SKŁAD I BUDOWA ATMOSFERY

Atmosfera rozciąga się ponad powierzchnią Ziemi na wysokości ok. 1,5 km. i w głąb Ziemi do litosfery i hydrosfery. Powietrze atmosferyczne wypełnia liczne przestrzenie między skałami, w glebie występuje w postaci powietrza glebowego. jest to gazowa otoczka i razem z Ziemią podlega przyciąganiu ziemskiemu. Składa się w przeważającej ilości z gazów ale także z kropel wody, kryształków lodu oraz z drobnych pyłów, pochodzących w większości z zanieczyszczeń przemysłowych.

Skład chemiczny to przede wszystkim azot- 77%, tlenu- 21%, argonu- około 1% i tyle samo wody, dwutlenek węgla, neon, wodór, hel ,metan, ksenon i krypton. Łączną masą atmosfery ocenia się na jedną milionową części masy planety Ziemia. Źródłem procesów zachodzących jest promieniowanie słoneczne. Z Ziemią stanowią nieodłączny element krążący w przestrzeni kosmicznej. Atmosfera wykazuje najprostszy i najbardziej stały skład. Pomijając zanieczyszczenia pyłem i spalinami w wielkich aglomeracjach i większych miastach, atmosfera cechuje się dużą stałością pod względem składu chemicznego. Jest to powodowane w dużej mierze prądami atmosferycznymi, zarówno poziomymi, czyli wiatry jak i pionowymi, które ciągle mieszają powietrze na kuli ziemskiej. Jedynie zawartość pary wodnej ulega zmianom, dlatego często jej zawartość nie jest podawana lub wskazuje się wartości zbliżone.

W atmosferze istnieje kilka warstw, różniących się między sobą własnościami i składem chemicznym. Stanowi układ dynamiczny, otwarty. Najwięcej powietrza zalega w najbliższej Ziemi warstwie atmosfery. 99,9 % powietrza znajduje się na wysokości do 100 km. Podział na sfery wynika z temperatury tu panującej, specyficznych warunków i różnego rodzaju zjawisk fizycznych.

Zmienne składniki atmosfery to:

– para wodna – występuje przede wszystkim w dolnej części atmosfery, do wysokości 10 km. Jej ilość zmienia się w zależności od miejsca i pory roku. Średnia zawartość pary wodnej w powietrzu wynosi 0,2-2,5%;

– dwutlenek węgla (CO2) – średnio w atmosferze zajmuje 0,03% objętości, lecz w XX wieku notowano stały wzrost jego udziału. Dwutlenek węgla przepuszcza krótkofalowe promieniowanie Słońca, lecz zatrzymuje długofalowe promieniowanie powierzchni Ziemi, przez co powoduje wzrost temperatury;

– ozon – skoncentrowany głównie na wysokości 20-30 km. Tworzy warstwę ochronną dla organizmów żywych, gdyż zatrzymuje promieniowanie ultrafioletowe. W ostatnim czasie zaobserwowano rozrzedzenie ozonu nad niektórymi obszarami Ziemi. Są to tzw. dziury ozonowe powstające w wyniku uwalniania się chloru, który wchodzi w reakcję chemiczną z tlenem, co niszczy ozon;

– aerozole – pyłki roślin, bakterie, cząsteczki soli, kryształki lodu i soli morskiej, pyły wulkaniczne i przemysłowe. Występują w przyziemnej części atmosfery. Ich zawartość systematycznie wzrasta.

Atmosfera wraz z wysokością zmienia swój skład chemiczny i cechy fizyczne – temperaturę, ciśnienie i gęstość powietrza. Odmienne są również zjawiska w niej zachodzące. Zmiany temperatury w przekroju pionowym atmosfery są podstawą wydzielenia warstw, zwanych sferami. Mieszanie się powietrza powoduje, że nie można między nimi wyznaczyć wyraźnych, liniowych granic. Granicami są cienkie strefy przejściowe, zwane pauzami. Ustalono, że nazwa pauzy pochodzi od nazwy sfery leżącej poniżej. Zaczynając od powierzchni Ziemi, w atmosferze wyróżniane są:

