Atmosfera Ziemi

Atmosfera Ziemi

Wykład 1

Wykład 1

Atmosfera ziemska jest fizyczną mieszaniną

Atmosfera ziemska jest fizyczną mieszaniną

gazów, która otacza kulę ziemską i przechodzi

gazów, która otacza kulę ziemską i przechodzi

dyfuzyjnie w przestrzeń kosmiczną.

dyfuzyjnie w przestrzeń kosmiczną.

Wynika z tego, że:

Wynika z tego, że:

1

1

. Składniki atmosfery - pierwiastki i związki chemiczne - nie

. Składniki atmosfery - pierwiastki i związki chemiczne - nie

wchodzą ze sobą w reakcje chemiczne w normalnych

wchodzą ze sobą w reakcje chemiczne w normalnych

warunkach, np. tlen i azot istnieją w tej mieszaninie gazowej

warunkach, np. tlen i azot istnieją w tej mieszaninie gazowej

i nie reagują ze sobą (w specjalnych warunkach, np. podczas

i nie reagują ze sobą (w specjalnych warunkach, np. podczas

wyładowań atmosferycznych, powstają jednak tlenki azotu).

wyładowań atmosferycznych, powstają jednak tlenki azotu).

2. Atmosfera ziemska nie ma określonej górnej granicy. Jej

2. Atmosfera ziemska nie ma określonej górnej granicy. Jej

gęstość, największa przy powierzchni ziemi, maleje wraz z

gęstość, największa przy powierzchni ziemi, maleje wraz z

wysokością, aż w końcu staje się nieodróżnialna od gęstości

wysokością, aż w końcu staje się nieodróżnialna od gęstości

materii międzygwiezdnej.

materii międzygwiezdnej.

Właściwości fizyczne atmosfer planet typu

Właściwości fizyczne atmosfer planet typu

ziemskiego

ziemskiego

(J.A. Wood 1983)

(J.A. Wood 1983)

Temperatura

powierzchniowa

Ciśnienie

powierzchniowe

Skala

Masa

wysokości atmosfery

(

0

C)

(hPa)

(km)

(kg m

-3

)

Planeta

Wenus

Ziemia

Mars

468

15

-63

92000

1013

6,36

15,9

8,5

11,1

65

1,22

0,02

Obecna atmosfera swym składem

Obecna atmosfera swym składem

nie przypomina składu mieszaniny

nie przypomina składu mieszaniny

gazów wulkanicznych

gazów wulkanicznych

Nazwa

gazu

Skład (%w całej objętości)

Gaz

wulkaniczny

Obecna

atmosfera

N

2

1,29

78,08

O

2

-

20,95

H

2

O

79,31

1-2

CO

2

11,61

0,03

Ar

0,04

0,93

Ewolucja atmosfery ziemskiej

Ewolucja atmosfery ziemskiej

CO

2

N

2

Większość pary wodnej skondensowała
tworząc oceany i morza

Większość CO

2

po rozpuszczeniu

w oceanach wytworzyła osady węglanowe
CaCO

3

– kalcyt i CaMg(CO

3

)

2

Azot cząsteczkowy jest obojętny chemicznie.
Cały azot uwalniany z wnętrza ziemi
zakumulował w atmosferze.

O

2

Nie powstał w wyniku działania wulkanów.
Powstał z H

2

O i CO

2

w procesie

fotechemicznym (okres „gorącej planety”
a następnie w wyniku fotosyntezy

H

2

0

Tempo zwiększania się stężenia O

2

w atmosferze ziemi

Czas

Stężenie tlenu

w % obecnego

stężenia

2 miliardy lat
temu

1

1 miliard lat
temu

5

670 milionów lat
temu

7

550 milionów lat
temu

10

400 milionów lat

temu

100

Jednostki określające stosunek zmieszania

Jednostki określające stosunek zmieszania

często używane:

bardziej poprawnie:

oznacza:

Czy możesz wyobrazić sobie jeden ppb?

ppb = części na miliard

 1 Hindus na całe Indie, 1 cent na 10 mln euro, 1 sekunda na 32 lata. 

ppm

µmol / mol = 10

-6

(części na milion)

(micromol / mol) 1 na 1

000 000

ppt

pmol / mol = 10

-12

(części na bilion)

(pikomol / mol)

1 na 1 000 000 000

000

ppb

nmol / mol = 10

-9

(części na miliard)

(nanomol / mol 1 na 1 000

000 000

A jeden ppt?

ppt = części na bilion

1 znaczek pocztowy na obszar wielkości Paryża ...

99,99
%

ppb

ppm

OBECNY SKŁAD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ

OBECNY SKŁAD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ

Składniki
główne

Składniki
drugorzędne

Domieszki

13 700 km

3

25 mm

1000 mm

40 x

Para wodna w atmosferze

Średnia roczna globalna suma opadów ??

