok však aj tak v posledných rokoch vykazujú výrazné výkyvy. Striedajú sa roky s extrémne
nadnormálnym a extrémne podnormálnym ročným úhrnom zrážok, čoho príkladom je Hurbanovo (obr. 1)
v roku 2010 (977 mm) a 2011(324 mm). Ešte silnejším výkyvom je absolútne najnižší ročný úhrn zrážok,
ktorý bol na Slovensku zaregistrovaný v roku 2011, kedy v Malých Kosihách dosiahol ročný úhrn zrážok
iba 262 mm. Takto málo zrážok za rok nezaznamenala zatiaľ ani jedna meteorologická stanica na
Slovensku v celej histórii meteorologických meraní u nás.
Obrázok 1.
Ročné úhrny atmosférických zrážok v Hurbanove.
Maximálne denné a viacdenné úhrny zrážok
Mimoriadne vysoké úhrny atmosférických zrážok spôsobujú v mnohých prípadoch nebezpečné
povodňové situácie. Priestorová a štatistická analýza vysokých denných a viacdenných úhrnov zrážok
predstavuje preto v klimatológii a hydrológii strategickú úlohu v rôznych odborných hodnoteniach. Na
konci 20. a v priebehu prvých rokov 21. storočia bol zachytený vzostupný trend výskytu vysokých
denných a viacdenných úhrnov zrážok. V prípade denných úhrnov zrážok nebol jednoznačný až pri
hodnotách 100 mm a viac, ale pri hodnotách 50 mm a 70 mm, bola zaregistrovaná väčšia častosť aj
priestorové rozšírenie týchto úhrnov zrážok.
Výskyt období s nedostatkom zrážok
Narušovanie ročného režimu zrážok vplýva aj na výskyt období s ich nedostatkom. V prírodných
72
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
podmienkach Slovenska sa takéto obdobia vždy prirodzene vyskytovali, pričom mali aj svoje regionálne
zvláštnosti. Nedostatok zrážok v zime v Hornádskej kotline, bol napríklad dôsledkom kontinentálnejšej
klímy východného Slovenska a výraznejšieho uplatňovania náveterných a záveterných efektov na
rozloženie zrážok. Zvláštnejšie anomálie v ročnom režime období s nedostatkom zrážok sa začali častejšie
vyskytovať v 90. rokoch minulého storočia. Pomerne často začal byť narušovaný tradičný výskyt suchších
období v prechodných ročných obdobiach. A zároveň bolo zaregistrované určité dosť zle špecifikovateľné
striedanie obdobia s prebytkom zrážok, za ktorým nasleduje obdobie s nedostatkom zrážok. Dĺžka týchto
období je, v našich podmienkach variabilnejšieho charakteru počasia, neštandardne dlhá.
Snehová pokrývka
Jej všeobecný úbytok jej v určitom rozpore s výskytom kalamitných situácií, ktoré sa napriek všetkému
stále vyskytujú a nie sú spôsobené iba nepripravenosťou ľudí a ich technicky náročným štýlom života.
Nová aj celková snehová pokrývka sa vyvíjajú podobne ako zrážky, dosť nevyváženým spôsobom. Pri
jednotlivých situáciách môže vplyvom globálneho otepľovania a tým aj rastúcich zrážkach spadnúť
v krátkom čase veľa snehu, ak to konkrétne teplotné podmienky príslušného miesta umožnia. Z tohto sa
potom tvoria lavínové situácie v horských oblastiach a následne dochádza vo vysokých horských polohách
aj k posunom vrcholenia celkovej snehovej pokrývky na neskoršie obdobie.
Literatúra
Lapin, M. , Damborská, I., Drinka, R. , Faško, P., Gaál, L., Melo, M., 2008: Úvod k scenárom extrémnych poveternostných
situácií a vybrané výsledky spracovania, Národný klimatický program SR, zväzok 12, SHMÚ a MŽP SR, Bratislava, 9-30.
Faško,P. , Lapin, M. , Pecho, J., 2008: 20-year extraordinary climatic period in Slovakia. Meteorologický časopis, Vol. XII, 3, ,
99-105.
Pecho, J., 2012: Klimatická zmena a jej dopady na Slovensko a jeho regióny. Prednáška v rámci seminára Klimatická zmena
a lokálny rozvoj, výzva pre samosprávy, 29.3.2012, Bratislava.
73
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Fenologické údaje ako zdroj informácií o variabilite klímy
Zora Snopková
Slovenský hydrometeorologický ústav, regionálne stredisko Banská Bystrica, zelená 5, 974 04 Banská Bystrica,
[email protected]
Úvod
Fenologické pozorovania sú cenným zdrojom informácií pri monitorovaní a objasňovaní priebehu
životných prejavov rastlín a živočíchov v závislosti od vonkajších podmienok prostredia. Slúžia na
zachytenie časového priebehu fenologických fáz v danej oblasti. Koncom 20. storočia sa začali prejavovať
nepriaznivé zmeny klímy v dôsledku znečistenia ovzdušia. Tieto zmeny ekologických podmienok výrazne
ovplyvnili nástup a dĺžku fenologických fáz, čo sa postupne odrazilo aj na aktuálnom postavení fenológie.
Jej význam vzrástol pri sledovaní pôsobenia prípadnej klimatickej zmeny na priestorové rozšírenie rastlín,
a rovnako pri časových zmenách pri nástupe fenologických fáz počas vegetačného obdobia. Fenologické
pozorovania slúžia na charakterizovanie danej klimatickej oblasti či priemernej dĺžky vegetačného
obdobia.
Jednou zo základných vlastností všetkých živých organizmov, a teda aj rastlín, je schopnosť rastu a
vývinu. Procesy rastu a vývinu sa prejavujú zmenami funkčnými a morfologickými. Funkčné zmeny
predstavujú diferenciáciu fyziologických funkcií. Morfologické zmeny počas vývinu rastlín sú dobre
viditeľné a dá sa pozorovaním zistiť dátum ich vytvorenia. Tieto zisťovania spadajú do úloh vednej
disciplíny fenológie. Počiatky fenologických pozorovaní sa spájajú s potrebami botanikov. S postupným
rozvojom sa fenologické výsledky aplikovali aj na iné odbory ľudskej činnosti.
Rast a vývin organizmov je podmienený a kontrolovaný vnútornými faktormi organizmov (genetické),
súčasne aj faktormi vonkajšieho prostredia organizmov (fyzicko-geografické a socioekonomické).
Význam faktorov vonkajšieho prostredia na rast a vývin vystupuje do popredia hlavne pri rastlinách,
nakoľko sa počas celého života neustále nachádzajú pod ich nepretržitým vplyvom. Reakcie rastlín na
podmienky svojho okolia sú veľmi citlivé, pričom tieto reakcie vznikajú ako odpoveď na komplexné
pôsobenie viacerých faktorov. Najvýznamnejšími z nich sú faktory meteorologické a z nich najmä teplota
vzduchu a zrážky. Ich vplyvom sa môže rast a vývin rastlín urýchliť alebo spomaliť. Na vývine a raste
rastlín sa prejavuje aj vlhkosť pôdy, nadmorská výška či tvárnosť reliéfu.
Fenologické pozorovania
Slovenský hydrometeorologický ústav (SHMÚ) vytvára Klimatický a meteorologický informačný systém
a Čiastkový monitorovací systém meteorológie a klimatológie, ktorých súčasťou sú sledované fenologické
údaje. Po spracovaní sú prezentované v mesačných a ročných agrometeorologických a fenologických
informáciách, fenologických ročenkách, štúdiách a odborných vedeckých prácach pracovníkov SHMÚ a
iných odborných inštitúcií.
Cieľom fenologického monitorovacieho systému SHMÚ je celoplošné sledovanie sezónnej a
medzisezónnej dynamiky vývinu rastlín vo vzťahu k počasiu. Predmetom sledovania je časový nástup a
priestorový výskyt vybraných fenologických fáz na bežne rozšírených kultúrnych aj divorastúcich druhoch
rastlín. Fenologické pozorovania sú zakomponované aj do legislatívy v Zbierke zákonov č. 201 z roku
2009 o štátnej hydrologickej službe a štátnej meteorologickej službe. Pomocou makroskopického
pozorovania fenologických fáz rastlín, následného vyhodnotenia a porovnania s meteorologickými
charakteristikami vegetačného obdobia sa monitorujú aj dlhodobé trendy vývinu rastlín vo vzťahu
k predpokladaným klimatickým zmenám a variabilite klímy.
Organizáciu a metodiku fenologických pozorovaní na Slovensku zabezpečuje SHMÚ so strediskami v
Bratislave, Banskej Bystrici a Košiciach. V súčasnosti máme na Slovensku 218 fenologických staníc
(obr.1). Pri zakladaní fenologických staníc pre pozorovanie je dôležitý výber vhodných lokalít a porastov
na pozorovanie fenologických fáz. Základnou pozorovacou jednotkou je skupina rovnorodých rastlín a
drevín pestovaných v zhodných stanovištných podmienkach. Táto jednotka sa označuje ako fenologický
pokus. Pod fenologickou fázou (fenofázou) rozumieme určitý zvonku dobre rozoznateľný, spravidla
každoročne sa opakujúci prejav vývinu sledovaných rastlín a drevín. Pojem nástup fenofázy vyjadruje
informáciu o tom, že sezónny vývin sledovanej rastliny resp. dreviny dospel práve do štádia
zodpovedajúceho popisu fenofázy. Dátumom nástupu fenofázy je určitý kalendárny deň, počas ktorého
74
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
práve došlo k nástupu fenofázy vo väčšine rastlín resp. drevín patriacich do pokusu (Valter, 1987).
Metodika fenologických pozorovaní
Fenologické
pozorovanie
sa
vykonáva
predovšetkým na neza-stavanom katastrálnom
území obce, mesta, bydliska pozorovateľa. Za
pozorovacie stanovištia sa zvolia tie časti
katastrálneho územia, ktorých poloha v danom
území prevláda.
Ťažisko činnosti fenologických pozorovateľov je
vo vegetačnom období (obyčajne od začiatku
marca do konca novembra). V tomto období treba
vybrané rastlinné a živočíšne druhy sledovať
priebežne, pokiaľ možno každodenne, najmenej
však v dvojdenných intervaloch, najlepšie
obchôdzkou po trase, ktorá spája všetky
Obrázok 1.
Sieť fenologických staníc na Slovensku : poľná pozorovacie stanovištia.
fenológia – 47 staníc, ovocná fenológia – 15 staníc, V zime sleduje pozorovateľ zvolené porasty
všeobecná fenológia – 93 staníc, lesná fenológia – 63 ozimných plodín a viacročných krmovín len
staníc.
v teplejších obdobiach, kedy sú porasty bez snehu
a je predpoklad ich rastu a vývinu.
Zásadou pri vykonávaní fenologických pozorovaní je, že sa zapíše podľa pokynov vždy dátum dňa, kedy
určitá fenologická fáza nastúpila, všeobecne sa vyskytovala, prípadne skončila (Braslavská a Kamenský,
1996).
Pozorovateľ musí výsledky svojich pozorovaní priebežne zapisovať do Zápisníka pre fenologických
pozorovateľov, najlepšie priamo na mieste pozorovania. Tieto údaje treba hneď ako je to možné prepísať
do Výkazu fenologických pozorovaní. Výkaz je nutné po ukončení mesiaca zaslať na príslušné pracovisko
SHMÚ.
Pozorovania na staniciach poľnej fenológie
Základnou úlohou staníc poľnej fenológie je sústavné sledovanie celého priebehu vegetácie vopred
zvolených porastov poľných plodín a v súlade s požiadavkami metodického predpisu zaznamenávať údaje
o ich fenologickom vývoji a dôležitých okolnostiach, ktoré tento proces ovplyvňujú. Dôležité je pravidelné
odovzdávanie získaných údajov na príslušné pracovisko SHMÚ (Valter,1988).
Pri poľnej fenológii pozorujeme 28 fenofáz. Pozorovania na staniciach vykonávajú odborníci v
poľnohospodárstve (agronómovia, šľachtitelia na šľachtiteľských staniciach a pod.): sejba, vzchádzanie,
odnožovanie, prvé listy, začiatok predlžovania listových pošiev, prvé, druhé kolienko, zdurenie pošvy
posledného listu, klasenie, začiatok kvitnutia, začiatok kvitnutia samčích kvetov, začiatok kvitnutia
samičích kvetov, plné kvitnutie, koniec kvitnutia, mliečna zrelosť, mliečno-vosková zrelosť, žltá zrelosť,
plná zrelosť, začiatok dekortizácie, zberová zrelosť, zber, riadkové zapojenie porastu, úplné zapojenie
porastu, butonizácia, odumieranie vňate, kosba.
Pozorovania na staniciach ovocnej fenológie
Základnou úlohou takýchto staníc je sústavne sledovať celý priebeh vegetácie vopred zvolených výsadieb
ovocných drevín a v súlade s požiadavkami metodického predpisu zaznamenávať údaje o ich
fenologickom vývoji a dôležitých okolnostiach, ktoré tento proces ovplyvňujú. Dôležité je pravidelné
odovzdávanie získaných údajov na príslušné pracovisko SHMÚ (Valter, 1987).
Pozorovania na staniciach ovocnej fenológie vykonávajú odborníci v ovocinárstve. Celkovo sledujú 17
fenologických fáz, z ktorých tri pozorujeme iba na viniči hroznorodom (Vitis vinifera): začiatok prúdenia
štiav, pučanie zmiešaných púčikov, pučanie listových púčikov, pučanie kvetných púčikov, prvé listy,
butonizácia, začiatok kvitnutia, plné kvitnutie, začiatok opadávania korunných lupienkov, koniec
kvitnutia, zavesovanie strapcov, mäknutie bobúľ, tvorba púčikov, ukončenie rastu letorastov, zberová
zrelosť, zber, koniec opadávania listov.
Pozorovania na staniciach lesnej fenológie
Fenologické pozorovanie lesných rastlín slúži na monitorovanie nástupu, priebehu a doznievania
vybraných fenologických fáz niektorých divorastúcich lesných rastlín v závislosti od priebehu počasia.
Základnou úlohou staníc lesnej fenológie je sústavne sledovať celý priebeh vegetácie vopred zvolených
lesných drevín, krov a bylín v súlade s požiadavkami metodického predpisu zaznamenávať údaje o ich
75
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
fenologickom vývoji a dôležitých okolnostiach, ktoré tento proces ovplyvňujú. Dôležité je pravidelné
odovzdávanie získaných údajov na príslušné pracovisko SHMÚ (Braslavská a Kamenský, 1996).
Pozorovania na staniciach lesnej fenológie vykonávajú odborníci na lesné hospodárstvo. Celkovo sa na
týchto staniciach pozoruje 13 fenofáz a stupeň úrody: začiatok pučania, prvé májové výhonky, začiatok
zalisťovania, všeobecné zalisťovanie, jánske výhonky, letné žltnutie listov, začiatok žltnutia listov,
všeobecné žltnutie listov, začiatok opadu listov, koniec opadu listov, začiatok kvitnutia, všeobecné
kvitnutie, začiatok zrelosti plodov, stupeň úrody.
Pozorovania na staniciach všeobecnej fenológie
Základnou úlohou fenologických staníc všeobecnej fenológie je sústavné sledovanie a zaznamenávanie
priebehu celého vegetačného obdobia vopred zvolených druhov rastlín (fytofenológia) a sezónnych aktivít
živočíchov (zoofenológia). Okrem toho sa na takýchto staniciach tiež zaznamenávajú časové údaje o
začiatku a ukončení niektorých poľnohospodárskych prác a výskyt takých škodlivých činiteľov rastlín
(hubových chorôb aj živočíšnych škodcov), ktoré negatívne ovplyvnili vývin rastlín. Zaznamenanie
mimoriadnych javov počasia vo vegetačnom období aj mimo neho v katastri obce pozorovateľa poskytuje
doplnkové údaje o podmienkach vývinu rastlín (bioklimatológia). Dôležité je pravidelné odovzdávanie
získaných údajov na príslušné pracovisko SHMÚ (Braslavská a Krčová, 2003). Pozorovania na staniciach
všeobecnej fenológie vykonávajú dobrovoľní pozorovatelia, ktorý sú odborne zaškolení, preto metodika
pre pozorovanie všeobecnej fenológie je zjednodušená.
Popis fenologických fáz poľných plodín, krmovín a tráv: sejba, vzchádzanie, prvý pár pravých listov,
riadkové zapojenie, tretí list, metanie, kvitnutie, steblovanie, klasenie, žltá (vosková) zrelosť, plná (tvrdá)
zrelosť, všeobecné žltnutie a odumieranie vňate, technická zrelosť, zber, kosba.
Popis fenologických fáz lesných a okrasných stromov a krov: pučanie listových alebo zmiešaných
púčikov, kvitnutie, prvé listy, žltnutie listov, opadávanie listov, zrelé plody, úroda plodov.
Popis fenologických fáz ovocných kultúr a viniča hroznorodého: pučanie listových alebo zmiešaných
púčikov, kvitnutie, prvé listy, žltnutie listov, opadávanie listov, zrelosť plodov, úroda ovocia.
Popis fenologických fáz sťahovavého vtáctva: prvý prílet, hromadný prílet, prvý spev, prvé zoskupenie
do kŕdľov, odlet.
Pri druhu včela medonosná sa pozoruje len jedna fenologická fáza a to: prvá znáška peľu.
Využitie fenologických pozorovaní
Fenologické pozorovania sú dôležitým indikátorom zmien environmentálnych podmienok, preto je im v
súčasnosti venovaná stále väčšia pozornosť. Spoločenský význam práce fenologických pozorovateľov
vyplýva z uplatnenia zistených údajov v rámci služieb poľnohospodárskej meteorológie a klimatológie. A
ich prostredníctvom aj v poľnohospodárskom výskume a výrobnej praxi. Fenologické pozorovania
sa využívajú na sledovanie prípadnej klimatickej zmeny, ktorá by mohla mať za následok nielen zmeny
priestorového rozšírenia rastlinných druhov, ale aj časové zmeny v nástupe fenologických fáz počas
vegetačného obdobia. Fenológia je veľmi dôležitou zložkou meteorológie a klimatológie. Okrem nich
slúži fenológia aj iným vedným odborom, ako je geografia rastlín a zvierat, predovšetkým však rôznym
odvetviam botaniky. Základný význam má pre poľnohospodárstvo a lesníctvo. V lesníckom výskume a
praxi najmä pri posudzovaní vzťahov medzi prostredím a rastlinami z hľadiska pestovateľských zásahov,
zabezpečovania semenného materiálu vhodného na ďalšiu reprodukciu lesných rastlín, hospodársky
využívaných drevín. Z hľadiska praktického poľnohospodárstva majú fenologické pozorovania
nezanedbateľný význam z mnohých dôvodov. V dôsledku sledovania nástupu fenofáz je možné určiť
vhodný termín aplikácie postrekov na ochranu rastlín proti chorobám a škodcom, závlahy. Podľa nástupu a
dĺžky fenologických fáz rozlišujeme jednotlivé skupiny odrôd ovocných druhov a podľa nich sa určujú
zóny vhodnosti pestovania, čo je dôležité najmä pre teplomilné ovocné druhy (napr. marhuľa, broskyňa).
Z dlhodobých fenologických záznamov možno stanoviť vhodnosť pestovania rôznych
poľnohospodárskych plodín a ich odrôd v určitých oblastiach, veľký význam majú aj pre ovocinárstvo,
vinárstvo, včelárstvo a pod.
Fenológia má veľké uplatnenie aj v lesnom hospodárstve. Z fenologických údajov možno určiť
klimatickú povahu veľkej aj malej lesnej oblasti. Tieto údaje môžu byť s úspechom použité v boji proti
lesným škodcom, alebo aspoň vhodné na spoznanie ich vývojového cyklu. Fenologické pozorovania v lese
umožňujú získať dôležité údaje pre plánovanie rôznych prác, napr. v škôlkach, pri zbere semien. Fenológii
ako významnému pomocníkovi pri pestovaní, ochrane a ťažbe lesov treba venovať veľkú pozornosť
(Petrík a kol., 1986).Medzi rastlinami a prírodným prostredím v danej lokalite existujú určité interakčné
vzťahy. Prírodné prostredie rozhoduje o vývoji a raste rastlín a rastlina naopak vplýva na prírodné
76
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
prostredie a dotvára ho svojím vývojom počas vegetačného obdobia. Z uvedených príčin je veľmi dôležité
sledovať vzťahy medzi prírodným prostredím a vývojom rastlín vo vegetačnom období (Dunajský a Jenča,
1993).Zmena klímy môže postupovať tak rýchlo, že lesné dreviny nachádzajúce sa na jednom stanovišti
niekoľko desaťročí, nebudú schopné sa tak rýchlo prispôsobiť novej vzniknutej situácii. Očakávaná
klimatická zmena a s ňou súvisiace negatívne faktory môžu zasiahnuť do priebehu a nástupu základných
životných prejavov (fenologických fáz) lesných ekosystémov. Vplyvom klímy sa môžu nástupy
fenologických fáz posunúť do skoršieho alebo výrazne neskoršieho obdobia a tak narušiť ďalší vývin
rastlín. S ohľadom na očakávanú klimatickú zmenu je nutné získať ďalšie podrobnejšie informácie o
rastových procesoch dôležitých lesných drevín, ako súčasných, tak tých, ktoré boli na danom stanovišti
pôvodné a v nadväznosti na sledovanie mikroklímy porastu prispieť k vysvetleniu ekofyziologických
procesov (Merklová a Bednářová, 2007). Fenologické pozorovania sa využívajú aj na prognózu rozšírenia
a vitality alergických druhov drevín a rastlín. Stanovujú sa termíny kvitnutia peľových alergénov pre
regióny a menšie územné celky Slovenska. Pomocou nich môže dochádzať k predchádzaniu alergických
reakcií a tlmeniu ich prejavov včasným nastavením potrebnej liečby.
Fenologické pozorovanie je možné využiť aj vo vyučovacom procese na základných školách a
gymnáziách a to v rámci vyučovacích hodín, laboratórnych cvičení a seminárov z biológie a geografie. Pre
objektívne získanie výsledkov a ich následnú podrobnejšiu analýzu medzi jednotlivými fenologickými
javmi a analýzu medzi fenologickými fázami a podmienkami vonkajšieho prostredia je dôležitý získaný
materiál z dlhodobého niekoľkoročného pozorovania. Napriek tomu postupné zavádzanie fenologických
pozorovaní do vyučovacieho procesu vedie k spestreniu vyučovania a k následnej zvýšenej motivácii
žiakov. Vo vyučovacom procese sa poukazuje na potrebu zvýšenia aktivizácie, ku ktorej môžu prispievať
fenologické pozorovania. Fenologické pozorovania v školskom prostredí sú realizované v rámci riešenia
triednych projektov a úloh a v súčasnosti v rámci projektu BEAGLE (Slovenská agentúra životného
prostredia).
Záver
Jedným z dôležitých aspektov fenológie je prepojenosť na praktické využitie fenologických pozorovaní,
čo má význam najmä v pestovateľskej praxi. Pre každého pozorovateľa je nevyhnutným predpokladom
úspešného a vzájomne porovnateľného výstupu podrobne zvládnuť metodiku fenologických pozorovaní.
Z tohto dôvodu sú v práci detailne popísané jednotlivé fenologické fázy na všetkých existujúcich typoch
fenologických staníc (poľná, ovocná, lesná a všeobecná fenológia).
Z hľadiska monitorovania klimatickej zmeny na lokálnej, regionálnej a globálnej úrovni majú veľký
význam fenologické údaje pozorované na divorastúcich rastlinách v ich prirodzených areáloch rozšírenia,
ktoré nie sú priamo ovplyvnené ľudskou činnosťou (hnojením, závlahami, šľachtením, chemickou
ochranou a pod.). Reakcia týchto rastlinných druhov na vonkajšie prostredie poskytuje informácie o jeho
zmenách a o schopnosti rastlín prispôsobiť sa im na úrovni jedinca aj celého rastlinného spoločenstva.
Naopak, kultúrne rastliny sú často pestované aj v oblastiach nevhodných na ich rast a vývin a veľmi citlivo
potom reagujú na extrémne prejavy počasia, ktoré môžu úplne zastaviť ich rast a vývin (napr. vplyv
neskorých jarných mrazov na teplomilné plodiny).
Okrem fenologického pozorovania rastlín treba však venovať pozornosť aj fenologickému pozorovaniu
živočíchov, ktoré je oveľa menej rozvinuté, ale nemenej dôležité, ako o tom svedčia niektoré analýzy
správania sa sťahovavých vtákov, hniezdenia vtáctva, výskytu škodlivého hmyzu a pod.
Literatúra
Bednářová, E., Merklová, L., 2007, Vyhodnocení fenologie mladého smrkového porostu v oblasti Drahanská vrchovina. In ROŽNOVSKÝ, J.,
LITSCHMANN, T., VYSKOT, I. (eds): Klima lesa. Křtiny 11. – 12. 4. 2007. Praha : Česká bioklimatologická společnost, 2007. s. 1 – 5.
ISBN 978-80-86690-40-7.
Braslavská, O., Kamenský, L., 1996. Fenologické pozorovanie lesných rastlín : Metodický predpis. Bratislava : SHMÚ, 1996. 22 s.
Braslavská, O., Krčová, A., 2003, Návod pre dobrovoľných pozorovateľov fenologických staníc: Metodický postup. Bratislava : SHMÚ. 30 s.
ISBN 80-88907-33-0.
Dunajský, E., Jenča, V., 1993, Závislosti nástupu a trvania fenologických fáz na meteorologické prvky u vybraných plodín z agrometeorologického observatória Trebišov-Milhostov. In LITSCHMANN, T., ROŽNOVSKÝ, J. (eds): Agrometeoro-logická konference 93: Sborník
referátů. Brno : Česká bioklimatologická společnost, 1993. s. 70 – 71.
Petrík M., a kol.,1986. Lesnícka bioklomatológia. Bratislava : Príroda, 1986. 346 s.
Valter, J., 1987. Návod na činnosť fenologických staníc ovocné dreviny : Metodický predpis. Bratislava: SHMÚ, 1987. 136 s.
Valter, J. 1988. Návod na činnosť fenologických staníc poľné plodiny : Metodický predpis. Bratislava : SHMÚ, 1988. 120 s.
Zákon č. 201/2009 z 29. apríla 2009 o štátnej hydrologickej službe a štátnej meteorologickej službe.
77
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Významné osobnosti slovenskej meteorológie a klimatológie v druhej
polovici XX. storočia
Dušan Podhorský
Geofyzikálny ústav SAV, [email protected]
Úvod
Čas neúprosne letí, ešte včera písali naši učitelia habilitačné práce na docentúru a dnes majú cez
osemdesiatku, včerajší naši poslucháči písali diplomové práce a dnes nastúpili do dôchodkového veku ako
profesori a vedúci vedeckí pracovníci a my včerajší elévi sme prekročili sedemdesiatku. Pri spracovávaní
historických materiálov o Milanovi Rastislavovi Štefánikovi ako meteorológovi som si uvedomil, že naša
včerajšia prítomnosť sa zmenila na minulosť a preteká nám medzi prstami. Vďaka Karlovi Krškovi a
Ferdinandovi Šamajovi máme spracované "Dějiny meteorologie v českých zemích a na Slovensku". Hoci
uplynulo iba jedenásť rokov od ich vydania, cítim potrebu prispieť s mojimi úvahami a spomienkami k
vybraným meteorologickým a klimatologickým osobnostiam v druhej polovici XX. storočia a súčasne
prispieť k ich doplneniu na základe vlastných subjektívnych poznatkov.
Dnes, keď žijeme na Slovensku, podľa bulváru, v „dobe celebrít“, považujem za vhodné tento termín
opustiť, i keď slovník cudzích slov hovorí, že ide o „ významnú spoločenskú osobnosť“. Dnes existuje na
termín osobnosť vyše sto definícií, ale tu budeme pod osobnosťou chápať určitú jednotu celého súboru
biologických, psychických, vedomostných a sociálnych vlastností človeka, ktoré určujú správanie
osobnosti v konkrétnej, často vyhrotenej situácii.
