Meteoclub.gr

Η γήινη Ατμόσφαιρα: ένας υπέροχος κόσμος! (μέρος 2)

     Στο πρώτο μέρος του αφιερώματος μας για την γήινη Ατμόσφαιρα 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 της. 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.

     Συνεχίζοντας το ταξίδι μας στον κόσμο της Ατμόσφαιρα, θα συνεχίσουμε την σκιαγράφηση της χημικής σύνθεσης επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον μας στο όζον, ένα από τα πιο κρίσιμα αέρια συστατικά του ατμοσφαιρικού αέρα, και θα αναφερθούμε - μεταξύ άλλων - στην περίφημη θεωρία της αποδόμησης του όζοντος στην Ανταρκτική. Επιπρόσθετα, θα εντάξουμε το νερό στο αντικείμενο της μελέτης μας, το οποίο αποτελεί έναν άκρως ουσιώδη παράγοντα για τις ιδιότητες της Ατμόσφαιρας, αλλά και για τα καιρικά φαινόμενα που ενδιαφέρουν περισσότερο και πιο άμεσα, κι εμάς τους καιρόφιλους!

* * *

ΟΖΟΝ

Το όζον αποτελεί μια αλλοτροπική μορφή του οξυγόνου. Αλλότροπα ονομάζονται τα χημικά στοιχεία που εμφανίζονται με περισσότερες της μιας χημικές μορφές, αφού τα άτομά τους συνδυάζονται με ποικίλους τρόπους. Το όζον συναντάται στη γήινη Ατμόσφαιρα από την επιφάνεια μέχρι του ύψους των 55 km, περίπου, με το 97% της συγκέντρωσής του να βρίσκεται στην Στρατόσφαιρα (15-55 km), όπως φαίνεται και στην εικόνα 1. Σε αυτά τα ύψη, το όζον συμβάλλει σημαντικά στη διατήρηση της ζωής στην επιφάνεια της Γης, καθώς απορροφά την βλαβερή και επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία του ηλίου. Όπως είδαμε στο πρώτο μέρος του αφιερώματός μας, το όζον αποτελεί ένα από τα ιχνοστοιχεία της Ατμόσφαιρας, δηλαδή η συνολική ποσότητα του όζοντος στην Ατμόσφαιρα είναι πολύ μικρή, μόλις 4 μόρια κατά μέσο όρο σε κάθε 10 εκατομμύρια μόρια αέρα, η δε κατανομή του στα διάφορα στρώματα της Ατμόσφαιρας είναι πολύ διαφορετική κυρίως λόγω της φωτοχημικής φύσης του κύριου μηχανισμού παραγωγής του. Στην ανισομέρεια της κατανομής του όζοντος όχι μόνο καθ’ ύψος, αλλά και με το γεωγραφικό πλάτος (βλ. εικόνα 2) συμβάλλει η χρονική μεταβολή της ηλιακής δραστηριότητας και των μεγάλης κλίμακας ατμοσφαιρικών κινήσεων.

Εικόνα 1: Η κατανομή του όζοντος στην Τροπόσφαιρα και στην μέση και κατώτερη Στρατόσφαιρα. Χαρακτηριστική είναι η παρουσία όζοντος κοντά στην επιφάνεια της Γης, όπου  χαρακτηρίζεται ως «ρύπος». Στην Τροπόσφαιρα λόγω των καύσεων οι τοπικές συγκεντρώσεις όζοντος στα μέσα γεωγραφικά πλάτη έχουν υπερδιπλασιαστεί τα τελευταία 100 και πλέον χρόνια, γεγονός που επηρεάζει την υγεία των έμβιων όντων αλλά και το ισοζύγιο ακτινοβολίας στο σύστημα Γης-Ατμόσφαιρας. (Πηγή: NOAA-ESRL & Κ. Βαρώτσος, Ατμόσφαιρα, Αθήνα, 2008)

Το όζον δημιουργείται στην ανώτερη Ατμόσφαιρα, σαν αποτέλεσμα δυο διαδοχικών φυσικών διαδικασιών: τη φωτόλυση του μοριακού οξυγόνου από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, και το συνδυασμό του ατομικού οξυγόνου (O) με το μοριακό οξυγόνο (O₂) με την παρουσία ενός τρίτου ουδέτερου σώματος Μ (καταλύτη) ο οποίος δεν συμμετέχει στην αντίδραση, αλλά είναι αναγκαίος για να απάγει το πλεόνασμα ενέργειας:

