Meteoclub.gr

Cretaforce

Στο Meteoclub.gr βρίσκονται συνδεδεμένοι 1106 καιρόφιλοι και 27 ερασιτέχνες μετεωρολόγοι σε εγρήγορση

Τε12132017

Last updateΤρ, 12 Δεκ 2017 10pm

Back Βρίσκεστε εδώ: Αρχική Θέματα Εγκυκλοπαίδεια Η γήινη Ατμόσφαιρα: ένας υπέροχος κόσμος! (μέρος 1)

Η γήινη Ατμόσφαιρα: ένας υπέροχος κόσμος! (μέρος 1)

atmosphere-outer-space-stars
 
 
 «Επειδή τα καιρικά φαινόμενα δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα της γης με την ενέργεια που φθάνει από τον ήλιο, μπορούμε να πούμε ότι ο καιρός είναι ένα παιδί που γεννιέται από την ένωση της γης με τον ήλιο. Οι ανταλλαγές θερμότητας μεταξύ της ατμόσφαιρας της γης και της επιφάνειάς της και η αέναη διαδικασία αποκατάστασης θερμικής ισορροπίας μεταξύ των τροπικών και πολικών περιοχών διαμορφώνουν τον καιρό κάθε χρονική στιγμή σε κάθε περιοχή του πλανήτη…»

Δ. Ζιακόπουλος, «Καιρός: ο γιος της γης και του ήλιου», τόμος 1 «η γνώση»

      Με βάση την μόλις διατυπωθείσα φράση του κ. Ζιακόπουλου, εύκολα μπορούμε να συνάγουμε την άρρηκτη σύνδεση της ατμόσφαιρας με τον καιρό. Πράγματι, η ατμόσφαιρα είναι το πεδίο μέσα στο οποίο εκδηλώνονται και παρατηρούνται τα καιρικά φαινόμενα, χαρακτηρίζεται δε και από ιδιότητες που επηρεάζουν ή και δημιουργούν, αν θέλετε, την καιρική συμπεριφορά, σύμφωνα πάντα και με τις επιταγές των νόμων της Φυσικής. Στο παρόν άρθρο επιδιώκεται η παρουσίαση της γήινης ατμόσφαιρας και των ιδιοτήτων της, ώστε σταδιακά να γίνει όλο και ευκρινέστερη η προηγούμενη θεώρηση.

* * * 

      Η Ατμόσφαιρα είναι το αεριώδες περίβλημα που περιβάλλει τη Γη, συμμετέχει σε όλες τις κινήσεις της και συγκρατείται από τη γήινη βαρύτητα. Εκτείνεται από την επιφάνεια της Γης μέχρι ενός απροσδιόριστου ύψους, στο οποίο η πυκνότητα της τείνει προς την πυκνότητα του ενδοπλανητικού χώρου. Στη βάση του αεριώδους αυτού περιβλήματος αναπτύσσεται, ζει και δραστηριοποιείται ο άνθρωπος, ενώ οι ποικίλες ιδιότητες της ατμόσφαιρας συμβάλλουν στη  δημιουργία των άμεσων περιβαλλοντικών συνθηκών των έμβιων όντων του πλανήτη μας. 

ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ & ΕΞΕΛΙΞΗ

       Τα στάδια δημιουργίας και εξέλιξης της γήινης Ατμόσφαιρας εκτιμάται πως συμπίπτουν με το χρονικό πλαίσιο της δημιουργίας και εξέλιξης του ηλιακού συστήματος και του πλανήτη μας. Φαίνεται, όμως, πως στα πρώτα στάδια δημιουργίας του πλανήτη μας, οι συνθήκες ήταν πολύ διαφορετικές και, ως εκ τούτου, η Ατμόσφαιρα που σήμερα βιώνουμε και μελετάμε είναι πολύ διαφορετική από την αρχέγονη εκείνη Ατμόσφαιρα. Η πρωταρχική Ατμόσφαιρα δημιουργήθηκε συγχρόνως με το ηλιακό σύστημα πριν από περίπου 4,6 δις. χρόνια. Στο αρχικό στάδιο δημιουργίας της, η Γη ήταν μια λιωμένη σφαιροειδής μάζα με επιφανειακές θερμοκρασίες της τάξης των χιλιάδων ˚C, που περιβαλλόταν από μια πυκνή και θερμή μάζα αερίων. Τα αέρια αυτά προέρχονταν από το ηλιακό νεφέλωμα και ήταν το υδρογόνο και το ήλιο, καθώς και ενώσεις του υδρογόνου όπως το μεθάνιο και η αμμωνία. Η Γη δεν είχε ακόμη αναπτύξει το μαγνητικό της πεδίο, και σε συνδυασμό με τη μικρή μοριακή μάζα των συστατικών της και την αδύναμη βαρύτητά της, η πρωταρχική αυτή Ατμόσφαιρα παρασύρθηκε από τον ηλιακό άνεμο. 

