Troposféra

V troposféře je obsažena převážná část atmosféry (asi 90 % hmotnosti). Pokles teploty s rostoucí výškou je způsoben konvencí vzduchu. Když se totiž vzduch ohřeje o zemský povrch, sníží se jeho hustota a vzniká konvence. Tato „bublina teplého vzduchu!“ pak stoupá vzhůru a na její místo se dostává studenější vzduch z horních vrstev troposféry.

Tento děj je analogický ději, který probíhá v hrnci, který je postaven na zapnutém sporáku a ve kterém se vaří polévka. Zde je konvence přímo vidět při pohledu na drobná tělíska v polévce (kousky zeleniny, těstoviny, …).

Vzhledem k tomu, že tlak vzduchu se s výškou zmenšuje, uvažovaná „bublina“ se při svém stoupání vzhůru rozpíná. Tento děj je možné přibližně považovat za adiabatický děj, protože vzduch je špatným vodičem tepla, takže teplota „bublina“ se nevyrovnává s teplotou okolí. Při adiabatickém rozpínání se teplota plynů snižuje, a proto se také ochlazuje „bublina“ vzduchu při výstupu vzhůru. Je-li v „bublině“ přítomna také vodní pára, může během výstupu nastat její kondenzace. Tak vzniká oblačnost a mraky, z nichž se pak uvolňují kapičky vody v podobě deště.

Ohřev vzduchu od zemského povrchu a jeho následný pohyb vzhůru konvencí způsobuje promíchávání troposféry. Pokud je ale teplota povrchu velmi nízká, tento „tepelný stroj“ se může zastavit. Při zemi pak leží těžký studený vzduch a nad ním je vrstva vzduchu teplejšího - nastává teplotní inverze. Takové rozvrstvení vzduchu je pak stabilní: konvence (a ani žádné promíchávání) v něm neprobíhají. To má ovšem vážné zdravotní následky: nachází-li v oblasti postižené teplotní inverzí město nebo průmyslová aglomerace, může se v této oblasti nebezpečně zvýšit koncentrace škodlivin.

Nejvíce se vzduch ohřívá (a tedy i stoupá) v oblasti kolem rovníku. To ale znamená, že na jiných místech Zeměkoule musí zase vzduch klesat. Zobrazí-li se v mapě světa, ve kterých zeměpisných šířkách vzduch většinou stoupá a ve kterých většinou klesá, vzniká typický obrázek globálního proudění troposféry (viz obr. 38), které velmi silně ovlivňuje podnebí v různých oblastech Země.

Obr. 38

Pod místy, kde je vzduch ohřátý a stoupá vzhůru, se atmosférický tlak sníží a vzniká tlaková níže.

Vzduch totiž „utíká“ nahoru a dole u povrchu Země ho je méně. Proto má i menší tlak.

Při výstupu se vzduch adiabaticky ochlazuje, vodní pára v něm obsažená se kondenzací mění na vodní kapičky, a proto je pro tlakovou níži je charakteristické deštivé počasí.

Voda vzniklá kondenzací vodní páry v atmosféře se ve vzduchu neudrží a padá zpět k povrchu Země.

Na obr. 38 je vidět, že vzestupné proudění a tlakové níže jsou typické v oblastech v okolí rovníku (asi do  severní a jižní zeměpisné šířky) a dále pro oblasti přibližně mezi  a  zeměpisné šířky na obou polokoulích. Proto je hodně deštivé klima např. v Kongu, Brazílii, Indonésii, Británii, na Islandu, …

Obr. 39

Na základě gradientu tlaku, který se pod oblastí konvence vzduchu vytvoří, má vzduch tendenci se dostat z míst s vyšším tlakem do míst s nižším tlakem, aby se opět ustanovila hydrostatická rovnováha.

Stav rovnováhy je energeticky nejvýhodnější stav, a proto má každý systém tendenci se do stavu rovnováhy samovolně dostat.

