Sastav i podjela atmosfere

Atmosfera (od grč. atmos = para i sfaira = kugla) je plinski omotač Zemlje. Geografski aspekt proučavanja atmosfere temelji se na činjenici da je kontakt atmosfere, litosfere i hidrosfere prostor u kojemu postoje najpovoljniji uvjeti za postanak, razvoj i opstanak života na Zemlji. Pojedini procesi u atmosferi, u interakciji s litosferom i hidrosferom, od presudne su važnosti za život na Zemlji, tim više što atmosfera štiti površinu Zemlje od prekomjernog zagrijavanja danju i hlađenja noću (da nema atmosfere dneva temperatura bi bila preko 100 C°,a noćna ispod -100 C°), štiti je od opasnog Sunčevog kratkovalnog zračenja (posebno UV zračenja), te od opasnih kozmičkih zraka. Donja je granica atmosfere točno određena, to je Zemljina površina. Znatno je teže odrediti gornju granicu atmosfere. Najnovija istraživanja ustanovila su gornju granicu atmosfere na 70 000 km (od površine Zemlje). Ukupna je masa atmosfere (bez vodene pare) 5,157 × 10\^{18} kg, što je približno milijun puta manje od krutog omotača Zemlje, tj. 250 put manje od mase vodenog omotača Zemlje. Od ukupne mase atmosfere 99 % je u sloju do visina od 30-35 km, a 50 % ukupne mase je u sloju do visine oko 5,5 km (od površine Zemlje). Atmosfera je sastavni dio Zemlje te sudjeluje u procesima rotacije i revolucije, što se odražava u dnevnim i godišnjim promjenama stanja atmosfere te spljoštenosti atmosfere na polovima.

Neke zanimljivosti

Atmosfera omogućuje da se vide predmeti u sjeni te da se čuju zvukovi. Isto tako, da nema atmosfere Zemlja bi bila izložena bombardiranju meteora pa bi njena površina imala izgled Mjeseca ili Merkura (prekrivenih kraterima i pukotinama). Najveći dio meteora u atmosferi oksidira (izgori) pa niti ne dođe do same površine Zemlje. Dugotrajna istraživanja atmosfere pokazala su da plinski omotač Zemlje nije homogen. Atmosferu je moguće podijeliti u odnosu na kemijski sastav, promjene temperature, električnu vodljivost i sl.

Kemijski sastav atmosfere

Atmosfera je mehanička mješavina plinova. U donjim dijelovima atmosfere (do visine od oko 95 km) omjer je osnovnih plinova uglavnom konstantan (stalan). To je tim važnije što se upravo u tom dijelu atmosfere događaju vremenske promjene. Taj se sloj atmosfere naziva homosfera. Iznad tog sloja, u heterosferi, relativni odnosi među pojedinim plinovima više nisu stalni. Zbog Sunčevog zračenja i vrlo visokih temperatura u najvišim dijelovima atmosfere raspadaju se molekule najvažnijih plinova (dušika i kisika) pa se pojavljuju njihovi atomi, a u graničnom sloju atmosfere javljaju se atomi helija i vodika.

Permanentni sastavni dijelovi atmosfere jesu dušik (78,084 % od ukupnog volumena homosfere), kisik (20,946 % od ukupnog volumena homosfere), argon (0,934 % od ukupnog volumena homosfere), ugljik-dioksid (CO2; 0,039 % od ukupnog volumena homosfere), a u znatno manjoj mjeri zastupljeni su neon, helij, metan, kripton, dušik-oksid, vodik, ozon, ksenon, dušik-monoksid, jod, radon i dr. Dva glavna kemijska sastojka atmosfere, dušik (N2) i kisik (O2) čine nešto više od 99 % od ukupnog volumena donjih dijelova atmosfere. Atmosfera koja se sastoji samo od permanentnih sastavnih dijelova, bez vodene pare te različitih drugih krutih i tekućih primjesa, naziva se suhi zrak.

