Skład i budowa atmosfery

Kto z nas na co dzień zastanawia się, czym oddychamy? Raczej nikt. Tymczasem skład i budowa atmosfery może być fascynująca, zwłaszcza gdy uwielbiasz zorze polarne czy sporty ekstremalne. Zacznijmy od składu powietrza.

Skład powietrza

Powietrze zawiera w sobie stałe i zmienne składniki, wyróżnione na podstawie występowania do wysokości 100 kilometrów.
Do stałych zaliczamy:

• azot – 78,08 % objętości
• tlen – 20,95 %
• argon – 0,93 %
• inne gazy: neon, hel, krypton, metan, ksenon – poniżej 0,01 %

Zmienna jest natomiast zawartość:

• dwutlenku węgla – średnio 0,03 %, na skutek czynników naturalnych (np. wybuchów wulkanów) i antropogenicznych (np. spalanie paliw kopalnych)
• ozonu
• pary wodnej – 0,0-4,1 %
• zanieczyszczenia – pyły kosmiczne, wulkaniczne, wietrzeniowe, przemysłowe, pyłki roślin, bakterie, tlenki siarki, węgla i azotu

Na wysokościach od 100 do 1000 km powoli przewagę przejmują wodór i hel, aby na granicy z przestrzenią kosmiczną być jedynymi składnikami powietrza.

Jak powstaje ozon?

Cząsteczki tlenu O2 poddane nadfioletowemu promieniowaniu Słońca poniżej 240nm długości fal, rozpadają się na wolne O. Ozon, czyli O3 powstaje na skutek zderzenia cząsteczki tlenu O2 z wolno latającym O. Jest to bardzo niestabilne połączenie, dodatkowo jego rozpad może być przyspieszony na skutek zanieczyszczeń powietrza, freonu, tlenków azotu, halonów.

Wskutek ciągłego promieniowania słonecznego najwięcej ozonu tworzy się między zwrotnikami. Cyrkulacja powietrza przenosi go nad bieguny, więc paradoksalnie najcieńsza warstwa ozonowa jest nad równikiem.

Drażliwą kwestią jest zjawisko dziury ozonowej i ocieplania klimatu. Zwykle przedstawiane są prawdziwe argumenty, ale nie prezentujące ogólnej sytuacji. Nie będę tutaj rozwodzić się nad tym tematem, prawdą natomiast jest kilka faktów:

• dwutlenek węgla rozpuszcza się w ocenach i powoduje wzrost temperatury wód powierzchniowych
• dwutlenek węgla w wodzie powoduje rozwój organizmów wydzielających więcej CO2, a spadek liczebności okrzemek, które produkują tlen
• objętość dwutlenku węgla (jak i innych składników tablicy Mendelejewa) w atmosferze zwiększa się na skutek działalności człowieka – zarówno przemysłowej jak i rolniczej
• działalność człowieka ma wpływ na ocieplanie klimatu (dyskusyjna jest jednak jego skala)
• w klimacie Ziemi występują naturalne ocieplenia i ochłodzenia klimatu o amplitudzie kilku wieków

Budowa atmosfery

Atmosfera zbudowana jest z kilku warstw – troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery i egzosfery. Powietrze skupia się raczej bliżej planety – prawie całe zawiera się do wysokości 100 km, a jego połowa do wysokości 5 km. Atmosfera chroni Ziemię nie tylko przed promieniowaniem, ale też kosmicznymi odłamkami – meteorytami itp.

Troposfera

Troposfera jest najbardziej dynamiczną warstwą. Ciągnie się od powierzchni Ziemi do ok. 7 km nad biegunami i ok. 18 km nad równikiem. Najwyżej znajduje się zawsze w miejscu padania promieni słonecznych pod kątem prostym, za co odpowiada cyrkulacja powietrza. To tutaj znajduje się 4/5 ziemskiego powietrza, zachodzą wszystkie zjawiska geograficzne, w tym klimatyczne i pogodowe.

Im wyżej, tym niższe temperatury. Średnio przyjmuje się 0,6 stopnia Celsjusza na 100 m. Jak łatwo policzyć na końcu troposfery, nad równikiem notujemy ok. -75 stopni, a nad biegunami od -45 do -70.

Troposfera kończy się tropopauzą, gdzie nie ma już tak dużych spadków temperatur.

Stratosfera i ozonosfera

Kolejną warstwą jest stratosfera, która rozciąga się od tropopauzy do stratopauzy na wysokości ok. 50 km. Początkowo temperatury są mocno ujemne, ale od wysokości około 35 km do 50 km rosną aż do zera stopni. Dlaczego? To warstwa ozonowa pochłania promieniowanie nadfioletowe, wytwarzając ciepło. Przyjmuje się, że ozonosfera rozciąga się od górnej troposfery do końca stratosfery, ale właśnie 20-35 km nad powierzchnią planety ozonu jest najwięcej.

Mezosfera, termosfera, egzosfera

Mezosfera to 30-35 kilometrowa warstwa poniżej mezopauzy. Temperatura powietrza znów spada do wartości od -80 do -120 stopni Celsjusza.

Nieco podobną do stratosfery jest termosfera. Temperatury rosną nawet do 1000-1500 stopni, a wszystko za sprawą jonów, które pochłaniają krótkie i ultrakrótkie fale elektromagnetyczne promieniowania słonecznego. W jonosferze tworzą się zorze polarne szczególnie dobrze widoczne w strefach okołobiegunowych.

Przyjmuje się, że na wysokości około 1000 km nad powierzchnią Ziemi zaczyna się egzosfera, czyli sfera przejściowa do przestrzeni kosmicznej. Ostateczna temperatura, jaka tam panuje to zero stopni, ale uwaga w skali Kelwina (-273,2 stopni Celsjusza).

Skład i budowa atmosfery — ciekawostka

W 2012 roku Austriak Felix Baumgartner wykonał skok ze spadochronem z kosmosu – tak przynajmniej mówiły nagłówki gazet. I tutaj małe sprostowanie. Nie z kosmosu (zero Kelwina i 1000 stopni Celsjusza w termosferze, już to widzę przy kombinezonie, który miał na sobie, chociaż testowane są podobne dla kosmonautów), ale ze stratosfery, z prawie 39 kilometrów. Nadal należy mu się oczywiście uznanie za 4 i pół minuty spadku swobodnego i drugie tyle na lądowanie.

Trochę mniej medialne było pobicie jego rekordu przez Alana Eustacego w 2014 roku. Amerykanin nie dość, że jest 13 lat starszy, to skoczył z 41 kilometrów i leciał łącznie 15 minut.

Warto jednak pamiętać, że pierwsze takie rekordy bito już w latach 60-tych XX wieku.