Земљина атмосфера

Слојеви атмосфере (НОАА)

Земљина атмосфера је слој гасова који окружују планету Земљу и који задржава Земљина гравитација. Садржи око четири петине азота и једну петину кисеоника, док су количине осталих гасова незнатне или у траговима. Атмосфера штити живот на Земљи апсорбирајући ултраљубичасто сунчево зрачење и смањујући температурне екстреме између дана и ноћи. Атмосфера не завршава нагло. Она полагано постаје рјеђа и постепено нестаје у свемиру. Не постоји коначна граница између атмосфере и спољашњег свемира. Три четвртине масе атмосфере налази се унутар 11 km од површине планете. У САД-у се особа која путује изнад висине од 80 km назива астронаутом. Висина од 120 km означава границу гдје атмосферски утицаји постају видљиви током уласка свемирске летјелице у атмосферу. Такође се често као границу атмосфере и свемира узима Карманова линија на удаљености од 100 km од површине.

По запремини, суви ваздух садржи 78,09% азота, 20,95% кисеоника, 0,93% аргона, 0,04% угљен диоксида, и мале количине других гасова. Ваздух такође садржи променљиву количину водене паре, у просеку око 1% на нивоу мора, а 0,4% у целој атмосфери. Састав ваздуха, температура и атмосферски притисак варирају у зависности од висине, а ваздух погодан за употребу у фотосинтези земаљских биљака и дисање копнених животиња налази се само у земаљској тропосфери и у вештачким атмосферама.

Атмосфера има масу од око 5,15×10¹⁸ кг, од којих је три четвртине унутар око 11 км (6,8 ми; 36.000 фт) од површине. Атмосфера постаје тања и тања с повећањем надморске висине, без дефинитивних граница између атмосфере и свемира. Карманова линија, на 100 км (62 ми), односно 1,57% Земљиног радијуса, често се користи као граница између атмосфере и свемира. Атмосферски ефекти постају приметни током атмосферског спуштања свемирских летелица на надморској висини од око 120 км (75 ми). У атмосфери се може разликовати неколико слојева на основу карактеристика као што су температура и састав.

Проучавање Земљине атмосфере и њених процеса назива се атмосферска наука (аерологија). Први пионири у овој области су били Леон Тејсерен де Бор и Ричарда Асмана.

Различита подручја у атмосфери

Подручја у атмосфери названа су на следећи начин:

• јоносфера — подручје које садржи јоне: приближно одговара мезосфери и термосфери до 550 km.
• егзосфера — изнад јоносфере где атмосфера нестаје у свемиру.
• магнетосфера — подручје где је магнетско поље Земље у интеракцији са сунчевим ветром. Простире се десетинама хиљада километара, с дугачким репом окренутим од Сунца.
• озонски омотач — или озоносфера, приближно 10—50 km, гдје се налази стратосферски озон. Треба се напоменути да је чак и унутар ове регије озон према обиму мања саставница.

горња атмосфера — подручје атмосфере изнад мезопаузе.

• Ван Аленови појасеви зрачења — подручја где честице са Сунца постају концентрисане.

Притисак

Атмосферски притисак је директна последица тежине ваздуха. То значи да се притисак ваздуха разликује са местом и временом јер се количина (и тежина) ваздуха изнад Земље исто тако разликују. Атмосферски притисак се смањује за ~50% на висини од око 5 km (једнако се и око 50% укупне масе атмосфере налази унутар најнижих 5 km). Просечни атмосферски притисак измерен на морском нивоу износи око 101.3 килопаскала.

Температура и атмосферски слојеви

Температура Земљине атмосфере се мијења с висином. Између различитих атмосферских слојева мијења се математички однос температуре и висине:

• тропосфера: од површине до 7 km или 17 km зависно о ширини временским факторима, температура се смањује с висином.
• стратосфера: од 7—17 km до око 50 km, температура се повећава с висином.
• мезосфера: од око 50 km до 80—85 km, температура се смањује с висином.
• термосфера: од 80—85 km до 640+ km, температура се повећава с висином.
• егзосфера:од 800 до 3000 km, ваздух је риједак скоро као вакуум.

Границе међу тим слојевима називају се тропопауза, стратопауза и мезопауза.

Просјечна температура атмосфере на површини Земље износи 14 °Ц.

Густина и маса

Густина ваздуха на нивоу мора износи око 1,2 kg/m³ (1,2 g/L, 0,0012 g/cm³). Као посљедице времена јављају се природне разлике у барометарском притиску на било којој висини. Та разлика је релативно малена за насељене висине али је много више изражена у спољашњој атмосфери и свемиру захваљујући промјењивом сунчевом зрачењу.

