A légkör hőmérséklete
A függőleges hőmérsékleti profil
A Nap szerepe a légkör hőmérsékletében
Az üvegházhatás
Források
A Föld légkörének hőmérséklete az egyenlítőtől való távolsággal (szélesség) és a felszín feletti magassággal (magasság) változik. Idővel is változik, évszakról évszakra és napról napra, valamint az átvonuló időjárási rendszerek miatt rendszertelenül változik. Ha azonban a helyi változásokat globálisan átlagoljuk, akkor a globális átlaghőmérséklet mintázata rajzolódik ki. Függőlegesen a légkör négy rétegre oszlik: a troposzférára, a sztratoszférára, a mezoszférára és a termoszférára.
A függőleges hőmérsékleti profil
A légköri hőmérsékleteket az összes szélességi körön és egy egész évben átlagolva kapjuk meg a függőleges átlaghőmérsékleti profilt, amelyet standard légkörnek nevezünk. Az átlagos függőleges hőmérsékleti profil négy jól elkülöníthető rétegre utal (1. ábra). Az első, troposzféra néven ismert rétegben a légkör átlaghőmérséklete a felszíni értékéhez képest folyamatosan csökken, körülbelül 290 K (63°F; 17°C), és körülbelül 220 K (-64°F; -53°C) minimumot ér el körülbelül 10 km (6,2 mérföld) magasságban. Ez a tropo-pauza néven ismert szint éppen a kereskedelmi repülőgépek utazómagassága felett van. A hőmérséklet csökkenése a magassággal, az ún. elhaladási sebesség, a troposzférában közel állandó, 43,7°F (6,5°C) 0,6 mérföldenként (1 km). A tropopauzánál az elhaladási sebesség hirtelen csökken. A légkör hőmérséklete a következő 20 km-en (12 mérföldön) közel állandó, majd a magasság növekedésével emelkedni kezd, egészen 50 km (31 mérföld) magasságig. Ez a növekvő hőmérsékletű régió a sztratoszféra. A réteg tetején, az úgynevezett sztratopauzában a hőmérséklet majdnem olyan meleg, mint a felszíni értékek. Körülbelül 31-50 mi (50-80 km) között található a mezoszféra, ahol a légkör hőmérséklete a magassággal ismét csökken, és a réteg (a mezopauza) tetején, körülbelül 50 mi (80 km) magasságban éri el a 180 K (-136°F;-93°C) minimumot. A mezopauza felett található a termoszféra, amely, mint a neve is mutatja, a magas gázhőmérsékletű zóna. A nagyon magas termoszférában (kb. 311 mi (500 km) magasságban
a Föld felszíne felett) a gázok hőmérséklete elérheti az 500-2,000K (441-3, 141°F; 227-1, 727°C) értéket. A hőmérséklet a gázmolekulák mozgási energiájának mérőszáma. Bár nagy energiával rendelkeznek, a termoszférában a molekulák nagyon kis számban vannak jelen, kevesebb, mint egy milliomod része a Föld felszínén átlagosan jelenlévő mennyiségnek.
A légköri hőmérséklet a földrajzi szélesség és a magasság függvényében is ábrázolható. A 2. és 3. ábra ilyen ábrákat mutat, ahol a szélesség az x koordináta, a magasság pedig az y koordináta.
A Nap szerepe a légköri hőmérsékletben
A napsugárzás legnagyobb része látható fény formájában bocsátódik ki, kisebb része rövidebb hullámhosszon (ultraibolya sugárzás) és hosszabb hullámhosszon (infravörös sugárzás vagy hő). A látható fényből csak keveset nyel el a légkör (bár egy része a felhőkön keresztül visszaverődik az űrbe), így az energia nagy részét a Föld felszíne nyeli el. A Föld eközben felmelegszik, és hőt (infravörös sugárzást) sugároz vissza felfelé. Ez felmelegíti a légkört, és ahogyan a tűzhöz közelebb állva melegebb lesz, úgy a felszínhez legközelebbi légrétegek a legmelegebbek.
A magyarázat szerint a hőmérsékletnek a magassággal folyamatosan csökkennie kellene. Az 1. ábra azonban azt mutatja, hogy a hőmérséklet nőS a magassággal a sztratoszférában. A sztratoszféra tartalmazza a légkör majdnem teljes ózontartalmát. Az ózon (O3) és a molekuláris oxigén (O2) elnyeli a Nap rövid hullámhosszú ultraibolya sugárzásának nagy részét. Ennek során szétesnek és folyamatosan újjáalakulnak. A végeredmény az, hogy az ózonmolekulák az ultraibolya sugárzást hőenergiává alakítják át, ami felmelegíti a réteget, és a sztratoszférában megfigyelhető növekvő hőmérsékleti profilt okozza.
