atmosfera ziemska
 
Encyklopedia
atmosfera ziemska,
najbardziej zewnętrzna, gazowa część naszej planety;
składa się z mieszaniny gazów zwanej powietrzem; jej masa wynosi ok. 5,29 · 1018 kg, co stanowi ok. 0,0009% masy całej Ziemi. Oprócz mieszaniny gazów, atmosfera ziemska zawiera unoszącą się w niej zawiesinę cząstek stałych i ciekłych zwaną aerozolem atmosferycznym. Wśród składników powietrza rozróżnia się składniki trwałe i wolnozmienne (ich zawartość w mieszaninie nie zmienia się do wysokości kilkudziesięciu km) oraz składniki zmienne (zawartość zależy od procesów zachodzących lokalnie w pewnych rejonach atmosfery ziemskiej). Podstawowymi składnikami atmosfery ziemskiej są: azot N2, tlen O2 i argon Ar oraz woda H2O, najbardziej zmienny składnik, występujący tu we wszystkich 3 stanach skupienia. Głównymi źródłami związków siarki, azotu i węgla w atmosferze są procesy spalania i procesy biologiczne (rozkład materii organicznej, oddychanie). Związki te są usuwane z atmosfery ziemskiej wskutek wymywania przez opady oraz procesów chemicznych i biologicznych (pochłanianie przez rośliny, fotosynteza), zachodzących na powierzchni Ziemi. Ich koncentracja w atmosferze jest wynikiem równowagi między procesami wytwarzania, transportu oraz usuwania. Przyczyny zmian koncentracji mogą być naturalne (pożary lasów, erupcje wulkaniczne) bądź związane z działalnością człowieka; np. szacuje się, że zawartość dwutlenku węgla (CO2), przedostającego się do atmosfery w wyniku spalania paliw kopalnych i odgrywającego istotną rolę w powstawaniu efektu cieplarnianego, wzrosła (mimo rozpuszczania znacznych ilości CO2 w oceanach) w ciągu ostatnich stu lat o ok. 20% i ciągle (coraz szybciej) rośnie.
Pionowa struktura atmosfery jest niejednorodna. Ciśnienie atmosferyczne, które na poziomie morza wynosi średnio 1013 hPa, wraz ze wzrostem wysokości szybko, w przybliżeniu wykładniczo, spada; na wysokości ok. 5 km wynosi już tylko połowę wartości osiąganej na poziomie morza, na wysokości ok. 20 km jest równe 0,05, a na wysokości 100 km — ok. 0,000002 tej wartości. Podobnie maleje z wysokością gęstość powietrza atmosferycznego, która na poziomie morza wynosi ok. 1,2 kg/m3; 75% masy atmosfery ziemskiej mieści się w warstwie sięgającej od powierzchni Ziemi do wysokości 10 km, a 99% — w warstwie sięgającej wysokości 50 km. W stosunku do promienia całej planety grubość atmosfery jest bardzo mała, ale nawet tak cienka i delikatna warstwa gazu wystarcza do stworzenia na powierzchni planety warunków korzystnych do rozwoju życia.
Atmosferę ziemską można podzielić na sferyczne powłoki (warstwy) otaczające Ziemię. Powszechnie jest przyjęty podział atmosfery ziemskiej w zależności od pionowego rozkładu temperatury na: troposferę (temperatura maleje w niej niemal jednostajnie ze wzrostem wysokości do wartości od ok. −50 do −70°C), rozciągającą się od powierzchni Ziemi do wysokości 7–10 km nad obszarami podbiegunowymi, 10–12 km nad umiarkowanymi szerokościami geograficznymi i 16–18 km nad równikiem; stratosferę (w dolnej jej części temperatura prawie nie zmienia się z wysokością, w górnej — rośnie aż do 0°C), rozciągającą się na wysokości od 10–18 do 45–50 km; mezosferę (temperatura ponownie maleje w niej ze wzrostem wysokości do ok. −100°C); termosferę (temperatura rośnie w niej ze wzrostem wysokości do 400–1400°C), znajdującą się na wysokości od 80–85 do 500–600 km. Powierzchnie rozgraniczające te warstwy noszą odpowiednio nazwy: tropopauza, stratopauza i mezopauza. W zależności od składu chemicznego stosuje się podział atmosfery ziemskiej na: homosferę — warstwę sięgającą wysokości 100 km, w której zachodzą procesy mieszania i skład chemiczny nie zmienia się, z wyjątkiem pary wodnej, zawartej głównie w warstwie do 10 km, i ozonu, koncentrującego się na wysokości ok. 25–30 km, i heterosferę — występującą na wysokości 100–500 km, w której procesy mieszania odgrywają niewielką rolę i pod wpływem sortowania w polu grawitacyjnym Ziemi następuje zmiana proporcji składników gazowych powietrza (rośnie udział gazów lekkich: H2, H, He). Rozróżnia się też warstwy związane z pewnymi specyficznymi właściwościami fizycznymi lub chemicznymi atmosfery, tj.: ozonosferę, jonosferę i magnetosferę. Najbardziej zewnętrzna część atmosfery ziemskiej jest niekiedy zwana egzosferą. Wyodrębnia się też tzw. warstwę graniczną (zwaną również warstwą planetarną lub warstwą tarcia), rozciągającą się od powierzchni Ziemi do wysokości 0,5–1,5 km, w której ruch powietrza jest zakłócony przez tarcie o powierzchnię Ziemi. Część atmosfery powyżej warstwy granicznej jest zwana atmosferą swobodną. Grubość i struktura wszystkich tych warstw są zmienne w czasie i przestrzeni. Zależą od zachodzących w nich procesów radiacyjnych, hydrodynamicznych i termodynamicznych oraz reakcji chemicznych.
