Atmosfærisk temperatur
Den vertikale temperaturprofil
Solens rolle i atmosfærens temperatur
Den drivhuseffekt
Ressourcer
Temperaturen i Jordens atmosfære varierer med afstanden fra ækvator (breddegrad) og højden over jordoverfladen (højde). Den ændrer sig også med tiden, idet den varierer fra årstid til årstid og fra dag til nat samt uregelmæssigt på grund af forbipasserende vejrsystemer. Hvis man udregner lokale variationer som et gennemsnit på globalt plan, opstår der imidlertid et mønster af globale gennemsnitstemperaturer. Vertikalt er atmosfæren opdelt i fire lag: troposfæren, stratosfæren, mesosfæren og termosfæren.
Den vertikale temperaturprofil
Gennemsnit af atmosfæriske temperaturer over alle breddegrader og over et helt år giver os den gennemsnitlige vertikale temperaturprofil, der er kendt som en standardatmosfære. Den gennemsnitlige vertikale temperaturprofil viser fire forskellige lag (figur 1). I det første lag, kaldet troposfæren, falder den gennemsnitlige atmosfæriske temperatur støt fra dens værdi ved overfladen, ca. 290 K (63°F; 17°C), og når et minimum på ca. 220 K (-64°F; -53°C) i en højde på ca. 10 km (6,2 mi). Dette niveau, der er kendt som tropo-pausen, ligger lige over marchhøjden for kommercielle jetfly. Temperaturfaldet med højden, kaldet lapse rate, er næsten konstant i hele troposfæren på 43,7°F(6,5°C) pr. 1 km (0,6 mi). Ved tropopausen falder lapsehastigheden pludseligt. Atmosfærens temperatur er næsten konstant i de næste 20 km (12 mi) og begynder derefter at stige med stigende højde op til ca. 50 km (31 mi). Dette område med stigende temperaturer er stratosfæren. Øverst i laget, kaldet stratopause, er temperaturen næsten lige så varm som overfladetemperaturen. Mellem ca. 50-80 km (31-50 mi) ligger mesosfæren, hvor atmosfærens temperatur igen falder med højden og når et minimum på 180 K (-136°F;-93°C) i toppen af laget (mesopausen), omkring 80 km (50 mi). Over mesopausen ligger termosfæren, der, som navnet antyder, er en zone med høje gastemperaturer. I den meget høje termosfære (ca. 500 km over
Jordoverfladen) kan gastemperaturerne nå op på mellem 500-2.000 K (441-3, 141°F; 227-1, 727°C). Temperaturen er et mål for energien i gasmolekylernes bevægelse. Selv om de har høj energi, er molekylerne i termosfæren til stede i et meget lavt antal, mindre end en milliontedel af den mængde, der i gennemsnit er til stede på Jordens overflade.
Atmosfærens temperatur kan også plottes som en funktion af både breddegrad og højde. Figur 2 og 3 viser sådanne plotter med breddegrad som x-koordinat og højde som y-koordinat.
Solens rolle i atmosfærens temperatur
Den største del af solstrålingen udsendes som synligt lys, med mindre dele ved kortere bølgelængder (ultraviolet stråling) og længere bølgelængder (infrarød stråling eller varme). Kun lidt af det synlige lys absorberes af atmosfæren (selv om en del reflekteres tilbage til rummet af skyer), så det meste af denne energi absorberes af Jordens overflade. Jorden opvarmes i denne proces og udstråler varme (infrarød stråling) tilbage opad. Dette opvarmer atmosfæren, og ligesom man bliver varmere, når man står tættere på et bål, er de luftlag, der er tættest på overfladen, de varmeste.
Ifølge denne forklaring skulle temperaturen løbende falde med højden. Figur 1 viser imidlertid, at temperaturen stigerS med højden i stratosfæren. Stratosfæren indeholder næsten al atmosfærens ozon. Ozon (O3) og molekylær oxygen (O2) absorberer det meste af solens ultraviolette stråling med kort bølgelængde. I den proces bliver de splittet op og dannes løbende igen. Nettoresultatet er, at ozonmolekylerne omdanner den ultraviolette stråling til varmeenergi, hvilket opvarmer laget og forårsager den stigende temperaturprofil, der observeres i stratosfæren.
