Cât de întinsă este atmosfera terestră? Aveţi idee? Până la 10 km? 1.000 km? De ce scade presiunea atmosferică odată cu altitudinea? Ce generează presiunea atmosferică? De ce scade temperatura odată cu altitudinea? De ce sunt zone în care temperatura creşte, în straturile superioare ale atmosferei? Cum a distrus omul stratul de ozon şi de ce este acesta important? Cum se formează aurora boreală/australă? Iată o serie de întrebări la care vom răspunde în articolul de faţă.
Atmosfera terestră este unică în sistemul nostru solar, dat fiind că nicio altă planetă nu dispune de amestecul de gaze, de umiditatea şi căldura pe care le găsim pe Terra. Această combinaţie unică permite existenţa vieţii.
În comparaţie cu raza Pământului, care are în jur de 6.400 km, atmosfera terestră reprezintă doar un strat extrem subţire.
Şi ce e şi mai interesant, mai mult de 99% din atmosfera terestră se găseşte în primii 30 km. Acest strat subţire de gaze este cel care asigură o incredibilă protecţie împotriva radiaţiei cosmice.
Schimburile de energie ce au loc între suprafaţa terestră şi atmosferă şi între spaţiul interplanetar şi atmosferă le identificăm sub denumirea de vreme.
Compoziţia atmosferei
Pe lângă gazele pe care le puteţi vedea menţionate în imaginea de mai sus, atmosfera are o serie de componente variabile: vapori de apă, aerosoli şi stratul de ozon.
Vaporii de apă
Vaporii de apă sunt sursa tuturor norilor şi, prin urmare, a precipitaţiilor. Dar au şi alt rol important, acela de a absorbi căldura reflectată de Pământ, precum şi parte din energia solară. Vaporii de apă au aşadar o "căldură latentă", care este absorbită sau eliberată în funcţie de condiţii. Această energie generează, de exemplu, furtunile.
Aerosolii
Dinamica atmosferei terestre este suficientă pentru a ţine suspendate în aer nenumărate particule: particule de sare rezultate din mişcarea valurilor, fragmente mici de sol, fum de la incendii, polen, microorganisme ridicate în atmosferă de vânt, cenuşă vulcanică etc. Toate acestea poartă numele comun de „aerosoli”.
Aerosolii sunt mai prezenţi în atmosfera inferioară, mai aproape de suprafaţa terestră. Aerosolii sunt importanţi din punct de vedere meteorologic, pentru că aceştia funcţionează ca suprafeţe pe care vaporii de apă pot condensa, un aspect esenţial în ce priveşte formarea norilor. Pe de altă parte, aerosolii pot absorbi şi reflecta radiaţia solară.
Ozonul
Ozonul este o moleculă formată din 3 atomi de oxigen. Ozonul este deosebit de oxigenul pe care-l respirăm (moleculele sunt formate din 2 atomi de oxigen).
Ozonul are o prezenţă redusă în atmosferă, reprezentând 3 din 10 milioane de molecule. Acesta este prezent cu preponderenţă în stratosferă, un strat al atmosferei care se întinde între 10 şi 50 km de la suprafaţa terestră.
Ozonul se formează din combinarea dintre moleculele de oxigen (formate din 2 atomi) şi atomi de oxigen care au rezultat în urma ruperii unei molecule de oxigen (O2) sub incidenţa radiaţiei ultraviolete emis de Soare. Ozonul, la rândul său, absoarbe o parte din radiaţia ultravioletă nocivă a Soarelui. Omul, fără a şti iniţial, a subţiat stratul de ozon prin eliberarea în atmosferă a clorofluorocarburilor (CFC), folosite în special ca soluţie de răcire în aparatele de aer condiţionat şi echipamente de refrigerare. Aceste substanţe, care au fost interzise între timp (Protocolul de Montreal, 1987), au potenţialul de a rupe moleculele de ozon, subţiind astfel stratul de ozon.
Unde începe şi unde se termină atmosfera terestră?
E greu de spus. Nu există o line clară care să delimiteze atmosfera de spaţiu cosmic; atmosfera devine din ce în ce mai rarefiată, până la punctul în care nu se mai poate face vreo diferenţă între aceasta şi spaţiul interplanetar.
Ce ştim este că atmosfera define din ce în ce mai rarefiată pe măsură ce ne depărtăm de suprafaţa terestră. Jumătate din masa atmosferei se situează până la 5,6 km de suprafaţa terestră. Circa 90% din atmosferă se întinde până la altitudinea de doar 16 km!
La peste 100 km se mai găsesc doar 0,00003% din toate gazeze ce compun atmosfera. În fapt, la 100 km deasupra solului atmosfera este atât de rarefiată, că densitatea aerului este mai scăzută decât în cel mai perfect vid pe care-l putem crea în laborator! La 600 de km distanța dintre 2 atomi / particule, luând în calcul o distribuţie medie, este de circa 10 km.
Schimbările de presiune din atmosfera terestră
Presiune atmosferică este pur şi simplu greutatea aerului atmosferei, în contextul gravitaţiei terestre. Desigur, ca urmare a rarefierii atmosferei pe măsură ce creşte altitudinea, presiunea atmosferică scade odată cu altitudinea.
