Atmosfera Ziemi

skład powietrza atmosferycznego, pionowa budowa atmosfery
zobacz także: dlaczego pogoda się zmienia

Atmosfera Ziemi spełnia rolę parasola ochronnego przed szkodliwym promieniowaniem z kosmosu i umożliwia życie na Ziemi. Stan fizyczny atmosfery, jej skład chemiczny i dynamika procesów w niej zachodzących wpływają na inne elementy środowiska, w tym także na warunki życia na Ziemi. W atmosferze, a szczególnie w jej przypowierzchniowej warstwie (troposferze) zachodzą procesy kształtujące pogodę i klimat na Ziemi.

Pogodą nazywa się aktualny stan atmosfery w danym miejscu. Określa ją stan składników, do których należą: temperatura powietrza, ciśnienie, wilgotność, wiatr, zachmurzenie, opady i osady atmosferyczne oraz inne zjawiska, np. burze. Stan składników jest efektem działania procesów: obiegu ciepła, wilgoci, krążenia powietrza, zwanych procesami klimatotwórczymi. Źródłem ich energii jest promieniowanie słoneczne. Stąd pogoda w danym miejscu zmienia się także w rytmie dobowym i rocznym. Na podstawie wieloletnich obserwacji przebiegu pogody w ciągu roku określa się klimat, czyli całokształt stanów pogody właściwy danej krainie. Składniki klimatu są takie same jak składniki pogody. Na przebieg procesów klimatotwórczych, a w rezultacie na zróżnicowanie klimatu na Ziemi wpływa kształt Ziemi i jej ruchy oraz zróżnicowanie powierzchni. Stąd do geograficznych czynników klimatycznych zalicza się przede wszystkim:

• szerokość geograficzną, wraz z którą zmienia się oświetlenie,
• rozkład lądów i mórz,
• wysokość nad poziomem morza,
• ukształtowanie terenu,
• prądy morskie,
• szatę roślinną,
• pokrywę śnieżną i lodową.

Efektem procesów klimatotwórczych i wpływu czynników klimatycznych jest charakterystyczny przebieg i rozkład na Ziemi poszczególnych elementów klimatu, tj. temperatury, ciśnienia, opadów.

Głównym źródłem ciepła na Ziemi jest promieniowanie słoneczne w postaci promieniowania krótkofalowego. Jest ono pochłaniane przez powierzchnie Ziemi, która, ogrzewając się, sama staje się źródłem promieniowania, tym razem długofalowego - cieplnego ogrzewającego powietrze. Temperatura powietrza w przygruntowej warstwie zależy zatem od ilości energii cieplnej wypromieniowanej przez grunt. W poszczególnych szerokościach geograficznych (strefach oświetlenia), wraz ze zmianami pór dnia i roku zmieniają się proporcje pomiędzy okresem i ilością dostarczanego ciepła do powierzchni gruntu o jego wypromieniowywaniem. Energia słoneczna dociera dociera tylko w ciągu dnia, a jej ilość zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się wysokości Słońca nad horyzontem. Maksymalna ilość dociera przy zenitalnym położeniu Słońca, a przy wysokości 30o ilość ta spada do połowy. Nocą następuje tylko utrata ciepła.

---

Skład powietrza atmosferycznego

Kula ziemska otoczona jest warstwą atmosfery. Warstwa ta w miarę oddalania się od powieszchni Ziemi stopniowo rzednie i w końcu zanika bez wyraźnej granicy. Według danych satelitarnych na wys. kilku tys. kilometrów znajduje się jeszcze powietrze. Powietrze atmosferyczne jest mieszaniną gazów. W przyziemnej warstwie atmosfery główne składniki suchego i czystego powietrza występują w następujących ilościach procentowych w stosunku do ogólnej objętości powietrza:
 

