Atmosfera ziemska

Atmosfera, atmosfera Ziemi, atmosfera ziemska – powłoka gazowa otaczająca planetę Ziemię. Stanowi mieszaninę gazów składającą się głównie z azotu i tlenu. Wraz z Ziemią bierze udział w ruchu obrotowym dookoła osi ziemskiej. Wysokość atmosfery w rejonie podbiegunowym wynosi około 6 kilometrów, w rejonie równika około 18 kilometrów. Są to jednak wartości umowne, atmosfera nie ma bowiem wyraźnie zaznaczonej granicy, przechodząc w przestrzeń kosmiczną stopniowo.

Atmosferę mają także inne planety Układu Słonecznego (jedynie Merkury ma atmosferę szczątkową). Jedynie atmosfera Ziemi i Marsa jest przezroczysta dla promieniowania widzialnego. Mówi się także o atmosferze gwiazd, którą stanowią jej zewnętrzne warstwy, w tym o atmosferze Słońca (jej zewnętrzna część to korona słoneczna).

Atmosfera ziemska stanowi układ dynamiczny, w którym zachodzi obieg wody i innych związków chemicznych oraz pierwiastków. Źródłem energii dla tego układu jest przede wszystkim energia słoneczna. Atmosfera chroni Ziemię przed promieniowaniem słonecznym i elektromagnetycznym, umożliwiając w ten sposób powstanie i rozwój życia. Procesy zachodzące w atmosferze ziemskiej (procesy atmosferyczne), w szczególności w jej niższych warstwach, bada meteorologia.

Atmosfera: znaczenie ogólne i metaforyczne. Inne znaczenia

Etymologia. Wyraz pochodzi z języka łacińskiego. Neolatynizm atmosphaera, atmosphaerae zawiera elementy łacińskie i greckie. Grecki rzeczownik ἀτμός, atmos znaczy “para”, “wyziew”. Grecki rzeczownik σφαῖρα, sfaira, i łaciński sphaera znaczy “kula”, “sfera”.

Częstym błędem językowym jest akcentowanie wyrazu atmosfera na trzecią sylabę od końca. Akcent w tym wyrazie pada na drugą sylabę od końca, nie pochodzi on bowiem bezpośrednio z łaciny.

W sensie ogólnym “atmosfera” to w astronomii powłoka gazowa dowolnego obiektu astronomicznego, tak planety, jak i gwiazdy. Potocznie jednak termin ten utożsamiany jest szeroko z atmosferą ziemską.

W sensie przenośnym atmosfera to nastrój panujący w danym miejscu – np. atmosfera w domu, w szkole, w miejscu pracy. Niekiedy określenie to przybiera też bardziej sprecyzowane znaczenie w naukach o sztuce – porównaj artykuł atmosfera filmu. Określenie “klimat” to synonim atmosfery w sensie metaforycznym, ma jednak bardziej potoczny, swobodny charakter.

Atmosfera to także jednostka miary – atmosfera fizyczna (skrót atm) to umowna, pozaukładowa jednostka ciśnienia równa 1013,25 hPa. Atmosfera techniczna (skrót at) to jednostka ciśnienia równa 9806,65 hPa.

Wyraz pojawia się także w wielu innych złożeniach potocznych i naukowych. Np. w chemii atmosfera obojętna to taki gaz lub mieszanina gazów, które nie reagują z metalami.