Primjese u atmosferi jesu vodena para, razne krute i tekuće čestice. Njihova količina i volumni udjeli u atmosferi nisu stalni. Krute čestice, koje su koloidalno raspršene u atmosferi dio su primjesa atmosfere, koji se naziva aerosol (lat. aero = zrak i solvere = rastaviti). Izvori aerosola mogu biti prirodni i umjetni (stvara ih čovjek). Aerosol može biti organskog i anorganskog podrijetla.

U prirodnim uvjetima atmosfera nije nikada sasvim suha i čista. U atmosferi uvijek ima primjesa, od kojih je atmosfera mutna i vlažna. Prirodni izvori (jaki pustinjski vjetrovi, šumski i stepski požari, vulkanski pepeo i sl.) i umjetni izvori (posebno u gradovima i industrijskim regijama) mogu u zrak emitirati mnoštvo čestica aerosola pa može nastati suha mutnoća.

Dušik je inertan plin i nema važniju ulogu u atmosferskim procesima. Međutim, značenje je dušika veliko u biološkim procesima. Sastavni je dio bjelančevina. U usporedbi s drugim kemijskim sastojnicama atmosfere, dušik slabo upija Sunčevo zračenje.

Kisik je vrlo važan sastojak atmosfere jer bez njega ne može postojati organski život na Zemlji. Jak je oksidans i lako se spaja s drugim elementima. Kisik znatno upija Sunčevo zračenje a manjim dijelom i Zemljino zračenje. U donjim slojevima atmosfere tijekom godine količina se kisika vrlo malo mijenja. Nešto ga je više ljeti nego zimi. Međutim, razlike u količini kisika ne prelaze 0,1 % pa te manje promjene ne mogu utjecati na klimu. Udio je kisika u prirodnim uvjetima stalan, suprotno uvriježenim mišljenjima nije ništa veći u šumama ili planinama. Većih odstupanja može biti tek u zatvorenim prostorima, gdje na povećanu potrošnju kisika utječe disanje ljudi.

Plemeniti plinovi (argon, neon, helij, kripton i ksenon) jesu inertni pa ne sudjeluju u atmosferskim procesima.

Ugljikov dioksid vrlo je značajan kemijski sastojak atmosfere, premda ga prosječno ima tek oko 0,033 % (količina varira između 0,02 % i 0,05 %). Ovaj je spoj značajan za život na Zemlji te za atmosferske procese. CO2 znatno upija Sunčevo kratkovalno, a posebno Zemljino dugovalno zračenje pa stoga znatno utječe na bilancu radijacije, tj. na stanje temperature Zemljine površine i prizemnog sloja zraka. U atmosferi ga ima više iznad kopna nego iznad mora. Najviše ga ima u gradskim, posebno industrijskim područjima (u zatvorenim prostorijama koncentracija CO2 može porasti i na 0,1 do 0,2 %). U dnevnom hodu najviše ugljik-dioksida ima noću (kada nema asimilacije CO2 u biljkama), a u godišnjem hodu najviše ga ima zimi.

Među primjesama atmosfere, čija količina za razliku od permanentnih sastojnica nije stalna, posebno značenje ima vodena para (plinovito stanje vode). Voda se u atmosferi javlja i u tekućem te krutom stanju (tzv. hidrometeori). Udio vodene pare u atmosferi koleba od 0% pri vrlo niskim temperaturama (npr. u polarnim krajevima) do 4 % pri visokim temperaturama (u tropskim krajevima). Osim o temperaturi, količina vodene pare ovisi i o udaljenosti od izvora vlage. Količina vodene pare smanjuje se s povećanjem nadmorske visine, npr. u umjerenim geografskim širinama pri površini ima oko 1,3 % vodene pare (u jedinici obujma zraka), na visini od 1 km udio opada na 1,01 %, na 3 km na oko 0,5 %, dok na 8 km visine vodene pare ima svega 0,03 %. Vodena para utječe na bilancu radijacije, ali i na brojne druge procese u atmosferi (postanak oblaka, oborina itd.). Smjesa permanentnih sastojnica atmosfere (suhi zrak) s vodenom parom naziva se vlažni zrak ili jednostavno zrak. Vodena para u znatnoj mjeri upija Sunčevo i Zemljino zračenje. (Prodiskutirati o dnevnom i godišnjem hodu količine vodene pare nad Zadrom)

