Η γήινη Ατμόσφαιρα: ένας υπέροχος κόσμος! (μέρος 3)
- Λεπτομέρειες
- Κατηγορία: Εγκυκλοπαίδεια
-
18 Feb 2016
- Συντάχθηκε από τον/την michail
- Προβολές: 6655
Στα προηγούμενα μέρη του ταξιδιού μας στη 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, καθώς θα αναφερθούμε στα αερολύμματα ή ατμοσφαιρικά αιωρήματα, καθώς και στην σημασία αυτών στο κλίμα του πλανήτη. Επίσης, 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.
* * *
ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΑΙΩΡΗΜΑΤΑ - AEROSOLS
Τα μόρια της ύλης περιλαμβάνουν μικρά σωματίδια, σε στερεή ή υγρή μορφή, τα οποία ελευθερώνονται στην Ατμόσφαιρα λόγω φυσικών και ανθρωπογενών δράσεων. Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται ατμοσφαιρικά αιωρήματα ή αερολύματα (aerosols), και οι συγκεντρώσεις αυτών ποικίλουν κατά τάξεις μεγέθους και παρουσιάζουν μεταβολές τόσο τοπικά όσο και χρονικά. Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται οι εκτιμώμενες πηγές αερολυμάτων, φυσικές και ανθρωπογενείς, και οι συγκεντρώσεις αυτών κοντά στην επιφάνεια της Γης.
Πολλά σωματίδια είναι ορατά, όπως ο καπνός, τα σωματίδια αιθάλης (soot aerosols) ή η σκόνη, ενώ άλλα είναι αόρατα. Τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα ανάλογα με το μέγεθός τους ταξινομούνται, συνηθέστερα, στις ακόλουθες τρεις κατηγορίες. Θυμίζουμε ότι: 1 μm = 0,000001 m.
- Πυρήνες Aitken (διάμετρος <0,1 μm),
- Μεγάλοι πυρήνες (διάμετρος που κυμαίνεται μεταξύ 0,1 και 1,0 μm),
- Γίγαντες πυρήνες, με διάμετρο >1,0 μm
Εικόνα 1: Τάξεις μεγέθους των διαφόρων αιωρούμενων σωματιδίων.
(Πηγή: Κ. Π. Ιακωβίδης, Φυσική Μετεωρολογία, 2009)
Η εικόνα 1 παρουσιάζει τις τάξεις μεγεθών των διαφόρων ατμοσφαιρικών αιωρημάτων, συνδυάζοντας αυτά με τη βλάβη που προκαλούν στους πνεύμονες και στην αναπνευστική λειτουργία. Σημειώνεται πως τα λεγόμενα πολύ μικρά σωματίδια, ή fine particles, που αναφέρονται, χαρακτηρίζονται από διάμετρο μικρότερη των 2,5 μm, και καλούνται γενικά PM2,5. Αντίθετα, τα σωματίδια με διάμετρο μεγαλύτερη των 10 μm καλούνται γενικά PM10.
Τα σωματίδια επιδρούν στην ανθρώπινη υγεία, στα οικοσυστήματα και γενικά στη βιόσφαιρα. Σωματίδια που διεισδύουν στους πνεύμονες είναι δυνατόν να παραμείνουν μόνιμα, προκαλώντας χρόνια αναπνευστικά προβλήματα. Ακόμα, σκόνη εναποτίθεται στις επιφάνειες των πράσινων βλαστών, οπότε είναι δυνατόν να παρεμποδίζεται η απορρόφηση του CO2 και του O2 από τα φυτά. Επίσης, βαριά σκόνη δύναται να προκαλέσει προβλήματα στην αναπνοή των ζώων. Οι νέες βιομηχανικές δραστηριότητες έχουν αυξήσει το φόρτο τέτοιων σωματιδίων στην Ατμόσφαιρα.
Ανάλογα με την προέλευση τους, ταξινομούνται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες μεριδίων:
Α) Κονιορτοί - Αυτοί περιλαμβάνουν:
a) Αιωρήματα εδαφικής προέλευσης, όπως είναι η σκόνη και οι μικροσκοπικοί κόκκοι που προέρχονται από μεγάλες ή μικρές ερημικές περιοχές του πλανήτη ή από περιοχές που στερούνται βλάστησης και εισέρχονται μέσα στην Ατμόσφαιρα με τη δράση του ανέμου.
b) Στάχτη, σποδός και αιθάλη, που εισέρχονται στην Ατμόσφαιρα από της εκρήξεις των ηφαιστείων, από τις πυρκαγιές καθώς και από τις βιομηχανικές και οικιακές καύσεις.
c) Διαπλανητική σκόνη, που αιωρείται στην Ατμόσφαιρα, από την καύση των εισερχόμενων μετεωριτών.
d) Μόρια χλωριούχου νατρίου (NaCl), που εισέρχονται στη Ατμόσφαιρα από την εξάτμιση των υδροσταγονιδίων θαλάσσιου νερού που παρασύρονται από τα αφρισμένα κύματα με τη βοήθεια των ανέμων.
Από μετρήσεις που έχουν γίνει, προκύπτει ότι η περιεκτικότητα του παρεδάφιου στρώματος αέρα σε κονιορτό είναι συνάρτηση αφενός των καιρικών συνθηκών που επικρατούν και αφετέρου της θέσης της περιοχής των μετρήσεων (ύπαιθρος ή αστικοποιημένη περιοχή).
Β) Χημικές ενώσεις - Αυτές περιλαμβάνουν όλες εκείνες που προέρχονται από φυσικές διεργασίες (όπως το μεθάνιο, το υδρόθειο, υδρογονάνθρακες με προέλευση τα έλη ή τη σήψη οργανικών ουσιών) και τις καύσεις και βιομηχανικές, γενικά, διεργασίες (όπως το διοξείδιο του θείου, το μονοξείδιο του άνθρακα, διάφορα οξείδια του αζώτου, υδρογονάνθρακες που είναι προϊόντα λειτουργίας των κινητήρων κ.λπ.).