Skład atmosfery ziemskiej i jej główne właściwości

Skład atmosfery. Atmosfera Ziemi składa się przede wszystkim z azotu (78%, ściślej 78,09%) i tlenu (21%, ściślej 20,95%). Atmosfera jest mieszaniną gazów, którą utożsamiać można z powietrzem (o różnej, zależnej od wysokości gęstości i temperaturze). W jej składzie występują także niewielkie ilości gazów szlachetnych (argon – 0,93%, także hel, ksenon, neon, krypton), dwutlenku węgla (0,03%), ozonu, wodoru oraz metanu. Skład atmosfery nie ulega aż do wysokości kilkudziesięciu kilometrów większym zmianom, zmienia się jednak znacznie gęstość atmosfery. Wśród składników atmosfery wyróżnia się jednak, stanowiące większość jej masy, składniki stałe i wolnozmienne oraz składniki zmienne. Do składników zmiennych należy przede wszystkim para wodna oraz aerozol atmosferyczny – ich zawartość zależy od procesów zachodzących lokalnie tak w samej atmosferze, jak i na powierzchni Ziemi. Do składników stałych przede wszystkim tlen i azot, których zawartość ulega większym wahaniom dopiero kilkadziesiąt kilometrów powyżej powierzchni Ziemi.

Przy powierzchni atmosfera nasycona jest parą wodną – para wodna w atmosferze jest składnikiem, którego ilość ulega największym wahaniom i zmianom. Para wodna kondensuje się w cząstkach pyłu, tworząc obłoki. Woda występuje zresztą w atmosferze także w postaci cieczy i w postaci lodu, ciała stałego.

W skład atmosfery ziemskiej wchodzą także rozmaite domieszki, w tym jony oraz pyły. Pyły atmosferyczne mogą być pochodzenia organicznego (w tym bakterie, pyłki roślin, spory grzybów) lub nieorganicznego (w tym gazy spalinowe, sadza, popiół oraz sól). Niektóre z nich wiążą się z działalnością ludzką, przy czym wiele z nich wiąże się z zanieczyszczeniem środowiska. Zawiesina cząstek stałych i ciekłych wchodząca w skład atmosfery to aerozol atmosferyczny. Kondensacja i sublimacja pary wodnej w atmosferze wiąże się właśnie z obecnością w niej pyłów, które stanowią w niej jądra kondensacji. Wiążą się z nimi zjawiska takie jak opady (deszczu, śniegu i gradu) mgła i osady atmosferyczne (w tym np. rosa, gołoledź, szadź, szron).

Masa atmosfery jest niewielka w porównaniu z masą Ziemi, stanowi zaledwie jej milionową część. Szacuje się ją na 5,3·1015 ton. W związku z faktem, że gęstość atmosfery maleje z wysokością, połowa masy atmosfery ziemskiej mieści się w promieniu 5,5 kilometra od powierzchni Ziemi. W promieniu 10,5 kilometrów od powierzchni Ziemi mieści się 75% atmosfery, w odległości 20 kilometrów – 90%, w odległości 35 kilometrów – 99%.

Średnie ciśnienie atmosferyczne przy powierzchni Ziemi wynosi 0,1 MPa. Wartość ta definiuję jednostkę ciśnienia, zwaną atmosferą. Wraz z wysokością ciśnienie atmosferyczne stale spada (w przybliżeniu wykładniczo) – na wysokości kilku kilometrów do połowy tej wartości, na wysokości kilkunastu kilometrów do 1/10.

Gęstość atmosfery także jest zmienna w zależności od wysokości. W sferze umiarkowanej wynosi przy powierzchni Ziemi około 1250 g/m³ (1,22*10^-3/cm^-3). Na wysokości 5 kilometrów ciśnienie wynosi 735 g/m³, na wysokości 20 km wynosi 87 g/m³, na wysokości 500 km jedynie 1*10-9 g/m³. Ze względu na siłę grawitacji gęstość atmosfery i ciśnienie atmosferyczne są więc najwyższe w warstwach atmosfery najbardziej zbliżonych do powierzchni Ziemi (przyrządem służącym do pomiaru ciśnienia atmosferycznego jest barometr). Ciśnienie atmosferyczne obniża się szybko wraz z wysokością – na wysokości 5500 m n.p.m. stanowi już tylko połowę wartości ciśnienia na poziomie morza.

Średnia temperatura atmosfery przy powierzchni Ziemi wynosi 15 °C. Przebieg zmian temperatury atmosfery wraz z wysokością stanowi podstawę wyodrębniania jej kolejnych warstw (troposfera, stratosfera, mezosfera, jonosfera), które zostały omówione szerzej w kolejnym rozdziale.