Wszystkie składniki atmosfery ziemskiej pochłaniają i emitują promieniowanie elektromagnetyczne o ściśle określonych długościach fali; np. ozon (O3) i tlen cząsteczkowy (O2) pochłaniają z promieniowania słonecznego szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie nadfioletowe, a CO2, para wodna i metan (CH4) — promieniowanie podczerwone emitowane przez powierzchnię Ziemi (podstawowa przyczyna efektu cieplarnianego). Pochłanianie promieniowania słonecznego powoduje także zmiany w składzie atmosfery wskutek procesów fotochemicznych i jonizacji. Prowadzi to m.in. do powstania jonosfery.
Atmosfera ziemska nie ma wyraźnie zaznaczonej górnej granicy, lecz przechodzi stopniowo w przestrzeń międzyplanetarną. Zachodzą w niej charakterystyczne zjawiska optyczne (związane z odbiciem, załamaniem, ugięciem i interferencją światła pochodzącego od Słońca i in. ciał niebieskich; np. halo, gloria, tęcza, zorza, miraż) oraz zjawiska elektryczne (związane z istnieniem elektryczności w atmosferze ziemskiej; np. błyskawica, grzmot, ognie świętego Elma).
Atmosfera ziemska jest układem dynamicznym; wskutek nierównomiernego nasłonecznienia (zależnego od szerokości geograficznej, pory roku, pory dnia) powstają w niej różnice temperatur powodujące cyrkulację w skali globalnej, tzw. ogólną cyrkulację atmosfery, i w skali lokalnej. W wyniku wznoszenia się powietrza ciepłego i opadania chłodnego powstają niże i wyże atmosferyczne oraz cyklony, antycyklony, fronty atmosferyczne, a także inne zjawiska kształtujące pogodę. Ogólna cyrkulacja atmosfery powoduje transport ciepła od równika w kierunku biegunów. Rozróżnia się w niej tzw. komórki cyrkulacyjne. W komórce Hadleya silnie nagrzane i wilgotne powietrze w strefie równikowej wznosi się, a następnie w górnych warstwach troposfery wędruje ku wyższym szerokościom geograficznym i osiada w okolicach zwrotników; prowadzi to do powstania równikowego pasa niskiego ciśnienia i okołozwrotnikowych stref podwyższonego ciśnienia; z okolic zwrotników część mas powietrza wraca dołem do równika (tzw. równikowa lub międzyzwrotnikowa strefa zbieżności) w postaci wiatrów zwanych pasatami; wskutek obrotowego ruchu Ziemi wiatry te nie wieją wzdłuż południków, ale mają dużą składową równoleżnikową (ze wschodu na zachód). Cyrkulacja w komórce Hadleya powoduje transport ciepła z okolicy równika w okolice zwrotników. Dalszy transport ciepła w kierunku biegunów odbywa się w komórce Ferrela; część powietrza osiadającego w wyżach zwrotnikowych przemieszcza się w dolnej troposferze ku biegunom, tworząc strefę wiatrów o przeważającym kierunku zachodnim; zamiast przepływu uporządkowanego w płaszczyźnie pionowej (górą ciepłe powietrze w kierunku biegunów, dołem chłodniejsze w kierunku równika), występują tu zawirowania o rozmiarach rzędu tysiąca km — antycyklony i cyklony, związane z wyżami i niżami atmosferycznymi, kształtującymi pogodę w średnich szerokościach geograficznych. Charakterystyczną cechą komórki Ferrera jest występowanie (na wysokości 10 km, w tropopauzie, w pobliżu frontu polarnego) prądu strumieniowego — silnego, skierowanego z zachodu na wschód, prądu powietrza, o szerokości od kilkudziesięciu do kilkuset km i prędkości do 200 km/h. Ostatnia, najbliższa biegunów komórka polarna, odznacza się ruchami zstępującymi w strefie biegunowej i związaną z nimi biegunową strefą podwyższonego ciśnienia; podobnie jak w obszarze pasatów, wieją tam najczęściej wiatry wschodnie. Cyrkulacja atmosfery jest ściśle sprzężona z cyrkulacją w oceanach. Przykładem takiego sprzężenia jest zjawisko El Niño.
Stan atmosfery ziemskiej, charakteryzowany przez zespół tzw. elementów meteorologicznych (temperatura i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru, rodzaj i wielkość zachmurzenia, rodzaj i ilość opadu), określa pogodę i klimat.
Bibliografia
K. Kożuchowski Atmosfera, klimat, ekoklimat, Warszawa 1998.
Ilustracje
Atmosfera ziemska, schemat ogólnej cyrkulacji rys. J. Babicki i L. Maminajszwili/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Pionowy profil temperatury w atmosferze rys. J. Babicki/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia