Atmosfēra ir mūsu planētas gāzu jeb gaisa apvalks. Tā nav viendabīga, to veido četri slāņi: troposfēra, stratosfēra, mezosfēra un termosfēra jeb jonosfēra, kur retinātās gāzu molekulas atrodas jonizētā stāvoklī.
1. Atmosfēras ķīmiskais sastāvs
Zemes atmosfēra sastāv no dažādu gāzu mehāniska maisījuma. Lai gan atmosfēra kļūst retāka, palielinoties augstumam, galveno gāzu proporcijas (izņemot ūdens tvaikus) paliek salīdzinoši nemainīgas līdz pat aptuveni 80–100 km augstumam.
Galvenās atmosfēras sastāvdaļas:
- Slāpeklis ~78% – inertākā gāze, kas nodrošina atmosfēras kopējo spiedienu un ir būtisks elements barības ķēdēs.
- Skābeklis : ~21% – nepieciešams elpošanai un degšanas procesiem.
- Argons : ~0,93% – inertā gāze.
- Oglekļa dioksīds: ~0,04% – lai gan tā daudzums ir neliels, tam ir izšķiroša loma siltumnīcas efekta radīšanā un fotosintēzē.
Mainīgās sastāvdaļas:
- Ūdens tvaiki: To daudzums troposfērā svārstās no 0% līdz 4% atkarībā no reģiona un temperatūras. Ūdens tvaiki ir galvenais nokrišņu un mākoņu avots.
- Ozons: Koncentrējas galvenokārt stratosfērā, aizsargājot Zemi no UV starojuma.
- Piejaukumi: Putekļi, dūmi, sāls kristāliņi un dažādi aerosoli, kas kalpo kā ūdens tvaiku kondensācijas kodoli.
2. Atmosfēras slāņu raksturojums
Troposfēra ir zemākais un blīvākais atmosfēras slānis. Planētas rotācijas dēļ tas ir līdz 12 km augstumam polos un 16 km augstumam ekvatora rajonā. Tajā ir ap 80% visas atmosfēras gāzu masas. Troposfēras augšējā daļā temperatūra var noslīdēt līdz -60°C. Galvenokārt troposfērā notiek globālā atmosfēras cirkulācija, ūdens pārnese no okeāniem uz sauszemi, un tieši troposfērā veidojas galvenās gaisa masas, valdošie vēji, kas pārvietojoties ietekmē laika apstākļus, veidojot dažādus klimata tipus.
Stratosfēra ir no 12–50 km augstumam. Šajā slānī atrodas apmēram 18% no visas atmosfēras gāzu masas. Gaisa temperatūra sāk lēnām celties līdz pat mezosfēras robežai. Stratosfēras daļā (20-25 km augstumā) atrodas plānais ozona slānis, kuram ir liela nozīme saules ultravioleto starojumu un dažu citu kaitīgu gāzu sadalīšanā un neitralizācijā. Stratosfērā no apmēram 20 km sākas tropopauze jeb gaisa temperatūras paaugstināšanās.
Mezosfēra ir nākamais ļoti retinātais atmosfēras slānis – no 50 līdz 90 km augstumā. Mezosfēras pašā apakšējā daļā uz robežas ar stratosfēru atrodas stratopauze, kur temperatūra tuvojas 0°C, kas ir temperatūras inversijas augšējā robeža. Mezosfēras pašā augšējā daļā vides gāzu temperatūra krītas līdz -100°C.
Termosfēra – 90 km augstumā sākas ar menopauzi. Gaiss šeit ir ārkārtīgi retināts, gāzu molekulu ir tik maz, ka to kinētiskās enerģijas un jonizācijas dēļ temperatūra atkal paaugstinās. Šī iemesla dēļ termosfēru reizēm sauc arī par jonosfēru. Augstāk, līdz pat 1000 km, reizēm vēl izdala eksosfēru, kas pakāpeniski pāriet kosmiskajā telpā.
3. Atmosfēras spiediens, temperatūra
Gaisam ir spiediens, kas samazinās, palielinoties augstumam virs jūras līmeņa.
Normālais atmosfēras spiediens 0 m absolūtā jeb jūras līmeņa augstumā ir 1 atmosfēra, kas atbilst apmēram 760 mm/Hg stabiņa, 1013 hPa, mbar (hektopaskāliem un faktiski arī tikpat daudz mbar jeb milibāriem). Gaisa svars jūras līmenī pie 0° C temperatūras ir 1,29 kg/\(m^3\), 5 km augstumā – 735 g/\(m^3\)12 km augstumā – 319 g/\(m^3\), 20 km augstumā – 87 g/\(m^3\) 25 km augstumā 43 g/\(m^3\), bet 40 km augstumā – 4 g/\(m^3\).