Ο₂ + UV radiation → O + O    (Α)

Ο₂ + Ο + Μ → Ο₃ + Μ    (Β)

Όζον μπορεί επίσης να σχηματιστεί και με τη διεργασία:

O₂ + O₂ → O₂ + O + O → O₃ + O

Συγχρόνως όμως με το σχηματισμό του όζοντος, έχουμε και καταστροφή αυτού είτε με φωτοδιάλυση, σύμφωνα με τη διαδικασία:

O₃ + UV radiation → O₂ + O    (Γ),

είτε με τη σύγκρουση του ατόμου όζοντος με άτομο οξυγόνου, σύμφωνα με τη σχέση:

O₃ + O → 2O₂    (Δ)

Αν οι διαδικασίες που οδηγούν στη δημιουργία ή στην καταστροφή του όζοντος εξισορροπούνταν, τότε θα υπήρχε μια κατάσταση φωτοχημικής ισορροπίας. Στην πραγματικότητα όμως, οι διεργασίες αυτές μεταβάλλονται χωρικά και χρονικά, γι’ αυτό η ισορροπία αυτή διαταράσσεται με αποτέλεσμα τη μεταβολή της περιεκτικότητας του όζοντος με το ύψος, το χρόνο και τον τόπο. Έτσι, πάνω από τον Ισημερινό η συγκέντρωση του ατμοσφαιρικού όζοντος παρουσιάζεται, αφενός μεν με τις μικρότερες τιμές, αφετέρου δε, με τη μικρότερη ετήσια διακύμανση. Οι μεγαλύτερες ποσότητες συγκέντρωσης του όζοντος και με τη μεγαλύτερη ετήσια διακύμανση σημειώνονται πάνω από τις πολικές περιοχές, όπως φαίνεται και στην προσομοίωση της εικόνας 2.

Εικόνα 2: Μέση μηνιαία ποσότητα όζοντος σε DU σαν συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους και της εποχής του έτους. Το διάγραμμα βασίστηκε σε δεδομένα της επιφανείας  στην περίοδο 1964-1980. Παρατηρήστε την εντυπωσιακή συγκομιδή όζοντος στη διάρκεια του χειμώνα των πολικών περιοχών του βορείου ημισφαιρίου. Η μονάδα DU (Dobson Unit) αντιπροσωπεύει την πυκνότητα ενός ιχνοσυστατικού σε μια κατακόρυφη στήλη της Ατμόσφαιρας. Αν όλη η ποσότητα του συγκεκριμένου αερίου απομονωθεί από τη στήλη αυτή και τοποθετηθεί στην επιφάνεια της Γης υπό STP συνθήκες (0 ᵒC, 1 atm), τότε θα δημιουργηθεί ένα στρώμα ορισμένου πάχους. Για παράδειγμα, ολική στήλη όζοντος 300 DU ισοδυναμεί με στρώμα πάχους 3 mm. (Πηγή: E. V. Fioletov, Ozone climatology, trends, and substances that control ozone, 2008)

Άλλη πηγή παραγωγής του όζοντος είναι η αποσύνθεση του διοξειδίου του αζώτου (NO₂) που εισάγεται στην Ατμόσφαιρα από τις ηφαιστειακές εκρήξεις, τις πυρκαγιές των δασών, τον καπνό των εργοστασίων κ.ά. Μικρές ποσότητες όζοντος μπορούν να παραχθούν και από ηλεκτρικές εκκενώσεις, καθώς και από δοκιμές πυρηνικών όπλων.

Πάντως, η ποσότητα του όζοντος που εισάγεται στην Ατμόσφαιρα από πηγές που βρίσκονταν κοντά στην επιφάνεια της Γης, είναι μικρότερη από εκείνη που παράγεται από τις φωτοχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην ανώτερη Ατμόσφαιρα. Έχει διαπιστωθεί, επίσης, ότι οι μεταβολές της συγκέντρωσης του όζοντος σε δοσμένη περιοχή εξαρτώνται και από τα καιρικά συστήματα που επικρατούν πάνω από την περιοχή, με μεγάλες τιμές συγκέντρωσης O₃ κατά την επικράτηση επιφανειακών βαρομετρικών συστημάτων.