Mesosfæren genoptager temperaturfaldet med højden. Termosfæren er imidlertid udsat for meget energirig, kortbølget ultraviolet og røntgenstrålende solstråling med meget høj energi og kort bølgelængde. Når de atomer eller molekyler, der befinder sig på dette niveau, absorberer noget af denne energi, bliver de ioniseret
(får fjernet en elektron) eller dissocieret (molekyler bliver splittet op i de enkelte atomer). Gaslaget opvarmes kraftigt af dette energibombardement, især i perioder, hvor solen udsender store mængder kortbølget stråling.
Den drivhuseffekt
Solenergien er ikke den eneste faktor, der bestemmer atmosfærens temperatur. Som nævnt ovenfor er Jordens overflade, efter at have absorberet solstråling i det synlige område,
Nøglebegreber
Grønthuseffekten – Opvarmningen af Jordens atmosfære som følge af, at visse gasser i atmosfæren opfanger den varme, der genudstråles fra Jorden.
Infrarød stråling -Stråling, der ligner det synlige lys, men har en lidt længere bølgelængde.
Lapse rate – Den hastighed, hvormed atmosfæren afkøles med stigende højde, angivet i enheder af grader C pr. kilometer.
Mesosfære – Det tredje lag af atmosfæren, der ligger mellem ca. 50 og 80 kilometers højde og er karakteriseret ved en lille lapse rate.
Stratosfære – Et lag af den øvre atmosfære over en højde på 8-17 km (5-10,6 mi), der strækker sig til ca. 50 km (31 mi), afhængigt af årstid og breddegrad. I stratosfæren ændrer lufttemperaturen sig kun lidt med højden, og der er kun få konvektive luftstrømme.
Thermosfære -Det øverste lag af atmosfæren, der begynder omkring 80 km (50 mi) og strækker sig hundreder af mil eller kilometer op i rummet. På grund af bombardementet med meget energisk solstråling kan dette lag have meget høje gastemperaturer.
Troposfære – Luftlaget op til 24 km over Jordens overflade, også kendt som den nedre atmosfære.
Ultraviolet stråling -Stråling svarende til synligt lys, men med kortere bølgelængde og dermed højere energi.
Røntgenstråling -Lysstråling med bølgelængder, der er kortere end den korteste ultraviolette; meget energirig og skadelig for levende organismer.
Sender infrarød stråling tilbage til rummet. Flere atmosfæriske gasser absorberer denne varmestråling og genudstråler den i alle retninger, herunder tilbage mod overfladen. Disse såkaldte drivhusgasser fanger således den infrarøde stråling i atmosfæren, hvilket øger dens temperatur. Vigtige drivhusgasser omfatter vanddamp (H2 O), kuldioxid (CO2) og methan (CH4). Det anslås, at Jordens overfladetemperatur i gennemsnit ville være ca. 32 °C (90 °F) koldere, hvis der ikke var drivhusgasser i atmosfæren. Da denne temperatur ligger et godt stykke under vands frysepunkt, ville planeten være langt mindre livsvenlig uden drivhuseffekten.
Selv om drivhusgasser er vigtige for livet på planeten, er det ikke nødvendigvis bedre at have flere drivhusgasser. Siden begyndelsen af den industrielle revolution i midten af det 19. århundrede har mennesket frigivet stadig større mængder kuldioxid til atmosfæren ved at forbrænde fossile brændstoffer. Niveauet af kuldioxid, der er målt i den fjerne atmosfære, har vist en kontinuerlig stigning, siden man begyndte at registrere det i 1958. Hvis denne stigning omsættes til en tilsvarende stigning i atmosfærens temperatur, kan resultaterne omfatte smeltende polariskapper og svulmende have, hvilket kan resultere i, at kystbyer bliver dækket af havet, ændringer i klimaet, der måske fører til udryddelser, og uforudsigelige ændringer i vind- og vejrmønstre, der udgør betydelige udfordringer for landbruget. Det er kompliceret at forudsige de ændringer, som et øget niveau af drivhusgasser kan medføre. Samspillet mellem atmosfæren, havene, kontinenterne og iskapperne er ikke helt forstået. Selv om man ved, at noget af den udledte kuldioxid absorberes af havene og i sidste ende aflejres som karbonatbjergarter (f.eks. kalksten), ved man ikke, om dette er en konstant proces, eller om den kan holde trit med det nuværende niveau af kuldioxidproduktion.