Skład i budowa atmosfery

Atmosfera, Pierwiastki, Gazy, Temperatura, Powłoka ozonowa, Dziura ozonowa,Troposfera, Stratosfera, Mezosfera, Termosfera, Egzosfera

Atmosfera jest powłoką gazową otaczającą kulę ziemską. Nie ma ściśle określonego kształtu i trudno ustalić jej objętość. Atmosfera podlega przyciąganiu ziemskiemu. Jest mieszaniną gazów i aerozoli.

Niektóre z nich to stałe składniki atmosfery, gdyż nie zmieniają swych proporcji w objętości powietrza. Należą do nich: azot, tlen, argon, neon, hel, krypton.

W atmosferze występują także składniki zmienne, których zawartość jest zróżnicowana w czasie i przestrzeni. Zmiany zawartości tych składników mogą być związane na przykład z występowaniem erupcji wulkanicznych. Składniki zmienne to przede wszystkim: para wodna, dwutlenek węgla, ozon, siarkowodór, dwutlenek siarki, amoniak, freony. Tak więc atmosfera ziemska składa się z następujących składników (nazwa, wzór chemiczny - zawartość procentowa):

• Azot N₂- 78,1%

• Tlen O₂- 20,9%

• Argon Ar - 0,93%

• Inne: dwutlenek węgla, para wodna, neon, hel, kryptom, wodór, ozon

Trzy pierwsze składniki zajmują 99,96% w jednostce objętości powietrza. Zawartość dwutlenku węgla wynosi średnio 0,03%. Na pozostałą objętość stanowiącą zaledwie 0,01% składa się szereg pozostałych gazów, występujących w śladowych ilościach. Zawartość pary wodnej waha się przy powierzchni ziemi od 0% w krainach polarnych do 4% w strefie równikowej. Para wodna w 86% pochodzi z wyparowywania oceanów, a 14% z powierzchni lądów. Odgrywa ona bardzo istotną rolę w wymianie ciepła miedzy powierzchnią Ziemi i atmosferą, gdyż na potrzeby wyparowywania wody potrzebna jest energia cieplna, która potem jest zwracana do atmosfery podczas procesu skraplania.

Tlen w atmosferze jest niezbędny w procesach oddychania, palenia i gnicia. Postacią tlenu jest ozon O_3, Który występuje w znikomych ilościach przy powierzchni ziemi, natomiast w stosunkowo dużych na wysokości 15-55 km, z maksymalną koncentracją w warstwie 25-30 km. W górnych warstwach atmosfery powstaje on przy przemianie tlenu pod wpływem cząsteczek ultrafioletowych, natomiast w dolnych warstwach powstaje na skutek wyładowań elektrycznych. Gaz ten w dużym stopniu pochłania także promieniowanie ultrafioletowe Słońca, które jest szkodliwe dla życia biologicznego.

Azot wyzwala procesy spalania oraz przemiany materii, służy także roślinom do wytwarzania białka. Zawartość dwutlenku węgla w atmosferze ulega dużym wahaniom. W dzień jest go mniej niż w nocy. Ilość dwutlenku węgla jest wyższa także w wielkich miastach. Do składników atmosfery zalicza się także unoszące się w powietrzu cząstki ciekłe i stałe zwane aerozolami atmosferycznymi. Są to pyły pochodzenia organicznego (bakterie, pyłki roślinne) lub nieorganicznego (cząsteczki dymu, sadzy, popiołu, cząstki soli). Najmniej cząsteczek aerozoli odnotowuje się w wysokich górach, najwięcej natomiast nad morzem oraz w wielkich ośrodkach przemysłowych.

Skład atmosfery do wysokości kilkudziesięciu kilometrów praktycznie nie ulega zmianie. Maleje jedynie jej gęstość. Do wysokości 200 km w zawartości przeważa azot, powyżej wzrasta udział tlenu. W warstwach najwyższych głównymi składnikami są wodór i hel. Górna granica atmosfery jest nie do ustalenia. Badania prowadzone z powierzchni Ziemi sięgają 30 km. O istnieniu atmosfery powyżej tej wysokości dowiadujemy się głównie dzięki zachodzącym zjawiskom optycznym. Obecnie przyjmuje się że atmosfera ziemska sięga do wysokości 2000 km, choć jej ślady były zauważalne na wysokości powyżej 20 000 km.

Budowa atmosfery

W miarę wzrostu wysokości temperatura powietrza, ciśnienie oraz gęstość atmosfery ulegają zmianie. Pionowe zróżnicowanie atmosfery stało się podstawą do wyróżnienia pięciu głównych jej warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery i egzosfery. Podział ten został przyjęty głównie w oparciu o termiczną strukturę atmosfery. Wytyczono także pomiędzy nimi warstwy przejściowe i nazwano je: tropopauza, stratopauza i mezopauza.

Budowa atmosfery. Źródło: Google images

 

Troposfera

Jest najniższą i najcieńszą warstwą atmosfery, stanowi ok. 80% jej całkowitej masy. Górna jej granica zmienia się w zależności od pory roku i od szerokości geograficznej. Nad biegunami sięga ona do 7 km w zimie i do 9 km w lecie. W umiarkowanych szerokościach geograficznych od 10 km w zimie do 13 km w lecie. Nad równikiem zasięg troposfery waha się od 15 do 17 km przez cały rok.