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ CHAPMAN ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΤΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ - CHAPMAN THEORY OF OZONE FORMATION

Στις χημικές αντιδράσεις που παρουσιάστηκαν παραπάνω (Α, Β, Γ και Δ) στηρίχθηκε ο Βρετανός μαθηματικός και γεωφυσικός Sydney Chapman (1888-1970) για να διατυπώσει τη θεωρία του σχετικά με τους φωτοχημικούς μηχανισμούς παραγωγής του όζοντος, ώστε να προσδιορισθεί η κατανομή αυτού στην Ατμόσφαιρα. Η θεωρία του συνοψίζεται στα ακόλουθα διαγράμματα (εικόνες 3 & 4).

Ο₂ + UV radiation → O + O    (Α)

Ο₂ + Ο + Μ → Ο₃ + Μ    (Β)

O₃ + UV radiation → O₂ + O    (Γ)

O₃ + O → 2O₂    (Δ)

Εικόνα 3: Οι φωτοχημικές διεργασίες παραγωγής όζοντος στην Ατμόσφαιρα, που ουσιαστικά αποτέλεσαν τη βάση της θεωρίας του Chapman. (Πηγή: NASA)

Εικόνα 4: Ο χημικός κύκλος του όζοντος, μια σύνοψη της θεωρίας του Chapman. (Πηγή: Wikipedia)

Οι αντιδράσεις (Α) και (Δ), δηλαδή της φωτόλυσης του μοριακού οξυγόνου, είναι πολύ αργές. Αντίθετα, οι αντιδράσεις (Β) και (Γ) είναι πολύ γρήγορες και στο χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ της πραγματοποίησης των (Α) και (Δ), οι αντιδράσεις (Β) και (Γ) έχουν πραγματοποιηθεί πολλές φορές. Τώρα, επειδή η συγκέντρωση του καταλύτη Μ που λαμβάνει μέρος στην αντίδραση (Β) μειώνεται με το ύψος, η αντίδραση (Β) γίνεται βραδύτερη με το ύψος. Για το λόγο αυτό, σε μεγάλα ύψη κυριαρχεί το οξυγόνο, ενώ το όζον περιορίζεται σε μικρότερα ύψη (<50 km).

Η θεωρητική μελέτη της καθ’ ύψος συγκέντρωσης του όζοντος συγκρίνεται με τις μετρήσεις που λαμβάνουν χώρα στα διάφορα παρατηρητήρια ανά τον κόσμο. Προκύπτουν να εξής συμπεράσματα, τα οποία συνοψίζονται στην εικόνα 5:

• Βρίσκεται μικρότερη συγκέντρωση όζοντος στα τροπικά από τα προβλεπόμενα από τη θεωρία του Chapman και μάλιστα με υψηλότερο μέγιστο, και
• Η συγκέντρωση του όζοντος στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη είναι μεγαλύτερη από εκείνη που βρίσκεται θεωρητικά και συγκεκριμένα με χαμηλότερο μέγιστο. Οι διαφορές αυτές φανερώνουν ότι το όζον σχηματίζεται εντονότερα στα μικρά γεωγραφικά πλάτη, όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι ισχυρότερη, και μεταφέρεται με τη βοήθεια των κυττάρων κυκλοφορίας της Τροπόσφαιρας προς τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, όπου εισέρχεται στη Στρατόσφαιρα δια μέσου των ασυνεχειών του αεροχειμάρρου και βαθμιαία φτάνει στο έδαφος και καταστρέφεται.

• Η κατανομή του όζοντος καθ’ ύψος που προκύπτει βάσει της θεωρία του Chapman παρουσιάζει σημαντική απόκλιση από την πραγματική κατανομή βάσει των πειραματικών μετρήσεων. Η απόκλιση αυτή οφείλεται στην παρουσία των καταλυτικών κύκλων καταστροφής του όζοντος που δεν προβλέπονται από τη θεωρία του Chapman:

X + O₃ → XO + O­₂

XO + O → X + O₂ ,

          που συνεπάγονται ότι:

O + O₃ → 2O₂ ,

          όπου X = H, OH, NO, Cl, Br.