V tomto prípade, keď by sme mali hovoriť komplexne o osobnostiach, ktoré sa zaslúžili o budovanie,
organizáciu, rozvoj, vedecký a patentový prínos, pedagogickú výchovu a publikačnú činnosť na poli
meteorológie a klimatológie, malo by posudzovanie osobnosti vychádzať zo štruktúry pre hodnotenie
manažérov, ktorá sa člení na aktivačno-motivačné vlastnosti (postoje, záujmy, ašpirácie, hodnoty, ideály
a p.), sebaregulačné vlastnosti (fyzické vlastnosti, inteligencia, tvorivosť, všeobecné a odborné znalosti,
riadiace schopnosti, t.j. schopnosti analyzovať, prognózovať, rozhodovať, viesť a kontrolovať) a sociálno–
vzťahové vlastnosti (potrebu mať vplyv, potrebu a schopnosť kooperácie, komunikačné schopnosti vo
vertikálnom a v horizontálnom smere, t.j. tzv. sociálne kompetencie. Slovenská meteorológia
a klimatológia mala v uvedenom období niekoľko vynikajúcich manažérov podľa vyššie uvedenej
štruktúry, a to: Mikuláša Končeka, Štefana Petroviča, Jána Danča, Ferdinanda Šamaja, Františka Smolena,
Jána Pribiša, Juraja Raka, Dušana Závodského, Štefana Škuleca, Mariána Woleka a ďalších. Z pohľadu
vývoja Slovenského hydrometeorlogického ústavu tam určite patria aj manažéri pôsobiaci mimo
meteorológie a klimatológie ako napríklad Ján Friga, Štefan Podolinský, Michal Ružička a Ľubomír
Lietava.
Nakoľko sa slovenská meteorológia a klimatológia vyvíjala a tvorila najmä v XX. storočí, ktoré bolo
postihnuté tromi svetovými vojnami (prvou, druhou a studenou vojnou), početnými politickými zmenami
a prevratmi, určite by bolo zaujímavé posudzovať naše osobnosti z pohľadu súčasných teórií o krízovom
manažmente, t.j. ako boli tieto osobnosti pripravené analyzovať možné riziká a ohrozenia, koordinovať
prípravu krízových plánov a včas nasadzovať vhodne pripravené osobnosti (odborne, vedecky,
manažérsky a ľudsky) pre danú dobu na riadiace pozície, ktoré si vyžadovali „helikoptérový nadhľad“.
Tento prístup by takto vymedzil zaradenie medzi osobnosti aj typy javu „kométy“ – ktoré vďaka
politickému dusnu vyletia, oslnia, resp. oslepia okolie a za krátky čas zhasnú, pominú.
Na počiatku tohto úvodu som spomenul osobnosť gen. Dr. M.R. Štefánika rád by som uviedol tri jeho
výroky, ktoré nás sprevádzajú pri posudzovaní našich osobností:
„Nič mi nebolo nemožné, lebo som chcel“.
„Účelne a logicky žije len ten, kto využíva každý okamžik na prehĺbenie intelektu. Čím bystrejší je náš um,
čím väčšie je množstvo v nás spracovaných vedomostí, tým hlbšia je súdnosť človeka, tým jasnejší
a vrúcnejší je jeho pomer k vonkajšiemu svetu“.
„Žil som krásny život. Prežíval som večnosť v sekundách“.
Symbolický strom života slovenskej meteorológie a klimatológie – druhá polovica XX. storočia
Poznámka: Do stromu života boli vložení, okrem niekoľkých výnimiek, najmä absolventi špecializácie
78
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
meteorológia a klimatológia a hydrológia a klimatológia (ktorí sa uplatnili na poli meteorológii
a klimatológii, ktorí študovali na Katedre astronómie, geofyziky a meteorológie Univerzity Komenského
v Bratislave od roku 1952 do roku 1975. Za menom je uvedený rok ukončenia štúdia na predmetnej
katedre, kde tak nie je, menovaný absolvoval inú špecializáciu. Niektorí emigrovali do zahraničia, viacerí
absolventi opustili pôsobenie v meteorológii. Pre povolený rozsah príspevku uvediem personálie iba tých
osobností, ktoré dovŕšili do roku 2012 životné jubileum - sedemdesiatku.
Ako výnimku spomeniem z počiatku minulého storočia iba Milana Rastislava Štefánika – zakladateľa
svetovej leteckej meteorológie (aktívna činnosť v odbore astronómia a meteorológia 1905 – 1916. Pozri
spomenuté „Dějiny...“ a nadväzné citované publikácie).
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Zakladateľ slovenskej meteorológie a klimatológie
Mikuláš Konček (aktívna činnosť v odbore 1925 – 1975)
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------klimatológia
synoptická meteorológia
aerológia
radarová a družicová ochrana čistoty
ovzdušia
bioklimatológia
letecká meteorológia
meteorológia
rádioaktivita
atmosféry
agrometeorológia
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Štefan Petrovič †
František Molnár Peter Forgáč†
Lev Ballon†
Šimon Valovič† V. Briedoň†
Štefan Olejník(1966) †
Ján Popálený† Štefan Olejník(1966) †
Ján Otruba Vladimír Peterka(1952) †
Ján Danč† Juraj Kolesár
Ľubomír Fekeč (1956) †
František Smolen (1954) Juraj Šoltís(1954) †
Ján Tomlain(1956) Juraj Rak(1956) †
Milan Nedelka(1956)
Ferdinand Šamaj (1956) Pavol Krnáč(1956) Gustáv Otruba
Ján Pribiš(1956)
Margita Kurpeľová(1951) † , PrF UK) Robert Intribus †
Vladimír Pevný František Špánik Matej Petrík
Ján Lukáč†
Bohumil Žák(1961) Gustáv Valuš
Jozef Iľko(1961)
Rudol Sládkovič(1961)
Ferdinand Hesek
Galina Murínová Pavol Šteberla
Jozef Reichert
Marián Ostrožlík(1963) Eva Závodská(1963) Dušan Podhorský(1963) Albín Otruba(1966)†
Zlata Čabajová(1963)
Pavol Petrovič (1958) †
Dušan Závodský(1963)
Alexander Oravec(1966) Július Žuffa(1966) †
František Matejka(1968) Táňa Hurtalová
Marián Wolek† (1966) Dagmar Krišková(1966)
Eugen Lexmann(1968) Peter Grman(1968)
Ivan Panenka(VAAZ) Karel Krška(PrF PurU, 1961)
Štefan Škulec
Vladimír Zeman † (VAAZ, 1960)
Eva Hrouzková(1971) Milan Lapin(1971)
Dušan Podhorský(1963) Marián Wolek† (1966)
Elena Nieplová(1974)
Stanislav Kovár(1971)
Branislav Gajar† (1974) Ján Hrvoľ(1974)
Ondrej Babič† (1974)
Miroslav Chmelík(1974)
Mária Tekušová(1975) Pavel Šťastný(1975) Vladimír Pastirčák(1975) Vladimír Pánik(1975)
Katarína Marečková(1975)
Prof. RNDr. Mikuláš Konček, DrSc., člen korešpondent ČSAV a SAV, zásadným spôsobom ovplyvnil
rozvoj synoptickej meteorológie a klimatológie na Slovensku. Z dnešného pohľadu bol typickým
všestranným manažérom – od prístrojového vybavenia cez patent na geligraf (námrazomer) z roku 1954,
budovanie pozorovateľskej siete, komplexný rozvoj organizačných útvarov meteorologickej služby, a to aj
v dobách najturbulentnejších politických zmien v rokoch 1939 až 1951. Vybudoval štúdium meteorológie
a klimatológie na viacerých vysokých školách na Slovensku. Bol učiteľom a školiteľom takmer všetkých
najúspešnejších meteorológov a klimatológov na Slovensku.
Narodil sa 12. apríla 1900 v Petrohrade v Rusku v rodine slovenského imigranta, matka bola Ruska. V
Petrohrade absolvoval švajčiarske gymnázium (vyučovací jazyk francúzsky, nemecky a rusky - neskôr sa
naučil anglický jazyk). V r.1917 začal študovať na Matematicko-fyzikálnej fakulte Univerzity v
Petrohrade a na Observatóriu pre meteorológiu a zemský magnetizmus v Pavlovsku pri Petrohrade
pracoval ako dobrovoľník. Po revolúcii emigrovala rodina Končeková do Československa a Mikuláš sa
zapísal na Prírodovedeckú fakultu Karlovej univerzity, kde v roku 1925 obhájil s vyznamenaním
doktorskú dizertačnú prácu. V rokoch 1925-1926 pracoval u prof. S. Hanzlíka na Ústave pre meteorológiu
a klimatológiu Karlovej univerzity a potom pôsobil na rôznych oddeleniach Štátneho meteorologického
79
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
ústavu (SMÚ) v Prahe – v roku 1937 ako zástupca vedúceho odbočky SMÚ na letisku Ruzyně a v roku
1938 ako vedúci správy leteckej poveternostnej služby. Prednášal meteorológiu v rámci učebných kurzov
pre letectvo na ČVUT. V roku 1937 publikoval český a v roku 1940 nemecký preklad ruskej učebnice
o synoptickej meteorológii, vydanej v r. 1934, od prof. Sergeja
Petroviča Chromova
z Hydrometeorologického inštitútu v Moskve (1904-1977). V r. 1938 bol zvolený za člena Medzinárodnej
komisie pre synoptickú meteorológiu. Po rozpade Československa v r. 1939 prišiel na Slovensko
a v podstatnej miere sa podieľal na vybudovaní Štátneho hydrologického a meteorologického ústavu
v Bratislave. Jeho najbližšími spolupracovníkmi boli Dr. Štefan Petrovič a Dr. Vojtech Briedoň, s ktorými
zabezpečil pravidelnú činnosť pozorovacej siete (v r. 1940 bola uvedená do prevádzky najmodernejšia
lanovka v Európe na Lomnický štít s meteorologickým observatóriom), posudkovú a výskumnú činnosť).
M. Konček sa spočiatku venoval najmä synoptickej meteorológii. Zaviedol pravidelnú predpoveď počasia
v oznamovacích prostriedkoch. V r. 1946 bol menovaný za profesora meteorológie a klimatológie na
Prírodovedeckej fakulte UK v Bratislave, kde založil Ústav pre meteorológiu a klimatológiu, ktorý bol od
r. 1952 včlenený do Katedry astronómie, geofyziky a meteorológie. Vedúcim tejto katedry bol až do roku
1970. Vybudoval odborné meteorologické pracoviská na ČSAV (1954), po založení SAV v r. 1953 to bol
Ústav meteorológie a klimatológie, ktorého riaditeľom bol do r. 1969.
V posledných rokoch svojej vedeckej dráhy venoval sa štúdiu klimatických zmien v Strednej Európe na
základe 200- ročných pozorovaní teploty vzduchu v Bratislave a vo Viedne, bol autorom 11 monografií
a 130 vedecko - populárnych článkov.
Jehoo manažérske schopnosti boli obdivuhodné – bol pri zakladaní Československej meteorologickej
spoločnosti pri ČSAV a Slovenskej meteorologickej spoločnosti pri SAV v r. 1960 ( dlhé roky bol
predsedom), založil spoluprácu s poľskými odborníkmi pri výskume Tatier, medzinárodné konferencie
o meteorológii Karpát a spoločné slovensko – maďarské konferencie od r. 1968. V rokoch 1960 -1967 bol
členom Výkonného výboru medzinárodnej asociácie pre meteorológiu a fyziku atmosféry. Boli mu
udelené početné najvyššie štátne a zahraničné vyznamenania, bol členom mnohých zahraničných
vedeckých spoločností. Známy je jeho podiel na vypracovaní mapy klimatických oblastí Československa s
využitím klasifikácie vlahovej bilancie územia pomocou tzv. Končekovho indexu zavlaženia. S dr. Reinom
z ČSAV pripravili synoptickú klasifikáciu vhodnú na dynamicko - klimatologické analýzy, ktorá sa
prakticky používa dodnes. Prof. Mikuláš Konček skonal 16. augusta 1982.
Na počiatku budovania slovenskej meteorológie v rokoch 1939 – 1950 najbližším spolupracovníkom prof.
Končeka bol RNDr. Štefan Petrovič (*1906, Spišské Tomášovce, † 2000, Bratislava), ktorý v r. 1931
absolvoval štúdium matematiky a fyziky na Karlovej univerzite. Počas štúdia sa zúčastňoval na
prednáškach o meteorológii a klimatológii u prof. Hanzlíka. Krátko pracoval na leteckej poveternostnej
službe SÚM v Prahe. Po rozpade ČSR nastúpil v roku 1939 do Ústredia slovenskej poveternostnej služby.
Po vzniku Prírodovedeckej fakulty Slovenskej univerzity v Bratislave bol v r. 1940 promovaný ako prvý
doktor prírodných vied tejto univerzity. Ďalších dvadsať rokov prednášal na SVŠT meteorológiu
a klimatológiu. Bol jedným zo zakladateľov odborného časopisu Meteorologické zprávy, bol členom
redakčnej rady v rokoch 1950 – 1983.
Bol autorom a hlavným redaktorom niektorých kapitol Atlasu podnebia Československej republiky.
Celkove opublikoval vyše 150 vedeckých prác. V roku 1970 bol vyznamenaný Za zásluhy o výstavbu.
Blízkymi spolupracovníkmi dr. Petroviča boli špičkoví klimatológovia ako Ján Danč † , Vojtech Briedoň
†, Šimon Valovič† a Juraj Šoltís†. Rozsah nášho príspevku neumožňuje venovať sa detailnejšie týmto
osobnostiam, ale náročný čitateľ si môže nalistovať podrobnosti v Meteorologických časopisoch, ktorých
vydavateľom je SHMÚ v Bratislave.
V strome života, najmä v klimatológii, bioklimatológii a lesníckej klimatológii boli medzi mimoriadne
významné osobnosti uvedení prof. Ing. Dušan Zachar, DrSc.(*Brezno, 1926), lesnícky výskum a lesnícka
bioklimatológia, agrometeorologičku dr. Margitu Kurpeľovú †, široko spektrálneho doc. Ing. Róberta
Intribusa, CSc. (*1919-†1998) - od vojenskej leteckej meteorológie, cez vysokoškolského učiteľa
meteorológie vo Zvolene, v Žiline a na vysokej škole v Alžírsku. Ďalej sú to Vladimír Pevný (venoval sa
tiež humoru v meteorológii), doc. Ing. Matej Petrík, CSc.(*1929-†2001) na Vysokej škole lesníckej
a drevárskej vo Zvolene a na Vysokej škole poľnohospodárskej v Nitre, prof. Ing. František Špánik, CSc.,
predseda Slovenskej bioklimatologickej spoločnosti pri SAV (*1933, Čelková Lehota). Vysokoškolské
štúdium ukončil na Slovenskej poľnohospodárskej univerzite v Nitre (1958), CSc. (1972), za docenta sa
habilitoval (1981) a v roku 1993 bol menovaný za profesora. V rokoch 1960 - 1995 pracoval na
Agronomickej fakulte VŠP v Nitre, od roku 1995 - 2002 ako vedúci Katedry biometeorológie a hydrológie
na Fakulte záhradníctva a krajinného inžinierstva tejto univerzity. Je uznávaný doma i v zahraničí v
80
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
odboroch biometeorológia, bioklimatológia a fenológia. Je autorom 100 vedeckých a 150 odborných prác
a 5 vysokoškolských učebníc. Zastával početné významné funkcie vo vedeckých spoločnostiach na
Slovensku, je nositeľom početných akademických vyznamenaní.
Na KAGM bol mimoriadne odborne zdatný kolektív, ktorý sa skladal z vynikajúcich žiakov profesora
Končeka, do ktorého patrili doc. RNDr. Ján Otruba, CSc.(*1921, Zázrivá – minulý rok sme si spomenuli
jeho 90. výročie narodenia), prof. RNDr. Vladimír Peterka, CSc. (*1927, Vimperk, okr. Prachatice, †1997,
Bratislava), doc. RNDr. František Smolen, CSc.(*1928, Pucov, okr. Dolný Kubín), doc. RNDr. Ferdinand
Šamaj, DrSc.(*1931, Trnava – nedávno sme mu gratulovali 80. narodeninám) a prof. RNDr. Ján Tomlain,
DrSc. (*1932, Muránska Huta, okr. Rožňava – začiatkom apríla t. r. sme mu gratulovali k 80. jubileu).
Každý z nich po odchode svojho učiteľa Končeka úspešne pokračoval či už ako vedúci Katedry
astronómie, geofyziky a meteorológie UK (Peterka), alebo ako riaditeľ Ústavu meteorológie
a klimatológie na SAV (Smolen), riaditeľ Meteorologického a klimatologického ústavu UK (Tomlain)
alebo ako dlhoročný historicky najúspešnejší riaditeľ Slovenského hydrometeorologického ústavu
(Šamaj,1969–1991). Každý z nich súčasne predstavoval vrchol vedeckého poznania vo svojej disciplíne –
Ján Otruba v oblasti riešenia cirkulačných pomerov prízemnej vrstvy atmosféry v oblasti Západných
Karpát ako aj štúdiom časových a priestorových charakteristík orografických deformácií všeobecného
prúdenia vzduchu, Vladimír Peterka skúmal otázky slnečného svitu a oblačnosti a dynamickú
klimatológiu, František Smolen je považovaný za zakladateľa moderných metód merania
a vyhodnocovania parametrov slnečnej radiácie, vybudoval špičkové experimentálne meteorologické
pracoviská vo Vysokých Tatrách, Ferdinand Šamaj je popredným odborníkom v oblasti atmosférických
zrážok, spracoval zrážkové pomery Vysokých Tatier, venoval sa hodnoteniu intenzít krátkodobých dažďov
a zrážkových pomerov na Slovensku, ale najmä pod jeho vedeckým riadením vybudoval jeden
z najmodernejších a komplexných hydro-meteorologických ústavov v Európe a Ján Tomlain sa v oblasti
radiačnej, energetickej a vodnej bilancie, teórii podnebia a meteorologických aspektov šírenia sa
exhalátov v atmosfére. Každý z nich viedol desiatky diplomových prác a vychoval plejádu kandidátov
vied. Tieto osobnosti slovenskej meteorológie a klimatológie sú detailne spracovaní v početných
publikáciách, a preto sú tu prezentovaní mimoriadne stručne.
Predstaviteľmi slovenskej synoptickej a leteckej meteorológie v polovici XX. storočia boli žiaci prof. M.
Končeka pod vedením Františka Molnára (*1923, Dolný Oháj), majstra na presadzovanie meteorológie do
povedomia štátnych a straníckych štruktúr a pri obhajovaní koncepčných záujmov slovenskej synoptickej
a leteckej meteorológie v Prahe, ďalej to bol najmä dr. Peter Forgáč, neúnavný prognostik
a bezkonkurenčný propagátor meteorológie a pranostík v masovo – komunikačných prostriedkoch. Po
odbornej stránke vkladali nové predpovedné metódy do prevádzky najmä Lev Ballon a nenahraditeľný
nadšenec Ľuboš Fekeč, ktorí dokázali aj napriek nedostatočnému technickému vybaveniu aplikovať
advektívno dynamické metódy sovietskej školy do prevádzky. Leteckú meteorologickú službu a jej
vysunuté pracoviská riadil pedantne Ján Popálený, ktorý postupne odborne skvalitňoval významné letiská
ako Poprad, Sliač a Košice.
Ďalšie osobnosti v meteorológii a v klimatológii vediem podľa študijných ročníkov na KAGM
v Bratislave:
ROČNÍK ABSOLVENTOV 1956: Ján Tomlain, Juraj Rak, Milan Nedelka, Ján Pribiš a Ferdinand Šamaj
– bol to historicky najúspešnejší ročník, a to ako po stránke vedeckého manažmentu, tak aj v oblasti
vedeckého prínosu do slovenskej meteorológie a klimatológie. Mimoriadny bol ich vplyv pre výchovu
novej generácie, pri tvorbe nových učebných osnov na viacerých slovenských univerzitách. Doteraz tu ešte
neboli z tohto ročníka uvedení Juraj Rak, Milan Nedelka a Ján Pribiš.
RNDr. Juraj Rak, CSc.( *1932, Zemplínska Teplica, †2007,Bratislava). Po skončení univerzity krátko
pôsobil ako gymnaziálny profesor matematiky a astronómie v Košiciach. Od roku 1958 až do odchodu do
dôchodku v roku 1994 pracoval na Slovenskom hydrometeo-rologickom ústave. Bol vedúcim leteckej
meteorologickej siete, vedúcim odboru klimatológie, vedúcim klimatologickej služby a vyše dve
desaťročia zastával funkciu prvého námestníka riaditeľa (zodpovedal za klimatológiu a čistotu ovzdušia)
SHMÚ v Bratislave. Krátko pred odchodom do dôchodku bol vedúcim výskumného oddelenia pre
klimatológiu. Vedeckú ašpirantúru ukončil v roku 1970, od roku 1978 bol samostatný a od roku 1987
vedúci vedecký pracovník. Vyše dvadsať rokov bol členom Komisie pre klimatológiu SMO, 15 rokov
členom redakčnej rady časopisu Ochrana ovzdušia a vyše 20 rokov členom redakčnej rady Meteorologické
zprávy. Bol výným manažérom. Pod jeho vedením sa realizovala výstavba siete na meranie znečistenia
ovzdušia, výstavba chemických laboratórií SHMÚ v Bratislave, Banskej Bystrici a v Košiciach, výstavba
meteorologických observatórií pri jadrových elektrárňach v Jaslovských Bohuniciach a v Mochovciach.
81
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Podporoval rozvoj monitoringu regionálneho znečistenia, atmosférickej rádioaktivity a budovanie Registra
emisií a zdrojov znečistenia ovzdušia. Bol koordinátorom a zodpovedným riešiteľom medzinárodných
a štátnych výskumných programov a projektov. Prednášal na SVŠT v Bratislave a v Košiciach, bol
školiteľom vedeckých ašpirantov. Mal vyše 100 odborných a vedeckých publikácií a bol spoluautorom
vysokoškolských učebníc a viacerých monografií. Za dlhoročnú odbornú a organizátorskú prácu získal
početné ocenenia a vyznamenania.
RNDr. Ján Pribiš, CSc.( *1932, Malý Slavkov) po skončení univerzity nastúpil so služieb HMÚ a po
trojmesačnej praxi na aerologickom pracovisku na letisku Ruzyně stal sa vedúcim rádiosondážnej stanice
na letisku Poprad. Celých 37 rokov viedol a spracovával koncepcie slovenskej aerológie, ktorá sa postupne
stala medzinárodne uznávanou v Európe. Bol protopyp manažéra, vedca, učiteľa, priateľa, športovca
(basketbal a volejbal) a muzikanta. V decembri 1977 realizoval svoju túžbu – vybudoval jedno
z najkrajších meteorologických observatórií v Strednej Európe, so špecifickým zameraním na
aerologickú sondáž atmosféry. Aktívne sa zúčastňoval na medzinárodných projektoch TATREX
a ALPEX, v roku 1977 sa zúčastnil na polročnom medzinárodnom monzúnovom experimente na
sovietskej lodi v Indickom oceáne. Aj po odchode do dôchodku je stále verný svojmu životnému poslaniu,
patrí k šťastným ľuďom, ktorým pribúdajúce roky neuberajú radosť zo života, ani energiu a optimizmus.
Prof. RNDr. Ing. Milan Nedelka, CSc.( *1932, Merašice) po skončení univerzity pre nedostatok miest na
HMÚ dva roky pôsobil ako profesor na gymnáziu v Nitre. Od roku 1958 do roku 1978 pracoval ako
vedúci leteckej meteorologickej služobne na letisku Poprad a od počiatku 70. rokov ako vedúci výskumu
synoptickej a leteckej meteorológie. V roku 1978 prešiel do Bratislavy kde až do dôchodku v roku 1993
zastával funkciu vedúceho odboru leteckej meteorológie, resp. vedúceho leteckej meteorologickej služby.
Pôvodne sa zaujímal o agrometeorológiu, a preto diaľkove ukončil v roku 1967 Agronomickú fakultu VŠP
v Nitre. V roku 1968 získal titul RNDr. a v roku 1974 obhájil kandidatútu. V roku 1986 sa habilitoval ako
docent pre meteorológiu a klimatológiu a v roku 2001 bol menovaný za profesora na Žilinskej univerzite.
Významné odborné diela prof. Nedelku sú obsiahnuté vo vysokoškolskej učebnici „Prehľad leteckej
meteorológie“ (1984) a v „Slovenskom leteckom slovníku, terminologický a výkladový“ (editor a hlavný
autor, 1998). Od roku 1971 prednáša leteckú meteorológiu na Žilinskej univerzite a bol dlhé roky
expertom Leteckého úradu SR. V roku 1974 sa zúčastnil na sovietskej výskumnej lodi na medzinárodnej
expedícii „Atlantický tropický experiment“. Počas vedeckého a pedagogické života zastával početné
funkcie na SHMÚ, v SMO a na Štátnej leteckej inšpekcii.
ROČNÍK ABSOLVENTOV 1961: Bohumil Žák, Ferdinand Hesek, Rudol Sládkovič, Jozef Iľko – tento
ročník reprezentujú štyri od seba nezávislé osobnosti, každá osve bola tvorcom osobitého prístupu pri
rozvoji jednotlivých disciplín meteorológie a klimatológie. Pre stručnosť uvediem iba dve osobnosti,
Rudolf Sládkovič krátko po skončení univerzity emigroval do SRN a RNDr. Bohuš Žák, CSc., ktorý väčšinu
profesijného života – od roku 1980 pracoval prevažne na Úrade predsedníctva SAV. V uvedenom roku
1961 absolvoval kombináciu matematika–fyzika aj RNDr. Ján Lukáč, CSc.( *1939, Palárikovo, †2006,
Bratislava), ktorý od počiatku pracoval v ÚMK SAV, v roku 1969 obhájil CSc., do roku 1989 bol
zástupcom riaditeľa ústavu a potom vedúcim odboru fyziky atmosféry. Venoval sa problematike slnečného
žiarenia a zákalu atmosféry. Zastával početné významné funkcie v rámci SMS a SAV.
RNDr. Jozef Iľko, CSc.( *1939, Lastovce, okr. Trebišov) ukončil štúdium na KAGM UK úspešnou
obhajobou diplomovej práce na tému „Rozdelenie zrážok za južných situácií v Podunajskej nížine
a Záhorskej nížine. V rámci základnej vojenskej služby v rokoch 1961 až 1963 pôsobil ako letecký
meteorológ na leteckom pluku Zvolenskej divízie v Bratislave na letisku. Od roku 1964 do 1976 pracoval
ako vedúci krajskej meteorologickej služobne SHMÚ na letisku Sliač. V roku 1967 získal titul RNDr. na
Univerzite J. E. Purkyně v Brne a v roku 1976 sa stal kandidátom matematicko-fyzikálnych vied na
Univerzite Karlovej. Jeho dizertačná práca patrila k prvým na Slovensku, ktorá sa zaoberala numerickou
predpoveďou výšky AT 500 hPa pomocou nedivergentného barotropného modelu. V roku 1976 sa
presťahoval do Bratislavy a stal sa vedúcim výskumu synoptickej a leteckej meteorológie SHMÚ a od
roku 1983 do roku 1994 vedúcim odboru predpovede počasia. Dr. Iľko patrí k najpoprednejším
osobnostiam na Slovensku, ktoré zasvätili svoje poslanie popularizácii meteorológie a predpovedaniu
počasia v celom komplexe masovo-komunikačných prostriedkov.
Doc. RNDr. Ferdinand Hesek, CSc.( *1938, Kúty) po skončení na KAGM UK pôsobil na Ústave
meteorológie a klimatológie SAV, kde v roku 1968 získal vedeckú hodnosť CSc.. V roku 1975 tento ústav
bol včlenený do Geofyzikálneho ústavu SAV a na tomto pracovisku Ferdinand nepretržite pôsobil až do
odchodu na dôchodok. V rokoch 1990 – 1994 bol zástupcom riaditeľa GFÚ SAV a potom pracoval ako
vedúci vedecký pracovník. Zameral sa na matematické modelovanie znečistenia ovzdušia, vypracoval
82
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
nestacionárny gaussovský model znečistenia ovzdušia pre komplexný terén a je autorom celoštátnej
metodiky pre výpočet znečistenia ovzdušia z automobilovej dopravy.
Od roku 1980 prednášal na Katedre meteorológie a geofyziky MFF UK a roku 1995 habilitoval sa za
docenta. Bol členom početných vedeckých komisií na MFF UK, bol konzultantom MŽP SR
a podpredsedom Vedeckého kolégia SAV pre vedy o Zemi a vesmíre, členom viacerých redakčných rád.
