Atmosfera to gazowa powłoka Ziemi, która zbudowana jest z 5 głównych warstw. Skład atmosfery zmienia się wraz z wysokością, ale w strefie zamieszkania człowieka, jest on raczej stabilny. Bez atmosfery życie na Ziemi nie byłoby możliwe.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Atmosfera

I Budowa atmosfery

Ziemia nie jest jedyną planetą, która posiada gazową powłokę – atmosferę. Jednak jedynie nasza atmosfera posiada odpowiednio korzystny skład, gęstość i budowę, by zapewnić możliwość rozwoju życia na Ziemi. Rola atmosfery jest bardzo ważna – nie tylko umożliwia ona życie na Ziemi (dzięki korzystnemu składowi chemicznemu), ale też chroni Ziemię przed zagrożeniami z zewnątrz np. promieniowaniem UV (ozonosfera) czy meteoroidami – które z reguły spalają się w atmosferze. Atmosfera odgrywa także kluczową rolę w utrzymaniu odpowiedniej temperatury na Ziemi – dzięki zjawisku efektu cieplarnianego.

Górna granica atmosfery

Źródło: NASA Earth Observatory; https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/be/Top_of_Atmosphere.jpg/800px-Top_of_Atmosphere.jpg

1. Skład atmosfery

Atmosfera jest mieszaniną gazów, które nazywamy powietrzem atmosferycznym. W atmosferze występują 3 główne rodzaje składników:

1) Składniki stałe – niezmienne do około 100 km n.p.m.:

  • azot (78,08%)
  • tlen (20,95%)
  • inne (0,97%) – argon (0,93%), dwutlenek węgla (0,04%) neon, hel, krypton, wodór, ksenon, ozon, metan (łącznie poniżej 0,01%)

Szczegółowy skład powietrza atmosferycznego

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7a/Atmosphere_gas_proportions.svg/220px-Atmosphere_gas_proportions.svg.png

2) Składniki zmienne – różne w czasie i przestrzeni:

  • para wodna (od 0% nad biegunami do 4% nad ciepłymi morzami)
  • dwutlenek węgla (stały wzrost spowodowany działalnością człowieka, wyższe stężenie przy powierzchni Ziemi)
  • ozon (najwyższe stężenie w warstwie ozonowej)

3) Areozole atmosferyczne:

  • kryształki soli morskiej
  • pyły pochodzenia naturalnego (np. drobinki skał typu piasek)
  • zanieczyszczenia emitowane przez człowieka – siaraczany i azotany, popioły, sadza

2. Pionowa budowa atmosfery

Atmosfera zbudowana jest z pięciu głównych warstw, które oddzielone są warstwami przejściowymi i zawierają też w sobie inne, pomniejsze warstwy.

Pionowa budowa atmosfery

Źródło: Opracowanie własne.

1) Troposfera to pierwsza, przyziemna warstwa atmosfery. Istotna ze względu na kształtowanie w niej warunków życia człowieka.

  • Sięga od poziomu morza do średnio 12 kilometrów. Wyższe poziomy osiąga w strefie międzyzwrotnikowej (więcej ciepła – wyższa troposfera) do około 16-18 kilometrów (nad zwrotnikami). Najniżej sięga nad biegunami (zimno – niższa troposfera) do około 6-8 kilometrów.
  • Temperatura średnia na Ziemi wynosi 15°C i spada wraz z wysokością średnio o 0,6°C na każde 100 metrów. Na granicy troposfery osiąga średnią wartość około -60°C.
  • Średnie ciśnienie przy powierzchni wynosi 1013 hPa i stale spada wraz z wysokością o około 11,5 hPa na każde 100 metrów. Na granicy troposfery osiąga wartość około 200 hPa.
  • Troposfera skupia 80% masy atmosfery i niemal całą parę wodną.
  • W troposferze kształtuje się klimat i pogoda.

2) Tropopauza – warstwa o grubości około 1-2 km na granicy troposfery i stratosfery. Charakteryzuje się stałą temperaturą około -60°C.

3) Stratosfera – druga warstwa atmosfery. Istotna ze względu na zawarty ozon.

  • Sięga od 12 do około 50-55 kilometrów.
  • Na wysokości 20-30 km znajduje się największe w atmosferze skupisko ozonu zwane ozonosferą (niektórzy podają jej granice 10-50 km lub 20-40 km, ale największe skupienie ozonu występuje właśnie w przedziale 20-30 km). Istnienie ozonosfery jest istotne, ponieważ pochłania ona szkodliwe promieniowanie UV.
  • Reakcja powstawania ozonu wyzwala ciepło, które powoduje, że temperatura rośnie od -60°C na granicy tropopauzy do około 0°C na granicy stratopauzy.
  • Ciśnienie atmosferyczne spada z 200 hPa do około 1 hPa na granicy stratopauzy.
  • W dolnej części warstwy (a właściwie na granicy troposfery i stratosfery) występują silne prądy strumieniowe (ang. jet stream) tj. wiatry o prędkości dochodzącej nawet do nawet 400 km/h., które przenoszą masy powietrza z zachody na wschód.
  • Stratosfera zawiera około 20% masy całej atmosfery.