Εικόνα 5: Σύγκριση της πραγματικής (βάσει μετρήσεων)  κατανομής του στρατοσφαιρικού όζοντος με την θεωρητική-αναμενόμενη, βάσει της θεωρίας Chapman. Οι παρατηρήσεις και οι μετρήσεις έγιναν πάνω από τον Παναμά (9 ᵒN), στις 13/11/1970. (Πηγή: J. H. Seinfeld – S. N. Pandis, Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change, 2^nd edition, 1998)

Το όζον, λοιπόν, καταστρέφεται με φυσικό τρόπο μέσω μιας σειράς φωτοχημικών και καταλυτικών αντιδράσεων στις οποίες λαμβάνουν μέρος το οξυγόνο, το άζωτο, το χλώριο, το βρώμιο και το υδρογόνο. Τα τελευταία χρόνια, τα επίπεδα όζοντος στη στρατόσφαιρα έχουν μειωθεί σημαντικά και λόγω της ανθρώπινης συμβολής στη δημιουργία των βλαβερών και επικίνδυνων χλωροφθορανθράκων (CFCs) στην Ατμόσφαιρα. Οι CFCs, παραγόμενοι στην επιφάνεια της Γης, ανέρχονται βαθμιαία στα ανώτερα στρώματα της όπου στη στρατοσφαιρα αποσυντίθενται, εξαιτίας της δράσης της υπεριώδους ακτινοβολίας. Όπως μάλιστα επισημάνθηκε στο πλαίσιο της εικόνας 1, η ανθρώπινη δραστηριότητα (καύσεις) οδήγησε στην αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος. Η μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος συντελεί στην ψύξη της Στρατόσφαιρας και επιτρέπει σε μεγαλύτερα ποσοστά της βλαβερής υπεριώδους ακτινοβολίας να διέλθει προς την επιφάνεια της Γης, ενώ η αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος οδηγεί στην θέρμανση της Τροπόσφαιρας.

Η ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΤΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΣΤΗΝ ΑΝΤΑΡΚΤΙΚΗ - OZONE DEPLETION THEORY

Το φαινόμενο της αποδόμησης του όζοντος περιλαμβάνει δυο σαφή και σχετικά μεταξύ τους φαινόμενα που παρατηρήθηκαν αρχικά στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και έκτοτε παρακολουθούνται κάθε χρόνο: πρόκειται για μια σταθερή απόκλιση του ολικού όζοντος της Στρατόσφαιρας περίπου κατά 4% και μια πολύ μεγαλύτερη μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος στις πολικές περιοχές της Γης κατά τη διάρκεια της άνοιξης του κάθε ημισφαιρίου. Το φαινόμενο αυτό καλείται και είναι ευρύτερα γνωστό ως τρύπα του όζοντος.

Η ολική στήλη του όζοντος στην Ανταρκτική μετριέται (μεταξύ και άλλων σταθμών) από το 1957 στο σταθμό Halley Bay (76˚S) της Βρετανικής Ανταρκτικής Αποστολής (British Antarctic Survey). Η πρώτη σημαντική μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος χρονολογείται στα μέσα της δεκαετίας του 1970, χωρίς όμως να γίνει αντιληπτή από την επιστημονική κοινότητα. Αντίθετα, στις αρχές της δεκαετίας του 1980 καταγράφηκε δραματική μείωση της ολικής στήλης όζοντος όπως φαίνεται και από το γράφημα των μετρήσεων (εικόνα 6) του σταθμού Halley.

Εικόνα 6: Γράφημα των μέσων μετρήσεων ολικού όζοντος του Οκτωβρίου (σε DU) για τη χρονοσειρά 1957-2001, από το σταθμό Halley Bay. (Πηγή: http://www.atmos.washington.edu/~davidc/ATMS211/Lecture7-slides-PDF.pdf )

Νεότερη σειρά επαναληπτικών μετρήσεων αλλά και νέα βαθμονόμηση των δορυφορικών καταγραφών για τον περιορισμό αλγοριθμικών σφαλμάτων που εντοπίστηκαν, επιβεβαίωσε τη μείωση της ολικής στήλης όζοντος, μείωση η οποία συνδέθηκε κυρίως με την φωτοδιάσπαση των CFCs στη Στρατόσφαιρα και την απελευθέρωση χλωρίου, φθορίου και βρωμίου που επιδρούν καταλυτικά στον κύκλο του όζοντος (καταστρέφουν το όζον).

Πριν την επίδραση του ανθρωπογενούς χλωρίου και βρωμίου, τα επίπεδα όζοντος στην Ανταρκτική κατά την άνοιξη του νοτίου ημισφαιρίου ήταν 30-40% χαμηλότερα από τα επίπεδα όζοντος στην Αρκτική κατά την άνοιξη του βορείου ημισφαιρίου. Αυτή η φυσική διαφορά ανάμεσα στην Αρκτική και την Ανταρκτική παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον G. M. Dobson το 1950 και αποδίδεται στους ακόλουθους παράγοντες. 

