Počasí
Led hraje na naší planetě mimořádně důležitou úlohu, zejména pak v energetickém systému Země. A samozřejmě i v počasí. Souvisí to se specifickým chováním ledu, respektive vody při jejím zamrzání. Na rozdíl od většiny látek na Zemi se voda chová odlišně, pokud jde o její hustotu.... Více >>
Velmi zajímavé pojednání. Jako chemika mě zarazilo to Vaše ppt, protože to se používá ve vztahu parts-per-trilion (jako pokračování řady ppm a ppb), ovšem Wikipedie napověděla, že se jedná o výjimku...
"One part per thousand should generally be spelled out in full and not as "ppt" (which is usually understood to represent "parts per trillion"). It may also be denoted by the permille sign (‰). Note however, that specific disciplines such as oceanography, as well as educational exercises, do use the "ppt" abbreviation. "One part per thousand" denotes one part per 1,000 (103) parts, and a value of 10−3. This is equivalent to about ninety seconds out of one day."
Důležitá je velká tepelná kapacita vody a hlavně velká hodnota latentního tepla (skupenského tepla tání a výparu).
Aby led rozmrznul na kapalnou vodu, na to je potřeba hodně energie. Za předpokladu, že led má teplotu 0 a má roztát na vodu o teplotě 0 (tedy beze změny teploty) je potřeba energie 334 MJ na tunu resp. 32.8 kWh na tunu ledu.
Led má hustotu 917 kg na metr kychlový, voda o teplotě okolo nuly okolo 1000 kg na metr krychlový. U plujícího ledu je většina ledu pod hladinou, když plující led roztaje, hladina oceánů nestoupne, stejně tak jako neklesá při zamrzání moře. Pokles-vzestup hladiny oceánů je závislý na pevninských ledovcích.
V případě kapalné vody při ohřevu o 1 °C (1 K) je spotřeba energie 4.18 kJ na kg tedy 4.18 MJ (1.16 kWh) na tunu vody. Aby roztál led o teplotě 0 °C je potřeba stejné energie, jako ohřátí kapalné vody téměř přesně o 80 °C.
Skupenské teplo výparu vody je energie, kdy se kapalná voda vypaří, přičemž se teplota vody nezmění. Při 100 °C je tato hodnota 2264.7 MJ na tunu vody, tedy 629 kWh na tunu vody. Energie potřebná na výpar bez změny teploty vody je 5.42 krát vyšší, než energie potřebná k ohřáti vody z 0 °C na 100 °C.
https://en.wikipedia.org/wiki/Latent_heat
Jsou to hodnoty, někdy i hůře představitelné.
Tady jsou dva pěkné grafy z Wikipedie, ohledně tepelné kapacity a latentního tepla vody.
Graf číslo 1 - Jde o led-vodu-páru za standardního tlaku 101 325 Pa, a tedy bod tání 0.00 °C, trojný bod +0.01 °C a bod varu +100.00 °C. Při teplotách pod nulou je voda zmrzlá v led, měrná tepelná kapacita ledu je okolo 2.1 kJ na kilogram a na Kelvin (Kelvin má stejnou velikost jako stupeň celsia, ale začíná na skutečné nule, 0.00 °C je 273.15 K). Následně k tomu aby led o teplotě 0.00 °C roztál na vodu o stejné teplotě je potřeba 334 kJ na kilogram. Kapalná voda má pak tepelnou kapacitu 4.2 kJ na kilogram-kelvin. Aby se voda o teplotě 100.00 vypařila (přechod na páru o stejné teplotě), je potřeba velké energie 2265 kJ na kilogram-Kelvin. A nad 100 °C vodní pára pak má tepelnou kapacitu Isobarickou cp 2.1 kJ na kilogram-kelvin a Isochorickou cv 1.6 kJ na kilogram-Kelvin.
