miniatura|La llum blava es dispersa més que les altres longituds d'ona per part dels gasos en l'atmosfera de la Terra, donant un halo de color blau quan es veu des de l'espai. Latmosfera terrestre és la capa fina de gasos dels quals depenen totes les formes de vida, distingeix aquesta atmosfera de la d'altres planetes en el sistema solar.Environmental Chemistry. A global perspective. Gary W. van Loon, Stephen J. Duffy. 2nd edition. Oxford University Press. 2005, United Kingdom. Entre els gasos presents, destaquen amb aproximadament quatre cinquenes parts el nitrogen, amb una cinquena part l'oxigen, i amb quantitats més petites altres gasos (argó, 0,93 %; diòxid de carboni, 0,035 %, etc.). L'atmosfera és fonamental per a la vida, ja que sense els gasos esmentats no hi hauria vida a la terra tal com la coneixem. L'aigua també és un component important de l'atmosfera, però té una concentració variable (de menys de 0,5 a 3,5 %). La mescla de gasos que constitueixen l'atmosfera s'anomena aire de forma genèrica.
L'atmosfera té una massa d'uns 5 × 1018 kg, tres quartes parts de la qual se situen en els primers 11 km per sobre la superfície terrestre. En augmentar l'altitud, l'atmosfera esdevé cada cop més prima fins al punt que no hi ha un límit definit entre l'atmosfera i l'espai exterior. La línia de Karman, a 100 km per sobre la superfície de la Terra, és sovint considerada com la frontera entre l'atmosfera i l'espai exterior.
L'estructura de l'atmosfera s'acostuma a dividir en diferents capes, cadascuna de les quals presenta una temperatura i una composició característiques.
Composició esquerra|miniatura|Vista del limbe de l'atmosfera de la Terra. Els colors aproximadament denoten les capes de l'atmosfera. miniatura|La imatge mostra la lluna al centre, amb el limbe de la Terra de fons en la transició cap a la troposfera de color taronja, la part més baixa i més densa de l'atmosfera de la Terra. La troposfera acaba a la tropopausa, que apareix a la imatge com el límit clar entre l'atmosfera de color taronja i de color blau. El blau platejat correspon a núvols mesosfèrics polars molt per sobre de la troposfera. Fotografia en la vertical a 391 km d'altitud. L'aire està compost principalment de nitrogen, oxigen i argó que conjuntament constitueixen el gasos majoritaris de l'atmosfera. Els gasos restants sovint són tinguts en compte com a gasos traça, entre els quals es troben els gasos d'efecte d'hivernacle, com ara vapor d'aigua, diòxid de carboni, metà, òxid de dinitrogen o ozó. L'aire filtrat també inclou traces d'altres compostos químics, com poden ser el neó, el criptó, el iode o l'amoníac. Moltes substàncies naturals poden estar present en petites quantitats d'una mostra d'aire sense filtrar, incloent pols, pol·len i espores, escuma de mar i cendra volcànica. Es poden trobar també diversos contaminants industrials, com clorur (elemental o en compostos), compostos fluorats, mercuri elemental, i compostos amb sofre, com el diòxid de sofre (SO₂).
miniatura|Proporcions dels gasos que componen l'atmosfera terrestre.
+Composició de l'atmosfera terrestre (aire sec, percentatges per volum)Source for figures: Carbon dioxide, NASA Earth Fact Sheet , (updated 2007.01). Methane, IPCC TAR table 6.1 , (updated to 1998). The NASA total was 17 ppmv over 100%, and CO₂ was increased here by 15 ppmv. To normalize, N₂ should be reduced by about 25 ppmv and O₂ by about 7 ppmv.ppmv: parts per milió per volum GasVolum nitrogen (N₂) 780,840 ppmv (78.084%) oxigen (O₂) 209,460 ppmv (20.946%) argó (Ar) 9,340 ppmv (0.9340%) diòxid de carboni (CO₂) 387 ppmv (0.0387%) neó (Ne) 18.18 ppmv (0.001818%) heli (He) 5.24 ppmv (0.000524%) metà (CH₄) 1.79 ppmv (0.000179%) criptó (Kr) 1.14 ppmv (0.000114%) hidrogen (H₂) 0.55 ppmv (0.000055%) òxid de dinitrogen (N₂O) 0.3 ppmv (0.00003%) xenó (Xe) 0.09 ppmv (9x10−6%) ozó (O₃) 0.0 a 0.07 ppmv (0% a 7x10−6%) diòxid de nitrogen (NO₂) 0.02 ppmv (2x10−6%) iode (I) 0.01 ppmv (1x10−6%) monòxid de carboni (CO) 0.1 ppmv amoníac (NH₃) tracesExclòs per ser aire en sec aigua (vapor) (H₂O) ~0,40% a nivell atmosfèric, en superfície: 1%-4% L'aire no està repartit de manera uniforme per tota l'atmosfera sinó que es troba concentrat prop de la superfície, comprimit per l'atracció de la gravetat, disminuint la densitat amb gran rapidesa conforme augmenta l'alçada. Així, en els 5,5 km més propers a la superfície es troba la meitat de la massa total de l'aire, i per sota dels 15 km està el 85% de tota la matèria atmosfèrica. Es poden distingir dues regions amb diferent composició, l'homosfera i l'heterosfera.