Bada się także wiele innych zjawisk zachodzących w atmosferze, np. zjawiska dźwiękowe. Zjawiska akustyczne w atmosferze ziemskiej, powstające np. na skutek wyładowań atmosferycznych, bada aeroakustyka.

Znaczenie atmosfery ziemskiej

Atmosfera ziemska ma kluczowe znaczenie dla zjawisk biologicznych, tak zachodzących na powierzchni ziemi i w glebie, jak i w morzach i oceanach. Silnie związana jest z nią cała biosfera, a więc obszar Ziemi, na którym występują organizmy żywe i na którym zachodzą procesy ekologiczne. Bieżący stan atmosfery w określonym miejscu i czasie jest zmienny – określany jest on terminem “pogoda”. Z pogodą wiążą się wiatry, poziome względem powierzchni ziemi ruchy powietrza, stanowiące często zjawiska o gwałtownym przebiegu (huragany). Od pogody należy odróżnić klimat, który jest przeciętnym stanem stanem atmosfery ziemskiej w określonym miejscu, ustalanym na podstawie długoterminowych obserwacji temperatury, opadów i wiatru. Atmosfera chroni życie przed szkodliwymi skutkami promieniowania kosmicznego i pyłów kosmicznych. Szczególną rolę odgrywa ozonosfera, chroniąca organizmy żywe przed oddziaływaniem promieniowania ultrafioletowego. Zanieczyszczenie środowiska przyczynia się do niszczenia ozonosfery, a wywołany przez człowieka wzrost ilości gazów cieplarnianych w atmosferze powoduje wzrost średniej temperatury przy powierzchni Ziemi (globalne ocieplenie). Atmosfera chroni ziemię także przed meteoroidami – meteoroidy ulegają zniszczeniu w termosferze i mezosferze na skutek temperatur generowanych przez tarcie związane z obecnością powierza w tych warstwach atmosfery.

Powstanie atmosfery ziemskiej i zmiany zachodzące w atmosferze

Pierwotna atmosfera ziemska powstała prawdopodobnie wraz z powstaniem planety. Ma charakter dynamiczny, proces kształtowania się atmosfery trwa do dziś. Tworzyła się stopniowo, pierwotnie poprzez odgazowanie tworzącej Ziemię materii. Większość (około 85%) atmosfery ziemskiej powstało przy tym w pierwszym miliardzie lat istnienia Ziemi – fakt ten stwierdzono na podstawie badań gazów szlachetnych.

Pierwotny skład atmosfery Ziemi znacznie jednak odbiegał od współczesnego, gdyż obok azotu znaczną jego część stanowił dwutlenek węgla. W śladowych, ale większych niż dzisiaj ilościach w atmosferze występował także dwutlenek siarki, metan i amoniak, znaczniejsza była także zawartość pary wodnej w atmosferze. Ze względu na absorpcję promieniowania podczerwonego wynikiem dużej zawartości dwutlenku węgla w pierwotnej atmosferze Ziemi mogło być powstanie efektu cieplarnianego.

Skutkiem odgazowania planety było uwolnienie dużej ilości pary wodnej. Uwolniona woda utworzyła morza i oceany, zajmujące znaczną część powierzchni Ziemi. Ze względu na efekt cieplarniany wielkie masy wody parowały, a następnie skraplały się, powracając do oceanów jako opady. Powstał więc istniejący do dziś obieg wody w przyrodzie, a także obieg innych pierwiastków i związków chemicznych.

W pierwotnej atmosferze Ziemi nie występował jeszcze tlen. Jego powstanie wiąże się z powstaniem życia – organizmy żywe mogą produkować tlen w procesie fotosyntezy. Współczesny poziom zawartości tlenu w atmosferze osiągnięty został prawdopodobnie 1,5 miliarda lat temu; wzrastać zaczął natomiast prawdopodobnie 3,1 miliarda lat temu. Znaczenie atmosfery dla życia na Ziemi obejmuje więc przede wszystkim umożliwienie fotosyntezy i oddychania oraz ochronę organizmów przed promieniowaniem kosmicznym.