Aerosol, kako je istaknuto, može biti prirodni i umjetni, a isto tako može biti organski i anorganski. Prirodne čestice aerosola mogu biti zemaljskog i kozmičkog podrijetla. Čestice aerosola vrlo su malih dimenzija (od 0,1 µm do 20 µm). Broj se čestica aerosola smanjuje s povećanjem visine, ali i udaljavanjem od izvora onečišćenja. Neki posebni geografski uvjeti mogu također pridonijeti povećanju koncentracije čestica aerosola (konkavni reljef, inverzija temperature, ekspozicija prema prevladavajućim vjetrovima, koji transportiraju čestice aerosola i dr.).

Prevladavajuće vrste aerosola

Prašina (sitne čestice gline, i drugih tala koje podiže vjetar, npr. pustinjske oluje).

Pepeo (uglavnom građen od alumosilikata) može biti vulkanskog podrijetla ili u atmosferu može stići kao nesagoriv dio ugljena te drveća i trava tijekom šumskih (i stepskih) požara.

Čađa je čisti ugljik koji nastaje izgaranjem organskih tvari bogatih ugljikom, i to pri nedovoljnom pristupu zraka.

U atmosferu dospijevaju i brojne druge čestice, npr. razni plinovi koje emitiraju kućna ložišta, industrijski pogoni, automobili, zatim sitne čestice soli (koje s površine mora otpuhuje vjetar), pelud, spore bakterija. Osobito je važan pelud, cvjetni prah, koji omogućuje oplodnju biljaka (većina biljaka je anemogamna), i to na velikim udaljenostima. Koncentracija peludi u atmosferi ovisna je o vegetacijskom periodu te o vrstama biljaka. Maksimum koncentracije peludi obično se javlja u drugom dijelu proljeća (u umjerenim geografskim širinama). (Spomenuti alergijske bolesti)

Dim je plinovit proizvod organskih materija. Pri potpunom izgaranju (oksidaciji) sastoji se od ugljikovog dioksida, vodene pare i dušika, a pri nepotpunom izgaranju (kada je dim vidljiv) dim se uz spomenute plinove sastoji i od ugljikovog monoksida te čađi i pepela.

Značenje je primjesa u atmosferi, a posebno aerosola, višestruko. Čestice aerosola utječu na bilancu radijacije jer odbijaju, raspršuju ili upijaju Sunčevu radijaciju te dugovalnu radijaciju Zemlje. Čestice aerosola čine jezgre kondenzacije (ukapljivanja) te depozicije (oblaganja). Neke su čestice aerosola topljive, a neke nisu topljive u vodi.

U suvremenim uvjetima tehničko-tehnološkog razvoja sve je značajniji utjecaj čovjeka, međutim, postavlja se pitanje dimenzija tog utjecaja. Pokretač suvremene industrijske civilizacije je energija, dobivena velikim dijelom izgaranjem fosilnih goriva (nafta, ugljen i dr.). U cijelom je svijetu do 1988. proizvedeno oko 85 mlrd. tona nafte te 156 mlrd. tona ugljena. Sva je ta količina fosilnih goriva izgorena! Izgaranje fosilnih goriva djeluje na (1) povećanu potrošnju kisika te na (2) emisiju novih sastojina u atmosferu. Na taj način čovjek utječe na izmjenu prirodne kemijske strukture atmosfere s brojnim, nerijetko štetnim posljedicama. Aerozagađenje, tj. aeropolucija (onečišćenje atmosfere) danas je bitna komponenta općeg uništavanja okoliša. Čini se da u globalnim razmjerima priroda sama uspostavlja određenu ravnotežu, premda su česte ekscesne situacije u pojedinim dijelovima Zemlje.