Zróżnicowana grubość troposfery wynika głównie z różnic nagrzewania się obszarów leżących na różnych szerokościach geograficznych. W troposferze występuje spadek temperatury powietrza prze wzroście wysokości o 0,6°C na 100 m. W miarę wzrostu wysokości zmniejsza się także wilgotność. Spowodowane jest to spadkiem ciśnienia atmosferycznego przeciętnie o 11,5 hPa na 100 m. Troposfera zawiera w sobie prawie całą zawartość pary wodnej w atmosferze, dlatego więc w tej warstwie zachodzą procesy kształtujące pogodę oraz klimat. W średniej troposferze na wysokości 1-6 km przeważają poziome ruchy powietrza i na tej wysokości powstaje większość chmur.

W górnej troposferze (powyżej 6 km) przeważają wiatry zachodnie wiejące z dużymi prędkościami. Wiatry te są szczególnie silne przy granicy z tropopauzą i noszą nazwęprądów strumieniowych. Temperatura w górnej części troposfery wynosi zależnie od pory roku i szerokości geograficznej od ok. -45°C do ok. -80°C. Warstwa, w której kończy się spadek temperatury przy wzroście wysokości nazywa się tropopauzą.

 

Stratosfera

Kolejna warstwa atmosfery sięga do wysokości 50-55 km. W jej części dolnej do 25 km obserwujemy stałą temperaturę -55°C. W górnej części stratosfery (25-50 km) temperatura wzrasta osiągając wartości dodatnie. Wzrost temperatury na tej wysokości spowodowany jest występowaniem ozonu w tej warstwie, który powstaje na skutek działania promieniowania ultrafioletowego na cząsteczki tlenu. Większość docierającego promieniowania jest pochłaniana przez tę warstwę i zamieniana na ciepło.

Obszar maksymalnej koncentracji ozonu nazywany jest ozonosferą. Ozonosfera jest warstwą ochronną bardzo ważną dla życia na Ziemi. Chroni przed promieniowaniem ultrafioletowym, które jest szkodliwe dla organizmów żywych. Część ozonosfery o znacznie zmniejszonej zawartości ozonu to dziura ozonowa. Powstaje ona na skutek przedostania się do stratosfery freonów. Na skutek zetknięcia się freonów z promieniowaniem ultrafioletowym zostaje uwolniony chlor, który niszczy cząsteczki ozonu wchodząc w reakcję z tlenem.

Zjawisko dziury ozonowej najsilniej widoczne jest nad Antarktydą, gdyż wiatry stratosferyczne spychają powietrze wzbogacone w ozon znad równika w stronę biegunów. Biegun południowy otrzymuje mniej powietrza zawierającego ozon. Stratosfera na wysokości 50- 55 km przechodzi w warstwę graniczną zwaną stratopauzą.

Rozmiary dziury ozonowej nad Antarktydą we wrześniu 2006. Źródło: Wikipedia 

Mezosfera

Mezosfera sięga do wysokości 80 km nad powierzchnię Ziemi. Charakteryzuje się stałą temperaturą w jej dolnej części, a następnie silnym jej spadkiem do -90°C. Jest to warstwa, gdzie obserwuje się najniższe temperatury w całej atmosferze. Mezosferę kończy warstwa przejściowa - mezopauza znajdująca się na wysokości 80-85 km.  

 

Termosfera

Warstwa ta wyróżnia się wysokimi i stale rosnącymi temperaturami. W tej części atmosfery gaz jest bardzo rozrzedzony i silnie nagrzany przez docierające tu bez przeszkód promieniowanie słoneczne. Na wysokości 120 km temperatura osiąga wartość ok. 100°C, natomiast na wysokości kilkuset kilometrów: 1000°C. W termosferze niekiedy wyróżnia się dwie warstwy: jonosferę leżącą na wysokości 800- 1000 km oraz egzosferę, położoną wyżej. Egzosfera przechodzi w przestrzeń kosmiczną bez wyraźnej granicy. W jonosferze występuje zjawisko jonizacji atomów (atomy zostają obdarzone dodatnim bądź ujemnym ładunkiem elektrycznym), oraz pochłanianie promieniowania słonecznego przez zjonizowany tlen, azot, hel, wodór. W jonosferze jony dodatnie, lub ujemne grupują się tworząc warstwy:

• Warstwa D (70-80 km od gruntu)

• Warstwa E (120-150 km od gruntu)

• Warstwa F (250-2600 km od gruntu)

Dla człowieka szczególne znaczenie mają tzw. Warstwa E z przewagą jonów dodatnich oraz warstwa F z przewagą jonów ujemnych. Warstwy te odznaczają się zdolnością odbijania fal radiowych. Umożliwiają w ten sposób łączność radiową nawet na bardzo wielkie odległości. W jonosferze zachodzi także zjawisko zorzy polarnejwywołanej oddziaływaniem Słońca. Zorza polarna powstaje poprzez wyrzucane przez Słońce elektrony i protony, które natrafiając na atmosferę ziemską, pobudzają azot oraz wodór i w wyniku reakcji dochodzi do zjawiska świetlnego.

W jonosferze zachodzi interesujące zjawisko świetlne zorzy polarnej. Źródło: Wikipedia

 

Egzosfera

Jest to najwyższa warstwa atmosfery rozciągająca się od około 800 km do nieokreślonej bliżej granicy. Cechuje się ona bardzo silnym rozrzedzeniem, oraz bardzo dużą prędkością cząsteczek gazów. Egzosfera jest uważana za strefę przejściową pomiędzy atmosferą a przestrzenią kosmiczną