Ilmakehä

Ilmakehä on Maata ympäröivä, yhden määritelmän mukaan sadan kilometrin paksuinen kaasukehä, joka koostuu ilmasta. Ilmakehän yleisimmät kaasut ovat typpi ja happi, mutta myös esimerkiksi ilmakehän hiilidioksidilla on suuri merkitys maapallolle ja sen kasveille. Ilmakehässä on lisäksi vaihteleva määrä vesihöyryä ja erilaisia hiukkasia.
Ilmakehä jaetaan lämpötilan perusteella useaan kerrokseen. Niistä alin on keskimäärin 10 kilometrin korkuinen troposfääri, jossa sääilmiöt tapahtuvat. Muita ilmakehän tärkeitä kerroksia ovat esimerkiksi otsonikerros, joka suojaa maapalloa säteilyltä, ja ionosfääri, joka heijastaa radioaaltoja.
Ilmakehä on jatkuvassa kiertoliikkeessä, jossa tuulet siirtävät lämpöenergiaa ja kosteutta paikasta toiseen ja tasaavat maapallon lämpötilaeroja. Ilmakehässä esiintyy tuulten, pilvien ja sateiden lisäksi monenlaisia sähköisiä ja optisia ilmiöitä kuten revontulia, haloilmiöitä ja sateenkaaria. Ilmakehän pahimpia saasteita ovat alailmakehän otsoni sekä pienhiukkaset.
Maapallo sai varhaisimman kaasukehänsä pian Maan muodostuttua 4,6 miljardia vuotta sitten. Ilmakehän koostumus on vaihdellut Maan historian aikana. Happea ilmakehään alkoi tulla 3,5 miljardia vuotta sitten, ja 600 miljoonaa vuotta sitten sen määrä alkoi nousta kohti nykyistä tasoa.
Ihmisen on vaikea selviytyä pitkiä aikoja hengissä jo kuuden kilometrin korkeudessa, ja yli kahdeksan kilometrin korkeudessa hapenpuutteeseen kuolee melko nopeasti. Jotkin linnut voivat kuitenkin selviytyä jopa 12 kilometrin korkeudessa.

Muut aineet

Ilmakehässä esiintyy vaihtelevasti vesihöyryä, jota on enimmillään 4 % matalalla ja tropiikin leveysasteilla.
Ilmakehässä esiintyy vaihtelevasti erilaisia hiukkasia, joita kutsutaan aerosoleiksi. Hiukkaset ovat pieniä kiinteitä tai nestemäisiä kappaleita, jotka vaihtelevat muutaman molekyylin kokoisesta 0,1 millimetriin. Osa hiukkasista on luonnon nostattamia, kuten tomu, tulivuorten tuhka ja rikkihappo, siitepöly sekä merisuola. Myös sumu- ja pilvipisarat ovat aerosoleja. Ihminen aiheuttaa toiminnallaan hiukkaspäästöjä etenkin polttamalla öljyä ja kivihiiltä. Vähiten hiukkasia on kaukaisilla valtamerialueilla ja napaseuduilla ja eniten vilkkaasti liikennöidyillä kaupunkialueilla. Suuri hiukkaspitoisuus tekee ilmakehästä monesti samean ja utuisen.

Kerrokset

Ilmakehässä on useita kerroksia eli sfäärejä, joita erottavat paussit. Ilman lämpötila muuttuu ylöspäin mentäessä samaan suuntaan koko sfäärissä, ja paussissa lämpötilan suunta kääntyy. Ilmakehän kerrokset ovat Maan pyörimisliikkeen johdosta paksuimmillaan päiväntasaajalla ja pienenevät napoja kohti. Lisäksi merten ja mannerten jakauma vaikuttaa kerrosten paksuuteen pituusasteittain, ja ne vaihtelevat myös vuodenajoittain ja vuorokaudenajoittain.

Troposfääri

Troposfääri on ilmakehän alin kerros. Sen korkeus on navoilla tyypillisesti 5 kilometriä ja päiväntasaajalla 15 kilometriä. Lämpimällä ilmalla se on myös tavallista korkeammalla ja kylmällä tavallista alempana. Troposfääri sisältää suurimman osan ilmakehän massasta ja kosteudesta. Siellä esiintyvät sääilmiöt, kuten pilvet ja sade. Troposfäärin lämpötila laskee ylöspäin mentäessä 6,5 astetta kilometriä kohti. Troposfääri päättyy tropopaussiin, jossa on 50–70 astetta pakkasta. Hiukan sen yläpuolella ilmanpaine on enää kymmenesosa merenpinnalla vallitsevasta.