– troposfera – jej górną granicę wyznaczają pionowo wznoszące się prądy powietrza, których natężenie ulega zmianie w zależności od siły ciężkości, siły odśrodkowej i temperatury powietrza. Z tego względu troposfera sięga do wysokości 6-8 km nad biegunami, 10-11 km w średnich szerokościach geograficznych i 17-18 km nad równikiem. Najbardziej charakterystyczną cechą troposfery jest spadek temperatury wraz z wysokością średnio o 0,6° C na każde 100 m. Przy górnej granicy troposfery temperatura wynosi ok. –55 (–60)° C. Wraz z wysokością spada również ciśnienie średnio o 1 hPa na 11 metrów. Gęstość powietrza w troposferze jest bardzo duża, ponieważ skupia się w niej ok. 80% całej masy powietrza atmosferycznego oraz niemal 100% atmosferycznej pary wodnej i pyłów. Zachodzą tu procesy kształtujące pogodę i klimat, tj. kondensacja pary wodnej, tworzenie się chmur i powstawanie opadów, oraz występują poziome i pionowe ruchy mas powietrza;

– tropopauza – warstwa o grubości 0,5-1 km, temperaturze ok. –45 do – 60° C (zależnie od szerokości geograficznej), ciśnieniu ok. 200-280 hPa;

– stratosfera – sięga do wysokości ok. 50 km i skupia kilkanaście procent gazów atmosferycznych. W górnej części warstwy, pod wpływem promieniowania słonecznego, zachodzi przemiana tlenu w ozon – na wysokości 25-30 km wydzielono strefę ozonową, tzw. ozonosferę. Do wysokości ok. 25 km utrzymuje się temperatura powietrza, ok. –55° C, dopiero powyżej temperatura zaczyna wzrastać i dochodzi do 0° C przy górnej granicy stratosfery. Wzrost temperatury spowodowany jest pochłanianiem przez ozon promieniowania nadfioletowego. Promieniowanie nadfioletowe jest szkodliwe dla organizmów żywych, dlatego ozonosfera jest bardzo ważną warstwą chroniącą życie na Ziemi. W stratosferze wraz z wysokością spada ciśnienie atmosferyczne do ok. 1 hPa przy górnej granicy warstwy. W dolnej części stratosfery zachodzą bardzo silne, okrążające całą Ziemię, poziome ruchy powietrza, zwane prądami strumieniowymi. Mają one bardzo duże znaczenie, ponieważ przenoszą wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia i pyły oraz mają wpływ na kształtowanie się układów ciśnień w troposferze;

– stratopauza – warstwa o grubości ok. 5 km, temperaturze 0°C i ciśnieniu ok. 0,1-1 hPa;

– mezosfera – występuje na wysokości 50-85 km. Charakteryzuje się stałym spadkiem temperatury wraz z wysokością do ok. –120°C oraz ciśnieniem ok. 0,01 hPa;

– mezopauza – warstwa o grubości ok. 5 km, temperaturze ok. –120°C i ciśnieniu 0,001 hPa;

– termosfera – warstwa bardzo silnie rozrzedzonego powietrza na wysokości od 90 km do 500-800 km. Ciśnienie w termosferze jest bardzo niskie i na wysokości 500 km spada do 10-9 hPa. Temperatura w termosferze gwałtownie wzrasta i na wysokości 200 km osiąga wartość 400° C, a na wysokości 500 km – ponad 1000° C. Wzrost temperatury jest spowodowany pochłanianiem promieniowania słonecznego przez cząsteczkowy azot i tlen – jonizacja gazów. Z tego względu w dolnej części warstwy wydzielono jonosferę, w której dochodzi do odbijania fal radiowych, co umożliwia łączność na całym świecie. Zjonizowane atomy azotu i tlenu świecą. Zjawisko to nazwano zorzą polarną;

– egzosfera – zewnętrzna, bardzo słabo zbadana, warstwa atmosfery ziemskiej leżąca powyżej termosfery i stopniowo przechodząca w przestrzeń międzyplanetarną. W jej składzie chemicznym zmniejsza się zawartość tlenu i azotu, rośnie natomiast ilość wodoru i helu. Temperatura w egzosferze spada do –273° C. Ogromne rozrzedzenie gazów (ciśnienie spada do 10-10 hPa) pozwala na ujście w przestrzeń międzyplanetarną atomów wodoru, które na wysokości ok. 20 000 km tworzą tzw. koronę ziemską (geokoronę).