Problem točnog tumačenja značenja CO2 te mjere u kojoj čovjek utječe na njegovu koncentraciju u atmosferi.

Primjer ekscesne situacije: od 5. do 8. prosinca 1952. zbog pojave smoga (eng. smoke = dim fog = magla) u Londonu je od raznih bolesti dišnog sustava umrlo oko 4 000 osoba, uglavnom zbog povećane koncentracije sumpor-dioksida.

Kisele kiše (zbog otapanja sumporovih i dušikovih spojeva) uništavaju šumski pokrov (ponajviše jele).

Okomita struktura atmosfere

Okomita je struktura atmosfere vrlo složena. Obično se po različitim kriterijima atmosfera dijeli na pojedine sfere. Uz već spomenutu podjelu atmosfere na homosferu i heterosferu s obzirom na kemijski sastav, atmosferu je moguće podijeliti i u odnosu na termička svojstva pojedinih dijelova, a isto tako i na osnovi stupnja ionizacije, tj. električne vodljivosti pojedinih slojeva atmosfere. U geografiji posebno značenje ima podjela atmosfere prema temperaturi.

Podjela atmosfere prema temperaturi

Ovisno o promjenama temperature s visinom atmosferu je moguće podijeliti na troposferu, stratosferu, mezosferu, termosferu i egzosferu te na međuslojeve tropopauzu, stratopauzu, mezopauzu i termopauzu.

TROPOSFERA je najniži i najgušći sloj atmosfere, a proteže se od površine Zemlje do tropopauze. U troposferi je značajna karakteristika stalan pad temperature s porastom visine, u prosjeku 0,65 °C na 100 m visine. Temperature su na gornjoj granici troposfere vrlo niske (iznad polova -40 ºC, a iznad ekvatora -80 ºC). Visina troposfere varira od 7 do 10 km iznad polova, preko 11-14 km iznad umjerenih geografskih širina do 18-20 km iznad ekvatora (dakle, visina raste od polova prema ekvatoru, i to poradi rotacije Zemlje). Na dnevne promjene visine troposfere utječu i regionalne atmosferske prilike; kada je ciklona (područje niskog tlaka) visina je troposfere manja, a nad anticiklonalnim područjem (s visokim tlakom zraka) visina je troposfere veća. Dnevne razlike u visini troposfere mogu biti i do nekoliko kilometara. Troposferu je moguće dalje podijeliti na: a) planetarni granični sloj (od Zemljine površine do visine od 0,5 do 1,5 km). U ovom sloju značajno je djelovanje Zemljine površine na atmosferske procese, pojedini klimatski elementi imaju izraziti dnevni hod. Posebno je izraženo turbulentno trenje na gibanje zraka; b) slobodna troposfera (srednja i gornja) u kojoj je utjecaj Zemljine površine na atmosferske procese manje značajan. S meteorološkog i klimatološkog aspekta troposfera ima poglavito značenje jer je to područje u kojemu se zbivaju gotovo sve vremenske pojave.