Atmosfēras spiediens ir Zemes atmosfēras hidrostatiskais spiediens, kas rodas Zemes gravitācijas dēļ, gaisam pievelkoties pie Zemes virsmas. Gaisa spiedienu kopumā ietekmē dažādi fizikāli lielumi, kā, piemēram, temperatūra, gaisa blīvums, piesātinātība ar ūdens tvaikiem, putekļiem u.c. Troposfērā uz katriem 1000 metriem gaisa temperatūra pazeminās vidēji par 6° C. Citos, augstākos slāņos, šī likumsakarība nav spēkā (skatīt augšējo attēlu).
Atmosfēras spiediens ir tik liels, ar kādu spēku spiež virs ķermeņa esošais gaisa slānis. Lielākā augstumā virs jūras līmeņa spiediens samazinās, jo tad tur virs ķermeņa, kas atrodas lielā augstumā, atrodas mazāks gaisa slānis un tas spiež uz to ar mazāku spēku. Nelielā intervālā atmosfēras spiediens mainās meteoroloģisko apstākļu iespaidā, veidojot augsta vai zema atmosfēras spiediena zonas (ciklons raksturojas ar zemāku, bet anticiklons ar augstāku atmosfēras spiedienu).
Troposfēras apakšējā slānī pastāvīgie ciklonālie apgabali veido pazemināta spiediena apgabalus, piemēram, Islandes minimumu, no kurienes Eiropā un Latvijā visbiežāk ar rietumu vējiem ievirpuļo cikloni. Savukārt pastāvīgie anticiklonālie apgabali veido noturīgus paaugstināta spiediena apgabalus, piemēram, Azoru maksimumu u.c. Taču sezonālajos musonu vēju apgabalos, sevišķi A un D Āzijā, veidojas arī sezonālie atmosfēras spiediena centri, vasarā Dienvidāzijas minimuma un ziemā Altaja, Sajānu kalnu apgabalā t.s. Āzijas maksimuma spiediena apgabali.
Faktiski spiediena atšķirības var būt globālas, reģionālas un lokālas, kas savukārt rada tāda paša apjoma gaisa cirkulāciju, vējus. Piemēram, pasāti, rietumu vēji ietilpst globālajā, musoni – reģionālajā, bet dienas un nakts, kalnu brīzes, kalnu fēni u.c. – lokālajā gaisa cirkulācijas shēmā.
Atmosfēras spiedienu mēra ar dažāda veida barometriem. Spiedienu maiņa vienmēr izmaina arī meteoroloģiskos laika un klimata apstākļus.
4. Atmosfēras nozīme
Atmosfēra ir viens no būtiskākajiem Zemes ģeogrāfiskajiem apvalkiem, bez kura dzīvība uz mūsu planētas pašreizējā izpausmē nebūtu iespējama.
Pirmkārt, atmosfēra kalpo kā unikāls filtrs un aizsargvairogs. Stratosfērā esošais ozona slānis absorbē lielāko daļu Saules nāvējošā ultravioletā (UV) starojuma, pasargājot organismu šūnas no mutācijām un bojāejas.
Otrkārt, atmosfēra ir galvenais temperatūras regulators. Pateicoties tā dēvētajam siltumnīcas efektam, ko rada tādas gāzes kā oglekļa dioksīds un ūdens tvaiki, uz Zemes tiek uzturēta stabila un dzīvībai piemērota temperatūra. Bez šī efekta Zemes vidējā temperatūra būtu ap -18°C, kas nozīmētu sasalušus okeānus un neiespējamu lauksaimniecību. Atmosfēras cirkulācija, vējiem pārvietojot siltās un aukstās gaisa masas, palīdz izlīdzināt krasas temperatūras atšķirības starp ekvatoru un poliem, padarot lielāko daļu sauszemes apdzīvojamu.
Treškārt, atmosfēra ir visu bioloģisko vielmaiņas procesu pamatā. Tā nodrošina skābekli, kas nepieciešams gandrīz visu dzīvo būtņu elpošanai, un oglekļa dioksīdu, kas ir neaizstājama izejviela augu fotosintēzei. Tāpat atmosfēra ir galvenā vide ūdens ciklam dabā; tajā uzkrājas iztvaikojušais ūdens, veidojas mākoņi un vēlāk veido nokrišņus, kas nodrošina saldūdens resursus uz sauszemes.
Sīkāk par atmosfēras uzbūvi, saules starojumu un radiācijas bilanci, siltumnīcas efekta teoriju u.c. var uzzināt mācību video šeit – Tavaklase.lv