Graf č. 2 - Zde je ukázáno měrné teplo výparu vody (přeměna na páru o stejné teplotě) a dalších látek v závislosti na bodu varu. Při tlaku 1013.25 hPa se voda vaří při +100.00 °C, nejmenší teplota, kdy se může kapalná voda vařit, je právě trojný bod 0.00-0.01 °C a voda se vaří při tlaku 6.10-6.11 hPa. A naopak nejvyšší teplota, kdy se voda může ještě vařit, je takzvaný kritický bod +374 °C, voda se vaří při tlaku 221 000 hPa (takového tlaku atmosféra nedosahuje nani na Venuši). Je dobře vidět - s rostoucí teplotou měrné teplo výparu Lv (přeměna kapaliny na plyn o stejné teplotě) klesá. Vypařování neznamená, že se voda nutně vaří.
Při tlaku menším než 6.10 hPa už neexistuje kapalná voda, ale rovnou led sublimuje. Čím je tlak nižší, tím nižší je i teplota sublimace. Měrné skupenské ledu sublimace vody při teplotách pod 0 °C je okolo 2840 kJ na kilogram-Kelvin.
Při teplotě nad +374 °C a tlaku nad 221 000 hPa už neexistuje kapalná voda, ale něco jako super-tekutina s vlastnostmi kapaliny a plynu.
Při vysokém tlaku existuje kapalná voda i při teplotách pod 0 °C a při velmi vysokém tlaku existuje led (jiný typ) i při teplotách nad +374 °C nebo i nad +1000 °C.
Měrné skupenské teplo tání-výparu-sublimace i měrná tepelná kapacita ledu-vody-páry není konstantní, mění se s teplotou.
Zdroj:
https://en.wikipedia.org/wiki/Latent_heat
ludvicek
Ano, přesně tak, jak uvádí ta Wikipedia, je to výjimka v oceánografii, nicméně sám jsem taky zvyklý, že ppt je parts per trilion :-)
palma
Díky moc. To skupenské telo tání ledu je dost zásadní pro tepelnou setrvačnost. Led se netvoří příliš rychle, rovněž příliš rychle netaje, vč. sněhu na horách. Kdyžby bylo skupensé teplo tání Lt velmi malé, se zimním oteplením by přsly povodně mimo jiné. Skupenské teplp varu Lv je ještě zásadnější a dobře že je tak vysoké. Jinak by vysychalo vše příliš rychle.
Ta změna hloubky oceánů vlivem tepelné roztažnosti, na to se zapomíná. Ale teplá je jen malá vrstva při povrchu oceánu. V hloubkách několik km je teplota vody i v tropech blízko těch +4 °C. Nejvyšší hustotu má kapalná voda (při normálním tlaku) při teplotě +3.98 °C.
Ještě zajímavější je pak fázový diagram vody a růzé typy ledu. Podle tohoto diagramu by na moři, v řekách a na všech vodních plochách, i při sněžení a ve formě krup měl být přítomen v naprosté většině (ne-li výhradně) typ ledu s hexagonální strukturou Ih. Další typ ledu je Ic - s krychlovou strukturou Vyskytuje se při teplotách -143 °C až -53 °C, při teplotě nad -33 °C se mění na klasický typ Ih (hexagonální).
Diamantový led je led typu VII a je to ještě jeden typ ledu, jež se na Zemi vyskytuje přírodně, a to uvnitř diamantů. Hustota ledu VII je 1650 kg/m3. Jde o led typu VII vznikající při velmi vysokém tlaku z ledu VI při tlaku 2.2 GPa a teplotě +82 °C. Při tlaku 2.1 GPa led typu VII vzniká tuhnutím kapalné vody při teplotě -3 °C. Led typu VII může existovat při silném mrazu a velkém tlaku (podle diagramu nejnižší možná teplota 100 K resp. -173 °C, při tlaku 62 GPa), ale i při vyšších teplotách až nad +400 °C. Při tlaku nad 4 GPa a teplotě nad 470 K (nad +200 °C) vzniká plastický led VII objevený v roce 2025.