Γ) Οργανικά αιωρήματα - Αυτά αναφέρονται κυρίως στη γύρη των φυτών και σε διάφορους μικροοργανισμούς όπως βακτήρια, μύκητες, σπόρια και μικρού μεγέθους έντομα.
Τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα είναι δυνατόν να εκπέμπονται απευθείας με τη μορφή σωματιδίων (κύρια πηγή), ή να μορφοποιούνται στην Ατμόσφαιρα από τα προϋπάρχοντα αέρια αυτής (δευτερεύουσα πηγή). Η μετακίνηση των αερολυμάτων από την Ατμόσφαιρα γίνεται κυρίως με την απόθεση αυτών στην επιφάνεια της Γης ή μέσω της εξαέρωσης. Σε ό,τι αφορά την απόθεση, αυτός ο μηχανισμός κάθαρσης επιτυγχάνεται με την άμεση απόθεση στην επιφάνεια, (καθίζηση, δράση της βαρύτητας - ξηρή απόθεση) και μέσω της βροχής (υγρή απόθεση). Μάλιστα, πολλές φορές τα αιωρούμενα σωματίδια επιτείνουν το μηχανισμό της υγρής απόθεσης διότι τα περισσότερα είναι υγροσκοπικά και πάνω τους συγκεντρώνονται οι υδρατμοί. Η δραστικότητα των δυο αυτών διεργασιών, και επομένως ο χρόνος παραμονής των αερολυμάτων στην Ατμόσφαιρα, είναι συνάρτηση των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών των αιωρούμενων σωματιδίων και του μεγέθους αυτών, καθώς και του χρόνου απελευθέρωσης και του τόπου.
Για την ειδική περίπτωση των πολύ μικρών θειικών σωματιδίων ( 0,01-0,1 μm) που απελευθερώνονται ή μορφοποιούνται κοντά στην επιφάνεια της Γης, ο μέσος χρόνος παραμονής στην Ατμόσφαιρα είναι της τάξης των μερικών ημερών. Αυτή η χρονική κλίμακα, όπως είναι κατανοητό, εξαρτάται από τη συχνότητα δημιουργίας και εμφάνισης και από τη βροχή. Στην περίπτωση σωματιδίων που μεταφέρονται ή μορφοποιούνται στην ανώτερη Τροπόσφαιρα, αυτά παραμένουν στην Ατμόσφαιρα για εβδομάδες ή και μήνες λόγω της μη εμφάνισης του μηχανισμού κάθαρσης της βροχής στα ύψη αυτά. Τα αερολύματα της Στρατόσφαιρας που μορφοποιούνται από την ηφαιστειακή δράση, είναι δυνατόν να παραμείνουν για ένα ή και δυο χρόνια.
Εικόνα 2: Η παγκόσμια κατανομή των αερολυμάτων και το ποσοστό εκείνων που είναι μεγάλα ή μικρά. Τα έντονα χρώματα δείχνουν ένα παχύ στρώμα αιωρούμενων σωματιδίων. Οι κίτρινες περιοχές είναι κυρίως χονδροειδή (coarse) μόρια, όπως η σκόνη, και οι κόκκινες περιοχές είναι κυρίως λεπτά (fine) αερολύματα, όπως ο καπνός ή η ρύπανση. Το γκρίζο χρώμα υποδεικνύει την απουσία δεδομένων για τη συγκεκριμένη περιοχή του χάρτη. (Πηγή: Robert Simmon, NASA, based on MODIS data from NASA Earth Observatory)
Τα ατμοσφαιρικά αερολύματα επηρεάζουν το κλίμα κατά δυο τρόπους: άμεσα μέσω των διεργασιών της ανάκλασης και απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας, στην Τροπόσφαιρα και στη Στρατόσφαιρα, και έμμεσα επηρεάζοντας τα νέφη στην Τροπόσφαιρα, καθώς ο αριθμός των υδροσταγόνων ενός νέφους εξαρτάται, μέσω πολύπλοκων μηχανισμών, από τον αριθμό των πυρήνων συμπύκνωσης ο οποίος εξαρτάται από τη συγκέντρωση των αερολυμάτων. Ο άμεσος και έμμεσος δυναμικός ρόλος των αερολυμάτων στην ακτινοβολία εξαρτάται σημαντικά από το μέγεθος των ιδίων των αερολυμάτων, καθώς και από τη χημική τους σύσταση. Τα αιωρούμενα σωματίδια με διάμετρο μεταξύ 0,1 και 1,0 μm εμφανίζουν τη μεγαλύτερη δραστικότητα στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία ακριβώς επειδή παρουσιάζουν συγκρίσιμο μέγεθος με τα μήκη κύματος της ακτινοβολίας. Τα θειικά αερολύματα και τα οργανικά σωματίδια είναι πολύ δραστικά στη σκέδαση και απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να συμβάλλουν στη μεταβολή του μικροκλίματος μιας περιοχής, προκαλώντας μείωση των ποσοστών ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνουν στο έδαφος. Τέτοιες μεταβολές όμως έχουν επιπτώσεις στη βιόσφαιρα γενικά. Τα σωματίδια με διάμετρο μικρότερη από 0,7 μm θα σκεδάζουν έντονα την ηλιακή ακτινοβολία μέσω του φυσικού μηχανισμού της σκέδασης Rayleigh, μερικά δε απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία – ιδίως τα σωματίδια αιθάλης στη φασματική περιοχή 380-560 nm. Τα μεγαλύτερα σωματίδια σκεδάζουν επίσης την ηλιακή ακτινοβολία μέσω της διεργασίας της σκέδασης Mie.
ii) Ετερόσφαιρα
Στην ετερόσφαιρα, δηλαδή πάνω από το ύψος των 90 km, η σύσταση της Ατμόσφαιρας διαφοροποιείται σημαντικά καθ’ ύψος, διότι επικρατεί η μοριακή διάχυση με αποτέλεσμα τη διάταξη των μορίων κατά μοριακές μάζες. Η διαδικασία της μοριακής διάχυσης γίνεται κατανοητή αν εξετασθεί η μεταβολή της πίεσης και της πυκνότητας των αερίων της Ατμόσφαιρας με το ύψος.
ΦΥΣΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ
Η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της Γης ορίζεται ως το βάρος της υπερκείμενης στήλης αέρα που εφαρμόζεται στη μονάδα επιφανείας. Στη Μετεωρολογία χρησιμοποιείται ως μονάδα ατμοσφαιρικής πίεσης το bar το οποίο αντιστοιχεί σε δύναμη 100.000 N (Νιούτον) που επιδρούν σε επιφάνεια 1 τετραγωνικού μέτρου. Επειδή το bar είναι αρκετά μεγάλη μονάδα μέτρησης και οι επιφανειακές μεταβολές της πίεσης μικρές έχει επικρατήσει το millibar (mb), όπου 1 bar = 1000 mb. Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) έχει επικρατήσει ως μονάδα μέτρησης το Pascal (Pa), το οποίο αντιστοιχεί σε δύναμη 1 Ν που εφαρμόζεται σε επιφάνεια 1 τετραγωνικού μέτρου. Ισχύει η εξής αναλογία: 1 bar = 1000 mb = 100.000 Pa = 1.000 hPa. Η τελευταία μονάδα (εκτοπασκάλ - hPa) είναι ίδια σε μέγεθος με το mb. Στην επιφάνεια της θάλασσας η μέση τυπική τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης είναι 1013,25 mb = 1013,25 hPa. Η πίεση σε μεγαλύτερα ύψη εξαρτάται από το βάρος της ατμοσφαιρικής στήλης από το συγκεκριμένο ύψος και πάνω. Έχει υπολογισεί πως η πίεση μεταβάλλεται εκθετικά με το ύψος, δηλαδή με πολύ γοργούς ρυθμούς.
Η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα είναι άλλο ένα φυσικό μέγεθος που μας ενδιαφέρει, και είναι ανάλογο με την πίεση. Αυτό σημαίνει πως μεταβάλλεται με παρόμοιο τρόπο καθ' ύψος, όπως η πίεση. Εν προκειμένω, η πυκνότητα ελαττώνεται εκθετικά. Τη μεταβολή των δυο αυτών μεγεθών αντικατοπτρίζει η εικόνα 3.
Εικόνα 3: Η μεταβολή της πίεσης (air pressure) και της πυκνότητας (air density) καθ' ύψος. Στην δεξιά στήλη φαίνεται μια προσομοίωση των μορίων του αέρα, και πως ελαττώνεται η πυκνότητά τους σε όλο και μεγαλύτερα υψόμετρα. (Πηγή: C. D. Ahrens, Essentials of Meteorology, 2010)
Εικόνα 4: Η μάζα της Ατμόσφαιρας συνδέεται εξ' ορισμού άμεσα με το μέγεθος της πυκνότητας. Η συνολική μάζα της Ατμόσφαιρας εκτιμάται πως είναι: ma=5,136 x 1018 kg (CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90th edition, Internet version, 2010). Η εκθετική μείωση της πίεσης καθ’ ύψος σημαίνει πως αν βρεθεί κάποιος σε υψόμετρο μόλις 5,5 km, θα έχει από πάνω του το 50% της μάζας του ατμοσφαιρικού αέρα. Το 75% της συνολικής μάζα της Ατμόσφαιρας βρίσκεται σε στρώμα ύψους 10 km από την επιφάνεια της Γης, ενώ το 99% συγκεντρώνεται κάτω από τα 40 km περίπου. (Πηγή: C. D. Ahrens, Essentials of Meteorology, 2010)
Η θερμοκρασία: Η φυσική σπουδή της Ατμόσφαιρα άρχισε περί το τέλος του 19ου αιώνα με τα αερόστατα και τους μετεωρολογικούς αετούς. Έκτοτε, η μεταβολή των μετεωρολογικών στοιχείων (θερμοκρασία, υγρασία, πίεση, διεύθυνση και ταχύτητα ανέμου) με το ύψος μελετήθηκαν εντατικά με τις ραδιοβολίδες, τους μετεωρολογικούς πυραύλους και τους δορυφόρους. Μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα ήταν γνωστή η μείωση της θερμοκρασίας με το ύψος. Ωστόσο, οι μετρήσεις που διεξάγονταν δεν υπερέβαιναν τα 10 km, οι επιστήμονες πίστευαν ότι η θερμοκρασία μειώνεται συνεχώς μέχρι το απόλυτο μηδέν (-273 ᵒC), στο ανώτερο όριο της Ατμόσφαιρας. Καθοριστική ήταν όμως η συμβολή του Léon Teisserenc de Bort, ο οποίος διαπίστωσε πως η μείωση της θερμοκρασίας αναχαιτίζεται στο ύψος των 11 km περίπου, όπου και αυτή παραμένει σταθερή καθ’ύψος.
