Troposfera

Najniższa warstwa atmosfery, zwana troposferą, rozciąga się od powierzchni Ziemi aż do górnej granicy występowania chmur. W tej części atmosfery temperatura powietrza spada wraz ze wzrostem wysokości. Pomiędzy troposferą a następną warstwą atmosfery, stratosferą, znajduje się tropopauza. Panuje tam temperatura około -50°C i jest to najchłodniejsze miejsce tak troposfery, jak też stratosfery. Tropopauza występuje na różnej wysokości, około 8 km nad biegunami i 15-18 km nad równikiem.

Para wodna

Gdy określamy skład chemiczny powietrza to nie bierzemy pod uwagę zawartości pary wodnej. Przy takim założeniu skład powietrza jest niemal jednakowy na całej Ziemi. Zawartość pary wodnej w powietrzu jest bardzo zmienna i zależna od temperatury powietrza. W zimnym powietrzu para wodna stanowi tylko około 0,1%, zaś w gorącym może stanowić nawet 4% masy. W górnej troposferze nad biegunami jest tak zimno, że powietrze zawiera mniej niż 1 g wody na kg powietrza. Nad równikiem, gdzie jest cieplej, ta wartość wzrasta do 30 g wody na kg powietrza. Ta ogromna zmienność czasowa i przestrzenna zawartości pary wodnej stanowi poważną trudność przy uwzględnianiu oddziaływania pary wodnej w globalnych modelach klimatycznych. 

Chcąc zrozumieć podstawowe procesy w troposferze powinniśmy pamiętać o kilku regułach:

1) ciepłe powietrze jako lżejsze unosi się. Z tego powodu powietrze w warstwie przygruntowej ulega wymieszaniu rano, gdy Słońce dostarcza energii, którą podłoże pochłania i zamienia na ciepło, które z kolei wypromieniowuje do atmosfery,
2) woda paruje i unosi się do wyższych (= chłodniejszych) obszarów wraz z powietrzem,
3) chłodniejsze powietrze nie może przyjąć tak dużych ilości pary wodnej. Następuje skraplanie (kondensacja), tworzą się chmury i może zacząć padać,
4) najniższe wartości temperatury występują w tropopauzie. Powietrze, a wraz z nim para wodna, przestaje się unosić gdy tam dotrze. Tylko niewielka część pary wodnej i różnych związków chemicznych dostarczanych z powierzchni Ziemi do troposfery może pokonać tropopauzę i dostać się do stratosfery.

W rezultacie procesy pogodowe (parowanie, tworzenie się chmur, deszczu czy śniegu) oraz większość procesów chemicznych zachodzących między substancjami dostarczanymi przez oceany, lądy i ludzką działalność zachodzi w troposferze.

Efekt cieplarniany i globalne ocieplenie 

Życie na Ziemi byłoby niemożliwe bez naturalnego efektu cieplarnianego. Gdyby nie gazy cieplarniane to temperatura na Ziemi byłaby niższa o około 33°C i średnio wynosiłaby -18°C zamiast obecnego 15°C. Para wodna i dwutlenek węgla są najważniejszymi gazami cieplarnianymi. Para wodna jest odpowiedzialna za około 60% naturalnego efektu cieplarnianego, dwutlenek węgla za 20%. Gazy cieplarniane stanowią "pułapkę" dla ciepła emitowanego przez podłoże i utrzymują je przy powierzchni Ziemi (w troposferze). Rycina 4 pokazuje jak działa "centralne ogrzewanie" naszej planety. 

