Ilmakehän lämpötila

BY admin
|

Pystysuora lämpötilaprofiili

Auringon merkitys ilmakehän lämpötilaan

Kasvihuoneilmiö

Resurssit

Maailman ilmakehän lämpötila vaihtelee sen mukaan, miten kaukana päiväntasaajasta ollaan (leveyspiiri) ja miten korkealla maan pinnasta ollaan maanpinnan yläpuolella (korkeus). Se muuttuu myös ajan myötä, vaihtelemalla vuodenajasta vuodenaikaan ja päivästä yöhön sekä epäsäännöllisesti ohi kulkevien sääjärjestelmien vuoksi. Jos paikalliset vaihtelut kuitenkin keskiarvoistetaan maailmanlaajuisesti, saadaan selville maailmanlaajuinen keskilämpötilamalli. Pystysuunnassa ilmakehä jakautuu neljään kerrokseen: troposfääriin, stratosfääriin, mesosfääriin ja termosfääriin.

Pystysuuntainen lämpötilaprofiili

Keskiarvoistamalla ilmakehän lämpötiloja kaikilla leveysasteilla ja koko vuoden ajalta saadaan keskimääräinen pystysuuntainen lämpötilaprofiili, joka tunnetaan standardi-ilmakehänä. Keskimääräinen pystysuora lämpötilaprofiili viittaa neljään eri kerrokseen (kuva 1). Ensimmäisessä kerroksessa, jota kutsutaan troposfääriksi, ilmakehän keskilämpötila laskee tasaisesti pintalämpötilasta, joka on noin 290 K (63°F; 17°C), ja saavuttaa noin 220 K:n (-64°F; -53°C) minimilämpötilan noin 10 km:n (6,2 mailin) korkeudessa. Tämä taso, joka tunnetaan nimellä tropo-pause, on juuri kaupallisten suihkukoneiden matkalentokorkeuden yläpuolella. Lämpötilan aleneminen korkeuden myötä, jota kutsutaan virtausnopeudeksi, on lähes tasainen koko troposfäärissä 43,7°F (6,5°C) 0,6 mailia (1 km) kohden. Tropopaussissa nopeus laskee jyrkästi. Ilmakehän lämpötila on lähes vakio seuraavien 20 kilometrin (12 mi) ajan, minkä jälkeen se alkaa nousta korkeuden kasvaessa noin 50 kilometriin (31 mi) asti. Tämä nousevien lämpötilojen alue on stratosfääri. Stratopaussiksi kutsutun kerroksen yläosassa lämpötila on lähes yhtä lämmin kuin pinta-arvot. Noin 50-80 kilometrin (31-50 mi) välissä sijaitsee mesosfääri, jossa ilmakehän lämpötila laskee jälleen korkeuden myötä ja saavuttaa 180 K:n (-136°F;-93°C) minimilämpötilan kerroksen (mesopaussin) yläosassa, noin 80 kilometrin (50 mi) korkeudessa. Mesopaussin yläpuolella on termosfääri, joka on nimensä mukaisesti korkeiden kaasulämpötilojen vyöhyke. Erittäin korkeassa termosfäärissä (noin 311 mi (500 km) Maan pinnan yläpuolella) kaasujen lämpötilat voivat olla 500-2 000 K (441-3, 141°F; 227-1, 727°C). Lämpötila on kaasumolekyylien liike-energian mitta. Vaikka niiden energia on suuri, termosfäärissä molekyylejä on hyvin vähän, alle miljoonasosa siitä määrästä, joka on keskimäärin Maan pinnalla.

Atmosfäärin lämpötilaa voidaan myös piirtää sekä leveysasteen että korkeuden funktiona. Kuvissa 2 ja 3 on esitetty tällaisia piirroksia, joissa leveyspiiri on x-koordinaatti ja korkeus y-koordinaatti.

Auringon merkitys ilmakehän lämpötilaan

Suurin osa auringon säteilystä säteilee näkyvänä valona, ja pienempiä osia lyhyemmillä aallonpituuksilla (ultraviolettisäteily) ja pidemmillä aallonpituuksilla (infrapunasäteily eli lämpö). Ilmakehä absorboi vain vähän näkyvästä valosta (vaikka osa heijastuukin takaisin avaruuteen pilvistä), joten suurin osa tästä energiasta absorboituu Maan pinnalle. Maapallo lämpenee tässä prosessissa ja säteilee lämpöä (infrapunasäteilyä) takaisin ylöspäin. Tämä lämmittää ilmakehää, ja aivan kuten ihminen on lämpimämpi seisoessaan lähempänä tulta, myös pintaa lähinnä olevat ilmakerrokset ovat lämpimimpiä.

Tämän selityksen mukaan lämpötilan pitäisi jatkuvasti laskea korkeuden myötä. Kuva 1 kuitenkin osoittaa, että lämpötila kasvaaS korkeuden kasvaessa stratosfäärissä. Stratosfääri sisältää lähes kaiken ilmakehän otsonin. Otsoni (O3) ja molekulaarinen happi (O2) imevät suurimman osan auringon lyhytaaltoisesta ultraviolettisäteilystä. Prosessissa ne hajoavat ja muodostuvat jatkuvasti uudelleen. Nettotuloksena otsonimolekyylit muuttavat ultraviolettisäteilyn lämpöenergiaksi, mikä lämmittää kerrosta ja aiheuttaa stratosfäärissä havaitun lämpötilaprofiilin nousun.