      Σταδιακά, η Γη ψύχθηκε αρκετά, ώστε να σχηματισθεί ένας στερεός φλοιός καλυμμένος από ηφαίστεια και γιγάντιες χαράδρες-διεξόδους ατμών. Με αυτό τον τρόπο εκλύονταν από την επιφάνεια της Γης αέρια που ήταν διαλυμένα στην πυρακτωμένη μάζα που εξακολουθούσε να υπάρχει στο εσωτερικό του πλανήτη. Τα αέρια αυτά, όπως προκύπτει από ανάλυση των αρχαιότερων πετρωμάτων της Γης, ήταν παρόμοια με αυτά που εκλύουν ακόμη και σήμερα τα ηφαίστεια, δηλαδή: υδρατμούς (H₂O, περίπου σε ποσοστό 80%), διοξείδιο του άνρακα (CO₂, περίπου σε ποσοστό 10%), διοξείδιο του θείου (SO₂), μονοξείδιο του άνθρακα (CO), θείο (S₂), χλώριο (Cl₂), άζωτο (N₂), υδρογόνο (H₂) καθώς επίσης και αμμωνία (NH3) και μεθάνιο (CH4), και αποτέλεσαν την δεύτερη Ατμόσφαιρα της Γης. 

       Στο στάδιο εκείνο, οι εκλυόμενοι υδρατμοί έφτασαν στην εξωτερική στοιβάδα της ατμόσφαιρας του πλανήτη και σχηματίστηκαν οι πρώτοι παγοκρύσταλλοι, ταυτόχρονα με το μηχανισμό σχηματισμού του υετού. Έτσι, το νερό άρχισε να πέφτει, έχουμε δηλαδή την εκδήλωση των πρώτων βροχοπτώσεων, που αμέσως σχεδόν εξατμίζονταν με την κατανάλωση μεγάλης ποσότητας θερμότητας και πάλι σχηματίζοντας νέα σύννεφα και νέα βροχή. Η διαδικασία συνεχίστηκε για χιλιάδες χρόνια, παράλληλα με την ψύξη της Γης, η οποία δημιούργησε τις επιφανειακές ανωμαλίες. Έτσι το H₂O αποθηκεύτηκε σε υγρή μορφή στα κοιλώματα της επιφάνειας της Γης, σχηματίζοντας τους ποταμούς, τις λίμνες και τις θάλασσες. Παράλληλα, με τη διαδικασία των βροχοπτώσεων, μεγάλο ποσοστό του διοξειδίου του άνθρακα και άλλων χημικών ενώσεων (που προέκυψαν από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις που συνόδευαν τις βροχοπτώσεις, από την ηλιακή ενέργεια και από τη ζεστή επιφάνεια της Γης) που υπήρχαν στον αέρα μεταφέρθηκαν στην επιφάνεια της Γης, και συγκεντρώθηκαν στις υδάτινες δεξαμενές. Εκεί, το διοξείδιο του άνθρακα με χημικές και βιολογικές διαδικασίες δεσμεύτηκε σε ανθρακικά ιζήματα και δομές ανθρακικών αλάτων, όπως ο ασβεστόλιθος. Έτσι, η συγκέντρωση των H₂O και CO₂ ελαττώθηκε και το χημικά αδρανές άζωτο, που απελευθερώθηκε από τη διάσπαση της αμμωνίας από την ηλιακή ακτινοβολία, έγινε το κυρίαρχο συστατικό της Ατμόσφαιρας. Μέσα στα επόμενα δις. χρόνια, το άζωτο έφτασε στα σημερινά επίπεδα συγκέντρωσής του (~78%). 

       Γνωρίζουμε όμως πως η σημερινή σύσταση της Ατμόσφαιρας περιέχει σε σημαντικό ποσοστό το ελεύθερο ή στοιχειακό οξυγόνο (O₂), βρισκόμαστε δηλαδή στη φάση της τρίτης-οξυγονούχου Ατμόσφαιρας. Η πρώτη εμφάνιση του ελεύθερου οξυγόνου χρονολογείται περίπου 2,5 δις. χρόνια πριν, όταν τα πρωτόγονα βακτήρια έμαθαν να χρησιμοποιούν το ηλιακό φως και το διοξείδιο του άνθρακα για τροφή και να αποβάλλουν το οξυγόνο ως απόβλητο της πρώτης φωτοσυνθετικής διαδικασίας. Εκείνη την περίοδο η ηλιακή ακτινοβολία, που ήταν ισχυρότερη από ό,τι στην σύγχρονη εποχή, συνέβαλλε στην φωτοχημική διάσπαση των μορίων των υδρατμών (H2O) σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το υδρογόνο, όντας ελαφρύτερο, διέφυγε προς τα ανώτερα στρώματα της Ατμόσφαιρας και το διάστημα, ενώ το οξυγόνο παρέμεινε στην Ατμόσφαιρα, αυξάνοντας με αργό αλλά σταθερό ρυθμό τη συγκέντρωσή του σε επίπεδα ικανά να επιτρέψουν την ανάπτυξη των πρώτων φυτικών μορφών. Το φωτοσυνθετικά αποβαλλόμενο από τα πρωτο-βακτηρίδια οξυγόνο άλλαξε σιγά-σιγά την ατμόσφαιρα, σχηματίζοντας συγχρόνως ένα λεπτό στρώμα όζοντος που άρχισε να παρεμποδίζει την υπεριώδη ακτινοβολία του Ηλίου να φτάνει στην επιφάνεια, δίνοντας έτσι την ευκαιρία να γεννηθούν ανώτερες μορφές ζωής, οι οποίες επίσης με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης συνέτειναν στην περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου. Μάλιστα, η έξοδος της πρωτόγονης ζωής από το νερό δεν θα ήταν δυνατή αν δεν είχε δημιουργηθεί στην ατμόσφαιρα κάποιο προστατευτικό στρώμα που να απορροφά την επιβλαβή υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία. Χάρη στην μικρή ποσότητα του οξυγόνου που δημιουργήθηκε αρχικά, όταν οι υδρόβιοι οργανισμοί άρχισαν τη φωτοσύνθεση, δημιουργήθηκαν στην ατμόσφαιρα τα πρώτα ίχνη όζοντος, οπότε οι ζώντες οργανισμοί μπόρεσαν να επιβιώσουν και έξω από το νερό. Με τη χρησιμοποίηση δε των άφθονων  συστατικών του περιβάλλοντος, αναπτύχθηκε ραγδαία η ζώσα φύση. 