Είδαμε προηγουμένως πώς μεταβάλλονται η πίεση και η πυκνότητα συναρτήσει του ύψους. Για τη θερμοκρασία δεν ισχύει κάποιο εκθετικό μοντέλο, αλλά παρατηρούνται διαδοχικές εναλλαγές της μεταβολής της θερμοκρασίας με την αύξηση του ύψους. Η διακύμανση της θερμοκρασίας προσδιορίστηκε επιτυχώς μέσα στον 20ο αιώνα με την πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας και την χρήση των δορυφόρων και των μετεωρολογικών πυραύλων στην υπηρεσία της Μετεωρολογίας. Με βάση την καθ’ ύψος μεταβολή της θερμοκρασίας, που φαίνεται στην εικόνα 5, προκύπτει το ακόλουθο μοντέλο κατακόρυφης διαίρεσης της Ατμόσφαιρας, κάθε ατμοσφαιρική περιοχή του οποίου εξετάζεται αναλυτικά στη συνέχεια. Το μοντέλο αυτό περιλαμβάνει την Τροπόσφαιρα, τη Στρατόσφαιρα, τη Μεσόσφαιρα και τη Θερμόσφαιρα. Η αναλυτική περιγραφή του κάθε στρώματος ακολουθεί στη συνέχεια.
Εικόνα 5: Η μεταβολή της μέσης πίεσης, της θερμοκρασίας (Τ), του μέσου μοριακού βάρους (Μ με παύλα από πάνω, που υποδεικνύει τη μέση τιμή) του ατμοσφαιρικού αέρα και της συγκέντρωσης μερικών ατμοσφαιρικών συστατικών, συναρτήσει του ύψους. Είναι ευδιάκριτη η σταθερότητα της χημικής σύστασης μέχρι το ύψος των 100 km περίπου (ομοιόσφαιρα), καθώς και η διάταξη των στοιχείων κατά μοριακό βάρος στην ετερόσφαιρα (>100 km). Ακόμη, φαίνεται η εκθετική μείωση της πίεσης (p) αλλά και της θερμοκρασίας (T). Φαίνεται δε πως η μεταβολή της θερμοκρασίας στη θερμόσφαιρα (~400 km και άνω) εξαρτάται σημαντικά από την ηλιακή δραστηριότητα: ένας ενεργός-active ήλιος σχετίζεται με μεγάλο αριθμό ηλιακών εκρήξεων). (Πηγή: U. S. Standard Atmosphere, 1976)
Τροπόσφαιρα
Η Τροπόσφαιρα αποτελεί την κατώτερη περιοχή της Ατμόσφαιρας και εκτείνεται από το έδαφος μέχρι το ύψος των 12 ± 4 km. To ύψος του ατμοσφαιρικού αυτού στρώματος εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και από την εποχή του έτους. Συγκεκριμένα, αυτή εκτείνεται μέχρι το ύψος των 7-8 km πάνω από τις πολικές περιοχές, 11-12 km πάνω από τις εύκρατες περιοχές και 16-17 km πάνω από τις ισημερινές περιοχές.
Η τροπόσφαιρα είναι γνωστή και σαν κατώτερη ατμόσφαιρα. Το τμήμα της τροπόσφαιρας που εκτείνεται από την επιφάνεια της γης μέχρι και το ύψος των 1.5 km περίπου αποτελεί το στρώμα τριβής. Μέσα σ' αυτό το στρώμα σημειώνονται οι περισσότερες ημερήσιες μεταβολές της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας, που επηρεάζεται σημαντικά από τα αποτελέσματα της τριβής που αναπτύσσεται εξαιτίας των ανωμαλιών και του ανάγλυφου της επιφάνειας της γης. Η τροπόσφαιρα, κύρια, χαρακτηρίζεται από:
α) μια ομοιόμορφη περίπου ελάττωση της θερμοκρασίας του αέρα με το ύψος. Η ελάττωση αυτή είναι κατά μέσο όρο ίση με 6.5°C/km ή 0,65 °C/100 m, και ονομάζεται κατακόρυφη θερμοβαθμίδα.
β) αύξηση της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος (λόγω της σταδιακά μειούμενης επίδρασης της τριβής της επιφάνειας) μέχρις ενός ορισμένου ορίου, με μέγιστη ταχύτητα που σημειώνεται, κατά προσέγγιση, στα ανώτερα όρια της τροπόσφαιρας.
γ) σημαντική περιεκτικότητα σε υδρατμούς, ιδιαίτερα στα κατώτερα στρώματα της.
δ) αξιόλογες κατακόρυφες κινήσεις του αέρα και
ε) συνεχή εναλλαγή ατμοσφαιρικών φαινομένων που συνιστούν στο σύνολο τον καιρό.
Από καθαρά μετεωρολογική πλευρά, η τροπόσφαιρα αποτελεί το πιο σημαντικό τμήμα της γήινης ατμόσφαιρας και κατέχει τα 80% περίπου της μάζας όλης της ατμόσφαιρας και σχεδόν ολόκληρη την ποσότητα των υδρατμών. Μέσα στην τροπόσφαιρα δημιουργούνται όλες σχεδόν οι ατμοσφαιρικές διαταράξεις, οι αλλαγές του καιρού και το σύνολο σχεδόν των μετεωρολογικών φαινομένων.
Η κύρια πηγή ενέργειας της τροπόσφαιρας είναι, κατά κύριο λόγο, η ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από την επιφάνεια της γης και θερμαίνει από κάτω την τροπόσφαιρα. Εξαιτίας της θέρμανσης στη βάση της, η τροπόσφαιρα είναι, κατ' εξοχή, ασταθής, με κύρια διεργασία τη μεταφορά της θερμότητας που είναι και υπεύθυνη για την ψύξη της (κατακόρυφη μεταφορά).
Η άνω οριακή περιοχή της τροπόσφαιρας ονομάζεται Τροπόπαυση. Αυτή αποτελεί περισσότερο μια μεταβατική ζώνη ανάμεσα στην τροπόσφαιρα και στο αμέσως υπερκείμενο στρώμα της ατμόσφαιρας (Στρατόσφαιρα), παρά ένα συγκεκριμένο διαχωριστικό όριο. Η τροπόπαυση, που αποτελεί μια ασυνεχή επιφάνεια, παρουσιάζει μια κλίση από τον Ισημερινό προς τους πόλους. Στη διάρκεια ολόκληρου του χρόνου αυτή παρουσιάζει μια ασυνέχεια (διακοπή) στην περιοχή με γεωγραφικό πλάτος 30-40°. Εξαιτίας αυτής της διακοπής τη διακρίνουμε σε τροπική και πολική τροπόπαυση.
