atmosferos vertikalusis pjūvis ir temperatūros bei slėgio pasiskirstymas

atmosferà (gr. atmos – garai + gr. sphaira – rutulys), Žẽmės atmosferà, Žemės rutulį gaubiantis oro sluoksnis. Atmosferos masė 5,15·1015 t. Jos slėgis į Žemės paviršių jūros lygyje lygus vidutiniškai 1013,25 hPa.

Sudėtis

Žemutinių atmosferos sluoksnių svarbiausios sudėtinės dalys yra azotas, deguonis ir argonas (jos sudaro 99,96 % atmosferos tūrio). Be to, atmosferoje yra anglies dioksido, inertinių dujų, vandens garų, aerozolių, antropogeninių priemaišų. Mažosios dujų priemaišos – ozonas, anglies dioksidas, metanas, azoto suboksidas, anglies monoksidas – aktyvios įvairiose cheminėse reakcijose, sugeria Saulės infraraudonuosius spindulius, todėl turi didelės reikšmės Žemės klimato svyravimui. Atmosferos cheminė sudėtis apatiniame 85–90 km sluoksnyje (homosferoje; lentelė) beveik vienoda, tik stratosferoje didesnė ozono koncentracija (atmosferos ozonas). Jonizuotų atomų nedaug. Pastovi sauso oro molekulinė masė 28,9645 kg/kmol. Aukščiau (heterosferoje) intensyviai veikiant kosminiams, Saulės ultravioletiniams ir korpuskuliniams spinduliams vyksta molekulių disociacija (susidaro laisvieji radikalai), fotocheminės reakcijos, todėl ten mažiau molekulinio, daugiau atominio deguonies ir azoto. Molekulės ir atomai dažniausiai jonizuoti (atmosferos jonai). Be to, vyksta gravitacinis dujų pasiskirstymas: kylant aukštyn gausėja lengvųjų dujų. Molekulinė oro masė sparčiai mažėja ir 1000 km aukštyje sudaro tik 3,94 kg/kmol. Aukščiau kaip 600 km pagrindinis atmosferos komponentas yra helis, o 2–20 tūkst. km aukštyje – vandenilis.

1 lent. Sauso oro chem. sudėties pagr. komponentai homosferoje
Dujos Koncentracija Molekulinė masė kg/kmol
tūrio % masės %
azotas N2 78,084 75,54 28,0134
deguonis O2 20,9476 23,14 31,9988
argonas Ar 0,934 1,27 39,948
anglies dioksidas CO2 0,0368 0,05 44,00995
neonas Ne 1,818·10–3 1,2·10–3 20,179
helis He 5,239·10–4    
metanas CH4 1,7·10-4 1·10–4 16,04303
kriptonas Kr 1,14·10-4 3·10–4 83,80
vandenilis H2 0,5·10-4 0,04·10–4 2,01594
azoto suboksidas N2O 0,5·10-4 0,76·10–4 44,0128
ksenonas Xe 0,087·10-4 0,36·10–4 131,30
sieros dioksidas SO2 iki 0,0001   64,0628
ozonas O3 iki 0,07·10–4 vasarą   47,9982
iki 0,02·10–4 žiemą  
azoto oksidai NOx 1–~20·10–5   46,0055
amoniakas NH3 6·10–6   17,03061
anglies monoksidas CO pėdsakai   28,01055
jodas I2 pėdsakai   253,8088
radonas Rn pėdsakai   (222)

Atmosferoje labiausiai kinta vandens garų kiekis. Prie Žemės paviršiaus jų būna vidutiniškai nuo 0,2 iki 2,6 % tūrio. Garų kiekis priklauso nuo geografinės platumos, advekcijos, garavimo ir kondensacijos procesų. Vandens garams kondensuojantis susidaro debesys ir iškrinta krituliai. Daugiausia vandens garų yra žemutiniuose atmosferos sluoksniuose (troposferoje), pvz., Lietuvoje pažemio sluoksnyje 1 kg oro būna 2–9 g drėgmės. Kylant aukštyn drėgmės kiekis sparčiai mažėja ir jau 5 km aukštyje jos tėra 0,5–1,5 g/kg. Vandens garų pėdsakų aptinkama iki 80–85 kilometrų.

