Atmosfera ziemska

ATMOSFERA ZIEMSKA, powłoka gazowa otaczająca Ziemię;
składa się z mieszaniny gazów zw. powietrzem. Masa a.z. wynosi 5,15·1018 kg, z czego połowa mieści się w dolnej części a.z., do wys. 5 km, 3/4 do wys. 10 km, a tylko 10–6 część masy znajduje się powyżej wys. 100 km. Wśród składników powietrza (tab.) rozróżnia się gazy, których zawartość w mieszaninie nie zmienia się do wys. kilkudziesięciu km (składniki trwałe i wolnozmienne), i gazy, których zawartość zależy od procesów zachodzących lokalnie w pewnych rejonach a.z. Koncentracja najbardziej zmiennego składnika — wody, występującej tu we wszystkich 3 stanach skupienia, waha się od 0 do 4%. Głównymi źródłami związków siarki, azotu i węgla w atmosferze są procesy spalania i procesy biol. (rozkład materii org., oddychanie). Związki te są usuwane z a.z. wskutek wymywania przez opady oraz procesów chem. i biol. (pochłanianie przez rośliny, fotosynteza) zachodzących na powierzchni Ziemi. Ich koncentracja w atmosferze jest wynikiem równowagi między procesami wytwarzania, transportu oraz usuwania. Przyczyny zmian koncentracji mogą być naturalne (pożary lasów, erupcje wulk.), bądź związane z działalnością człowieka. Na przykład szacuje się, że zawartość dwutlenku węgla (CO2), przedostającego się do atmosfery w wyniku spalania paliw kopalnych i odgrywającego istotną rolę w powstawaniu efektu cieplarnianego, wzrosła (mimo rozpuszczania znacznych ilości CO2 w oceanach) w ciągu ostatnich stu lat o ok. 20% i ciągle (coraz szybciej) rośnie.
Wszystkie składniki a.z. pochłaniają i emitują promieniowanie elektromagnet. o ściśle określonych długościach fali; np. ozon (O3) i tlen cząsteczkowy (O2) pochłaniają z promieniowania słonecznego szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie nadfioletowe, a CO2, para wodna i metan (CH4) — promieniowanie podczerwone emitowane przez powierzchnię Ziemi (podstawowa przyczyna efektu cieplarnianego). Pochłanianie promieniowania słonecznego powoduje także zmiany w składzie atmosfery wskutek procesów fotochem. i jonizacji. Prowadzi to m.in. do powstania jonosfery.
A.z. nie ma wyraźnie zaznaczonej górnej granicy, lecz przechodzi stopniowo w przestrzeń międzyplanetarną. Zachodzą w niej charakterystyczne zjawiska opt. (związane z odbiciem, załamaniem, ugięciem i interferencją światła pochodzącego od Słońca i in. ciał niebieskich; np. halo, gloria, tęcza, zorza, miraż) i elektr. (związane z istnieniem elektryczności w a.z.; np. błyskawica, grzmot, ognie św. Elma). A.z. nie jest jednorodna, a zmiana jej właściwości fiz. i chem. wraz ze wzrostem wysokości stanowi podstawę podziału na koncentryczne warstwy (bez wyraźnie zaznaczonych granic). Powszechnie jest przyjęty podział a.z., związany z rozkładem temp. w zależności od wysokości, na: troposferę (temp. maleje w niej niemal jednostajnie ze wzrostem wysokości), rozciągającą się od powierzchni Ziemi do wys. 7–10 km nad obszarami podbiegunowymi, 10–12 km nad umiarkowanymi szerokościami geogr. i 16–18 km nad równikiem; stratosferę (w dolnej jej części temp. prawie nie zmienia się z wysokością, w górnej — rośnie), rozciągającą się na wys. od 10–18 do 45–50 km; mezosferę (temp. maleje w niej ze wzrostem wysokości), znajdującą się na wys. od 45–50 km do 80–85 km; termosferę (temp. rośnie w niej ze wzrostem wysokości), znajdującą się na wys. od 80–85 do 500–600 km. Powierzchnie rozgraniczające te warstwy noszą odpowiednio nazwy: tropopauza, stratopauza i mezopauza. Trzy pierwsze warstwy są identyczne pod względem przebiegających w nich procesów hydrodynamicznych; identyczny jest też ich skład chem. (z wyjątkiem pary wodnej, zawartej gł. w warstwie do 10 km, i ozonu, koncentrującego się na wysokości ok. 25–30 km; ozonosfera) i średnia masa cząsteczkowa składników powietrza. Powyżej tych warstw skład chem. powietrza zmienia się w zależności od wysokości wskutek procesów fotochem. zachodzących pod wpływem promieniowania słonecznego i kosmicznego. Jonizacja może następować również na mniejszych wysokościach, a warstwa rozciągająca się od 50–60 km, w której występuje duża ilość swobodnych elektronów i jonów (największa koncentracja powyżej 80 km), jest zw. jonosferą. Najbardziej zewn. część a.z. jest niekiedy zw. egzosferą. Wyodrębnia się też tzw. warstwę graniczną (zw. również warstwą planetarną lub warstwą tarcia), rozciągającą się od powierzchni Ziemi do wys. 0,5–1,5 km, w której ruch powietrza jest zakłócony przez tarcie o powierzchnię Ziemi. Część atmosfery powyżej warstwy granicznej jest zw. atmosferą swobodną.