       Σήμερα, ο Ατμοσφαιρικός αέρας είναι παρόμοιος κατά σύσταση με αυτόν που υπήρχε περίπου 0,5-1 δις. χρόνια πριν. Τα κυριότερα συστατικά του είναι το διατομικό άζωτο (N₂), σε ποσοστό 78,08% και το διατομικό οξυγόνο, σε ποσοστό 20,95%, ενώ σημαντικό ποσοστό (0-4%) κατέχουν οι υδρατμοί (H₂O). Το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) καταλαμβάνει ποσοστό 0,039%. Τα ευγενή αέρια που υπάρχουν σήμερα στην Ατμόσφαιρα (π.χ. το αργό-Ar) είναι προϊόντα ραδιενεργών διασπάσεων, ενώ τα υπόλοιπα προέρχονται από ηφαιστειακές εκλύσεις, βιολογικές διεργασίες και φωτοχημικές αντιδράσεις. 

ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ

      Από τις πολυάριθμες χημικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν σε διάφορα μέρη της γης, κατά το δυνατό μακριά από κατοικημένους χώρους ή ζώνες με έντονη βιομηχανική δραστηριότητα, διαπιστώθηκε ότι η χημική σύσταση της Ατμόσφαιρας μέχρι περίπου το ύψος των 90 km παραμένει σχεδόν σταθερή, ο αέρας έχει σταθερό μοριακό βάρος ίσο με 28,28 και μεταβάλλεται μονάχα η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα και των υδρατμών από περιοχή σε περιοχή. Το στρώμα της Ατμόσφαιρας μέχρι τα 90 km ονομάζεται ομοιόσφαιρα, ενώ το υπόλοιπο τμήμα της καλείται ετερόσφαιρα. Το σύνορο μεταξύ των δυο στρωμάτων, από το ύψος των 80 μέχρι το ύψος των 110 km, καλείται στροβιλόπαυση (αναφέρεται και ως τυρβόπαυση).

i) Ομοιόσφαιρα

     Στην ομοιόσφαιρα, η μοριακή διάχυση είναι ιδιαίτερα ασθενής, ενώ το μήκος της μέσης ελεύθερης διαδρομής των μορίων είναι πολύ μικρό και γι’ αυτό επικρατεί η τυρβώδης ανάμειξη λόγω αναταρακτικών (ανοδικών - καθοδικών) κινήσεων των μορίων. Ο ατμοσφαιρικός αέρας στο επίπεδο αυτό αποτελείται από τον ξηρό ατμοσφαιρικό αέρα, το νερό (σε όλες του τις φάσεις) και τα αερολύματα (aerosols). 

       Η σύσταση του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα παρουσιάζεται στην εικόνα 1. Οι τιμές που παρατίθενται προέρχονται από μετρήσεις διαφόρων ετών (κυρίως από το 1987, με ορισμένες από το 2009).

dry-air-composition

Εικόνα 1: Η χημική σύνθεση του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα.
(* ppm = parts per million = σωματίδια του χημικού στοιχείου ή της χημικής ένωσης σε πλήθος 1.000.000 μορίων του ξηρού αέρα,
** Πρόκειται για το όζον της τροπόσφαιρας, που συμπεριφέρεται σαν ρύπος. 
Οι στρατοσφαιρικές τιμές του όζοντος, σε ύψη 11-50 km, κυμαίνονται μεταξύ 5 και 12 ppm.)