Nepastovi atmosferos sudėtinė dalis yra ir anglies dioksidas. Jo kiekis atmosferoje priklauso nuo apykaitos tarp atmosferos, litosferos, hidrosferos ir augalijos. 20 a. anglies dioksido kiekis didėjo dėl industrinės ir agrarinės žmogaus veiklos (nuo 1900 iki 2000 anglies dioksido padaugėjo nuo 0,0292 iki 0,0368 %). Dėl žmogaus veiklos didėja ir metano, anglies monoksido, azoto suboksido bei dioksido, sieros oksidų, freonų, radono, jodo koncentracija. Kai kurios iš šių dujinių priemaišų (anglies dioksidas, metanas, azoto suboksidas, freonai) praleidžia Saulės spindulius, tačiau gerai sugeria ilgabangius infraraudonuosius Žemės spindulius, todėl padidėjus jų kiekiui ore didėja šiltnamio efektas, klimatas gali tapti šiltesnis.

Atmosferoje (ypač žemutiniuose sluoksniuose) gausu aerozolių, vulkaninės ir defliacinės kilmės dulkių, įvairių cheminių junginių, bakterijų, sporų. Aukštesniuose atmosferos sluoksniuose esančios priemaišos (ypač dulkės) didina Žemės albedą. Veikiant kosminiams spinduliams ir skylant radioaktyvioms Žemės plutos uolienoms, atmosferoje nuolat susidaro ir vėl suyra natūralūs radioaktyvūs anglies, argono, berilio ir kitų elementų izotopai (atmosferos radioaktyvumas, atmosferos užterštumas).

Struktūra

Atmosferos fizikinės savybės kinta horizontalia ir vertikalia kryptimi. Savybių kaita horizontalia kryptimi susijusi su nevienodu Žemės paviršiaus įvairių dalių klimatu (sąveikaudamos su Žemės paviršiumi oro masės įgyja tam tikrų savybių, vyksta atmosferos cirkuliacija). Vertikalia kryptimi atmosfera skirstoma į keletą sferų pagal temperatūros vertikalųjį pasiskirstymą (2 lentelė; pav.), cheminę sudėtį ir tam tikras fizikines bei chemines savybes. Vieną sferą nuo kitos skiria pereinamasis sluoksnis – pauzė, kuriame temperatūra mažai keičiasi. Apatinis, tankiausias, atmosferos sluoksnis vadinamas troposfera. Joje dažnai keičiasi orai, vyksta atmosferos turbulencija. Troposferos aukštis ties pusiauju 16–18 km, poliarinėse srityse 8–10 km. Ties Lietuva viršutinė jos riba per metus svyruoja nuo 9,8 iki 11,2 km (aukščiausia vasarą, žemiausia žiemą). Kylant aukštyn temperatūra krinta vidutiniškai 6,5 °C kas 1 km. Pusė atmosferos masės yra apatiniame 5 km sluoksnyje, o visoje troposferoje yra apie 80 % atmosferos masės (kylant aukštyn oro tankis ir slėgis sparčiai mažėja). Troposfera skirstoma į paribio sluoksnį (nuo Žemės paviršiaus iki 0,5–2 km aukščio) ir laisvąją atmosferą. Paribio sluoksnyje oro savybės dar priklauso nuo apačioje esančio Žemės paviršiaus vietinių ypatybių. Čia skiriami šie pasluoksniai: pažemio – nuo Žemės paviršiaus iki kelių dešimčių metrų aukščio (temperatūros, drėgnio, vėjo greičio didžiausių vertikalių gradientų sluoksnis) ir trinties – iki 1–2 km aukščio (jame vyksta smarkiausias oro maišymasis – atmosferos turbulencija). Troposferą nuo stratosferos skiria tropopauzė (jos temperatūra virš Lietuvos nuo –53 iki –54 °C vasarą ir nuo –59 iki –60 °C žiemą). Stratosferos viršutinė riba yra apie 50 km aukštyje. Stratosferoje nedaug vandens garų, retai susidaro debesys. Žemutiniame stratosferos sluoksnyje temperatūra kylant aukštyn beveik nekinta, tik maždaug nuo 25 km pradeda kilti (vidutiniškai 0,28 °C/100 m) ir ties viršutine stratosferos riba svyruoja nuo –20 iki +20 °C. Vyrauja vakarų vėjai. Vasarą daugiau kaip 20 km aukštyje pučia rytų vėjai. 10–50 km stratosferos sluoksnyje susikaupusi didžiausia atmosferos ozono dalis; šis sluoksnis vadinamas ozonosfera. Didžiausia ozono koncentracija yra 20–25 km aukštyje. Ozonas sugeria gyvybei pavojingus ultravioletinius spindulius, veikia aukštesnių atmosferos sluoksnių termines sąlygas. 50–85 km sluoksnyje, vadinamojoje mezosferoje, kylant aukštyn temperatūra mažėja (vidutiniškai 0,35 °C/100 m) ir iki mezopauzės nukrinta iki –85, –90 oC. Vėjo greitis siekia 150 m/s. Mezopauzė kartu yra ir homosferos viršutinė riba. Termosferos žemutinėje dalyje, 85–90 km aukštyje, temperatūra pastovi, o aukščiau dėl Saulės spinduliuotės sugerties didėja: 150 km aukštyje 220–240 °C, apie 400 km aukštyje apie 700–800 °C, o aukščiau išlieka beveik pastovi. Termosferoje oro tankis ir šiluminis talpumas labai mažas (mažiau kaip 7·10–6 kg/m3), todėl temperatūros poveikis kitoks nei tankiuose atmosferos sluoksniuose. Per parą temperatūra svyruoja 100 °C. Aukštesnieji mezosferos sluoksniai ir termosfera dažnai vadinami jonosfera, nes jonų čia daug daugiau negu žemutiniuose atmosferos sluoksniuose. Dėl jonizacijos čia dujos yra plazmos būsenos (susideda iš jonų, elektronų ir neutralių dalelių). Labiausiai jonizuota atmosferos sritis, dar vadinama F sluoksniu, yra 200–400 km aukštyje. Kita didelės jonizacijos sritis – E sluoksnis yra maždaug tarp 100 ir 150 km aukščio. Nuo jonizacijos laipsnio priklauso atmosferos elektros laidumas (atmosferos laidumas). Jonosferos dėka galimi tolimieji radijo ryšiai (trumposios bangos daug kartų atsispindėdamos nuo jonosferos ir Žemės gali apkeliauti aplink Žemės rutulį). Egzosferoje atmosfera laipsniškai pereina į tarpplanetinę erdvę. Dujų tankis čia labai mažas. Atmosferos dalelės įelektrintos; jų temperatūra – keletas dešimčių tūkstančių laipsnių. Aukštutiniuose atmosferos sluoksniuose yra korpuskulinės radiacijos juostos. Vidinė juosta (500–1600 km aukštyje) susideda beveik vien iš protonų. Ji Žemę juosia nuo pusiaujo iki 35–40° šiaurės ir pietų platumos. Išorinę juostą sudaro elektronai. Už jos yra dar viena, kurioje elektronų koncentracija ir srautai dar didesni. Radiacijos juostas laiko Žemės magnetinis laukas.

