Temperatura atmosfery

Pionowy profil temperatury

Rola Słońca w temperaturze atmosfery

Efekt cieplarniany

Zasoby

Temperatura atmosfery Ziemi zmienia się wraz z odległością od równika (szerokość geograficzna) i wysokością nad powierzchnią (wysokość nad poziomem morza). Zmienia się również w czasie, zmieniając się z pory roku na porę roku i z dnia na noc, a także nieregularnie z powodu przechodzących systemów pogodowych. Jeśli jednak lokalne wahania zostaną uśrednione w skali globalnej, wyłania się wzór średniej globalnej temperatury. Pionowo, atmosfera jest podzielona na cztery warstwy: troposferę, stratosferę, mezosferę i termosferę.

Pionowy profil temperatury

Uśrednienie temperatur atmosferycznych na wszystkich szerokościach geograficznych i w ciągu całego roku daje nam średni pionowy profil temperatury, który jest znany jako standardowa atmosfera. Średni pionowy profil temperatury sugeruje cztery odrębne warstwy (Rysunek 1). W pierwszej warstwie, znanej jako troposfera, średnia temperatura atmosferyczna stale spada od wartości na powierzchni, około 290 K (63°F; 17°C) i osiąga minimum około 220 K (-64°F; -53°C) na wysokości około 6,2 mil (10 km). Ten poziom, znany jako tropo-pauza, znajduje się tuż powyżej wysokości przelotowej komercyjnych samolotów odrzutowych. Spadek temperatury z wysokością, zwany współczynnikiem roszenia, jest prawie stały w całej troposferze i wynosi 43,7°F(6,5°C) na 0,6 mili (1 km). Przy tropopauzie współczynnik opadania gwałtownie spada. Temperatura atmosfery jest prawie stała przez następne 12 mil (20 km), a następnie zaczyna wzrastać wraz z wysokością aż do około 31 mil (50 km). Ten region rosnącej temperatury to stratosfera. W górnej części tej warstwy, zwanej stratopauzą, temperatury są prawie tak wysokie jak na powierzchni. Pomiędzy około 31-50 mi (50-80 km) znajduje się mezosfera, gdzie temperatura atmosferyczna ponownie zaczyna spadać wraz z wysokością i osiąga minimum 180K (-136°F;-93°C) na szczycie warstwy (mezopauza), około 50 mi (80 km). Powyżej mezopauzy znajduje się termosfera, która, jak sama nazwa wskazuje, jest strefą wysokich temperatur gazów. W bardzo wysokiej termosferze (około 311 mi (500 km) powyżej

powierzchni Ziemi) temperatury gazów mogą osiągać od 500-2 000K (441-3, 141°F; 227-1, 727°C). Temperatura jest miarą energii ruchu cząsteczek gazu. Chociaż mają one wysoką energię, cząsteczki w termosferze występują w bardzo małej liczbie, mniejszej niż jedna milionowa część ilości występującej średnio na powierzchni Ziemi.

Temperaturę atmosfery można również wykreślić jako funkcję zarówno szerokości geograficznej, jak i wysokości nad poziomem morza. Rysunki 2 i 3 pokazują takie wykresy, z szerokością geograficzną jako współrzędną x i wysokością jako y.

Rola Słońca w temperaturze atmosferycznej

Większość promieniowania słonecznego jest emitowana jako światło widzialne, z mniejszymi porcjami o krótszych długościach fal (promieniowanie ultrafioletowe) i dłuższych falach (promieniowanie podczerwone, lub ciepło). Niewielka część światła widzialnego jest pochłaniana przez atmosferę (chociaż część jest odbijana z powrotem w przestrzeń przez chmury), więc większość tej energii jest absorbowana przez powierzchnię Ziemi. Ziemia ogrzewa się w tym procesie i wypromieniowuje ciepło (promieniowanie podczerwone) z powrotem w górę. To ogrzewa atmosferę, i tak jak ktoś będzie cieplejszy stojąc bliżej ognia, warstwy powietrza znajdujące się najbliżej powierzchni są najcieplejsze.

Zgodnie z tym wyjaśnieniem, temperatura powinna stale spadać wraz z wysokością. Rysunek 1 pokazuje jednak, że w stratosferze temperatura wzrastaS z wysokością. Stratosfera zawiera prawie cały ozon znajdujący się w atmosferze. Ozon (O3) i tlen cząsteczkowy (O2) pochłaniają większość słonecznego promieniowania ultrafioletowego o krótkiej długości fali. W procesie tym ulegają one rozpadowi i nieustannie się reformują. W rezultacie cząsteczki ozonu przekształcają promieniowanie ultrafioletowe w energię cieplną, ogrzewając warstwę i powodując rosnący profil temperatury obserwowany w stratosferze.