       Όπως προκύπτει από τον πίνακα, υπάρχουν τέσσερις κατηγορίες συστατικών του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα με βάση τη συγκέντρωσή τους: τα κύρια συστατικά άζωτο και οξυγόνο (~99,031%), τα λιγότερο κύρια συστατικά αργό και διοξείδιο του άνθρακα, τα ευγενή αέρια νέο, κρυπτό, ήλιο και ξένο, και τα ιχνοσυστατικά (στοιχεία με πολύ μικρές συγκεντρώσεις). Κρίνεται σκόπιμο να γίνει μια, όσο το δυνατόν, σύντομη αναφορά στην κλιματολογική και βιολογική σημασία των κυριότερων συστατικών του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα.

ΑΖΩΤΟ - ΟΞΕΙΔΙΑ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ

Το άζωτο είναι το αφθονότερο ατμοσφαιρικό αέριο, και απαντάται σχεδόν στο σύνολό του στην Ατμόσφαιρα, με μικρές μονάχα ποσότητες να απαντώνται στη Βιόσφαιρα. Το άζωτο μεταφέρεται από την Ατμόσφαιρα και επικάθεται στην επιφάνεια της Γης κυρίως με τη βοήθεια ειδικών βακτηρίων μέσω της βιολογικής αζωτοδέσμευσης. Πρόκειται για τον βασικό τρόπο μετατροπής του ελεύθερου αζώτου σε χρήσιμες για τους ζωντανούς οργανισμούς χημικές ενώσεις. Πραγματοποιείται με τη βοήθεια των αζωτοδεσμευτικών βακτηρίων τα οποία ζώντας ελεύθερα ή συμβιώνοντας στις ρίζες των ψυχανθών φυτών όπως τα όσπρια, μετατρέπουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε νιτρικά ιόντα, μέρος των οποίων μεταφέρεται στα φυτά. Ως μέρος αυτής της συμβίωσης τα φυτά μετατρέπουν τα νιτρικά ιόντα σε οξείδια του αζώτου και αμινοξέα για τη δημιουργία πρωτεϊνών και άλλων βιολογικά χρήσιμων μορίων, και σε αντάλλαγμα παράγουν σάκχαρα, τα οποία χρειάζονται τα βακτήρια.

Το άζωτο απομακρύνεται από την Ατμόσφαιρα και μέσω των διεργασιών της βροχής, οπότε έχουμε τη φυσική αζωτοδέσμευση. Το ατμοσφαιρικό άζωτο ενώνεται με το οξυγόνο ή το υδρογόνο των υδρατμών απορροφώντας ενέργειας από κεραυνούς ή από άλλες ηλεκτρικές εκκενώσεις, σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα ή αμμωνία τα οποία μεταφέρονται στο έδαφος με τη βροχή. Η πρόσθετη απόθεση του αζώτου στην επιφάνεια της Γης έχει σαν τελικό αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό των εδαφών και των νερών με τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά για την ανάπτυξη των φυτών. Στη συνέχεια, οι πρωτεΐνες διασπώνται σε αμμωνία με τη βοήθεια μικροοργανισμών και αυτή από τους νιτροποιητικούς μικροοργανισμούς μετατρέπεται σε νιτρικά ιόντα, μέρος των οποίων μετατρέπεται από τα απονιτροποιητικά βακτήρια σε μοριακό άζωτο (διαδικασία απονίτρωσης), που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα και έτσι ολοκληρώνεται ο κύκλος του αζώτου (βλ. εικόνα 2). 

nitrogen-cycle
 
Εικόνα 2: Ο κύκλος του αζώτου. (Πηγή: Wikipedia)

Το άζωτο, μαζί με το αργό, είναι αδρανή αέρια που χρησιμεύουν κυρίως στην αραίωση του οξυγόνου. Δεν λαμβάνει μέρος στις χημικές αντιδράσεις της Ατμόσφαιρας, παρά μόνο κάτω από ορισμένες συνθήκες που συναντώνται στις πυρκαγιές των δασών, στις διάφορες πηγές καύσης και στις μηχανές εσωτερικής καύσης.

Μιλώντας για οξείδια του αζώτου αναφερόμαστε ουσιαστικά στο μονοξείδιο (NO), στο διοξείδιο (ΝΟ2) και στο υποξείδιο (N2O) του αζώτου. Υπό κανονικές συνθήκες το άζωτο δεν αντιδρά με το οξυγόνο της Ατμόσφαιρας. Αυτό οφείλεται στον ιδιαίτερα ισχυρό τριπλό δεσμό μεταξύ των δύο ατόμων που συνιστούν το μόριο του αζώτου, γεγονός που καθιστά το μόριό του αδρανές. Η αντίδραση όμως μεταξύ αζώτου και οξυγόνου είναι δυνατή σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών. Έτσι, οξείδια του αζώτου παράγονται όταν στην ατμόσφαιρα συμβαίνουν ηλεκτρικές εκκενώσεις, όπως οι αστραπές και οι κεραυνοί.

Τα οξείδια του αζώτου σχηματίζονται και κατά τις διαδικασίες καύσεως κυρίως ορυκτών καυσίμων (βενζίνης, πετρελαίου, γαιανθράκων) σε κινητήρες οχημάτων και εργοστάσια αλλά και από κατασκευές οικιακής χρήσης (κεντρικές θερμάνσεις, τζάκια κτλ.): Στις συνθήκες αυτές, όπου επικρατούν υψηλές θερμοκρασίες (και πιέσεις) οι πιο πάνω αντιδράσεις είναι σχετικά εύκολο να πραγματοποιηθούν. Ωστόσο, μόνο το 10% της ετησίως παραγόμενης ποσότητας οξειδίων του αζώτου έχει ως προέλευση τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Το υπόλοιπο παράγεται από τις ηλεκτρικές ατμοσφαιρικές εκκενώσεις, τις ηφαιστειακές εκρήξεις, τη βακτηριακή δραστηριότητα στο έδαφος και στο νερό και τις φωτοχημικές αντιδράσεις αζώτου - οξυγόνου στα ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα.

Μια από τις επιδράσεις των οξειδίων του αζώτου στην ατμόσφαιρα έγκειται στην καταστροφή της οζονόσφαιρας. Η λωρίδα αυτή του όζοντος χρησιμεύει στην προστασία όλων των ζώντων οργανισμών από την υπερβολική υπεριώδη ακτινοβολία που περιέχεται στην ηλιακή ακτινοβολία, απορροφώντας μεγάλο μέρος της. Ειδικότερα, η απουσία δραστικών μηχανισμών μετακίνησης του Ν2O από την τροπόσφαιρα αλλά και λόγω του μεγάλου χρόνου ζωής του, το αέριο αυτό φθάνει σε στρατοσφαιρικά ύψη όπου υφίσταται τη διεργασία της φωτοδιάλυσης (με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας - φωτόνια) οδηγώντας τελικά στη μείωση του όζοντος της στρατόσφαιρας:

2Ν2Ο + φωτόνια  2N2 + O2
N2O + O  
2NO
NO + O3
 NO2 + O2

Η λέπτυνση της οζονόσφαιρας επιτρέπει σε μεγαλύτερα ποσά υπεριώδους ακτινοβολίας να φθάσουν στην επιφάνεια της Γης, προκαλώντας ζημιές στα φυτά (ιδιαίτερα στα καλλιεργούμενα), τις υδρόβιες μορφές ζωής και τον άνθρωπο. Η όξινη βροχή, στον σχηματισμό της οποίας συμμετέχουν τα οξείδια του αζώτου, είναι υπεύθυνη για σημαντικές καταστροφές σε δάση και άλλες φυτικές μορφές ζωής. Επιπλέον, μεταβάλλει το pH του εδάφους με ενδεχόμενο να παρεμποδίζει από τα φυτά την απορρόφηση άλλων θρεπτικών ουσιών, όπως καλίου, μαγνησίου και ασβεστίου. Ακόμη μεγαλύτερες καταστροφές, όμως, προκαλούνται από την πτώση της όξινης βροχής σε λιμναία και ποτάμια οικοσυστήματα: ελάχιστα ψάρια μπορούν να επιβιώσουν σε απότομες αλλαγές του pH του περιβάλλοντός τους, ενώ παράλληλα μειώνεται η βιοποικιλότητα και ο πληθυσμός και άλλων οργανισμών, σημαντικών κρίκων στο τροφικό πλέγμα. Παρόμοιες μεταβολές του pH έχουν ενοχοποιηθεί για πολλές περιπτώσεις εμφάνισης νεκρών ψαριών σε λιμναία περιβάλλοντα. Ιδιαίτερα επικίνδυνη είναι η κατάσταση κατά την οποία τα οξείδια του αζώτου ενσωματώνονται σε χιονονιφάδες: με την τήξη των χιονιών κατά την άνοιξη, το παραγόμενο όξινο νερό καταλήγει σε ποταμούς ή λίμνες προκαλώντας ένα "όξινο παλμό" ιδιαίτερα καταστρεπτικό για σχεδόν όλες τις μορφές ζωής στο οικοσύστημα. Επιπλέον, τα οξείδια του αζώτου είναι δυνατό να αντιδράσουν με άλλες οργανικές ενώσεις που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, δημιουργώντας ιδιαίτερα τοξικές ενώσεις, όπως οι νιτροζαμίνες και τα νιτροαρένια.

ΟΞΥΓΟΝΟ

Το οξυγόνο ανταλλάσσεται μεταξύ της Ατμόσφαιρας και των έμβιων οργανισμών κυρίως διαμέσου των πολύ γνωστών και σημαντικών διαδικασιών της φωτοσύνθεσης και της διαπνοής. Με τη φωτοσύνθεση, τα φυτά παράγουν οξυγόνο και γλυκόζη, απορροφώντας διοξείδιο του άνθρακα και ηλιακό φως:

6CO2 + 6H2O + light energy  C6H12O6 + 6O2

Η φωτοσυνθετική αντίδραση λαμβάνει χώρα μόνο με την βοήθεια ηλιακής ενέργειας. Η ενέργεια αυτή αποθηκεύεται ως χημική ένωση (ATP – adenosine triphosphate) και έτσι είναι δυνατόν η φωτοσύνθεση να λάβει χώρα και χωρίς την παρουσία ηλιακού φωτός (δηλαδή τις νυκτερινές ώρες, η λεγόμενη dark reaction of photosynthesis). Η ενέργεια του φωτός (φωτόνια) απορροφάται από τους πράσινους βλαστούς και στη συνέχεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια (γλυκόζη), η οποία και αποθηκεύεται. Η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί στη συνέχεια να απελευθερωθεί μέσω της διεργασίας διάσπασης της γλυκόζης, που καλείται διαπνοή.

