2. BUDOWA I SKŁAD ATMOSFERY

Naturalne powietrze atmosferyczne składa się z powietrza suchego i pary wodnej oraz domieszek w postaci różnorodnych soli i zawiesin. W meteorologii przyjęto mówić o powietrzu suchym; parę wodną rozpatruje się osobno. Wprawdzie już Arystoteles stwierdził, że para wodna jest czymś różnym od powietrza, to dopiero 2000 lat później stało się jasne, że powietrze jest mieszaniną gazów.

2.1. GAZY WCHODZĄCE W SKŁAD POWIETRZA

John Mayow (1643-79) stwierdził, że powietrze składa się z dwóch części: jedna z nich „powietrze ogniste” podtrzymuje życie i płomień (chociaż nie uzyskał tlenu w czystej postaci), druga „powietrze duszące” - tego nie podtrzymuje. Dwutlenek węgla był pierwszym dostatecznie ściśle zidentyfikowanym gazem (Joseph Black 1728-99). Następnym wykrytym gazem był azot (Daniel Rutherfort 1749-1819) i krótko potem Joseph Priestley (1733-1804) i Carl William Scheele (1742-86) niezależnie od siebie odkryli i wyizolowali tlen. W roku 1894 Lord Rayleigh i Sir William Ramsay donieśli o nowym odkryciu czwartego gazu, chemicznie obojętnego i dlatego nazwanego argonem. Tak więc na krótko przed początkiem XXw. cztery główne składniki powietrza suchego zostały już poznane. W późniejszych latach ich zawartość została wyznaczona z większą dokładnością. Objętościowo stanowią one 99,997% całego składu atmosfery. Pozostałe to gazy szlachetne: neon, krypton, hel i ksenon oraz ozon i radon. Są ponadto śladowe ilości innych gazów.

Tab. 1. Procentowa zawartość gazów w jednostce suchego powietrza atmosferycznego do wysokości 80 km [1,3].

Nazwa gazu	Symbol	Ilość %
Azot	N2	78	,	840
Tlen	O2	20	,	946
Argon	Ar	0	,	934
Dwutlenek węgla	CO2	0	,	035
Neon	Ne	0	,	00181
Hel	He	0	,	00052
Metan	CH4	0	,	00020
Krypton	Kr	0	,	00014
Tlenek azotu	NO2	0	,	00005
Wodór cząst.	H2	0	,	00005
Ksenon	Xe	0	,	00001
Ozon	O3	0	,	00001

Masa atmosfery wynosi 5,27 x 10¹⁵ ton, co stanowi mniej niż jedną milionową masy Ziemi. Obserwacje wykazują, że powietrze jest bardzo dobrze wymieszane i dlatego skład suchej atmosfery jest na całej Ziemi stały, pomijając wahania zawartości CO₂, do wysokości około 80 km. W miarę wznoszenia się ku górze, skutkiem procesów chemicznych formują się warstwy.

W kierunku poziomym niejednorodność występuje tylko w najniższej warstwie. Jest ona uzależniona od szerokości geograficznej oraz modyfikowana przez pory roku i charakter środowiska, zwłaszcza podłoża. Niezależnie od warstw atmosfery istnieją wokół Ziemi dwa pasy radioaktywne zwane pasami van Allena, a utworzone dzięki istnieniu magnetyzmu ziemskiego „zbierającego” cząstki promieniowania słonecznego niesione przez wiatr słoneczny.

2. PIONOWY PODZIAŁ ATMOSFERY

Najpowszechniej przyjętym podziałem atmosfery jest podział oparty o kryterium termiczne. Warto zwrócić uwagę, że średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi 15 °C, ale na wysokości 10-12 km (tam, gdzie latają samoloty) już tylko -50, -60 °C. Średnie ciśnienie atmosferyczne to 1000 hPa, ale na wysokości 50 km ciśnienie osiąga ledwo 1 hPa. Znaczy to, że w miarę wzrostu wysokości temperatura spada

jak również w miarę wzrostu wysokości ciśnienie spada i to bardzo szybko !

Rys. 1 - Pionowy przekrój atmosfery

Przyjrzyjmy się teraz kolejnym warstwom, tj. -sferom i położonym między nimi obszarom przejściowym (od spadku do wzrostu temperatury i odwrotnie), czyli -pauzom.

Troposfera - dolna warstwa, bezpośrednio przy powierzchni Ziemi zawiera prawie 75% całej masy atmosfery, prawie całą parę wodną i pyły. Temperatura spada tu początkowo 6-7˚/1km (wolniej, bo jest więcej pary wodnej), potem 7-8˚/1km (szybciej - bo mniej pary wodnej). W troposferze zachodzą niemal wszystkie zjawiska związane z pogodą, tu obserwuje się ruchy pionowe powietrza, chmury, zaburzenia o charakterze cyklonalnym i inne. Górna granica troposfery to tropopauza, której podstawa w niskich szerokościach geograficznych zalega wyżej, a obniża się w kierunku biegunów. Inaczej mówiąc: troposfera jest najgrubsza około Równika, a najcieńsza przy biegunach. Przyjmuje się, że temperatura w obszarze tropopauzy jest stała, podobnie jak w pozostałych -pauzach.