 
Do drugorzędnych składników powietrza, zajmujących zaledwie 0,01% ogólnej objętości powietrza, należą: neon, wodór, hel, krypton, ksenon, ozon, jod i inne. W przyziemnej warstwie atmosfery podane wyżej składniki suchego, czystego powietrza, a przede wszystkim azot, tlen i gazy szlachetne występują praktycznie rzecz biorąc, w stosunku stałym. Jest to spowodowane w głównej mierze ciągłym mieszaniem się powietrza atmosferycznego. Większym zmianom ulega jedynie zawartość dwutlenku węgla. Wykazuje ona dosyć wyrażny przebieg dobowy i roczny. Podczas dnia, szczególnie w ciepłej porze roku, stężenie CO2 przy powierzchni gleby maleje, a w nocy wzrasta. Minimum dzienne wywołane jest fotosyntezą i turbulencyjnym mieszaniem się powietrza rozrzedzającym CO2 w atmosferze. Maksimum nocne należy natomiast przypisać ustaniu fotosyntezy, trwającemu nadal oddychaniu, dopływowi tego gazu z gleby, a ponadto występującej często stagnacji przygruntowej warstwy powietrza. Zimą, wskutek spadku natężenia fotosyntezy, stężenie CO2 silnie wzrasta. Po rozpoczęciu wegetacji, kiedy na fotosyntezę zużywane jest więcej CO2 niż dopływ go z gleby, ilość tego gazu w atmosferze znacznie spada. Powietrze atmosferyczne zawiera ponadto bardzo ważny składnik, jakim jest para wodna, którą, podobnie jak CO2, zlicza się do zmiennych składników atmosfery. Poza wymienionymi składnikami w powietrzu atmosferycznym znajdują się produkty kondensacji pary wodnej oraz inne substancje przedostające się do atmosfery ze źródeł naturalnych lub na skutek działalności ludzkiej. Są to substancje stałe, gazowe i ciekłe, takie jak: pył pochodzenia organicznego i mineralnego, sól morska, zarodniki grzybów, bakterii, tlenki siarki, węgla, azotu fosforu, krople wody, kwas siarkowy itd. Wiele z nich, zwłaszcza pochodnych ze źródeł sztucznych, silnie zanieczyszcza powietrze, szczególnie w obrębie dużych miast i obszarów przemysłowych. Największe znaczenie dla życia na Ziemi mają: tlen, azot, dwutlenek węgla i para wodna.

Tlen - gaz ten odgrywa szczególną rolę w życiu na Ziemi. Niezbędny jest bowiem w procesach utleniania i oddychania. W procesie oddychania następuje utlenianie zgromadzonych przez rośliny i zwierzęta substancji organicznych, dzięki czemu wytwarza się energia dla wszystkich procesów życiowych. Zawartość tlenu zmniejsza się w ciasnych, zamkniętych pomieszczeniach przepełnionych ludźmi lub zwierzętami, a wzrasta tam stężenie CO2. Brak tlenu zagraża życiu jeżeli jego zawartość w powietrzu spada poniżej 10 - 12%. Jakkolwiek zapasy tlenu atmosferycznego są bez przerwy odnawiane poprzez fotosyntezę, to jednak coraz częściej mówi się o postępujących zmianach składu gazowego powietrza atmosferycznego, a zwłaszcza o niedoborze tlenu, ze względu na rosnące zużycie tego gazu w procesach spalania. Tlen powietrza glebowego przyśpiesza ponadto wietrzenie skał i minerałów, uczestniczy w mineralizacji związków organicznych i współdziała przy uruchamianiu składników pokarmowych pobieranych przez korzenie roślin.

Azot - jest to gaz chemicznie obojętny. Rozcieńcza tlen, przez co zmniejsza jego aktywność utleniającą. Wchodzi w skład wielu związków organicznych. Roślinom jest niezbędny jako składnik pokarmowy. Warunkuje syntezę substancji białkowych i powstawanie protoplazmy żywych komórek. Bakterie brodawkowe roślin motylkowych wiążą azot atmosferyczny i dzięki temu dostarczają im pokarmu. Po obumarciu roślin motylkowych wraz z ich korzeniami dostają się do roztworu glebowego związki azotowe. W glebie azot jest bezpośrednio wiązany przez niektóre bakterie wolno żyjące, glonu i grzyby. Azot atmosferyczny wykorzystywany jest również do produkcji nawozów azotowych.

