Ατμόσφαιρα της Γης

Με τον όρο ατμόσφαιρα της Γης εννοούμε το αέριο στρώμα που περιβάλλει τη Γη και συγκρατείται λόγω της βαρύτητάς της, φτάνοντας πρακτικά σε ύψος 3.500 χιλιομέτρων. Το όριο ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και το διάστημα δεν είναι αυστηρά καθορισμένο. Καθώς μεγαλώνει η απόσταση της από τη Γη η ατμόσφαιρα σταδιακά εξασθενεί και εξαφανίζεται σιγά σιγά στο διάστημα. Το υψόμετρο των 122 χλμ. ορίζει το σημείο που τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα γίνονται αισθητά κατά τη διάρκεια της επανεισόδου στην ατμόσφαιρα. Η γραμμή Κάρμαν στα 100 χλμ. λαμβάνεται επίσης συχνά σαν το σύνορο ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και το διάστημα. Η ατμόσφαιρα προστατεύει τη ζωή στη Γη με το να απορροφά την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, να θερμαίνει την επιφάνεια της με την παρακράτηση της θερμότητας (φαινόμενο του θερμοκηπίου) και να μειώνει τις αυξομειώσεις της θερμοκρασίας ανάμεσα στη μέρα και τη νύχτα. Στην ατμόσφαιρα της Γης οφείλεται η ύπαρξη ζωής, εφόσον σε αυτήν οφείλονται η απορρόφηση μεγάλου τμήματος της υπεριώδους ακτινοβολίας και η μείωση της διαφοράς των ακραίων θερμοκρασιών που θα υπήρχαν μεταξύ ημέρας και νύχτας χωρίς αυτήν χάρη στην παρακράτηση της θερμότητας (Φαινόμενο του θερμοκηπίου). Ο ξηρός αέρας αποτελείται κατά 78,08 % από άζωτο, 20,95% από οξυγόνο, 0,93% από αργό, 0,0395% από διοξείδιο του άνθρακα και από ίχνη άλλων αερίων. Η σύνθεσή της από την επιφάνεια της θάλασσας και μέχρι τα 80-100 χιλιόμετρα ύψος, παραμένει σχεδόν αμετάβλητη. Αντίθετα η πυκνότητά της ατμόσφαιρας ελαττώνεται πολύ γρήγορα, έτσι ώστε η αναπνοή στη κορυφή του Έβερεστ (8.848 μ.) να είναι πολύ δύσκολη μέχρι αδύνατη, αφού η πυκνότητά της εκεί, φθάνει μόλις τα 1/3 της πυκνότητας που παρατηρείται στην επιφάνεια της θάλασσας.

 Ο ατμοσφαιρικός αέρας αποτελεί μείγμα πολλών αερίων, με το μεγαλύτερο ποσοστό σε όγκο να κατέχει το άζωτο (78%) και το οξυγόνο (21%). Εκτός αυτών, υπάρχει το διοξείδιο του άνθρακα, ευγενή αέρια, ίχνη υδρογόνου, όζοντος κλπ. Στην ατμόσφαιρα επίσης αιωρούνται σχεδόν πάντα και μόρια κονιορτού, καπνού, άλατος (από τα σταγονίδια των κυμάτων) κλπ., καθώς και μεγάλη επίσης ποσότητα υδρατμών που προέρχεται από την εξάτμιση θαλασσών, λιμνών, ποταμών κλπ. Το ποσό των υδρατμών αυτών μεταβάλλεται συνεχώς, αφού αυξάνει με την εξάτμιση και ελαττώνεται με τη πτώση ή εναπόθεση ως βροχή ή άλλων μορφών υετού στην επιφάνεια της Γης. Η μεταβολή αυτή είναι και η κύρια αιτία, ως ένα βαθμό, για τις ευρείες μεταβολές των καιρικών φαινομένων σε έναν τόπο. Βέβαια, σε σύγκριση προς τη συνολική μάζα του αέρος, η εκάστοτε ποσότητα των υδρατμών στην ατμόσφαιρα είναι πολύ μικρή. Η σπουδαιότητα της ύπαρξης όμως αυτών των υδρατμών διαφαίνεται από το γεγονός ότι απορροφούν το 11% της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ εκλύουν μεγάλη ποσότητα θερμοκρασίας κατά τη συμπύκνωσή τους, που αν δεν υπήρχαν, ίσως η ζωή στη Γη να ήταν αδύνατη. Γενικά, για να δημιουργηθούν οι περισσότερες ατμοσφαιρικές διαταράξεις, πηγές των καιρικών