Bol aktívnym členom SMS pri SAV.
ROČNÍK ABSOLVENTOV 1963: Zlata Čabajová, Marián Ostrožlík, Dušan Podhorský, Eva Závodská,
Dušan Závodský. Bol to mimoriadne úspešný ročník, ktorý dosiahol pozoruhodné úspechy v meteorológii
a klimatológii.
RNDr. Zlata Čabajová, CSc. (*1941, Kláštor pod Znievom), od vstupu na pôdu univerzity snívala
o humánnej bioklimatológii a jej diplomová práca "Schladzovacia veličina na Štrbskom plese
a v Bratislave“ vytvorila odrazový mostík v plnom rozsahu. V roku 1971 obhájila rigoróznu prácu, o niečo
neskôr aj dizertačnú prácu a od roku 1974 bol jej priznaný vedecký stupeň samostatný vedecký pracovník.
Od skončenia univerzity pracovala na Výskumnom ústave humánnej bioklimatológie v Bratislave až do
jeho zániku v roku 1994. Vo svojom odbore patrí jednoznačne k vedeckej a pedagogickej špičke na
Slovensku. Po zrušení výskumného ústavu niekoľko rokov pokračovala v odborných bioklimatologických
aktivitách, pripravovala a vydávala medicínsko-meteorologické prognózy v neštátnom zdravotníckom
zariadení EUROREHAB. V súčasnosti vedie portál www.biopočasie, ktorý denne poskytuje aj
individuálne medicínsko-meteorologické predpovede. Vo svojich vedeckých prácach skúmala vplyv
atmosférických, geomagnetických a solárnych dejov na kardiovaskulárne a respiračné ochorenia, na ich
sezónnosť, ročný a denný chod. Podieľala sa na výskume speleoterapie a patrí jej prvenstvo v bývalom
Československu v riešení vonkajšieho tepelného komfortu a diskomfortu. V rámci Národného
klimatického programu urobila analýzu zmien a variability ekvivalentnej teploty v SR a jej modelový
výpočet do roku 2025.Opublikovala 140 vedeckých a odborných článkov Je spoluautorkou viacerých
monografií a vysokoškolských skrípt, vysoko treba oceniť jej nepretržitú pedagogickú činnosť na
viacerých slovenských univerzitách.
Je spoluzakladateľkou Slovenskej bioklimatologickej spoločnosti, v ktorej dlhé roky pôsobila ako vedecká
tajomníčka. V súčasnosti je čestnou členkou Hlavného výboru tejto vedeckej spoločnosti a predsedníčkou
humánnej sekcie.
RNDr. Marian Ostrožlík, CSc. (*1941, Úľany nad Žitavou), po skončení vysokoškolského štúdia nastúpil
na Ústav meteorológie a klimatológie SAV a v podstate mu bol verný po celý život, až kým tesne pred
sedemdesiatkou neodišiel na zaslúžený dôchodok, ale už v pôvodný ústav bol včlenený do Geofyzikálneho
ústavu SAV. Jeho celoživotným poslaním bolo štúdium tvorby a výskytu námrazy, tejto problematike
venoval aj svoju dizertačnú prácu, ktorú obhájil v roku 1971. V posledných rokoch pôsobil ako vedúci
Oddelenia horskej meteorológie na Geofyzikálnom ústave SAV, kde rozšíril okruh svojho výskumu
o aktuálne problémy horskej meteorológie. Bol aktívnym členom SMS pri SAV, Slovenskej
bioklimatologickej spoločnosti pri SAV, podieľal sa na organizovaní početných medzinárodných
konferenciách.
RNDr. Dušan Závodský, CSc. (*1941, Bratislava) patrí k najvýznamnejším osobnostiam v oblasti
ochrany ovzdušia. Jeho prvým pracoviskom, už počas vysokoškolského štúdia, sa stala na krátky čas
Vysoká škola poľnohospodárska v Nitre. Od roku 1964 pracoval na na významných postoch v SHMÚ
Bratislava až do odchodu do dôchodku v roku 2010. V roku 1971 obhájil na Geofyzikálnom ústave SAV
vedeckú hodnosť kandidáta fyzikálno-matematických vied, od roku 1980 bol preradený za samostatného
vedeckého pracovníka a v roku 1997 na vedúceho vedeckého pracovníka. Po nástupe na SHMÚ sa stal
vedúcim laboratória pre rádioaktivitu ovzdušia, postupne vykonával rôzne funkcie, počnúc vedúcim
odboru znečistenia ovzdušia, zástupcom riaditeľa a na počiatku 90. rokov bol krátko poverený aj
vykonávaním funkcie riaditeľa ústavu. Od roku 1993 do roku 2007 pracoval na SHMÚ ako vedúci
vedecký pracovník. Ako externý vysokoškolský učiteľ prednášal na KMK MFF UK od roku 1972, kde
bol v roku 1993 po úspešnej habilitácii vymenovaný za docenta. Bol vedúcim dvoch doktorandských
a takmer dvadsiatich diplomových prác. Je členom štátnicových komisií, ale aj člen odborových komisií
pre doktorandské štúdium vo vedných odboroch Meteorológia a klimatológia a Chémia a technológia
životného prostredia. Mimoriadne je bohatá jeho publikačná činnosť, vysoko nadpriemerná ako po
kvalitatívnej, tak aj po stránke kvantitatívnej. Má vyše 200 odborných publikácií, je spoluautorom
desiatich monografií a vysokoškolských skrípt a vyše päťdesiatich výskumných správ a štúdií. Je najviac
citovaným domácim autorom v danom odbore.
Dušan Závodský bol aktívny v rôznych vedeckých spoločnostiach, radách a komisiách – v rokoch 1991 –
83
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
1992 bol členom poradného zboru ministra – predsedu FVŽP ČSFR, bol predsedom SMS pri SAV (199395), predsedom Vedeckej rady SHMÚ (1997-2000), predsedom redakčnej rady Meteorologického časopisu
(1998-2007). Bol členom počas troch funkčných obdobiach Vedeckej rady MFF UK, poradného zboru
TANAP, podpredsedom Vedeckého kolégia SAV pre vedy o Zemi a vesmíre. Pôsobil v rôznych
medzinárodných vedeckých projektoch, angažoval sa na budovaní monitorovacích sietí kvality ovzdušia,
atmosférickej rádioaktivity, chemizmu atmosféry a ozónu, a pod. Za svoje aktivity získal početné ocenenia
a čestné uznania, strieborné a zlaté medaily MFF UK, SHMÚ, MŽP SR a ďalších inštitúcií.
RNDr. Eva Závodská, CSc.( *1941, Prečín) po skončení univerzity začala pracovať na HMÚ Bratislava
a od roku 1966 na základe konkurzu na internú ašpirantúru nastúpila na Ústav meteorológie
a klimatológie SAV, ktorú úspešne ukončila v roku 1970. Venovala sa problematike slnečného
ultrafialového žiarenia (UV). Medzi najvýznamnejšie vedecké výsledky možno zaradiť vypracovanie
matematického modelu prenosu UV žiarenia v nehomogénnej bezoblačnej aerosólovej atmosfére. Ďalej sa
venovala výskumu fotochemických reakcií v troposfére, zmien atmosférického ozónu a procesov
interakcie UV žiarenia atmosféry a zemského povrchu. Jej vedecké výsledky boli poskytnuté pre praktickú
aplikáciu nielen početným českým a slovenským ústavom, ale aj do zahraničia. Eva Závodská bola
niekoľko rokov vedúcou oddelenia fyziky prízemnej vrstvy atmosféry a vedúcou meteorologických
observatórií GFÚ SAV v Mlyňanoch, Starej Lesnej a na Skalnatom plese. Bola dlhoročnou aktívnou
členkou SMS pri SAV a Slovenskej bioklimatologickej spoločnosti.
Záver
Stanovený rozsah nedovolil opísať vyššie uvedené osobnosti cez prizmu osobných poznaní a zážitkov.
Snáď sa to podarí počas osobnej prezentácie na konferencii.
Literatúra
Československý biografický slovník, 1992, Encyklopedický institut ČSAV, ACADEMIA, Praha.
Krška,Karel, Šamaj, Ferdinand, 2001: Dějiny meteorologie v českých zemích a na Slovensku, Nakladatelství Karolinum,
Praha.
Meteorologický časopis, 1998 - 2011: Personálie, vydavateľ Slovenský hydrometeorologický ústav, Bratislava.
84
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Meteorológia a klimatológia
vo vyučovaní
85
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Neznáme kozmické žiarenie
Marek Bombara1, Alexander Dirner1,2, Júlia Hlaváčová3, Ivan Kimák4, Karel Kudela2
1
Ústav fyzikálnych vied, PF UPJŠ Košice, Jesenná 5, Košice, [email protected] , 2Ústav experimentál-nej
fyziky SAV, Watsonova 47, Košice, 3Katedra fyziky, FEI Technická univerzita , Letná 9, Košice, 4 Regionálne
centrum voľného času, Košice, Strojárenská 3
Úvod
Od roku 2005, ktorý bol Svetovým rokom fyziky, prebieha každoročne na akademických pracoviskách
celého sveta počas niekoľkých jarných týždňov medzinárodný projekt zameraný na popularizáciu fyziky
a prírodných vied medzi študentmi stredných škôl International Masterclasses – Hands on Particle Physics
(MC). Je organizovaný Medzinárodnou skupinou časticovej fyziky (IPPOG). Študenti na jeden deň
prichádzajú na univerzitu alebo výskumné pracovisko, aby odhalili tajomstvá mikrosveta. Tu sa stanú
počas tohto dňa členmi výskumného tímu a nielen že získajú nové vedomosti zo špičkovej oblasti
fyzikálneho výskumu, ale naviac zažijú radosť z bádania a poznávania. Úvodné prednášky fyzikov ich
oboznámia so základnými stavebnými časťami hmoty a silami, ktoré medzi nimi pôsobia, ako aj so
základmi metodiky výskumu. Potom študenti samostatne analyzujú skutočné experimentálne údaje
z časticových experimentov v CERN (Európska organizácia pre jadrový výskum). Na záver, tak ako
v medzinárodnom vedeckom tíme, sa študenti zapoja do videokonferenčnej diskusie všetkých v daný deň
zúčastnených skupín a mladých pracovníkov CERNu, kde si porovnajú a analyzujú získané výsledky.
Počas prvých šiestich ročníkov študenti spracúvali experimentálne údaje z Veľkého elektrón –
pozitrónového urýchľovača (LEP), kde sa zrážali protibežné zväzky elektrónov a pozitrónov pri vysokých
energiách. V roku 2011 prvýkrát spracúvali experimentálne údaje z najväčšieho urýchľovača na svete –
z Veľkého hadrónového kolajdera (LHC), zo zrážok protónov pri dosiaľ najvyšších dosiahnutých
energiách. Tieto údaje spracúvali študenti aj v roku 2012.
Pre veľký záujem študentov sme základný medzinárodný projekt rozšírili o ďalšie aktivity: regionálne MC
(uskutočňujú sa na pôde strednej školy bez medzinárodnej videokonferencie), CASCADE projekt (súťaž
prezentácií na vybrané témy z modernej fyziky vypracovaných niekoľkočlennými skupinkami študentov) a
dištančný kurz z modernej fyziky pre stredoškolských študentov. Na základe získaných skúseností z MC
z oblasti časticovej fyziky sme regionálne MC rozšírili o MC z oblasti kozmického žiarenia
a pripravujeme aj dištančný kurz z tejto oblasti. Cieľom tohto príspevku je podať informáciu o našich
popularizačných aktivitách v oblasti kozmického žiarenia. V tomto roku je to zvlášť aktuálne, keďže je
práve sté výročie objavu kozmického žiarenia.
Z histórie
V roku 1912 Victor Hess z Univerzity vo Viedni s dvomi asistentmi pri lete balónom vo výške 5300 m
objavil dôkaz o veľmi silnej radiácii, ktorá prichádza z vonkajšieho priestoru za našou atmosférou. Ukázal,
že od výšky 2,5 km nad zemským povrchom ionizácia vzduchu s výškou narastá, teda zdroj ionizácie sa
musí nachádzať v priestore nad zemskou atmosférou. Radiácia bola nazvaná kozmické žiarenie a V. Hess
získal za tento objav Nobelovu cenu.
Dráhy častíc z kozmického priestoru boli prvýkrát pozorované pomocou hmlovej komory v roku 1929.
Predpokladalo sa, že ide o vysokofrekvenčné gama žiarenie pochádzajúce z kozmického priestoru.
Neskoršie pokusy ale ukázali, že ide najmä o kladne elektricky nabité častice s obrovskými energiami.
Objavy pozitrónu a miónu v kozmickom žiarení v tridsiatych rokoch minulého storočia viedli k vzniku
novej fyzikálnej vednej disciplíny - fyziky elementárnych častíc. Až do roku 1950, kedy boli postavené
prvé urýchľovače, časticoví fyzici študovali výlučne kozmické žiarenie. V oblasti extrémne vysokých
energií, je tomu dodnes tak a kozmické žiarenie študujú aj časticoví fyzici, aby našli odpovede na otázky
o štruktúre hmoty vo vesmíre a o explozívnych vesmírnych procesoch.
Koncom tridsiatych rokov minulého storočia boli objavené rozsiahle atmosférické spŕšky, ktoré vznikajú
pri zrážkach častíc kozmického žiarenia s atómami a molekulami atmosféry (vzduchu). Na základe meraní
dvoch detektorov vzdialených od seba niekoľko desiatok metrov, ktoré zaznamenávali signály od
prichádzajúcich častíc v tom istom čase, dospel P. Auger k záveru, že atmosférické spŕšky sú vyvolané
primárnymi časticami s energiou až 1015 eV, teda až 107-krát vyššou ako bolo dovtedy pozorované.
Základy vysvetlenia urýchľovania kozmického žiarenia na extrémne vysoké energie položil E. Fermi
86
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
v polovici minulého storočia. Môže ísť podľa neho o urýchľovanie rázovou vlnou, či magnetickými
oblakmi, ktoré sa vzájomne približujú a častice pri mnohonásobných odrazoch od nich postupne získavajú
energiu. Ako urýchľovače pôsobia aj explodujúce hviezdy (supernovy), ale na opis množstva a energie
častíc kozmického žiarenia to nepostačuje.
V 90. rokoch minulého storočia boli pozorované ešte energetickejšie častice kozmického žiarenia –
častice s energiami 1020 eV. Exaktné odpovede na otázky odkiaľ prichádzajú tieto častice a ako získajú
takú vysokú energiu doteraz nepoznáme.
Výskum kozmického žiarenia môže odpovedať
aj na ďalšie otázky o vzniku a vývoji Vesmíru.
V súčasnosti teda vieme, že kozmické žiarenie
sa skladá z primárneho žiarenia a spŕšky
sekundárnych častíc. Primárne žiarenie tvoria
vysoko energetické častice prilietavajúce na
Zem z kozmického priestoru. Asi 86%
primárnych častíc sú protóny, 11% alfa častice
(jadrá hélia), 1% ťažšie častice a 2% elektróny
(Perkins, 2009), elektricky neutrálnu zložku
primárneho kozmického žiarenia tvoria fotóny,
neutrína a antineutrína. Spŕšky sekundárnych
častíc vznikajú v zemskej atmosfére v dôsledku
interakcie primárnych častíc s atmosférou.
Zdrojmi kozmického žiarenia môže byť
medzihviezdny ionizovaný plyn, supernovy,
aktívne galaktické jadrá. Podrobnejší prehľad
o energetických časticiach v kozme vrátane
kozmického žiarenia získate v uvedenej
publikácii Kudelu (2009).
Pedagogický prínos a popularizácia
Obrázok 1.
Tok častíc kozmického žiarenia F v závislosti od ich energie
E a možnosti jeho merania. Tok pri najnižších energiách (žltá
oblasť) vytvára najmä slnečné kozmické žiarenie, pri
stredných energiách (modrá) galaktické kozmické žiarenie
a pri najvyšších energiách (fialová) mimogalaktické
kozmické žiarenie (Simpson, 1997 – upravené).
Projekt Ústavu experimentálnej a aplikovanej
fyziky ČVUT v Prahe − CZELTA (Smolek,
2009), ktorého cieľom je vytvoriť sieť
detekčných staníc umiestnených na strechách
vybraných stredných a vysokých škôl v Európe,
má zásadný pedagogický prínos v tejto oblasti.
Detekčné stanice zaznamenávajú spŕšky sekundárneho kozmického žiarenia s minimálnou energiou
primárnej častice 1014 eV.
Prvou detekčnou stanicou tohto druhu na registrovanie kozmického žiarenia na Slovensku je SKALTA
(SlovaKiAn Large-area Time coincidence Array), ktorá je umiestnená na streche Prírodovedeckej fakulty
UPJŠ v Košiciach. Sú to v podstate tri scintilačné detektory, každý o veľkosti (60x60) cm2, ktoré sú
zapojené v koincidencii. Detektory sú uložené v plastovom obale so stabilizovanou teplotou. Sú
usporiadané do rovnostranného trojuholníka s dĺžkou strany 10 m. Vzhľadom na konštrukčné riešenie
detekčnej stanice je možné určiť nielen minimálnu energiu pôvodnej primárnej častice, ale aj približný
smer zdroja na oblohe. Meraním presnej doby vzniku spŕšky prostredníctvom systému GPS (Global
Positioning System) sa dajú porovnať údaje aj z iných staníc, ako napríklad CZELTA alebo ALTA
(Brouwer, 2005) a študovať tak korelácie medzi spŕškami na veľkých vzdialenostiach.
Detekčná stanica SKALTA (Brouwer a kol., 2005) je plne funkčná od októbra 2010 a poskytuje všetky
svoje merania na centrálny server. Umožňuje študovať vysoko energetické častice, ktorých energia
prevyšuje energiu, ktorú sme schopní dosiahnuť aj na najvýkonnejších pozemských urýchľovačoch častíc
(napr. LHC). Veľkým prínosom detektora SKALTA je možnosť zapojiť študentov univerzity ako aj
nadaných študentov stredných škôl do výskumu kozmického žiarenia a umožniť im pracovať s pôvodnými
experimentálnymi údajmi (Bombara a kol., 2010).
Využijúc naše skúsenosti s projektom Masterclasses z oblasti časticovej fyziky sme pripravili podobný
jednodňový projekt aj z oblasti kozmického žiarenia s experimentálnymi údajmi z experimentu SKALTA.
Prvýkrát sme ho uskutočnili so 48 účastníkmi letnej školy „Neznáme kozmické žiarenie“ pre študentov
87
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
stredných škôl (Dirner, 2011). Študenti si najprv dopoludnia vypočuli niekoľko atraktívnych a prístupných
prednášok o kozmickom žiarení a histórii jeho objavu, o experimente SKALTA a spôsobe analýzy údajov
zaregistrovaných detektormi. Popoludní vytvorili 9 niekoľkočlenných skupín, aby potom samostatne počas
približne troch hodín riešili jednu z dvoch predložených úloh.
Obrázok 2.
Obrázok 3.
Pracovná stanica umiestnená na streche Ústavu Elektronické
fyzikálnych vied na Jesennej ulici v Košiciach.
experimentu.
čítacie
a
zobrazovacie
zariadenie
Úloha 1: Ovplyvňuje Slnko tok vysokoenergetického žiarenia (viac ako 1014 eV) detegovaného
v experimente SKALTA? Pochádza toto žiarenie zo Slnka?
Úloha 2: Závisí tok spŕšok sekundárneho kozmického žiarenia od teploty a hustoty vzduchu?
Prvú úlohu študenti v pracovných skupinách analyzovali porovnaním počtov prípadov spŕšok
sekundárneho kozmického žiarenia nameraných detektormi SKALTA počas dňa a počas noci. Ako denné
merania boli registrované merania od 9:00 do 15:00 (počas celej tejto doby Slnko žiari), ako nočné od
21:00 do 3:00 (Slnko nie je na oblohe). Výsledkom analýzy bola grafická závislosť počtu prípadov (deň
a noc) v závislosti od času (s časovou jednotkou 24 hodín).
Druhú úlohu analyzovali vzájomným porovnaním troch závislostí: počtu prípadov, teploty vzduchu
a hustoty vzduchu od času (s jednotkou času 24 hodín). Merania teploty vzduchu boli poskytnuté
Hydrometeorologickým ústavom SAV v Košiciach a hodnoty hustoty vzduchu študenti vypočítali z meraní
atmosférického tlaku a teploty. Študenti analyzovali experimentálne údaje a každá skupina si pripravila
krátku prezentáciu o dosiahnutých výsledkoch a ich fyzikálnej interpretácii. Na konci dňa hovorcovia
skupín predniesli svoje prezentácie.
Obrázok 4.
Počet spŕšok kozmického žiarenia cez deň a v noci.
Obrázok 5.
Počet spŕšok kozmického žiarenia cez deň a v noci..
Po každej prezentácii prebehla krátka diskusia. Väčšina skupín správne interpretovala získané výsledky.
V prvej úlohe nebol zistený vplyv Slnka na kozmické žiarenie detegované v experimente SKALTA, takže
jeho zdroj je mimo Slnečnej sústavy (obrázky 4, 5) a náplňou diskusie boli najmä neistoty merania.
V druhej úlohe študenti nezistili žiadnu koreláciu medzi teplotou a počtom prípadov, kým medzi počtom
prípadov a hustotou vzduchu našli nepriamu úmernosť, takže atmosféra pôsobí ako obrovský kalorimeter,
kde jeho absorpčná schopnosť pre nabité častice je úzko prepojená s jeho hustotou (obrázky 6,7). Od
viacerých študentov sme získali veľmi pozitívne ohlasy na celú akciu.
ých škôl z Belgicka, Fínska, Talianska, Španielska a Slovenska v rámci medzinárodného projektu „Let’s
88
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
discover the mysteries“ v Škole v prírode v Kysaku. Jednodňový projekt MC z kozmického žiarenia bol
nasledujúci deň doplnený ďalšími aktivitami. Študenti sa venovali terminológii, kde základné pojmy
zavedené v úvodnej prednáške spracovali do vlastných, stručných prezentácií, posterov, dramatizácií.
Nasledovali prezentácie národných skupín o výskume kozmického žiarenia v krajine ich pôvodu, ktoré si
pripravili ešte pred príchodom na Slovensko. Ohlasy boli aj v tomto prípade veľmi pozitívne.
Obrázok 6.
Priebeh počtu spŕšok kozmického žiarenia a hustoty
vzduchu s časom.
Obrázok 7.
Letná škola v prírode – „Nezmáme kozmické žiarenie“
Obrázok 7.
Priebeh počtu spŕšok kozmického žiarenia a hustoty
vzduchu s časom.
Obrázok 8.
Letná škola v prírode – „Nezmáme kozmické žiarenie“
Záver
Úspech oboch akcií nás povzbudil do ďalších aktivít v tejto oblasti. Jedna cesta, ako vzbudiť u študentov
záujem o fyziku a prírodné vedy, vedie cez pre nich najviac atraktívne témy, akými sú vesmír, kozmológia,
kozmické žiarenie, CERN, urýchľovače, rádioaktivita. Sú to pojmy často spomínané v
masovokomunikačných prostriedkoch pri rôznych významných udalostiach. Stredoškoláci, ak vôbec, tak
sa s týmito pojmami na vyučovacích hodinách fyziky stretávajú až vo vyšších ročníkoch, kedy sú už
jednoznačne rozhodnutí o smere svojho vysokoškolského štúdia. V snahe osloviť čím väčšiu skupinu
študentov, ponúkame naše projekty všetkým stredoškolákom, aj tým v nižších ročníkoch, aby sme vyvolali
záujem o prírodné a technické vedy. Hlavné podujatie (ako napríklad medzinárodné MC) dopĺňame
ďalšími komplementárnymi aktivitami. Pomocou metódy komplementárnych aktivít je možné sprístupniť
popularizačné a vzdelávacie informácie väčšiemu počtu prijímateľov informácií a zároveň im umožniť
vybrať si mieru obtiažnosti podľa vlastného rozhodnutia. Naším najbližším plánom je vytvoriť dištančný
kurz, ktorého náplňou budú moduly o vesmíre, jeho vývoji, kozmickom žiarení, kozmickom počasí.
Poďakovanie
Projekt SKALTA je financovaný z prostriedkov Európskeho fondu regionálneho rozvoja prostredníctvom
89
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Operačného programu Výskum a vývoj a to na základe Zmluvy o poskytnutí nenávratného finančného
príspevku č. 018/2009/2.1/OPVaV, kód ITMS 262201200009, názov projektu: "Centrum kozmických
výskumov: vplyv kozmického počasia", prostredníctvom Agentúry Ministerstva školstva SR pre
štrukturálne fondy EÚ a vlastných zdrojov verejného obstarávateľa. Zvlášť by sme sa chceli poďakovať
Grantovej agentúre APVV: projekt LPP-0059-09 "Odhalenie tajov mikrosveta prostredníctvom analýzy
experimentálnych údajov" a projektu mládežníckej výmeny „Let´s discover the mysteries", ktorý je
podporovaný z prostriedkov grantového programu Mládež v akcii (2007 - 2013).
Literatúra
Perkins, D.H., 2009: Particle Astrophysics, Oxford University Press, ISBN: 978-0-19-954545-9, p.229-271.
Kudela, K., On Energetic Paricles in Space, Acta Physica Slovaca 59, 2009, No 5, 537-652.
K. Smolek, ALTA/CZELTA - a sparse very large air shower array: overview of the experiment and first results, Proceedings of
the 31st ICRC, 2009, Lodž, Poland.
CZELTA (CZEch Large-area Time coincidence Array): <http://www.utef.cvut.cz/czelta/czelta-cz>
W. Brouwer et al, The ALTA cosmic ray experiment electronics system, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
A, 539 (2005) 595-605.
ALTA (Alberta Large-area Time coincidence Array): <http://csr.phys.ualberta.ca/~alta/>
Bombara M., Dirner A., Kudela K. a kol.: Cosmic ray study in the SKALTA Experiment. Zborník príspevkov z 18. konferencie slovenských fyzikov, Univerzita M. Bela B. Bystrica, 6.9 - 9.9.2010, vyd. Košice: Slovenská fyzikálna spoločnosť,
2011, s.137 – 138, ISBN 978-80-970625-0-7.
Bombara M., Dirner A., Kudela K. a kol.: Cosmic ray study in the SKALTA experiment (2), 17. konferencia slovenskýcha
českých fyzikov, Fakulta elektrotechniky, Žilinská univerzita, Žilina, 5.-8.september 2011. Zborník konferenčných príspevkov,
Equilibria 2012, Košice, ISBN 978-80-970625-4-5, EAN 9788097062545, str. 93-94.
Dirner A., Hlaváčová, J., Lehocká, S. a kol., Odkrývanie tajomstiev mikrokozmu, IV. odborná konferencia Quo Vadis
vzdelávanie k vede a technike na stredných školách, Kongresové centrum Technopol, Bratislava 7. 11. 2011 – 9. 11. 2011,
zborník konferečných príspevkov, o.z. Mladí vedci Slovenska a CVTI SR, 2010, ISBN 978-80-970496-6-9, str. 84-89.
90
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Planetárna geografia na základnej škole a gymnáziu
Ivana Tomčíková
Katedra geografie, Pedagogická fakulta KU v Ružomberku, [email protected]
Úvod
Planetárna geografia patrí k hraničným disciplínam geografického vzdelávania, leží na prieniku geografie
a iných vedných odborov (astronómia, fyzika, matematika a pod.). Predmetom štúdia planetárnej geografie
je interakcia krajinnej sféry ako otvoreného geosystému s jej okolím, pričom samotné okolie môžeme
označiť za širšie chápaný objekt tejto disciplíny. Planetárna geografia sa zameriava najmä na exogénne
vplyvy (založené na postavení Zeme v Slnečnej sústave) a ich reálne a možné dôsledky v okolí krajinnej
sféry Zeme (najmä na fyzickogeografickú sféru). Nezaoberá sa však ďalekým kozmickým priestorom,
preto jej úlohou nie je suplovať astronómiu a geofyziku, ani odvodzovať a zdôvodňovať fyzikálne
a astronomické poznatky. Ale naopak, poznatky týchto vied slúžia ako východiskové ohnivká kauzálnych
reťazí, ktoré vedú do krajinnej sféry a podmieňujú jej globálne zákonitosti.
