Zemljina atmosfera

Atmosfera ne završava naglo. Ona polagano postaje rjeđa i postupno nestaje u svemiru. Ne postoji konačna granica između atmosfere i vanjskog svemira. Tri četvrtine mase atmosfere nalazi se unutar 11 km od površine planeta. Ona ima masu od 5×1018 kg, od čega 75 % se nalazi ispod 11 km iznad tla. U SAD-u se osoba koja putuje iznad visine od 80 km naziva astronautom. Visina od 120 km označava granicu gdje atmosferski utjecaji postaju vidljivi tijekom ulaska svemirske letjelice u atmosferu (veliko zagrijavanje). Također se često kao granicu atmosfere i svemira uzima Karmanova crta na udaljenosti od 100 km od površine.

Kemijski sastav atmosfere

Zrak je naziv za mješavinu plinova koji tvore Zemljinu atmosferu, te jedan od osnovnih životnih uvjeta, potreban prije svega za disanje i fotosintezu. Suhi zrak sadrži (po obujmu) 78,08% dušika, 20,95% kisika,, 0,93% argona i ostalih plinova u manjim količinama, kao što su staklenički plinovi, od kojih su najznačajniji vodena para, ugljikovog dioksid, metan, dušikovi oksidi i ozon. "Trace Gases", publisher=Ace.mmu.ac.uk, 2010.

Primjese u atmosferi su razne krute i tekuće čestice. Njihova količina i volumni udjeli u atmosferi nisu stalni. Krute čestice, koje su koloidalno raspršene u atmosferi dio su primjesa atmosfere, koji se naziva aerosol (lat. aero = zrak i solvere = rastaviti). Izvori aerosola mogu biti prirodni i umjetni (stvara ih čovjek). Aerosol može biti organskog i anorganskog podrijetla. U prirodnim uvjetima atmosfera nije nikada sasvim suha i čista. U atmosferi uvijek ima primjesa, od kojih je atmosfera mutna i vlažna. Prirodni izvori (jaki pustinjski vjetrovi, šumski i stepski požari, vulkanski pepeo, cvjetni pelud, spore i sl.) i umjetni izvori (posebno u gradovima i industrijskim regijama) mogu u zrak emitirati mnoštvo čestica aerosola, pa može nastati suha mutnoća, kao što su spojevi klora, fluora, sumpora, te živa.

Dodir atmosfere s litosferom i hidrosferom, je prostor u kojemu postoje najpovoljniji uvjeti za postanak, razvoj i opstanak života na Zemlji. Atmosfera štiti površinu Zemlje od prekomjernog zagrijavanja danju i hlađenja noću (da nema atmosfere dneva temperatura bi bila preko 100 C°,a noćna ispod -100 C°), štiti je od opasnog Sunčevog kratkovalnog zračenja (posebno UV zračenja), te od opasnih kozmičkih zraka.

+Kemijski sastav suhog zraka, po obujmuIzvor slika: Ugljikov dioksid, NOAA Earth System Research Laboratory. Methane, Intergovernmental Panel on Climate Change TAR table 6.1 . NASA Plin Obujam Dušik (N2) 78,084% Kisik (O2) 20,946% Argon (Ar) 0,9340% Ugljikov dioksid (CO2) 0,039% Neon (Ne) 0,001818% Helij (He) 0,000524% Metan (CH4) 0,000179% Kripton (Kr) 0,000114% Vodik (H2) 0,000055% Dušikov suboksid (N2O) 0,00003% Ugljikov monoksid (CO) 0,00001% Ksenon (Xe) 0,000009% Ozon (O3) 0 do 7 %) Dušikov dioksid (NO2) 0,000002% Jod (I2) 0,000001% Amonijak (NH3) u tragovimaNije uključeno u gornji suhi zrak: Vodena para (H2O) ~0.40% po cijeloj atmosferi, uglavnom 1%-4% na površini

Različita područja u atmosferi Vertikalna je struktura atmosfere vrlo složena. Obično se po različitim kriterijima atmosfera dijeli na pojedine sfere. Uz već spomenutu podjelu atmosfere na homosferu i heterosferu s obzirom na kemijski sastav (turbopauza je granica između njih), atmosferu je moguće podijeliti i u odnosu na termička svojstva pojedinih dijelova, a isto tako i na osnovi stupnja ionizacije tj. električne vodljivosti pojedinih slojeva atmosfere. U geografiji posebno značenje ima podjela atmosfere prema temperaturi.