Η αερόβιος διαπνοή είναι φυσική διεργασία των φυτών, και είναι η αντίθετη της φωτοσύνθεσης, δηλαδή καταναλώνει οξυγόνο. Το οξυγόνο αντιδρά χημικά με τη γλυκόζη και απελευθερώνεται ενέργεια για το μεταβολισμό των φυτών, ενώ παράγονται νερό και διοξείδιο του άνθρακα:

C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + Q (energy)

Το οξυγόνο παράγεται επίσης και με τη φωτόλυση των υδρατμών στα ανώτερα στρώματα της Ατμόσφαιρας:

2H2O + high-energy UV radiation  2H2 + O2 ,

ενώ ανακυκλώνεται και με άλλες χημικές και βιολογικές διεργασίες στην βιόσφαιρα, όπου μια ποσότητά του οξυγόνου δεσμεύεται (καταναλώνεται) κατά τις καύσειςκαι τη λιθόσφαιρα, όπου φυτά και ζώα εξάγουν θρεπτικά μεταλλεύματα από βράχους και πετρώματα απελευθερώνοντας οξυγόνο στην πορεία. Η φωτοσύνθεση όμως είναι η κυρίαρχη διαδικασία παραγωγής του οξυγόνου. Ο μέσος χρόνος παραμονής του οξυγόνου στην Ατμόσφαιρα είναι 1000 χρόνια, συνεπώς  το οξυγόνο που υπάρχει σήμερα στην Ατμόσφαιρα είναι όλο βιολογικής προέλευσης. 

oxygen-cycle

Εικόνα 3: Ο χημικός κύκλος του οξυγόνου. (Πηγή: Κ. Π. Ιακωβίδης, Φυσική Μετεωρολογία, 2009)

ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ

Ένα από τα σημαντικότερα συστατικά της Ατμόσφαιρας είναι και το διοξείδιο του άνθρακα. Πρόκειται για ένα αέριο σε μικρή συγκέντρωση στην Ατμόσφαιρα, που όμως αυξάνεται συνεχώς σε παγκόσμια κλίμακα τις τελευταίες δεκαετίες. Η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα μεταβάλλεται ελαφρά με το χρόνο και την περιοχή. Αυτό σημαίνει πως είναι μεγαλύτερη την ημέρα από τη νύκτα, το χειμώνα από το καλοκαίρι, είναι αφθονότερο πάνω από τις ηπείρους και  η συγκέντρωσή του ελαττώνεται με το γεωγραφικό πλάτος. Η εποχιακή μεταβολή της συγκέντρωσής του στο βόρειο ημισφαίριο είναι μεγάλη, ενώ στο νότιο ημισφαίριο είναι μικρή.

Το διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται στην Ατμόσφαιρα με τις εξής διαδικασίες:

α) από τις διεργασίες των ζωντανών οργανισμών της ξηράς και της θάλασσας (αναπνοή ζώων και φυτών),

β) από την αποσύνθεση των οργανικών στοιχείων μέσα στο έδαφος (σήψη φύλλων, ριζικών  συστημάτων, πτωμάτων),

γ) από τις καύσεις διαφόρων υλών (άνθρακας, πετρέλαιο, ξύλα, υγραέρια κλπ.), και

δ) από φυσικές πηγές, όπως είναι οι εκρήξεις ηφαιστείων, τα αέρια των θερμοπηγών, η διάβρωση των ανθρακικών πετρωμάτων κλπ.

Η απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα από την Ατμόσφαιρα συντελείται κυρίως μέσω της φωτοσύνθεσης των φυτικών οργανισμών της ξηράς και των φυτοπλαγκτόν των ωκεανών, που μετακινεί ετήσια το 3% της ολικής πλανητικής ποσότητας CO2. Στους ωκεανούς, το διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται μέσα στο νερό (και παραμένει διαλυμένο σε ποσοστό 1%) ενώ χρησιμεύει για τη δημιουργία ανθρακικών ενώσεων (υπό μορφή σκελετών και κελύφων των θαλάσσιων οργανισμών). Στην ξηρά, νεκρά οργανικά υλικά μετατρέπονται σε χούμο που μπορεί να δημιουργήσει ένα νέο απόθεμα καυσίμων στο απώτερο μέλλον.

carbon-dioxide-cycle

Εικόνα 4: Ο κύκλος του διοξειδίου του άνθρακα. (Πηγή: Κ. Π. Ιακωβίδης, Φυσική Μετεωρολογία, 2009)

Αν και συμβάλλει στην ανάπτυξη των φυτών με τη συμμετοχή στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, οι αυξημένες συγκεντρώσεις του CO2 στο αγροτικό θερμοκήπιο προκαλούν το φαινόμενο της υπερ-λίπανσης, με αποτέλεσμα την υπερ-ανάπτυξη των φυτών σε βάρος της ωφέλιμης παραγωγής.