Ciele a obsah planetárnej geografie v učebniciach geografie pre ZŠ a gymnáziá
Didaktický systém učiva planetárnej geografie na základnej škole a gymnáziu vychádza z požiadaviek
dnešného geografického systému vzdelávania, ktorý je určovaný štátnym vzdelávacím programom. Ten je
ďalej východiskom pre tvorbu školského vzdelávacieho programu, v ktorom sa zohľadňujú špecifické
podmienky a potreby školy a regiónu (Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu SR 2012).
Vzdelávací program zahŕňa hlavne didakticky transformované poznanie o Slnečnej sústave a jednotlivých
planétach, o planéte Zem, o pohyboch telies, o Mesiaci ako prirodzenej obežnici, o čase a pod. (Wahla, a
Kovář, 2006).
Základným cieľom didaktiky planetárnej geografie je naučiť žiaka chápať zákonitosti a geografické
dôsledky pohybov a tvaru Zeme na krajinnú sféru, na vplyvy a dôsledky, ktoré plynú z postavenia Zeme
vo vesmíre. Didaktický systém učiva planetárnej geografie kladie vysoké nároky na logické, ale aj
abstraktné myslenie a zároveň patrí k náročným geografickým tematickým celkom vôbec. Je nevyhnutné
rozlišovať úroveň obsahu planetárnej geografie v základnej škole a na gymnáziu.
Určité vlastivedné a prírodovedné poznávanie začína u človeka už v predškolskom veku. Ide najmä
o priestor a okolie dieťaťa, vyznačujúce sa množstvom zaujímavých vecí, kde dieťa získava rôzne
odpovede na kvantum otázok. Deti postupne spoznávajú, ako sa počas roka mení dĺžka dňa a noci, čas
a miesto východu a západu Slnka, poludňajšia výška Slnka nad obzorom, vzhľad hviezdnej sféry, okolitá
príroda v rozmanitých ročných obdobiach, atď.
S obsahom učiva planetárnej geografie sa po prvýkrát stretávajú žiaci na prvom stupni základných škôl vo
vyučovacích predmetoch prírodoveda a vlastiveda. Obsah týchto predmetov je zameraný na poznávanie,
pozorovanie a hodnotenie javov v krajine, v ktorej bezprostredne žiak žije a rozvíjajú poznanie žiaka
v oblasti prírodného prostredia tak, aby bolo schopné sa samostatne orientovať a postupne sa
oboznamovať s prírodnými javmi a ich zákonitosťami na 2. stupni ZŠ.
Učivo planetárnej geografie na druhom stupni ZŠ je obsahovo spracované vo viacerých tematických
podcelkoch. Úvodný tematický celok v 5. ročníku ZŠ s názvom „Objavovanie našej planéty“ sa delí na
dva podcelky:
 Tvar Zeme, naša planéta vo vesmíre (tab. 1)
 Objavovanie Zeme a vesmíru
Obsahovo ide o náročné učivo, niektoré poznatky sú pre desaťročné dieťa príliš abstraktné a aj napriek
tomu sa od žiaka piateho ročníka ZŠ vyžaduje schopnosť zovšeobecňovať a verbálne vyjadrovať vzťahy
a súvislosti geografických javov. Obsah pojmov sa v 5. ročníku oproti obsahu v prírodovede a vlastivede
značne rozšíril o nové pojmy, napríklad dôsledky pohybov Zeme, Slnečná sústava, mesačné fázy, miestny
čas, časové pásma, zimný a letný slnovrat, jarná, jesenná rovnodennosť, polárny deň a polárna noc. Učivo
si vyžaduje isté vedomosti z matematiky, fyziky, príp. iných predmetov, ktoré žiaci 5. ročníka ZŠ v čase,
keď sa učia planetárnu geografiu, ešte nemajú, preto vyučovanie tejto časti geografie na základnej škole
musí mať len elementárny a prípravný ráz. Treba si uvedomiť, že základné poznatky, ktoré si tu žiaci
osvoja, sa budú postupne prehlbovať vo vyučovaní geografie (príp. iných predmetov) vo vyšších
ročníkoch (Turkota a kol., 1980 ; Čižmárová, 2006).
91
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Tabuľka 1.
Prehľad obsahu učiva tematického podcelku „Tvar Zeme, naša planéta vo vesmíre“ v 5. ročníku ZŠ.
Poradové
čís lo
Té ma
Obs ah učiva
1.
Tvar Zeme
Vývoj názorov na planétu Zem
Tvar Zeme
2.
Naše miesto vo vesmíre
Postavenie planéty Zem v Slnečnej sústave (SS)
Základné informácie o planétach SS
3.
Mesiac ako obežnica Zeme
Mesiac - prirodzená družica Zeme Vplyv Mesiaca a jeho dôsledky (príliv, odliv)
Mesačné fázy
4.
Rotácia Zeme okolo vlastnej osi a jej dôsledky
Pohyby Zeme - prečo sa striedajú
Zemská os
deň a noc
Striedanie dňa a noci
5.
Pohyb Zeme okolo Slnka a jej dôsledky
Pohyby Zeme - prečo sa striedajú Striedanie ročných období
ročné obdobia
Jarná a jesenná rovnodennosť
Zimný a letný slnovrat
Zdroj: Učebnica geografie pre 5. ročník základných škôl (2009)
Druhá časť tematického celku s názvom „Objavovanie Zeme a vesmíru“ je podľa učebnice geografie pre
5. ročník (2009) rozdelená na tri témy: Povrch Zeme; Cesty objaviteľov do rôznych častí Zeme;
Objavovanie vesmíru a využitie kozmonautiky. Žiaci sa naučia, čo tvorí povrch našej Zeme a aký je
rozdiel medzi svetadielom a kontinentom. Spoznajú najvýznamnejších objaviteľov, moreplavcov v histórii
a ich objavné výpravy. Získajú prehľad o významných kozmonautoch a naučia sa základné poznatky
z kozmonautiky v súčasnosti.
Tabuľka 2.
Prehľad obsahu učiva jednotlivých tém tematického celku „Planéta Zem“ na gymnáziu.
2.
3.
4.
5.
6.
Pohyby Zeme
1.
Zem ako planéta Slnečnej
sústavy (SS)
Poradové Te matický
číslo
podce lok
Té ma
Obsah učiva
Vznik planéty Zem
Vznik Slnečnej sústavy
Vlastnosti planéty Zem
Magnetizmus Zeme
Gravitácia (tiaž) Zeme
Existencia vhodných podmienok pre život
Osud Zeme - zmeny spojené s aktivitou Slnka
Budúcnosť planéty Zeme
Tvar a merania Zeme
Vývoj predstáv o tvare Zeme
Geoid
Sféroid
Obeh Zeme okolo Slnka a jeho
dôsledky
Príslnie (perihélium) a odslnie (afélium)
Polárny deň a polárna noc
Ekliptika
Svetový rovník
Dôsledky v krajinnej sfére Zeme
Rotácia Zeme okolo vlastnej osi
a jej dôsledky
Hviezdny deň, slnečný deň
Miestný čas, pásmový čas
Dátumová hranica
Dôsledky v krajinnej sfére Zeme
Zdroj: Učebnica geografie pre 1. ročník gymnázií (2008).
Obsah učiva planetárnej geografie na gymnáziu nadväzuje na obsah učiva v 5. ročníku ZŠ a následne je
92
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
rozšírený o nové poznatky a terminológiu. Učivo je obsahovo oveľa náročnejšie (tab. 2), čo je dané vekom
študentov, ich vedomosťami a schopnosťami abstraktne a logicky myslieť (Machyček, a kol., 1985).
Novoutvorený obsah učiva geografie na gymnáziu vo všeobecnosti rozširuje okruh poznatkov a prehlbuje
jeho vzťah k životu, to znamená, že žiak chápe dynamiku geografickej sféry, jej zákonitosti, priestorovú
diferenciáciu a interakciu jej zložiek. Následne získané poznatky včleňuje do svojho vedomia, zbližuje sa
s krajinou a v miere svojho poznania sa usiluje hodnotiť nielen jej javy, ale smeruje aj k vlastnému
uplatneniu sa v nej (Papík a Herber, 1984).
V osnovách geografie ako edukačného predmetu na gymnáziu je učivo planetárnej geografie zaradené do
prvého ročníka, konkrétne do tematického celku s názvom Planéta Zem. Tento tematický celok (tabuľka č.
3) je rozdelený do dvoch podcelkov:
 Zem ako planéta Slnečnej sústavy,
 Pohyby Zeme.
Metódy, formy a prostriedky efektívneho vyučovania planetárnej geografie na základnej škole a na
gymnáziu
Učivo planetárnej geografie má vo vyučovaní geografie veľký význam. Umožňuje žiakom pochopiť
základné javy, ktoré vyplývajú z pohybov Zeme a jej postavenia v Slnečnej sústave. To sa zároveň spája
s určitými požiadavkami na učiteľa, ktorými sú ako odborná, tak aj metodická príprava, sústava pomôcok
a prostriedkov, ktorými študentom sprístupňuje jednotlivé geografické javy (Machyčeka kol., 1985).
Vyučovanie planetárnej geografie je náročné na pojmový aparát, preto dôležitou súčasťou jej výučby musí
byť názornosť. Dôležité sú tiež aktivizujúce úlohy, pri ktorých si žiaci vlastnými aktívnymi činnosťami
osvojujú základné pojmy, procesy a vzťahy vyplývajúce z obsahu konkrétnej hodiny (napr. pohyby Zeme
a Mesiaca okolo Slnka). Učiteľ musí vychádzať z vedomostí, ktoré žiaci získali na vyučovaní prírodovedy,
vlastivedy, ale aj z praktických empirických vedomostí, ktoré získali priamou skúsenosťou.
Dôležitú úlohu majú aj motivačné metódy. Môžu to byť diskusie a rozhovory o vesmíre a postavení
ľudskej civilizácie vo vesmíre, alebo rôzna doplnková literatúra (encyklopédie, články o pohybe
kozmonautov vo vesmíre a pod.), internetové stránky.
Základnými pomôckami na hodinách planetárnej výchovy sú glóbus, telúrium, model hviezdnej sféry,
indukčný glóbus a rôzne náčrtky.
Vhodnou organizačnou formou okrem klasickej vyučovacej hodiny je aj exkurzia do najbližšej hvezdárne
alebo planetária. Pre žiakov je veľmi atraktívna večerná vychádzka, pri ktorej môžu pozorovať hviezdu
oblohu, rozpoznávať jednotlivé známe súhvezdia a ich polohu v rôznych ročných obdobiach.
Návrh vyučovacej hodiny pre 5. ročník základnej školy s témou Pohyby Zeme – prečo sa striedajú
ročné obdobia
Výchovno-vzdelávacie ciele:
 Žiak má stručne definovať obežný pohyb Zeme okolo Slnka
 Žiak má samostatne vyvodiť závery vyplývajúce z postavenia Planéty Zem vo Vesmíre
 Žiak má samostatne aplikovať osvojené vedomosti pri práci s pracovným listom
Vyučovacie metódy:
výkladovo-ilustratívna, riadený rozhovor, didaktická hra, metóda riešenia úloh
Materiálne didaktické pomôcky: tabuľa, krieda, atlas, učebnica geografie, telúrium, pracovný list:
Pohyby Zeme – prečo sa striedajú ročné obdobia
Štruktúra hodiny a obsahu učiva - metodické poznámky
A: ÚVOD
1. Oboznámenie žiakov s obsahom a štruktúrou hodiny, zápis do triednej knihy
2. Preverenie vedomostí žiakov – opakovanie učiva: Pohyby Zeme – striedanie dňa a noci
Úvodné otázky: Čo je hlavným dôsledkom rotačného obehu Zeme okolo vlastnej osi?
Čo je hlavným dôsledkom obehu Zeme okolo Slnka?
Skupinové vyučovanie:
Ak by sa naša Zem prestala otáčať okolo vlastnej osi, zmenilo by sa niečo?“ Napíšte, aké zmeny by nastali.
2.Didaktické hry: doplnenie hádanky, doplnenie obrázkov
Učiteľ preveruje otázkami vedomosti žiakov z predchádzajúcej hodiny.
Práca b dvojiciach
93
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
B: HLAVNÁ ČASŤ HODINY
1. Motivácia:
Všetci ľudia žijúci na planéte Zem sú zároveň jej súčasťou. Je pravda, že život ľudí je ovplyvnený miestom, kde
žijú?
Úlohou žiaka je predstaviť si, že je africký domorodý človek alebo Eskimák. Striedali by sa v miestach, kde žijú,
4 ročné obdobia? Vnímajú teplo a chlad rovnako?
2. Sprístupnenie nového učiva:
Vysvetlenie základných pojmov: ročné obdobia, sklon zemskej osi, letný a zimný slnovrat, dni rovnodennosti,
polárny deň, polárna noc
Samotný obsah hodiny a práca s počítačom.
Obrázky spolu s animáciami vo forme prezentácie v PowerPointe
C: UPEVNENIE, ZOPAKOVANIE UČIVA
1.Didaktické hry – Triedenie pojmov, Dokresli do obrázkov
Samostatné riešenie didaktických hier do zošitov. Po vyriešení úloh si žiaci spoločne s učiteľom kontrolujú
správnosť výsledkov a diskutujú o postupoch riešenia.
2. Domáca úloha
Zopakovať si učivá o Pohyboch Zeme.
3.Učiteľ zhodnotí priebeh hodiny, prípadne oklasifikuje aktivitu žiakov na hodine.
Metodika práce a podmienky realizácie hodiny
Po úvodných otázkach zadáme žiakom problémovú úlohu: Napíšte, aké zmeny by nastali, keby sa naša
Zem prestala otáčať okolo vlastnej osi? Žiaci pracujú vo dvojiciach.
Na zopakovanie učiva využijeme didaktické hry, ktoré sú zamerané na overenie a prehĺbenie vedomostí
z prebratého učiva Pohyby Zeme – striedanie dňa a noci. Zadania úloh odporúčame pripraviť na papiere,
ktoré žiaci dostanú na hodine.
1.Doplň do obrázka dva
významné body
na Zemi,
ktoré sú označené „?“
Hádanka:
„Aké je to súhvezdie?“ – Doplň:
Bola raz jedna koza,
volali ju Róza.
Jej nešikovná póza,
ju vyvrátila z MALÉHO _ _ _ _.
Zo severu sa na ňu ligoce žltá
korálka,
hviezda nazývaná _ _ _ _ _ _ _.
2.Ako sa volá myslená čiara,
okolo ktorej sa naša Zem
otáča? Dopíš do obrázka.
3.Vyznač šípkou do obrázka
smer otáčania Zeme okolo
osi.
Na motiváciu učiteľ použije príklady ľudí žijúcich v rôznych častiach Zeme. Úlohou žiaka je prestaviť si,
že je napr. černoch v Afrike alebo Eskimák. Ako títo ľudia vnímajú teplo alebo chlad? Striedajú sa tam tiež
4 ročné obdobia? Využiť môžu pritom poznatky nielen zo školy, ale aj z televízie.
1. Dokresli do obrázka:
a) Nakresli tvar dráhy obehu Zeme
okolo Slnka a vyznač šípkou smer
obehu.
b) Nakresli do voľného štvorca Zem a
správne vyznač zatienenú časť Zeme.
1. Urči
ročné
obdobia,
dni
slnovratov a rovnodenností a napíš
správne dátumy týchto javov.
Na sprístupnenie nového učiva má učiteľ pripravenú prezentáciu obrazu v programe PowerPoint
a premieta ju na hodine súbežne s výkladom pre všetkých žiakov pomocou dataprojektora. Obsahuje text,
94
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
ktorý je vhodne doplnený obrázkami, mapami a animáciami. Prezentácia sa skladá z 2 tém: Pohyby Zeme
– prečo sa striedajú deň a noc a Pohyby Zeme – prečo sa striedajú ročné obdobia. Bude súčasťou
prednášky na seminári a dostupná na stránke prednášok zo seminára.
Úloha: Podľa obrázka urči, na ktorej
pologuli je leto a na ktorej je práve zima.
Správne spoj čiarou, čo k sebe patrí:
A: 365 dní, 6 hodín
3) jesenná rovnodennosť
B: miesta, kde dopadajú slnečné lúče kolmo 4) rok
C: obdobie, kedy Slnko vôbec nevychádza 1) letný slnovrat
D: najdlhší deň na severnej pologuli
2) polárna noc
E: dátum 23. 9.
5) v okolí rovníka
Leto je na ................................ pologuli.
Zima je na ............................... pologuli.
Vo fixačnej časti hodiny využijeme znovu didaktické hry – triedenie pojmov, dvojsmerovku, dokresli
obrázok, v ktorých sú pojmy z prebraného učiva.
Záver
Naša planéta Zem je súčasťou dynamického a stále sa rozpínajúceho vesmíru. Vplyvy súvisiace s
postavením Zeme vo vesmíre nepretržite pôsobia na krajinnú sféru Zeme. Každodenne sa zúčastňujeme na
zmenách krajinnej sféry našej planéty a to prostredníctvom pôsobenia exogénnych vplyvov
prichádzajúcich z vesmíru. Život v krajinnej sfére nevyhnutne podlieha javom a procesom, ktoré
prebiehajú mimo našej planéty Zem a zároveň na ňu pôsobia.
Geografické vzdelávanie začína práve planetárnou geografiou, ktorá sa zaoberá základnými poznatkami
o Zemi a vesmíre, čo je potrebné pre lepšie pochopenie príčin priestorového usporiadania jednotlivých
geosfér v krajinnej sfére a procesov, ktoré v nej prebiehajú. Je dôležitá pri objasňovaní vplyvov okolia
krajinnej sféry na systém krajinnej sféry, ako je vznik časových pásiem, všeobecná cirkulácia atmosféry,
teplotné pomery na Zemi a vznik bioklimatických pásiem, príliv a odliv, pohyb morských prúdov,
geografické dôsledky rotácie Zeme a obehu Zeme okolo Slnka.
Literatúra
Bizubová, M. A kol., 2008: Geografia pre 1. ročník gymnázií. Bratislava. SPN.
Čižmárová, K., 2006: Didaktika geografie II. Banská Bystrica. UMB.
Machyček, J., Fričová, H., Papík, M., 1985: Základy didaktiky geografie. Bratislava. SPN.
Papík, M. – Herber, J., 1984: Metodická príručka na vyučovanie zemepisu v 1. ročníku gymnázia. Bratislava. SPN.
Ružek, I. a kol., 2009: Geografia pre 5. ročník základných škôl. Harmanec. VKÚ.
Turkota, J. a kol., 1980: Základy všeobecnej didaktiky geografie. Bratislava. SPN.
Wahala, A. , Kovář, M., 2006: Didaktika geografie II. Ostrava. PF OU.
95
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Bádateľsky zamerané vzdelávacie aktivity k téme optické javy
Marián Kireš
Oddelenie didaktiky fyziky ÚFV PF UPJŠ v Košiciach, Angelinum 9, 041 54 Košice, [email protected]
Úvod
Kurikulárnou reformou sa naštartoval proces zmien v systéme školského vzdelávania, ktorého ústrednými
cieľmi sú orientácia na zručnosti študenta, aktívne poznávanie z pohľadu práce študenta a orientácia na
schopnosti využívať získané vedomosti a zručnosti pri riešení praktických problémov. Náročný proces
zmien v sebe skrýva mnoho úskalí ako v práci učiteľov, tak aj v prístupe a postojoch študentov. V silnom
konkurenčnom prostredí a pri silne redukovanej časovej dotácii si pomerne ťažko získavajú obľubu
prírodovedné disciplíny. K ich úspešnému zvládnutiu je potrebné pochopenie podstaty skúmaných javov,
zvládnutie mnohých najmä experimentálnych zručností, logické uvažovanie a chápanie súvislostí a
osvojenie si mnohokrát aj abstraktnejšie opísaných skutočností.
Aby sme ako učitelia dokázali naplniť náročné ciele vzdelávacieho procesu, je nevyhnutné modernizovať
vyučovacie postupy, aktualizovať vzdelávací obsah o moderné poznatky a inovovať využívanú didaktickú
techniku. Mnoho inšpiratívnych námetov je možné nájsť v odborných časopisoch, literatúre či
zahraničných učebniciach fyziky. Námety na vzdelávacie aktivity sú však zväčša spracované z pohľadu
fyzikálneho obsahu, zaujímavého experimentu, či prekvapivého priebehu alebo výsledku demonštrácie. Čo
v odborných publikáciách mnohokrát chýba je didaktický zámer, využitie prezentovaného javu ako súčasti
vzdelávacieho procesu alebo jasné definovanie použitia vhodnej vyučovacej metódy. Autori sú mnohokrát
ako odborníci nadchnutý podstatou javu a jeho využitie v školskej praxi ponechávajú na pedagogické
majstrovstvo učiteľa.
V príspevku sa preto pred samotnou prezentáciou série experimentov k téme optické javy najprv
zameriame na ich možné zaradenie do systému vzdelávacích aktivít v rámci bádateľsky orientovaných
aktivít.
Čo rozumieme pod pojmom bádanie
Je obecne známa skúsenosť, že činnosti, pri ktorých je zapojených čo možno najviac zmyslov, sú zdrojom
dlhodobo zapamätaných poznatkov. Ak sú na viac vzdelávacie aktivity založené na aktívnom žiackom
prístupe, pri ktorom sú využívané prvotné žiacke poznatky, je využívaná okamžitá spätná väzba a cieľom
vzdelávania je pochopenie podstaty skúmaných javov, hovoríme o interaktívnej výučbe.
Zaužívaný je pojem "hands on" (z angl. rukami) aktivity, ktorý sa v dnešnej dobe postupne nahrádza
pojmom "minds on" (z angl. mysľou). Je zrejmý trend, že nie je postačujúce zapojiť ruky do praktickej
činnosti žiaka, ale je potrebné dopracovať sa k jeho pochopeniu skúmaného javu.
Ako jedna z možných ciest smerujúcich k dosiahnutiu vzdelávacích cieľov najmä v prírodovednom
vzdelávaní sa javí využívanie tzv. interaktívnych metód. Ako interaktívne rozumieme metódy, ktoré
podporujú konceptuálne porozumenie prostredníctvom aktívnych žiackych činností, prinášajú okamžitú
spätnú väzbu podporenú vzájomnou diskusiou s rovesníkmi, resp. učiteľom. Interaktívne metódy sa
v súčasnosti v prírodovednom vzdelávaní najviac uplatňujú v podobe tzv. Inquiry based science education,
čo vo voľnom preklade môžeme označovať: Vzdelávanie v prírodných vedách založené na aktívnom
žiackom bádaní, resp. Bádateľsky orientované prírodovedné vzdelávanie. Podľa (Linn, 2004) bádanie
z pohľadu žiaka predstavuje zámerný proces spojený s:
• rozpoznaním problému,
• návrhom vhodných experimentov a posúdením alternatívnych možností,
• plánovaním postupu skúmania,
• tvorbou hypotéz a ich overovaním
• vyhľadávaním informácií,
• tvorbou modelov,
• diskusiou so spolužiakmi,
• a formulovaním logických argumentov.
Nakoľko zapojenie žiaka do bádateľsky orientovaných aktivít predstavuje proces s postupne rastúcou
mierou samostatnej práce žiaka, je vhodné využívať hierarchiu bádateľských aktivít, ako bola napr.
definovaná v rámci projektu Establish http://www.establish-fp7.eu/ . Rozlišujeme podľa miery samostatne
96
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
práce žiaka nasledujúce typy vzdelávacích aktivít: Interaktívna diskusia/interaktívna demonštrácia,
Riadené objavovanie, Riadené bádanie, Viazané bádanie, Otvorené bádanie.
Ako pomerne metodicky blízka k široko využívaným demonštračným experimentom patrí interaktívna
demonštrácia. Medzi jej základné etapy patria (Gluck a Massalha, 2012):
• Učiteľ popíše experiment a realizuje ho pred triedou bez kvantitatívneho alebo kvalitatívneho
vyhodnotenia, resp. bez použitia počítača.
• Žiaci zaznamenávajú svoje individuálne predpovede do pripravených predpoveďových hárkov.
• Žiaci diskutujú o experimente a svojich predpovediach s najbližšími susedmi, prebieha rovesnícka
diskusia.
• Učiteľ zisťuje v triede žiacke predpovede, žiaci ich krátko predstavia.
• Žiaci zaznamenávajú do hárku konečné predpovede, ktoré mohli na základe diskusií modifikovať.
Predpoveďové hárky sú pozbierané, učiteľ však odpovede nehodnotí. Predpoveďové hárky sú využité k
príprave učiteľa na opakované vyučovanie danej témy s ďalšou skupinou.
• Učiteľ opakovane realizuje experiment, ktorý je už spojený s meraním (zvyčajne pomocou počítača v
grafickej podobe). Výsledky učiteľ prezentuje pred celou triedou napr. prostredníctvom dataprojektora
(alebo interaktívnej tabule).
• Žiaci popisujú výsledky a diskutujú o nich. Výsledky zaznamenajú do výsledkových hárkov, ktoré si
zoberú so sebou.
• Učiteľ so žiakmi diskutuje o analogických fyzikálnych situáciách.
Interaktívna diskusia/demonštrácia je časovo mierne náročnejšia v porovnaní s demonštračným
experimentom, avšak aktivizuje každého žiaka, rozvíja prvotné poznatky a zameriava sa na pochopenie
podstaty prezentovaného javu. Za témy na interaktívnu demonštráciu je vhodné vybrať kľúčové
experimenty smerujúce k pochopeniu nosných tém učiva.
Pod pojmom objavovanie rozumieme činnosť žiaka smerujúcu k overeniu už známej informácie. Žiak má
samostatnou činnosťou napodobniť postup vedca, objaviteľa. Cieľ jeho objavovania mu je však známy. V
našich podmienkach ide spravidla o laboratórne merania, pozorovania, ktorých postup aj je učiteľom
definovaný v pracovnom liste alebo návode na meranie, hovoríme o riadenom objavovaní.
Bádanie ako je opísané vyššie je v školskej praxi taká aktivita, výsledkom ktorej je pre žiaka nový
poznatok. Aj je postup činnosti žiaka vopred popísaný jednotlivými krokmi realizácie, hovoríme o
riadenom bádaní.
Ak žiak zvládne riadené objavovanie ako aj bádanie, je vhodné z pohľadu vyššej náročnosti jeho
samostatnej práce zaradiť do vzdelávania bádateľsky orientovanú aktivitu, viazané bádanie. Pri viazanom
bádaní žiaci navrhujú a realizujú experiment samostatne s malou alebo žiadnou pomocou učiteľa.
Viazanosť vyjadruje len obmedzenie dané témou, alebo zameraním bádania. Celý postup realizácie je v
rukách žiaka, alebo skupiny žiakov.
Najvyšším stupňom bádateľsky orientovaných aktivít z pohľadu samostatnej práce žiaka je otvorené
bádanie. Pri otvorenom bádaní majú žiaci samostatne prichádzať s vlastnými problémami, majú ich
formulovať, navrhnúť a realizovať vhodný experiment na ich riešenie. So získanými výsledkami vlastného
bádania majú oboznámiť spolužiakov v odbornej diskusii.
V nasledujúcej kapitole sa cez vybrané fyzikálne experimenty pokúsime o prezentáciu námetov
na jednotlivé typy bádateľsky orientovaných vzdelávacích aktivít.
Prečo vidíme objekty okolo seba alebo ako olej ukryl kadičku
V podobe interaktívnej demonštrácie je možné predviesť experiment s dvoma kadičkami a olejom.
Do väčšej kadičky (500 ml) vložíme menšiu kadičku (200 ml). Do vnútra menšej kadičky nalejeme
rastlinný olej asi do polovice jej objemu. V rozptýlenom dennom svetle pozorujeme menšiu kadičku
vloženú vo vnútri väčšej. Do väčšej kadičky dolejeme asi do polovice výšky oleja v menšej kadičke
rastlinný olej. Menšia kadička ostáva na dne. Pri pozorovaní cez stenu väčšej kadičky, je časť menšej
kadičky s olejom nachádzajúca sa pod hladinou oleja vo väčšej kadičke neviditeľná (obr.1).
Prekvapivý výsledok experimentu navádza žiakov k diskusii. Rozvinieme problém do diskusie k podstate
videnia objektov v rozptýlenom dennom svetle.
Ak je menšia kadička obklopená vzduchom, rozptýlené svetlo sa na pri prechode zo vzduchu do skla
vzhľadom na rozdielne indexy lomu láme. Časť svetla sa na rozhraní vzduch-sklo odráža
k pozorovateľovi, ktorý vidí stenu kadičky.