Stratosfääri

Stratosfääri on troposfäärin yläpuolella sijaitseva ilmakerros, jonka yläraja on noin 50 kilometrin korkeudessa stratopaussissa. Stratosfäärin alaosassa lämpötila on likimain vakio, mutta ylempänä lämpötila nousee korkeuden mukana. Stratosfääri on hyvin kuiva ja sen ilmanpaine enää 1/1000 merenpinnan tason paineesta. Lentokoneet ja kaasupallot voivat nousta stratosfääriin asti. Stratosfäärissä Auringon ultraviolettisäteily muodostaa otsonia, joka estää haitallisen ultraviolettisäteilyn pääsyn Maan pinnalle. Stratosfäärissä on joskus helmiäispilviä.

Mesosfääri

Mesosfääri alkaa stratosfäärin yläpuolelta ja jatkuu aina 80–90 kilometrin korkeuteen mesopaussiin. Sen ilmanpaine on tuhannesosasta sadastuhannesosaan merenpinnan tason paineesta, ja sen lämpötila laskee ylemmäs mentäessä aina sataan pakkasasteeseen. Meteorit näkyvät yleensä mesosfäärissä. Mesosfäärissä nähdään myös valaisevia yöpilviä.

Termosfääri

Termosfäärissä mesopaussin yläpuolella 90 kilometristä alkaen lämpötila taas nousee korkeuden mukana Auringon hyvin lyhytaaltoisen ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Koska aine on äärimmäisen harvaa, sillä ei ole lämmittävää vaikutusta, eikä tuulia tai pystysuoria virtauksia. Termosfäärin aine on asettunut kerroksittain painonsa mukaisesti.
Avaruuden epävirallinen raja on usein määritelty termosfäärin alaosaan. Siellä 100 kilometrin korkeudessa sijaitsee Kármánin raja, jota Euroopassa pidetään usein avaruuden rajana. Yhdysvalloissa kaikkia jo yli 80 kilometrin korkeudessa käyneitä kansalaisia pidetään astronautteina.

Eksosfääri

Eksosfääri alkaa vähitellen noin 500 kilometrin korkeudessa. Se on ilmakehän ja avaruuden välitila, josta hiukkasia karkailee avaruuteen. Molekyyli pakenee Maan vetovoimakentästä, kun se on riittävän korkealla ja sen nopeus on suurempi kuin pakonopeus. Hyvin pieni osa ilmakehän ylimmän kerroksen molekyyleistä on näin nopeassa liikkeessä, joten Maan ilmakehän katoaminen on hyvin hidasta.

Kerrokset koostumuksen mukaan

Ilmakehä jaetaan homosfääriin ja heterosfääriin sen mukaan, miten kaasut jakautuvat. Kerrosten välillä on homopaussi. Homosfäärissä erimassaiset molekyylit ovat sekoittuneina, sillä kaasu on vielä riittävän tiheää siihen, että atomien ja molekyylien väliset törmäykset hallitsevat kaasun dynamiikkaa. Homosfääri yltää sadan kilometrin korkeudelle. Heterosfäärissä sen yläpuolella atomien ja molekyylien väliset törmäykset eivät enää siirrä liike-energiaa mainittavasti molekyylien välillä. Tämän seurauksena Maan vetovoiman vaikutuksesta raskaammat molekyylit jäävät alempiin kerroksiin ja kevyet ylempiin. Heterosfäärin alaosassa esiintyy happea ja typpeä sekä atomeina että molekyyleinä ja typen oksideina, mutta ylempänä on lähinnä heliumia ja vetyä.