Wiele spośród składników zmiennych atmosfery (w tym węgiel, siarka i ich związki, a także związki azotu) ma pochodzenie w dużej mierze biologiczne. Powstają one np. w procesach oddychania i rozkładu materii organicznej. Usuwane są one z atmosfery także w procesach biologicznych (przede wszystkim fotosynteza) oraz poprzez wymywanie przez opady. Zachodzi więc stały obieg związków organicznych w przyrodzie, podobnie jak stały obieg wody w przyrodzie – równowaga wytwarzania, transportu i usuwania. Zakłócenie tej równowagi tego obiegu prowadzić może do zakłócenia równowagi ekologicznej oraz do zmian w klimacie Ziemi.

Przyczyny zakłócenia obiegu związków chemicznych w atmosferze mogą być tak naturalne, jak i antropogeniczne (wywołane przez człowieka). Tak np. do przyczyn naturalnych zmian zawartości dwutlenku węgla (CO₂) w atmosferze należy działalność wulkaniczna oraz pożary lasów. Zwiększenie zawartości dwutlenku węgla w atmosferze wywołane jest jednak przede wszystkim przez działalność człowieka, w tym głównie spalanie paliw. Fakt ten jest główną przyczyną efektu cieplarnianego, powodującego ocieplanie się klimatu Ziemi oraz roztapianie się lodowców Arktyki i Antarktyki.

Warstwy atmosfery ziemskiej – struktura pionowa atmosfery

Warstwy atmosfery wyróżnia się przede wszystkim ze względu na jej strukturę chemiczną, a także związane z wysokością zróżnicowanie temperatury. Warstwy atmosfery określa się także jako strefy atmosfery. Pomiędzy strefami atmosfery istnieją także warstwy przejściowe, nazywane pauzami. Ze względu na pionowy rozkład temperatury wyróżnia się cztery strefy atmosfery, kolejno (licząc od powierzchni ziemi) troposfera, stratosfera. mezosfera i termosfera; ponadto wyróżnia się egzosferę. Rozdzielające je pauzy to tropopauza, stratopauza i mezopauza.

Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się natomiast homosferę i heterosferę. Wyróżnia się także pewne obszary specyficzne atmosfery – są to jonosfera, ozonosfera i magnetosfera.

Troposfera rozciąga się na wysokość od 7 do 18 kilometrów od powierzchni ziemi (nad obszarami polarnymi sięga do wysokości od 7 do 10 kilometrów; nad obszarami o klimacie umiarkowanym do wysokości 10-12 kilometrów; nad równikiem sięga do wysokości 16-18 kilometrów). Jest to jednocześnie najcieńsza i najgęstsza warstwa atmosfery. Temperatura powietrza maleje w troposferze jednostajnie, w obszarze najbardziej oddalonym od powierzchni ziemi (w tropopauzie) osiągając wartość minimalną około -70 °C. W troposferze zachodzi większość procesów pogodowych oraz obieg wody w przyrodzie (zawiera ona 99% całej pary wodnej w atmosferze). Powietrze w troposferze znajduje się w ciągłym ruchu – występują w niej tak poziome, jak i pionowe prądy powietrzne (wiatry). Troposferę od stratosfery oddziela tropopauza.

Stratosfera rozciąga się do wysokości 50 kilometrów. W dolnej części stratosfery temperatura nie zmienia się znacznie, w górnej części stale rośnie (przede wszystkim na skutek pochłaniania cząstek ozonu – na wysokości 15-40 kilometrów znajduje się warstwa ozonowa), osiągając wartość 0 °C. W porównaniu z troposferą wahania temperatury wraz z wysokością są w stratosferze małe. Zawartość pary wodnej jest w stratosferze niewielka, występują w niej jednak obłoki iryzujące. Stratosferę od mezosfery oddziela stratopauza.