Ak sa v okolí menšej kadičky nachádza olej, jeho index lomu je rovnaký ako je index lomu skla. Svetlo
97
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
pri prechode z oleja do skla, nevníma tento prechod ako rozhranie dvoch optických prostredí. Nenastáva
odraz od povrchu steny menšej kadičky, kadička sa nám javí ako neviditeľná.
Experiment je možné za účelom skúmania podmienok viditeľnosti rôznymi spôsobmi obmeniť.
Do menšej kadičky je možné naliať najprv vodu a na jej povrch doliať olej. Kombináciou výšok oleja
a vody v menšej a väčšej kadičke je možné docieliť viditeľnosť a neviditeľnosť jednotlivých častí kadičky.
Obrázok 1.
Obrázok 2.
Kadička s olejom a jej neviditeľná spodná časť.
Meranie šírky tieňa pre určenie indexu lomu kvapalín.
Meranie indexu lomu kvapalín
Pomerne jednoduchým spôsobom je možné v rámci riadeného objavovania realizovať určenie indexu
lomu kvapalín. Použijeme hranatú nádobu (malé akvárium) na ktorej čelnú stenu nalepíme zvislý pásik
papiera šírky približne 3 cm. Pásik papiera osvetlíme stolovou lampou. Na zadnú stenu akvária priložíme
hárok papiera, na ktorom zaznamenáme šírku tieňa pásika. Do akvária nalejeme asi do polovice objemu
kvapalinu, index lomu ktorej chceme určiť. Po osvetlení pásika v časti pod hladinou kvapaliny a nad
pozorujeme rôznu šírku jeho tieňa na hárku na zadnej stene akvária.
Svetlo prechádzajúce kvapalinou sa láme. Zo známej geometrie chodu lúčov (Gluck a Massalha, 2012) je
možné index lomu kvapaliny určiť pomocou odvodeného vzťahu:
n=w−dwk −d ,
kde d je šírka pásika na prednej stene akvária, w je šírka tieňa pásika v časti vo vzduchu, wk je šírka tieňa
pásika v časti v kvapaline.
Prečo je pre nás objekt v istej vzdialenosti od oka neviditeľný
Do podoby riadeného bádania je vhodné pripraviť žiacke pozorovanie a meranie, ktorého výsledkom bude
pre žiaka nový poznatok o slepej škvrne a jej šírke.
Na kúsok bieleho papiera nakreslíme čierny kruh a čiernu hviezdičku o priemeroch zhruba 0,5 cm a
vo vzájomnej vodorovnej vzdialenosti d napr. 12 cm.
Papier uchytíme do oboch rúk tak, aby sme mali obraz pred očami. Ruky vystrieme. Prižmúrime ľavé oko
a postupne približujeme obraz k tvári tak, aby bola zobrazená hviezdička pred pravým okom. Pravým
okom sa dívame na v ľavo namaľovaný čierny kruh. V určitej vzdialenosti od tváre sa nám obraz
hviezdičky stratí, prestaneme ju pozorovať. Požiadame suseda, aby nám dĺžkovým meradlom odmeral
priamu vzdialenosť obrazu od očnej šošovky nášho oka. Túto vzdialenosť označme ako s1.
Postupne pokračujeme v približovaní papiera k tvári a pri určitej vzdialenosti sa nám opäť objaví obraz
zmiznutej čiernej hviezdičky. Pomocou dĺžkového meradla náš sused odmeria vzdialenosť očnej šošovky
98
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
od papiera. Túto vzdialenosť si označíme ako s2. Pre spresnenie merania môžeme vykonať niekoľko
meraní a narábať s priemernými hodnotami údajov s1 a s2.
Ak oko považujeme za guľu, pre vykonanie potrebných výpočtov si označíme vzdialenosť šošovky
od sietnice ako r a za jej veľkosť budeme udávať strednú hodnotu pre oko dospelého človeka 1,7 cm.
Šírku čiernej škvrnu ľudského oka označíme ako w.
Obrázok 3.
Geometria prechodu svetla pri určovaní šírky slepej škvrny.
Na základe označenia v obrázku 3 platí:
2=tg −1
d
,
s2
1 =tg −1
d
,
s1
w≈r 1−1 .
Pri vykonanom meraní boli priemerné hodnoty z nameraných údajov s1 = 45cm, s2 = 34 cm. Výpočtom z
týchto hodnôt dostávame priemer slepej škvrny ľudského oka 0,14cm. Táto hodnota zodpovedá hodnotám
udávaným v odbornej literatúre.
Záver
Realizácia inovatívnych vzdelávacích námetov je pre žiaka iste motivačná. Aby sme však neostali iba
v rovine motivácie, je potrebné podľa aktuálneho stupňa samostatnej poznávacej činnosti žiaka pripraviť
aktivitu tak, aby sme rozvíjali jeho poznávací proces na kvalitatívne vyššej úrovni.
Poďakovanie
Práca vznikla pri riešení projektu 7. rámcového programu Establish (No. 244749) a projektu APVV LPP0223-09: Science on Stage Slovakia.
Literatúra
Linn, M. C.; Davis, E. A.; Bell, P. Internet environments for science education. Mahwah, NJ, USA : Lawrence Erlbaum, 2004,
ISBN 0-8058-4303-5.
Projekt Establish, dostupné na http://www.establish-fp7.eu/
Gluck, P., Massalha, T.: Measurement of refractive index of a liquid, The Physics teacher, Vol.50, February 2012.p.124
99
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Skleníkový efekt - projektové vyučovanie na ZŠ
Anna Hantáková
Základná škola Eduarda Schreibera , Schreiberova 372 , 020 61 Lednické Rovne, [email protected]
Úvod
Čo žiak počul- zabudne,
čo žiak videl – zapamätá si,
čo žiak urobil – pochopí.
Fyzika na základnej škole je predmet , ktorý by mal žiakom priblížiť svet okolo nás. Ukázať im , že je
veľmi zaujímavý a naučiť ich, že keď spoznáme jeho zákonitosti a porozumieme im, môžeme ich využiť
na mnoho užitočných vecí. Aby žiaci pochopili, že hovoríme o bežných veciach, s ktorými sa stretávajú
každý deň, snažím sa pracovať skôr s klasickými pomôckami, ktoré si môžu chytiť, obzrieť, vyskúšať,
alebo si ich jednoducho vyrobiť doma. To bol dôvod, prečo som sa rozhodla na hodinách využiť
projektové vyučovanie, ktoré žiakov viac vtiahne do vyučovacieho procesu a spraví ho zaujímavejším.
Téma,,Skleníkový efekt“ je podľa novej koncepcie súčasťou učiva niekoľkých predmetov a to fyziky,
chémie, biológie. Projektové vyučovanie bolo realizované žiakmi 9. ročníka a bolo zamerané na rozvoj
nasledujúcich kompetencií :
•
•
•
•
•
•
•
•
vedieť pracovať a spolupracovať v skupine
zhromažďovať informácie z rôznych zdrojov
pracovať s IKT
naučiť sa pripomienkovať a hodnotiť prácu iných
vedieť obhajovať vlastný názor a argumentovať
využívať medzipredmetové vzťahy
rozvoj zručnosti – uskutočniť experiment
na základe poznatkov a experimentu dokázať vyvodiť správne závery
Žiaci mali možnosť zahrať sa na vedcov, ktorí najprv zbierajú dostupné informácie a získané poznatky
overujú experimentom. Úlohou žiakov bolo získať čo najviac informácií na tému,, Skleníkový efekt “. Po
vzájomnej diskusii na danú tému si museli žiaci dané informácie spracovať a ich platnosť overiť
experimentom.
Obrázok 1.
Obrázok 2.
Obrázok 3.
Grafické znázornenie skleníkového efektu – druhá
pracovná skupina.
Prezentácia na tému skleníkový efekt prvej pracovnej
skupiny.
Podmienky
v
skleníku
zostrojenom treťou pracovnou skupinou.
Žiaci boli rozdelení do 3 pracovných skupín (obr. 1 – 3):
Prvá pracovná skupina mala za úlohu pripraviť prezentáciu na tému Skleníkový efekt – prezentáciu
vytvorila v programe PowerPoint. Prezentácia musela obsahovať: (1) Vysvetlenie, čo je skleníkový efekt a
ako vzniká, (2) Skleníkové plyny – zdroje skleníkových plynov, ich podiel na skleníkovom efekte, (3)
Dôsledky skleníkového efektu – zmeny klímy, (4) Možnosti znižovania emisií skleníkových plynov .
Druhá pracovná skupina mala za úlohu výtvarne spracovať danú tému – vytvoriť plagát, ktorý bude
100
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
výstižne znázorňovať skleníkový efekt.
Tretia pracovná skupina zostrojila skleník, pomocou, ktorého žiaci v laboratórnych podmienkach
navodili (vytvorili) skleníkový efekt a sledovali jeho vplyv na topenie ľadu ( globálne otepľovanie).
História skleníkového efektu
Štúdium skleníkového efektu má korene v minulosti. V roku 1827 francúzsky matematik Jean Baptiste
Fourier predpokladal zachytávanie slnečného žiarenia atmosférou. Neskôr okolo roku 1860 začal svoje
štúdiá írsky fyzik John Tyndall, ktorý dal do súvislosti klimatické zmeny s chemickým zložením vzduchu.
O súvislosti medzi emisiami CO2, využívaním fosílnych palív a zvýšením teploty na povrchu zeme
prvýkrát vypracoval štúdiu v roku 1896 švédsky nositeľ Nobelovej ceny za chémiu Svante Arrhenius.
V roku 1958 na vrchu Mauna Loa na Havajských ostrovoch americký vedci Charles Keeling a Roger
Revelle po prvýkrát zmerali koncentráciu CO2 v atmosfére. Jej hodnota bola 315 ppm (miliontín).
Odvtedy sa meranie neprerušilo a dnes je laboratórium NOAA – Národný úrad pre výskum oceánov
a atmosféry na Mauna Loa svetovým referenčným bodom pre získavanie vedomosti o množstve
produktového CO2.
Čo je skleníkový efekt, ako vzniká
Skleníkový efekt sa vyskytuje prirodzene na Zemi takmer
od jej vzniku. Bez výskytu skleníkových plynov, ktoré
zadržujú časť unikajúceho tepla a vracajú ho na Zem by
priemerná teplota na povrchu Zeme bola mínus 18 °C.V
súčasnosti je priemerná teplota 15 °C. Skleníkový efekt je
nevyhnutným predpokladom života na Zemi. Ako vzniká
skleníkový efekt ?
Slnečné žiarenie prechádza atmosférou a dostáva sa
k Zemi. Približne 30% slnečného žiarenia odráža zemská
Obrázok 4.
Skleníkový efekt. Na obrázku však nie je atmosféra späť do vesmíru, asi 20% slnečného žiarenia
rozlíšené slnečné žiarenie a tepelné žiarenie pohltí a 50% prenikne k zemskému povrchu. Zemský
povrch a vzduch vyžarujú tepelné žiarenie. Atmosféra
Zeme.
tvorí pre tepelné žiarenie vyžarované Zemou akúsi bariéru
(obr. 4). Skleníkové plyny v atmosfére zachytávajú časť tepelného žiarenia Zeme a vracajú ho späť na
Zem. Zem sa tak stáva obrovským skleníkom, ktorý je za dlhú dobu v energetickej rovnováhe. Tento jav sa
nazýva skleníkový efekt. Ak sa v atmosfére zachytí viac tepelného žiarenia preto, lebo v atmosfére sa
zvýši množstvo plynov, ktoré ho pohlcujú, Zem sa otepľuje. Zväčšujúci sa skleníkový efekt spôsobuje
globálne otepľovanie Zeme.
Skleníkové plyny – zdroje skleníkových plynov, ich podiel na skleníkovom efekte
Skleníkové plyny – sú plyny, ktoré sa vyskytujú v atmosfére Zeme a absorbujú infračervené (tepelné)
žiarenie zemského povrchu, vďaka čomu je ohrievaná dolná vrstva atmosféry a Zemský povrch. Od
začiatku 20.storočia (po priemyselnej revolúcií ) sa ľudskou činnosťou zvýšilo množstvo skleníkových
plynov vo vzduchu.
Vodná para – je najvýznamnejším skleníkovým plynom, ktorý spôsobuje asi 2/3 celkového skleníkového
efektu. Molekuly vody zachytia v atmosfére teplo, ktoré Zem vyžaruje, a potom ho vyžiaria všetkými
smermi, pričom sa zohrieva povrch Zeme. Vodná para je časťou kolobehu vody v prírode. Aktivity človeka
nezvyšujú množstvo vody v atmosfére. Teplejší vzduch však môže udržať viac vodnej pary, zvýšiť teplotu,
a tak zintenzívniť zmenu podnebia.
Oxid uhličitý – hlavný skleníkový plyn, ktorý vytvára aj človek. Oxid uhličitý prispieva 30-timi % ku
skleníkovému efektu. Vzniká každodenným spaľovaním miliárd ton uhlia, ropy a zemného plynu. Ročne
sa vypúšťa do atmosféry viac ako 25 miliárd ton oxidu uhličitého. Vzniká aj pri dýchaní a hnití
organických látok. Množstvo oxidu uhličitého narastá, lebo sa vyrubujú lesy, a tak klesá počet rastlín,
ktoré absorbujú oxid uhličitý počas fotosyntézy. Podiel oxidu uhličitého na umocnenom (človekom
vytvorenom) skleníkovom efekte je viac ako 60%.V priemyselných krajinách tvorí oxid uhličitý viac ako
80 % emisií skleníkových plynov.
Metán – druhý najdôležitejší skleníkový plyn, ktorý vytvára aj človek. Hlavným ľudským zdrojom
101
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
metánu je poľnohospodárstvo – chov dobytka a pestovanie ryže, skládky odpadu, baníctvo, ťažba zemného
plynu. Prírodným zdrojom metánu sú močiare, termity a oceány. Podiel metánu na skleníkovom efekte je
asi 20 %. V priemyselných krajinách je podiel metánu na emisiách skleníkových plynov 15 %. Metán v
atmosfére zachytáva teplo, pričom je 23 krát efektívnejší ako oxid uhličitý.
Oxid dusný – uvoľňuje sa z oceánov, dažďových pralesov a pôsobením baktérií v pôde. K človekom
ovplyvňovaným zdrojom patria dusíkaté hnojivá, chemická výroba využívajúca dusík, čistenie
odpadových vôd. Jeho podiel na celkovom skleníkovom efekte je 4-6 %. V priemyselných krajinách má
oxid dusný podiel na emisiách skleníkových plynov asi 6 %. Oxid dusný je pri absorpcií tepla 310 krát
efektívnejší ako CO2.
Skleníkové plyny – vodná para, oxid uhličitý, metán, oxid dusný sa
vyskytujú v prírode prirodzene, avšak značnú časť oxidu uhličitého,
metánu a oxidu dusného vytvorí svojimi aktivitami človek
(antropogénne skleníkové plyny).
Freóny ako skleníkové plyny sa v prírode nevyskytujú, ale vyvinul
ich človek na priemyselné účely. Ich podiel na emisiách skleníkových
plynov v priemyselných krajinách je asi 1,5%. Sú mimoriadne účinné.
Zachytia teplo až 22000 krát efektívnejšie ako oxid uhličitý. Tieto
skleníkové plyny obsahujú látky používané pri chladení, mrazení,
klimatizácií, do hasiacich prístrojov, sprejov, ako rozpúšťadlá (freóny,
Obrázok 5.
halóny, chlorid uhličitý ) a vznikajú napríklad aj pri výrobe hliníka.
Antropogénny skleníkový efekt.
Tieto látky spôsobujú poškodenie ozónovej vrstvy a súčasne sú
skleníkovými plynmi..
Ak bude produkcia skleníkových plynov pokračovať rovnakou rýchlosťou ako doteraz, predpokladá sa, že
v roku 2030 by to mohlo spôsobiť zvýšenie priemernej teploty Zeme asi o 2,5 °C.
Dôsledky rastúceho skleníkového efektu – zmeny klímy
-zvyšovanie priemernej teploty atmosféry
-zmenšuje sa rozdiel teplôt medzi rovníkom a pólmi
-suché pásma sa stanú ešte suchšími a polopúšte sa premenia na púšte
-pravdepodobne sa zvýši množstvo dažďových zrážok nad dnes suchými, ale úrodnými oblasťami
-roztopenie arktických a najmä antarktických ľadovcov, čím stúpne hladina oceánov a dôjde k zaplaveniu
značnej časti pevniny na Zemi
-prírodné katastrofy – víchrice, záplavy, tornáda, suchá, zemetrasenia – s tým súvisí hlad, choroby a
zníženie výnosov úrody
-vymieranie koralových útesov – koraly sú dobrými indikátormi globálnych klimatických zmien –nárast
teploty o 1°C nad maximálnu teplotu spôsobuje ich blednutie (koral odumiera )
-deficit pitnej vody, jej kontaminácia
-zmeny celých ekosystémov, čo povedie k vymieraniu niektorých rastlinných a živočíšnych druhov
Možnosti znižovania emisií skleníkových plynov
-treba využívať čisté zdroje energie (miesto využívania fosílnych palív ), a to – slnečnú energiu, veternú
energiu, energiu vodných tokov, energiu morského prílivu a geotermálnu energiu
-využívanie biomasy (zvyšky s poľnohospodárskej výroby, drevo ) na výrobu elektriny a tepla
-využívanie alternatívnych dopravných prostriedkov
- obmedziť vyrubovanie stromov, výsadba nových stromov
Experimentálna časť
Skleníkový efekt atmosféry je podobný jav, aký pozorujeme v záhradných skleníkoch (sklo však
zabraňuje prúdeniu vzduchu, ktoré v reálnej atmosfére prebieha), len funkciu skla preberajú v atmosfére
"skleníkové plyny".
Slnečné lúče dopadajú na steny skleníka. Časť slnečného svetla (žiarenia) sa od stien odrazí, časť žiarenia,
predovšetkým vo viditeľnej oblasti spektra (s vlnovou dĺžkou 400 - 760 nm) sklenené steny prepustia.
Energiou tohto prepusteného žiarenia sa ohreje v skleníku všetko, na čo slnečné lúče dopadnú. Slnečným
svetlom zohriate predmety vo vnútri skleníka sú tiež žiaričmi energie. Avšak, vzhľadom na svoju teplotu,
má toto žiarenie podstatne dlhšiu vlnovú dĺžku, spadajúcu už do oblasti neviditeľného infračerveného
žiarenia (780nm - 1mm).
102
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Obrázok 6.
Detailný pohľad do skleníka.
Žiarenie tejto vlnovej dĺžky už sklenené steny neprepustia, ale
čiastočne ho pohltia, čím sa steny zohrejú. Postup sa opakuje, až sa
celá energia pôvodného slnečného žiarenia využije na zvýšenie
teploty
v
priestore
ohraničenom
stenami
skleníka.
Opísané efekty spôsobujú, že teplota vo vnútri skleníka sa oproti
okoliu zvyšuje a tento proces nazývame "skleníkový efekt".
Tretia pracovná skupina si vyrobila skleník, v ktorom vytvorila
podmienky pre vznik skleníkového efektu (obr. 3 a 6). Žiaci rovnako
silnými žiarovkami nahrievali skleník i priestor mimo neho, čím
simulovali slnečné žiarenie. Na začiatku pokusu odmerali teplotu v
skleníku a mimo skleníka. Ich úlohou bolo sledovať ako sa mení
teplota. Meranie robili každých 15 minút a trvalo 6 hodín. Namerané
hodnoty zapisovali do tabuľky (obr. 7).
Obrázok 7.
Tabuľka meraní teploty a relatívnej vlhkosti v skleníku a teploty
vzduchu mimo neho a graf zobrazujúci zmenu teploty s časom.
Po 5-tich hodinách sa teplota v skleníku ustálila na hodnote 31,2 °C a mimo skleníka na 25°C. Potom bol
do skleníka vložený ľad s hmotnosťou 11,7 g. Ľad s rovnakou hmotnosťou bol položený aj na voľnú
plochu. Teplota a vlhkosť sa pri vkladaní nezmenili. Meranie pokračovalo ďalej. Po 28 minútach bol
všetok ľad v skleníku roztopený, ale ľad umiestený mimo skleníka nie, jeho hmotnosť bola 4,1 gramu.
Experimentom žiaci zistili, že zahrievaním skleníka teplo ľahko prešlo sklenenou strechou a zohrialo
vnútro skleníka aj s pôdou, ktorá bola v skleníku. Zohriata pôda uvoľňovala teplo, ktoré neprešlo cez
strechu skleníka, ale odrážalo sa späť, a preto bolo v skleníku teplejšie ako mimo skleníka. Potvrdil sa
vplyv skleníkového efektu na roztápanie ľadovcov – ľad v skleníku sa roztopil oveľa rýchlejšie.
Záver
Cieľom môjho projektu bolo zaujať žiakov vytvorením vyučovacej hodiny, na realizácií, ktorej sa
podieľali samotní žiaci. Počas prípravy a realizácie projektu využívali IKT, učili sa pracovať s odbornou
literatúrou, dokázali zhromažďovať, triediť informácie, spolupracovať v skupine, prezentovať svoju prácu
pred kolektívom a vyvodiť závery experimentu.
103
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Žiacky slnečný kolektor
Mária Kučerová
Základná škola s materskou školou, Jarná ulica 3168/13, 05801 Poprad, [email protected]
Úvod
Problematika využívania energie Slnka sa stáva stále aktuálnejšou a intenzívnejšou. Núti nás k tomu
skutočnosť, že potrebujeme stále viac energie a na našej Zemi sa zásoby neobnoviteľných zdrojov
zmenšujú. Akými spôsobmi sa dá využívať energia Slnka, by sa mali žiaci oboznamovať už na základných
školách, pretože pre nich je to v budúcnosti možno otázka prežitia a využívanie slnečnej energie bude pre
nich samozrejmosťou. Na Slovensku sa najčastejšie stretávame s dvoma spôsobmi využívania slnečnej
energie. Sú to fotovoltaické články a slnečné kolektory.
Cieľom vyučovania bolo napomôcť pochopeniu činnosti slnečného kolektora ako ekologického spôsobu
získavania teplej vody pre domácnosť.
Využívanie energie Slnka v učive základnej školy
Problematika využívania slnečnej energie v učive základnej školy je obsiahnutá v učive fyziky 7. a 8.
ročníka. Koľko času sa bude venovať tejto problematike, nezávisí len od učiteľa fyziky, ako si urobí
školský vzdelávací program ale aj od časovej dotácie danej na predmet fyzika.
V učebniciach fyziky sa možnosť využívania energie slnečného žiarenia
spomína v 7. ročníku v rámci témy Šírenie tepla. Na niekoľkých riadkoch
si žiaci môžu prečítať, ako sa uvažuje stále viac o využívaní iných zdrojov
tepla ako sú fosílne palivá a že ako najväčší zdroj tepla, ktorý máme stále
k dispozícii je naše Slnko. Žiaci sa ešte dozvedia informáciu, že energia zo
Slnka sa k nám dostáva žiarením. Toto učivo dopĺňa malý obrázok Slnka,
(obr.1).
Myslím si, že 13- ročné deti by mali dostať viac informácií o možnostiach
využívania slnečnej energie, hlavne v súvislosti so šírením tepelného
Obrázok 1. Žiarenie Slnka. žiarenia zo Slnka a využitím tohto javu v praktickom živote. V 8. ročníku
je téma Energia v prírode, ktorá obsahuje
aj časť o energii Slnka. Tu sa tejto téme
venuje podstatne viac priestoru. Žiaci
dostávajú dostatok informácií o pôvode
slnečnej energie, jej význame pre život na
Zemi
a možnostiach
využitia
prostredníctvom slnečných kolek-torov na
rodinných domoch, (obr. 2). V závere
kapitoly je aj návod na konštrukciu
jednoduchého slnečného kolektora (obr. 3).
Možno je tak trochu na škodu veci, že táto
Obrázok 2. Slnečný kolektor v rodinnom dome.
tematika je poslednou v učive fyziky a tak
Obrázok 3. Konštrukcia jednoduchého slnečného kolektora
je veľké riziko, že sa k nej žiaci nemusia dostať. Na druhej strane je to téma veľmi atraktívna
a inšpirujúca pre žiacke tvorivé aktivity a projekty.
104
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Slnečný kolektor
Téma využitia energie žiarenia Slnka v slnečnom kolektore ma zaujala a využila som ju na zaujímavú
žiacku aktivitu, skonštruovať vlastný jednoduchý slnečný kolektor. Nápad, ako ho urobiť, pochádza z
environmentálneho kurzu Zero Carbon City – Mesto bez uhlíka, ktorý robila spoločnosť British Council.
Konštrukcia slnečného kolektora dáva príležitosť dobre využiť teoretické vedomosti o šírení tepla
a tepelného žiarenia a použití tepelných izolantov.
Konkrétnej praktickej činnosti predchádzala teoretická hodina zameraná na oboznámenie žiakov
so základnými poznatkami o slnečnej energii a stavbe slnečného kolektora.
Slnečná energia ako alternatívny zdroj energie a dôvody jej využívania
Množstvo dopadajúcej slnečnej energie na
Zem je takmer 14000-krát väčšie ako celá
energia
spotrebúvaná
ľudstvom
v súčasnosti.
Na
hranicu
zemskej
atmosféry pri kolmom dopade lúčov
dopadá približne 1360 W energie na meter
štvorcový. Tento údaj označujeme ako
slnečnú konštantu. Obmedzené využívanie
slnečnej energie je spôsobené hlavne
technologickými
a ekonomickými
problémami, ale aj nezodpovedným
správaním sa ľudskej spoločnosti, ktorá
čerpá najľahšie dostupné prírodné zdroje
bez ohľadu na budúce generácie.
Slnečné kolektory využívajú rôzne druhy
Obrázok 4. Žiarenie: 1-priame, 2-rozptýlené, 3-odrazené
žiarenia:
priame-1,
rozptýlené-2
a odrazené-3 (obr. 4).
Intenzita slnečného žiarenia sa prechodom cez atmosféru znižuje:
− v dôsledku rôznych odrazov, približne o 40 % slnečného žiarenia,
− pohltením približne o 20 % slnečného žiarenia (pohltenie čiastočkami prachu - znečistenie),
− dopadom žiarenia pod rôznym uhlom do atmosféry v závislosti od ročného obdobia a časti dňa.
Priepustnosť slnečného žiarenia nad priemyselnými oblasťami je menšia ako nad vidiekom.
Obrázok 5. Priemerná denná hodnota slnečnej energie dopadajúcej za jednotku času na jednotkovú plochu
rôzne orientovaných povrchov.
V podmienkach Slovenska. Najlepšie energetické zisky dosahované pri orientácii slnečných kolektorov na
juh (juhozápad) s uhlom sklonu asi 45° (obr.5). Vtedy je zaistený optimálny pomer medzi maximálnym
využitím žiarenia v zimných mesiacoch, keď je Slnko nízko a v letných mesiacoch keď je Slnko vysoko
nad obzorom.
Využívaním slnečnej energie prostredníctvom slnečných kolektorov môžeme dosiahnuť:
− úsporu nákladov za energiu,
− zníženie negatívneho dopadu na životné prostredie,
105
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
− nezávislosť na dodávateľoch energie,
− možnosť získania dotácie štátu na podporu obnoviteľných zdrojov energie.
Slnečný kolektor v praxi
Slnečný kolektor je zariadenie, ktoré
mení energiu slnečného žiarenia na
teplo. Naakumulovaná energia je
prostredníctvom teplonosného média
odovzdávaná
zohrievanej
vode
vo výmenníku tepla. Počas zamračených
dní
dohrieva
vodu
elektrické
vyhrievacie teleso, kotol alebo iný zdroj
tepla.
V našich
klimatických
podmienkach je kombinácia s ďalším
zdrojom tepla nevyhnutná. Slnečné
kolektory môžu pokryť 50-70 % ročnej
potreby teplej vody v domácnosti.
Okrem domácností sú využívané na
ohrev vody v bazénoch a v skleníkoch.
Ďalšie možnosti využitia predstavujú
objekty občianskej vybavenosti ako sú
školy, nemocnice, hotely, športové haly,
reštaurácie. Ako funguje slnečný Obrázok 6. Slnečný kolektor v rodinnom dome.
kolektor ukazuje obrázok 6.
Dôležitou vlastnosťou kolektora je okrem schopnosti
teplo prijať, hlavne izolácia od vonkajšieho prostredia.