2 lent. Atmosferos suskirstymas pagal t‑ros vertikalųjį pasiskirstymą
Sfera Apatinės ir viršutinės ribos Pereinamasis sluoksnis
troposfera nuo Žemės paviršiaus iki 8–17 km tropopauzė
stratosfera nuo 8–17 iki 50 km stratopauzė
mezosfera nuo 50 iki 85 km mezopauzė
termosfera nuo 85 iki 600 km termopauzė
egzosfera aukščiau kaip 600 km  

Fiziniai atmosferos reiškiniai

Atmosferoje vykstančių procesų energijos pagrindinis šaltinis yra Saulės spinduliuotė. Ozonas, vandens garai, anglies dioksidas, aerozoliai, debesys sugeria apie 19 % tiesioginių Saulės spindulių, apie 26 % Saulės spindulių nuo jų atsispindi, 55 % pasiekia Žemės paviršių. Atmosfera sulaiko ilgabangį Žemės spinduliavimą ir pati spinduliuoja į Žemės paviršių ir į erdvę (spinduliuotės balansas, atmosferos šilumos apykaita). Įšilęs Žemės paviršius įšildo žemutinius atmosferos sluoksnius. Įvairių Žemės rutulio vietų atmosferos skirtingas įšilimas priklauso nuo geografinės padėties, žemynų ir vandenynų pasiskirstymo (jų šiluminė talpa skirtinga). Nuo nevienodo atmosferos įšilimo atsiranda atmosferos tankio ir slėgio skirtumai, kurie kartu su Žemės sukimosi poveikiu sukelia oro masių judėjimą, vadinamą bendrąja atmosferos cirkuliacija. Įvairiomis kryptimis slenkančias skirtingų savybių oro mases skiria atmosferos frontai. Atmosferos cirkuliacija kiek sumažina Žemės įvairių vietų įšilimo ir drėgnumo skirtumus. Su slėgio pasiskirstymu virš Žemės paviršiaus (atmosferos veiklumo centrai) susijusi sudėtinga oro srovių sistema. Kai kurios srovės gana pastovios; tai vėjai – pasatai, musonai. Vidutinėse platumose oro masės daugiausia juda vakarų kryptimi su ciklonais ir anticiklonais. Aukščiau troposferoje ir žemutinėje stratosferoje, kur neveikia trinties į Žemės paviršių jėgos, vėjo greitis didesnis (vidutiniškai 15–20 m/s) negu prie Žemės paviršiaus. Skirtingų oro masių sąveikos zonoje pastebėti siauri intensyvūs oro srautai (atmosferos sraujymės), kuriuose vėjo greitis – 40–50 m/s, dažnai ir daugiau. Mezosferoje ir termosferoje oras juda 80–120 m/s greičiu. Tokio intensyvaus oro judėjimo energijos pagrindinis šaltinis yra Saulės spinduliuotė ir oro masių vertikalių judesių bei fotocheminių reakcijų išskiriama šiluma.