Για την Ανταρκτική, οι συνθήκες που ευνοούν το φαινόμενο της τρύπας του όζοντος είναι: ο πολικός στρόβιλος πάνω από την Ανταρκτική, δηλαδή η ύπαρξη ενός κλειστού και σταθερού συστήματος κυκλοφορίας γύρω από το νότιο Πόλο, δεν επιτρέπει την ανάμειξη του πολικού αέρα με εκείνον που μεταφέρεται από μικρότερα γεωγραφικά πλάτη. Παράλληλα, στην Ανταρκτική επικρατούν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μικρότερες πολλές φορές των -80 ˚C, οι οποίες επιτρέπουν τη δημιουργία νεφών ειδικού τύπου που ονομάζονται Πολικά Στρατοσφαιρικά Νέφη (PSCs) και αποτελούνται κύρια από παγοκρυστάλλους στην επιφάνεια των οποίων ευνοείται η μετατροπή του χλωρίου και βρωμίου σε δραστικούς καταστροφείς του όζοντος. Το 90% των ανθρωπογενών εκπομπών CFCs γίνεται σε Ευρώπη, Ρωσία, Ιαπωνία και Β. Αμερική. Τα αέρια αυτά είναι αδιάλυτα στο νερό (δεν επηρεάζονται λοιπόν από την παρουσία του νερού στην Τροπόσφαιρα) και σχετικά χημικά αδρανή. Αναμειγνύονται λοιπόν σε διάστημα ενός ή δυο ετών με ολόκληρη την κατώτερη Ατμόσφαιρα και στη συνέχεια ανέρχονται στη Στρατόσφαιρα, με μεγαλύτερο μάλιστα ρυθμό στο ύψος της τροπικής ζώνης. Εκεί (στη Στρατόσφαιρα) ο μεσημβρινός άνεμος μεταφέρει τα αέρια αυτά προς τους πόλους, με συνέπεια ολόκληρη η Στρατόσφαιρα να περιέχει ίσες ποσότητες χλωρίου. 

Στο βόρειο Πόλο (Αρκτική), η μείωση του όζοντος είναι σημαντικά μικρότερη σε σχέση με την αντίστοιχη της Ανταρκτικής κύρια για δυο λόγους:

1) Στη βόρεια πολική περιοχή στη γήινη επιφάνεια δεν υπάρχει η συμμετρία ξηράς-θάλασσας που παρατηρείται στην Ανταρκτική (όπου ένα μεγάλο μέρος ξηράς περιβάλλεται εξ’ ολοκλήρου από ωκεανό), και επομένως στην Αρκτική στρατόσφαιρα επικρατούν μεγαλύτερες θερμοκρασίες, που σπάνια πέφτουν χαμηλότερα από τους -80 ˚C, γεγονός που περιορίζει το σχηματισμό PSCs. Στη θερμότερη κατώτερη Στρατόσφαιρα της Αρκτικής συντελεί και η χαλαρότητα του πολικού στροβίλου στην περιοχή, ο οποίος επιτρέπει την συχνή επίδραση αερίων μαζών από μικρότερα γεωγραφικά πλάτη στην περιοχή της Αρκτικής, οι οποίες προφανώς είναι θερμότερες.

2) Ο Αρκτικός πολικός στρόβιλος καταρρέει στο τέλος του χειμώνα, λόγω ισχυρών κυματικών δράσεων (π.χ. Αιφνίδιες Στρατοσφαιρικές Θερμάνσεις) προτού η επερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία συντελέσει στη διάρκεια της άνοιξης και του καλοκαιριού στην δραστική καταστροφή του όζοντος.

Στη διπλανή εικόνα (13) φαίνεται η θερμοκρασιακή διαφορά στην κατώτερη Στρατόσφαιρα των δυο πολικών περιοχών του πλανήτη. 