φαινομένων, δύο είναι οι κύριοι παράγοντες η θερμότητα και ο υδρατμός. Για τούτο και ο υδρατμός από μετεωρολογικής άποψης, αποτελεί το σπουδαιότερο συστατικό της γήινης ατμόσφαιρας. Η ατμόσφαιρα είναι εκείνη, που συγκρατεί την υπεριώδη ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος, μέρος από τη κοσμική ακτινοβολία, είναι εκείνη που προκαλεί τους χρωματισμούς του ουρανού και των νεφών, ενώ συγχρόνως αποτελεί το μέσον στη διάδοση του ήχου, αλλά και στη διάχυση του φωτός. Χωρίς αυτή, ο Ουρανός θα ήταν σκοτεινός, ενώ στη σκιά θα επικρατούσε πλήρες σκότος και οι αστέρες θα έλαμπαν με σταθερό φως συνέχεια, νύκτα και μέρα. Επίσης, η διάθλαση που συντελεί στο φαινόμενο τα ουράνια σώματα να φαίνονται υπερυψωμένα δεν θα υπήρχε, αλλά και ούτε αντικατοπτρισμός θα δημιουργούνταν. Το όριο ανάμεσα στη γήινη και την ηλιακή ατμόσφαιρα δεν είναι ορισμένο με ακρίβεια: Το εξωτερικό σύνορο της ατμόσφαιρας αντιστοιχεί στην απόσταση στην οποία τα μόρια των ατμοσφαιρικών αερίων δεν υπόκεινται πλέον στην έλξη της γης και την επίδραση του μαγνητικού της πεδίου. Οι συνθήκες αυτές ισχύουν σε ένα υψόμετρο που ποικίλει ανάλογα με το γεωγραφικό μήκος και συνήθως είναι στα 60 χλμ. πάνω από τους πόλους και στα 30 χλμ. πάνω από τον ισημερινό. Αυτά τα νούμερα είναι απλά ενδεικτικά: το γήινο μαγνητικό πεδίο παραμορφώνεται διαρκώς από τον ηλιακό άνεμο. Η πυκνότητα της ατμόσφαιρας, επίσης, παρουσιάζει σημαντικές αυξομειώσεις. Εξάλλου η ατμόσφαιρα, όπως και το νερό των θαλασσών, υπόκειται στην επίδραση της τροχιάς του συστήματος Γη-Σελήνη και τις παρεμβολές της βαρύτητας της Σελήνης και του ήλιου. Για τον ίδιο λόγο που τα μόρια των αερίων, όντας ελαφρύτερα και λιγότερο στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους από τα μόρια του νερού, έχουν μεγαλύτερη ελευθερία κινήσεων από τα τελευταία, έτσι και οι ατμοσφαιρικές παλίρροιες είναι πολύ πιο έντονα φαινόμενα από τις θαλάσσιες.Το ατμοσφαιρικό στρώμα μέχρι τα 80-100 χιλιόμετρα ύψος ονομάζεται ομοιόσφαιρα, καθώς επικρατούν συνθήκες πλήρους μίξης και ο αέρας έχει σταθερό μοριακό βάρος. Πάνω από αυτό το όριο (τυρβόπαυση) υπάρχει η ετερόσφαιρα. Η πυκνότητα εκεί είναι τόσο μικρή που τα μόρια και τα άτομα συγκρούονται λιγότερο συχνά με αποτέλεσμα τα αέρια να διαστρωματώνονται ανάλογα με το μοριακό τους βάρος. Επίσης, ουσίες που φυσιολογικά είναι αντιδραστικές (π.χ. τα ελεύθερα ριζικά) παρουσιάζουν μεγάλους χρόνους παραμονής στην ετερόσφαιρα, λόγω της ελάχιστης πυκνότητας των μορίων της ύλης. Μολονότι οι τελευταίες αραιότερες παρυφές της ατμόσφαιρας φτάνουν σε ύψος χιλιάδων χιλιομέτρων, το 99% της συνολικής της μάζας περιέχεται σε μία ζώνη από την επιφάνεια (ύψος 0) μέχρι του ύψους των 30 χιλιομέτρων. Μια νέα μελέτη μαρτυρά πως το μέγεθος της ατμόσφαιρας του πλανήτη Γη απλώνεται και πέρα από τη Σελήνη, καθώς αυτή είναι σχεδόν διπλάσιας απόστασης Γης και Σελήνης. Μια νεότερη εκτίμηση παλιών αρχείων παρατηρήσεων δείχνει ότι η ατμόσφαιρα φτάνει έως 630.000 χιλιόμετρα ή αλλιώς σχεδόν 50 φορές όσο η γήινη διάμετρος. Αυτό προκύπτει από παρατηρήσεις του αμερικανικού ηλιακού