Mesosfääri jatkaa lämpötilan laskua korkeuden myötä. Termosfääriin kohdistuu kuitenkin hyvin suurienergistä, lyhytaaltoista ultravioletti- ja röntgensäteilyä. Kun tällä tasolla olevat atomit tai molekyylit absorboivat osan tästä energiasta, ne ionisoituvat

(niistä poistetaan elektroni) tai dissosioituvat (molekyylit hajoavat osa-atomeiksi). Tämä energiapommitus lämmittää kaasukerrosta voimakkaasti, erityisesti ajanjaksoina, jolloin aurinko lähettää suuria määriä lyhytaaltoista säteilyä.

Kasvihuoneilmiö

Aurinkoenergia ei ole ainoa ilmakehän lämpötilan määräävä tekijä. Kuten edellä todettiin, maapallon pinta absorboituaan auringon säteilyä näkyvän alueen

KESKEISET TERMIT

Kasvihuoneilmiö -Kasvihuoneilmakehän lämpeneminen, joka johtuu tiettyjen ilmakehässä esiintyvien kaasujen sieppaamasta maapallolta uudelleen säteilemästä lämmöstä.

Infrapunasäteily -Näkyvän valon kaltainen säteily, mutta hieman pidemmän aallonpituuden omaava.

Lapenemisnopeus -Nopeus, jolla ilmakehä viilenee korkeuden kasvaessa ja joka ilmoitetaan yksikköinä C-asteina kilometriä kohti.

Mesosfääri -Kolmas ilmakehän kerros, joka sijaitsee noin 50-80 kilometrin korkeudella ja jolle on ominaista pieni lapenemisnopeus.

Stratosfääri -Yläilmakehän kerros yläpuolella noin 5 – 10.6 mi:n (8 – 17 km:n) korkeudella ja joka ulottuu noin 31 mi:iin (50 km:iin) vuodenaikojen ja ilmansuuntaisten leveysasteiden mukaan. Stratosfäärissä ilman lämpötila muuttuu vain vähän korkeuden mukaan, ja konvektiivisia ilmavirtauksia on vähän.

Termosfääri – Ilmakehän ylin kerros, joka alkaa noin 80 km:n korkeudelta ja ulottuu satoja kilometrejä avaruuteen. Erittäin energisen auringonsäteilyn pommituksen vuoksi tässä kerroksessa voi olla hyvin korkeita kaasujen lämpötiloja.

Troposfääri -Kerros ilmaa enintään 24 km (15 mi) Maan pinnan yläpuolella, jota kutsutaan myös alemmaksi ilmakehäksi.

Ultraviolettisäteily -Säteily, joka muistuttaa näkyvää valoa, mutta jonka aallonpituus on lyhyempi ja siten energia suurempi.

Röntgensäteily -Valosäteily, jonka aallonpituudet ovat lyhyempiä kuin lyhimmän ultraviolettisäteilyn aallonpituus; erittäin energinen ja haitallista eläville organismeille.

Säteilyä lähtee infrapunasäteilyä takaisin avaruuteen. Useat ilmakehän kaasut imevät tätä lämpösäteilyä ja säteilevät sitä uudelleen kaikkiin suuntiin, myös takaisin kohti maanpintaa. Nämä niin sanotut kasvihuonekaasut pidättävät siten infrapunasäteilyä ilmakehän sisällä ja nostavat sen lämpötilaa. Tärkeitä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry (H2 O), hiilidioksidi (CO2) ja metaani (CH4). On arvioitu, että ilman kasvihuonekaasuja maapallon pintalämpötila olisi keskimäärin noin 32 °C (90 °F) viileämpi. Koska tämä lämpötila on reilusti veden jäätymispisteen alapuolella, planeetta olisi kasvihuoneilmiön puuttuessa paljon vähemmän vieraanvarainen elämälle.

Kasvihuonekaasut ovat välttämättömiä planeetan elämälle, mutta enemmän ei välttämättä ole parempi. Teollisen vallankumouksen alettua 1800-luvun puolivälissä ihminen on vapauttanut ilmakehään yhä suurempia määriä hiilidioksidia polttamalla fossiilisia polttoaineita. Kaukaisesta ilmakehästä mitattu hiilidioksidipitoisuus on kasvanut jatkuvasti siitä lähtien, kun mittaukset aloitettiin vuonna 1958. Jos tämä nousu näkyy ilmakehän lämpötilan vastaavana nousuna, seurauksena voi olla muun muassa napajäätiköiden sulaminen ja merien paisuminen, jolloin rannikkokaupungit peittyvät valtamereen, ilmaston muutokset, jotka saattavat johtaa sukupuuttoon kuolemiseen, sekä arvaamattomat muutokset tuuli- ja säämalleissa, jotka asettavat merkittäviä haasteita maataloudelle. Kasvihuonekaasujen lisääntymisen aiheuttamien muutosten ennustaminen on monimutkaista. Ilmakehän, valtamerten, mantereiden ja jääpeitteiden vuorovaikutusta ei tunneta täysin. Vaikka tiedetäänkin, että osa vapautuvasta hiilidioksidista imeytyy valtameriin ja laskeutuu lopulta karbonaattikiveksi (kuten kalkkikiveksi), ei tiedetä, onko tämä prosessi tasainen vai voiko se pysyä nykyisen hiilidioksidituotannon tahdissa.