Μείωση του όζοντος παρατηρείται στο σύνολο σχεδόν των περιοχών του πλανήτη, με μικρότερους ωστόσο ρυθμούς. Στα μέσα γεωγραφικά πλάτη του βορείου ημισφαιρίου , η μείωση αυτή οφείλεται στην κυκλοφορία των αερίων μαζών. Ειδικότερα: η κατάρρευση του πολικού στροβίλου που αναφέρθηκε προηγουμένως οδηγεί στη μεταφορά προς τα μέσα γεωγραφικά πλάτη αερίων μαζών στις οποίες το όζον έχει μειωθεί λόγω χημικών διαδικασιών στην επιφάνεια των παγοκρυστάλλων των PSCs. Παράλληλα, προς τα μέσα γεωγραφικά πλάτη μεταφέρονται και αέριες μάζες από την τροπική ζώνη, οι οποίες είναι φτωχές σε όζον. Ακόμη, στη μείωση του όζοντος σε αυτές τις περιοχές του πλανήτη δύναται να συμβάλουν και οι ηφαιστειακές εκρήξεις, καθώς αυτές απελευθερώνουν (μεταξύ άλλων) και θειικά αιωρούμενα σωματίδια.

Όπως αναφέρθηκε στην παρουσίαση του όζοντος, πρόκειται για ένα συστατικό της Ατμόσφαιρας που, παρά την πολύ μικρή του συγκέντρωση, είναι ο κύριος απορροφητής της UV-b συνιστώσας της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία είναι επικίνδυνη για την έμβια ζωή, και λόγω του όζοντος φθάνει σε πολύ περιορισμένα επίπεδα στην επιφάνεια της Γης. Είναι κοινή επιστημονική πίστη ότι η ελάττωση του ατμοσφαιρικού όζοντος θα επιφέρει μεγαλύτερη εισροή UV-b ακτινοβολίας διαμέσου του στρώματος του όζοντος η οποία φθάνει στη συνέχεια στην επιφάνεια της Γης, με την προϋπόθεση ότι άλλες παράμετροι και άλλα ατμοσφαιρικά συστατικά (π.χ. υδρατμοί) δεν παρεμβάλλονται. Σε περιοχές όπου η μείωση του όζοντος είναι μικρή, η ανίχνευση της τάσης της UV ακτινοβολίας είναι δύσκολη και γίνεται ακόμη δυσκολότερη λόγω των μεταβολών της νεφοκάλυψης και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.

Τα μικρά ποσά της UV-b που διεισδύουν μέσω της οζονόσφαιρας (στρώμα όζοντος) και φθάνουν στη γήινη επιφάνεια, μπορούν να προκαλέσουν αρκετά δυσμενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, όπως μη μελανωματικό καρκίνο του δέρματος, καταρράκτη του οφθαλμού, βλάβη στο γονότυπο (DNA) και καταστολή του ανοσοποιητικού συστήματος του οργανισμού. Έντονη έκθεση στην υπεριώδη   ακτινοβολία  προκαλεί   το ηλιακό ερύθημα, ενώ η πολύχρονη έκθεση προκαλεί απώλεια της ελαστικότητας της επιδερμίδας και φωτογήρανση. Παράλληλα, είναι πιθανόν να παρουσιαστούν συμπτώματα φωτοαλλεργίας. Οι δυσμενείς επιπτώσεις δεν αφορούν μονάχα τον άνθρωπο αλλά και το παγκόσμιο οικοσύστημα γενικότερα.

Οι μετρήσεις της UV στην Ανταρκτική, έδειξαν αυξητική τάση σε περιόδους που το φαινόμενο της τρύπας του όζοντος παρατηρούνταν. Η συσχέτιση λοιπόν της αποδόμησης του όζοντος με την αύξηση της UV ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης επιβεβαιώθηκε, και παρουσιάζεται συνοπτικά στις παραπάνω εικόνες.

Τα φαινόμενο της αποδόμησης του όζοντος επιφέρει σημαντικές επιπτώσεις και στο ενεργειακό ισοζύγιο και το ισοζύγιο ακτινοβολίας μεταξύ Τροπόσφαιρας και Στρατόσφαιρας. Τόσο το τροποσφαιρικό όζον όσο και οι χλωροφθοράνθρακες είναι αέρια του ατμοσφαιρικού φαινομένου του θερμοκηπίου, συντελούν δηλαδή στην αύξηση της θερμοκρασίας στα κατώτερα στρώματα της Ατμόσφαιρας. Το στρατοσφαιρικό όζον με τη σειρά του, απορροφώντας την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία θερμαίνει τη Στρατόσφαιρα. Συνεπώς, η αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος προκαλεί θέρμανση στα κατώτερα επίπεδα της Ατμόσφαιρας, ενώ η μείωση του Στρατοσφαιρκού όζοντος προκαλεί ψύξη της Στρατόσφαιρας. 