παρατηρητηρίου SOHO που χρονολογούνται γύρω στο 2017 και η νέα έρευνα φέρεται να έγινε το 2019 όπως επισήμανε ο Ίγκορ Μπαλιούκιν από το Ινστιτούτο Διαστημικών Ερευνών της Ρωσίας. Οδηγούμαστε έτσι στο συμπέρασμα ότι η Σελήνη κινείται χάρη σε αυτή την ατμόσφαιρα. Στην εξώσφαιρα, δηλαδή στο σημείο όπου παρατηρείται ανάμειξη της ατμόσφαιρας με το διάστημα, υπάρχει ένα νέφος που ανακαλύφθηκε με το SWAN του SOHO, αποτελείται από άτομα υδρογόνου και λέγεται γεωκορώνα. Αυτή μαρτυρά την ύπαρξη αραιής ατμόσφαιρας πέρα από το φεγγάρι. Στην πρώτη κιόλας φωτογραφία από το τηλεσκόπιο στη Σελήνη το 1972 που τοποθέτησαν οι αστροναύτες από το Απόλλων 16, εμφανίζεται η εικόνα μιας γεωκορώνας που λάμπει στο υπεριώδες φως. Όμως δεν έγινε αντιληπτό ότι αυτή συμπεριλαμβάνει τη Σελήνη μέσα της. Τα άτομα υδρογόνου γίνονται αντιληπτά μέσω ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος, του Lyman-alpha, από το υπεριώδες φως. Αυτά τα άτομα απορροφούν και εκπέμπουν. Αυτό το φως μπορεί να είναι ορατό μόνο από το διάστημα λόγω του ότι εκπέμπεται από τη γήινη ατμόσφαιρα. Άρα το SOHO μπορεί να καταγράψει το υπεριώδες φως Lynam-alpha από τη γεωκορώνα. Μπορούμε να πούμε ότι μια πυκνότητα 70 ατόμων υδρογόνου/κυβικό εκατοστό, παρατηρήθηκε ότι σε απόσταση 60.000 χιλιομέτρων από τη Γη, Κάτι που στη Σελήνη δε συμβαίνει γιατί η πυκνότητα φτάνει μόλις τα 0.02 άτομα/κυβικό εκατοστό. Τα άτομα υδρογόνου δε συνιστούν κίνδυνο για περαιτέρω μελέτες αλλά η γεωκορώνα είναι δυνατό να κάνει παρεμβόλες σε τηλεσκόπια κοντά της ή σε παρατηρήσεις από το έδαφος της Σελήνης. Φιλόσοφοι όπως ο Αριστοτέλης και ο Εμπεδοκλής, εμπνευσμένοι από τη διαφάνεια, την ομοιογένεια και την αφθονία του αέρα οδηγήθηκαν σε πρώιμα συμπεράσματα σχετικά με τη φύση του. Τον κατέταξαν μαζί με το νερό, τη φωτιά και τη γη, στα τέσσερα πρωταρχικά στοιχεία του Σύμπαντος, σκέψη που διατηρήθηκε στο πέρασμα των αιώνων έως τον Μεσαίωνα. Σήμερα γνωρίζουμε βεβαίως ότι ο ατμοσφαιρικός αέρας δεν είναι ένα ομοιογενές αέριο, αλλά μείγμα διαφόρων αερίων. Το θεμέλιο για αυτό έθεσε ο σπουδαίος Λεονάρντο Ντα Βίντσι (Leonardo Da Vinci, 1452-1519) ο οποίος παρατήρησε ότι αέρας που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την αναπνοή ή την τροφοδότηση της φωτιάς παύει να συντελεί στην καύση. Έναν αιώνα μετά, το έτος 1624, ο Φλαμανδός γιατρός Γιαν φαν Χέλμοντ (Jan van Helmont, 1579-1644) διαπίστωσε ότι ο αέρας δεν είναι στοιχείο εφόσον αποτελείται από ένα ή περισσότερα αέρια με διαφορές στη συμπεριφορά τους (εκείνος τα ονόμαζε ατμούς). Στην αντίληψη του αυτή συνέτεινε η παρατήρηση ότι ο αέρας περιέχει επίσης υγρή και στερεή φάση. Δυστυχώς, η επιστημονική κοινότητα της εποχής απέρριψε τις απόψεις του φαν Χέλμοντ. Τα επόμενα χρόνια επιφανείς επιστήμονες προσπάθησαν να τεκμηριώσουν την πραγματική φύση του αέρα, όμως αυτό στάθηκε αδύνατο εξαιτίας του πλήθους των ασύνδετων μεταξύ τους γνώσεων και της πολυπλοκότητας της κατάστασης έως την ανακάλυψη του αζώτου το 1772 και του οξυγόνου το 1774. Η τιμή ανήκει στον πατέρα της θεωρίας της καύσης και της σύγχρονης χημείας τον