Mezosfera sięga do wysokości 80-85 kilometrów. Temperatura stale w niej maleje, od 0 °C do -100 0 °C. W mezosferze obserwuje się niekiedy obłoki srebrzyste, powstające na skutek koncentracji pary wodnej wokół pyłu kosmicznego. Od termosfery oddziela ją mezopauza.

Termosfera sięga do wysokości 500-600 kilometrów. Temperatura termosfery rośnie wraz z wysokością, osiągając 1500°C. Skład chemiczny termosfery różni się znacznie od składu pozostałych warstw – dominującym składnikiem jest tu tlen atomowy. Ponad termosferą rozciąga się egzosfera, sięgająca do wysokości 2000 km (sfera dyssypacji, sfera rozpraszania). W termosferze występuje zorza polarna.

Homosfera sięga do wysokości 100 km, obejmując troposferę, stratosferę i mezosferę. W porównaniu z heterosferą charakteryzuje ją stały skład chemiczny. Wyjątkiem są para wodna i ozon, koncentrujące się w pewnych warstwach homosfery (odpowiednio w troposferze i warstwie ozonowej – ozonosferze). Heterosfera cechuje się natomiast wysoką zawartością gazów lekkich i stosunkowo zmiennym składem chemicznym.

Ozonosfera, czyli warstwa ozonowa, znajduje się w stratosferze, w jej obszarze bliskim troposferze, na wysokości około 15-40 kilometrów. Stanowi główną strefę koncentracji ozonu, zawiera większość (około 90%) ozonu atmosferycznego. Pochłania szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie ultrafioletowe.

Jonosfera to warstwa atmosfery rozciągająca się na wysokości od 70 do 1000 km, w której występuje duża ilość swobodnych jonów. Jonizacja zachodzi pod wpływem promieniowania słonecznego i promieniowania kosmicznego. Zjawisko to jest istotne dla komunikacji radiowej.

Magnetosfera sięga aż do 80000 kilometrów w kierunku Słońca. Ziemię otaczają także pasy Van Allena – obszary intensywnego promieniowania korpuskularnego. Magnetosfera nie jest przy tym warstwą atmosfery, ale pojęciem kontrastującym z pojęciem atmosfery, dotyczącym wyłącznie zjawisk magnetycznych.

Atmosfera ziemska i jej modele teoretyczne

W naukach geofizycznych przedstawia się atmosferę ziemską w sposób wyidealizowany, przyjmując pewne modele – zależące od przebiegu opisywanych parametrów fizycznych. Nauka o procesach i zjawiskach zachodzących w wyższych partiach atmosfery to aerologia.

Atmosfera adiabatyczna to model, w którym temperatura spada razem z wysokością – o 0,98 °C / 100 metrów – według gradientu suchoadiabatycznego. Porównaj: procesy adiabatyczne (w meteorologii) i adiabatyczny gradient temperatury.

Atmosfera homogeniczna to model, w którym przyjmuje się, że gęstość powietrza nie zmienia się razem z wysokością. Według tego modelu teoretycznego atmosfera ziemska sięga do wysokości około 8000 metrów.

Atmosfera izotermiczna to model, według którego temperatura powietrza nie zmienia się razem z wysokością.

Atmosfera standardowa to model, którego podstawę stanowi równanie hydrostatyczne.

Atmosfera standardowa ICAO (International Civil Aviation Organization, Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego) to model stosowany szeroko w lotnictwie cywilnym. Opiera się on na kilu założeniach: powietrze jest suche; temperatura na poziomie morza wynosi 15  °C; ciśnienie na poziomie morza wynosi 1013,25 hPA; gradient termiczny (pionowy gradient temperatury) wynosi 6,5  °C / km. Model taki obowiązuje do wysokości 11 kilometrów. Na wysokości wynoszącej od 11 do 20 kilometrów przyjmuje się założenie izotermii, czyli stałej temperatury wynoszącej -56,5  °C. Od wysokości 20 kilometrów zakładana jest inwersja termiczna, czyli wzrost temperatury o 1  °C na każdy kilometr. Dla celów lotnictwa nie ma konieczności ustalania warunków atmosfery standardowej dla wysokości większej niż 32 km.