ΝΕΡΟ (H₂O) ΣΕ ΟΛΕΣ ΤΟΥ ΤΙΣ ΦΑΣΕΙΣ

Η Ατμόσφαιρα, εκτός από τα αέρια που συνιστούν τον ξηρό αέρα, περιέχει και μόρια νερού (H₂O) τα οποία μέσα στον κύκλο του νερού συναντώνται και στις τρεις καταστάσεις της ύλης (στερεή: πάγος, υγρή: νερό, και αέρια: υδρατμοί). Η συντριπτική πλειοψηφία συναντάται στην επιφάνεια αυτής, σε ποσοστό περίπου 98,8%, σε υγρή και στερεή μορφή, όπως φαίνεται και στο ακόλουθο διάγραμμα (εικόνα 7). Οι τρεις καταστάσεις του νερού συνδέονται άρρηκτα μέσω της βιογεωχημικής διαδικασίας του κύκλου του νερού (βλ. εικόνα 8).

Εικόνα 7: Γραφική αναπαράσταση των υδάτινων περιοχών του πλανήτη. (Πηγή: USGS)

Στο σύνολο της Ατμόσφαιρας περιέχεται μόλις το 0,4% H₂O του πλανήτη, με τη μορφή υδρατμών. Στην κατώτερη Ατμόσφαιρα, κοντά στην επιφάνεια της Γης, το ποσοστό υδρατμών κυμαίνεται από 1-4%, και προέρχεται από την εξάτμιση των φυσικών υδροσυλλογών στην επιφάνεια του εδάφους (ωκεανοί, θάλασσες, ποταμοί, λίμνες) και από τη διαπνοή των φυτών.  Η κατανομή των υδρατμών παρουσιάζεται εξαιρετικά μεταβλητή τόσο χωρικά όσο και χρονικά, στην κατώτερη Ατμόσφαιρα. Αυτή εξαρτάται από τη γεωγραφική τοποθεσία, από την εγγύτητα υδάτινων μαζών, από τις διευθύνσεις των ανέμων και από τη θερμοκρασία του αέρα. Η ποσότητά τους ελαττώνεται ταχύτατα με το ύψος και η συντριπτική πλειοψηφία αυτών συγκεντρώνεται στην κατώτερη Ατμόσφαιρα, μέχρι τα 10-12 km. Οι υδρατμοί μεταφέρονται σε μεγαλύτερα ύψη με αναταρακτικές κινήσεις. Έτσι δεν αποκλείεται σε ακόμη μεγαλύτερα ύψη να παρουσιάζονται συγκεντρώσεις υδρατμών, ικανές μάλιστα, κάτω από ειδικές συνθήκες, να οδηγήσουν σε νεφόμορφους σχηματισμούς. Εξάλλου, στην ανώτερη Ατμόσφαιρα λαμβάνει χώρα η φωτόλυση των υδρατμών, μέσω της οποίας παράγονται οξυγόνο και υδρογόνο.

Οι υδρατμοί, παρά τη μικρή συγκέντρωσή τους στην Ατμόσφαιρα, διαδραματίζουν σπουδαίο ρόλο καθώς απορροφούν μέρος της μεγάλου μήκους ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ απορροφούν και τη θερμική ακτινοβολία της επιφάνειας της Γης, λειτουργούν δηλαδή σαν συνιστώσα του φυσικού φαινομένου του θερμοκηπίου. Έχουν, επομένως, σημαντική παρουσία σε ό,τι αφορά το ενεργειακό ισοζύγιο του συστήματος Γη-Ατμόσφαιρα, ενώ μετέχουν στη διανομή της θερμικής ενέργειας στη Γη, μέσω των ανταλλαγών ενέργειας λόγω λανθάνουσας θερμότητας. 

Εικόνα 8: Ο κύκλος του νερού, ή υδρολογικός κύκλος - Το νερό, με εξαίρεση τους μόνιμους πάγους στους πόλους της Γης, κινείται συνεχώς ανάμεσα στην ατμόσφαιρα, στην υδρόσφαιρα, στη λιθόσφαιρα και στο εσωτερικό των ζωντανών οργανισμών. Η γενική κίνηση της υδάτινης μάζας σε όλες της τις φάσεις (υγρή, στερεή, αέρια) και από όλους τους δυνατούς φυσικούς δρόμους αναφέρονται ως υδρολογικός κύκλος,  κινητήρια δύναμη του οποίου είναι η ηλιακή ενέργεια. 