Třetím typem ledu je typ XI s orthorombickou kystalickou strukturou vznikající při teplotách pod -201.2 °C a tlaku běžném. Zbylé typy ledu s krystalickou strukturou vznikají až při extrémním tlaku 200 Mpa a více. Běžný atmosférický tlak je 0.101325 MPa.
Existuje i amorfní typ ledu bez krystalické strukrury s hustotou 940 kg na metr krychlový. Tento led se vyskytuje ve vesmíru věšinově, s vizkozitou vyšší než voda. Při teplotě pod -200 °C byl vytvořen amorfní led s větší hustotou rozmezí 1000-1120 kg na metr krychový, obejený v roce 2023. Měl by existovat ještě třetí typ amorfního ledu s ještě větší hustotou, než předchozí dva typy.
Při tlaku nad 200 Mpa a více (i řádově) vznikaí další typy ledů s různou krystalickou strukrurou. Tyto typy ledu se objevují i při vyšších teplotých. Led typu X vzniká při tlaku 30-70 GPa a jak při nízkých teplotách pod -200 °C tak při vysokých teplotách min. nad +400 °C podle diagramu. Při vysoké teplotě 2000-2500 K (nad 1800-2200 °C) a tlaku 50 GPa pak vzniká něco jako super-iontový led (super-yontová voda) typu XVIII, kde atomy kyslíku jsou vázány v krystalické mřížce a atomy vodíku jsou volné. Při tlaku nad 50 GPa vzniká led XVIII s kubickou krystalovou strukturou, při tlaku nad 100 GPa a teplotě nad 2000 K pak led XVIII přechází na ještě stabilnější krystalickou strukturu.
Při tlaku k 300 GPa vzniká led XI s hexagonální strukturou, a to jak za velmi nízkých teplot tak za vysokých teplot.
Při tlaku nad 1.55 TPa nebo dokonce nad 5.62 TPa by pak měl mít led vlastnosti kovu. Jiný odhad je zase nad 4 TPa. Každopádně tyto podmínky jsou na Zemi nedosažitelné. Ve Středu Země je tlak okolo 300 GPa a nejvyšší tlak uměle vytvořený v USA v National High Magnetic Field Laboratory pomocí "Diamantové kovadliny" v roce 2019 je 770 GPa (podle ChatGPT), stlačeno bylo malé množstí vodíku. Ale tlak v řádu několika TPa se vyskytuje ve velkých plynných planetách, jako je např. Jupiter a na velkých exoplanetách. Např. troj-násobné gravitaci než na Zemi je přibližně v hloubce oceánu méně než 10 000 km dosaženo k 300 GPa
Vysokotlaký led tvořící se od 200 MPa není nikde na Zemi (mimo uměle vytvořený). Ale na jiných planetách (mimo Slneční soustavu) by se mohl objevit. Při gravitaci u nás na Zemi by se v oceánech tlak 200 MPa objevil v hloubce něco přes 20 km. Při tlaku vyšší jednotky GPa až desítky Gpa by se vysokotlaký led objevil i při vyšších teplotách. To by při Zemské gravitaci odpovídalo hloubce stovek km až tisíců km. Na exoplanetách s větším poloměrem bude gravitace 2-3x silnější a požadovaná hloubka 2x-3x nižší.
Jak je vidět v tom fázovém diagramu, tak nejnižší možná teplota pro existenci kapalné vody je 251.165 K tedy podle přepočtu -21.985 °C a při tlaku 209.9 MPa. Jaká je nejvyšší možná teplota kapalné vody, to těžko poznat. Při vysoké teplotě a tlaku se mění kapalina na supratekutou fázi, stírá se rozdíl kapalina-plyn. Podle diagramu by měl být kritický bod vody (nejvyšší možná teplota pro eistenci kapalné vody) při teplotě 647.096 K resp. +373.946 °C a tlaku 22.064 MPa. Supra-tekutá fáze vody existuje i při vyšší teplotě a tlaku.
