Atmosféra – návrhy do výuky

Cirkulace v atmosféře – návrhy do výuky

Předpokládaný čas aktivit ve výuce

Cca 45 minut

Cíl

Žák dokáže popsat základní fyzikální vlastnosti vzduchu (teplý vzduch se rozpíná, chladný vzduch se smršťuje, teplota vzduchu /v troposféře/ klesá s rostoucí nadmořskou výškou, ke kondenzaci vzduchu nasyceného vodními parami dochází při ochlazení vzduchu, vzduch proudí z oblasti tlakové výše do oblasti tlakové níže) a na základě znalosti těchto vlastností dokáže odvodit a vysvětlit systém globální cirkulace v atmosféře.

Čas na přípravu

Před hodinou je třeba zajistit si všechny pomůcky a ideálně si všechny pokusy předem vyzkoušet pro odladění případných nedostatků (cca 60 minut).

Teoretický úvod

Při vyučování o cirkulaci v atmosféře učitelé často narážejí na problém, že žáci zatím nemají znalosti základních fyzikálních principů týkajících se vzduchu a jeho vlastností (ve fyzice se často vyučuje až později). Tyto principy jsou ale pro pochopení systému globální cirkulace klíčové. Bez jejich pochopení se žáci často jen „nabiflují“ základní poučky, aniž by jim rozuměli a aniž by jim to celé dávalo nějaký smysl. Série názorných pokusů a aktivit nabízí ucelený souhrn výchozích znalostí, které by si měli žáci osvojit. Pro pochopení cirkulace v atmosféře je nutné osvojit si tyto znalosti:

1. Teplý vzduch se rozpíná (stoupá) a chladný vzduch se smršťuje (klesá).
2. Teplota vzduchu (v troposféře) klesá s rostoucí nadmořskou výškou.
3. Ke kondenzaci (zkapalnění) vodních par ve vzduchu dochází ochlazením.
4. Vzduch proudí z oblasti tlakové výše do oblasti tlakové níže.

Po osvojení těchto poznatků mohou žáci pochopit základní princip cirkulace v Hadleyově buňce a poté přejít na složitější systém cirkulace v planetárním měřítku.

Motivace

Snaha o vzbuzení zvídavosti: použití obrázků kontrastních krajin (poušť v okolí obratníků a tropické deštné lesy v rovníkové oblasti) → otázka na žáky: Co může způsobovat, že jsou v obou krajinách tak velké rozdíly? Proč je jedna krajina vyprahlá a nachází se tam jen skály a písek a druhá je plná života (vzrostlé zelené stromy, barevné květiny)? “ (pro starší žáky je možné kontrast mezi jednotlivými krajinami demonstrovat i formou klimadiagramů).

Další možnost motivace: Cirkulace, o které se budeme učit, pomohla objevit Ameriku – jakým způsobem?

Pokusy

Ke každé výchozí znalosti se váže jeden pokus nebo názorná aktivita do výuky. Řazení pokusů odpovídá číslování znalostí z kapitoly Teoretický úvod.

1. Pokus na demonstraci závislosti chování vzduchu na teplotě

- Potřebné pomůcky: PET láhev, nafukovací balónek (čím tenčí, tím lepší), hrnec na horkou vodu, rychlovarnou konvici nebo spirálu na ohřev vody, podložku pod hrnec s horkou vodou, nádobu na studenou vodu (případně led) (obr. č. 1).

- Postup: Pro větší názornost umístěte před nádoby popisky teplá a studená. Nafukovací balónek navlékněte na hrdlo láhve (obr. č. 2). Láhev s balónkem ponořujte střídavě do hrnce s teplou vodou (obr. č. 3 a 4) a do nádoby s vodou studenou (obr. č. 5). Vyzvěte žáky, ať pozorují, co se s balónkem na láhvi děje. Vysvětlete žákům, že zahřátím dochází k rozpínání vzduchu, tím pádem ke snížení hustoty a k následnému stoupání. Vzduch v láhvi se začne po ponoření do teplé vody rozpínat a začne nafukovat balónek (pozn. Můžete žáky upozornit, že na podobném principu funguje třeba i horkovzdušný balón). Po ponoření do studené vody se vzduch ochladí, zvýší se jeho hustota a smrští se. Balónek se proto zase vyfoukne a v některých případech dokonce stáhne dovnitř lahve (obr. č. 6). Upozorněte žáky, že ačkoliv to nepozorují, k rozpínání a smršťování vzduchu dochází i v přírodě vlivem slunečního záření.

- Čas: cca 10 minut

2. Aktivita k demonstraci teplotního gradientu

- Pro demonstraci poklesu teploty s nadmořskou výškou můžete využít obrázky z hor v letním období:

• Varianta 1: obrázek ze Sněžky v létě (obr. č. 7): Nahoru přicházejí turisté v kraťasech a tričku (dole bylo teplo), nahoře jsou turisté v bundách a mikinách (nahoře je chladněji).
• Varianta 2: obrázek horolezce ve vysokých horách v letních nebo jarních měsících: V našich podmínkách je teplo, ve vysokých horách je ještě sníh a led a horolezci se pohybují v zimní výbavě (obr. č. 8). Motivační může být např. mediálně známý Radek Jaroš a jeho Koruna Himaláje – v odkazech níže naleznete stránku se všemi expedicemi, většina z nich se odehrála v letních nebo jarních měsících.