Το διοξείδιο του άνθρακα, παρά τη μικρή του συγκέντρωση στην Ατμόσφαιρα, διαδραματίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στην θερμο-οικονομία του πλανήτη, καθώς πρόκειται για ένα θερμοκηπιακό αέριο. Αυτό σημαίνει πως είναι σχεδόν διαπερατό στην εισερχόμενη μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία, αλλά απορροφά έντονα την μεγάλου μήκους κύματος γήινη ακτινοβολία, επανεκπέμποντας ένα μέρος αυτής προς τη Γη. Έτσι, η κατακράτηση μέρους της θερμικής (γήινης) ακτινοβολίας ανακόπτει το ρυθμό ψύξης της Γης, οπότε έχουμε θέρμανση και ενεργοποίηση της κατώτερης Ατμόσφαιρας πλησίον της επιφάνειας της Γης, ενώ ταυτόχρονα συμβάλλει και στην ψύξη της ανώτερης Ατμόσφαιρας.

Είναι σημαντικό να αναφερθεί πως πριν τη Βιομηχανική Επανάσταση (~1765) οι ροές του διοξειδίου του άνθρακα από και προς την Ατμόσφαιρα βρίσκονταν σε ισορροπία. Έκτοτε όμως,  η ανθρώπινη δραστηριότητα προκάλεσε μια δυναμική διαταραχή στην ισορροπία αυτή. Από σχετικούς υπολογισμούς από το ισοζύγιο μάζας (εισερχόμενη μάζα - εξερχόμενη μάζα), προκύπτει ότι περίπου 3,2 Gt/annual* CO2 εισέρχονται καθαρά στην Ατμόσφαιρα, δηλαδή σημειώνεται συνεχής ροή του αερίου προς την ατμόσφαιρα, ακριβώς λόγω της ανθρώπινης δράσης.

(* Gt/annual =Gt/a =  ποσότητα Γιγατόνων ανά έτος. Αντίστοιχα, είναι: Mt/annual = Mt/a = ποσότητα Μεγατόνων ανά έτος)

ΜΕΘΑΝΙΟ

Το μεθάνιο (CH4) αποτελεί ένα δραστικό αέριο τόσο από χημικής πλευράς αλλά και ακτινοβόλου δράσης, το οποίο παράγεται από ευρείας κλίμακας αερόβιες διεργασίες (ελλείψει οξυγόνου), και καταστρέφεται κυρίως μέσω της αντίδρασης με τη ρίζα OH­-1 στην Ατμόσφαιρα. Πρόκειται για ένα αέριο του θερμοκηπίου, και έχει βρεθεί πως από το 1750 οι συγκεντρώσεις του στην Ατμόσφαιρα εμφανίζουν αύξηση κατά πολύ περισσότερο από 140%.

Η αερόβιος παραγωγή του μεθανίου στις μέρες μας προέρχεται τόσο από φυσικές διεργασίες, που περιλαμβάνουν τα φυσικά υγρά εδάφη (115 Mt/a), τους τερμίτες (20 Mt/a) και τους ωκεανούς (10Mt/a), όσο και από ανθρωπογενείς πηγές, όπως η εξόρυξη και καύση των υγρών καυσίμων (100 Mt/a), οι εντερικές ζυμώσεις των ζώων βοσκής (85 Mt/a), η καλλιέργεια ρυζιού (60 Mt/a), η καύση βιομάζας (40 Mt/a), και οι χωματερές σκουπιδιών και απορριμμάτων (40 Mt/a). Η κύρια καταβόθρα* του ατμοσφαιρικού μεθανίου είναι η χημική αντίδραση αυτού με τη ρίζα υδροξυλίου (OH­­-1) στην Τροπόσφαιρα. Σήμερα υπολογίζεται ότι 445 Mt/a ατμοσφαιρικού μεθανίου καταστρέφονται με την ενεργοποίηση αυτής της χημικής διεργασίας. Αυτή η φυσική διεργασία όμως, επηρεάζεται από πιθανές αντιδράσεις της ρίζας OH­­-1 με άλλες ανθρωπογενείς εκπομπές (κυρίως το μονοξείδιο του άνθρακα και τους υδρογονάνθρακες των αυτοκινήτων).