La concentració atmosfèrica d'oxigen a la Terra assolí un 1% fa aproximadament 1.000 milions d'anys. Tanmateix, encara passarien centenars de milions d'anys abans que la formació de la capa d'ozó permetés la colonització dels medis terrestres pels éssers vius. No fou fins a l'albada del Carbonífer, fa uns 350 milions d'anys, que el nivell d'oxigen arribà al 21% que encara es manté avui en dia.
Homosfera
L'homosfera ocupa els 80 km inferiors de l'atmosfera i té una composició constant i uniforme, ja que aquesta no depèn del pes molecular perquè els gasos estan ben barrejats degut a les turbulències. Aquesta capa inclou la troposfera, l'estratosfera i la mesosfera (vegeu Estructura de l'atmosfera).
Heterosfera L'heterosfera s'estén des dels 80 km fins al límit superior de l'atmosfera (uns 10.000 km). Aquesta capa està estratificada, és a dir, formada per diverses capes amb composició diferent, a causa del diferent pes dels gasos. Els gasos més pesants es troben a la part més baixa i els més lleugers a la part més externa de la capa. 100 - 400 km - capa de nitrogen molecular 400 - 1.100 km - capa d'oxigen atòmic 1.100 - 3.500 km - capa d'heli 3.500 - 10.000 km - capa d'hidrogen
Efectes de la composició de l'atmosfera L'atmosfera té una gran importància en els cicles biogeoquímics. La composició actual de l'atmosfera és deguda a l'activitat de la biosfera (fotosíntesi), controla el clima i l'ambient en el qual vivim i engloba dos dels tres elements essencials (nitrogen i carboni), a part de l'oxigen. L'activitat de l'home està modificant la seva composició, com l'augment del diòxid de carboni o el metà, causants de l'efecte d'hivernacle; o l'òxid de nitrogen, causant de la pluja àcida.
Evolució de l'atmosfera miniatura|STS-133 Capes de l'atmosfera amb la sortida del Sol. La composició de l'atmosfera no s'ha mantingut estacionària, sinó que ha anat variant al llarg de 4500 milions d'anys degut a diverses causes. Les dades sobre sediments i roques antigues suggereixen que la Terra tenia una atmosfera diferent a la que presenta actualment, que és rica en nitrogen i oxigen. Una gran part dels gasos inicials es van perdre en l'espai exterior i no se sap amb certesa fins a quin punt l'atmosfera actual respon en la seva composició a la capa gasosa inicial, ni tan sols a la capa de fa 1.000 milions d'anys (m.a.) (és a dir, quan ja existien una capa superficial sòlida i una atmosfera relativament estable). Segurament una contribució important a la composició de l'atmosfera, en tots els períodes geològics, ha sigut la de les emanacions volcàniques, que possiblement varen condicionar les primeres formes de vida. Aquest aspecte i molts altres són encara objecte d'estudi; però, malgrat això, amb algunes limitacions i reserves, segons la seva composició, es poden establir diferents etapes evolutives de l'atmosfera:
Origen Tenint en compte la formació de la Terra a partir d'un procés d'acreció de protoplanetes, en el moment inicial la Terra pràcticament no tenia atmosfera. La menuda porció d'elements lleugers (hidrogen, heli) i les temperatures primigènies tan elevades van impedir la retenció dels gasos pel camp gravitatori de la Terra. Una certa porció d'hidrogen va quedar retinguda perquè es va combinar amb altres elements més pesants: amb carboni va formar metà (CH₄), amb el nitrogen, amoníac (NH₃) i amb l'oxigen, aigua (H₂O). Per tant, aigua, metà i amoníac componien bàsicament l'atmosfera primitiva, anomenada atmosfera I, de caràcter reductor, que va tenir una duració d'uns 600 m.a. Al llarg d'aquest temps, l'atmosfera es va enriquir amb emanacions de gasos procedents d'oclusions de l'escorça terrestre i d'activitat volcànica. La composició resultant podria haver sigut la següent: CH₄, NH₃ i H₂O als quals s'afegirien SO₂, CO, CO₂, N₂, H₂, S₂, H₂S, HF, HCl.
