Atmosfera

Powietrze wokół nas

Choć nie można tego zobaczyć gołym okiem to powietrze składa się z materii. Jak udawadniają spadochroniarze, w powietrzu można nurkować jak w wodzie. Opór jest znacznie mniejszy, ale jednak występuje. Otaczające nas powietrze składa się z niezliczonej ilości unoszących się, niewidzialnych cząsteczek i atomów. Mają one wpływ na ilość promieniowania słonecznego dochodzącego do Ziemi, a zdarza się, że wchodzą w  reakcje między sobą. Małe cząstki mogą się łączyć w większe, a na nich może np. kondensować woda i tworzyć krople chmurowe. Gdy jest ich dostatecznie dużo to są widoczne jako chmury na niebie. 

Skład

Jeśli nie uwzględnimy wody to otaczające nas powietrze składa się z:

78,08 % azotu (N₂)
20,95% tlenu (O₂)
0,93% argonu (Ar)

Te trzy gazy stanowią 99,96% powietrza. A co z dwutlenkiem węgla, metanem, ozonem, węglowodorami i innymi gazami w powietrzu, o których pewnie słyszałeś? Dwutlenek węgla jest najbardziej powszechnym spośród tych gazów śladowych i stanowi około 0,037% powietrza. Wszystkie pozostałe gazy występują w niewielkich ilościach. Statystycznie, na każdy milion cząsteczek powietrza zwykle przypada mniej niż jedna cząsteczka któregoś z tych gazów. Niemniej jednak, są one niezwykle ważne dla naszego klimatu. 

Zasięg atmosfery

Patrząc w niebo łatwo możemy przeszacować grubość atmosfery, podczas gdy naprawdę jest to bardzo cienka warstwa otaczająca Ziemię. Jeśli podróżujemy samolotem na wysokości 11-12 km (czyli na granicy między troposferą i stratosferą), to około 75% cząstek powietrza znajduje się pod nami. To oznacza, że warstwa atmosfery o miąższości poniżej 1/1000 promienia Ziemi (12800 km) zawiera 3/4 całej jej masy. Dla porównania: jest to równoważne warstwie śniegu o grubości poniżej 1 cm leżącej na 4-piętrowym budynku. W tej cienkiej warstwie atmosfery tworzą się chmury i zachodzą wszystkie zjawiska pogodowe. 

Zmiany temperatury z wysokością i budowa atmosfery

Nie możemy zobaczyć poszczególnych warstw atmosfery, ale możemy zmierzyć jak temperatura zmienia się wraz ze wzrostem wysokości. Te zmiany temperatury są podstawą do wydzielenia następujących warstw atmosfery:

- troposfera, najniższa warstwa atmosfery, gdzie temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości, 
- w stratosferze, położonej powyżej, temperatura wzrasta wraz ze wzrostem wysokości,
- powyżej stratosfery znajduje się mezosfera, gdzie temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości,
- termosfera jest najwyżej położoną warstwą atmosfery i tam temperatura wzrasta wraz ze wzrostem wysokości.

Pomiędzy wyróżnionymi warstwami atmosfery znajdują się strefy, gdzie rozkład pionowy temperatury ulega zmianie. Nazywamy je "-pauzami". I tak pomiędzy troposferą i stratosferą znajduje się tropopauza. Powyżej stratosfery występuje stratopauza. Mezopauza oddziela mezosferę od termosfery i jest to najzimniejszy obszar atmosfery. Temperatura może tam spaść aż do -100 ^oC!

W przeciwieństwie do temperatury, ciśnienie i gęstość powietrza stopniowo obniżają się wraz ze wzrostem wysokości, a powietrze staje się coraz rzadsze. Jeśli przyjmiemy, że w określonej objętości powietrza przy powierzchni Ziemi znajduje się 1000 cząsteczek tlenu, to na wysokości 50 km ta sama objętość powietrza będzie zawierać tylko jedną  cząsteczkę tlenu.

Wzajemne oddziaływanie światła i powietrza 

Słońce dostarcza Ziemi energii, która jest pochłaniana przez podłoże (wody i lądy) i zamieniana na ciepło. Czym dalej od powierzchni Ziemi - tym zimniej. Ten proces kształtuje zmiany temperatury w troposferze, najniższej warstwie atmosfery. 

Co powoduje zmiany temperatury w stratosferze? Powietrze staje się cieplejsze jeśli jego cząsteczki mogą same pochłaniać energię słoneczną. W stratosferze taką rolę odgrywają cząstki ozonu tworzące warstwę ozonową. Właściwości tych cząsteczek mają ogromne znaczenie dla naszego klimatu. Ilość energii jaką pochłania cząsteczka zależy od własności samej cząsteczki i od długości fali świetlnej. 

Animacja po prawej stronie pokazuje trzy przykłady:

• Mikrofale mają mało energii. Mogą wprawić cząsteczki w ruch, ale nie mogą rozbić wiązań chemicznych.
• Promieniowanie podczerwone (ciepło) jest nieco silniejsze. Wprawia cząsteczki w wibracje. Atomy przemieszczają się i długości wiązań ulegają zmianie. Takie zjawisko zachodzi gdy gazy cieplarniane pochłaniają promieniowanie cieplne (podczerwone)wypromieniowane z podłoża.
• Promieniowanie ultrafioletowe (UV) ma jeszcze więcej energiii może rozerwać wiązania chemiczne. Taki proces zachodzi gdy ozon w warstwie ozonowej pochłania energię słoneczną.
  

Pochłanianie energii docierającej ze Słońca przez ozon w stratosferze powoduje zatrzymanie jej tam i dlatego temperatura w stratosferze wzrasta wraz z wysokością. Jest to podobne do procesu, który zachodzi w termosferze, ale tam to tlen i azot pochłaniają promieniowanie słoneczne. Promieniowanie to niesie ze sobą tyle energii, że nie tylko rozrywa wiązania, ale powoduje tworzenie się naładowanych atomów i cząstek zwanych jonami, dlatego też tą warstwę nazywa się czasem jonosferą.

O tej stronie:

Autor: Dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
ostatnia aktualizacja: 2004-12-18
tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa - Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ, Kraków