Γάλλο Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ (Antoine Laurent Lavoisier, 1743-1794) που παραβλέποντας τα περιττά και συνδυάζοντας τις τεκμηριωμένες εμπειρίες που είχαν συσσωρευτεί εν τω μεταξύ, υποστήριξε ότι ο αέρας είναι μείγμα οξυγόνου και αζώτου και συγκεκριμένα, το 1/5 ήταν το αέριο του Πρίστλεϊ που ο Λαβουαζιέ ονόμασε οξυγόνο, τα δε 4/5 ήταν το αέριο του Ράδερφορντ, το άζωτο. Η ακριβής αναλογία των δυο αυτών στοιχείων στον αέρα βρέθηκε το 1784 από τον Κάβεντις, που υποστήριξε πως η σύστασή τους είναι σταθερή παντού. Η χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας μέχρι το ύψος των 80-100 χλμ. είναι σχεδόν αμετάβλητη. Ανάλογα όμως της μεταβολής της θερμοκρασίας διακρίνονται σε αυτή τα ακόλουθα στρώματα: Τροπόσφαιρα, από ύψος 0 μέχρι 9-18 χλμ. (ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος) όπου και η τροπόπαυση. Στρατόσφαιρα, από την τροπόπαυση μέχρι τα 50 χλμ. όπου και η στρατόπαυση. Μεσόσφαιρα, από τη στρατόπαυση μέχρι τα 80 χλμ. όπου και η μεσόπαυση. Θερμόσφαιρα ή Ιονόσφαιρα, από τη μεσόπαυση μέχρι 800 χλμ. όπου η θερμόπαυση. Σε αυτό το κομμάτι της ατμόσφαιρας βρίσκεται ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός ISS. Και τέλος Εξώσφαιρα, από θερμόπαυση μέχρι 3.500 χλμ.Σημαντικότερο στρώμα, τόσο για τη Μετεωρολογία, όσο ιδιαίτερα για τους ναυτιλλομένους, είναι η Τροπόσφαιρα, αφού εντός αυτής λαμβάνουν χώρα όλες οι μεταβολές του καιρού και όλα τα μετεωρολογικά φαινόμενα. 1η Σημείωση: Η εν λόγω κατακόρυφη δομή ορίσθηκε κατά τη Μετεωρολογία και μόνο, και ουδεμία σχέση έχει με τη διαστρωμάτωση που κάνει η Αστρονομία για τον πλανήτη Γη. 2η Σημείωση: Η παραπάνω κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας σε στρώματα και καθορισμού ύψους εκάστου ορίσθηκε το 1962 από τον Παγκόσμιο Μετεωρολογικό Οργανισμό (W.M.O.). Ο συνδυασμός των φωτεινών και λοιπών ακτινοβολιών του Ήλιου, η διαφορετική πυκνότητα των στρωμάτων της ατμόσφαιρας και τα διαφορετικά φυσικά χαρακτηριστικά (όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η υγρασία), η εκάστοτε μορφή των υδρατμών (αέρια, υγρά και στερεά) στην ατμόσφαιρα όπως και άλλοι παράγοντες π.χ. ιονισμένα άτομα και μόρια των αερίων (ιόντα), προκαλούν σειρά από διάφορα οπτικά, ακουστικά και ηλεκτρικά φαινόμενα. Τα φαινόμενα αυτά συμπληρώνουν το περιβάλλον που θεάται ο παρατηρητής. Και τέτοια φαινόμενα είναι το χρώμα του Ουρανού, τα χρώματα της ανατολής και της δύσης του Ηλίου, η Ηλιακή και η Σεληνιακή άλως, το ουράνιο τόξο, το πολικό Σέλας, η διάθλαση, ο αντικατοπτρισμός κλπ. Η αλληλεπίδραση ατμόσφαιρας και θάλασσας είναι όχι μόνο έντονη αλλά και σπουδαία, η ακριβής έκταση της οποίας όμως ακόμη δεν έχει πλήρως εξακριβωθεί. Μερικές από τις αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις είναι: η δημιουργία των κυμάτων, των ανέμων, των ρευμάτων, κλπ. Ατμοσφαιρική πίεση, Θερμοκρασία ατμόσφαιρας, Υγρασία ατμόσφαιρας Ηλιακή ακτινοβολία, Ατμοσφαιρική ενέργεια, Ατμοσφαιρικά φαινόμενα, Άνεμος, Υετός, Βασική Παγκόσμιος Εγκυκλοπαίδεια Χάρη Πάτση, τόμος 2, σελ.29 Γλωσσάριο Μετεωρολογίας (αγγλικά) NASA's Earth Fact Sheet