Σε ό,τι αφορά τις καλλιέργειες ρυζιού, περισσότερο από το 60% των καλλιεργειών αυτών βρίσκονται στην Κίνα και την Ινδία, και οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η συμβολή των καλλιεργειών ρυζιού στα επίπεδα του ατμοσφαιρικού μεθανίου είναι πολύ σημαντική, καθώς αυτό το είδος καλλιέργειας έχει υπερδιπλασιαστεί σε σχέση με τη δεκαετία του ’50. Επίσης, η βοσκή ζώων απελευθερώνει αέριο μεθάνιο ως αποτέλεσμα της διατροφικής αλυσίδας των ζώων. Με την ίδια διεργασία όπως τα ζώα, έτσι και οι πληθυσμοί τερμιτών εκλύουν στο περιβάλλον αέριο μεθάνιο. Ακόμη, η τροποποίηση της χρήσης της Γης στις τροπικές περιοχές λόγω της αυξανόμενης αποψίλωσης των δασών και της ανάπτυξης μεγάλων κτηνοτροφικών και γεωργικών μονάδων, είναι δυνατόν να προκαλεί αύξηση των ποσοστών μεθανίου στην Ατμόσφαιρα. Οι χωματερές παράγουν αέριο μεθάνιο σαν απόρροια της αποσύνθεσης των οργανικών σκουπιδιών με την πάροδο του χρόνου. Τέλος, ο ξυλάνθρακας, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο απελευθερώνουν μεθάνιο κατά την εξόρυξή τους.

Σημειώνεται ότι οι ανθρωπογενείς πηγές του μεθανίου έχουν διαταράξει την προ-Βιομηχανική ισορροπία, όπως είδαμε πως συμβαίνει και με το διοξείδιο του άνθρακα. Πιστεύεται δε ότι τα ποσοστά μεθανίου που εκλύονται στην Ατμόσφαιρα είναι σημαντικά μεγαλύτερα από αυτά που καταστρέφονται, οπότε και υπολογίζεται ότι η αύξηση της ποσότητας του μεθανίου ανέρχεται περίπου στους 37 Mt/a. Συμπερασματικά, οι συγκεντρώσεις του ατμοσφαιρικού μεθανίου έχουν αυξηθεί στο Βόρειο ημισφαίριο κατά τις τελευταίες δυο εκατονταετίες, ακολουθώντας τις αντίστοιχες αυξήσεις του διοξειδίου του άνθρακα. Επίσης, υπάρχει μια δυναμική βαθμίδα αύξησης των συγκεντρώσεων του μεθανίου μεταξύ των δυο ημισφαιρίων της Γης: στο Βόρειο ημισφαίριο οι συγκεντρώσεις αυτές είναι περίπου 6% μεγαλύτερες απ' ότι στο Νότιο ημισφαίριο.

co1-ch4-atmospheric-concentration-change

Εικόνα 5: Διαγράμματα μετρήσεων της μεταβολής της μέσης συγκέντρωσης του διοεξιδίου του άνθρακα στον ξηρό αέρα μέσα στο χρονικό διάστημα των τελευταίων δεκαετιών για το διοξείδιο του άνθρακα (αριστερά) και το μεθάνιο (δεξιά). (Πηγή: Manua Loa Observatory, ESRL-NOAA)

       Στο παρόν άρθρο επιχειρήθηκε μια πρώτη παρουσίαση της Ατμόσφαιρας της Γης, μέσα από την εξελικτική της πορεία στη διάρκεια της ζωής του πλανήτη μας, καθώς και η μερική σκιαγράφηση της χημικής σύνθεσής στα κατώτερη στρώματα αυτής (ομοιόσφαιρα). Ακόμη, παρουσιάστηκαν ορισμένα από τα σημαντικότερα αέρια συστατικά της Ατμόσφαιρας ως προς τους μηχανισμούς δημιουργίας και απομάκρυνσής τους από την Ατμόσφαιρα, αλλά και ως προς την βιολογική και κλιματολογική τους σημασία.

     Στο 2ο μέρος του αφιερώματός μας θα επικεντρωθούμε αρχικά στο όζον, ένα από τα πλέον σημαντικά και κρίσιμα αέρια συστατικά της γήινης Ατμόσφαιρας, και θα αναφερθούμε - μεταξύ άλλων - στην περίφημη θεωρία της αποδόμησης του όζοντος στην Ανταρκτική. Θα παρουσιάσουμε ακόμη το νερό όπως αυτό συναντάται στην Ατμόσφαιρα, που αποτελεί έναν άκρως ουσιώδη παράγοντα για τα καιρικά φαινόμενα.

Συνεχίζουμε το ταξίδι στον υπέροχο κόσμο της Ατμόσφαιρας! Μείνετε συντονισμένοι! 

Επιμέλεια: Μιχαήλ Καρδαμάκης (michail) 

Sponsored links

Σχόλια   

 
#1 ringo2 16-02-2016 19:52
συγχαρητηρια φιλε συνεχισε το εργο σου
Παράθεση
 
 
+1 #2 John01 16-02-2016 20:10
:o Συγχαρητήρια, μοναδικό άρθρο
Παράθεση
 
 
+2 #3 snowlover 16-02-2016 23:32
Μπράβο, Μιχαήλ!
Παράθεση
 
 
+3 #4 giannis_21 17-02-2016 14:46
"Ένα υπέροχο...μέλος !!!" Είσαι στολίδι. Πολλά συγχαρητήρια.
Παράθεση
 

Προσθήκη νέου σχολίου


Κωδικός ασφαλείας
Ανανέωση