Zemljina atmosfera


Zemljina atmosfera je sloj plinova koji okružuju planet Zemlju i koji zadržava Zemljina gravitacija. Sadrži oko četiri petine dušika i jednu petinu kisika, dok su količine ostalih plinova neznatne ili u tragovima. Atmosfera štiti život na Zemlji apsorbirajući ultraljubičasto sunčevo zračenje i smanjujući temperaturne ekstreme između dana i noći.

Slojevi atmosfere (NOAA)

Atmosfera ne završava naglo. Ona polagano postaje rjeđa i postupno nestaje u svemiru. Ne postoji konačna granica između atmosfere i vanjskog svemira. Tri četvrtine mase atmosfere nalazi se unutar 11 km od površine planeta. U SAD-u se osoba koja putuje iznad visine od 80 km naziva astronautom. Visina od 120 km označava granicu gdje atmosferski utjecaji postaju vidljivi tijekom ulaska svemirske letjelice u atmosferu. Također se često kao granicu atmosfere i svemira uzima Karmanova crta na udaljenosti od 100 km od površine.

Različita područja u atmosferi

Područja u atmosferi nazvana su na sljedeći način:

gornja atmosfera — područje atmosfere iznad mezopauze.

Tlak

Atmosferski tlak je izravna posljedica težine zraka. To znači da se tlak zraka razlikuje s mjestom i vremenom jer se količina (i težina) zraka iznad Zemlje isto tako razlikuju. Atmosferski tlak se smanjuje za ~50% na visini od oko 5 km (jednako se i oko 50% ukupne mase atmosfere nalazi unutar najnižih 5 km). Prosječni atmosferski tlak izmjeren na morskoj razini iznosi oko 101.3 kilopaskala.

Temperatura i atmosferski slojevi

Temperatura Zemljine atmosfere se mijenja s visinom. Između različitih atmosferskih slojeva mijenja se matematički odnos temperature i visine:

  • troposfera: od površine do 7 km ili 17 km ovisno o širini vremenskim faktorima, temperatura se smanjuje s visinom.
  • stratosfera: od 7–17 km do oko 50 km, temperatura se povećava s visinom.
  • mezosfera: od oko 50 km do 80–85 km, temperatura se smanjuje s visinom.
  • termosfera: od 80–85 km do 640+ km, temperatura se povećava s visinom.

Granice među tim slojevima nazivaju se tropopauza, stratopauza i mezopauza.

Prosječna temperatura atmosfere na površini Zemlje iznosi 14 °C.

Gustoća i masa

Datoteka:Andes et Terminator.jpg
Zemljina atmosfera iz svemira

Gustoća zraka na morskoj razini iznosi oko 1.2 kg/m3. Kao posljedice vremena javljaju se prirodne razlike u barometrijskom tlaku na bilo kojoj visini. Ta razlika je relativno malena za naseljene visine ali je mnogo više izražena u vanjskoj atmosferi i svemiru zahvaljujući promjenjivom sunčevom zračenju.

Gustoća atmosfere se smanjuje s povećanjem visine. Ta se razlika može približno prikazati upotrebom barometrijske formule. Meteorolozi i svemirske agencije koriste sofisticiranije modele za predviđanje vremena i orbitalnih propadanja satelita.

Ukupna masa atmosfere iznosi oko 5.1 × 1018 kg, ili oko 0.9 ppm Zemljine ukupne mase.

Gornji postotci sastava atmosfere napravljeni su s obzirom na obujam. Pretpostavljajući da se plinovi ponašaju kao idealni plinovi, mogu se dodati postotci p pomnoženi s njihovim molarnim masama m, da se dobije ukupno u = zbroj (p•m). Tada je bilo koji postotak elementa po masi p•m/t. Kada se to primjeni na gornje postotke dobije se da je sastav atmosfere prema masi 75.523% N2, 23.133% O2, 1.288% Ar, 0.053% CO2, 0.001267% Ne, 0.00029% CH4, 0.00033% Kr, 0.000724% He i 0.0000038 % H2.

Atmosferski model.png

Ovaj grafikon je prema NRLMSISE-00 atmosferskom modelu koji kao ulazne podatke ima: širinu, dužinu, datum, vrijeme dana, visinu, sunčevu struju te dnevni indeks Zemljinog magnetskog polja.

Sastav

Sastav Zemljine atmosfere. Donji dijagram predstavlja najmanje uobičajene plinove koje čine samo 0.038% atmosfere. Vrijednosti su regulirane za ilustraciju.
Postotni sastav suhe atmosfere,
po obujmu - ppmv: dijelova po milijunu obujma
Plinpo NASA-i
Dušik78.084%
Kisik20.946%
Argon0.9340%
Ugljikov dioksid365 ppmv
Neon18.18 ppmv
Helij5.24 ppmv
Metan1.745 ppmv
Kripton1.14 ppmv
Vodik0.55 ppmv
U gornji sastav suhe atmosfere
nije uključena:
Vodena paraPromjenjive količine;
obično čini oko 1%

Ugljikov dioksid i metan su ispravljeni prema IPCC TAR tablici 6.1 iz 1998. godine.