A mezoszférában folytatódik a hőmérséklet csökkenése a magassággal. A termoszférát azonban nagyon nagy energiájú, rövid hullámhosszú ultraibolya és röntgensugaras napsugárzás éri. Mivel az ezen a szinten lévő atomok vagy molekulák elnyelik ennek az energiának egy részét, ionizálódnak
(egy elektronjukat eltávolítják) vagy disszociálódnak (a molekulák alkotó atomjaikra bomlanak). A gázréteget ez az energiabombázás erősen felmelegíti, különösen azokban az időszakokban, amikor a Nap megemelkedett mennyiségű rövid hullámhosszú sugárzást bocsát ki.
Az üvegházhatás
A napenergia nem az egyetlen meghatározója a légkör hőmérsékletének. Mint fentebb említettük, a Föld felszíne, miután elnyelte a napsugárzást a látható tartományban,
KULCSFELTÉTELEK
Üvegházhatás -A Föld légkörének felmelegedése a Földről visszasugárzott hőnek a légkörben lévő bizonyos gázok általi megkötése következtében.
Infravörös sugárzás -A látható fényhez hasonló, de valamivel hosszabb hullámhosszúságú sugárzás.
Lappangási sebesség -A légkör lehűlésének sebessége a magasság növekedésével, kilométerenként C fokban megadva.
Mezoszféra -A légkör harmadik rétege, amely kb. 50 és 80 km magasság között helyezkedik el, és kis apadási sebesség jellemzi.
Stratoszféra -A felső légkörnek a 8-17 km (5-10,6 mi) magasság feletti rétege, amely az évszaktól és a földrajzi szélességtől függően kb. 50 km (31 mi) magasságig terjed. A sztratoszférán belül a levegő hőmérséklete alig változik a magassággal, és kevés konvektív légáramlat van.
Thermoszféra -A légkör legfelső rétege, amely körülbelül 80 km magasságban kezdődik és több száz mérföldre vagy kilométerre nyúlik fel az űrbe. A nagyon energikus napsugárzás bombázása miatt ez a réteg nagyon magas gázhőmérsékletű lehet.
Troposzféra – A Föld felszíne fölött 24 km (15 mi) magasságig terjedő légréteg, amelyet alsó légkörnek is neveznek.
Ultraibolya sugárzás -A látható fényhez hasonló, de rövidebb hullámhosszú, így nagyobb energiájú sugárzás.
Röntgensugárzás -A legrövidebb ultraibolyánál rövidebb hullámhosszúságú fénysugárzás; nagyon energikus és káros az élő szervezetekre.
Infravörös sugárzást bocsát vissza az űrbe. Számos légköri gáz elnyeli ezt a hősugárzást, és visszasugározza minden irányba, többek között vissza a felszín felé. Ezek az úgynevezett üvegházhatású gázok így az infravörös sugárzást a légkörben tartják vissza, megemelve annak hőmérsékletét. A fontos üvegházhatású gázok közé tartozik a vízgőz (H2 O), a szén-dioxid (CO2) és a metán (CH4). Becslések szerint a Föld felszíni hőmérséklete átlagosan körülbelül 32°C-kal (90°F) lenne hűvösebb az üvegházhatású gázok nélkül. Mivel ez a hőmérséklet jóval a víz fagyáspontja alatt van, a bolygó az üvegházhatás hiányában sokkal kevésbé lenne alkalmas az életre.
Míg az üvegházhatású gázok nélkülözhetetlenek a bolygónkon élő élet számára, a több nem feltétlenül jobb. Az ipari forradalom kezdete, a tizenkilencedik század közepe óta az ember a fosszilis tüzelőanyagok elégetésével egyre nagyobb mennyiségű szén-dioxidot juttatott a légkörbe. A távoli légkörben mért szén-dioxid szintje a feljegyzések 1958-as kezdete óta folyamatosan emelkedik. Ha ez a növekedés a légkör hőmérsékletének megfelelő emelkedésével jár, az eredmények között szerepelhet a sarki jégsapkák olvadása és a tengerek megduzzadása, aminek következtében a tengerparti városokat elborítja az óceán; az éghajlat megváltozása, ami talán kihalásokhoz vezet; valamint a szél- és időjárási minták kiszámíthatatlan változásai, ami jelentős kihívások elé állítja a mezőgazdaságot. Az üvegházhatású gázok megnövekedett szintje által előidézett változások előrejelzése bonyolult. A légkör, az óceánok, a kontinensek és a jégsapkák kölcsönhatása nem teljesen ismert. Bár ismert, hogy a kibocsátott szén-dioxid egy részét az óceánok elnyelik, és végül karbonátos kőzetként (például mészkő) rakódik le, nem tudni, hogy ez egy állandó folyamat-e, vagy hogy képes-e lépést tartani a szén-dioxid-termelés jelenlegi szintjével.