Ploché kolektory majú výbornú izoláciu zadnej steny
tepelnoizolačnou vlnou, (obr. 7 hore). Trubicové
kolektory majú absorbér izolovaný v trubici pomocou
vákua na princípe termosky. Tieto kolektory majú
vysoký výkon aj počas veľmi studených dní (obr. 7
dolu).
Náš slnečný kolektor
My sme sa pokúsili o konštrukciu plochého kolektora.
Zo základného učiva o teple sme využili poznatky
o tepelných izolantoch a o ich uplatnení v slnečnom
kolektore. Ako tepelný izolant sme použili polystyrén.
Druhým využitým teoretickým poznatkom bolo použitie
alobalu ako materiálu, ktorý výborne odráža tepelné
žiarenie a tým zabraňuje energetickým stratám.
Poslednou aplikáciou bolo použitie čierneho materiálu –
bicyklová duša, ktorý výborne pohlcuje tepelné žiarenie
a tým zvyšuje efektívnosť zohrievania vody.
Experiment som robila so žiakmi 7.B (delená trieda) na
hodine fyziky po prebratí učiva o šírení tepla tepelnou
Obrázok 7.
Plochý kolektor (hore). Trubicový výmenou a žiarením. Pracovali v štyroch skupinách
kolektor (dolu).
s rôznym počtom žiakov. Žiaci mali potrebné teoretické
vedomosti a boli nadšení plánovaným experimentom.
Všetky potrebné pomôcky pre experiment sú ľahko dostupné ako vidieť na obrázku 8. Problém bol len so
získaním duše z bicykla. Pre štyri skupiny žiakov stačili dve bicyklové duše. Jedna skupina, ktorá mala
veľkú nádobu, potrebovala 60 cm dlhú bicyklovú dušu.
Postup bol jednoduchý, ako ukazujú obrázky. Najprv sme urobili otvory na opačných koncoch nádoby.
Na dno nádoby sme vložili tepelnoizolačnú látku – polystyrén (obr. 9) a zakryli alobalovou fóliou, ktorá
odráža tepelné žiarenie späť na dušu s vodou (obr. 10).
106
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Obrázok 9. Príprava nádoby.
Na koncoch duše sme upevnili vrchnáky z
PET fliaš ako uzávery. Odmerali sme
teplotu vody v kadičke a opatrne sme ju
Obrázok 8. Pomôcky na prípravu kolektora.
naliali do duše (obr. 11). Duša nesmela byť
úplne plná, kvôli možnosti zatočenia.
Stočenú dušu sme vložili do nádoby a uzavreli potravinovou fóliou (obr. 12). Nádobu sme umiestnili na
slnečné miesto a nechali sme ju niekoľko hodín vystavenú slnečným lúčom. Po štyroch hodinách bola
zohriata zo 14° C na 40° C.
Obrázky 10, 11, 12. Pracovný postup.
Pomôcky potrebné na zostavenie žiackeho slnečného kolektora: škatuľa od topánok, 60 cm bicyklovej
duše, dva vrchné závity PET fľaše aj s uzávermi, kúsky polystyrénu, alobalová fólia dlhá 40 cm,
potravinová fólia, nožnice.
Záver
Všetci sme boli napätí, keď sme išli po štyroch hodinách vypustiť vodu z našich kolektorov, či sa naozaj
zohriala. Napätie vystriedalo nadšenie zo zistenia, že náš kolektor funguje a voda je skutočne
teplejšia. A to bol aj cieľ celého experimentu, overiť si funkciu slnečného kolektora ako ohrievača vody.
Pre žiakov to bola jedinečná skúsenosť, pri ktorej si overili nielen platnosť fyzikálnych javov, ale aj
vlastné schopnosti a zručnosti. Pomocou experimentu si žiaci jednoduchým spôsobom potvrdili, že sa dá
využívať slnečná energia, a nespotrebovávať prírodné zdroje. Slnečná energia je ekologický alternatívny
zdroj energie, ale jej široké využitie je podmienené výrobou technologicky náročných zariadení.
Literatúra
Lapitková, V. a kolektív autorov, 2010: Fyzika pre 7. ročník základnej školy a 2. ročník gymnázia s osemročným štúdiom,
Pedagogické vydavateľstvo Didaktis, 112 strán
Lapitková, V. a kolektív autorov, 2012: Fyzika pre 8. ročník základnej školy a 3. ročník gymnázia s osemročným štúdiom,
Vydavateľstvo Matice slovenskej, 196 strán
http://www.prvasolarna.eu/energia
http://www.slnecnaenergia.sk/ECB_Moznosti%20vyuzivania%20slnecnej%20energie.pdf
107
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Jednoduché video meteorologických objektov
Dušan Božik1, Michal Pikler2
1
Geofyzikálny ústav SAV, Meteorologické observatórium Stará Lesná, [email protected],
Astronomické observatórium Skalnaté pleso, [email protected]
2
Astronomický ústav SAV,
Úvod
Iste ste si všimli v hlavne v rôznych dokumentárnych filmoch záber na zrýchlený pohyb napr. oblakov,
zvierat, zrýchlený rast rast rastlín alebo všeobecne, zrýchlenú nejakú ľudskú činnosť. Nás ako
meteorológov zaujíma hlavne pohyb oblačnosti, búrkové javy, rôzne javy v atmosfére. Pri zrýchlenom
sledovaní takto snímaných javov, neraz objavíme to, čo pri bežnom pozorovaní vizuálne nezachytíme. Iste
si poviete že toto sa dá dosiahnuť len pomocou profesionálnej kamery. Nižšie popíšeme, že aj pomocou
obyčajného kompaktného fotoaparátu, v našom prípade od firmy Canon a jednoduchého programu v PC je
možné dosiahnuť rovnaký výsledok ako filmovaním profesionálnou kamerou.
Základne pojmy
CHDK- Canon Hack Development Kit - je software, presnejšie firmware - aplikácia, ktorá sa spúšťa na
kompaktnom fotoaparáte s úmyslom dočasne a nedeštruktívne rozšíriť možnosti využitia fotoaparátu a
fotografovania narozdiel od limitov dodaných od výrobcu. CHDK je jednoduchá aplikácia. Presne tak ako
to funguje v PC, keď fotoaparát vypneme, tak sa spolu s ním vypnú všetky aplikácie, a program sa
odstráni aj z operačnej pamäte. Po zapnutí fotoaparátu sa aplikácia CHDK ručne cez menu vyvolá a nahrá
znova do pamäte fotoaparátu CHDK má veľa možnosti rôznych nastavení. Nás ale bude hlavne zaujímať
nastavenie kompaktného fotoaparátu tak, aby snímal snímky nepretržite v sekundových intervaloch napr.
30minút. Výsledkom bude niekoľko stoviek snímkov na flash karte fotoaparátu. Snímky potom po
prekopírovaní do PC. Neskôr pomocou tzv. free software, PhotoLapse3, spojíme tieto snímky do jediného
súboru, formátu *.avi. Vytvorený súbor je potom možné prehrať pomocou vhodného software, napr.
Windows média player alebo VLC prehrávača. Termín TimeLapse má význam - časo-zberné zariadenie.
Aj pomocou týchto slov je možné v Google vyhľadať ďalšie zdroje krátkych videí získaných pomocou
kompaktných fotoaparátov, prípadne ďalšie návody k tejto problematike.
Postup inštalácie
Je nutné informácie o inštalácii, týka sa to pre každý typ fotoaparatu, CHDK postupne vyhľadať na
internete, lebo problematika je príliš široká a presahuje rámec tejto prezentácie. Budeme potrebovať
čítačku pamäťových kariet pripojenú k PC, samozrejme niektorý vhodný fotoaparát. Zoznam
podporovaných fotoaparátov je na adrese: http://chdk.wikia.com/wiki/Slovak/FAQ, nachádza sa tu aj potrebný
CHDK firmware v zipovanej podobe. Po rozzipovaní súboru v PC, uvidíme štruktúru adresárov, Potom si
pripravíme pamäťovú kartu z fotoaparátu a vložíme ju do čítačky pamäťových kariet. Len pomocou
čítačky je možný prístup na pamäťovú kartu. Nejde to prepojením fotoaparátu s pomocou USB káblika do
PC. Následne prekopírujeme stiahnuté a rozzipované súbory do tzv. koreňového adresára, napr. tak ako je
zobrazené na Obr.5 Nakoniec musíme ešte vyrobiť tzv. prázdny súbor zo skriptom v mojom prípade som
ho nazval pressfull bez prípony. Do súboru je potrebné napísať nasledovné inštrukcie:
@title pressfull
press "shoot_half"
while (0<1)
press "shoot_full"
sleep 30
wend
Súbor uložíme a následne prekopírujeme z PC na pamäťovú kartu, do podadresára SCRIPT. Skript, ktorý
sme vytvorili nám zabezpečí automatické spúšťanie uzávierky na fotoaparáte. Po zapnutí fotoaparátu
stlačíme tlačítko MENU.
108
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Obrázok 1.
Tlačítko
Alt
Obrázok 3
Obrázok 2.
Obrázok 4.
Po zapnutí fotoaparátu stlačíme tlačítko MENU. V menu zvolíme zmenu firmware a potvrdíme tlačítkom
OK. Po tejto zmene tlačítkom Alt vyvoláme nové rozhranie menu. Tlačítko Alt nám slúži zároveň na
prepínanie aktivácie a deaktivácie programu CHDK. Po položkách sa pohybujeme šípkami podobne ako
v PC. Voľbu potvrdzujeme tlačítkom OK. Pre našu potrebu fotiť sekvenčne, potrebujeme pred
fotografovaním načítať potrebný skript ktorý sme vytvorili a ktorý sa nachádza na pamäťovej karte vo
fotoaparáte v adresári CHDK a podadresári SCRIPT, tam si zvolíme súbor v našom prípade súbor s
názvom pressfull. Súbor môže mať názov, akýkoľvek. Pred samotným spustením fotografovania musíme
nastaviť pomocou tlačítka tzv. multiexpozícia. Potom aby sme šetrili trocha batérie, stlačíme DISP, tým
vypneme display. Potom už stačí umiestniť fotoaparát na statív a stlačiť spúšť na fotoaparáte.
Obrázok 5.
Organizácia súborov na pamäťovej karte.
Ďalej uvádzame Internetové adresy s potrebnými informáciami k vyhľadaniu a inštalácii softwéru do
fotoaparátu.
Užívateľská príručka:
http://chdk.wikia.com/wiki/Slovak/U%C5%BE%C3%ADvate%C4%BEsk%C3%A1_pr%C3%ADru%C4%8Dka_CHDK
Programy na stiahnutie:
http://chdk.wikia.com/wiki/Slovak/Na_stiahnutie#Met.C3.B3da_aktualiz.C3.A1cie_firmv.C3.A9ru
Najčastejšie otázky a odpovede:
109
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
http://chdk.wikia.com/wiki/Slovak/FAQ
Popis CHDK v kocke:
http://chdk.wikia.com/wiki/Slovak/CHDK_v_kocke
Odkazy na ukážky ďalších videí: http://www.vimeo.com
Odkazy na inštruktážne videa s návodom v angličtine: http://www.youtube.com/ kľúčové slovo
do vyhľadávania treba zadať napr. chdk install, chdk canon atď.
Spracovanie materiálu
Na spracovaniE použijeme jednoduchý program s názvom PhotoLapse3. Stiahneme ho napr. z adresy
http://photolapse-3-3-0.soft-free-download.com/sk/ Program sa neinštaluje, uloží sa do samostatného
adresára a spúšťa sa PhotoLapse.exe. Pomocou USB kábla prepojíme fotoaparát s PC. Fotografie
prekopírujeme do samostatného adresára, alebo ich prekopírujeme pomocou čítačky kariet. V našom
prípade do podadresára /december2011. Pomocou tlačítka Load files from current folder načítame
do samotného programu jednotlivé snímky. Cez tlačítko Mark every Nth frame → navolíme číslo 1. Táto
voľba hovorí, či bude z načítaných snímkov v adresári vybratý každý snímok alebo každý druhý či N-tý
snímok. V okienku FPS (1-30) si zvolíme koľko snímkov sa za jednu sekundu premietne na výslednom
videu. Toto je treba skusmo nastaviť. Pre rôzne motívy sa bude hodiť aj rôzne nastavenie rýchlosti
snímkovania. Po stlačení Create Movie bude ponúknuté menu pre zápis avi súboru na disk. Po potvrdení
tejto voľby ešte je ponúknutá voľba kompresie. Tiež je potrebné nastaviť ju skusmo. Hotové video je
vygenerované v podadresári kde sú uložené zdrojové snímky.
Obrázok 6.
Okno spusteného programu TimeLapse3.
Je treba si uvedomiť že akékoľvek zásahy do fotoaparátu sú na vlastné riziko.
110
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
E- experimentovanie v prírodovednom vzdelávaní
Miroslava Ožvoldová
Trnavská univerzita v Trnave, Pedagogická fakulta, Katedra fyziky, Priemyselná 4, 91748 Trnava,
[email protected]
Úvod
Experiment tvorí neoddeliteľnú súčasť prírodovedného a technického vzdelávania. Experimentovanie nás
sprevádza už od útleho detstva a hrá veľkú rolu pri nadobúdaní zručností a upevňovaní vedomostí.
Dokumentujú to i ciele vzdelávacích programov ISCED. Predškolské a školské vzdelávanie sa zameriava
na formovanie a rozvíjanie základov prírodovednej, matematickej, predčitateľskej /čitateľskej a kultúrnej
gramotnosti detí/žiakov, ktoré tvoria základ pre dosahovanie kľúčových kompetencií detí a mládeže a
ich začlenenie sa do informačnej spoločnosti.
Vidíme, že súčasná mladá generácia už od útleho veku je úzko spätá s informačnými technológiami
a internetom a veľmi ľahko sa učí narábať s najnovšími výdobytkami informačných a komunikačných
technológií (IKT). Preto je nevyhnutné obľúbenosť počítačov a internetu využiť nielen na zábavu, ale aj
na cielené vzdelávanie. Monitoring a viaceré výskumy potvrdzujú, že záujem žiakov/študentov
o prírodovedné vzdelávanie sa klesá, čo sa odráža aj na ich vedomostiach o základných poznatkoch javov
reálneho sveta okolo nich. Taktiež náš prieskum ukázal, že experimentovanie v reálnom vyučovacom
procese v mnohých prípadoch sa postupne vytráca, čo môže byť i jednou z príčin nezáujmu detí o učenie
sa a štúdium fyziky. Cieľom prírodovedne orientovaných pedagógov je prebudiť záujem a motivovať
žiakov pre prirodzenú zvedavosť, aktívnu tvorivú činnosť prostredníctvom experimentovanie. Tak prečo
nie prostredníctvom najnovšej formy experimentu, ktorým je e-experiment, s ktorým sa teraz
oboznámime.
E-experiment
Objasnime si, čo rozumieme po pojmom e-experiment. Vieme, že predpona „e“ sa viaže na slovo
elektronický. V našom prípade pod e-experimentom budeme rozumieť počítačom (PC) podporovaný
experiment. Tento môžeme klasifikovať z dvoch hľadísk. Prvé hľadisko rozlišuje akým spôsobom je
realizované meranie. Z tohto pohľadu možno e-experiment rozdeliť na reálny a virtuálny.
Reálny PC experiment prebieha na reálnom technickom zariadení umiestnenom v reálnom laboratóriu
a zber dát je realizovaný s podporou počítača.
Pod virtuálnym e-experimentom rozumieme taký e-experiment, ktorý pozorujeme prostredníctvom
počítača, na ktorom je spustená aplikácia, realizovaná na základe naprogramovaného zvoleného modelu.
Pre virtuálny experiment sa bežne stretávame s názvami: Java simulácia/sims (simulácia vytvorená
v programe Java), applet (vytvorené z anglického slova „malá aplikácia: app+let“) alebo physlet. Physlet
je interaktívna simulácia simulujúca reálny fyzikálny dej alebo jav na základe fyzikálnych zákonov.
Virtuálny experiment môže byť umiestnený napr. i na CD, ktorého lokalizácia je v laboratóriu, resp. tam
kde je umiestnený počítač, alebo ho možno priamo využívať z internetu. Tak sa dostávame k druhému
hľadisku na základe, ktorého klasifikujeme e-experiment z pohľadu polohy experimentátora a technického
zariadenia, na ktorom sa experimentovanie uskutočňuje. Môžu nastať dva prípady:
a) Experimentátor a technické zariadenie je na rovnakom mieste – obvykle v laboratóriu. Ak
získavanie experimentálnych dát sa realizuje pomocou PC pripojeného na experiment
prostredníctvom vhodného fyzikálneho softvéru a hardvéru - hovoríme o laboratórnom (reálnom) PC
podporovanom experimente (tzv. hands on).
b) Ak reálne technické zariadenie je v reálnom laboratóriu, ale experimentátor sa v tomto laboratóriu
nenachádza, ale ovláda experimentálne zariadenie na diaľku prostredníctvom server - klientskeho spojenia
PC experimentátora cez pripojenie sa na internet k PC pripojeného na experiment. Hovoríme
o vzdialenom reálnom experimente, alebo reálnom e-laboratóriu, v prípade jedného alebo viacerých eexperimentov (De la Tourre).
Obdobne, ak experimentátor pripojený na Internet experimentuje
prostredníctvom appletov z Internetu, hovoríme o virtuálnom vzdialenom e-laboratóriu. V súčasnosti sa
na Internete nachádza už množstvo voľne dostupných apletov vo virtuálnych e-laboratóriách a viaceré
voľne prístupné reálne vzdialené laboratóriá, ktoré si postupne nachádzajú svoje miesto v edukačnom
111
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
procese na všetkých úrovniach vzdelávania. Možno ukázať, že dokonca už boli prvé pokusy začať od
materskej škôlky, čo dokumentuje obr. 1. a obr. 2 (Čemešová, 2012). Tu sme využili aplety z jedného
z najzaujímavejšieho virtuálneho e-laboratória University of Colorado Boulder (USA), voľne prístupné
z adresy http://phet.colorado.edu
a vzdialený experiment Monitoring počasia z e-laboratória
(http://kf.truni.sk/remotelab, obr. 3) na Katedre fyziky PdF Trnavskej univerzity v Trnave.
Obrázok 1.
Určovanie počasia v Trnave prostredníctvom
vzdialeného prístupu z http://remotelab1.truni.sk
Obrázok 2.
Otváranie e-laboratória na z http://ises.info
v materskej škôlke v Beluši (Čemešová, 2012).
Je na mieste otázka, či interaktívne simulácie a vzdialené reálne e-experimenty (RE) môžu nahradiť
reálne laboratórne experimenty. Určite nie, a to nie je ani cieľom budovateľov e-laboratórií. Ale prečo
nevyužiť záujem žiakov o Internet a možnosť vzdialeného experimentu, keď viaceré štúdie (Žovínová a
Ožvoldová, 2011; Gerhátová, 2008) ukázali, že :
a) applety sú viac efektívne pre pojmové porozumenie, avšak ich efektívnosť závisí od vytýčeného cieľa;
b) applety majú množstvo výhod: viacej premenných parametrov experimentu, možnosť opakovanie deja,
spomalenie rýchlych dejov, možnosť realizovať deje, ako napr. pohyb na inej planéte a iné.
c) vzdialený reálny experiment tak isto ako applet neumožňuje „ohmatať“ experimentálnu aparatúru, ale
prostredníctvom spojenia sa s laboratóriom cez kameru, ktorú v niektorých už realizovaných
experimentoch vieme na diaľku tiež samostatne ovládať, experimentátor aparatúru vidí na živo,
d) je vhodné kombinovať všetky tri typy experimentov;
e) pri kombinácii e-experimentov je vhodné začínať s reálnym experimentom a až následne s virtuálnou
simuláciou.
Je pravda pri vzdialenom experimentovaní experimentátor nezískava špecifické zručnosti týkajúce
sa obsluhy a fungovania zariadenia, tak ako je tomu v „hands on labs“ experimente. Experimentátor
nadobudne však iné špecifické zručnosti, ako obsluha PC, komunikovanie na diaľku schopnosť pracovať
s väčším množstvom dát a i. Uvedomme si, čo je pre experimentátora dôležité: mať možnosť často
experimentovať a experiment si v prípade záujmu, alebo potreby zopakovať, získať dáta, vedieť ich uložiť,
vedieť ich spracovať, analyzovať a na základe dosiahnutých výsledkov interpretovať a dedukovať závery.
Pri tomto vytýčenom cieli, nie je pre mnohých študentov podstatné, či ako experimentátor je v laboratóriu,
alebo na míle od neho ďaleko, čo potvrdil nielen náš prieskum. Dokonca ukázal, že študenti, ak majú
možnosť si vybrať, či budú robiť ten istý experiment v laboratóriu alebo ako vzdialený, volia častejšie
druhú možnosť. Odôvodňujú to napr. pohodlím domova, bezstresovým priebehom merania, výberom pre
neho vhodného času na experimentovanie a i.
Projektové vyučovaní „Meranie teploty ovzdušia v rôznych krajinách EU“ (Žovínová, 2011) môže slúžiť
ako príklad využitia e-experimentovania v integrovanom vzdelávaní: http://kf.truni.sk/remotelab - Trnavská
univerzita v Trnave, http://experimenta.fe.up.pt/estacaometeorologica/index.php.http://ises.info - Porto Univerzita v
Portugalsku, http://ises.info - Karlovej univerzity v Prahe.
Vzdialené meranie teploty, tlaku a intenzity slnečného žiarenia cez internet
Nakoľko ústredným pojmom seminára je Slnko a vzduch ukážeme možnosti e-experimentovanie na
základe vzdialeného zberu dát prostredníctvom e-experimentu „Monitorovanie teploty, tlaku a slnečného
svitu v Trnave“ voľne dostupného na adrese http://remotelab1.truni.sk. Fyzicky sa experiment nachádza na
Katedre fyziky PdF TU, kde je i v prevádzke reálne technické zariadenie od roku 2008, ktoré poskytuje
112
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
dáta prostredníctvom internetového školského experimentálne systému (ISES) (obr. 3). Pohľad na
internetové stránky prezentuje obr. 4 pre monitoring teploty (a), tlaku (b) a pre slnečný svit (c).
Obrázok 3.
Experimentálne zariadenie na vzdialený zber dát z e-experimentu: Monitoring počasia v Trnave v prostredí ISES.
Obrázok 4.
Monitoring teploty (a), tlaku (b) a slnečného svitu (c) zo vzdialeného prístupu z adresy http://remotelab1.truni.sk
Daný experiment je vhodný využiť vo výučbe na všetkých stupňoch vzdelávania, začínajúc
predprimárnym vzdelávaním, základnou školou (ZŠ), tak i strednou školu (SŠ) mnohorakým spôsobom
a to nielen pre fyziku, ale aj matematiku, informatiku a cudzie jazyky. Vzdialený experiment
„Monitorovanie počasia“, v závislosti od kreativity učiteľa, nájde uplatnenie v nasledujúcich témach:
Primárne vzdelávanie v celku Prírodoveda – Príroda a spoločnosť v téma: Rastliny - podmienky svetlo a
teplo pre rast rastlín, Čas - zmeny v prírode počas ročných období v súvislosti s plynutím času, Hmota –
na pozorovanie vlastnosti vzduchu ako príkladu plynného skupenstva látky; Teplo a teplota - teplotné
zmeny počas roka a Slnko ako zdroj svetla a tepla; Vesmír pozorovanie rotácie Zeme okolo vlastnej osi –
striedanie dňa a noci cez pozorovanie zmeny teploty a i.
Nižšie sekundárne vzdelávanie v celkoch: Matematika a práca s informáciami - v Matematike pre okruhy
Vzťahy, funkcie, tabuľky, diagramy a ich tvorba, Informatika pre komunikáciu prostredníctvom IKT
a práca s počítačom, práca s dátami, Človek a príroda -orientácii v čase a priestore, porozumeniu a
rozvíjaniu čítania a interpretácie obrázkov, fotografií, grafov, tabuliek už na aplikácii z reálneho života. Vo
fyzike v celkoch: Teplota- skupenstvá látok. Teplo, Svetlo – kde umožní sledovať meranie teploty,
vysvetliť priebeh grafu, analyzovať graf, porovnávať grafy, na základe priebehu určiť ich spoločné a
rozdielne znaky, využiť PC pri zostrojovaní grafov; vypracovať záznam údajov z meteorologických
pozorovaní, navrhnúť tabuľku, porovnať údaje v triede, prezentovať údaje vo forme grafu a projektu a i.
Dôležitou skutočnosťou doteraz nevyužívanou je, že e-experiment umožní realizovať laboratórne úlohy
online a to napríklad aj vo forme domáceho zadania,
Vyššie sekundárne vzdelávanie v celkoch: Matematika a práca s informáciami a Človek a príroda
s
cieľom aby žiak/študent nadviazal na získaný všeobecný vzdelanostný základ a kľúčové kompetencie
(spôsobilosti) v nižšom primárnom vzdelávaní a neustále si ich rozvíjal s hlbším, t.j. s lepším
matematickým a fyzikálnym porozumením okolitého reálneho sveta okolo nás v prakticky zhodných
okruhoch.
113
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Diskusia a záver
V predloženom príspevku sme prezentovali možnosť integrujúceho prístupu pri výučbe s využitím
vzdialeného merania teploty, tlaku a hustoty toku slnečného žiarenia v Trnave prostredníctvom elaboratória http://kf.truni.sk/remotelab. Záverom možno sumarizovať, že:
- Vzdialené experimentovanie je novým výdobytkom využívania IKT v edukačnom procese.
Umožňuje učiteľom realizovať nové formy a metódy vzdelávania a žiakom samostatne
experimentovať z pohodlia domova, v ktoromkoľvek čase a opakovane podľa potrieb;
-
Z prehľadu tém a okruhov, ktoré sme vyššie uviedli vidíme, že tak na ZŠ i na SŠ je variabilita
využitia experimentu široká;
-
Vďaka svojej jednoduchosti a nenáročnosti je experiment možné využívať kdekoľvek, pretože
jedinou podmienkou pre jeho spustenie (ak uvažujeme bezchybný chod experimentu) je počítač
s nainštalovanou Javou (v prípade potreby je voľne dostupná a možno si ju stiahnuť z internetu)
a pripojenie sa na internet, bez závislosti na prehliadači.
-
Ideálne je prezentovanie experimentu v motivačnej časti hodiny cez interaktívnu tabuľu, ako
dokumentuje obr. 1 a obr. 2.
-
Nespornou výhodou experimentu je možnosť prenosu reálnych dát do počítača experimentátora,
nezávisle na technickom vybavení školy s výnimkou PC a internetu.
-
Ďalšou výhodou je, že nevyžaduje dohľad vyučujúceho pri meraní žiaka/študenta a merania
nemusia byť v laboratóriu.
Veríme, že touto cestou je možné:
- Zvyšovať u žiakov a študentov záujem o štúdium fyzikálnych javov;
- Vzbudiť u nich záujem o vedeckú prácu;
- Naučiť ich vnímať fyziku a experiment ako nedeliteľnú súčasť vied o prírode a svete okolo nás;
- Rozvíjať tvorivé myslenie žiakov/študentov a ich zručnosti integrovane vo viacerých oblastiach
súčasne a tým z nich vychovávať samostatných, logicky mysliacich a kreatívnych jedincov
súčasnej náročnej a neustále sa vyvíjajúcej informačnej spoločnosti.
Literatúra
De la Torre, L., Heradio, R., Vargas H.,, Sanchez, J., Dormido,S., 2011: A Framework for Implementing Virtual and Remote
Laboratories in Scientific Courses. Proceedings of the International Conference on Frontiers in Education: Computer Science
and Computer Engineering, Las Vegas, USA, July 2011. FECS'11, ISBN: 1-60132-180-5), p. 345-350.
Čemešová, A., 2012: Využitie interaktívnej tabule v predškolskom vzdelávaní, Diplomová práca, Trnavská univerzita v Trnave,
Pedagogická fakulta, Trnava 2012.
Nickerson, J. et al., 2007: A model for evaluating the effectiveness of remote engineering laboratories and simulations in
education. Computers & Education, 49,pp. 708-725.
Žovínová, M., 2010: Ako využiť reálny vzdialený experiment na bilingválnom gymnáziu. In Acta Facultatis Paedagogicae
Universitatis Tyrnaviensis [online]. roč. 14/2010. ISBN 978-80-8082-432-7. Dostupné na Internete: <http://pdfweb.truni.sk/
down/ACTAFP/2010/C/11-Zovinova.pdf>.