Podjela atmosfere prema temperaturi Prosječna temperatura atmosfere na površini Zemlje je 14 °C (287 K). "Earth's Atmosphere" "NASA - Earth Fact Sheet", publisher=Nssdc.gsfc.nasa.gov, 2010. "Global Surface Temperature Anomalies" "Earth's Radiation Balance and Oceanic Heat Fluxes" "Coupled Model Intercomparison Project Control Run"

Troposfera Troposfera je sloj koji leži uz površinu Zemlje. Najniži je, najgušći i najtopliji dio Zemljine atmosfere kojem je prosječna visina u srednjem pojasu 10-12 km, na ekvatoru 16-18 km, a na polovima samo 6-8 km. Ova razlika u visini posljedica je toga što je zrak u ekvatorskom pojasu izložen jačem Sunčevom zračenju i zagrijavanju, koje tamo jače utječe na širenje zraka nego u polarnim pojasima (Gay-Lussacov zakon).

Troposfera se dijeli na površinski sloj visok 2-3 km (peplogranica) i iznad njega advekcijski sloj. Premda zauzima vrlo malen dio cjelokupne atmosfere, ona predstavlja 75-80% Zemljine atmosfere. Razlog tome je što se zrak kao i svaki plin može komprimirati. Otud je tlak u donjim slojevima veći zbog vlastite težine viših slojeva i s visinom opada nelinearno.

U njoj se nalazi gotovo sva vodena para, a topli zrak se podiže s površine, dok se hladniji zrak iz većih visina spušta što je uzrok svih meteoroloških zbivanja na Zemlji odnosno vremenskih prilika.

Za troposferu je tipičan konstantan pad temperature za oko 0,65°C na svakih 100 m visine. Stoga je na granici troposfere, ovisno o njenoj visini, temperatura između -50°C (u polarnom pojasu) i -80°C (na ekvatoru).

Granicu sa stratosferom čini tropopauza u kojoj temperatura koleba i počinje rasti (ovisno o geografskoj širini i dobu godine). Das.uwyo.edu

Stratosfera Stratosfera je sloj koji se prostire između mezosfere i troposfere. Stratosfera se proteže od 18 km na ekvatoru (na polovima od oko 8 km) do visine od oko 55 km. U ovom sloju temperatura se neprestano povisuje od -55°C (na srednjim širinama i na polovima) odnosno od -85°C (na ekvatoru) te doseže 0°C. Tlak je oko 1/1000 atmosferskog tlaka.

Sloj je stabilan zbog temperaturne inverzije. Razlog leži u raspadanju molekularnog kisika (O2) u ozon (O3) pod utjecajem Sunčevih kratkovalnih (200 – 320 nm), ultraljubičastih zraka. Kisik apsorbira ove po čovjeka štetne zrake i pri tome se dijeli i vezuje u troatomski oblik kisika – ozon. Stratosfera sadrži 90% atmosferskog ozona.

Razaranje ozona predstavlja dvije različite pojave, koje su primjećene kasnih 1970-tih, a to su smanjenje količine ozona u ozonskom omotaču, za otprilike 0,4 % godišnje i ozonske rupe, pojava smanjenja stratosferskog ozona u listopadu, iznad Antartike. Uzroci tih dviju pojava su slični, ljudske aktivnosti stvaraju povećanu koncentraciju klora (Cl) i broma (Br), posebno ispuštanjem klorofluorovodika (freoni) i halona. Svaki atom Cl ili Br, može razbiti i preko 10 000 molekula ozona, prije nego što nestane iz stratosfere.

Mezosfera Mezosfera je sloj koji se nalazi iznad stratosfere i ispod termosfere. Temperatura u mezosferi pada s visinom, tako da gornja granica ili mezopauza, je najhladniji dio na Zemlji, gdje se temperature spuštaju ispod – 100 ºC. Visina i debljina sloja nisu precizno definirane, zbog učestalih i opsežnih promjena, u relativno kratkom vremenskom periodu. Ali najčešće se uzima da je donja granica mezosfere na 50 km, a gornja na skoro 100 km visine, osim u umjeronom pojasu i polovima, gdje je visina do 85 km. States Robert J., Gardner Chester S.: "Thermal Structure of the Mesopause Region (80–105 km) at 40°N Latitude. Part I: Seasonal Variations", journal = Journal of the Atmospheric Sciences, 2000.

