Z czego składa się atmosfera ziemska ? - skład i budowa

 Atmosfera to mechaniczna mieszanina gazów otaczająca Ziemię. Słowo atmosfera pochodzi z połączenia dwóch słów greckich: atmos - para, oddech i sphaira - kula, powłoka. Biorąc za podstawę istotne znaczenie powyższych słów greckich można by określić, że atmosfera to gazowa powłoka Ziemi.

Atmosfera do pewnej wysokości nad Ziemią składa się z mieszaniny gazów, wśród których przeważa azot i tlen. Objętościowo zawiera ona azotu 78,08%, a tlenu 20,95%. Na pozostały 1 % składają się gazy szlachetne ( nie wchodzące w związki chemiczne z innymi gazami ) jak: argon, hel, krypton, ksenon, neon i inne, wśród których stosunkowo najwięcej jest argonu (0,9%), a stosunkowo najmniej ksenonu (0,0001%).

Ciężar właściwy każdego z wymienionych gazów jest różny, bo gdy np. 1cm3 tlenu waży w odpowiednich warunkach 1.4292 grama, to helu zaledwie 0,1782, a ksenonu aż 5.851 grama.

Chociaż gazy te mają różny ciężar właściwy, to jednak nie mogą się ułożyć w atmosferze warstwami w stosunku do swego ciężaru, gdyż nie pozwala na to ich nieustany ruch poziomy i pionowy powodowany energią cieplną dostarczaną Ziemi przez Słońce. Ten nieustanny ruch, wywołujący mieszanie się gazów, sięga do wysokości około 70 km i dlatego od powierzchni Ziemi aż do tej wysokości skład atmosfery jest prawie jednakowy.

Czy mamy na to dowody ? Owszem, mamy je w postaci wyników sondowania wyższych warstw atmosfery za pomocą przyrządów zaopatrzonych w naczynia do automatycznego pobierania próbek atmosfery. Otóż próbki pobrane z wysokości 18.5 km wykazały, że skład atmosfery jest na tym samym poziomie taki sam jak przy powierzchni Ziemi, a pobrane z wysokości 30 km i 70 km wykazały jedynie nie co mniejszą zawartość tlenu.

Może paść pytanie czy na jeszcze większych wysokościach skład atmosfery może być również taki sam jak przy powierzchni Ziemi i czy mamy możliwość pobrania stamtąd próbek atmosfery ?

Otóż przy dzisiejszych sposobach sondowaniach górnych warstw atmosfery za pomocą rakiet wyposażonych w odpowiednie przyrządy są realne. Wykazały one, że począwszy od wysokości 70 km skład atmosfery jest jakościowo i ilościowo inny niż w warstwie niższej.

Spośród gazów stanowiących skład atmosfery przy powierzchni Ziemi w jej warstwach powyżej 70 km znajdują się tylko azot, tlen i pewna drobna ilość gazu zwanego ozonem ( jego maksymalne stężenie występuje na wysokości 24 km od powierzchni Ziemi.

Okazało się również, że tlen jest tam inny niż przy powierzchni Ziemi. W warstwie przyziemnej tlen jest molekularny ( zresztą tak samo azot), czyli cząsteczkowy albo drobinowy, a jego każda molekuła składa się z dwóch atomów .

W atmosferze powyżej 70 km tlen dwuatomowy rozpada się pod działaniem ultrafioletowych promieni Słońca na oddzielne atomy i w ten sposób powstaje tlen atomowy.

Całkowity rozpad tlenu na atomy następuje na wysokości powyżej 100 km, natomiast całkowity rozpad azotu na atomy następuje dopiero na wysokości powyżej 200 km.

Wyniki badania składu jeszcze wyższych warstw atmosfery ( powyżej 70 km) wykazały, że na wysokości 80 km nad Ziemią w skład atmosfery wchodzi Sód, a w warstwie od 130

do 150 km także wapń ( calcium ), magnez ( magnesium ) i żelazo ( ferrum ). W jaki sposób cząsteczki tych domieszek znalazły się w tak wysokich warstwach atmosfery tego jeszcze nie wyjaśniono.

Ozon spełnia doniosłą rolę w życiu Ziemi. Składa się on z tych samych atomów co tlen, a różnica polega jedynie na tym, że molekuła atomu zawiera dwa atomy, natomiast molekuła atomu trzy.