Manje sastavnice zraka koje nisu gore navedene uključuju: dušikov oksid (0.5 ppmv), ksenon (0.09 ppmv), ozon (0.0 do 0.07 ppmv, 0.0 do 0.02 ppmv zimi), dušikov dioksid (0.02 ppmv), jod (0.01 ppmv), ugljikov monoksid (0.0 u tragovima), i amonijak (0.0 u tragovima).

Srednja molekulska masa zraka iznosi 28.97 g/mol.

Heterosfera

Ispod visine od oko 100 km Zemljina atmosfera ima više-manje jednoličan sastav (osim vodene pare) kao što je iznad opisano. Iznad oko 100 km Zemljina atmosfera ipak počinje imati sastav koji se mijenja s visinom. To je bitno jer u odsustvu miješanja gustoća plina pada eksponencijalno s porastom visine, ali po stopi koja ovisi o molekulskoj masi. Stoga sastavnice veće mase (kisik i dušik) padaju brže nego lakše sastavnice (helij, molekularni i atomarni vodik). Stoga postoji sloj nazvan heterosfera u kojoj Zemljina atmosfera ima različit sastav. Kako se visina povećava u atmosferi postepeno prevladava helij, molekularni i atomarni vodik. Precizna visina heterosfere i slojeva od kojih je sastavljena mijenja se značajno s temperaturom.

Evolucija Zemljine atmosfere

O povijesti Zemljine atmosfere prije milijardu godina malo se zna, ali sljedeće predstavlja vjerojatan slijed događaja. Kako god bilo, to još uvijek ostaje područje istraživanja.

Današnja atmosfera se ponekad odnosi na Zemljinu "treću atmosferu" kao bi se razlikovao trenutačni kemijski sastav od dva značajno različita prijašnja sastava. Prvotna atmosfera se sastojala od vodika i helija. Toplina (iz rastaljene kore i sa Sunca) je raspršila atmosferu.

Oko prije 3.5 milijardi godina površina se dovoljno ohladila da se oblikuje Zemljina kora koja se još uvijek sastojala od brojnih vulkana koji su ispuštali paru, ugljikov dioksid i amonijak. To je dovelo do stvaranja "druge atmosfere" koja je u početku bila sastavljena od ugljikovog dioksida i dušika uz nešto vodene pare ali praktički bez kisika. (Iako simulacije iz 2005. provedene na Sveučilištima u Waterloou i Coloradu pokazuju da je mogla imati i do 40% vodika.) Ta je druga atmosfera imala ~100 puta više plinova od trenutačne atmosfere. Općenito se vjeruje da je efekt staklenika, uzrokovan visokim razinama ugljikovog dioksida, čuvao Zemlju od smrzavanja.

Tijekom sljedećih nekoliko milijardi godina vodena se para kondenzirala pa je stvorila kišu i oceane koji su počeli otapati ugljikov dioksid. Oceani su apsorbirali približno 50% ugljikovog dioksida. Jedna od najranijih vrsta bakterija bile su cijanobakterije. Foslini dokaz pokazuje da su te bakterije postojale prije približno 3.3 milijardi godina i da su bile prvi evoluirajući fototropni organizmi koji su proizvodili kisik. One su odgovorne za prvotnu pretvorbu Zemljine atmosfere iz anoksičnog (stanje bez kisika) u oksično (s kisikom) stanje. Kako su cijanobakterije bile prve koje su započele fotosintezu kisika, mogle su promijeniti ugljikov dioksid u kisik pa su odigrale glavnu ulogu u oksigenaciji atmosfere.

Fotosintetske biljke su evoluirale te su i one počele sve više pretvarati ugljikov dioksid u kisik. S vremenom je višak ugljika postao zatvoren u fosilnim gorivima, sedimentnim stijenama (vapnenac) i životinjskim ljušturama.

Pojavom sve više biljaka razina kisika se značajno povećala (dok se razina ugljikovog dioksida smanjila). U početku se kisik spajao s različitim elementima (npr. željezom) da bi se na kraju akumulirao u atmosferi — rezultirajući masovnim izumiranjem i daljnjom evolucijom. Pojavom ozonskog sloja (ozon je alotrop kisika) životni su uvjeti bili bolje zaštićeni od ultraljubičastog zračenja. Ova atmosfera od kisika i dušika čini "treću atmosferu".

Više informacija