Zemes atmosfēra

Zemes atmosfēra ir ap Zemi esošais gāzu apvalks, ko Zemes tuvumā notur gravitācijas spēks.

Atmosfēra Zemes virsmas tuvumā sastāv galvenokārt no šādām gāzēm:
 slāpeklis — 78%
 skābeklis — 21%
 argons — 0,93%
 oglekļa dioksīds — 0,04%

kā arī no daudz mazāka daudzuma citu gāzu. Atmosfērā vidēji ap 3% veido arī ūdens tvaiks. Šo gāzu maisījumu ikdienā sauc par gaisu.

Absorbējot daļu Saules radiācijas un izlīdzinot dienas un nakts temperatūras starpību atmosfēra sargā Zemes dzīvību. Tā kalpo arī par organismiem nepieciešamo gāzu — skābekļa un ogļskābās gāzes — piegādātāju un par svarīgu ūdens cikla vides daļu. Atmosfēras vidējā temperatūra pie Zemes virsmas ir 14 °C. Kopējā atmosfēras masa ir ap 5 148 triljoni tonnu.

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.

Temperatūra un slāņi 
Zemes atmosfēras temperatūra mainās, mainoties augstumam. Matemātiskā attiecība starp temperatūru un augstumu mainās un pēc šī faktora atmosfēru var iedalīt septiņos slāņos:
 Troposfēra (no grieķu τρέπω — "jaukt") — atmosfēras apakšējais slānis, kas sākas no Zemes virsmas. Pie poliem tā augstums ir ap 7 km un pie ekvatora — ap 14 km. Tā augstumu var ietekmēt laikapstākļi. Troposfērai raksturīga gaisa masu vertikālā sajaukšanās, kas notiek tāpēc, ka Saule sasilda Zemes virsmu, mainot gaisa siltumu un attiecīgi arī — tilpumu. Iesilušās gaisa masas paceļas augstāk, izdalot latento siltumu, kas veicina gaisa masas tālāko pacelšanos. Šis process turpinās tik ilgi, līdz gaisā vairs nav ūdens tvaika. Troposfērā pieaugot augstumam, gaisa temperatūra kopumā samazinās, jo, samazinoties gāzes blīvumam, notiek tās atdzišana.
 Ozonosfēra — Zemes atmosfēras daļa, kas satur salīdzinoši daudz ozona. Zemes atmosfērai nav blīva ozona slānīša — ozonosfērā ir vairākas ozona daļas uz miljonu citu gāzu daļām. Tas ir ievērojami vairāk, kā atmosfēras apakšējos slāņos. Ozonosfēra atrodas stratosfēras apakšējā daļā 15—25 km augstumā, taču ozona saturs tajā mainās atkarībā no gadalaika un ģeogrāfiskās atrašanās vietas.
 Stratosfēra — atmosfēras slānis, kura apakšējā robeža atrodas 7—17 km augstumā un augšējā — aptuveni 50 km augstumā. Šajā slānī līdz ar augstumu pieaug arī gaisa temperatūra.
 Mezosfēra — atmosfēras slānis no aptuveni 50 līdz 80—85 km augstumam. Šeit temperatūra līdz ar augstumu samazinās.
 Termosfēra — atmosfēras slāņos no 80—85 līdz 640 un vairāk kilometru augstumam. Temperatūra līdz ar augstumu palielinās. Maksimālā temperatūra te var sasniegt 2000 °C, bet gaisa spiediens ir ļoti mazs.
 Jonosfēra — termosfērā ietilpstoša atmosfēras daļa, kur gāzes daļiņas Saules radiācijas dēļ atrodas jonizētā stāvoklī. Tā veido magnetosfēras iekšējo daļu. Jonosfērai ir arī praktiska nozīme — tā ietekmē radioviļņu izplatīšanos, bez kosmisko pavadoņu palīdzības ļaujot apraidīt attālas vietas.
 Eksosfēra — atrodas augstumā no 500 km līdz 10 000 km. Sastāv no gāzu daļiņām, kas brīvi pārvietojas, atstājot Zemes pievilkšanas robežas vai iekļūstot Saules vējam.

Robežas starp šiem slāņiem attiecīgi sauc: tropopauze, stratopauze, mezopauze, termopauze un eksobāze.

Līdz aptuveni 100 km augstumam — turbopauzei — Zemes atmosfērai ir vairāk vai mazāk nemainīgs ķīmiskais sastāvs — tāpēc šo daļu sauc arī par homosfēru. Toties virs 100 km augstuma Zemes atmosfēras ķīmiskais sastāvs mainās, mainoties augstumam. Šeit, nokļūstot aizvien augstāk, straujāk samazinās slāpekļa un skābekļa daudzums un līdz ar to pieaug hēlija un ūdeņraža saturs. Šo slāni sauc par heterosfēru.

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.

Skatīt arī 
 Zemā Zemes orbīta

Atsauces

Ārējās saites 

Atmosfēra
Atmosfēra
Atmosfēra