Από τις δυο αυτές τροποπαύσεις, η τροπική επικρατεί σε μικρά γεωγραφικά πλάτη και φθάνει μέχρι το πλάτος των 35-40°, ενώ η πολική επικρατεί σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Πολλές φορές η τροπική τροπόπαυση επεκτείνεται και μέχρι το πλάτος των 45°, με αποτέλεσμα να επικαλύπτει την πολική τροπόπαυση σε μήκος 5° ως 10°. Συνεπώς, στα μέσα γεωγραφικά πλάτη ανευρίσκονται δύο τροποπαύσεις, η μια πάνω στην άλλη και σε μια κατακόρυφη μεταξύ τους απόσταση που κυμαίνεται από 2.5-5.0 km. Η απόσταση αυτή είναι μεταβλητή, με μέγιστη και ελάχιστη τιμή που σημειώνεται στη διάρκεια των χειμερινών και καλοκαιρινών μηνών, αντίστοιχα. Στα πλάτη αυτά και ανάμεσα από το διάστημα των δύο αυτών τροποπαύσεων έχει διαπιστωθεί και η ύπαρξη ενός στενού ρεύματος ανέμου με πολύ μεγάλες ταχύτητες, που είναι γνωστό με το όνομα αεροχείμαρος.
Θεωρώντας την τροπόπαυση σαν μια ενιαία επιφάνεια, το μέσο ύψος αυτής πάνω από τις διάφορες περιοχές κυμαίνεται από 16-17 km στις ισημερινές περιοχές, από 11-12 km στις εύκρατες και από 7- 8 km στις πολικές περιοχές. Στις παραπάνω τιμές του ύψους της παρατηρούνται και διακυμάνσεις τάξεως που κυμαίνεται από 0 έως 4 km. Οι διακυμάνσεις αυτές οφείλονται, αφενός, στις εποχές του έτους και, αφετέρου, στην επικράτηση των διαφόρων βαρομετρικών συστημάτων. Συγκεκριμένα, το ύψος της τροπόπαυσης γίνεται μεγαλύτερο στη διάρκεια της μεταβατικής περιόδου από καλοκαίρι στο φθινόπωρο και μικρότερο κατά τη μεταβατική περίοδο από χειμώνα προς άνοιξη. Επίσης, η τροπόπαυση, σε σχέση με τη στάθμη του μέσου ύψους της, ανευρίσκεται υψηλότερα πάνω σε περιοχές που επικρατούν αντικυκλωνικα συστήματα και χαμηλότερα πάνω σε περιοχές με επικράτηση υφεσιακών συστημάτων.
Τέλος, οι τιμές της θερμοκρασίας της τροπόπαυσης κυμαίνονται από -70 °C ως -80 °C πάνω από τις ισημερινές περιοχές και από -55 °C ως -60 °C πάνω από περιοχές μέσων γεωγραφικών πλατών. Συνεπώς, το ψυχρότερο τμήμα της ανώτερης τροπόσφαιρας βρίσκεται πάνω από το θερμότερο της επιφάνειας της γης. Επίσης, ένα κύριο γνώρισμα της τροπόπαυσης είναι η μη ύπαρξη κατακόρυφης μεταβολής της θερμοκρασίας. Το γενονός αυτό αποτελεί σημαντικό στοιχείο προσδιορισμού τόσο του ύψους όσο και του πάχους της τροπόσφαιρας.
Στρατόσφαιρα
Το ατμοσφαιρικό στρώμα που βρίσκεται πάνω από την Τροπόσφαιρα και που διαχωρίζεται από αυτήν με την Τροπόπαυση ονομάζεται Στρατόσφαιρα. Λαμβάνοντας υπόψιν τις φυσικές της ιδιότητες και κυρίως τις θερμοκρασιακές μεταβολές της, αυτή μπορεί να διακριθεί σε ανώτερη και κατώτερη Στρατόσφαιρα.
Η κατώτερη Στρατόσφαιρα χαρακτηρίζεται, αφενός, από μια αξιοσημείωτη ευστάθεια και, αφετέρου, από μη ουσιαστική μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος. Το στρώμα αυτό εκτείνεται από τα ανώτερα όρια της Τροπόπαυσης μέχρι τη στάθμη των 35 km περίπου. Μέσα στο στρατοσφαιρικό αυτό στρώμα οι κατακόρυφες κινήσεις των αερίων μαζών είναι σημαντικά περιορισμένες, σε σύγκριση με τις αντίστοιχες που σημειώνονται στα αμέσως γειτονικά στρώματα. Αντίθετα, η οριζόντια κυκλοφορία εμφανίζεται αξιόλογη και μάλιστα, όταν αυτή συνδέεται με τη μεταβολή των συστημάτων κυκλοφορίας, είναι πιο έντονη. Συχνά, μια τέτοια μεταβολή της οριζόντια κυκλοφορίας συνδέεται άμεσα με τα βαρομετρικά συστήματα που επικρατούν χαμηλότερα. Η οριζόντια αυτή κυκλοφορία χαρακτηρίζεται από την ισχύ, τις μεγάλες ταχύτητες του ανέμου και από την εμμονή της. Χαρακτηριστικό γνώρισμα της κατώτερης Στρατόσφαιρας είναι οι σχετικά χαμηλές τιμές της θερμοκρασίας και η μεγάλη ξηρασία της. Από τις χαμηλές τιμές της θερμοκρασίας στις διάφορες περιοχές αυτής προκύπτει ότι ελάχιστες ποσότητες υδρατμών είναι δυνατό να υπάρχουν. Ωστόσο, δημιουργούνται νέφη στη Στρατόσφαιρα, τα λεγόμενα πολικά στρατοσφαιρικά νέφη, τα οποία συνίστανται από νερό σε υγρή στερεή μορφή, και είναι ορατά καλύτερα στα πολικά γεωγραφικά πλάτη κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών, μόλις ο ήλιος περάσει τον ορίζοντα. Πάντως, σύννεφα με τη μορφή που τα συναντάμε στην Τροπόσφαιρα δεν παρατηρούνται στο στρώμα της Στρατόσφαιρας, ενώ απουσιάζουν ολοκληρωτικά τα καιρικά φαινόμενα.