Gaz ten wytwarza się w atmosferze z tlenu pod działaniem ultrafioletowych promieni Słońca oraz podczas elektrycznych wyładowań w atmosferze. Doniosła rola ozonu w życiu Ziemi

polega na tym, że nawet tak minimalne jego ilości jak 0,00001% zatrzymuje przeważającą ilość ultrafioletowych promieni Słońca. Promienie te są bardzo ważne dla życia człowieka

, gdyż współdziałają w wytwarzaniu witamin, wpływają na przemianę materii, na działalność nerek i zabijają złośliwe bakterie, ale gdyby do powierzchni Ziemi dotarły w takiej ilości, w jakiej wysyła je Słońce wpłynęłyby niszcząco na wszystkie organizmy żywe, a z powierzchni Ziemi uczyniłyby prawdziwą pustynię.

Dla informacji należy jeszcze dodać, że ozon ma bardzo charakterystyczny zapach. Drobna ilość tego gazu domieszana do powietrza nadaje przyjemny i orzeźwiający zapach

, jaki odczuwa się po burzy. Dlatego też nazwa tego gazu pochodzi od greckiego słowa ozon, co oznacza zapach. Gdy wzmiankowaną minimalną ilość ozonu znajdującego się w atmosferze zebrać i stworzyć zeń warstwę równomiernie otaczającą Ziemię, to grubość takiej warstwy wyniosłaby zaledwie 3 milimetry, natomiast w ten sam sposób utworzona warstwa tlenu miałaby grubość 1560, a azotu 6280 metrów.

Ludzkość żyje na dnie atmosfery albo jak mówią niektórzy meteorolodzy - na dnie oceanu powietrznego. Bez atmosfery życie na Ziemi byłoby niemożliwe po prostu dlatego, że atmosfera zachowuje ciepło, które Ziemia otrzymuje od Słońca.

Pod tym względem atmosfera spełnia taką rolę jak szyba w cieplarni - przepuszcza promienie słoneczne, lecz jednocześnie przeszkadza oddawaniu ciepła z powrotem w przestrzeń międzyplanetarną.

Dzięki właśnie atmosferze skoki temperatury na powierzchni Ziemi są niewielkie. Gdyby Ziemia nie była otoczona atmosferą, wtedy w ciągu dnia temperatura na jej powierzchni przekraczałaby 100 stopni powyżej zera, a w ciągu nocy odwrotnie - 100 stopni poniżej zera.

Zawdzięczając atmosferze, średnia temperatura na powierzchni Ziemi wynosi około 16 stopni powyżej zera, podczas gdy w otaczającej Ziemię przestrzeni międzyplanetarnej panuje wieczny mróz.

Poznaliśmy już skład atmosfery i jego znaczenie. Teraz zastanowimy się nad pytaniem, do jakiej wysokości sięga atmosfera w ogóle ? Nad tym pytaniem zastanawiano się już od starożytności i dopiero w XII wieku naszej ery astronomowie arabscy obliczyli wysokość atmosfery na 80 km na podstawie czasu trwania zmierzchu . Obliczenie te było jednak nie dokładne. Okazało się jednak gdy zmierzch następuje

przy bezchmurnym niebie, to ślady błękitu nieba są widoczne nawet wówczas, gdy Słońce znajduje się poniżej horyzontu. Oświetla ono bowiem jeszcze warstwę atmosfery położonej powyżej 200 km. Na tej jednej podstawie można już twierdzić, że atmosfera na pewno sięga już do wysokości 200 km, bo gdyby tam nie było atmosfery , to promienie świetlne nie miałyby się od czego odbijać i nie byłyby skierowywane do Ziemi.

Inne jeszcze zjawisko przekonało nas w przekonaniu, że atmosfera musi sięgać znacznie wyżej niż 200 km. Tym zjawiskiem jest zorza polarna, czyli świecenie bardzo rozrzedzonego powietrza, występujących pod wpływem naelektryzowanych cząstek wysyłanych przez Słońce - zwanych elektronami. Ostatnie badanie tego zjawiska wskazują, że gazowe cząstki atmosfery sięgają nawet powyżej 1000 km nad Ziemią.