Atmosfera Ziemii

Atmosfera

Atmosfera 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, aszczególnie w jej przypowieszchniowej 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, zwanycz 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 powieszchni. Stąd do geograficznych czunników 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 przabieg 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 powieszchnie 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 powieszchni gruntu o jego wypromieniowywaniem. Energia słoneczna dociera dociera tylko w ciągu dnia, a jej ilość zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się wysokości łońca nad horyzontem. Maksymalna ilość dociera przy zenitalnym położeniu Słońca, a przy wysokości 30^o ilość ta spadda do połowy. Nocą następuje tylo 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 wyrażnej 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:

azot (N₂)........................................78,08%
tlen (O₂).........................................20,9%
argon (Ar)......................................0,93%
dwutlenek węgla (CO₂)..................0,03%
                                        razem: 99,99%

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 powieszchni 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 tega 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 utlaniania 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 przepełninych 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 wzgledu 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 sklad 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 powieszchni Ziemi. Mimo niewielkiej objętości, jaką zajmuje w powietrzu, CO₂ jest ważnym składnikiem atmosfery przede wszystkim z tego względu, że uczestniczy w prociesie 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 powietrzy atmosferycznym ulega stosumkowo 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 orzeżwiającym 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 powieszchni 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 absorbcji promieniowania cieplnego Ziemi zapobiega nadmiernemu ochładzaniu się jej powieszchni. 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 wyrażne, 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 powieszchnią Ziemi. Wysokość tej warstwy rośnie wraz ze wzrostem intensywności konwenkcji 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. 5^oC na każdy km. W najwyższej części troposfery temperatura wynosi średnio ok. -60^oC. 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 powieszchni 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 powieszchni 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 powieszchni 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 mołymi gradientami ciśnienia. Dolną warstwę, gdzie temperatura wynosi ok. -60^oC, charakteryzuje izotermia. W górnej tzw. ciepłej części stratosfery temperatura szybko wzrasta ze wzrostem wysokości, często nawet do 15^oC 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 wpłuwać 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. -80^oC.

Nad nią rozciąga się mezopauza odzielającą mezosferę od termosfery.

Termosfera. W termosferze temperatura rośnie wraz z wysokością, osiągając na górnej granicy, położonej na wysokości ok. 800 km, wartość bliską 1000^oC. 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 wynoki 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 powieszchni 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.

Autor: kabak