Zdroj:
https://en.wikipedia.org/wiki/Ice
https://en.wikipedia.org/wiki/Phases_of_ice
Tady už je změna klimatu a změna množství ledu na Zemi.
Obr. č. 1 - od roku 1994 do roku 2017 ubylo globálně 28 000 miliard tun ledu, hladina moře stoupla o 34.6 (rozmezí 31.5-37.7) mm. Roztálo v Arktidě mořského ledu 7800 miliard tun, v Antarktidě z mořského ledu 6500 miliard tun, z Gronského ledového štítu 3800 miliard tun, z mořského ledu na jihu 900 miliard tun a z Antarktického pevninského ledu 2500 miliard tun, což nějak nevychází.
Obr. č. 2 - ztráta ledového štítu (pevninského i mořského) v milimetrech za rok v 90-letech 20. století (1990-1999), v první dekádě 21. století (2000-2009) a v 2. dekádě 21. století (2010-2019).
Zdroj:
https://en.wikipedia.org/wiki/Ice#Impacts_of_clima...
TommyAst
Při tom čtení mne napadlo, že může být opravdu docela "průser" jestli roztaje jednou veškerý led v Arktidě, jestli tam pak nedojde ke skokovému zvýšení teploty o x stupňů.. jo a že tedy jako nesouhlasí ta čísla s úbytkem ledu, .. jestli tedy tam nechybí další pevninský led ( jasně, téma je mořský led..), Alpy, Kordilery, pohoří USA, Indie, Číny apod. v součtu to asi taky něco hodí.. srovnat s polárním ledem to asi nejde, ale něco to do oceánu dokápne..
, plus poznámka k tomu "kovovému" ledu, tam jen technicky možná vzniká i supravodivost, byl by to skvělý materiál, akorát značně nestabilní..
... a pak se řekne je to jen"voda"..
Obr. č. 1 - Ztráta ledu (mořského hlavně) v Arktidě a Antarktidě vlivem změny klimatu způsobí zpětnou vazbu a další oteplení (globální a hlavně lokální). Důvodem je samozřejmě hlavně změna albeda, velký pokles odrazivosti a v létě, kdy je pořád světlo, bude pohlceno více záření.
Obr č. 2. - Předpověď jak bude v budoucnu vypadat ledový pevninský štít v Grónsku v závslosti na nové rovnovážné koncentraci CO2 - 4 verze s rovnovážnou koncentrací CO2 320 ppm, 340 ppm, 400 ppm a 420 ppm. Problém je, že 420 ppm už jsme překročili, koncentrace CO2 stoupá a aktuálně stoupá i meziroční nárůst.
Zdroj:
https://en.wikipedia.org/wiki/Ice#Predictions
palma
Nesouhlasí ta Antarktida:
V Antarktidě z mořského ledu 6500 miliard tun.
Z mořského ledu na jihu 900 miliard tun.
Z Antarktického pevninského ledu 2500 miliard tun.
Led na jihu, to je kolem Antarktidy, jsou tam tedy dvě rozdílná číla 6500 a 900 miliard tun. Podle všeho to bude úbytek 6500 miliard tun z permanentního ledovce nad oceánem (šelfový led) resp. z ledovce, který sahá až na dno oceánu, 900 miliard tun z ledu, co je přímp na moři.
Údaje jsou k roku 2017 (změna 1994-2017). Teď už to bude podstatně horší hlavně kvůli skokovému úbytku v Antarktidě.
Od 90. led (1990-1999) pravděpodobně k roku 2017 vzrostlo tempo úbytku ledu globálně o 57% z 800 miliard tun ročně na 1200 miliard tun ročně (nevychází to, nárůst o 50 5 podle čísel, bude to zaokrouhlením). Podle všeho jsou údaje do roku 2017 a teď už je to mnohem horší.
