Ziemska atmosfera – co warto wiedzieć
Początki tworzenia się atmosfery naszej planety to okres około 5 miliardów lat temu. Skład tej atmosfery, rodzaj i skład gleby, jak również tworzenie zbiorników wodnych na naszej planecie kształtowany był w tym okresie zwłaszcza przez wybuchy wulkanów.
zdj. Stanisław Hławiczka
Dlatego pierwotna atmosfera Ziemi, tworzona przez gazy wydobywające się z pierwotnej magmy, podobna była do składu gazów wydobywających się obecnie podczas erupcji wulkanicznych. Emitowana z magmy para wodna, w wyniku ochładzania się Ziemi wykraplała się w postaci deszczu, tworząc oceany. W nich rozpuszczały się duże ilości dwutlenku węgla, głównego składnika erupcji wulkanicznej, który to gaz dominował w atmosferze pierwotnej. Z czasem, wysokie zawartości tego gazu obecnego w atmosferze zmniejszały się.
Obecny skład atmosfery
Azot, obecnie główny składnik atmosfery ziemskiej, był również w atmosferze pierwotnej istotnym składnikiem gazów wydobywających się z pierwotnej magmy. Ponieważ był gazem mało chemicznie reaktywnym pozostał na stałe, do dzisiaj, głównym składnikiem atmosfery. Tlen obecny w naszej atmosferze jest niejako gazem wtórnym, gdyż na początku zaczął się tworzyć w wyniku fotodysocjacji pary wodnej, czyli procesu, w którym woda pod wpływem światła rozpada się na cząsteczki tlenu, jony wodorowe i elektrony. Obecnie głównym źródłem tlenu w atmosferze jest proces fotosyntezy, zachodzący w roślinach.
Aktualne stężenia naturalnych składników atmosfery można pogrupować następująco:
֍ grupę składników głównych tworzą jedynie 3 pierwiastki – azot, tlen i argon – których udział w naturalnym składzie atmosfery wynosi ponad 99,9 procent;
֍ grupę gazów, z sumarycznym udziałem stanowiącym jedynie tysięczne części procentu, tworzy: dwutlenek węgla, neon, hel, metan i krypton;
֍ śladową część udziału procentowego w atmosferze Ziemi stanowi: wodór, podtlenek azotu i ksenon.
Przedstawione dane dotyczą oczywiście naturalnego składu atmosfery, czyli takiego, na który nie mają wpływu emisje ze źródeł antropogennych, czyli emisje mające związek z działalnością człowieka.
Ile waży ziemska atmosfera
Patrząc w przestrzeń nad naszymi głowami, oglądając nie tylko wysoko lecące samoloty, ale widząc Księżyc czy gwiazdy, możemy, w odniesieniu do atmosfery, mieć poczucie pewnej pustki, braku materialnego wymiaru atmosfery ziemskiej. Dobrym sposobem uświadomienia, że atmosfera ziemska jest jednak bytem realnie istniejącym, jest zadać następujące pytanie: ile waży ziemska atmosfera?
Mogę iść o zakład, że mało kto z czytających zastanawiał się nad postawionym powyżej pytaniem (jeśli taka osoba jest, to niech „kliknie” i się tym pochwali). Tym bardziej nie ma wśród czytających nikogo (tak mi się przynajmniej wydaje), kto ma pomysł na to jak masę atmosfery ziemskiej można wyznaczyć (jeśli taka osoba jest, to niech „kliknie” i się tym pochwali).
I wreszcie kolejną grupę osób proszę o przyznanie się (czyli o „kliknięcie” i wyjaśnienie) jak bardzo zostały zaskoczone, kiedy przeczytały, że: każdy z nas, w tej chwili, mając kartkę papieru i długopis, jest w stanie sam obliczyć masę ziemskiej atmosfery. Jak to zrobić?
Tak obliczona, przybliżona wielkość, ogólnej masy atmosfery ziemskiej wynosi 5 x 1015 ton
Jest to wartość bardzo wysoka ale jednak uświadamiająca, że atmosfera jest konkretnym bytem, o dużej, lecz skończonej masie oraz pojemności. To oznacza, że nasza ziemska atmosfera ma jednak skończoną odporność na oddziaływania ze strony ludzkiej działalności.
Rola grawitacji w kształtowaniu atmosfery ziemskiej
Kolejna sprawa, nad którą warto się zastanowić: dlaczego robimy problem z faktu emisji zanieczyszczeń do atmosfery, skoro patrząc w górę, w stronę Księżyca, widzimy ogromną przestrzeń, w której te wyemitowane zanieczyszczenia mogą się rozproszyć? W przypadku tego pytania odpowiedzi prawidłowych byłoby chyba dosyć sporo (niech „klikną” te osoby które znają odpowiedź). A odpowiedź prawidłowa jest taka: brak możliwości wędrówki wyemitowanych zanieczyszczeń gdzieś daleko, w przestrzeń kosmiczną, nie jest możliwa dzięki sile grawitacji; ona zresztą również, oprócz wyemitowanych zanieczyszczeń, utrzymuje powłokę atmosfery przy powierzchni Ziemi.
Dzięki siłom grawitacji, w tym przypadku grawitacji Księżyca, duża część nadlatujących z Kosmosu obiektów, uderza w Księżyc, zamiast w Ziemię. Dotyczy to zwłaszcza „ciemnej” strony Księżyca, tej odwróconej od Ziemi, która jest szczególnie wystawiona na bombardowanie meteorytami.
