Budowa atmosfery

Zmiana właściwości fizycznych i chemicznych atmosfery wraz ze wzrostem wysokości stanowi podstawę jej podziału na koncentryczne warstwy – bez wyróż-nienia zaznaczonych granic. Ogólną budowę atmosfery ilustruje Schemat 1. Za podstawę podziału atmosfery przyjmuje się zmianę temperatury atmosfery wraz ze zmianą wysokości.

Najniższa część atmosfery, od powierzchni Ziemi do wysokości około 10 ÷ 15 km nazywa się troposferą. Koncentruje ona około 4/5 całej masy powietrza atmosfe-rycznego, prawie całą parę wodną atmosfery, tutaj też powstają wszystkie chmury.

Grubość troposfery zależy od szerokości geograficznej i pory roku. Nad biegunami osiąga średnio 9 ÷ 10 km, nad umiarkowanymi szerokościami 10 ÷ 12 km, a nad rów-nikiem około 15 ÷ 17 km.

Cechą charakterystyczną troposfery jest spadek temperatury wraz ze wzrostem wysokości przeciętnie o 1 K na każde 100 m (lub 9,76 K/km) – określany jako adia-batyczny pionowy gradient temperatury mas suchego powietrza. Zmiana tempe-ratury mas powietrza wywołuje silne ich turbulencje przy powierzchni Ziemi.

Średnia roczna temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi wynosi na równi-ku około 26°C, na biegunie północnym około minus 23°C. Natomiast na górnej

gra-Schemat 1. Budowa atmosfery ziemskiej (Zarzycki, 2002)

167 Atmosfera

nicy troposfery temperatura ta równa się: nad równikiem minus 70°C; nad biegunem północnym w zimie około minus 65°C; a latem minus 45°C (Staszewski, 1999).

Ciśnienie atmosferyczne zmniejsza się wraz z wysokością i na górnej granicy troposfery jest około 5 ÷ 8 razy mniejsze niż przy powierzchni Ziemi.

Bezpośrednio nad troposferą znajduje się druga warstwa atmosfery stratosfera.

Granica oddzielająca troposferę od stratosfery nosi nazwę tropopauzy.

Stratosfera sięga do wysokości około 50 ÷ 55 km. Cechą charakterystyczną tej warstwy jest wzrost temperatury wraz ze wzrostem wysokości. Temperatura po-wietrza w dolnej części stratosfery, tzw. izotermicznej, jest zbliżona do temperatury panującej w górnej troposferze. Wzrost temperatury następuje od wysokości około 25 km i na wysokości około 50 km osiąga maksymalną wartość od plus 10 do plus 30°C. Wzrost temperatury wraz z wysokością powoduje obniżenie turbulencji mas powietrza atmosferycznego. Stratosfera zawiera niewielką ilość pary wodnej oraz zwiększoną ilość ozonu, którego maksimum koncentruje się na wysokości około 25 ÷ 30 km. Ozon tworzy warstwę ochronną wokół Ziemi zwaną ozonosferą.

Troposfera i część stratosfery – do wysokości około 22 km – nazywana jest aerosferą. Aerosfera otacza powierzchnię Ziemi i jest tą częścią atmosfery i litos-fery, która zamieszkiwana jest przez ludzi. Pełni ona szczególną rolę polegającą na umożliwieniu rozwoju życia poprzez osłonę przed ucieczką ciepła w przestrzeń kosmiczną oraz przed jonizującym promieniowaniem kosmicznym i słonecznym. (...) jest zarazem jednym z elementów cykli biogeochemicznego obiegu substancji w bios-ferze (Zarzycki, 2002).

Nad stratosferą leży trzecia warstwa atmosfery – mezosfera – osiągająca wysokość maksymalną około 80 km. Warstwa graniczna oddzielająca stratosferę od mezosfery nosi nazwę stratopauzy. Cechą charakterystyczną tej warstwy jest spadek temperatury wraz ze wzrostem wysokości do kilkudziesięciu stopni poniżej zera. Szybki spadek tem-peratury powoduje wystąpienie silnych turbulencji powietrza atmosferycznego.

Te trzy warstwy atmosfery: troposfera, stratosfera i mezosfera, koncentrują w so-bie około 99,5% całej masy atmosfery. Łączą je zbliżone procesy hydrodynamiczne, skład chemiczny i średnia masa cząsteczkowa składników powietrza. Z tego powo-du noszą wspólną nazwę – homosfery. Powyżej znajpowo-duje się heterosfera – na wy-sokości ponad 80 km od powierzchni Ziemi. Na tej wywy-sokości znajduje się również czwarta warstwa – jonosfera – sięgająca wysokości rzędu 800 ÷ 1 000 km. Warstwa graniczna oddzielająca mezosferę od jonosfery nazywa się mezopauzą. Ciśnienie w jonosferze jest około 200 razy mniejsze od ciśnienia panującego przy powierzchni Ziemi. W jonosferze występuje duża ilość swobodnych elektronów i jonów z uwagi na wysoki poziom jonizacji powietrza. Jonizacja wpływa na wysoką przewodność elektryczną atmosfery, rzędu około 10¹² razy większej niż przy powierzchni Ziemi.

Powietrze jest w dużym stopniu rozrzedzone. Temperatura intensywnie tutaj wzrasta wraz z wysokością do wartości rzędu 1 000°C na wysokości około 800 km.