Žovínová, M., 2011: Možnosti využitia vzdialeného prírodovedného experimentu vo vzdelávaní v základnej škole. In. Juvenilia
Paedagogica 2011. Trnava: Trnavská univerzita v Trnave, Pedagogická fakulta. ISBN 978-80-8082-462-4,39-43.
Gerhátová, Ž., 2008: Projektové vyučovanie vo fyzike s využitím integrovaného e-learningu. In. Vzájomná informovanosť cesta k efektívnemu rozvoju vedecko-pedagogickej činnosti. Nitra: PF UKF v Nitre. ISBN 978-80-8094-300-4, s. 27-31
Žovínová, M., Ožvoldová, M., 2011: Remote experimentation at primary school. In HSCI 2011: Proceedings of the 8th International Conference on Hands-on Science Focus on Multimedia, September 15 to 17, University of Ljubljana, Slovenia.
Slovenia: University of Ljubljana, 2011, pp. 110-114. ISBN 978-989-95095-7-3.
114
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Počítačom podporované experimenty z oblasti meteorológie – využitie
školského spektrometra pri experimentálnej činnosti žiakov
Martin Hruška
Katedra fyziky FPV UMB Banská Bystrica, Tajovského 40, [email protected]
Úvod
V súčasnosti sa v prírodovednom vzdelávaní kladie dôraz na aktívnu, samostatnú činnosť žiakov, ktorou
by sa postupne a systematicky mali dopracovať k novým poznatkom. S bádateľskými vyučovacími
metódami, prostredníctvom ktorých žiaci v podstate napodobňujú prácu výskumníkov, úzko súvisí
dôležitosť žiackeho experimentu, ktorý umožňuje osvojiť si nové pojmy a poznatky pod dohľadom
a odborným vedením učiteľa. V nasledujúcom texte prinášame niekoľko návrhov fyzikálnych
experimentálnych aktivít, prostredníctvom ktorých žiaci môžu samostatne preskúmať niektoré vlastnosti
svetla a oboznámiť sa tak bližšie s jeho podstatou.
Pri realizácii a návrhu experimentov sme využili školský
spektrometer SPECTRA-1 (obr. 1). Spektrometer je
možné použiť na kvalitatívne meranie svetelných spektier
nielen rôznych svetelných zdrojov, ale aj odrazeného či
prejdeného svetla, a to v intervale vlnových dĺžok 360,2
až 927,2 nm s rozlíšením približne 0,5 nm. Príslušný
softvér, ktorý je dodávaný spolu so spektrometrom,
poskytuje výstup v grafickej podobe (vo formáte .bmp),
ako aj v textovej podobe (vo formáte .txt). Namerané
hodnoty je tak možné konvertovať a spracovať napr. aj v
tabuľkovom kalkulátore MS Excel.
Počítač analyzuje namerané spektrum a prezentuje ho
formou grafu – príslušnej vlnovej dĺžke priraďuje
hodnotu intenzity v tzv. absolútnych jednotkách
v intervale hodnôt od 0 po 256. Spektrum teda nie je Obrázok 1.
kalibrované na intenzitu v jednotkách W m-2. Jednotlivým Školský spektrometer Spectra-1.
vlnovým dĺžkam je možné pre lepšiu orientáciu v grafe priradiť aj príslušné farby.
V nasledujúcej časti príspevku prinášame niekoľko návrhov experimentálnych aktivít s využitím
uvedeného školského spektrometra s náročnosťou na úrovni nižšieho a vyššieho sekundárneho
vzdelávania.
Domnievame sa, že vzhľadom na jednoduchosť ich realizácie a na nenáročnosť obsluhy spektrometra sú
vhodné pre rozvíjanie samostatnej experimentálnej činnosti žiakov.
Rozklad svetla na farby. Porovnanie slnečného spektra a spektra umelých svetelných zdrojov.
Zameranie experimentu: Porovnať spektrum slnečného žiarenia so spektrami umelých svetelných
zdrojov. Poukázať na spôsoby generovania svetla.
Pomôcky: Školský spektrometer SPECTRA-1, počítač, rôzne svetelné zdroje (žiarovka, úsporná žiarivka,
LED žiarovka, LED diódy rôznych farieb, plameň sviečky a pod.).
Realizácia experimentu: Pomocou školského spektrometra zmeriame spektrum slnečného žiarenia
v obedňajších hodinách (kedy je slnko najvyššie na oblohe). Získané spektrum porovnáme so spektrami
iných svetelných zdrojov, pričom môžeme poukázať na najvýznamnejšie rozdiely v spektrách v závislosti
od vedomostnej a intelektuálnej úrovne žiakov.
Namerané dáta: Obr. 2 zobrazuje spojité slnečné spektrum. Na obr. 3 a 4 sú znázornené spojité spektrá
halogénovej žiarovky a LED žiarovky, obr. 4 a 5 reprezentujú príklady čiarových spektier – ortuťovej
výbojky (tzv. horského slnka) a úspornej žiarivky.
115
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Obrázok 2.
Slnečné spektrum.
Obrázok 3.
Spektrum halogénovej žiarovky.
Obrázok 4.
Spektrum úspornej LED žiarovky.
Obrázok 5.
Obrázok 6.
Spektrum Hg výbojky – horského slnka.
Spektrum 7 W úspornej žiarivky.
Vyhodnotenie experimentu: Ako vidieť z experimentu, slnečné spektrum je spojité, aj keď obsahuje
viaceré absorpčné čiary – oblasti vlnových dĺžok, kde dochádza k poklesu intenzity slnečného žiarenia.
Niektoré súvisia s tým, že slnečné žiarenie absorbujú prvky v slnečnej koróne. Až 570 týchto čiar v spektre
Slnka od r. 1814 podrobne popísal Joseph von Fraunhofer, podľa ktorého sú aj pomenované. K ďalšiemu
zoslabeniu slnečného žiarenia dochádza v atmosfére Zeme, ktorej plyny takisto pohlcujú niektoré intervaly
vlnových dĺžok. V halogénovej žiarovke žiari elektrickým prúdom rozžeravené volfrámové vlákno.
Intenzívne svietiace biele LED diódy produkujú svetlo dvomi spôsobmi. Jeden využíva samostatné LED
prechody, ktoré emitujú základné farby – červenú, zelenú, modrú. Ich zmiešaním vznikne biele svetlo.
Druhý s použitím luminoforu mení monochromatické svetlo modrého, alebo ultrafialového LED prechodu
na širokospektrálne biele svetlo. Ako vidieť na obr. 4, LED dióda (na rozdiel od halogénovej žiarovky)
116
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
prakticky neprodukuje žiadne infračervené – tepelné žiarenie, čím ušetrí veľa elektrickej energie a takmer
sa nezohrieva.
Ak porovnáme spektrá na obr. 5 a 6, vidíme, že niektoré čiary (napr. fialová, modrá, modrozelená) sa
vyskytujú v obidvoch spektrách. V obidvoch prípadoch svetlo vzniká ionizáciou atómov ortuťových pár
prechádzajúcim elektrickým prúdom. V druhom prípade však úsporná žiarivka obsahuje viacero
luminoforov, ktoré menia UV žiarenie ortuti na viditeľné svetlo.
Doplnkové žiacke aktivity:
Pokúste sa pomocou spektrometra zmerať spektrum ďalších svetelných zdrojov. Svoje pozorovania
porovnajte a vysvetlite. Spektrá môžete porovnávať aj pomocou vlastnoručne vyrobeného spektrometra,
ktorý využíva na rozklad svetla na zložky napr. CD alebo DVD disk.
Porovnanie slnečného spektra obedňajšieho a večerného (prípadne ranného) slnka počas jasného
slnečného dňa.
Zameranie experimentu: Porovnať spektrum obedňajšieho a večerného (prípadne ranného) slnka.
Poukázať na existenciu molekulového rozptylu svetla.
Pomôcky: Školský spektrometer SPECTRA-1, počítač, slnečné svetlo.
Realizácia experimentu: Pomocou školského spektrometra zmeriame spektrum slnečného žiarenia
v obedňajších hodinách (kedy je slnko najvyššie na oblohe). Získané spektrum porovnáme so spektrom
večerného, prípadne ranného slnka.
Namerané dáta: Spektrum slnečného svetla namerané o 13:00 a 19:00 hod (obr. 7).
Obrázok 7.
Spektrum slnečného svetla namerané 30. apríla 2012 o 13:00 hod (modrá krivka) a 19:00 hod (červená krivka).
Vyhodnotenie experimentu: Ak porovnáme slnečné spektrum v obedňajších a večerných hodinách,
zistíme, že priebeh je podobný, avšak nie rovnaký. V prípade spektra večerného slnka (červená krivka) si
môžeme všimnúť, že spektrum je posunuté k väčším vlnovým dĺžkam, zatiaľ čo intenzita v oblasti kratších
vlnových dĺžok je nižšia. Príčinou je existencia molekulového rozptylu. Intenzita slnečného žiarenia I´λ
rozptýleného na molekulách vzduchu intenzívne závisí od vlnovej dĺžky λ podľa vzťahu:
I , =konšt.
117
I
,
4
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
kde I  je intenzita dopadajúceho svetla pre príslušnú vlnovú dĺžku λ. To znamená, že krátke vlnové
dĺžky sú rozptyľované najintenzívnejšie. Preto obloha žiari predovšetkým modrým svetlom, zatiaľ čo
ostatné zložky zostávajú v priamom slnečnom žiarení (ktoré na nás dopadá, keď vidíme slnečný kotúč).
Niekedy počas západu, prípadne východu slnka môžeme pozorovať až intenzívne oranžové sfarbenie
slnečného kotúča, zatiaľ čo obloha je v
dôsledku
molekulového
rozptylu
kratších vlnových dĺžok modrozelená. V
spektre je možné identifikovať aj
niektoré absorpčné spektrálne čiary.
Doplnkové žiacke aktivity:
Pokúste sa pomocou spektrometra
zmerať spektrum oblohy (obr. 8) v
rôznych častiach dňa a získané spektrá
vzájomne porovnajte. Menilo sa
sfarbenie a intenzita svetla oblohy počas
dňa? Pokúste sa pomocou spektrometra
zmerať farbu oblakov – aké je ich
spektrum?
Pokúste
sa
pomocou
Obrázok 8.
spektrometra zmerať prejdené alebo
odrazené spektrum rôznych kvetov –
Obedňajšie spektrum oblohy.
púpavy, tulipánov a podobne.
Meranie spektra chlorofylu
Zameranie experimentu: Jednou z experimentálnych aktivít uvedenej v učebnici fyziky pre 8. ročník ZŠ
je pozorovanie spektra chlorofylu pomocou vlastnoručne zhotoveného spektroskopu. V nasledujúcom
experimente spektrum chlorofylu zmeriame pomocou spektrometra a porovnáme so svetlom odrazeným
od trávnatého porastu.
Obrázok 9.
Obrázok 10.
Spektrum chlorofylu pripraveného zo žihľavy.
Spektrum odrazeného žiarenia trávy.
Realizácia experimentu: Podľa návodu uvedeného v učebnici fyziky pre 8. ročník ZŠ na str. 27 si
pripravíme z listov žihľavy roztok chlorofylu. Následne pomocou školského spektrometra zmeriame
spektrum chlorofylu buď s využitím slnečného svetla, alebo silnejšej (napr. reflektorovej) žiarovky, ktorá
poskytuje spojité spektrum. Ak to dovoľuje počasie, spektrum chlorofylu môžeme porovnať napr. so
spektrom odrazeného svetla trávy počas jasného slnečného dňa (vstupnú šošovku spektrometra
jednoducho namierime na slnečnú trávnatú plochu).
Namerané dáta: Spektrum chlorofylu (obr. 9) a odrazené spektrum trávy (obr. 10).
Vyhodnotenie experimentu: Ako vidieť na obr. 9 a 10, absorpčné spektrum chlorofylu je veľmi podobné
spektru odrazeného svetla trávnatého porastu. Chlorofyl intenzívne pohlcuje v UV a v červenej oblasti
spektra, avšak pre fotosyntézu sa využíva iba časť energie v oranžovočervenej časti spektra. Preto svetlo
118
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
prechádzajúce roztokom chlorofylu, ako aj odrazené svetlo, má zelenú farbu a rastliny vnímame v zelenej
farbe. Keďže spektrometer dokáže zobraziť aj spektrum v blízkej infračervenej oblasti, môžeme vidieť, že
ani tieto vlnové dĺžky nie sú chlorofylom pohlcované, a listami rastlín voľne prechádzajú, prípadne sa
odrážajú.
Podľa paleobotaniky, ktorá sa zaoberá vývojom rastlín, sa fotosyntetizujúce farbivá veľmi pravdepodobne
vyvinuli z ochranných pigmentov prvých baktérií a siníc, ktoré sa snažili takýmito farbivami chrániť
najmä pred škodlivým ultrafialovým žiarením prenikajúcim do vodného prostredia. Keď začali prvotné
fotoautotrofné organizmy (baktérie, sinice a riasy) získavať energiu zo slnka prostredníctvom fotosyntézy,
začal sa ako vedľajší produkt tohto procesu uvoľňovať do vody a do atmosféry kyslík. Koncentrácia
kyslíka sa procesom fotosyntézy v atmosfére postupne zvyšovala až na súčasnú úroveň počas 1 až 2
miliárd rokov.
Záver
Vyššie uvedené experimentálne aktivity budú súčasťou digitálneho výučbového materiálu, ktorý vzniká v
rámci projektu Kega s názvom Využitie nových metód a foriem vo vzdelávaní učiteľov fyziky a ich žiakov s
dôrazom na rozvoj kompetencií v oblasti prírodovedného bádania. Pripravovaný materiál je určený
predovšetkým pre ďalšie vzdelávanie praktizujúcich učiteľov fyziky v rámci ich celoživotného
vzdelávania a bude implementovaný aj do prípravy budúcich učiteľov fyziky na pracovisku autora
príspevku a riešiteľov projektu. Ako už bolo uvedené v úvode príspevku, výučbový materiál kladie dôraz
predovšetkým na využívanie nových bádateľských metód vo vyučovaní a na rozvoj kľúčových
kompetencií žiakov v oblasti prírodovedného bádania.
Vytvorený digitálny výučbový materiál bude spracovaný na úrovni vyššieho sekundárneho vzdelávania
tak, aby korešpondoval so štandardami definovanými v ŠVP. Po prispôsobení materiálov bude možné jeho
využitie aj v rámci nižšieho sekundárneho vzdelávania. Súčasťou materiálu budú aj námety na reálne a
počítačom podporované experimenty bádateľského charakteru vo forme žiackych pracovných listov a
metodických návodov pre učiteľov, databáza realizovaných experimentov vo forme videí a nameraných
dát určených na ďalšie spracovanie. Vytvorené texty a návody budú zverejnené priamo na internete a budú
voľne stiahnuteľné.
Dúfame, že pripravené výučbové materiály si nájdu svoje miesto nielen v rámci pripravovaného
vzdelávacieho kurzu pre praktizujúcich učiteľov, zameraného na aplikáciu nových metód a foriem do
vyučovacieho procesu, ale aj priamo v učiteľskej praxi.
Tento príspevok vznikol s grantovou podporou projektu Kega č. 022UMB-4/2012 Využitie nových metód
a foriem vo vzdelávaní učiteľov fyziky a ich žiakov s dôrazom na rozvoj kompetencií v oblasti
prírodovedného bádania.
Literatúra
Baník, I., Baník, R., Baník, I., 1999: Fyzika. Fyzikálne základy elektroniky. Bratislava: STU, 508 strán.
Halliday, D., Resnick, R., Walkerr, J., 2006: Fyzika, část 5., Moderní fyzika. Brno: VUT.
Lapitková, V., Koubek, V., Morková, Ľ., 2012: Fyzika pre 8. ročník základnej školy a 3. ročník gymnázia s osemročným
štúdiom. Martin: Vydavateľstvo Matice slovenskej.
Lapitková, V., : Skúmanie vlastností slnečného svetla. [online] http://www.ddp.fmph.uniba.sk/~esf/civ/ss/slnecne_svetlo.pdf
Virtuálne laboratórium fyziky [online] http://www.fpv.umb.sk/kat/kf/FyzLab/
119
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Deň vedy na škole – motivácia k štúdiu prírodovedných predmetov
Mária Goláňová
Spojená škola, Dominika Tatarku 4666/7, Poprad, [email protected]
Úvod
V posledných rokoch všetky prieskumy potvrdzujú, že fyzika patrí medzi najmenej obľúbené predmety.
Preto je nevyhnutné urobiť určité opatrenia, ktoré by zmenili vzťah študentov k tomuto predmetu. Hoci
vieme, že najnovšie technológie sa opierajú o prírodné vedy a ovplyvňujú náš každodenný život, neustále
dochádza k poklesu záujmu o prírodné vedy. Prečo je to tak? Prečo je fyzika neobľúbená, neatraktívna? Je
chyba v predmete ako takom alebo v metódach, ktoré sa používajú pri vyučovaní fyziky? Táto otázka
vedie k hľadaniu lepších a efektívnejších spôsobov výučby.
Fyzika je veda experimentálna
V dnešnej škole sa uplatňuje predovšetkým slovný výklad učiva a
matematický zápis zákonitostí, experimentálna stránka výuky je
zanedbávaná. Jednou z možností, ako zlepšiť vzťah žiakov k fyzike, sú
domáce experimenty, ktoré sú jednoduché, názorné a dajú sa realizovať
pomocou bežne dostupných materiálov, nie sú teda finančne náročné.
Realizovanie experimentov vedie k hlbšiemu pochopeniu fyzikálnych
javov. Vyučovanie fyziky na našej škole sa uberá práve týmto smerom.
Je nevyhnutné viesť žiakov takýmto spôsobom už od začiatku štúdia.
V prvom ročníku poskytujeme žiakom zbierku jednoduchých
experimentov. Realizujeme exkurziu do Centra popularizácie fyziky v
Martine, ktoré žiakov vhodne motivuje k štúdiu fyziky. Počas školského
roka organizujeme pre študentov rôzne exkurzie, ktoré sú nevyhnutné
Obrázok 1.
Pokusy s bublinami zaujali pre pochopenie súvislostí medzi teóriou a praxou. V posledných rokoch
sa nám podarilo žiakov motivovať tak, že takmer na každej vyučovacej
mladších aj starších študentov.
hodine predvádzajú doma pripravené fyzikálne experimenty, ktoré vedia
teoreticky objasniť, prípadne doplniť potrebným výpočtom. Realizácia
experimentov rozvíja ich praktické zručnosti, fyzikálne myslenie, kreativitu.
Deň vedy
V apríli 2012 sme v spolupráci s Prírodovedeckou fakultou UPJŠ zorganizovali na našej škole Deň vedy,
ktorého cieľom bolo prezentovať fyzikálne experimenty pre študentov našej aj iných škôl. Pokusy si
pripravili žiaci prvého a druhého ročníka bilingválneho gymnázia. Zástupcovia PF UPJŠ si pripravili pre
žiakov zaujímavé prednášky s fyzikálnou tématikou. V učebni informatiky realizovali so žiakmi merania
tlaku plynu v balóne pomocou IP COACH a taktiež prezentovali vlastné pokusy.
Obrázok 2. Meranie tlaku vzduchu v balóne
pomocou počítačom podporovaného meracieho
systému IP COACH.
Obrázok 3. Študenti pozorujú vznik stojatej vlny.
Počas 5 vyučovacích hodín si viac ako 100 experimentov vyskúšalo približne 700 študentov našej školy.
120
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Navštívili nás aj žiaci Strednej priemyselnej školy a Strednej zdravotníckej školy v Poprade. Vyjadrenia
všetkých účastníkov boli veľmi pozitívne, preto plánujeme túto akciu realizovať pravidelne každý rok.
Niekoľko jednoduchých experimentov prezentovaných na Dni vedy
Ďalej popisujem niekoľko jednoduchých experimentov vhodných na spestrenie a oživenie výuky fyziky.
Pokusy si môžu žiaci vyskúšať doma.
Experiment 1 - Prelievanie plynov
Potrebujeme dve sklenené nádoby, plyn na plnenie zapaľovačov,
špajdľu a zápalky.
Plyn do zapaľovačov vstriekneme do jednej nádoby a zapálenou
špajdľou ukážeme, že horí. Potom opäť vstriekneme plyn do jednej
nádoby a prelejeme ho do druhej nádoby. Keďže plyn je neviditeľný, tak
jeho prítomnosť v druhej nádobe opäť potvrdíme zapálenou špajdľou
(obr. 4).
So žiakmi zisťujeme, za akých podmienok sa nám podarí plyn preliaťa
aké vlastnosti majú plyny.
Experiment 2 – Prevráťte pohár s vodou tak, aby sa voda nevyliala
Potrebujeme pohár, vodu, špagát, kúsok tvrdšieho
papiera.
Z papiera si vyrobíme podložku pod pohár, ktorú
zavesíme na špagát. Pohár roztočíme vo vertikálnej
rovine a zistíme, že voda z pohára nevytečie z
dôvodu pôsobenia odstredivej sily.
Môžeme diskutovať o
podmienkach,
ktoré
musia byť splnené, aby
sa voda nevyliala.
Pokus môžeme zmeniť tak, že do priesvitného vedierka s vodou ponoríme
pomaranč a zistíme, že na vode pláva. Pozorujeme, čo sa stane s pomarančom,
ak vedierko roztočíme vo vertikálnej rovine. Diskutujeme o tom, prečo sa
poloha pomaranča nemení.
Experiment 3 – Vybíjanie kondenzátora
Potrebujeme zdroj jednosmerného napätia, kondenzátor s čo najväčšou
kapacitou, žiarovku, spojovacie vodiče.
Kondenzátor pripojíme k zdroju jednosmerného napätia. Nabitý
kondenzátor pripojíme k žiarovke, ktorá sa rozsvieti a postupne hasne.
Experiment 4 – Rozklad sily
Potrebujeme pevné dlhé lano a závažie s hmotnosťou asi 5 kg. Závažie
zavesíme na lano. Úlohou žiakov je natiahnuť lano tak, aby bolo rovné.
Zistíme, že ani pôsobením veľkej sily sa to nepodarí. So žiakmi diskutujeme
o veľkostiach zložiek sily, ktoré pôsobia v jednotlivých častiach lana.
Experiment 5 – Most z papiera
Na realizáciu pokusu potrebujeme dve knihy, papier a teleso.
Úlohou žiakov je vyrobiť z papiera most, ktorý udrží teleso. Ak teleso
položíme na rovný papier, tak sa ohne a teleso spadne. Poskladaním papiera
do tvaru harmoniky sa zväčší pevnosť papiera a teleso nespadne.
121
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Experiment 6 – Povrchová vrstva kvapaliny
Potrebujeme pohár s vodou a veľa mincí.
Pohár naplníme po okraj vodou a úlohou žiakov je odhadnú, koľko mincí
sa zmestí do pohára, kým sa voda nepreleje cez okraj. Postupne vhadzujeme
mince do pohára a pozorujeme povrch kvapaliny. Pokus môžeme opakovať
s vodou do ktorej sme naliali saponát a porovnať výsledky jednotlivých
pokusov.
Experiment 7 – Ako nafúknuť balón
Potrebujeme balón a plastovú, resp. sklenenú
fľašu, vedro s vodou, rýchlovarnú kanvicu.
Úlohou žiakov je nafúkať balón bez toho,
aby do neho fúkali ústami vzduch. Riešení je
niekoľko. Napríklad balón natiahneme na
hrdlo sklenenej fľaše a polievame ju horúcou
vodou. Tlak vzduchu v nádobe sa tým zväčší
a balón sa nafúkne. Iné riešenie je, že balón
natiahneme na hrdlo plastovej fľaše, ktorej
dno sme odrezali. Fľašu ponárame do vody. Voda stláča vzduch v nádobe a balón sa nafúkne.
Experiment 8 – Archimedova skrutka
Archimedovu nekonečnú skrutku si môžu
žiaci vyrobiť sami z plastovej fľaše, alebo
upevnením tenkej hadice na valec. Pri
vhodnom sklone skrutky a
otáčaní
prečerpávame vodu z nižšej hladiny na
vyššiu. Diskutujeme o využití skrutky
v praxi.
Experiment 9 – Prečo voda nevytečie?
Potrebujeme pohár, vodu, pohľadnicu, resp. gázu.
Do pohára nalejeme vodu, prikryjeme pohár pohľadnicou a otočíme hore
dnom. Úlohou žiakov je vysvetliť, aká sila spôsobila, že sa voda z pohára
nevyliala. Pokus môžeme opakovať aj s menším množstvom vody v pohári.
Porovnáme výsledky experimentov.
Pohár s vodou môžeme uzavrieť aj kúskom gázy, ktorú prilepíme k okraju
pohára. Ak pohár prikryjeme rukou a otočíme hore dnom, zistíme, že voda
z pohára nevytečie, ale keď nakloníme pohár, tak voda vyteká.
Experiment 10 – Jednoduchý telefón
Potrebujeme dve prázdne plastové nádoby, tenký dlhý povraz, ihlu.
Pomocou ihly urobíme dierku v dne nádoby a pretiahneme otvorom
povraz na konci ktorého urobíme uzol. To isté opakujeme aj s druhou
nádobou. Napneme povraz a telefón je hotový. Ak jeden žiak ticho hovorí
do nádoby, tak druhý žiak tento zvuk počuje v druhej nádobe.. Zvuk sa
napnutým povrazom prenáša rýchlejšie ako vzduchom a nerozptyľuje sa.
Experiment 11 – Elektrostatický zvonček
Potrebujeme dve kovové nádoby, statívy, pingpongovú loptičku, alobal,
Van de Graaffov generátor.
Pingpongovú loptičku obalíme alobalom a zavesíme na statív medzi dve
kovové nádoby. Na povrch jednej nádoby prenášame elektrický náboj
z Van de Graaffovho generátora a druhú nádobu uzemníme rukou.
Pozorujeme, že pingpongová loptička je priťahovaná k nabitej nádobe. Pri
dotyku sa nabíja rovnakým nábojom, ktorý prenáša na druhú nádobu. Z
druhej nádoby sa rukou náboj prenáša do zeme. Tento jav sa opakuje a
122
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
zariadenie funguje ako elektrostatický zvonček.
Experiment 12 - „ Lávová“ lampa
Potrebujeme vysoký odmerný valec, olej, atrament, šumivú tabletu.
Do odmerného valca nalejeme trochu atramentu a potom dolejeme olej.
Hustota atramentu je väčšia ako hustota oleja, preto sa atrament nachádza
na dne nádoby. Ak vhodíme do nádoby šumivú tabletu, klesá ku dnu. Na
vznikajúce bublinky sa naviažu kvapky atramentu, ktoré s bublinkami
stúpajú nahor a potom klesajú nadol. Ak pod nádobu umiestníme svietiacu
žiarovku, máme „lávovú“ lampu.
Záver
Jednou z možností ako zlepšiť vzťah žiakov k fyzike sú domáce fyzikálne experimenty, ktoré môže žiak
realizovať pomocou dostupných, finančne nenáročných materiálov. Práve táto činnosť môže prispieť k
tomu, že fyzika nebude strašiakom v očiach žiakov.
Literatúra
Onderová, Ľ.,2004: Fyzikálne pokusy s jednoduchými pomôckami. PF UPJŠ, Košice, 64 strán.
Svoboda,E.,2001:Fyzika – pokusy s jednoduchými pomůckami. Prometheus, Praha, 54 strán.
Sencanski, T.,2006: Malý vedec 3. Computer Press, Brno, 71 strán.
Drozd, Z., Brockmeyerová, J.,2003: Pokusy z volné ruky. Prometheus, Praha, 148 strán.
123
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Hráme sa so svetlom – počítačové fyzikálne simulácie
Zdeněk Hájek
Základná škola Oslany, [email protected]
Úvod
Fyzika je jednou z mnohých prírodných vied. Pôvodne bola fyzika náukou o celej prírode - teoretická
filozofia. S rozvojom poznatkov o prírode sa oblasť jej skúmania stále zužovala, až sa vyčlenil celý rad
odborov ako biológia, chémia, astronómia a pod. Pozorovanie a experiment sú zdrojom tzv. empirického
poznania, t.j. poznania založeného na skúsenosti. Zákony, vzťahy medzi fyzikálnymi veličinami,
počítačové modely a simulácie či iné myšlienkové konštrukcie sú zdrojom teoretického poznania.