Στην ανώτερη Στρατόσφαιρα, πάνω από το ύψος των 35 km, η θερμοκρασία αυξάνει συνέχεια μέχρι περίπου τους 0 °C περίπου στα 50-55 km. Η αύξηση της θερμοκρασίας με το ύψος οφείλεται ουσιαστικά στο στρώμα όζοντος που βρίσκεται εντός της ανώτερης Στρατόσφαιρας και απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία στα μήκη κύματος μεταξύ 2000 και 3000 Å, διεργασία που αποτελεί τη βασική πηγή θέρμανσης της Στρατόσφαιρας.
Η Στρατόσφαιρα θεωρείται πολύ πιο ευσταθής περιοχή από την Τροπόσφαιρα, λόγω του ότι κατά κανόνα, η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος. Αυτό όμως δε σημαίνει πως πρόκειται για μια ήρεμη περιοχή. Αντίθετα, στη διάρκεια του χειμώνα ή της άνοιξης, σε πολλές περιπτώσεις εκδηλώνονται πολύ βίαιες θερμοκρασιακές μεταβολής, κυρίως στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη (αιφνίδιες στρατοσφαιρικές θερμάνσεις).
Η διαχωριστική μεταβατική ζώνη ανάμεσα στη Στρατόσφαιρα και στο αμέσως υπερκείμενο ατμοσφαιρικό στρώμα καλείται Στρατόπαυση. Αυτή βρίσκεται σε ένα ύψος 50-55 km περίπου και είναι η περιοχή στην οποία η συνεχώς αυξανόμενη τιμή της θερμοκρασίας μέσα στη Στρατόσφαιρα αποκτά τη μέγιστη τιμή της. Εντός της Στρατόπαυσης, η θερμοκρασιακή συμπεριφορά χαρακτηρίζεται σχεδόν ισοθερμική.
Από κατάλληλους υπολογισμούς, προκύπτει πως η τιμή της πίεσης στη στάθμη της Στρατόπαυσης είναι περίπου ίση με 1 mb, εν αντιθέσει με την επιφάνεια της Γης, όπου η πίεση είναι ίση με 1000 mb. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι τα δυο ατμοσφαιρικά στρώματα της Τροπόσφαιρας και της Στρατόσφαιρας κατέχουν μαζί το 99,9% της συνολικής ατμοσφαιρικής μάζας!
Μεσόσφαιρα
Πάνω από τη Στρατόπαυση και όσο ανερχόμαστε σε μεγαλύτερα ύψη διαπιστώνεται μια δραματική πτώση της θερμοκρασίας, η οποία συνεχίζεται μέχρι το ύψος των 80-85 km περίπου. Στο ύψος αυτό η θερμοκρασία λαμβάνεται την τιμή -90 ᵒC ή και ακόμη χαμηλότερη. Η περιοχή αυτή της Ατμόσφαιρας ονομάζεται Μεσόσφαιρα. Σε αυτήν κυριαρχούν οι δυνάμεις βαρύτητας και ενδογενούς πίεσης, καθώς και από την υπεριώδη ακτινοβολία που συμβάλλει ουσιαστικά στο θερμικό ισοζύγιο. Βρίσκεται σε ύψη πολύ μεγάλα για να προσεγγισθούν από αεροσκάφη ή κάθε είδους μπαλόνια και πολύ χαμηλά για να τεθούν σε τροχιά διαστημόπλοια. Είναι ένα στρώμα προσβάσιμο μόνο μέσω πυραύλων ραδιοβολήσεων.
Η Μεσόσφαιρα, κατά κανόνα, χαρακτηρίζεται από την απότομη μεταβολή (πτώση) της θερμοκρασίας και από τις διαταρακτικές κινήσεις πάνω από ένα στρώμα με θερμότερο αέρα (τη Στρατόσφαιρα). Η ελάττωση της θερμοκρασίας οφείλεται σε διάφορους παράγοντες, μεταξύ των οποίων οι εκπομπές ακτινοβολίας του CO2 και η απουσία του όζοντος. Από το υπόλοιπο της ατμοσφαιρικής μάζας που δεν περιέχεται στην Τροπόσφαιρα και στη Στρατόσφαιρα, δηλαδή από το υπόλοιπο 0,1%, το 99% το κατέχει η Μεσόσφαιρα και την υπόλοιπη το αμέσως υπερκείμενο στρώμα (Θερμόσφαιρα).
Η διαχωριστική ζώνη ανάμεσα στη Μεσόσφαιρα και στο αμέσως υπερκείμενο στρώμα ονομάζεται Μεσόπαυση. Βρίσκεται σε ένα ύψος γύρω στα 80 km και αποτελεί το ανώτερο περίπου όριο της ομοιόσφαιρας (περίπου στην ίδια περιοχή με την τυρβόπαυση). Χαρακτηρίζεται από ένα θερμοκρασιακό ελάχιστο που φθάνει ακόμη και τους -150 ᵒC. Η θερμοκρασιακή αυτή τιμή δε σημειώνεται σε καμία άλλη περιοχή της γήινης Ατμόσφαιρας ή της επιφάνειας του πλανήτη.