Dwutlenek węgla - gaz ten jest cięższy od innych składników powietrza i dlatego ma tendencje do gromadzenia się w pobliżu powierzchni Ziemi. Mimo niewielkiej objętości, jaką zajmuje w powietrzu, CO2 jest ważnym składnikiem atmosfery przede wszystkim z tego względu, że uczestniczy w procesie fotosyntezy. O wyjątkowym znaczeniu CO2 dla roślin może świadczyć fakt, że węgiel stanowi 45-50% ich suchej masy. Jak wiadomo lądowe rośliny autotroficzne wytwarzają sub. organiczną z CO2 atmosferycznego, wody i związków mineralnych dopływających z gleby. Rośliny wodne wykorzystują CO2 rozpuszczony w wodzie. W procesie fotosyntezy wykorzystywane jest aż 1/5 ogólnej ilości CO2 zawartego w powietrzu i wodzie. Gaz ten dostaje się do atmosfery w wyniku spalania - szczególnie węgla i ropy naftowej, procesów wulkanicznych, oddychania, a przede wszystkim z gleby, gdzie, jak już wspomniano, powstaje w wyniku rozkładu związków organicznych. Pomimo stałego dopływu CO2 do atmosfery jego ilość w powietrzu atmosferycznym ulega stosunkowo niewielkim zmianom dzięki temu, że oceany, częściowo lasy i coraz intensywniej uprawiane rośliny zielone wchłaniają duże ilości tego gazu. Z dotychczasowych badań wynika, że wzrost stężenia CO2 w atmosferze, przy optymalnych warunkach pozostałych czynników wegetacji roślin, zwiększa intensywność fotosyntezy, a w ślad za tym produktywność roślin zielonych. U większości tych roślin intensywność fotosyntezy rośnie wraz ze wzrostem stężenia CO2 do kilku dziesiątych procenta. Jednak w miarę dalszej koncentracji tego gazu natężenie fotosyntezy zmniejsza się i ustaje. Warto pamiętać, że w ramach poszukiwań nowych sposobów wytwarzania żywności duże nadzieje pokłada się między innymi w rozszerzaniu produkcji węglowodanów właśnie na drodze intensyfikacji procesu fotosyntezy.

Ozon - jest to trójatomowa forma tlenu (O3), gaz silnie utleniający o charakterystycznym orzeźwiającym zapachu. W dolnej atmosferze występuje w niewielkich ilościach. Najczęściej O3 znajduje się na wysokości 25-30 km (ozonosfera). Zebrany razem utworzyłby w warunkach normalnego ciśnienia warstwę o grubości zaledwie ok. 2-3 mm. Jest drugorzędnym składnikiem atmosfery, ale ma zasadnicze znaczenie biologiczne. Pochłaniając promieniowanie nadfioletowe w paśmie 150-290 nm powoduje, że dopływa ono do powierzchni Ziemi tylko w ilościach niezbędnych do życia. Jest to bardzo ważne, gdyż większa ilość promieniowania nadfioletowego ze względu na jego dużą aktywność biologiczną działa zabójczo na komórki żywe. Ozonosfera spełnia więc rolę filtru ochronnego przed nadmiarem tego promieniowania i dzięki niej istnieje życie na Ziemi. Jest też absorbentem długofalowego promieniowania Ziemi. Jako energiczny utleniacz, ozon przyspiesza rozkład materii organicznej. W małym stężeniu gaz ten działa korzystnie na organizmy żywe, gdyż pobudza ich procesy fizjologiczne.

Para wodna - jest to bardzo ważny zmienny składnik atmosfery. Z jego obecnością wiąże się powstawanie licznych meteorologicznych, takich jak chmury, opady atmosferyczne, mgły itp. Dzięki dużym ilościom ciepła wydzielanym podczas przemian fazowych, a przede wszystkim w wyniku kondensacji, para wodna wpływa w istotny sposób na termikę atmosfery, a w wyniku silnej absorpcji promieniowania cieplnego Ziemi zapobiega nadmiernemu ochładzaniu się jej powierzchni. Na najbardziej wilgotnych obszarach Ziemi (strefa równikowa - oceany) zawartość pary wodnej w dolnych warstwach atmosfery nie przewyższa 4% w stosunku objętościowym, a w klimacie surowym (strefa polarna) może spadać nawet do 0,01%. W szerokościach umiarkowanych w dolnych warstwach atmosfery znajduje się latem ok. 1,3% pary wodnej, a zimą ok. 0,4%. Dla Europu przyjmuje się następujący średni skład atmosfery w % objętości: 77,22 - N2, 20,80 - O2, 0,92 - H2O, 0,92 -Ar, 0,03 - CO2.

Pionowa budowa atmosfery

W kierunku pionowym atmosfera Ziemi charakteryzuje się zmianą właściwości fizycznych i chemicznych. Posłużyło to za podstawę do podziału atmosfery na dosyć wyraźne, choć nie posiadające dokładnych granic, koncentryczne warstwy. Opracowano kilka takich podziałów posługując się różnymi kryteriami. Najbardziej rozpowszechniony jest podział oparty na pionowym rozkładzie temperatury, według którego wyróżniono sześć głównych warstw.