Moderná fyzika často sleduje javy v tak extrémnych dimenziách počtu, času, priestoru, energie a hmoty, že
klasické metódy pozorovania či experimentu sú neúnosné či nepoužiteľné. V takýchto prípadoch sa
využíva počítačová simulácia a modelovanie. Hlavnou praktickou výhodou modelovania je možnosť
pomocou pokusov a omylov vyriešiť úlohy, ktoré nemajú analytické riešenie, alebo overiť vlastnosti
nákladných zariadení pred ich fyzickou realizáciou. Simulácia je vedecká metóda, pri ktorej sa skúmajú
vlastnosti nejakého systému pomocou experimentov s jeho matematickým modelom. Modelom je v tomto
prípade počítačový program, ktorý sa pokúša napodobniť správanie sa abstraktného modelu určitého
systému. Úlohou simulačného programu je zistiť, ako sa bude systém správať pre zadané vstupné dáta.
Užívateľ má možnosť vykonávať so simulačným programom opakované simulačné experimenty s cieľom
zistiť očakávané výsledky pre rôzne vstupné dáta a nájsť tak optimálne riešenie problému.
Treba mať však na pamäti, že každý numerický model a počítačová simulácia je zjednodušeným opisom
komplexnej reality. Počítačové simulácie môžu slúžiť a slúžia ako veľmi zaujímavý doplnok výuky fyziky
na stredných ale aj základných školách, nielen v duchu myšlienok Komenského „opakovanie je matkou
múdrosti“ či „škola hrou“, ale aj moderných didaktických zásad.
Zdroje fyzikálnych simulácií pre potreby edukačného procesu môžeme rozdeliť do troch skupín
1. fyzikálne simulátory typu standalone,
2. online fyzikálne simulátory,
3. iné riešenia.
V ďalšom texte sa zameriame na bezplatné riešenia.
Fyzikálne simulátory typu standalone.
Ide o aplikácie, ktoré je pred spustením nutné nakopírovať alebo nainštalovať na disk počítača. Pre
potreby optických simulácií pripadá do úvahy jediný fyzikálny simulátor, a to Algodoo http://www.algodoo.com/
Ide o komerčný software (15 €, resp. 45 €). Je však k dispozícii na bezplatné, časovo obmedzené,
vyskúšanie.
Online fyzikálne simulátory
Na internete sa nachádza niekoľko portálov ponúkajúcich online interaktívne fyzikálne simulácie.
Za zmienku stoja najmä:
• PhET Interactive Simulations - http://phet.colorado.edu/
• Virtuálne laboratórium fyziky a matematiky - http://www.stuleja.org/
• Jack's Page: Basic Physics and Optics - http://www.kw.igs.net/~jackord/j6.html
• open source physics - http://www.opensourcephysics.org/
• Java Applets on Physics - http://www.walter-fendt.de/ph14e/index.html
• Physics 2000 - http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
• The Applet Collection - http://www.lon-capa.org/~mmp/applist/applets.htm
Prostredníctvom uvedených portálov je možné pokryť celú fyzikálnu problematiku optiky ako ju
predpisuje štátny vzdelávací program vyučovacieho predmetu fyzika pre 8. ročník (vyššie primárne
vzdelávanie):http://www.statpedu.sk/files/documents/svp/2stzs/isced2/vzdelavacie_oblasti/fyzika_isced2.pdf
V nasledujúcom prehľade uvádzam názov tematického celku a internetové stránky s vhodnými
124
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
fyzikálnymi simuláciami:
1. Slnečné svetlo a teplo.
2. Svetelná energia a jej premena na teplo, ktorého veľkosť vieme vypočítať.
Hviezdy – horenie a vznik energie:
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/sunsolarenergy/fusion01.swf
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/sunsolarenergy/fusion02.swf
Fotoelektrický jav:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric
Absorbovanie žiarenia:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/molecules-and-light
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/microwaves
Fotosyntéza:
• http://www.mhhe.com/biosci/genbio/biolink/j_explorations/ch09expl.htm
• http://www.saddleworth.oldham.sch.uk/science/simulations/waterweed.htm
Skleníkový jav, absorpcia žiarenia:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/greenhouse
3. Porovnanie zdrojov svetla – Slnka a žiarovky.
Žiarovka:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/faraday
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/generator
Žiarivka, výbojky:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/discharge-lamps
Laser:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/lasers
4. Dôkazy priamočiareho šírenia sa svetla.
Svetlo a tieň:
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9983&DocID=1612&Attachment=1
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=42.0
Otvorová šošovka:
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=38.0
Ohyb svetla v gravitačnom poli hmotného telesa:
• http://www.aldebaran.cz/applets/as_ohyb/start.html
Štrbinový ohyb – difrakcia svetla:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/quantum-wave-interference
• http://www.falstad.com/wave2d/
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=10530&DocID=2034&Attachment=1
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9988&DocID=1622&Attachment=1
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/Slits/DoubleSlit/DS.html
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/Slits/DoubleSlitID/DSID.html
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/Slits/SingleSlit/SS.html
• http://www.walter-fendt.de/ph14cz/doubleslit_cz.htm
• http://www.walter-fendt.de/ph14cz/singleslit_cz.htm
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=8331&DocID=919&Attachment=1
Interferencia vlnenia:
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
125
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
ID=9990&DocID=1627&Attachment=1
• http://www.falstad.com/wavebox/
• http://www.falstad.com/ripple/
• http://www.butkaj.com/fyzika2?
lng=103&id_menu=573&id_sub=130&id_left=510#.T4QQJtXmVBo
• http://www.butkaj.com/fyzika2?
lng=103&id_menu=573&id_sub=130&id_left=508#.T4QQONXmVBo
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/quantum-wave-interference
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/wave-interference
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=10529&DocID=2032&Attachment=1
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9989&DocID=1625&Attachment=1
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9611&DocID=1397&Attachment=1
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/Huygens/Huygens.html
Dopplerov efekt
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/light/dopplershift.swf
5. Rozklad svetla. Farby spektra.
Vznik dúhy:
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=44.0
Difrakcia:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/bending-light
• http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/refraction/index.html
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/Huygens/Huygens.html
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9988&DocID=1622&Attachment=1
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=8331&DocID=919&Attachment=1
Spektrum:
• http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/light/spectrum010.swf
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/light/threeviewsspectra.swf
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/light/meltednail.swf
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/light/hydrogenatom.swf
Vyžarovanie čierneho telesa:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/blackbody-spectrum
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=10528&DocID=2030&Attachment=1
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=10502&DocID=1957&Attachment=1
6. Absorbovanie a odraz farieb spektra povrchmi rôznej farby. Skleníkový jav, absorpcia žiarenia.
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/greenhouse
Absorpcia žiarenia:
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/hydrogen-atom
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/molecules-and-light
Polarizácia:
• http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/lens.html
• http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/polarized.html
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=7178&DocID=362&Attachment=1
126
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
7. Skladanie farieb. Miešanie farieb.
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/color-vision
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=39.msg245#msg245
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=265.0
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=42.0
8. Odraz svetla. Zákon odrazu.
Odraz svetla na rovinných zrkadlách:
• http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/hinged/index.html
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=373.0
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=11779&DocID=2636&Attachment=1
Zobrazovanie šošovkami a zrkadlami
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/RRCS/RRCS.html
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=8257&DocID=886&Attachment=1
Šošovky, zrkadlá:
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=8257&DocID=886&Attachment=1
• http://janggeng.com/convex-lens-and-concave-lens/
• http://higheredbcs.wiley.com/legacy/college/halliday/0471320005/simulations6e/index.htm?
newwindow=true
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=48.msg297#msg297
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/RRCS/RRCS.html
• http://janggeng.com/concave-and-convex-mirror/
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9984&DocID=1614&Attachment=1
• http://www.butkaj.com/fyzika2?
lng=103&id_menu=573&id_sub=130&id_left=509#.T4QQD9XmVBo
9. Lom svetla. Zákon lomu. Dúha.
Refrakcia, reflekcia – Snellow zákon
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/telescopes/snellslaw.swf
• http://interactagram.com/physics/optics/refraction/
• http://higheredbcs.wiley.com/legacy/college/halliday/0471320005/simulations6e/index.htm?
newwindow=true
• http://library.thinkquest.org/27948/reflect.html
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/Prism/Prism.html
• http://janggeng.com/reflection-from-a-flat-mirror/
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9987&DocID=1620&Attachment=1
10. Zobrazovanie šošovkami.
Šošovky:
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/RRCS/RRCS.html
Lupa:
• http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/microscopy/simplemagnification/index.htm
l
• http://phet.colorado.edu/en/simulation/geometric-optics
Šošovky, zrkadlá:
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=8257&DocID=886&Attachment=1
127
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
http://janggeng.com/convex-lens-and-concave-lens/
http://higheredbcs.wiley.com/legacy/college/halliday/0471320005/simulations6e/index.htm?
newwindow=true
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=48.msg297#msg297
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/RRCS/RRCS.html
• http://janggeng.com/concave-and-convex-mirror/
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=9984&DocID=1614&Attachment=1
• http://www.butkaj.com/fyzika2?
lng=103&id_menu=573&id_sub=130&id_left=509#.T4QQD9XmVBo
Tenké šošovky:
• http://www.opensourcephysics.org/document/ServeFile.cfm?
ID=8257&DocID=886&Attachment=1
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/msg.php?id=287
• http://www.walter-fendt.de/ph14cz/imageconvlens_cz.htm
• http://www.butkaj.com/fyzika2?
lng=103&id_menu=573&id_sub=130&id_left=509#.T4QQD9XmVBo
Šošovky - rozptylky:
• http://www.surendranath.org/Applets/Optics/RRCS/RRCS.html
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=48.msg297#msg297
Dve spojné šošovky:
• http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=47.0
Ďalekohľady:
• http://www.telescope-simulator.com/index.php?
option=com_content&view=article&id=45:telescope-calculator&catid=34:Telescope
%20Simulator%20Software&Itemid=57
• http://www.mtholyoke.edu/~mpeterso/classes/phys301/geomopti/twolenses.html
• http://www.mtholyoke.edu/~mpeterso/classes/phys301/geomopti/telescope2.html
• http://www.mtholyoke.edu/~mpeterso/classes/phys301/geomopti/telescope.html
Mikroskop:
• http://www.mtholyoke.edu/~mpeterso/classes/phys301/geomopti/micro.html
• http://www.arachnoid.com/raytracing/
• http://www.thephysicsfront.org/static/unit.cfm?sb=13&course=4
• http://astro.unl.edu/classaction/animations/telescopes/telescope10.html
Galileov ďalekohľad:
• http://brunelleschi.imss.fi.it/esplora/cannocchiale/dswmedia/esplora/eesplora1.html
•
•
11.
•
•
•
Chyby oka. Okuliare.
http://www.nei.nih.gov/health/examples/
http://www.thevisioncompany.co.za/resource_centre/eye_diseases_simulators/
http://www.eyeland-design.com/webtools/53828496ca1045c06/53828496bd08da212/index.html
Optické a refraktívne chyby:
• http://www.richmondeye.com/eyehealth_optics.asp
• http://www.richmondeye.com/eyehealth_cataract.asp
• http://www.geteyesmart.org/eyesmart/diseases/cataracts-simulator.cfm
• http://www.richmondeye.com/eyehealth_glaucoma.asp
• http://www.richmondeye.com/eyehealth_amd.asp
Krátkozrakosť (myopia):
• http://www.eyeland-design.com/webtools/53828496ca1045c06/53828496bd08d7c0c/index.html
Ďalekozrakosť (hypermetropia):
• http://www.eyeland-design.com/webtools/53828496ca1045c06/53828496bd08b1006/index.html
Astigmatizmus:
128
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
• http://www.eyeland-design.com/webtools/53828496ca1045c06/53828496900d96002/index.html
Starnutie šošovky (presbyopia):
• http://www.eyeland-design.com/webtools/53828496ca1045c06/53828496bd08da212/index.html
Farbocitlivosť:
• http://www.richmondeye.com/colortest.asp
Chyby farebného videnia:
• http://www.colblindor.com/coblis-color-blindness-simulator/
• http://www.webexhibits.org/causesofcolor/2.html
• http://aspnetresources.com/tools/colorBlindness
Rozmazané videnie:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=51&Itemid=144
Dvojité videnie (monokulárna diplopia):
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=52&Itemid=145
Svetlocitlivosť:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=55&Itemid=148
Haló:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=53&Itemid=146
Strata ostrosti:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=54&Itemid=147
Hviezdicovité videnie:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=56&Itemid=149
Pohyb duchov:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=77&Itemid=170
Sneženie:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=78&Itemid=171
Dominancia oka:
• http://www.thevisioncommunity.com/index.php?
option=com_content&task=view&id=66&Itemid=159
Iné riešenia
Tu môžeme zaradiť aplikácie, ktoré nie sú priamo zviazané s fyzikálnymi simuláciami, no disponujú
dostatočne efektívnymi nástrojmi na modelovanie a simuláciu niektorých oblastí fyziky. Ich pôvodným
zameraním nie je simulovať konkrétne fyzikálne fenomény, napriek tomu dokážu pokryť špecifickú oblasť
problematiky. Sú to: (1) nástroje pre interaktívnu geometriu, (2) modelovacie a vizualizačné nástroje, (3)
raytracery.
Nástroje pre interaktívnu geometriu
Nástroje pre interaktívnu geometriu sú softwarovým riešením vhodným najmä pre potreby simulácie
procesov lúčovej optiky. Z veľkého množstva aplikácií za zmienku určite stoja dva produkty:
GeoGebra http://www.geogebra.org/
GEONExT http://geonext.uni-bayreuth.de/
Uvedené systémy majú spoločné črty: podporovaný operačný systém MS Windows, GNU/Linux, Apple
Mac OS X, vyžadujú Oracle Javu, je možné stiahnuť a nainštalovať alebo spustiť online, lokalizácia do
slovenského jazyka, zadarmo.
Modelovacie, animačné a vizualizačné systémy
129
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Modelovacie, animačné a vizualizačné
systémy umožňujú vytvárať animované
fotorealistické
scény
s užívateľsky
definovanými
optickými
vlastnosťami
materiálov, prostredia či spôsobmi výpočtu
zobrazenia. Často majú priamo v sebe
vstavané vlastné vizualizačné nástroje, ktoré
podporujú rôzne algoritmy výpočtu
a zobrazenia scény. Niektoré vyžadujú
externé raytracery.
Medzi
open-source
produktmi
má
významné postavenie systém Blender
(http://www.blender.org/) :
– podporovaný operačný systém MS
Windows, GNU/Linux, Apple MAC
OS X, FreeBSD,
– komplexný
systém
pre
3D
modelovanie, animáciu, vizualizáciu
a strihovú montáž, ale aj pre tvorbu
hier a interaktívnych prezentácií,
– open-source, GNU GPLv2.
Obrázok 1.
Prostredie programu Geo Gebra 4.
Raytracery
Raytracery sú programy využívajúce pre
výpočet a vykreslenie scény (renderovanie)
metódu
spätného
sledovania
lúčov
(raytracing), prípadne v kombinácii s
vyžarovacou
metódou
(radiosity).
Renderovaním v tomto prípade rozumieme
tvorbu reálneho obrazu na základe
Obrázok 2.
počítačového modelu. Výhodou týchto
Pracovná plocha systému Blender 2.62.
programov sú veľmi realistické výstupy
a množstvo meniteľných parametrov a nastavení, ktorými je možné ovplyvniť konečnú podobu scény.
Svoje uplatnenie nachádzajú pri tvorbe filmových efektov, v architektúre, vojenstve, pri simulácii
fyzikálnych javov či pri systémoch virtuálnej reality. Existuje veľké množstvo raytracerov rôznej kvality a
rôzneho zamerania, komerčných, ale aj voľne dostupných.
S ohľadom na väzbu k vyššie uvedeným modelovacím nástrojom, najmä na špičkový systém Blender, za
pozornosť stoja:
POV-Ray
– http://www.povray.org/
– podporované operačné systémy MS Windows, GNU/Linux, Apple MAC OS X,
– open-source,
YAFARAY
– http://www.yafaray.org/
– podporované operačné systémy MS Windows, GNU/Linux,
– free open-source
–
Obidva tieto raytracery sú ľahko integrovateľné do funkcií systému Blender. Plne podporujú tvorbu
materiálov, vrátane priradenia textúr, transparentnosť s možnosťou zadania indexu lomu, miery
priehľadnosti, absorpcie žiarenia, odrazy a lomy svetla, vrátane svetelnej disperzie a veľa ďalších
parametrov.
130
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
Organizácia meteorologických meraní v školách
Dušan Božik
Geofyzikálny ústav SAV, Meteorologické observatórium Stará Lesná, e-mail:[email protected]
Úvod
Účelom dnešných meteorologických staníc je získavanie meteorologických údajov. Tieto údaje slúžia ako
podklady pre vedecké spracovanie klimatických pomerov, pre rôzne oblasti hospodárskeho života, ako je
poľnohospodárstvo, lesníctvo, pozemná a letecká doprava, energetika, kúpeľníctvo, súdnictvo,
poisťovníctvo a pod. Meteorologické údaje sa môžu použiť na vytvorenie: posudku, dobrozdania či
vedeckej práce z odboru meteorológie. Zriadenie malej školskej meteorologickej stanice pomôže
v budúcnosti žiakom viac pochopiť ako sa získavajú merané dáta, aký je ďalší súvis s praxou v rôznych
odboroch hospodárstva a hlavne fyzikálne súvislosti medzi meranými veličinami.
Štruktúra klimatologickej meteorologickej siete
Všeobecne rozdeľujeme meteorologické stanice na: synoptické, klimatologické, letecké meteorologické a
špeciálne.
Klimatologické sa delia na základné, zrážkomerné a stanice so špeciálnym zameraním.
Základná klimatologická stanica: tu sa pozorujú všetky základné meteorologické prvky v tzv.
klimatických termínoch. Stanica je často vybavená registračnými prístrojmi.
Zrážkomerná stanica: meria sa množstvo atmosférických zrážok, výška snehovej pokrývky a jej vodná
hodnota.
Klimatologická so špeciálnym zameraním: tu sa merajú okrem základných, špeciálne meteorologické
prvky ako je slnečné žiarenie, dlhodobý úhrn zrážok, počet výbojov bleskov alebo iné javy.
Prezentovaná školská stanica bude na úrovni základnej klimatologickej stanice zo zražkomernou
stanicou.
Výber miesta pre zriadenie školskej meteorologickej stanice
Pozemok ideálne by mal mať rozmer 20x20 m, v stiesnených podmienkach treba rozmer pozemku aspoň
10x10 m. Stanica nemá byť umiestnená v bezprostrednej blízkosti vysokých stavieb. Je dobré aby bol
pozemok oplotený, najlepšie drôteným pletivom. Terén má byť trávnatý, rovný na celej ploche s výškou
trávy do 20 cm.
Vybavenie školskej meteorologickej stanice
•
K nevyhnutnej výbave stanice patrí drevená meteorologická žalúziová búdka (meteo-búdka) s
bielym povrchovým náterom a to vo výške 2 m nad terénom. Dvierka sú natočené na sever.
•
Vo vzdialenosti viac ako 4 m od meteo-búdky, umiestnime zrážkomer, ktorý má mať hranu zbernej
nádoby vo výške 1 m. Zrážkomer je možné zhotoviť napr. Z PET fľaše rezanej na 1/3. Spodok
fľaše potom slúži ako záchytná nádoba. Potrebný je aj odmerný valec s delením na ml. Prepočet
nameraných zrážok z ml na mm m-2 urobíme nasledovne: najbežnejší spôsob je ten, že sa zmeria
objem spadnutých zrážok (v ml alebo cm3), ktorý sa prepočíta na množstvo zrážok
Z v milimetroch. Platí že: Z (mm) = V /(0,1xS), kde: Z – množstvo zrážok v mm, V– objem
spadnutých zrážok (cm3 alebo ml), S – záchytná plocha zrážkomeru (cm2). Plocha zrážkomeru S
sa vypočíta podľa vzorca pre výpočet plochy kruhu S= r2 3,14, kde S je záchytná plocha
zrážkomeru (cm2) a r je polomer plastovej fľaše (cm). Atmosférické zrážky zachytené do
ranného termínu o 7,00 h sa uvádzajú vždy za predchádzajúci deň lebo prevažná väčšina zrážok
spadla za predchádzajúci deň.
•
Snehomernú latu umiestníme tiež vo vzdialenosti väčšej ako 3m od meteo-búdky spolu so
snehomernou doštičkou s rozmermi 30x30 cm, na meranie prírastku snehu medzi pozorovacími
termínmi. Snehomernú latu umiestňujeme na takom mieste, kde v zime nevznikajú záveje snehu.
Hrúbku snehovej pokrývky udávame v cm. Ak je výška snehu do 0,5 cm snehová pokrývka sa
hodnotí ako poprašok. Snehomernú doštičku po každom odmeraní prírastku snehovej pokrývky v
termíne od snehu očistíme.
131
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
•
Stožiar s anemometrom treba inštalovať v centre pozemku alebo v centre budov stojacích okolo
pozemku. Štandardná výška veternej smerovky a snímača rýchlosti vetra – anemometra, je 10 m
nad terénom. Už pri výške 6 m sú namerané dáta dostatočne reprezentatívne. Ak tieto prístroje na
stanici nemáme, môžeme smer a rýchlosť vetra odhadovať pozorovaním v prírode a to pomocou
Beaufortovej anemometrickej stupnice (obr. 2).
•
Vybavenie meteorologickej búdky sa skladá z psychrometra, ktorý tvoria staničný suchý teplomer a
vlhký teplomer. Vlhký teplomer pri tom musí mať neustále na teplomernej nádobe tesne navlečenú
bielu bavlnenú tkaninu ktorá je vlhčená vzlínaním destilovanej vody z nádobky. Pred použitím
tkaniny je potrebné tkaninu odmastiť, najlepšie krátkym povarením vo vode. Teplomerná nádoba je
cca 5-7 cm nad hladinou vody v nádobke. V mrazivých mesiacoch je psychrometer bez nádobky
z vodou. Vlhčí sa tkanina cca 1 hodinu pred meraním. Z odčítaných teplôt a psychrometrickej
tabuľky zistíme relatívnu vlhkosť vzduchu. Tabuľka môže byť tiež umiestnená v meteo-búdke
napr. v nepremokavom obale.
Obrázok 1.
Ukážka psychrometrických tabuliek.
•
Ak sú k dispozícii aj extrémne teplomery ako je maximálny a minimálny teplomer, budú merania
zaujímavejšie. Teplomery sa nastavujú vždy až po odčítaní teplôt pri večernom termíne merania.
Maximálny teplomer sa striasa tak ako klasicky lekársky teplomer a minimálny teplomer nastavíme
naklonením tak aby tyčinka skĺzla až ku koncu kvapalinového sĺpca.
•
Ďalší prístroj ktorý je potrebné umiestniť v meteo-búdke je vlasový vlhkomer. Kontrola na
presnosť nastavenia sa robí spravidla raz za mesiac a to tak, že celý prístroj sa zabalí do vlhkej
tkaniny na zhruba 40 minút. Prístroj by mal ukazovať 95%. Ak ručička neukazuje túto hodnotu,
nastavíme ju nastavovacou skrutkou.
•
Pre meranie atmosférického tlaku je vhodný nástenný barometer. Umiestňujeme ho v miestnosti.
Nastavujeme ho na relatívny atmosférický tlak a to na nadmorskú výšku školskej stanice.
Absolútny tlak zistený z najbližšej profesionálnej stanice, ideálne so zhodnou nadmorskou výškou
porovnávacej stanice. Ak je výška stanice napr. 460 m n.m., potom túto výšku delíme číslom 8,5.
Potom 460/8,5 = 54 Výsledok pripočítame k absolútnemu tlaku a získaný tlak prepočítaný na
hladinu mora nastavíme na barometri. Výsledok by mal približne korešpondovať s tlakom
prepočítaným na hladinu mora, ktorý sa udáva v synoptických mapách..
Pozorovanie atmosférických javov.
Podľa zloženia a podmienok vzniku, rozdeľujeme meteory na: hydrometeory, litometeory, fotometeory a
elektrometeory.
U týchto atmosférických javov zaznamenávame: druh atmosférického javu, vzdialenosť miesta výskytu
od miesta pozorovania - platí hlavne pri elektrometeoroch, časové údaje o začiatku a ukončení javu
a intenzitu javu. Časový údaj píšeme v SEČ alebo LSEČ. Ak nemôžme presne určiť čas začiatku a konca
javu použijeme tzv. časové skratky. Samotné merania teploty, vlhkosti, dažďových alebo snehových
zrážok, zhodnotenie a zápis stavu počasia, dohľadnosti, stavu povrchu pôdy, stav pokrytia oblohy
132
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
oblačnosťou, určenie druhu oblakov, meranie smeru a rýchlosti vetra, robíme v tzv. klimatologickom
pozorovacom termíne.
Obrázok 3. Návod na záznam meteorologických
údajov.
Obrázok 2. Stupnica pre odhad rýchlosti vetra.
Obrázok 5. Značky pre meteorologické javy.
Obrázok 4. Značky pre meteorologické javy.
Klimatický termín je daný geografickou polohou stanice. Zároveň je to miestny stredný slnečný čas
danej lokality. Slnko kulminuje na poludnie SEČ v oblasti s 15° v.z.d. To znamená, že ak sa stanica
nachádza napr. na 20° v.z.d., pričom 1° predstavuje časový posun oproti SEČ o 4 min, tak čas
klimatických termínov merania vypočítame takto: 20°-15° = 5°, 5° * 4min = 20min. 20 min je posun
oproti SEČ. Preto 20 minút odčítame od pásmového času (SEČ) napr. 7,00 h SEČ – 20 min = 6:40 h. To je
potom miestny stredný slnečný čas pre danú stanicu. Klimatické termíny sú 7,00h, 14,00h a 21,00h
miestneho stredného slnečného času sú zavedené všade na svete. Pre našu stanicu v oblasti 20° v.z.d. je
potrebné merať o 6:40h, 13:40h a 20:40h SEČ. Tento systém je zavedený preto, aby sa dali navzájom
porovnať klimatické merania z celého sveta.
Činnosť pri meraní
V presne určený klimatický termín žiak odčíta a zapíše: teplotu suchú, vlhkú, z vlhkomera relatívnu
133
Meteorológia a klimatológia vo vyučovaní III. Slnko a vzduch, Stará Lesná 13. - 16. jún 2012.
vlhkosť. Zhodnotí smer a rýchlosť vetra. Odmeria zachytené zrážky, zhodnotí stav povrchu pôdy, odčíta
výšku snehovej pokrývky, odčíta prípadný prírastok nového snehu na snehomernej doštičke, odhadne
dohľadnosť, zhodnotí pokrytie oblohy oblačnosťou, určí druh oblačnosti, zhodnotí prítomnosť
hydrometeorov, litometeorov, fotometeorov alebo elektrometeorov. Samotný zápis treba robiť do zošita s
príslušnými kolónkami, odtiaľ je dobré tieto namerané hodnoty ďalej zapisovať do zošitu MS EXCEL
vytvoreného v PC. Časť informácii z meraní je vo forme kódov.
Výpočty a zápis
Z nameraných hodnôt suchého teplomera z troch klimatických termínov vypočítame priemernú dennú
teplotu podľa vzorca, t = ( t7+t14+2xt21)/4. Denné priemery sa počítajú z troch hodnôt v termínoch /3. Týka
sa to tlaku vzduchu, relatívnej vlhkosti, rýchlosti vetra, priemernej oblačnosti. Z nameraných termínových
hodnôt je možné určiť absolútne denné extrémy, pokiaľ nemáme v meteo-búdke aj extrémne teplomery maximálny a minimálny.
Obrázok 6.
Tabuľka kódových informácii napr. O stave pôdy, výške, druhu a pokrytí oblohy
oblačnosťou.
Obrázok 7.
Tabuľka už vypočítaných priemerných hodnôt.
Obrázok 8.
Tabuľka nameraných hodnôt ale aj kódových informácii v klimatickom termíne o 7. h.
Obrázok 9.
Ukážka možného zápisu priebehu počasia do tabuľky, ktorá je vytvorená a vytlačená v programe MS Excel.
Slúži pre zápis perom ako základný materiál meteorologických pozorovaní.
134
Download

Zborník príspevkov