Густина атмосфере се смањује с повећањем висине. Та се разлика може приближно приказати употребом барометарске формуле. Метеоролози и свемирске агенције користе софистицираније моделе за предвиђање времена и орбиталних пропадања сателита.

Укупна маса атмосфере износи око 5,1 × 10¹⁸ кг, или око 0,9 ппм Земљине укупне масе.

Горњи постоци састава атмосфере направљени су с обзиром на запремину. Претпостављајући да се гасови понашају као идеални гасови, могу се додати постоци помножени с њиховим моларним масама м, да се добије укупно у = збир (п•м). Тада је било који постотак елемента по маси п•м/т. Када се то примјени на горње постотке добије се да је састав атмосфере према маси 75,523% N₂, 23,133% O₂, 1,288% Ar, 0,053% CO₂, 0,001267% Ne, 0,00029% CH₄, 0,00033% Kr, 0,000724% He и 0,0000038% H₂.

Овај графикон је према НРЛМСИСЕ-00 атмосферском моделу који као улазне податке има: ширину, дужину, датум, вријеме дана, висину, сунчеву струју те дневни индекс Земљиног магнетног поља.

Састав

Састав Земљине атмосфере. Доњи дијаграм представља најмање уобичајене плинове које чине само 0.038% атмосфере. Вриједности су регулиране за илустрацију. Наведен вредности су углавном за 2000, са ${\ce {CO2}}$ и метаном за 2019, и не представљају појединачан извор.

Постотни састав сухе атмосфере, по обиму - ппмв: дијелова по милиону обима
Гас	по Наси
Азот	78.084%
Кисеоник	20.946%
Аргон	0.9340%
Угљен-диоксид	365 ппмв
Неон	18.18 ппмв
Хелијум	5.24 ппмв
Метан	1.745 ппмв
Криптон	1.14 ппмв
Водоник	0.55 ппмв
У горњи састав суве атмосфере није укључена:
Водена пара	Промјењиве количине; обично чини око 1%

Угљен-диоксид и метан су исправљени према ИПЦЦ ТАР таблици 6.1 из 1998. године.

Мање саставнице ваздуха које нису горе наведене укључују: азот-моноксид (0.5 ппмв), ксенон (0.09 ппмв), озон (0.0 до 0.07 ппмв, 0.0 до 0.02 ппмв зими), азот-диоксид (0.02 ппмв), јод (0.01 ппмв), угљен-моноксид (0.0 у траговима), и амонијак (0.0 у траговима).

Средња молекулска маса ваздуха износи 28.97 г/мол.

Хетеросфера

Испод висине од око 100 km Земљина атмосфера има више-мање једноличан састав (осим водене паре) као што је изнад описано. Изнад око 100 km Земљина атмосфера ипак почиње имати састав који се мијења с висином. То је битно јер у одсуству мијешања густина гаса пада експоненцијално с порастом висине, али по стопи која зависи од молекулске масе. Стога саставнице веће масе (кисеоник и азот) падају брже него лакше саставнице (хелијум, молекуларни и атомарни водоник). Стога постоји слој назван хетеросфера у којој Земљина атмосфера има различит састав. Како се висина повећава у атмосфери постепено превладава хелијум, молекуларни и атомарни водоник. Прецизна висина хетеросфере и слојева од којих је састављена мијења се значајно с температуром.

Еволуција Земљине атмосфере

О историји Земљине атмосфере прије милијарду година слабо се зна, али сљедеће представља вјероватан слијед догађаја. Како год било то још увијек остаје подручје истраживања.

Данашња атмосфера се понекад односи на Земљину "трећу атмосферу" како би се разликовао тренутни хемијски састав од два значајно различита пређашња састава. Првотна атмосфера се састојала од водоника и хелијума. Топлота (из растаљене коре и са Сунца) је распршила атмосферу.

Око прије 3,5 милијарди година површина се довољно охладила да се обликује земљина кора која се још увијек састојала од бројних вулкана који с испуштали пару, угљен-диоксид и амонијак. То је довело до стварања "друге атмосфере" која је у почетку била састављена од угљен-диоксида и водене паре уз нешто азота али практички без кисеоника. (Иако симулације из 2005. проведене на Универзитетима у Ватерлоу и Колораду показују да је могла имати и до 40% водоника.) Та је друга атмосфера имала ~100 пута више гаса од тренутне атмосфере. Уопште, вјерује се да је ефекат стаклене баште, узрокован високим нивоима угљен-диоксида, чувао Земљу од смрзавања.