Schimbările de temperatură din atmosfera terestră
De ce aerul este mai rece cu cât creşte altitudinea? Nu ar trebui să fie mai cald pe măsură ce ne apropiem de Soare?
După cum știți, aerul cald se ridică. Într-o cameră, într-o lună de vară, va fi o mică diferenţă între aerul de jos şi aerul de sus. Un ventilator montat pe tavan este util, aşadar, pentru a înlătura aerul cald din cameră. Dar atunci de ce este atât de frig pe vârful unui munte?
Ne putem imagina Pământul ca un mare radiator; cu cât te îndepărtezi de acesta, simţi din ce în ce mai rece.
Dar ce încălzește "radiatorul"? Lumina de la Soare. Oamenii de știință numesc această lumină „radiație”. Acest flux de fotoni încălzeşte suprafaţa terestră şi asigură condiţiile necesare vieţii pe Terra.
Lumina de la Soare
Radiaţia solară călătorește prin spațiu spre Pământ și trece prin atmosferă. Dar atmosfera nu este foarte bună în a reţine căldura de la Soare. Se întâmplă astfel pentru că, aşa cum am spus mai sus, aerul la altitudini mai mari are o densitate mai mică, pe măsură ce particulele de gaz se extind și pierd energie.
În cele din urmă, radiaţia solară lovește suprafaţa terestră, iar aceasta absoarbe căldura. Pădurile şi oceanele sunt, în mod special, bune în absorbţia căldurii solare. Alte zone de pe suprafaţa terestră, cum ar fi cele acoperite de zăpadă, mai degrabă reflectă radiația.
Cu cât vă depărtaţi de nivelul mării, cu atât sunteți mai departe de „radiatorul” care ne menține temperaturile cu care suntem obişnuiţi. Pe vârful munților poate fi atât de frig, că omul poate muri în câteva minute, dacă nu are echipamentul necesar de protecţie.
Aerul de la altitudini mari nu are capacitatea de a „reține” radiația venită de la Soare, aceasta trecând prin straturile mai înalte ale atmosferei fără a ale încălzi.
În spațiu există multă radiaţie solară, iar astronauții poartă costume speciale pentru a se proteja de aceasta. Însă nu există aer în spațiu, ceea ce înseamnă că nu există cu adevărat nimic pentru a „menţine” căldura Soarelui.
Dar... surpriză! Temperatura nu scade continuu odată cu altitudinea!
Ce am spus mai sus e adevărat, în principiu. Dar nu este valabil pentru toată suprafaţa atmosferei. Cercetătorul francez Leon Philippe Teisserenc de Bort a folosit datele de la peste 200 de baloane meteorologice pentru a arăta că temperatura se păstrează la valori apropiate între 8 şi 12 km.
Dar pe măsură ce urcăm în straturile atmosferei, observăm zone de inversiune ale temperaturii. Pentru a nu folosi prea multe cuvinte, analizaţi imaginea de mai jos cu evoluţia temperaturii, în funcţie de altitudine. Merită menţionat că în zona cu cea mai mare concentraţie de ozon temperatura creşte, dat fiind că această zonă este caracterizată de o mare rată de absorbţie a radiaţiei ultraviolete solare.
Al patrulea strat al atmosferei, termosfera, conţine doar o fracţiune din masa atmosferei, fiind extrem de rarefiat. Dar temperatura creşte din nou în această zonă - şi poate atinge temperaturi de până la 1.000o C, ca urmare a absorbție de radiaţie solară de mare energie de către atomii de oxigen şi nitrogen. Dar aceste temperaturi înalte nu sunt comparabile cu temperaturile simţite la nivelul scoarţei terestre. Temperatura este definită în funcţie de viteza medie cu care se mişcă moleculele; cum gazele din termosferă se mişcă cu viteză mare - temperatura este mare.
Ionosfera
Ionosfera este un strat pe care nu-l vedeţi în imaginea de mai sus, care este situat între 80 şi 400 de km. Acest strat este caracterizat de sarcină electrică; moleculele de nitrogen şi atomii de oxigen sunt bombardați de radiaţie solară de mare energie, atomii pierd electroni în acest proces (iar atomii devin "ioni", de unde şi numele stratului), iar electronii călătoresc liber sub forma curentului electric.
Deşi ionizarea are loc între 1.000 şi 50 de km, densitatea cea mai mare de electroni şi ioni încărcaţi pozitiv este între 80 şi 400 de km.
Aurora boreală
Ionosfera este zona din atmosferă în care are loc unul dintre cele mai spectaculoase fenomene: aurora boreală (emisfera nordică) şi aurora australă (emisfera sudică). Apariţia aurorelor este strict corelată cu activitatea Soarelui (vântul solar) şi, geografic, cu polii magnetici ai Pământului. Particulele de mare energie generate de Soare, protoni şi electroni, sunt capturaţi de câmpul magnetic al Pământului şi sunt direcţionaţi către polii magnetici. Cum vânturile solare sunt corelate cu activitatea petelor solare, apariţia aurorelor este mai numeroasă când petele solare sunt mai numeroase.
Surse: cartea The Atmosphere de Lutgens Tarbuck
Why is air colder the higher up you go