TROPOPAUZA je relativno tanak međusloj između troposfere i stratosfere. Debljina tropopauze varira od svega nekoliko stotina metara do nekoliko kilometara. Međutim, troposfera nije kontinuirani sloj oko Zemlje već je prekinuta (polarna, tropopauza umjerenih geografskih širina te tropska tropopauza). Tropopauza može ponekad potpuno iščeznuti, a nekad mogu postojati i 2 ili 3 ljuske tropopauze. Za razliku od troposfere, u tropopauzi je promjena temperature s visinom iznimno mala. U ekvatorskom području temperatura tropopauze koleba između -70 °C i -80 °C, a u umjerenim i polarnim područjima od -40 °C do -60 °C. U tropopauzi su izrazita vododravna gibanja zraka, dok su okomita gibanja zraka vrlo slaba. U ljetnim mjesecima tropopauza se nalazi na većim, a tijekom zimskih mjeseci na manjim visinama. U tropopauzi lete suvremeni putnički avioni kako bi izbjegli oblake i druge meteorološke neugodnosti, koje mogu ometati ili uzrokovati nesigurnost zračnog prometa.

STRATOSFERA je sloj koji se okomito proteže od tropopauze do visina od 50 do 55 km. Donji dio stratosfere (do približno 30-35 km visine) naziva se još i hladna stratosfera. U njoj je temperatura niska i neznatno se mijenja s porastom visine (ovaj je sloj izoterman). Gornji je sloj stratosfere topla stratosfera. U toploj stratosferi temperatura raste s visinom jer u tom sloju ozon upija ultraljubičasto Sunčevo zračenje. U gornjim slojevima stratosfere temperatura zraka raste na oko 0 °C (± 20 °C). Sa stratosferom se uglavnom podudara OZONOSFERA. Ozonosfera dijelom može obuhvatiti i troposferu i tropopauzu (tzv. troposferski ozon). Najveću koncentraciju ozon postiže na visinama između 20 i 35 km (stratosferski ozon). Ozon upija oko 4% Sunčeve energije koja prolazi kroz atmosferu, i to ponajviše u ultraljubičastom dijelu spektra. Ultraljubičasto zračenje ima snažno biološko djelovanje (sudjeluje u stvaranju vitamina D, ubija bakterije i sl.). Povećana koncentracija UV zračenja imala bi negativne posljedice na život organizama. Znanstvenici drže da je život na Zemlji bio moguć od trenutka kada je Zemlja obavijena ozonskim omotačem. Ozona ima najviše u proljeće, a najmanje u jesen, najmanje ga ima iznad tropskih, a najviše iznad polarnih područja. Međutim, u 20. st. otkriveno je postojanje ozonskih rupa, koje su upravo najveće u polarnim područjima (posebno iznad Antarktika). Postojanje ozonskih rupa još nije dovoljno istraženo pa nije utvrđena ni čovjekova uloga. Činjenica je da neke umjetno proizvedene tvari, koje se emitiraju u atmosferu mogu imati negativne učinke (npr. freon), ali se postavlja pitanje dimenzije čovjekovog utjecaja.

STRATOPAUZA je tanak prijelazni sloj od stratosfere prema mezosferi. U stratopauzi su male promjene temperature s visinom.

MEZOSFERA je sloj atmosfere koji se nastavlja na stratopauzu. Gornja granica mezosfere nalazi se približno na visini od 80 km. Temperatura zraka u mezosferi opada s visinom tako da na gornjoj granici iznosi -80 °C do -90 °C.

MEZOPAUZA je sloj atmosfere između 80 i 90 km visine u kojemu je temperatura zraka postojana, na oko -90 °C.

TERMOSFERA je sloj koji se nastavlja na mezopauzu, a doseže visinu od oko 800 km. U termosferi temperatura zraka naglo raste; na 200 km visine već je 900 °C, a na visini od 600 km temperatura zraka je 2 000 °C. Iznimno su velika dnevna kolebanja temperature, čak do 1 000 °C. Visoke vrijednosti temperature zraka u termosferi posljedica su upijanja Sunčevog zračenja u atomima kisika, a manje i dušika.

TERMOPAUZA je prijelazni sloj između termosfere i egzosfere.