Další úpravy a doplnění.
Podle fázového diagramu vody nejnižší možná teplota pro existenci kapalné vody je 251.165 K tedy podle přepočtu -21.985 °C a při tlaku 209.9 MPa. To ale platí pro větší množství vody po hromadě (např. několik kg). Co se týče malých kapiček v mracích a v mlze, tam je situace zcela jiná. V mlze jsou kapičky jen velikosti v řádu 0.001-0.01 mm a zmrzlá mlha (tvořená ledovými částicemi) se objevuje až přiteplotách pod -20 °C nebo až dokonce pod -30 °C v určitých případech. V mracích může být kapalná voda až do teplot pod -40 °C. Údaje nejnižší možné teploty pro kapalnou vodu v oblacích se liší. Např. -42 °C. Při běžných atmosférických podmínkách může být kapalná voda v mracích až do teplot -48 °C nebo -50 °C a ve specificky vytvořených podmínkách až někam k -70 °C. Důvodem je povrchové napětí vody, jež výrazně snižuje bod tuhnutí u velmi malých kapek.
Everything You Could Ever Want to Know About Ice! - GEO GIRL
https://www.youtube.com/watch?v=5qnNzgo9MSA
Na kanále GEO GIRL jsou vysvětleny různé fáze ledu, celkem 19 známých krystalických typů ledu (rok 2023) plus 3 amorfní typy. Na Zemi se vyskytuje jen led Ih (hexabonální) a nepatrně Ic(kubický) resp. led typu VII v diamantech. Dále je vysvětlena námraza a různé typy tuhých sržek (sněhové vločky, sněhová krupice, zmrzlý déšť, mrznoucí déšť, kroupy). Takzě je to dost užitěčné video, v Angličtitě tedy.
74,963 Kinds of Ice
https://www.youtube.com/watch?v=2UmcO-qtdlM
Druhé video ukazuje aktuálně 20 známých experimentálně objevených typů ledu (dle krystalické struktury), z roku 2023. Podle počítačového modelu těch typů ledu může být až do 74 963. Ale to je nejspíše horní teoretická mez.
The Exotic Oceans of Alien Planets
https://www.youtube.com/watch?v=2ZZ6W9TKYnA
Různé typy ocenánů na planetách Sluneční soustavy i u jiných hvězd (exoplanety). Ocenán je nakonec i na Venuši, tvořený supra-tekutou fází (po překročení kritického bodu) CO2.
Hycean Planets and Temperate Ice Giants
https://www.youtube.com/watch?v=DJKpbS8n_tM
Druhé video od Kyplanet - o světech s globálním oceánem velmi hlubokým, kde se tvoří na dně v hloubce stovek km vysoko-tlaký led a také o planetách s velmi silnou vrstvou ledu na povrchu (ledový giganti).
WATER WORLDS: Hideouts for Alien Life?
https://www.youtube.com/watch?v=URyiCGZNjdI
Vodní světy (což je ekvivalent k Hycean planet) - planety pokryté globálním oceánem, velmi hlubokým. Od MelodySheep.
Na Zemi se vyskytuje přírodně jen led Ih hexagonální, jen ve velmi malém procentu pak led Ic kubické struktury při teplotách -143 °C až -53 °C. Tento typ ledu se však ve vesmíru prakticky nevyskytuje.
Led fáze X je dosahován od teplot blízko absolutní nule až po teploty několik stovek °C nad nulou. Ale led X vzniká až při tlaku nad 30-70 GPa. Hustota ledu X je 2790 Kg/m3, tedy výrazně více, než u fází při nižším tlaku.
Led typu V vzniká při tlaku okolo 200-632 MPa, led typu III při tlaku okolo 200-350 MPa. Při velkém tlaku (stovky MPa) je kapalná voda až do nejnižší možné teploty pro kapalnou vodu většího objemu (podle diagramu -21.985 °C, 209.9 MPa). Kapalná voda tuhne při teplotě -20 °C a tlaku 500 MPa a více voda tuhne na led typu V, při tlaku 300 MPa a teplotě pod -20 °C (možná až k -23 °C) voda tuhne na led typu III.
