Warstwy atmosfery

Warstwy atmosfery
Czym jest atmosfera?
Atmosfera to gazowa powłoka otaczająca każdy naturalny obiekt fizyczny oraz szereg powiązanych ze sobą obiektów fizycznych w kosmosie, którego masa wystarcza do utrzymania warstwy gazów w wyniku grawitacji. Obiekty te zwane są również ciałami niebieskimi. Warstwy atmosfery znajdują się na planetach typu ziemskiego, czyli skalnego. Atmosfera pojawia się również na największych księżycach planet. Inaczej jest w przypadku planet-olbrzymów, czyli planet, które nie mają skalnej powierzchni. Planetą-olbrzymem jest między innymi Jowisz. W przypadku planet-olbrzymów i gwiazd terminem atmosfera określamy tylko zewnętrzną, przeźroczystą warstwę powłoki gazowej, z której promieniowanie dociera bezpośrednio do obserwatora. W atmosferze wyróżniamy planetarną warstwę graniczną (czyli najniższą część atmosfery, będącą pod bezpośrednim wpływem powierzchni planety) oraz warstwę dobrze wymieszaną (atmosferyczna lub oceaniczna, w której występuje silne mieszanie).
Atmosfera Ziemi
Atmosfera Ziemi jest najlepiej poznaną atmosferą spośród wszystkich atmosfer ciał niebieskich Układu Słonecznego (układ planetarny w galaktyce Drogi Mlecznej). Atmosfera Ziemi składa się z powietrza, czyli mieszanki gazów, którego głównym składnikiem jest azot (78,084% objętości powietrza), tlen (20,946%) i argon (0,934%). Masa gazów atmosferycznych wynosi 5,29 · 1018 kg. Atmosfera Ziemska posiada złożoną budowę poziomą co oznacza, że wyróżnia się w niej szereg stref o zróżnicowanej temperaturze, stopniu jonizacji (podstawienia jonu, czyli anionu lub kationu, z obojętnego atomu lub cząsteczki) cząsteczek oraz składu chemicznego. Mieszanie się powietrza powoduje między innymi, iż pomiędzy tymi strefami nie można wyznaczyć wyraźnych liniowych granic. Ziemię otacza atmosfera, która chroni planetę i umożliwia życie na niej. Większość naszej atmosfery znajduje się blisko powierzchni Ziemi, gdzie jest najbardziej gęsta. Posiada ona pięć wyraźnych warstw:
Troposfera to warstwa atmosfery, położona najbliżej Ziemi. Jest to najniższa ze wszystkich warstw. Zawiera ona najwięcej masy całej atmosfery, temperatura w niej maleje wraz z wysokością. W troposferze zachodzą częste turbulencje (skomplikowany, nielaminarny ruch płynów) oraz wszelkie procesy kształtujące pogodę i klimat. Troposfera ziemska sięga około 10 kilometrów, mierząc od powierzchni Ziemi. Jej górna granica zmienia wysokość w zależności od pory roku i od szerokości geograficznej. Nad biegunami sięga ona do 6 kilometrów w zimie i do 8 kilometrów w lecie. W stabilnych szerokościach geograficznych Ziemi wysokość ta sięga 10 kilometrów w zimie oraz 12 kilometrów w lecie. Nad równikiem wysokość sięga 20 kilometrów. Zależności w wysokości zależne są od nagrzewania się poszczególnych obszarów, leżących na różnych szerokościach geograficznych oraz od różnej wartości siły odśrodkowej, działającej na cząsteczki powietrza. Tak jak zostało wcześniej wspomniane, cechą charakterystyczną troposfery jest spadek temperatury wraz ze wzrostem wysokości. Przeciętną temperaturą jest 0,6°C na 100 m. Na górnej granicy troposfery temperatura nad obszarem zwrotnikowym waha się od -70°C do -80°C, natomiast nad biegunami od -70°C zimą do -45°C latem. Obszar ten jest najbardziej dynamiczną warstwą atmosfery. Zawiera ona około 80% powietrza. Najniższa część (warstwa graniczna) reaguje na zmiany temperatury Ziemi. W troposferze kształtują się cykle powietrza, które zależne są od ukształtowania powierzchni. Na wysokości około 6 kilometrów znajduje się średnia stratosfera, w której występuje większość rodzajów chmur. W górnej części troposfery, temperatura ma wartość ujemną, a występujące tam chmury są w postaci kryształków lodu. Warstwą oddzielającą troposferę od innych warstw atmosfery jest tropopauza. Ma ona grubość około 2 kilometrów. Występuje ona między troposferą a stratosferą. Nad biegunami mierzy od 6 do 8 kilometrów, natomiast w szerokościach umiarkowanych sięga od 10 do 12 kilometrów. Nad równikiem podnosi się na wysokość do 17 kilometrów. Jej grubość i wysokość zależy od pory roku, latem znajduje się wyżej, a zimą niżej. Temperatura w tropopauzie sięga do -55°C. W tej warstwie ciśnienie atmosferyczne maleje wraz z wysokością. Meteorologia i klimatologia zajmują się zjawiskami troposferycznymi, wyższe warstwy atmosfery są przedmiotem zainteresowania aeronomii. W przypadku planet wewnętrznych Układu Słonecznego wszystkie oprócz Merkurego posiadają warstwę troposfery. Obszar od 50 do 65 kilometrów nad powierzchnią zajmuje gęsta warstwa chmur kwasu siarkowego. Tytan, czyli największy księżyc Saturna, posiada budowę stałą. Warstwa troposfery wynosi tam dokładnie 44 kilometry. Temperatura tropopauzy to około -203°C. Inaczej jest natomiast przy planetach olbrzymach. Nie mają one wyraźnej powierzchni, a gazy, które tworzą ich atmosferę, zmieniają się w ciecze. W przypadku Jowisza tropopauza pojawia się przy ciśnieniu 140 hektopaskali. W górnej części troposfery, występują chmury trzech rodzajów stworzonych: z amoniaku, wodorosiarczku amonu i wody. Saturn posiada atmosferę o podobnej budowie do Jowisza, jego temperatura sięga 85 K, przy ciśnieniu 80 hPa.

