Zemes atmosfēra

Kosmosa robeža

Nepastāv krasi izteikta robeža starp atmosfēru un atklātu kosmosu. Aizvien augstāk paceļoties un attālinoties no Zemes, atmosfēra kļūst aizvien retinātāka, līdz atmosfēras daļiņas vairs nav sastopamas. Trīs ceturtdaļas atmosfēras masas atrodas līdz 11 kilometru augstumam. Savukārt, kosmiskajam aparātam tuvojoties Zemei, atmosfērai raksturīgos efektus var sākt just 120 kilometru augstumā. Bieži par atmosfēras augšējo robežu uzskata Karmana līniju, kas atrodas 100 kilometru augstumā.

Spiediens un blīvums

Vidējais atmosfēras spiediens jūras līmenī ir ap 101,3 kilopaskāli.
Atmosfēras spiediens ir tiešs tās gaisa masas spiediens, kas atrodas virs jebkura objekta. Taču lielākā daļa gaisa masas atrodas Zemei tuvākajā atmosfēras slānī — troposfērā — un troposfērā gaisa blīvums un masa mainās, mainoties laikapstākļiem un ģeogrāfijai — arī atmosfēras spiediens mainās atkarībā no laika un vietas. Piemēram, paceļoties kalnos 5,6 km augstumā, ap 50% atmosfēras masas jau paliek lejpusē un atmosfēras spiediens ir par 50% mazāks. Paceļoties vēl par tādu pašu augstumu, spiediens samazinās vēl uz pusi.
90% atmosfēras masas paliek lejpusē, sasniedzot 16 km augstumu, bet 99,99997% — sasniedzot 100 kilometru augstumu. Lidmašīna X-15 1963. gadā sasniedza 108 kilometru augstumu.
Gaisa blīvums jūras līmeņa augstumā ir ap 1,2 kg/m³ jeb 1,2 g/l. Arī šis rādītājs laikapstākļu ietekmē mainās, taču šīs izmaiņas atmosfēras zemākajos slāņos ir samērā mazas.
Pieaugot augstumam, atmosfēras blīvums samazinās. Šo variāciju var aptuveni modelēt, izmantojot barometrisko formulu.

Vēsture

Maz zināms par Zemes atmosfēru pirms vairāk kā miljards gadiem, taču pēdējo miljards gadu vēsture balstās uz salīdzinoši stingra faktu un analīzes pamata. Mūsdienu atmosfēra nereti tiek dēvēta par Zemes "trešo atmosfēru", norādot uz ķīmiskajām atšķirībām no divām agrākām atmosfēras attīstības fāzēm.

Pirmā atmosfēra

Sākotnējā — "pirmā" — atmosfēra Zemes attīstības pašās pirmajās fāzēs sastāvēja galvenokārt no ūdeņraža un hēlija. Joprojām izkusušās Zemes garozas siltums un Saules vējš šo atmosfēru izkliedēja kosmiskajā telpā.

Otrā atmosfēra

Aptuveni pirms 4,4 miljardiem gadu Zemes virsma bija atdzisusi un sacietējusi, taču joprojām turpinājās ļoti aktīva vulkāniskā darbība, kuras rezultātā izdalījās tvaiks, oglekļa dioksīds un amonjaks. Šādi izveidojās "otrā atmosfēra", kas sastāvēja galvenokārt no ūdens tvaika un oglekļa dioksīda, atmosfērā bija arī nedaudz slāpekļa, taču praktiski nebija skābekļa. Otrās atmosfēras gāzu tilpums bija ap 100 reizes lielāks kā mūsdienu atmosfērai, taču, tai atdziestot, oglekļa dioksīds izšķīda okeānā un nogulsnējās kā karbonātu nogulumi. Savā attīstības beigu posmā "otrā atmosfēra" saturēja slāpekli, oglekļa dioksīdu un, iespējams, līdz 40% ūdeņraža. Augstais oglekļa dioksīda un metāna saturs atmosfērā veicināja siltumnīcas efektu un uz Zemes bija ievērojami siltāks, nekā tagad. Iespējams, pirms 2,7 miljardiem gadu uz Zemes vidējā temperatūra bija virs 70° C.

Trešā atmosfēra

Viens no senākajiem baktēriju veidiem ir cianobaktērijas, kuras eksistēja vismaz pirms 3,3 miljardiem gadu. Šie bija pirmie organismi, kas ražoja skābekli, pakāpeniski Zemes bezskābekļa atmosfēru pārvēršot par skābekli saturošu atmosfēru. Šis process risinājās pirms 2,7—2,2 miljardiem gadu.
Atbrīvojoties skābeklim, veidojās arī liels daudzums oglekļa, kas uzkrājās fosilajā degvielā, nogulumiežos (galvenokārt kaļķakmenī un dolomītā) un organismu cietajās čaulās. Atmosfērā nonākušais skābeklis savukārt reaģēja ar amonjaku un reakcijas rezultātā atbrīvojās slāpeklis. Arī baktēriju darbības rezultātā no amonjaka izdalījās slāpeklis. Tomēr lielākā daļa mūsdienu atmosfēras slāpekļa veidojusies fotolīzes procesā no vulkānu izmestā amonjaka.
Vēlāk attīstījās augi, kas spēja veikt fotosintēzes reakciju. Augu darbība skābekļa saturu atmosfērā palielināja būtiski, vienlaikus krasi samazinot oglekļa dioksīda saturu. Sākotnēji skābeklis tika patērēts ķīmiskajās reakcijās (piemēram, ar dzelzi), taču ar laiku tas sāka uzkrāties atmosfērā, novedot pie viena veida organismu masveida izmiršanas un paverot ceļu citu attīstībai.
Ar laiku atmosfērā izveidojās ozona slānis (ozons ir skābekļa alotrops), kas sniedza dzīvajām būtnēm krietni vien labāku aizsardzību no kosmiskā starojuma, galvenokārt ultravioletā starojuma.
Šo skābekļa — slāpekļa atmosfēru dēvē par "trešo atmosfēru". Pirms 200—250 miljoniem gadu skābekļa saturs atmosfērā bija būtiski augstāks kā mūsdienās — līdz 35% — par to liecina atmosfēras ieslēgumi sena dzintara paraugos.
Mūsdienu atmosfēras ķīmisko saturu uztur sarežģīts procesu kopums. Atmosfērā esošais skābeklis O₂ tiek iesaistīts oksidācijas reakcijās. Ķīmisko reakciju rezultātā skābeklis no gaisa pazustu dažu miljonu gadu laikā, savukārt ogļskābā gāze jau tūkstoš gadu laikā būtu izšķīdusi okeānā. Abu šo vielu saturu gaisā uztur galvenokārt dzīvo organismu un ģeoloģisko procesu darbība, nodrošinot relatīvu atmosfēras stabilitāti.