Kerrokset kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan

Otsonikerros on stratosfäärissä 15–25 kilometrin korkeudessa. Se syntyy kun Auringon säteily hajottaa happimolekyylejä O₂ vapaiksi happiatomeiksi O, joista syntyy otsonia O₃. Otsoni suojaa Maata haitalliselta ultraviolettisäteilyltä. Sitä on ilmakehässä vain muutama miljoonasosa, ja se on herkkä ihmisen tuottamille aineille kuten freoneille. 1980-luvulla otsonikerroksessa havaittiin ohenemista Etelämantereen yllä.
Ionosfääri sijaitsee termosfäärin alaosassa. Ionosfääri sisältää ionisoituneita hiukkasia, jotka Auringon säteily on hajottanut atomeista ioneiksi. Ionosfääri heijastaa elektroniensa ansiosta radioaaltoja, mikä tekee mahdolliseksi niiden lähettämisen maapallolla paikasta toiseen. Ionosfääri jaetaan neljään kerrokseen, D, E, F₁ ja F₂, joilla on erilaisia vaikutuksia; radioaaltojen kannalta tärkein on F₂-kerros. Revontulet syntyvät ionosfäärissä, kun varattuja hiukkasia osuu ilmakehään.

Säteilyn vaimentaminen

Ilmakehä vaimentaa avaruudesta saapuvaa säteilyä. Suurin osa alle 300 nanometrin säteilystä absorboituu jo ilmakehän ylimmissä kerroksissa, mikä on Maan tunnetuille elämänmuodoille välttämätöntä. Lyhytaaltoisin gamma- ja röntgensäteily absorboituu ilmakehän yläosien atomeihin sekä happi- ja typpimolekyyleihin. Kun säteily hajottaa happimolekyylejä happiatomeiksi, syntyy esimerkiksi otsonia, johon pitkäaaltoisempi ultraviolettisäteily absorboituu. Näkyvän valon aallonpituudet, samoin kuin hiukan niitä lyhemmät ja pitemmätkin, läpäisevät ilmakehän hyvin. Ilmakehä kuitenkin sirottaa valoa ja samalla heikentää sitä. Taivaan sininen väri tulee siitä, että lyhytaaltoinen sininen valo siroaa voimakkaammin kuin punainen. Infrapunasäteily absorboituu ilmakehän vesihöyryyn. Ilmakehä päästää lävitseen myös radioaallot aallonpituudeltaan muutamasta millimetristä pariinkymmeneen metriin.

Kasvihuoneilmiö

Kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan sitä, kun osa maanpinnasta ylös heijastuvasta lämpösäteilystä jää lämmittämään ilmakehää ja maanpintaa. Maan lämpösäteily on pitkäaaltoista, minkä vuoksi ilmakehä absorboi sitä tehokkaasti ja säteilee osan takaisin alas. Kasvihuoneilmiön seurauksena maapallon lämpötila on 33 astetta korkeampi kuin ilman sitä. Kasvihuoneilmiöön vaikuttavia kaasuja kutsutaan kasvihuonekaasuiksi. Maan ilmakehän tärkeimpiä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry, hiilidioksidi, otsoni, metaani ja typpioksiduuli eli ilokaasu. Ihmisen toiminta on lisännyt monen kasvihuonekaasun määrää ilmakehässä.

Ilmanpaine

Ilmanpaine on ilmakehän paine maanpintaa vastaan. Merenpinnan korkeudella normaali ilmanpaine on noin 1013 hehtopascalia (hPa). Ilmanpaine laskee noustaessa korkeammalle merenpinnan tasolta. Kymmenen kilometrin korkeudessa ilmanpaine on alle 300 hPa ja 50 kilometrin korkeudessa alle 1 hPa.

Ilmakehän liikkeet

Ilmakehä on jatkuvassa kiertoliikkeessä. Tuulet siirtävät lämpöenergiaa ja kosteutta paikasta toiseen ja tasaavat maapallon lämpötilaeroja. Ilmakehän kiertoliikettä ylläpitää etupäässä Auringon energia, jota päiväntasaajan seutu saa enemmän kuin napa-alueet. Lämmin ilma nousee ylöspäin ja palaa jäähtyneenä takaisin maan pinnalle toisaalla. Maapallolla on useita tuulivyöhykkeitä, joiden paikat muuttuvat vuodenaikojen mukana.
Maapallon pyörimisestä aiheutuu coriolisvoima, joka vaikuttaa suurikokoisiin ilmavirtauksiin merkittävästi. Pohjoisella pallonpuoliskolla ilma kaartuu oikealle ja eteläisellä pallonpuoliskolla vasemmalle. Coriolisvoima vahvistuu mentäessä lähemmäs napoja ja heikkenee mentäessä lähemmäs päiväntasaajaa.