Pozostałe warstwy stanowią mniej niż 1% masy całej atmosfery.

4) Stratopauza – cienka warstwa przejściowa między stratosfera i mezosferą. Charakteryzuje się stałą temperaturą około 0°C.

5) Mezosfera – trzecia warstwa atmosfery – w niej zaczyna już być widoczny kosmos.

  • Sięga od 50-55 do około 85 kilometrów.
  • Temperatura spada od około 0°C w stratopauzie do około -80°C w mezopauzie.
  • Ciśnienie spada od około 1 hPa w statopauzie do około 0,1 hPA w mezopauzie. Jest to wartość śladowa.
  • Kolor nieba zmienia się z błękitnego na granatowoczarny, widoczne stają się gwiazdy.

6) Mezopauza – cienka warstwa przejściowa między mezosferą i termosferą.

7) Termosfera – czwarta warstw atmosfery – istotna ze względu na jonosferę i istotny wzrost temperatury.

  • Sięga od około 85 km do nawet 800 km (granica między termosferą i egzosferą podawana jest w przedziale 500-1000 km).
  • Ciśnienie osiąga wartości nieistotne statystycznie.
  • Temperatura wzrasta z powodu intensywnej dostawy promieniowania kosmicznego z poziomu -80°C w mezopauzie do nawet 1000°C (lub więcej) w termopauzie.
  • W dolnej częsci termosfery występuje jonosfera – silnie zjonizowana część atmosfery. Wiatr słoneczny zderza się z cząstkami gazów atmosferycznych powodując ich świecie i w ten sposób powstaje zorza polarna.
  • W termosferze ulega zmianie stały dotychczas skład atmosfery.
  • Na wysokości 100 km przebiega tak zwana linią Kármána uważana za umowną granicę kosmosu (powyżej tej wysokości nie jest możliwy lot samolotem – atmosfera jest zbyt mocno rozrzedzona).
  • W termosferze krążą niektóre satelity i stacje kosmiczne (np. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna na wysokości około 400 km).

8) Termopauza – cienka, mająca raczej umowny charakter granica między termosferą i egzosferą.

9) Egzosfera – warstwa atmosfery przechodząca stopniowo w kosmos.

  • Sięga od około 800 km do 2000 – 10 000 km w zależności od sposobu pojmowania granicy kosmosu.
  • Powietrze przechodzi w próżnię.
  • Temperatura stale spada aż do osiągnięcia temperatury w próżni – 273°C.
  • W tej warstwie i powyżej – w kosmosie, krąży większość satelitów telekomunikacyjnych.

3. Magnetosfera

Magnetosfera to obszar bezpośrednio oddziaływania pola magnetycznego Ziemi, niewidoczny gołym okiem, która przenika atmosferę. Ziemia nie jest jedynym ciałem niebieskim posiadającym pole magnetyczne, ale właśnie na naszej planecie odgrywa ono bardzo istotną role.

Istnienie pola magnetycznego Ziemia zawdzięcza najprawdopodobniej wirowym ruchom materii budującej jądro planety.

Pole magnetyczne Ziemi jest stale bombardowane przez wiatr słoneczny

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Magnetosphere_rendition.jpg

Ze względu na stałe oddziaływanie na Ziemię wiatru słonecznego (strumienia plazmy – silnie naładowanych elektrycznie cząstek), pole magnetyczne jest spłaszczone od strony Słońca. Wysokość pola może sięgać 60 000 km w kierunku słońca i nawet 700 000 km w przeciwnym kierunku.


Znaczenie pola magnetycznego jest kolosalne. Dzięki niemu, jesteśmy chronieni przed szkodliwym wpływem wiatru słonecznego, który zagrażałby min. ziemskiej atmosferze czy naszej technologii komunikacyjnej i energetycznej. Oczywistą konsekwencją istnienia pola magnetycznego jest też możliwość określania kierunków świata za pomocą magnetyzmu.

Zorza polarna

Źródło: https://i.wpimg.pl/O/644×427/d.wpimg.pl/1036153311-705207955/zorza-polarna.jpg

Czasami z Ziemi obserwowane jest zjawisko Zorzy Polarnej – cząstek wiatru słonecznego, których nie powstrzyma magnetosfera i docierają do górnych partii atmosfery (jonosfery). Wiatr zderza się z atomami tlenu i azotu, które pochłaniają jego energię, a następnie uwalniają ją w postaci światła. Zorze widoczne są głównie zimą, na skrajnie wysokich szerokościach geograficznych.