Na obr. 39 je zobrazen pohled shora na částici, která se chce dostat do místa s nižším tlakem, aby se ustanovila zmíněná hydrostatická rovnováha. Jakmile se začne pohybovat pod vlivem síly horizontálního tlakového gradientu , začne na částici působit Coriolisova síla, která se projevuje pouze v rotujících soustavách.

A tou otáčející se Země určitě je! A atmosféra se ve výškách, které odpovídají troposféře, otáčí se Zemí.

Coriolisova síla působí na částici kolmo ve směru jejího pohybu, a proto stočí směr jejího pohybu (viz obr. 39a). V důsledku toho se změní i směr Coriolisovy síly a tedy se změní i směr pohybu částice. Nakonec se síla horizontálního tlakového gradientu a Coriolisova síla vyrovnají a částice se bude pohybovat ve směru izobary (viz obr. 39b).

Vzduch v tlakové níži má tedy tendenci proudit do jejího středu, tj. do míst nejnižšího tlaku. V důsledku existence Coriolisovy síly se změní směr pohybu vzduchu a ten začne kolem tlakové níže rotovat. Na severní polokouli rotuje proti směru hodinových ručiček (viz obr. 40), na jižní ve směru hodinových ručiček. Tomuto proudění se říká cyklona.

Vždy se ale směr rotačního pohybu vzduchu řídí Coriolisovou silou.

Obr. 40

Tam, kde vzduch naopak klesá shora dolů, vzniká na povrchu tlaková výše.

V místě, kde vzduch klesá dolů, se vzduch „hromadí“ a je ho tam tedy více. Proto je zde vyšší tlak vzduchu.

Při sestupu se vzduch adiabaticky zahřívá, a proto nepřináší srážky, ale naopak vysušuje půdu.

Zahříváním se vodním kapkám, které mohou být obsažené ve vzduchu a které by mohly padat v podobě deště, dodává energie a nastává jejich vypařování.

Sestupné proudy a tedy i tlakové výše jsou typické pro subtropické oblasti. To vysvětluje pás pouští v oblasti kolem obratníku Raka (Mexiko, Sahara, Arábie, Írán, …) i podél obratníku Kozoroha (Chile, Namibie, Austrálie, …).

Vznik rotace v okolí tlakové výše je analogický vzniku rotace vzduchu kolem tlakové níže. Rozdíl je v tom, že vektor okamžité rychlosti vzduchu (resp. částice vzduchu) má v tomto případě opačný směr - částice se bude pohybovat do míst s nižším tlakem. Proto bude opačný i směr Coriolisovy síly a místo cyklony vznikne anticyklona. Anticyklona vznikající v okolí tlakové výše rotuje na severní polokouli ve směru hodinových ručiček, zatímco na jižní proti jejich směru.

Ale stále pod vlivem Coriolisovy síly - jak u cyklony!

V blízkosti zemského povrchu pak hraje důležitou roli třecí síla, která způsobuje vyplňování tlakové níže a rozpadávání tlakové výše.

Spodní část pohybující se masy vzduchu se totiž smýká o zemský povrch a vznikají tak nepravidelnosti v proudění vzduchu.

Přestože globální proudění vysvětluje základní charakter rozdělení klima na Zemi, významnou roli hrají i činitelé lokální - např. proudění vzduchu mezi oceánem a pevninou: monzuny. V létě se totiž vzduch ohřívá rychleji nad pevninou než nad oceánem, stoupá vzhůru a nastává kondenzace vodní páry. Proto monzuny v Indii přinášejí období dešťů.

Podobného původu je i deštivé období po svatém Medardu u nás.

Dalším významným činitelem jsou horská pásma, podél jejichž návětrné strany stoupá vzduch vzhůru, a tak opět vznikají srážky. Z toho důvodu je např. velké množství srážek na východním pobřeží Austrálie nebo v podhůří Himalájí, ačkoliv obě tyto oblasti leží blízko obratníků. Jiným činitelem ovlivňujícím klima jsou i mořské proudy (např. Golfský proud otepluje severozápadní Evropu).