Ilmakehän historiaa

Maalla on ollut kolme eri kaasukehää. Varhaisin kaasukehä syntyi pian Maan muodostuttua 4,6 miljardia vuotta sitten. Se oli ohut ja koostui pääasiassa vedyn ja heliumin sekoituksesta. Toinen kaasukehä syntyi seuraavien satojen miljoonien vuosien aikana purkautuneiden useiden valtavien tulivuorten purkauskaasuista. Lisäksi Maahan kulkeutui jääkimpaleita, jotka vaikuttivat kaasukehän koostumukseen.
Noin 4,5 miljardia vuotta sitten maapallon alkuilmakehä koostui lähinnä vesihöyrystä, hiilidioksidista, vedystä ja typestä. Happea ei vielä tällöin ollut lainkaan. Hapen määrä ilmakehässä alkoi lisääntyä vasta, kun noin 3,5 miljardia vuotta sitten ensimmäiset happea tuottavat bakteerit syntyivät. Niillä oli kyky pilkkoa vettä vedyksi ja hapeksi, eivätkä ne vielä tarvinneet happea omiin elintoimintoihinsa, joten happea alkoi vapautua. Pikkuhiljaa hapen määrä ilmakehässä kasvoi ja vapaan vedyn määrä väheni. Kehitys oli hidasta: vielä noin kaksi miljardia vuotta sitten ilmakehän happipitoisuus oli vain noin sadasosa nykyisestä ja 700 miljoonaa vuottakin sitten vain kymmenesosa. Hapen lisääntyminen aloitti myös otsonikerroksen syntymisprosessin. Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä oli vielä kambrikaudella 15-kertainen nykyiseen verrattuna. Nykyisen happipitoisuutensa ilmakehä saavutti noin 360 miljoonaa vuotta sitten, ja samalla hiilidioksidipitoisuus oli laskenut lähelle nykytasoa.

Ilmakehän tutkimus

Ilmakehätutkimukseen kuuluvat ilmakehän kaikkien kerrosten ja niissä tapahtuvien ilmiöiden tutkiminen ja mallintaminen. Ilmakehätutkimuksen tärkeänä osana on suunnitella laitteita, joilla ilmakehän prosesseja voitaisiin tutkia. Ilmakehän tilan ja prosessien tutkimus on tärkeää, jotta voidaan ymmärtää ilmakehän ongelmia kuten otsonikatoa. Myös ilmakehän muutoksien ennustaminen on tärkeää, jotta ongelmien paheneminen voidaan estää.
Koska ilmakehää on hyvin vaikeaa tutkia maasta käsin, ilmakehää tutkitaan erilaisten luotaimien ja Maata kiertävien satelliittien avulla. Ilmakehätutkimukseen kuuluu oleellisesti kansallinen ja kansainvälinen yhteistyö. Suuria ilmakehätutkimuslaitoksia ovat esimerkiksi Euroopan avaruusjärjestö ESA ja Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASA. Suomessa ilmakehätutkimusta tekee muun muassa Ilmatieteen laitos.

Elinkelpoisuuden rajat

Stratosfäärissä yli 15 kilometrin korkeudessa elää monipuolinen joukko mikrobeja. Niiden tiheys on muutama yksilö kuutiometrissä, eikä niiden nykytiedon mukaan uskota aktiivisesti kasvavan ja lisääntyvän siellä. Kymmenen kilometrin korkeudesta on havaittu kuutiometriä kohti noin viisi tuhatta bakteerisolua, joista suurin osa on eläviä.
Korkealla ilma on niin ohutta, että lentäminen kuluttaa paljon sekä energiaa että happea. Suomukorppikotka on kuitenkin havaittu yli 12 kilometrin korkeudessa, ja Mount Everestin huipulla 8 850 metrissä on havaittu useita lintulajeja.
Monille ihmisille tulee jo 2 500 metrissä ohuen ilman aiheuttamaa sairastumista eli vuoristotautia. Yhä korkeammalla oleskelu vaatii hidasta totuttautumista. Kuuden kilometrin yläpuolella voi sopeutua oleskelemaan lyhytaikaisesti, mutta yleensä tämä on hengenvaarallista. Kahdeksan kilometrin korkeudesta ylöspäin ihminen ei enää pysty sopeutumaan korkeuteen ja hapenpuutteeseen pysyvästi vaan kuolee melko nopeasti. Reinhold Messner ja Peter Habeler olivat vuonna 1978 ensimmäiset, jotka kiipesivät maailman korkeimman vuoren Mount Everestin huipulle 8 850 metriin ilman lisähappea.