Λίγο κάτω από τη Μεσόπαυση, ο αέρας είναι τόσο ψυχρός ώστε τα μόρια νερού εξαχνώνονται σχηματίζοντας τα φωτεινά ή φωσφορίζονται νέφη (noctilucent clouds). Πρόκειται για τα υψηλότερα νέφη της Ατμόσφαιρας, και είναι παρατηρήσιμα όταν το φως του Ήλιου ανακλάται πάνω τους μια με δυο ώρες μετά τη δύση ή πριν την ανατολή, δηλαδή όταν ο ήλιος βρίσκεται 4-16° κάτω από τον ορίζοντα. Στο στρώμα αυτό παραηρούνται ακόμη και δυο είδη ηλεκτρικών εκκενώσεων, τα sprites και τα ELVES, πολύ ψηλότερα από τα Τροποσφαιρικά νέφη καταιγιδών. Η Μεσόσφαιρα, τέλος, είναι η περιοχή όπου φλέγονται οι μετεωρίτες που εισέρχονται στην Ατμόσφαιρα.
Θερμόσφαιρα
Τα ανώτερα όρια της Μεσόπαυσης αποτελούν τα κατώτερα όρια ενός νέου ατμοσφαιρικού στρώματος που είναι γνωστό σαν Θερμόσφαιρα. Αυτή χαρακτηρίζεται από συνεχή αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της υψηλής ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας, εκτός από τη σχεδόν ισόθερμη βάση της, μέχρι των ανώτερων ορίων της, τα οποία δεν είναι σαφώς καθορισμένα διότι εξαρτώνται σημαντικά από την ηλιακή δραστηριότητα και κυμαίνονται στα 500-1000 km περίπου, όπου επικρατεί θερμοκρασία 1000 ᵒK ή και ακόμη μεγαλύτερη.
Οι τιμές της θερμοκρασίας της Θερμόσφαιρας παρουσιάζουν μεγάλες μεταβολές που εξαρτώνται από το γεωγραφικό πλάτος, την ώρα της ημέρας και την ηλιακή ακτινοβολία. Πραγματικά, στην περίοδο του ελαχίστου των ηλιακών κηλίδων η μέση τιμή της θερμοκρασίας φθάνει τους 750 ᵒK, ενώ κατά το μέγιστο της δραστηριότητας των ηλιακής κηλίδων, αυτή φθάνει και τους 1300 ᵒK. Σε περιπτώσεις ηλιακών εκλάμψεων έχουν σημειωθεί και τιμές μεγαλύτερες των 1700 ᵒK. Η πυκνότητα των μορίων των αερίων όμως είναι πολύ μικρή σε αυτό το στρώμα, και έτσι η θερμοκρασία δεν έχει τη συνήθη έννοια που αντιλαμβανόμαστε καθημερινά, αλλά συνδέεται με την κινητική ενέργεια των μορίων. Είναι αξιοθαύμαστο το γεγονός πως ένας άνθρωπος δεν θα αισθανόταν τις υψηλές θερμοκρασίες στη Θερμόσφαιρα, εξαιτίας της πολύ μικρής πίεσης και πυκνότητας του αέρα, που δεν θα επέτρεπαν τη μεταγωγή σημαντικών ποσών θερμότητας από ή προς το δέρμα.
Η σημαντική αυτή αύξηση της θερμοκρασίας στη Θερμόσφαιρα αποδίδεται στους ακόλουθους παράγοντες:
α) στη μεγάλη αραίωση του αέρα στα μεγάλα αυτά ύψη,
β) στην έλλειψη τριατομικών μορίων,
γ) στην παρουσία ηλιακής ακτινοβολίας με μήκη κύματος μικρότερα των 1750 Å και
δ) στην ενέργεια που εκλύεται από διάφορες εξώθερμες χημικές αντιδράσεις.
Οι υψηλές τιμές της θερμοκρασίας επιβεβαιώνουν την έλλειψη διεργασιών απόψυξης του θερμοσφαιρικού στρώματος. Η μόνη σημαντική διεργασία ψύξης της Θερμόσφαιρας γίνεται με αγωγή της θερμότητας προς τα κάτω. Τέλος, στη Θερμόσφαιρα παρατηρείται πλήρης απουσία νεφών και μορίων υδρατμών, ωστόσο λαμβάνουν χώρα μη-υδρομετεωρολογικά φαινόμενα όπως το Βόρειο και το Νότιο Σέλας.
Το ανώτερο όριο της Θερμόσφαιρας, όπου παύει η αύξηση της θερμοκρασίας, αποτελεί την περιοχή της Θερμόπαυσης. Από εκεί και πάνω η Ατμόσφαιρα είναι ισόθερμη και ονομάζεται Εξώσφαιρα. Η βάση της βρίσκεται σε ύψος που κυμαίνεται από 400-1000 km, το οποίο εξαρτάται από την ηλιακή δραστηριότητα, ενώ εκτείνεται μέχρι περίπου τα 10.000 km. Η εξώσφαιρα ουσιαστικά αναμειγνύεται με το διάστημα και η πυκνότητα της Ατμόσφαιρας εξισώνεται με αυτή του διαπλανητικού υλικού.
Το στρώμα της Εξώσφαιρας αποτελείται κυρίως από μικρές συγκεντρώσεις υδρογόνου, ηλίου και άλλων βαρέων μορίων, συμπεριλαμβανομένων του αζώτου, του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα κοντά στην βάση της. Τα μόρια βρίσκονται σε τόσο μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους ώστε για να συγκρουστούν διανύουν δεκάδες ή και εκατοντάδες χιλιόμετρα (η μέση ελεύθερη διαδρομή είναι κατά μέσο όρο 1,6 km), γεγονός που είναι και ο λόγος για να θεωρούμε την Εξώσφαιρα ως μια περιοχή από την οποία μπορούν να διαφύγουν στο διάστημα τα ουδέτερα άτομα των μορίων.