- Čas: 5 minu

3. Pokus na demonstraci kondenzace

- Potřebné pomůcky: velká miska (nejlépe prosklená), potravinová folie, led a voda (obr. č. 9).

- Postup: Velkou misku naplňte vodou (pro větší efekt spíše teplou). Misku překryjte potravinářskou fólií a navrch položte kostky ledu (obr. č. 10). Po chvilce se zespodu fólie začnou tvořit kapičky vody (obr. č. 11 a 12). Vysvětlete žákům, že vzduch v nádobě se nejprve nasytil vodními parami z vody v misce a po ochlazení ledem došlo k jeho kondenzaci (zkapalnění). Vysvětlete žákům, že podobně je tomu v přírodě, kde se vzduch nasycuje vodními parami z vodních ploch a toků a po jeho ochlazení (poklesu teploty), způsobeném výstupem do vyšší nadmořské výšky, se tvoří oblaka a vypadávají srážky.

- Čas: 10 minu

4. Pokus na demonstraci příčin proudění vzduchu

- Potřebné pomůcky: nafukovací balónek

- Postup:

• Varianta 1: Nafoukněte balónek a na uzávěru ve spodní části udělejte uzel, aby vzduch neucházel. Balónek by neměl být nafouknutý do plné velikosti (stačí přibližně do poloviční velikosti) (obr. č. 13). V určitém místě na balónek zatlačte. V jiném místě se balónek „vyboulí“ (obr. č. 14). Vysvětlete žákům, co se stalo – z místa, na které vyvíjíte tlak, se vzduch přesunul tam, kde žádný tlak nepůsobí.
• Varianta 2: Nafoukněte balónek a tentokrát na něm nedělejte uzel. Uzávěr jen držte prsty. Vysvětlete žákům, že jste tlakem dostali vzduch do balónku a ten je nyní v balónku pod tlakem (je tam vyšší tlak /tlaková výše/, než ve zbytku třídy). Když pustíte uzávěr, vzduch z balónku se prudce vyfoukne. Opět vysvětlete, co se stalo – vzduch, který je pod vyšším tlakem má tendenci se pohybovat do míst, kde je nižší tlak.
• Vysvětlete žákům, že vzduch v atmosféře svojí tíhou vyvíjí tlak na zemský povrch. Nejvyšší tlak je při zemském povrchu (protože sloupec vzduchu zde je nejvyšší) a s rostoucí nadmořskou výškou tlak klesá (snižuje se výška sloupce vzduchu). Díky teplotě se tlak vzduchu mění (teplý vzduch kvůli rozpínání a nižší hustotě způsobuje nižší tlak, a naopak chladnější vzduch kvůli smršťování a vyšší hustotě způsobuje tlak vyšší). Vzduch má ale tendenci tlak vyrovnávat a proto proudí z oblasti, kde je tlak vyšší, do oblasti, kde je tlak nižší.

Nyní už mají žáci potřebné výchozí znalosti a můžete se pustit do vysvětlení základní Hadleyovy buňky a z ní odvodit globální cirkulaci atmosféry v planetárním měřítku. Ideálně se při vysvětlování jednotlivých kroků vracejte ke všem pokusům, abyste žákům nabyté znalosti upevnili a aby si uvědomili význam pokusů pro procesy probíhající v reálném světě. Návrh výkladu:

Oblast rovníku dostává v průběhu roku nejvíce sluneční energie (oběh Země okolo Slunce + sklon zemské osy – připomenutí), proto se zde vzduch ohřívá nejvíce. Teplý vzduch stoupá (připomenutí pokusu s balónkem na PET lahvi). Tím, že teplý vzduch stoupá, dochází k jeho ochlazování (připomenutí obrázků z hor v létě). Tím, že se ochlazuje, tak kondenzuje (připomenutí pokusu s miskou vody, potravinovou fólií a ledem). Vzduch se koncentruje u horní hranice troposféry a podél ní se rozbíhá směrem k obratníkům a dále se ochlazuje. Protože je vzduch ochlazený, smršťuje se a začíná klesat (připomenutí pokusu s balónkem na PET lahvi). Klesající vzduch je suchý (ztratil vlhkost nad rovníkem) a nepřináší vláhu. Klesající vzduch se u obratníků koncentruje (hromadí) a vytváří zde vyšší tlak. Na rovníku je tlak nízký (nachází se tam teplý, rozpínající se vzduch). Vzduch proudí z oblasti vyššího tlaku do oblasti nízkého tlaku vzduchu (připomenutí pokusu s tlačením na balónek). Zopakování celého cyklu.

Užitečné odkazy

Koruna Himaláje Radka Jaroše

- http://www.radekjaros.cz/koruna-himalaje

Obrázkové přílohy

Obr. 1

Obr. 2

Obr. 3

Obr. 4

Obr. 5

Obr. 6

Obr. 7

Obr. 8

Obr. 9

Obr. 10

Obr. 11

Obr. 12