Atmosfäär

Struktuur

Õhurõhk ja tihedus atmosfääris kõrguse kasvades vähenevad. Õhu temperatuuriprofiil on seevastu veidi keerulisem. Maa atmosfääri saab jagada viieks kihiks.

Teised kihid

Osoonikiht paikneb stratosfääris. Osooni kontsentratsioon selles kihis on 2–8 ppm (parts per million). Osoonikiht paikneb umbes 15–35 km kõrgusel, paksus varieerub ajas (aastaaegadel) ja paigas. Umbes 90% osoonist (O₃) paikneb stratosfääris.
Ionosfäär on päikesekiirgusest ioniseeritud atmosfääri osa. Ionosfäär ulatub 50–1000 km kõrguseni ning katab tavaliselt nii eksosfääri kui ka termosfääri. Ionosfääris paiknevad ka virmalised.
Homosfäär ja heterosfäär erinevad teineteisest segunenud gaaside poolest. Homosfääris ei olene keemiline atmosfääri paigutus molekulmassist, sest gaasid on turbulentsi tõttu segatud . Heterosfääris sõltub gaaside paigutus kõrgusest ning selles kihis paigutuvad gaasid molekulaarmassi alusel. Suurema molekulmassiga gaasid, nagu lämmastik ja hapnik, paiknevad ainult heterosfääri allosas. Heterosfääri ülaosas leidub enamjaolt ainult vesinikku. Pinna piirkiht on troposfääri osa, mis on maapinnale kõige lähemal. Seda kihti mõjutab otseselt õhu turbulentne liikumine ööpäeva jooksul. Keskmine atmosfääri temperatuur Maa pinnal on 14...15 °C (287...288 K).

Õhurõhk ja atmosfääri paksus

Keskmine õhurõhk merepinnal on üks atmosfäär (atm)=101,3 kPa=14,7 psi=760 torri=760 mmHg. Õhurõhk on õhusamba kaal vaadeldava ala kohal. Õhurõhk varieerub ajas ja paigas. Rõhk väheneb atmosfääris kõrguse suurenedes eksponentsiaalselt. 50% atmosfääri massist paikneb kõrguseni 5,6 km geoidist. 90% atmosfääri massist paikneb kõrguseni 16 kilomeetrit, 99,99997% atmosfääri massist paikneb kõrguseni 100 kilomeetrit geoidist.

Tihedus ja mass

Õhu tihedus merepinnal on 1,2 kg/m³ (1,2 g/L). Tihedus arvutatakse ideaalse gaasi valemist, teades temperatuuri, rõhku ja õhuniiskust. Kasutada saab ka baromeetrilist valemit. Veeauru mass kogu atmosfääris arvatakse olevat 1,27×10¹⁶ kg.

Optilised omadused

Päikesekiirgus on see energia, mida Maa saab päikeselt. Osa kiirgusest Maa peegeldab tagasi kosmosesse, kuid meile nähtamatuks jäävatel suurtel lainepikkustel. Osa päikesekiirgusest neeldub ja peegeldub atmosfäärist.

Hajumine

Kui valgus (footonid) läbivad atmosfääri, reageerivad need sellelt hajudes. Seda valguse osa, mis atmosfääris ei haju, nimetatakse otsekiirguseks. Otsekiirgust ei ole ehk kogu valguskiirgus on hajunud siis, kui keha varju pinnal ei ole võimalik tuvastada. Atmosfääris leiab aset päikesevalguse hajumine, Rayleigh' hajumine, mis seletab, miks taevas on sinine ja päikeseloojangud kollakas-punased.

Neeldumine

Erinevad gaasi molekulid neelavad erineva lainepikkusega kiirgust (vaata: spektromeetria). Lühema lainepikkusega kiirgust kui 300 nm neelavad näiteks O₂ ja O₃ molekulid. Vesi (H₂O) neelab näiteks enamik kiirgust lainepikkusega üle 700 nm. Footoni ja molekuli vaheline reaktsioon suurendab molekuli energiat ning seetõttu võime seletada atmosfääri võimet soojeneda ja jahtuda.

Kiirgamine

Kuumad kehad kiirgavad rohkem ja lühematel lainepikkustel – näiteks Päike, mille temperatuur on 6000 K, kiirgab lainepikkusel 500 nm kiirgust, mis on inimsilmale nähtav. Kasvuhooneefekt on põhjustatud atmosfääris olevate gaasimolekulide omadusest kiirgust neelata ja eraldada. Mõned keemilised ühendid neelavad ja kiirgavad infrapunakiirgust, kuid ei reageeri nähtavas spektris esineva valgusega. Sellised levinud ühendid on näiteks CO₂ ja H₂O.

Tsirkulatsioon

Üldine tsirkulatsioon on suureskaalaline õhumasside liikumine troposfääris, kus õhk Maal geograafiliselt pidevalt ümber paigutub. Protsess küll erineb veidi aasta-aastalt, kuid peamised väärtused jäävad samaks.