Mezosfera wznawia spadek temperatury wraz z wysokością. Termosfera, jednakże, podlega bardzo wysokoenergetycznemu, krótkofalowemu promieniowaniu ultrafioletowemu i rentgenowskiemu Słońca. Ponieważ atomy lub cząsteczki obecne na tym poziomie pochłaniają część tej energii, są one zjonizowane

(mają usunięty elektron) lub zdysocjowane (cząsteczki rozpadają się na atomy będące ich składnikami). Warstwa gazu jest silnie ogrzewana przez to bombardowanie energetyczne, szczególnie w okresach, gdy Słońce emituje podwyższone ilości promieniowania o krótkiej długości fali.

Efekt cieplarniany

Energia słoneczna nie jest jedynym czynnikiem determinującym temperaturę atmosfery. Jak zauważono powyżej, powierzchnia Ziemi, po zaabsorbowaniu promieniowania słonecznego w obszarze widzialnym,

KEY TERMS

Efekt cieplarniany -Ocieplenie atmosfery Ziemi w wyniku wychwytywania ciepła ponownie wypromieniowanego z Ziemi przez niektóre gazy obecne w atmosferze.

Promieniowanie podczerwone -Promieniowanie podobne do światła widzialnego, ale o nieco większej długości fali.

Współczynnik zapadania – Szybkość, z jaką atmosfera ochładza się wraz ze wzrostem wysokości, podawana w jednostkach stopni C na kilometr.

Mesosfera -Trzecia warstwa atmosfery, leżąca na wysokości od około 50 do 80 kilometrów i charakteryzująca się małym współczynnikiem zapadania.

Stratosfera -Warstwa górnej atmosfery powyżej wysokości 5-10,6 mi (8-17 km) i rozciągająca się do około 31 mi (50 km), w zależności od pory roku i szerokości geograficznej. W stratosferze temperatura powietrza zmienia się w niewielkim stopniu wraz z wysokością, a konwekcyjne prądy powietrzne są nieliczne.

Termosfera – Górna warstwa atmosfery, zaczynająca się na wysokości około 50 mil (80 km) i rozciągająca się na setki mil lub kilometrów w przestrzeń kosmiczną. Ze względu na bombardowanie przez bardzo energetyczne promieniowanie słoneczne, warstwa ta może mieć bardzo wysokie temperatury gazu.

Troposfera – warstwa powietrza do 15 mi (24 km) nad powierzchnią Ziemi, znana również jako dolna atmosfera.

Promieniowanie ultrafioletowe -Promieniowanie podobne do światła widzialnego, ale o krótszej długości fali, a więc o wyższej energii.

Promieniowanie rentgenowskie -Promieniowanie świetlne o długości fali krótszej od najkrótszego ultrafioletu; bardzo energetyczne i szkodliwe dla organizmów żywych.

Wyemituje promieniowanie podczerwone z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Kilka gazów atmosferycznych pochłania to promieniowanie cieplne i wypromieniowuje je we wszystkich kierunkach, w tym również z powrotem w kierunku powierzchni. Te tak zwane gazy cieplarniane zatrzymują promieniowanie podczerwone w atmosferze, podnosząc jej temperaturę. Ważnymi gazami cieplarnianymi są para wodna (H2 O), dwutlenek węgla (CO2) i metan (CH4). Szacuje się, że temperatura powierzchni Ziemi byłaby średnio o około 32°C (90°F) niższa, gdyby nie było gazów cieplarnianych. Ponieważ ta temperatura jest znacznie poniżej punktu zamarzania wody, planeta byłaby znacznie mniej hos-pitable do życia w przypadku braku efektu cieplarnianego.

Choć gazy cieplarniane są niezbędne do życia na planecie, więcej niekoniecznie jest lepsze. Od początku rewolucji przemysłowej w połowie XIX wieku, ludzie uwalniają coraz większe ilości dwutlenku węgla do atmosfery poprzez spalanie paliw kopalnych. Poziom dwutlenku węgla mierzony w odległej atmosferze wykazuje ciągły wzrost od czasu rozpoczęcia prowadzenia rejestrów w 1958 roku. Jeśli ten wzrost przełoży się na odpowiedni wzrost temperatury atmosfery, skutki mogą obejmować topnienie polarnych pokryw lodowych i pęcznienie mórz, w wyniku czego nadbrzeżne miasta zostaną przykryte przez ocean; zmiany w klimacie, które być może doprowadzą do wyginięcia; oraz nieprzewidywalne zmiany w wiatrach i wzorcach pogodowych, stanowiące poważne wyzwanie dla rolnictwa. Przewidywanie zmian, jakie może przynieść zwiększony poziom gazów cieplarnianych, jest skomplikowane. Interakcja atmosfery, oceanów, kontynentów i pokryw lodowych nie jest w pełni zrozumiała. Chociaż wiadomo, że część wyemitowanego dwutlenku węgla jest pochłaniana przez oceany i ostatecznie odkładana w postaci skał węglanowych (takich jak wapień), nie wiadomo, czy jest to proces stały, ani czy może dotrzymać kroku obecnym poziomom produkcji dwutlenku węgla.

.