Troposfera. Leży ona bezpośrednio nad powierzchnią Ziemi. Wysokość tej warstwy rośnie wraz ze wzrostem intensywności konwekcji i pionowego mieszania powietrza. Dlatego nad równikiem, gdzie intensywność tych procesów jest największa, troposfera sięga do wysokości 17-18 km, w umiarkowanych szerokościach do wysokości 11-12 km, a nad obszarami biegunowymi tylko do 8-9 km. Temperatura w troposferze maleje wraz ze wzrostem wysokości, średnio ok. 5oC na każdy km. W najwyższej części troposfery temperatura wynosi średnio ok. -60oC. Spadek temperatury nie zawsze jest równomierny - występują warstwy inwersyjne i izotermiczne. Rozkład temperatury w troposferze kształtuje się w głównej mierze pod wpływem promieniowania i konwekcyjnego przenoszenia ciepła z powierzchni Ziemi nagrzanej przez Słońce. W warstwie tej znajduje się większa część powietrza atmosferycznego i prawie cała para wodna. Dzięki poziomym i pionowym ruchom powietrze w troposferze jest nieustannie mieszane, co wywołuje różne procesy i zjawiska atmosferyczne oraz sprawia, że warstwa ta ma decydujące znaczenie w kształtowaniu pogody. Obszar rozciągający się od powierzchni Ziemi do wysokości ok. 1,0 - 1,5 km nazywa się warstwą tarciową, gdyż występujące tam zjawiska termiczne, dynamiczne i inne są najsilniej związane z rodzajem powierzchni Ziemi. Warstwę tarciową charakteryzuje duży pionowy gradient temperatury, szczególnie w jej najniższej (przyziemnej) części.

Nad troposferą rozciąga się tropopauza - warstwa przejściowa o grubości 1 - 2 km, w której najczęściej temperatura nie zmienia się z wysokością (izotermia). Wysokość tropopauzy, podobnie jak troposfery, zmienia się wraz z szerokością geograficzną.

Stratosfera. Warstwa ta rozciąga się od poziomu tropopauzy do wysokości 50 km. Charakteryzuje się bardzo suchym i rozrzedzonym powietrzem oraz małymi gradientami ciśnienia. Dolną warstwę, gdzie temperatura wynosi ok. -60oC, charakteryzuje izotermia. W górnej tzw. ciepłej części stratosfery temperatura szybko wzrasta ze wzrostem wysokości, często nawet do 15oC i więcej. Ten wzrost temperatury związany jest z pochłanianiem przez ozon, którego jest tam najwięcej, promieniowania Słońca w ultrafioletowej i podczerwonej części widma. Stratosfera dzięki występującym w niej prądom powietrznym może wpływać na przemieszczanie się układów barycznych, kształtujących pogodę w troposferze.

Nad stratosferą leży kolejna warstwa przejściowa - stratopauza.

Mezosfera. W sferze tej ponownie następuje spadek temperatury wraz z wysokością. Jest ona warstwą o miąższości ok. 35 km, rozciągającą się na wysokości ok. 50 do 85 km. Na górnej granicy mezosfery temperatura wynosi ok. -80oC.

Nad nią rozciąga się mezopauza oddzielającą mezosferę od termosfery.

Termosfera. W termosferze temperatura rośnie wraz z wysokością, osiągając na górnej granicy, położonej na wysokości ok. 800 km, wartość bliską 1000oC. Tak wysoka temperatura jest rezultatem pochłaniania promieniowania słonecznego o bardzo małych długościach fal. Termosfera, ogólnie biorąc, stanowi warstwę zjonizowanego gazu, w której wyodrębnia się jeszcze kilka warstw o mniejszej miąższości mających specyficzne cechy fizyczne. W tej właśnie sferze występują zorze. Należy tu nadmienić, że wysokie temperatury charakterystyczne dla termosfery (dotyczy to również jeszcze wyższych warstw atmosfery) nie stanowią przeszkody dla przemieszczających się przez tę warstwę obiektów kosmicznych (np. rakiet i sztucznych satelitów), nie powodują ich destrukcji, bowiem jest tu bardzo niskie ciśnienie atmosferyczne. Na wysokości np. 500 km wynosi ono 10-8 hPa i jest zbyt niskie, aby mogła nastąpić wymiana ciepła na skalę powodującą zniszczenie znajdującego się w tej sferze obiektu. W stosunku do warunków panujących przy powierzchni Ziemi, wspomniane obiekty znajdują się w bardzo wysokiej próżni. Podane temperatury należy traktować głównie jako miary średniej energii kinetycznej cząsteczek znajdujących się w termosferze. Od górnej termosfery atmosferę cechuje stopniowe przechodzenie do sfery gazu międzyplanetarnego.