Stratosfera leży ponad troposferą, temperatura zaczyna tu rosnąć, bo zwiększa się energia kinetyczna cząsteczek absorbujących promieniowanie słoneczne. Promieniowanie uV jest absorbowane przez ozon, który prawie w całości koncentruje się w stratosferze (stąd niekiedy nazwa „ozonosfera”). Jest tu bardzo mało pary wodnej, dlatego nie ma chmur. Między stratosferą i mezosferą jest stratopauza.

Mezosfera charakteryzuje się spadkiem temperatury do około -85˚C na wysokości 80 km. Niektórzy autorzy (np. Pettessen) nie wyróżniają tej warstwy, inni wolą nazwę „chemisfera” dla podkreślenia procesów chemicznych. Temperatura na wysokości mezopauzy (nie mylić z menopauzą) jest najniższa w całej atmosferze. Występują tu tzw. nocne obłoki świecące, które prawdopodobnie składają się z pyłów pokrytych mikrowarstewką lodu.

Powyżej mezopauzy jest termosfera ze wzrostem temperatury, przy czym jej górna granica nie jest ściśle określona (przyjmuje się 400-600 km). Tu zmienia się znacznie skład powietrza: cząsteczki większości gazów rozpadają się na pojedyncze atomy na skutek promieniowania słonecznego X i uV. Gazy mają tendencję do mieszania się, cięższe cząsteczki i atomy oddzielają się i opadają. Zastępują je lekkie atomy tlenu, a wyżej - jeszcze lżejsze atomy wodoru. Ważną rolę odgrywa tu jonizacja - jony i elektrony żyją tu dłużej, inaczej niż w troposferze (duże ciśnienie) i mezosferze, gdzie rekombinacja ładunków + i - następuje łatwiej. Dlatego występują tu zorze polarne, a warstwa (przynajmniej jej część) nazywana jest niekiedy „jonosferą”. Znaczenie jonosfery polega na tym, że ma ona zdolność odbijania fal radiowych. Z uwagi na niejednorodną strukturę jonosfery odbijanie może być wielokrotne. Fale świetlne i mikrofale (również elektromagnetyczne) przedostają się bez większych strat, dlatego widzimy mało zniekształcony obraz ciał niebieskich.

Niektórzy autorzy wyróżniają jeszcze egzosferę - od ponad 500-600 km, najbardziej zewnętrzną, słabo poznaną warstwę. Tu jest tak mała gęstość atmosfery (przeważa hel i wodór), że zderzenia bywają rzadkie, a droga swobodna długa, co umożliwia ucieczkę obojętnych cząsteczek w przestrzeń międzyplanetarną, poza obręb przyciągania ziemskiego, którego siła spada z kwadratem odległości. Nie dotyczy to jednak cząstek naładowanych.

2.3. KILKA UWAG O WYBRANYCH GAZACH

Trzy odmiany tlenu

Mówiąc o tlenie mamy na myśli tlen cząsteczkowy - O₂. Małą jego część (wagowo 1/400 000) stanowi ozon - O₃, w zewnętrznych warstwach atmosfery występuje tlen atomowy - O. Większość O₃ powstaje w górnej stratosferze i wykazuje tendencję do opadania - stąd największa koncentracja na wysokości 13-30 km. Niżej ślady O₃ są wynikiem wyładowań elektrycznych. O₂ dysocjuje na tlen atomowy gdy wchłonie ilość energii odpowiadającej fali <0,24µm, O₂+energia → O+O. Gdy atom tlenu zderzy się (zderzenie jest konieczne dla zachowania energii i pędu) z cząstką tlenu i dodatkowo cząstką obojętną (M), to O i O₂ łączą się: O₂+O+M (przy zderzeniu) → O₃+M. W obecności światła słonecznego ozon jest nietrwały i jeśli wchłonie energię o fali krótszej 1,1µm, powraca do postaci jedno- i dwuatomowej: O₃+energia→O₂+O, a tlen atomowy łączy się z ozonem tak, że O₃+O → O₂+O₂, a proces tworzenia się i rozkładu ozonu trwa nieprzerwanie. Oprócz cząstek tlenu O₂, które są najbardziej popularne, występuje jeszcze tlen atomowy (wysoko), o czym było wcześniej.

Para wodna

Powietrze nigdy nie jest zupełnie suche, koncentracja pary wodnej może sięgać 3% masy w obszarach wybrzeży tropikalnych, lecz są też miejsca, gdzie pary wodnej jest tak mało, że trudno to nawet zmierzyć. Para wodna jest niezbędna do tworzenia się chmur. Jej ilość maleje z wysokością, powyżej poziomu kondensacji występuje w ilościach śladowych. Na wysokości 1,5 km jest dwukrotnie mniej pary wodnej niż przy powierzchni Ziemi, choć ogólna gęstość powietrza potrzebuje na to około 5 km. Stosunkowo niewielkie różnice w ilości pary mogą powodować istotne zmiany w pogodzie.

Dwutlenek węgla

Około 99% CO₂ jest rozpuszczone w oceanach, ale zależy to od temperatury, stąd przy zmianach temperatury jest on pochłaniany lub wydzielany przez wodę w ilości około 10% całej zawartości CO₂ w powietrzu. Ma to wpływ na jego koncentrację przy powierzchni Ziemi, gdzie dodatkowo obserwuje się zmiany jego zawartości, będące skutkiem procesów spalania itp. Pionowy rozkład CO₂ w wyższych warstwach atmosfery nie jest dobrze znany.

---