Led fáze VI vzniká při tlaku 1.1 GPa-2.2 a teplotě -143 °C až +82 °C. Hustota ledu je 1310 kg/m3. Při takto velkém tlaku je bod tuhnutí vody (na led VI) -3 °C.
Led fáze VII vzniká při vyšších teplotách (tuhnutí vody při teplotě -3 °C, přechoz z ledu typu VI při teplotě +82 °C) a tlaku od 2.1-2.2 GPa. Dále led existuje až do tlaku někam přes 60 GPa a teplotě i nad +400 °C. Nejnižší možná teplota ledu VII je 100 K (-173 °C) při tlaku 62 GPa. Hustota ledu VII je 1650 kg/m3 a u ledu VI 1310 kg/m3.
Diamantový led je led fáze VII nacházející se na Zemi v diamantech . Jedná se o led typu VII vznikající při tlaku jednotky-desítky GPa a v rozmezí od velmi nízkých teplot až po vysoké teploty.
Největší Měsíc ve Sluneční soustavě - Jupiterův Měsíc Ganymedez s průměrem 5 262 km a na tomto měsíci je až vyšší stovky km km silná vrstva ledu. Tisíce km pod povrchem by takový typ ledu mohl vzniknout. 1.1-2.2 GPa odpovídá při Zemské gravitaci vrstvě ledu necelých 110-220 km, na Ganymedu je gravitace slabší a vrstva ledu musí být větší. Na Ganymedu by měl být při povrchu a v malé hloubce led typu I, ve větší hloubce sníh a led typu III, dále hlouběji led V (při tlaku stovky MPa) a ještě hlouběji led VI (při tlaku nad 1.1 GPa). Ještě hlouběji, pod ledem VI na Ganymedu by měl být oceán slané vody (pod obrovským tlakem) a pak už "skála". Led typu VII nejspíše na Ganymedu nebude (není aprávná kombinace teploty a tlaku).
Led fáze XI Orthrombické soustavy by měl vzniknout už při běžném tlaku, ale při teplotách velmi nízkých, pod -201.2 °C.
Led fáze XI hexagonální by měl vznikat při nízkých i vysokých teplotách, ale při tlaku 300 GPa a více. 300 GPa je přibližně tlak ve středu Země. Na nějaké velké (exo)planetě s globálním oceánem by takový tlak byl dosažen v hloubce vody-ledu téměř 10 000 km za předpokladu gravitace 3x větší než na Zemi.
Při teplotě nad 2000-2500 K a tlaku nad 50 GPa pak vzniká SuperIontový led typu XVIII, kdy kyslík je vázán v krystalické mřížce, atomy vodíku jsou volné. LedPři tlaku nad 100 GPa je krystalická mřížka super-yontového ledu stabilnější. SuperIontový led typu XVIII vzniká při vysoké teplotě přechodem z ledu X, při tlaku nad 300 GPa pak podle všeho z ledu XI.
Led s kovovými vlastnostmi by vzniknout měl při teplotě jak nízké tak vysoké, i tisíce stupňů. Ale při tlaku minimálně podle různých zdrojů 1.55 TPa nebo 5.62 TPa nebo 4 TPa. Ve středu Země je tlak okolo 300 GPa a největší uměle vytvořený tlak na Zemi (mimo detonace) bá být podle ChatGPT v roce 2019 v laboratoři National High Magnetic Field Laboratory v USA 770 GPa, stlačen byl vodík pomocí "diamantové kovadliny" Na velkých exo(planetách) však je ve velké hloubce dosahován tlak několik TPa, až přes 10 TPa může být.
Pro přidání příspěvku do diskuse se prosím přihlaste.