Zawartość pary wodnej w atmosferze 10 lipca 1989
roku

Pionowy rozkład koncentracji gazów w atmosferze

Pionowy rozkład koncentracji gazów w atmosferze

Atmosfera ziemska zmienia się również obecnie …

Atmosfera ziemska zmienia się również obecnie …

Parametr

Gaz

CO

2

CH

4

CFC-

11

CFC-

12

N

2

O

Koncentracja

w okresie

przed-

przemysłowym

280

ppm

0,8

ppm

0

0

288

ppb

Koncentracja
w 1990 r

353

ppm

1,72

ppm

280

ppt

484

ppt

310
ppb

Obecne tempo
wzrostu
koncentracji

1,8

ppm

0,5%

0,015

ppm

0,9%

9,5

ppt

4%

17

ppt

4%

0,8

ppb

0,25%

Czas życia
w atmosferze

50-

200

10

65

130

150

Egzosfera

Troposfera

Stratosfer
a

Mezosfera

Termosfer
a

Egzosfera

10 km

40 km

50 km

300 km

powyżej 400 km

BUDOWA ATMOSFERY

BUDOWA ATMOSFERY

1

500

200

100

50

20

10

5

2

2000

10000

1000

Mt. Everest

Mt. Blanc

Śnieżka

100º

-50º

50º

0º

TROPOSFERA

STRATOSFERA

MEZOSFERA

TERMOSFERA

MAGNETOSFERA

5000

O

3

EGZOSFERA

JONOSFERA

D

E

F

1

F

2

1000

100

1

10

-2

10

-4

10

-6

10

-8

10

-10

hPa

10

-5

cm

10

-4

cm

1 cm

1 km

100 km

90%

99,5%

99,999%

Budowa atmosfery ziemskiej

Budowa atmosfery ziemskiej

Średnia
droga
swobodna
cząsteczki

BUDOWA ATMOSFERY

BUDOWA ATMOSFERY

1 km

10 km

100 km

1000 km

Czas

1700

1800

1900

2000

1749

Balon na ogrzane

powietrze: 1783

Balon na wodór

1804

1903

1946

1942

Satelita meteo

1960

Eksploracja atmosfery….

TROPOSFERA

TROPOSFERA

Budowa planetarnej warstwy granicznej

Budowa planetarnej warstwy granicznej

Swobodna atmosfera

Warstwa
przejściowa

Warstwa
turbulencyjna

Warstwa
laminarna

P

L

A

N

E

TA

R

N

A

W

A

R

S

T

W

A

G

R

A

N

IC

Z

N

A

TROPOSFERA

TROPOSFERA

i dolna

i dolna

STRATOSFERA

STRATOSFERA

Zmiana

Zmiana

temperatury

temperatury
wraz z wysokością



























2

2

m

s

m

kg

S

g

m

P

Ciśnienie atmosferyczne na

Ciśnienie atmosferyczne na

dowolnym poziomie w

dowolnym poziomie w

atmosferze jest równe ciężarowi

atmosferze jest równe ciężarowi

słupa powietrza znajdującego się

słupa powietrza znajdującego się

ponad tym poziomem,

ponad tym poziomem,

przypadającego na jednostkę

przypadającego na jednostkę

powierzchni na wysokości h

powierzchni na wysokości h

dz

q(z)

)

(







h

z

g

P

g(z) – funkcja określająca zmianę

g(z) – funkcja określająca zmianę

przyspieszenia ziemskiego wraz ze

przyspieszenia ziemskiego wraz ze

zmianą wysokości nad poziomem

zmianą wysokości nad poziomem

morza,

morza,

q(z) – funkcja określająca zmianę

q(z) – funkcja określająca zmianę

gęstości atmosfery wraz ze zmianą

gęstości atmosfery wraz ze zmianą

wysokości nad poziom morza

wysokości nad poziom morza

Ciśnienie atmosferyczne

20

10

W

y

so

ko

ść

km

200 400 600 800 1000 hPa

Znając ciśnienie na poziomie

Znając ciśnienie na poziomie

Z

Z

1

1

i średnią temperaturę

i średnią temperaturę

warstwy powietrza zawartej

warstwy powietrza zawartej

pomiędzy poziomami Z

pomiędzy poziomami Z

1

1

i Z

i Z

2

2

można wyliczyć ciśnienie na

można wyliczyć ciśnienie na

poziomie Z

poziomie Z

2

2

ze wzoru:

ze wzoru:

Równowaga hydrostatyczna atmosfery

p

p e

g

R T

z z

m

2

1

2

1

 







(

)

g – przyspieszenie ziemskie

g – przyspieszenie ziemskie

R – stała gazowa

R – stała gazowa

1

0

c

m

1 m

Utajone

ciepło

parowania???:

2 450 000 J/kg

Dt = 6

o

C

Dt = 20

o

C

Energochłonność procesów ogrzewania powietrza i

Energochłonność procesów ogrzewania powietrza i

parowania

parowania

1 m

1 m

9

9

m

e

tr

ó

w

1
mm

1 m

1 litr (kilogram) wody

rozlany na powierzchni 1 m

2

hPa

°C

m

ZMIANA

ZMIANA

CIŚNIENIA I

CIŚNIENIA I

TEMPERATURY

TEMPERATURY

WRAZ ZWYSOKOŚCIĄ W ATMOSFERZE

WRAZ ZWYSOKOŚCIĄ W ATMOSFERZE

BUDOWA ATMOSFERY

BUDOWA ATMOSFERY