Drugą warstwą, najbliższą powierzchni zaraz po troposferze, jest stratosfera.

W warstwie tej zachodzi zjawisko inwencji temperatury, które polega na wzroście temperatury powietrza wraz z wysokością. Jest ona umiejscowiona nad troposferą, którą oddziela tropopauza. Jest również położona pod Mezosferą, którą oddziela stratopauza. Stratosfera ziemska rozpoczyna się od około 10 kilometrów wysokości od Ziemi, na średnich obszarach geograficznych. Jej koniec sięga nawet 50 kilometrów. W szerokości równikowej, dolna granica stratosfery jest nawet 20 kilometrów wyżej osadzona, a w obszarze biegunów, w zimie obniża się nawet o około 7 kilometrów. W dolnej części tej warstwy atmosferycznej panuje stała temperatura powietrza, natomiast w górnej części temperatura rośnie. Temperatura w górnej części wynosi 0°C, przy czym ciśnienie spada do 1 hektopaskala. Skutkiem tego zjawiska jest stabilność termodynamiczna (stan, w którym wszelkie makroskopowe parametry układu są stałe w czasie) tej warstwy, turbulencje są małe oraz mieszanie pionowe jest delikatne. Z powodu małej zawartości pary wodnej, w tej warstwie rzadko występują chmury, a jeśli już to zimą. Jednymi z takich chmur są polarne chmury stratosferyczne. Najczęściej cechuje je silna iryzacja (częste pojawianie się tęczowych barw, dzięki czemu zawdzięczają nazwę obłoków perłowych). W stratosferze za zmianę temperatury powietrza odpowiada absorpcja (proces w optyce polegający na pochłonięciu przez substancję energii fali elektromagnetycznej) słonecznego promieniowania ultrafioletowego przez ozon. To właśnie w tej warstwie znajduje się warstwa ozonowa. Produkcja tej alotropowej odmiany tlenu, zachodzi zazwyczaj w niższych szerokościach geograficznych. W obszarach polarnych powstają dziury ozonowe, które są ściśle związane z reakcjami chemicznymi chmur stratosferycznych. Stratosfera posiada mniej więcej 20% powietrza. W stratosferze występują zjawiska zwane falami atmosferycznymi oraz pływami. Przenoszą one energię tej warstwy, co skutkuje lokalnym ogrzewaniem. W dolnej części stratosfery występują prądy strumieniowe, które przenoszą ogromne masy powietrza w dosyć wąskiej linii. Do zjawisk występujących w stratosferze zaliczamy również niebieskie smugi, czyli wyładowania energii, często towarzyszące burzy. Są one rzadkie, mało tego, wyładowania atmosferyczne przenoszą do jonosfery, występującej ponad chmurami burzowymi. W dolnej części tej warstwy atmosfery możemy ujrzeć latające samoloty, które starają się uniknąć turbulencji. Pierwszymi odkrywcami stratosfery byli dwaj meteorolodzy: Francuz Léon Teisserenc de Bort i Niemiec Richard Assmann. Atmosfera Wenus i Marsa nie posiadają stratosfery. Wynika to z braku inwencji temperatury. W tym przypadku, bezpośrednio po troposferze występuje mezosfera. Na Marsie zawartość ozonu jest bardzo niska, dlatego nie można zauważyć tam wpływu na jej stan termiczny. W okresie burz pyłowych, absorpcja i remisja promieniowania przez pył może wywoływać efekt inwersji temperatury, imitujący obecność stratosfery. W przypadku planet-olbrzymów oraz największego księżyca Saturna-Tytana, za absorpcję oraz ogrzewanie stratosfery odpowiada metan. W stratosferze Jowisza niewielka ilość wody, która tam występuje, jest wynikiem opadu materii z pierścieni wokół planety. Stratopauza występuje między innymi na Saturnie i Jowiszu i rozpoczyna się tam, gdzie ciśnienie wynosi 1 hektopaskal.
Mezosfera to trzecia od powierzchni planety lub księżyca warstwa atmosferyczna. Jej cechą charakterystyczną jest to, iż temperat