Així doncs, l'origen de l'atmosfera es produeix per: Pèrdua de la capa de gasos de la nebulosa original, (H i He) degut al vent solar. Augment de la massa de la Terra, fet que va generar un augment de la gravetat. Refredament de la Terra. Formació de l'atmosfera primitiva (amb una composició semblant a les emissions volcàniques actuals, és a dir, vapor d'aigua, diòxid de carboni, diòxid de sofre i nitrogen, amb molt poca quantitat d'oxigen).
Etapa prebiòtica Abans de la vida, l'atmosfera va patir una sèrie de canvis: la radiació energètica continuada d'agents interns (p.e.: radioactivitat, llamps i llampecs de les tempestes...) i externs (radiació solar UV, λ > 200 nm i λ < 300 nm) va propiciar la fotòlisi del vapor d'aigua, per la qual cosa en l'atmosfera van aparèixer l'oxigen i l'hidrogen moleculars. La combinació, per separat, de l'O₂ amb metà i amoníac possiblement va contribuir a la formació de més vapor d'aigua, CO₂ i N₂. La radiació UV va formar una primera i tènue capa d'ozó a partir de l'oxigen atmosfèric. La fotodissociació va disminuir a mesura que augmentava la capa d'ozó, i també, donat a la mateixa causa, l'atmosfera va començar a refredar-se. D'aquesta manera, una gran part del vapor d'aigua va condensar i va formar els oceans, arrossegant en el procés gran quantitat de gasos minoritaris atmosfèrics que contribuïren així a la formació de l'anomenada sopa nutritiva. Sembla que aquesta sopa nutritiva, per una sèrie de processos evolutius, va produir els primers microorganismes primitius anaerobis.
Etapa microbiològica (atmosfera II) En aquesta etapa van aparèixer els primers bacteris anaeròbics i fotosintètics (bacteris de sofre i cianobacteris) que van començar a produir oxigen passant d'una atmosfera de caràcter reductor a una de caràcter oxidant.
Etapa biològica (atmosfera III) Fa uns 570 milions d'anys, el contingut d'oxigen a l'atmosfera i als oceans va augmentar prou per a permetre l'aparició dels organismes aerobis i els eucariotes amb fotosíntesi més eficient, fet que es va traduir en un creixement ràpid del nivell d'oxigen. Aquesta atmosfera, dotada d'ozonosfera i permeable a la llum visible, va assegurar la persistència de la fotosíntesi, potenciant l'augment en la quantitat d'oxigen a l'atmosfera fins a la concentració actual (21%); així doncs, fa uns 400 milions d'anys, l'atmosfera contenia l'oxigen suficient com per a permetre l'evolució d'animals terrestres capaços de respirar aire. D'altra banda, aquest augment en la concentració d'oxigen va incrementar el gruix de la capa d'ozó, O₃, permetent la colonització de les terres emergides.
Estructura de l'atmosfera miniatura|Capes de l'atmosfera; troposfera i tropopausa, estratosfera i estratopausa, mesosfera i mesopausa i termosfera. Com a conseqüència de la compressibilitat dels gasos, la major part de l'atmosfera es troba prop de la superfície terrestre, comprimida pel seu propi pes. D'aquesta forma, en els primers 6 km hi ha el 50% de la massa total atmosfèrica i per sota d'una altitud de 15 km ja es concentra aproximadament un 85% d'aquesta massa.
La composició de gasos en l'atmosfera és gairebé la mateixa a diferents altituds, amb l'excepció important de la capa d'ozó. Tanmateix, l'atmosfera presenta un gradient de temperatura (canvi de la temperatura en funció de l'altitud) conegut gràcies a l'ús de sondes, que permet definir les diferents capes en les que es divideix l'atmosfera terrestre.Atmosphere: air pollution and its effects. Dana Desonie. Chelsea House. 2007, USA. .