Warstwy atmosfery najbardziej zewnętrzne, leżące powyżej 800 ÷ 1 000 km noszą nazwę termosfery (literatura przedmiotu podaje także określenia: egzosfera, atmosfera zewnętrzna, strefa rozpraszania). (...) wodór, wymykający się z egzosfery,

168 Ewa Jadwiga Lipińska

tworzy dookoła Ziemi koronę ziemską, rozpościerającą się do wysokości powyżej 20 000 km (Staszewski, 1999). Gęstość gazu w tej warstwie jest znikoma, bowiem na każdy cm³ – na wysokości 20 000 km – przypada średnio około 1 000 cząsteczek.

Jest to jednak około dziesięciokrotnie większa koncentracja cząsteczek niż w prze-strzeni międzyplanetarnej.

Mała gęstość powietrza wpływa na prędkość cząstek, które mogą krążyć wokół Ziemi po eliptycznych orbitach i nie zderzając się ze sobą, osiągają wartości kry-tyczne. Są to prędkości rzędu 11,2 km/s pokonujące siły ciężkości (cząstki nienała-dowane), co umożliwia cząsteczkom ucieczkę w przestrzeń kosmiczną.

Ochronna warstwa ozonowa

Atmosfera ziemska stanowi rodzaj membrany, przez którą z jednej strony dyfun-duje do powierzchni Ziemi promieniowanie słoneczne – świetlne i cieplne – a z dru-giej strony zatrzymuje szkodliwe dla żywych form organizmów promieniowanie i chroni przed nadmierną utratą ciepła z powierzchni litosfery. Szczególną rolę pełni w niej ozonosfera stanowiąca warstwę ochronną.

Ochronna warstwa ozonowa utrzymująca się nad powierzchnią Ziemi chroni ją przed nadmiarem promieniowania nadfioletowego (UV) o dużej energii, jakie do-ciera do Ziemi z przestrzeni kosmicznej. Ozon tworzy warstwę na wysokości rzędu 25 km od powierzchni Ziemi, w której stanowi około 1% atmosfery. Powstawaniu ozonu sprzyja rosnące stężenie tlenu cząsteczkowego, atomowego i azotu na wy-sokości około 60 km nad powierzchnią Ziemi. Spadek natężenia promieniowania o wyższej energii zmniejsza prawdopodobieństwo powstawania tlenu atomowego.

W wyniku zderzenia tlenu atomowego i cząsteczkowego powstaje ozon, który jest jedyną postacią tlenu nadmiarowego. Uwalniana w procesie energia zostaje po-chłonięta przez występujący w atmosferze azot.

Powstawanie ozonu w stratosferze ilustrują równania reakcji:

             

     

      



Wytworzona warstwa ozonowa pochłania promieniowanie nadfioletowe, także z przedziału 200 ÷ 300 nm. Tym samym troposfera znajdująca się poniżej ozonosfery jest chroniona przed promieniowaniem o dużej energii. Ta część atmosfery zawiera także niewielką ilość ozonu i tlenu atomowego.

W skali globalnej ozon stratosferyczny pełni inną funkcję niż ozon troposfe-ryczny, który zwiększa efekt szklarniowy. Zanieczyszczenia o długim czasie życia emitowane do atmosfery powodują niszczenie ozonu stratosferycznego, którego za-daniem jest pochłanianie promieniowania UV.

Rozpad ozonu w stratosferze ilustrują równania reakcji:

             

     

    



      

 



169 Atmosfera

Skutkiem emisji zanieczyszczeń do atmosfery na poziomie lokalnym jest po-wstanie smogu fotochemicznego, w którym tlenki azotu – NO_x, np. ze spalin sa-mochodowych (NO i NO₂) oraz wyziewy ze spalania innych paliw kopalnych, pod wpływem światła słonecznego reagują z parą wodną (Bower i in., 1994). Tlenki azo-tu są emitowane także przez samoloty naddźwiękowe latające w niskiej stratosferze.

Pomimo że są one katalizatorami rozpadu ozonu, obecnie uważa się je za drugo-rzędny czynnik w porównaniu z inną grupą zanieczyszczeń zwaną łącznie freonami lub chlorofluorowęglowodorami (CFC). Najbardziej popularne są freon 11 (CFCl₃) i freon 12 (CF₂Cl₂). CFC są niepalnymi, nietoksycznymi i obojętnymi chemicz-nie cieczami lub gazami. Właściwości te pozwoliły na ich szerokie zastosowachemicz-nie w przemyśle chemicznym, jako rozpylaczy aerozoli, do odtłuszczania elementów elektronicznych i produkcji gaśnic pianowych. Uwalniane są również podczas pako-wania towarów w tworzywa piankowe (Mannion, 2001).

CFC uwalniane są w troposferze, która leży pod stratosferą, jednak z uwagi na długi czas życia w końcu przedostają się do stratosfery. Tam pod wpływem promie-niowania UV, absorbowanego częściowo przez ozon, ulegają fotodysocjacji uwal-niając atomy chloru, które niszczą ozon. Ponieważ freony są chemicznie obojętne, czas ich przebywania w atmosferze jest długi – rzędu 60 do 110 lat. Oznacza to, że po zakończeniu emisji proces destrukcji warstwy ozonowej będzie trwał jeszcze kilkadziesiąt lat. Nagłośniona przez media sprawa „dziury” ozonowej zauważonej w 1977 r. nad Antarktydą i tworząca się od tej pory każdej wiosny (wykryta obecnie także na większych szerokościach geograficznych) spowodowana jest m.in. niszczą-cym działaniem CFC na cząsteczki ozonu.

Podobne działanie mają inne halogeny, szczególnie brom – składnik bromku metylu (CH₃Br) stosowanego jako środek grzybobójczy.

Aerozole zawarte w kwaśnym opadzie działają również jak jądra kondensacji, co powoduje większe zachmurzenie.