Atmosferoje vyksta šviesos spindulių sugėrimas, išsklaidymas, refrakcija. Dėl to kyla įvairių atmosferos optinių reiškinių (vaivorykštės, halai, miražai, vainikai ir kita). Iš atmosferos elektros reiškinių svarbiausi žaibas ir perkūnija. Aukštesniuosiuose atmosferos sluoksniuose, kur dujos yra korpuskulinių Saulės spindulių smarkiai jonizuotos, susidaro poliarinės pašvaistės, atmosferos švytėjimas, jonosferos magnetinės audros.

Reikšmė ir ryšys su kitomis sferomis

Atmosfera buvo viena pagrindinių sąlygų atsirasti ir išsivystyti gyvybei Žemėje. Ji sulaiko pavojingus gyvybei ultravioletinius Saulės ir kosminius spindulius. Sulaikydama ir sugerdama dalį Saulės spinduliuotės apsaugo Žemę nuo atšalimo ir didelių temperatūros svyravimų. Atmosferos deguonis būtinas organizmų kvėpavimui ir oksidacijos procesams negyvojoje gamtoje, azotas ir anglies dioksidas – augalijai. Iš hidrosferos į atmosferą patenka vandens garų, iš litosferos – dulkių ir kitų mineralinių medžiagų. Vandenynų srovės veikia bendrąją atmosferos cirkuliaciją, klimatą. Atmosferoje yra žiedadulkių, bakterijų ir kitų organinės kilmės dalelių. Iš atmosferos oras patenka į hidrosferą, ją aeruoja ir sudaro sąlygas gyvybei tarpti. Atmosfera turi didelę reikšmę geocheminiams procesams, ypač mineralų susidarymui. Dėl atmosferos sąveikos su litosfera, hidrosfera ir biosfera susidarė Žemės nuosėdinės uolienos.

Kilmė ir raida

Nėra tikrai žinoma, ar atmosfera atsirado kartu su Žeme, ar susidarė iš dujų, kurios išsiskyrė iš litosferos formuojantis planetai. Iš pradžių atmosfera buvo be deguonies, jos pagrindinės sudėtinės dalys buvo anglies dioksidas, amoniakas, metanas, azotas, vandens garai. Kai atmosferos slėgis pasiekė 6,1 hPa, susidarė sąlygos vandens garų kondensacijai, pradėjo formuotis hidrosfera. Proterozojaus pradžioje atmosferoje jau buvo deguonies. Jis susidarė fotolizės būdu (ultravioletinei spinduliuotei skaidant vandens molekules). Atsiradę primityvūs gyvieji organizmai (bakterijos, chlorofilo turinti augalija) pradėjo skaidyti anglies dioksidą. Atmosferoje daugėjo laisvo deguonies, o iš anglies susidarė organiniai junginiai. Kambro periode deguonies koncentracija sudarė 1% dabartinio jo kiekio, o devone – jau 10 %. Atmosferos sudėtį keitė ir geocheminiai procesai. Anglies dioksidą ir kitas atmosferos sudėtines dalis akumuliavo litosfera, vandenynas. Saulės ultravioletinei spinduliuotei skaidant deguonies molekules susidaro ozonas. Iš tarpplanetinės erdvės į atmosferą nuolat patenka meteoritų, jų nuolaužų, kosminių dulkių. Iš viršutinių atmosferos sluoksnių dujos po truputį sklinda į kosminę erdvę.

-Ozonosfera

1163