Atmosfääri areng

Esmane atmosfäär oli oma koostiselt praegusest erinev, koosnedes H₂ (vesinikust), CH₄ (metaanist), NH₃(ammoniaagist), H₂O (veeaurust) ja mõnedest hapetest. CO₂ olemasolu pole kindlalt teada. Süsihappegaasi ilmselt ei eksisteerinudki.
Esmase, hapnikuta atmosfääri gaasid pärinesid Maa sisemusest, mis eraldusid pikaajaliselt. Pärast seda, kui Maa gravitatsioonivälja tugevnedes gaasid ei lendunud enam maailmaruumi, ühinesid neist mõned keemilistel reaktsioonidel. Atmosfääri tihedus kasvas seetõttu kogu aeg. Suur hulk veeaurust kondenseerus ja langes maapinnale, väiksem osa jäi ka atmosfääri. Osa gaasidest tekkis ka radioaktiivsete elementide lagunemisel (He, Ar). Ainult väga kerged gaasid (He ja H₂) hajusid kosmosesse, inertne argoon kogunes atmosfääri.
Ligikaudu 3,5×10⁹ aastat tagasi oli lämmastiku-ammoniaagi-süsihappegaasi atmosfäär, CO₂ osakaal oli juba 50–60%. Varases proterosoikumis toimus esmase atmosfääri koostise muutumine tänu ookeani maakoore hüdratiseerumisele ookeanivetega. Seetõttu hakkas CO₂ siduine karbonaatidesse, mis omakorda põhjustas süsihappegaasi koguse kahanemise atmosfääris. Riftivöönditest väljunud kivimid sidusid endasse kogu selle CO₂, mis enne seda kogunes esmasesse arhaikumi atmosfääri. Samaaegselt karbonaatidega eraldus riftivööndist ka kahevalentset rauda, mis mikrovetikate poolt toodetud hapnikku neelates oksüdeerus kolmevalentseks. Eelkambriumi ajastul oli sellepärast Maa atmosfääris väga vähe hapnikku. Pärast seda, kui vaba raud vahevööst kadus, hakkas hapnik kogunema atmosfääri. Vaba hapnik, mis vabanes Maa sisemusest, kulus praktiliselt kõik mõningate metallide ja CH4, NH3 ja H2S oksüdeerumiseks. Enamik hapnikust tekkis CO₂ sidumisel elusorganismide fotosünteesi käigus. Fotosüntees algas juba arhaikumis, mere fütoplanktoni tõttu. Hapniku teke Maal on seotud elu tekkega. Teadlaste arvates biosfäär ja orgaanilise aine mass selles kasvas pidevalt.
Hapniku tekkimine muutis oluliselt Maa esmase atmosfääri koostist: CH₄ ja NH₃ oksüdeerusid CO₂-ks ja N₂-ks. CO₂ neeldus ookeanides: lahustus vees, seoti mere elusorganismides ja sadestus H₂CO₃-ks. Atmosfääris hakkasid valitsema N₂ ja O₂. Nii formeerus kaasaegne teisene atmosfäär, kus valdavaks gaasiks on N₂. Kaasaegses atmosfääris seotakse lämmastik osaliselt tagasi Maa sisemusse, eriti NaNO₃ ja KNO₃-na, kuigi need lämmastiku kaod on tühised. Umbes 500 miljonit aastat tagasi Maa esmases atmosfääris oli kõigest 33% praegusest hapniku massist, mis kasvas pidevalt.
Kolmas atmosfäär võib tekkida järk-järgult teisese atmosfääri evolutsiooni käigus. Pika aja jooksul kogunevad N₂, Ar, väheneb O₂ osa, võib-olla on ka CO₂.

Atmosfäärifüüsika uuringud Eestis enne ja pärast riigi taasiseseisvumist

Atmosfääriuuringud on saanud alguse ilmavaatlustest ja vajadusest ilma ennustada erinevate tegevuste planeerimiseks. Kaasaegsele meteoroloogiale ja atmosfäärifüüsikale Eestis on alusepanijaks Tartu Ülikooli meteoroloogia observatoorium, mis alustas 1865. a regulaarsete ilmavaatustega. Tähtis märksõna tuleviku suhtes on aktinomeetriajaam, mis töötab 1950. aastast, kandes praegu ametlikult Tartu-Tõravere meteoroloogiajaama nime ning kuulub rahvusvahelisse kiirgusmõõtmiste baasjaamade võrku BSRN (Baseline Surface Radiation Network). Akadeemik Juhan Ross (1925–2002) suunati aktinomeetriajaama juhatajaks, tõstis selle peagi Nõukogude Liidu üleriigilisele tipptasemele ja kujundas teadustöö baasiks. Tollases Füüsika ja Astronoomia Instituudis arenes välja suur atmosfäärifüüsika sektor, mille töötajatest kuus on kaitsnud Nõukogude Liidu doktorikraadi. Neli sarnase mahuga tööd kaitsti juba taastatud Eesti Vabariigi ajal. Lisaks on kaitstud arvukalt kandidaadikraade. Praeguseni kuulub selle koolkonna esindajatele silmapaistev koht maailmateaduses nii kiirguslevi kui ka kaugseire teoorias.
Tartu Observatooriumis on astrofüüsika ja atmosfäärifüüsika mitu aastakümmet ühise katuse all edenenud. Osa, enamikus astronoomiataustaga uurijaid, jõudis atmosfäärifüüsikasse helkivate ööpilvede teema juurest, mille koordinaatoriks Eesti ja hiljem koguni kogu Nõukogude Liidu ulatuses sai amatöörastronoomina alustanud Charles Villmann (1923–1992). Tihedad sidemed Moskvas Nõukogude Liidu Geofüüsika Komiteega võimaldasid 1960. aastate lõpus kavandada uuringuid Nõukogude Liidu orbitaaljaamade pardalt. Uuringud kosmosest puudutasid mitte ainult helkivaid ööpilvi, vaid keskatmosfääri laiemalt. Kuna Nõukogude sõjavägi tundis kõrgendatud huvi kõigi loodusnähtuste vastu, mille esinemine võis kuidagiviisi neid huvitavate objektide jälgimist segada, siis oli atmosfääri uurimine mõnevõrra soodustatud. Atmosfääri ja kliimat puudutav uurimistöö toimus väiksemas mahus ka Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituudis (EMHI), Eesti Agrometeoroloogia Laboratooriumis Sakus ja Tartu Ülikoolis.