W odniesieniu do ziemskiej grawitacji nasuwa się pytanie: a jaki jest jej zasięg? Fizyk odpowie, że grawitacja nie ma granic, gdyż ciała oddziałują ze sobą siłami grawitacyjnymi, bez względu na to jak duża jest odległość między nimi. Nie wchodząc tutaj w złożone niuanse dotyczące oddziaływań grawitacyjnych można jedynie stwierdzić, że teoria Newtona określająca siły grawitacyjnego oddziaływania dwóch ciał jest słuszna tylko do pewnego zakresu odległości oraz do określonej wielkości mas obiektów oddziałujących na siebie.
Fachowcy z NASA uznają wysokość 122 kilometrów nad Ziemią, za graniczną wartość „umownej grawitacji”, gdyż począwszy od tej wysokości, powracające promy kosmiczne wyłączają silniki i, poddając się ziemskiej grawitacji, przechodzą w lot ślizgowy w kierunku Ziemi. Dla potrzeb praktycznych przyjęto, że mniej więcej wysokość 100 kilometrów od powierzchni Ziemi jest tą wysokością graniczną, która oddziela przestrzeń pomiędzy atmosferą ziemską a przestrzenią kosmiczną. Skrajnym przeciwieństwem do poglądu o „umownej grawitacji” są postulaty teoretyków Kosmosu wskazujące, że ziemska grawitacja zanika dopiero w odległości 21 milionów kilometrów od powierzchni kuli ziemskiej.
Podział atmosfery ziemskiej
Zejdźmy jednak z Kosmosu na Ziemię, skupiając się na warstwie gazowej otaczającej naszą planetę.
Kilka informacji dotyczącej warstwy atmosfery położonej najbliżej powierzchni Ziemi. Strefa ta nazywa się troposferą.
zdj. Stanisław Hławiczka
Górny poziom tej strefy ma różną wysokość - zmienia się od 7 do 10 kilometrów w pobliżu biegunów Ziemi i od 15 do 18 kilometrów w pobliżu równika; powodem tych różnic jest m.in. kształt elipsoidy obrotowej naszej planety. Wysokość troposfery wyznacza jednak przebieg zmian temperatury powietrza wraz z wysokością, będący wynikiem procesu przekazywania ciepła. Nad zimnymi biegunami proces ten ustaje oczywiście niżej niż nad gorącą strefą równikową. W obrębie troposfery mieści się około 85 procent całej masy atmosfery i tu zachodzą prawie wszystkie zjawiska pogodowe.
Do wysokości 5,5 kilometra ziemska grawitacja zapewnia nam przyciąganie i utrzymanie połowy masy atmosfery; powyżej, do około trzydziestego kilometra nad Ziemią, to już tylko mniej niż jeden procent jej ogólnej masy, „przytrzymywanej” siłami ziemskiej grawitacji.
To, co powyżej troposfery, to kolejne warstwy ziemskiej atmosfery: stratosfera, mezosfera, termosfera i egzosfera. Atmosfera posiada więc 5 warstw, z których każda czymś się wyróżnia, odpowiada za specyficzne funkcje i posiada odmienne właściwości.
Oczywiście dla nas najważniejsza jest troposfera, a właściwie jej część - tak zwana dolna troposfera, czyli przestrzeń naszego zwykłego przebywania. Tylko w tej przestrzeni możemy swobodnie oddychać, jednak tylko do pewnej wysokości nad gruntem. W tej warstwie panują warunki pogodowe, kształtujące możliwości życia ludzi, zwierząt i roślin.
Ochronna rola atmosfery ziemskiej
Atmosfera ziemska to nieoceniony pancerz ochronny, osłaniający życie na Ziemi przed inwazją różnego rodzaju intruzów z Kosmosu.
Takim niebezpiecznym intruzem są meteoridy - okruchy skalne o rozmiarach od jednego milimetra do kilku metrów, które po wejściu w naszą atmosferę stają się meteorami. Na wysokości około 300 kilometrów nad Ziemią rozpoczyna się ich nagrzewanie w wyniku tarcia, a już na wysokości około 115 kilometrów osiągają temperaturę rzędu 2000 st. Celsjusza. Na szczęście większość materii kosmicznej nie dociera do Ziemi, spalając się w atmosferze.
Specyficznym intruzem jest również strumień fal elektromagnetycznych oraz strumień cząstek elementarnych docierający do atmosfery – oba te strumienie są składnikiem promieniowania słonecznego. Ważną rolą atmosfery jest ukształtowanie bezpiecznego natężenia i widma tego promieniowania, do poziomu optymalnego dla rozwoju organizmów zwierzęcych i roślinnych.
Atmosfera ziemska utrzymuje równowagę między ilością energii dostarczanej do Ziemi przez Słońce i odprowadzanej z powierzchni Ziemi. Stabilizuje to temperaturę na Ziemi, chroniąc przed zbyt wysokim nagrzaniem w dzień i zbyt dużym wychłodzeniem w nocy. Na szczęście część promieniowania dochodzącego do Ziemi zostaje odbita z powrotem, w przestrzeń kosmiczną – ten proces kształtuje tzw. bilans energetyczny Ziemi. Gdy równowaga tego procesu zostaje zachwiana, zaczynają w atmosferze zachodzić różnego rodzaju niepożądane zjawiska. Rozwinięcie sprawy bilansu energetycznego w obrębie ziemskiej atmosfery zasługuje jednak na oddzielne potraktowanie, gdyż ma ścisły związek z klimatem Ziemi.
Na koniec coś, co warto uświadamiać przy każdej okazji! Warstwa ziemskiej atmosfery, czyli powłoka gazowa otaczająca Ziemię, jest bardzo cienka, niezwykle podatna na degradacyjne oddziaływania wynikające z działalności człowieka. Dbanie więc o jej jakość jest nie tylko obowiązkiem, jest wręcz koniecznością dla przetrwania życia na Ziemi.
Tekst i zdjęcia: Stanisław Hławiczka
PODOBNE WPISY
0 Komentarze