Током сљедећих неколико милијарди година водена се пара кондензовала па је створила кишу и океане који су почели отапати угљен-диоксид. Океани су апсорбирали приближно 50% угљен-диоксида. Једна од најранијих врста бактерија биле су цијанобактерије. Фосилни доказ показује да су те бактерије постојале прије приближно 3,3 милијарди година и да су биле први еволуирајући фототропни организми који су производили кисеоник. Оне су одговорне за прву промену Земљине атмосфере из аноксидног (стање без кисеоника) у оксидно (с кисеоником) стање. Како су цијанобактерије биле прве које су започеле фотосинтезу кисеоника, могле су промијенити угљен-диоксид у кисеоник па су одиграле главну улогу у оксигенацији атмосфере.

Фотосинтетизирајуће биљке су еволуирале те су и оне почеле све више претварати угљен-диоксид у кисеоник. С временом је вишак угљена постао затворен у фосилним горивима, седиментним стијенама (кречњак) и животињским љуштурама. Кад се кисеоник ослободио, реаговао је с амонијаком те створио азот; штовише су и бактерије претварале амонијак у азот.

Појавом све више биљака ниво кисеоника се значајно повећао (док се ниво угљен-диоксида смањио). У почетку се кисеоник спајао с различитим елементима (нпр. гвожђем) да би се на крају акумулирао у атмосфери — резултујући масовним изумирањем и даљњом еволуцијом. Појавом озонског омотача (озон је алотропска модификација кисеоника) животни су услови били боље заштићени од ултраљубичастог зрачења. Ова атмосфера од кисеоника и азота чини "трећу атмосферу".

Види још

• Атмосферски електрицитет
• Ефекат стаклене баште
• Глобално загревање
• Записи температура током прошлости
• Ваздух
• Хидролошки циклус

Литература

• Брассеур, Гуy П.; Орландо, Јохн Ј.; Тyндалл, Геоффреy С. (1999). Атмоспхериц Цхемистрy анд Глобал Цханге. Оxфорд Университy Пресс. Атмоспхериц Цхемистрy анд Глобал Цханге. Оxфорд Университy Пресс. 1999. ИСБН 0-19-510521-4. .
• Финлаyсон-Питтс, Барбара Ј.; Питтс, Јамес Н., Јр. (2000). Цхемистрy оф тхе Уппер анд Лоwер Атмоспхере. Ацадемиц Пресс. Финлаyсон-Питтс, Барбара Ј.; Питтс, Јамес Н. (2000). Цхемистрy оф тхе Уппер анд Лоwер Атмоспхере: Тхеорy, Еxпериментс, анд Апплицатионс. Ацадемиц Пресс. ИСБН 0-12-257060-X. .
• Сеинфелд, Јохн Х.; Пандис, Спyрос Н. (2006). Атмоспхериц Цхемистрy анд Пхyсицс: Фром Аир Поллутион то Цлимате Цханге (2нд Ед.). Јохн Wилеy анд Сонс, Инц. Сеинфелд, Јохн Х. (20. 1. 1986). Атмоспхериц Цхемистрy анд Пхyсицс оф Аир Поллутион. Wилеy. ИСБН 0-471-82857-2. ЦС1 одржавање: Формат датума (веза).
• Wарнецк, Петер (2000). Цхемистрy оф тхе Натурал Атмоспхере (2нд Ед.). Ацадемиц Пресс. Wарнецк, Петер (2000). Цхемистрy оф тхе Натурал Атмоспхере. Елсевиер Сциенце. ИСБН 0-12-735632-0. .
• Wаyне, Рицхард П. (2000). Цхемистрy оф Атмоспхерес (3рд Ед.). Оxфорд Университy Пресс. Wаyне, Рицхард Пеер (2000). Цхемистрy оф Атмоспхерес: Ан Интродуцтион то тхе Цхемистрy оф тхе Атмоспхерес оф Еартх, тхе Планетс, анд Тхеир Сателлитес. Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 0-19-850375-X. .
• Ј. V. Ирибарне, Х. Р. Цхо, Атмоспхериц Пхyсицс, D. Реидел Публисхинг Цомпанy, 1980

Спољашње везе

• Интерацтиве глобал мап оф цуррент атмоспхериц анд оцеан сурфаце цондитионс.
• ИГАЦ Тхе Интернатионал Глобал Атмоспхериц Цхемистрy Пројецт
• Паул Црутзен Интервиеw - фреевиеw видео оф Паул Црутзен Нобел Лауреате фор хис wорк он децомпоситион оф озоне, талкинг то Нобел Лауреате Харрy Крото, тхе Вега Сциенце Труст
• Тхе Цамбридге Атмоспхериц Цхемистрy Датабасе ис а ларге цонституент обсерватионал датабасе ин а цоммон формат.