4. Promieniowanie i obieg energii na Ziemi
autor: Elmar Uherek

(1) Słońce jest źródłem całej energii docierajacej do Ziemi.
(2) Promieniowanie słoneczne dociera do powierzchni Ziemi.
(3) Powierzchnia Ziemi nie pochłania całej energii słonecznej. Część jest odbijana z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Jasne powierzchnie (np. śnieg i lód) bardzo dobrze odbijają światło.
(4) Część światła słonecznego jest odbijana przez górną część chmur.
(5) Gazy i cząstki stałe znajdujące się w powietrzu pochłaniają (absorbują) promieniowanie słoneczne.
(6) Powierzchnia Ziemi pochłania promieniowanie słoneczne. Jest ono później wypromieniowywane z powrotem jako ciepło (długofalowe promieniowanie podczerwone), które ogrzewa Ziemię. 
(7) Część pochłoniętej energii jest zużywana na parowanie wody.
(8) Bardzo mała ilość promieniowania podczerwonego wraca bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną.
(9) Chmury nie tylko odbijają światło słoneczne, ale także pochłaniają promieniowanie cieplne Ziemi. Pochmurne niebo opóźnia wychłodzenie powierzchni Ziemi i powietrza, ogrzewa więc Ziemię jak kołderka. 
(10) W powietrzu znajdują się gazy, które pochłaniają promieniowanie podczerwone emitowane z powierzchni Ziemi. Nazywamy je gazami cieplarnianymi bo stanowią "pułapkę" dla ciepła i utrzymują je w pobliżu powierzchni Ziemi (w troposferze).

Które gazy działają jak gazy cieplarniane i co powoduje nasilenie efektu cieplarnianego?

Najważniejsze gazy cieplarniane, na których zawartość w powietrzu mamy wpływ przez naszą działalnośc to:

- dwutlenek węgla (CO₂), pochodzący głównie ze spalania paliw kopalnych,
- metan (CH₄), powstający wskutek procesów życiowych krów, owiec i innych przeżuwaczy, a także emitowany z pól ryżowych, wysypisk śmieci i składów ropy naftowej,
- chlorofluorowęglowodory (freony, CFC), używane w urządzeniach chłodniczych, a także do produkcji pianek i środków czystości,
- ozon troposferyczny (O₃), dostarczany głównie przez procesy przemysłowe i komunikację,
- tlenek azotu (N₂O), powstający wskutek procesów życiowych mikroorganizmów glebowych i nawożenia.

Procesy chemiczne

W troposferze zachodzi wiele reakcji chemicznych. Substancje chemiczne pochodzą z wielu źródeł, m.in. są dostarczane przez rośliny, przemysł, komunikację i oceany. Prawie wszystkie organiczne (oparte na węglu) związki w troposferze reagują z przynajmniej jednym z poniższych rodzajów chemicznych. To są główne utleniacze w atmosferze i potrafią one oczyścić powietrze ze szkodliwych substancji: 

• rodnik hydroksylowy - OH
• rodnik azotanowy - NO₃
• ozon - O₃.

Rodniki hydroksylowe tworzą się wskutek działania światła słonecznego i bardzo łatwo wchodzą w reakcje chemiczne. Nazywane są "proszkiem do prania atmosfery" bo wchodzą w reakcje prawie ze wszystkimi substancjami chemicznymi. Rodniki azotanowe tworzą się w nocy i o wschodzie Słońca. Oczyszczają zatem atmosferę nocą. Aby te związki i ozon mogły powstać są konieczne trzy "składniki": tlen, światło słoneczne i tlenki azotu (NO i NO₂). Dwa ostatnie związki oznacza się często łącznie jako NO_x. 

Smog ozonowy

Wysokie stężenie ozonu może powstać w troposferze wskutek występowania smogu ozonowego. Ozon występujący w przyziemnej warstwie powietrza jest szkodliwy dla zdrowia ludzkiego i dla roślin, dlatego też podjęto wiele badań aby stwierdzić jak się on tworzy.

7. Tworzenie się smogu ozonowego
autor: Elmar Uherek 
Kliknij na rycinę aby zobaczyć ją w powiększeniu! (100 K)

Zajrzyj do pola tematycznego  TROPOSFERA w Encyklopedii Klimatologicznej ESPERE aby dowiedzieć się więcej o efekcie cieplarnianym, ozonie troposferycznym i innych, pokrewnych zagadnieniach, np. pożarach lasów.

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