Milijuni meteora ulazi u atmosferu, u prosjeku 40 tona na dan. Većina ih se topi i nestaje u mezosferi, kao rezultat sudara s plinskim česticama u mezosferi. Zbog toga je u mezosferi nešto veća koncentracija željeza i drugih metala, koji kasnije padaju na Zemlju. Mezosfera se nalazi iznad maksimalnih visina gdje lete zrakoplovi i ispod minimalnih visina za orbitalne svemirske letjelice. Ponekad se šalju u taj sloj istraživačke rakete, koje nose instrumente za mjerenja i naučne pokuse. Zato je mezosfera jedna od najslabije istraženih dijelova atmosfere. Tek nedavno su otkriveni crveni vilenjaci i plavi mlazevi, pojave koje se vežu uz nastajanje munja. "Atmosphere - Mesosphere"

Termosfera Termosfera je najveći sloj u Zemljinoj atmosferi, između mezosfere i egzosfere. Nalazi se na visini 90-500 km. Temperatura u termosferi raste do čak 1500°C radi ionizacije zraka (atomi u zraku postaju ioni zbog djelovanja Sunčevog zračenja). U termosferi je zrak izrazito rijedak, tako da se značajke atmosfere vrlo slabo osjete (najveći dio se nalazi iznad Kármánove crte na visini od 100 km na kojoj se smatra da počinje svemir). Međunarodna svemirska postaja ima stabilnu putanju u termosferi, negdje između 320 km i 380 km. Polarna svjetlost se javlja u termosferi. Ahrens C. Donald: "Essentials of Meteorology", published by Thomson Brooks/Cole, 2005.

U termosferi, na tim velikim visinama, ostaci atmosferskih plinova se raspoređuju slojevito, prema molekularnim masama. Temperatura se povećava s visinom i znatno ovisi o Sunčevoj aktivnosti. Ionizirane čestice u termosferi omogućuju prijenos radio valova na velike udaljenosti.

Egzosfera Egzosfera kao sloj je smješten iznad termosfere od koje ga odvaja egzobaza ili termopauza na visini od 800 do 3 000 kilometara. U egzosferi ima malo plinova vodika i helija te ona predstavlja kontakt Zemlje i svemira. Temperatura u egzosferi dostiže do +1500 °C. Zrak je izuzetno razrijeđen, a njegove čestice kreću brzinom od 11 km/s, a nalaze na međusobnoj udaljenosti od nekoliko stotina metara. Zbog toga ioni dušika i kisika odlaze u međuplanetrani prostor.

Iznad egzosfere se može izdvojiti još jedan sloj - geokorona, na visini od oko 100 000 kilometara. On se pretežno sastoji od iona vodika. Iznad egzosfere se nalazi i magnetosfera, koja štiti Zemlju od Sunčevog vjetra.

Podjela atmosfere prema elektromagnetskim svojstvima Ionosfera Ionosfera je ionizirani sloj u planetnoj atmosferi. Čestice koje tvore ionosferu su elektroni i pozitivni ioni. Zemljina ionosfera nalazi se na visinama između 50 i 600 km iznad Zemljine površine. Njene dimenzije jako variraju s promjenama dana i noći, godišnjih doba i Sunčeve aktivnosti. Ionosfera pokriva dio mezosfere, termosferu i egzosferu, koji je ioniziran Sunčevom radijacijom. Ona je važan dio atmosferskog elektriciteta i gornji dijelovi čine unutrašnji rub magnetosfere. Koristimo je za prijenos radio valova do dalekih mjesta na Zemlji.

Magnetosfera Magnetosfera se stvara kada struja električki nabijenih čestica, kao što je Sunčev vjetar, međusobno djeluju i skreću, zbog djelovanja Zemljinog magnetskog polja. U magnetosferi, mješavina iona i elektrona, i od Sunčevog vjetra i od zemljine ionosfere, je zarobljena s elektromagnetskim silama, koje su puno snažnije od gravitacije i sila sudaranja. Zemljina magnetosfera pruža zaštitu, bez koje život ne bi mogao preživjeti.

Usprkos imenu, ona nema oblik kugle. Kao i većina drugih planetarnih magnetosfera, ona ima ovalni oblik, kao kap rose, uglavnom zbog Sunčevog vjetra. Na strani Sunca, do njene granice je oko 70 000 km (10 do 12 zemljinih radijusa; Rz = 6371 km), od centra Zemlje. Granica magnetosfere (magnetopauza) na polovima je oko 15 Rz, a na suprotnoj strani od Sunca je 20 do 25 Rz. Područje repa magnetosfere se rasteže na udaljenosti od oko 200 Rz, a možda i više.

Van Allenovi pojasevi zračenja

Zemljina atmosfera

Źródło i licencja