EGZOSFERA je vanjski sloj atmosfere, koji se nadovezuje na termopauzu i gubi se u prostranstvu svemira. Temperatura zraka je iznimno visoka doseže vrijednosti i do 4000 °C. Atomi su plinova u stanju plazme (plazma je stanje materije kada je ona potpuno ionizirana) i gibaju se kaotično. U egzosferi bivaju zarobljene čestice izvanzemaljskog podrijetla i nastavljaju se gibati u orbiti Zemlje (unutar Zemljina magnetskog polja). U egzosferi se nalaze i geostacionirani meteorološki sateliti (do visine od 36 000 km).

Podjela atmosfere prema električnoj vodljivosti

Atmosferu je moguće podijeliti prema električnoj vodljivosti, koja ovisi o koncentraciji električno nabijenih čestica (iona i elektrona).

Ionizacija zraka posljedica je Sunčevog zračenja i kozmičkih zraka. Ionizacija zraka može nastati i kao posljedica radioaktivnog zračenja te električnog pražnjenja. Koncentracija električno nabijenih čestica naglo se povećava od visina 50 km do 60 km pa se taj sloj atmosfere naziva IONOSFERA. Ionosfera se sastoji od nekoliko slojeva (D, E i F sloj) koji imaju veliku praktičnu važnost jer apsorbiraju, reflektiraju ili propuštaju radio-valove, a o tim svojstvima ovisi efikasnost telekomunikacija.

a) D – sloj (Kennellyjev sloj) nalazi se između 60 km i 80 km visine. Nastaje zbog upijanja Sunčevog ultraljubičastog zračenja pa je u vezi s time izraziti dnevni hod: D – sloj slabi i potpuno nestaje preko noći. D – sloj je slabiji od ostalih slojeva ionosfere. Međutim, kako reflektira druge radio-valove (a upija srednje i kratke) to utječe na čujnost radio postaja koja je tijekom dana osjetno slabija, a tijekom noći je znatno bolja jer D – sloja nema (zato se noću čuju i neke udaljene radio postaje koje se tijekom dana ne mogu čuti). U razdobljima pojačanoga Sunčevog zračenja zbog pojačane aktivnosti na Suncu (Sunčeve pjege; svakih 11 godina) može doći do potpunog prekida prijenosa emisija koje emitiraju radio postaje na srednjim i kratkim radio-valovima.

b) E – sloj (Heavysideov sloj) pojavljuje se na visinama od 90 km do 150 km, a nastaje zbog upijanja X zračenja. Također nestaje noću. Jako reflektira radio-valove s izuzetkom UKV (ultrakratkog) područja.

c) F – sloj (Appletonov sloj) nalazi se na visinama između 180 i 350 km. Nastaje zbog upijanja UV i X zračenja. U njemu prevladavaju kationi (pozitivno nabijeni ioni). Kada je Sunčevo zračenje izrazitije (ljeti, danju) razdvaja se na dva sloja, F1 s manjom i F2 s većom koncentracijom kationa.

Na velikim visinama, iznad 400 km, gibanja naelektriziranih čestica postaju izrazito naglašena, i to pod znatnim utjecajem Zemljina magnetskog polja (u smjeru magnetskih silnica). Iznad 1 000 km visine, u magnetosferi, gibanje je ioniziranih čestica određeno isključivo magnetskim poljem Zemlje. U tom su području izraženi Van Allenovi pojasevi zračenja (unutarnji i vanjski) unutar kojih je izrazita koncentracija ioniziranih čestica. Taj je pojas Zemljina zračenja debeo 9 do 12 Zemljinih polumjera (prosječna vrijednost Zemljinog polumjera je 6 371 km).

U višim geografskim širinama na velikim visinama (iznad 100 km) pojavljuje se polarna svjetlost (aurora borealis i aurora australis) kao posljedica djelovanja Zemljina magnetskog polja na Sunčev vjetar (tzv. korpuskularna energija Sunca; od lat. corpusculum = tjelešce, sitna čestica). Oblak je velika nakupina vodenih kapljica i ledenih kristala na visini iznad 0,5 kilometra.