A.z. jest układem dynamicznym; wskutek nierównomiernego nasłonecznienia (zależnego od szerokości geogr., pory roku, pory dnia) powstają w niej różnice temp. powodujące cyrkulację w skali globalnej, tzw. ogólną cyrkulację atmosfery, i w skali lokalnej. W wyniku wznoszenia się powietrza ciepłego i opadania chłodnego powstają niże atmosferyczne i wyże atmosferyczne oraz cyklony, antycyklony i fronty atmosferyczne, a także inne zjawiska kształtujące pogodę. Ogólna cyrkulacja atmosfery powoduje transport ciepła od równika w kierunku biegunów. Rozróżnia się w niej tzw. komórki cyrkulacyjne. W komórce Hadleya silnie nagrzane i wilgotne powietrze w strefie równikowej wznosi się, a następnie w górnych warstwach troposfery wędruje ku wyższym szerokościom geogr. i osiada w okolicach zwrotników; prowadzi to do powstania równikowego pasa niskiego ciśn. i okołozwrotnikowych stref podwyższonego ciśn.; z okolic zwrotników część mas powietrza wraca dołem do równika (tzw. równikowa strefa zbieżności) w postaci wiatrów zw. pasatami; wskutek obrotowego ruchu Ziemi wiatry te nie wieją wzdłuż południków, ale mają dużą składową równoleżnikową (ze wsch. na zach.). Dalszy transport ciepła w kierunku biegunów odbywa się w komórce Ferrela; część powietrza osiadającego w wyżach zwrotnikowych przemieszcza się w dolnej troposferze ku biegunom, tworząc strefę wiatrów o przeważającym kierunku zach.; zamiast przepływu uporządkowanego w płaszczyźnie pionowej (górą ciepłe powietrze w kierunku biegunów, dołem chłodniejsze w kierunku równika), występują tu zawirowania o rozmiarach rzędu tysiąca km — antycyklony i cyklony. Ostatnia, najbliższa biegunów komórka cyrkulacyjna, komórka polarna, odznacza się ruchami zstępującymi w strefie biegunowej i związaną z nimi biegunową strefą podwyższonego ciśn.; podobnie jak w obszarze pasatów, wieją tam najczęściej wiatry wschodnie. Cyrkulacja atmosfery jest ściśle sprzężona z cyrkulacją w oceanach. Przykładem takiego sprzężenia jest zjawisko El Niño. Stan a.z., charakteryzowany przez zespół tzw. elementów meteorol. (temp. i wilgotność powietrza, ciśn. atmosf., prędkość i kierunek wiatru, rodzaj i wielkość zachmurzenia, rodzaj i ilość opadu), określa pogodę i klimat. Pomiary elementów meteorol. przeprowadza się w stacjach meteorol. i aerologicznych (sondaże balonowe dostarczające danych o pionowym rozkładzie elementów w a.z.). Informacje z poszczególnych stacji są w postaci szyfrowanych depesz przesyłane do centrali (w Polsce do Inst. Meteorologii i Gospodarki Wodnej) i po weryfikacji gromadzone w bazach danych. Służą do oprac. prognoz pogody i wieloletnich statystyk. Pomiary klas. są rutynowo uzupełniane pomiarami wykorzystującymi teledetekcję, gł. pomiarami satelitarnymi i radarowymi.