Η Εξώσφαιρα τοποθετείται πάρα πολύ μακριά από την επιφάνεια της Γης, οπότε δεν δύναται να συμβούν μετεωρολογικά φαινόμενα. Κοντά όμως στη βάση της Εξώσφαιρας, που αναμειγνύεται με τη Θερμόπαυση, λαμβάνουν χώρα το Βόρειο και το Νότιο Σέλας. Στην Εξώσφαιρα βρίσκεται η πλειοψηφία των δορυφόρων που έχουν τεθεί σε τροχιά γύρω από τη Γη.
Εικόνα 6: Τρισδιάστατη απεικόνιση των τεσσάρων στρωμάτων της Ατμόσφαιρας. Τα στρώματα είναι σχεδιασμένα στη σωστή κλίμακα υψών, αλλά τα αντικείμενα, όπως το μετεωρολογικό μπαλόνι δεν είναι υπό ρεαλιστική κλίμακα. (Πηγή: Wikipedia)
Είδαμε λοιπόν την διαστρωμάτωση της Ατμόσφαιρας με βάση την κατακόρυφη μεταβολή της θερμοκρασίας. Έτσι, έχουμε πλέον ολοκληρώσει την βασική περιγραφή την γήινης ατμόσφαιρας. Σε αυτό το ταξίδι εξετάσαμε την εξελικτική πορεία της γήινης Ατμόσφαιρας, παράλληλα με τα στάδια δημιουργίας και εξέλιξης του πλανήτη μας. Εμβαθύναμε στην χημική σύσταση της σε όλα τα ύψη, γνωρίζοντας και τα κυριότερα αέρια συστατικά της και τη σπουδαιότητα αυτών. Τέλος, κάνοντας μια σύντομη αναφορά σε τρια βασικά φυσικά μεγέθη που χαρακτηρίζουν τον ατμοσφαιρικό αέρα, διακρίναμε τα στρώματα που απαρτίζουν την Ατμόσφαιρα με βάση την κατακόρυφη θερμοβαθμίδα. Ωστόσο, υπάρχουν πολλές ακόμη πτυχές του χαοτικού Ατμοσφαιρικού συστήματος που αξίζει να εξετασθούν και αρκετές ακόμη ιδιότητες και παράμετροι που σταδιακά μπορούν να αναλυθούν.
Πηγές – Βιβλιογραφία (δεν συμπεριλαμβάνονται όσες αναγράφονται ήδη στις λεζάντες των διαφόρων εικόνων των τριών μερών του αφιερώματος):
Σημειώσεις εισαγωγής στη Φυσική της Ατμόσφαιρας, Κ. Βαρώτσος – Γ. Καρράς, τεύχος 1ο, κεφάλαιο 1, Ε.Κ.Π.Α., Τμήμα Φυσικής, Αθήνα, 2000
Εισαγωγή στη Φυσική Μετεωρολογία, Κ. Π. Ιακωβίδης, κεφάλαια 1 & 2, Ε.Κ.Π.Α., Τομέας Περιβάλλοντος & Μετεωρολογίας, Αθήνα, 2009
Ατμόσφαιρα, Κ. Βαρώτσος, κεφάλαια 1 & 2, Εκδόσεις Συμμετρία, Αθήνα, 2008
Φυσική Κλιματολογία, Χ. Σ. Σαχσαμάνογλου – Α. Α. Μπλούτσος, κεφάλαιο 7, Α.Π.Θ., Τομέας Μετεωρολογίας & Κλιματολογίας, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 1998
Χημεία Περιβάλλοντος, Θ. Κουϊμτζής – Κ. Φυτιάνος – Κ. Σαμαρά-Κωνσταντίνου, κεφάλαια 2 & 3, Α.Π.Θ., University Studio Press, Θεσσαλονίκη, 1998
Μαθήματα Γεωργικής Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας, Α. Χρονοπούλου-Σερέλη – Α. Α. Φλόκας, κεφάλαιο 1, Εκδόσεις Ζήτη, 2010
Μαθήματα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας, Α. Α. Φλόκας, κεφάλαιο 1, Εκδόσεις Ζήτη, 1997
Γενική Κλιματολογία με στοιχεία Μετεωρολογίας, Π. Μαχαίρας – Χ. Μπαλαφούτης, κεφάλαιο 3, University Studio Press, Θεσσαλονίκη 1984 (ανατύπωση 1997)
Καιρός: ο γιος της Γης και του Ήλιου, Δ. Ζιακόπουλος, τόμος 1: «η γνώση», κεφάλαιο 1, Αθήνα, 2008
Ειδικά κεφάλαια ατμοσφαιρικής Φυσικής και Χημείας, Κ. Βαρώτσος, 2η έκδοση (βελτιωμένη), κεφάλαια 3, 5 & 10, Εκδόσεις Συμμετρία, Αθήνα, 2014
Αρχές Μετεωρολογίας - Κλιματολογίας, Π. Κατσαφάδος - Η. Μαυροματίδης, κεφάλαιο 2, Χαροπόκειο Πανεπιστήμιο, Αθήνα, 2010
* * *
Ο σκοπός του παρόντος αφιερώματος ήταν εξαρχής η γνωριμία με τον υπέροχο κόσμο της γήινης Ατμόσφαιρας. Θα ήταν ιδιαίτερη χαρά για εμένα να επετεύχθη αυτή η γνωριμία, και ο εμπλουτισμός των γνώσεων όσων ανταποκρίθηκαν και "ταξίδεψαν" μέσα στα τρία άρθρα του αφιερώματος. Ακόμη μεγαλύτερη θα ήταν η αξία του αφιερώματος αν αποτελούσε μια πηγή βιβλιογραφίας αλλά και ένα έναυσμα για περαιτέρω μελέτη για τους ερασιτέχνες μετεωρολόγους και τους καιρόφιλους του Meteoclub.gr και όχι μόνο!
Επιμέλεια: Μιχαήλ Καρδαμάκης (michail)