Το νερό θερμαίνεται από τον ήλιο και εν μέρει εξατμίζεται από τους ωκεανούς, τις θάλασσες, τις λίμνες, τα ποτάμια και από κάθε άλλη ελεύθερη υδάτινη επιφάνεια, από το έδαφος και τους φυτικούς οργανισμούς μέσω της διαπνοής. Το σύνθετο φαινόμενο της εξάτμισης και της διαπνοής καλείται εξατμισοδιαπνοή (evapotranspiration). Μια μικρή ποσότητα υδρατμών στην ατμόσφαιρα προέρχεται από την εξάχνωση (sublimation), μέσω της οποίας μόρια από πάγους και χιόνια μετατρέπονται απευθείας σε υδρατμούς χωρίς να περάσουν από την υγρή μορφή.

Οι υδρατμοί ανέρχονται ψηλότερα στην Ατμόσφαιρα μέσω ανοδικών κινήσεων του αέρα, ψύχονται, συμπυκνώνονται (συμπύκνωση-condensation), σχηματίζουν σύννεφα και επιστρέφουν στην επιφάνεια της Γης με τη μορφή βροχής, χιονιού, χαλαζιού (εκδήλωση υετού ή κατακρήμνιση-precipitation), υγρασίας, πάχνης ή ακόμη και ομίχλης.

Ένα μέρος του νερού που φτάνει στη Γη εμπλουτίζει τις θάλασσες, τους ωκεανούς, τις λίμνες και τα ποτάμια άμεσα ή έμμεσα (ως αποτέλεσμα επιφανειακής ροής). Ένα άλλο μέρος των κατακρημνισμάτων απορροφάται από το έδαφος (διήθηση-infiltration) απ' όπου είτε εξατμίζεται (δίοδος προς την επιφάνεια-πηγές) είτε χρησιμοποιείται από τα φυτά είτε συντελεί τους υδροφόρους ορίζοντες, οι οποίοι καταλήγουν μέσω της επιφανειακής απορροής στις συλλογές υδάτων (λίμνες, ποτάμια, θάλασσες, ωκεανοί) ή στις υπόγειες αποθήκες νερού, για να καταλήξουν με την πάροδο του χρόνου στους ωκεανούς, τις κύριες αποθήκες νερού του πλανήτη μας. (Πηγή: USGS) 

Ολοκληρώνοντας το δεύτερο μέρος του αφιερώματός μας στην γήινη Ατμόσφαιρα, έχουμε γνωρίσει μέχρι τώρα τον ξηρό ατμοσφαιρικό αέρα και τα κυριότερα αέρια συστατικά του, ένα από τα σημαντικότερα των οποίων είναι και το όζον. Παράλληλα, εισήλθαμε σε διάφορες λεπτομέρειες σχετικά με την επίδραση των αερίων αυτών στην Ατμόσφαιρα, στη ζωή στη Γη αλλά και στη συμπεριφορά του κλίματος του πλανήτη, κάνοντας αναφορές στα θερμοκηπιακά αέρια και στο φαινόμενο της τρύπας του όζοντος. Το ταξίδι μας συνεχίστηκε με την επισκόπηση των υδρατμών στην Ατμόσφαιρα και του ρόλου που αυτοί διαδραματίζουν.

Στο τρίτο μέρος του αφιερώματός μας θα ολοκληρώσουμε την περιγραφή της χημικής σύστασης της Ατμόσφαιρας, την οποία ξεκινήσαμε από το πρώτο - ήδη - μέρος. Έτσι, θα αναφερθούμε στα αερολύμματα ή ατμοσφαιρικά αιωρήματα, καθώς και στην σημασία αυτών στο κλίμα του πλανήτη, και θα ολοκληρώσουμε τη διάκριση της Ατμόσφαιρας με βάση τη χημική σύσταση, παρουσιάζοντας το ευρύ στρώμα της ετερόσφαιρας. Στη συνέχεια της μελέτης μας θα επικεντρωθούμε σε μια άλλη διαστρωμάτωση που χρησιμοποιούμε, αυτή που βασίζεται στη διακύμανση της θερμοκρασίας με το ύψος. 

Και το ταξίδι συνεχίζεται... 

Επιμέλεια: Μιχαήλ Καρδαμάκης (michail)

fΚοινοποίηση

Tweet