Wprowadzenie — niewidzialny ocean Codziennie żyjemy na dnie ogromnego oceanu, choć niemal nigdy nie zdajemy sobie z tego sprawy. Tym oceanem jest atmosfera. Nie widzimy jej granic, nie możemy wziąć jej do ręki, a jednak otacza nas ze wszystkich stron i wywiera na każdy centymetr naszego ciała określone ciśnienie. Oddychamy jej cząsteczkami, obserwujemy w niej chmury, słuchamy dźwięków przenoszonych przez jej warstwy, czerpiemy energię z procesów zachodzących dzięki światłu słonecznemu, a nasze życie jest całkowicie zależne od jej składu. Atmosfera jest cienką powłoką otaczającą planetę, lecz jej znaczenie jest niewyobrażalnie większe niż sugerowałaby jej grubość. Gdyby Ziemia była jabłkiem, atmosfera w porównaniu z rozmiarem planety przypominałaby cienką, niemal niewidoczną warstwę na jego powierzchni. To właśnie w tej delikatnej granicy pomiędzy powierzchnią planety a kosmosem zachodzi większość zjawisk pogodowych, które znamy: rodzą się burze, powstają chmury, spada deszcz, wieją wiatry i przemieszczają się masy powietrza. Ale atmosfera robi coś jeszcze ważniejszego — pomaga utrzymać warunki, w których w ogóle może istnieć życie.
Powietrze nie jest pustką — mieszanina, którą oddychamy
Powietrze wydaje się niczym, ponieważ możemy przez nie przejść i nie napotykamy wyraźnej granicy. W rzeczywistości jest mieszaniną ogromnej liczby cząsteczek. W suchej atmosferze Ziemi dominuje azot, stanowiący około 78 procent objętości, oraz tlen, którego jest około 21 procent. Pozostałą część tworzą między innymi argon, dwutlenek węgla i śladowe ilości innych gazów. W atmosferze znajduje się również para wodna, której ilość zmienia się bardzo mocno w zależności od miejsca i czasu. To właśnie niewielkie ilości niektórych gazów mogą mieć ogromne znaczenie. Dwutlenek węgla występuje w atmosferze w znacznie mniejszym stężeniu niż azot czy tlen, ale odgrywa ważną rolę w bilansie energetycznym planety. Para wodna z kolei jest jednym z najważniejszych gazów cieplarnianych i jednocześnie kluczowym elementem obiegu wody. Atmosfera jest więc dobrym przykładem zasady, która będzie powracać w geografii: ilość nie zawsze oznacza znaczenie. Czasami substancja występująca w niewielkiej ilości może wpływać na cały system.
Atmosfera ma swoją budowę — piętra niewidzialnego świata
Atmosfera nie jest jednolitą warstwą. Wraz ze wzrostem wysokości zmieniają się temperatura, ciśnienie, gęstość powietrza i skład poszczególnych obszarów. Najbliżej powierzchni znajduje się troposfera, w której żyjemy i w której zachodzi niemal cała pogoda. To tutaj znajdują się chmury, deszcz, śnieg, burze i większość masy atmosfery. Nad nią rozciąga się stratosfera, w której znajduje się warstwa ozonowa pochłaniająca znaczną część szkodliwego promieniowania ultrafioletowego. Jeszcze wyżej znajduje się mezosfera, a następnie termosfera i bardzo rozrzedzone obszary zewnętrznej atmosfery. Granice tych warstw nie są ścianami. Nie istnieje nagły moment, w którym człowiek przekracza niewidzialną linię i „wchodzi” do kolejnej warstwy. Są to strefy wyróżnione na podstawie zmieniających się właściwości fizycznych. Atmosfera przypomina więc bardziej stopniowo zmieniający się ocean niż wielopiętrowy budynek.
Troposfera — miejsce, w którym rodzi się pogoda
Troposfera jest najniższą warstwą atmosfery i to właśnie tutaj rozgrywa się większość zjawisk, które nazywamy pogodą. Jej grubość nie jest wszędzie taka sama. Nad równikiem może sięgać wyżej niż nad biegunami, ponieważ ogrzewanie powierzchni i ruchy powietrza różnią się w zależności od szerokości geograficznej. W troposferze temperatura zazwyczaj spada wraz z wysokością. Dlatego podczas wchodzenia na wysokie góry powietrze staje się coraz chłodniejsze, choć istnieją sytuacje, w których ten prosty schemat zostaje zaburzony. W troposferze znajduje się również zdecydowana większość pary wodnej atmosfery. To właśnie dlatego chmury i opady są związane przede wszystkim z tą warstwą. Możemy powiedzieć, że troposfera jest miejscem, w którym atmosfera nieustannie prowadzi rozmowę z powierzchnią Ziemi. Ląd ogrzewa powietrze, ocean oddaje mu wilgoć, rośliny wpływają na obieg wody, a atmosfera transportuje energię i parę wodną z jednego miejsca do drugiego.
Dlaczego powietrze jest ciężkie?
To może wydawać się dziwne. Powietrze kojarzy się z czymś lekkim. Balon unosi się, wiatr porusza liśćmi, a człowiek może swobodnie przejść przez atmosferę. A jednak powietrze ma masę. Cała atmosfera jest przyciągana przez grawitację Ziemi, dlatego jej ciężar wywiera nacisk na powierzchnię. Ten nacisk nazywamy ciśnieniem atmosferycznym. Im niżej się znajdujemy, tym większy słup powietrza znajduje się nad nami, dlatego ciśnienie jest zazwyczaj wyższe. Im wyżej wchodzimy, tym powietrze staje się rzadsze, a ciśnienie spada. Na szczycie wysokiej góry oddychamy więc powietrzem o znacznie niższym ciśnieniu niż na poziomie morza. To właśnie dlatego wspinacze zdobywający najwyższe szczyty świata muszą zmagać się z rozrzedzonym powietrzem. Problemem nie jest tylko zimno. Problemem jest również to, że w każdym oddechu znajduje się mniej cząsteczek tlenu.
Góra zmienia człowieka
Na poziomie morza nasze ciało funkcjonuje w środowisku, do którego jest przystosowane. Kiedy wchodzimy coraz wyżej, ciśnienie atmosferyczne spada. Procentowy udział tlenu w powietrzu pozostaje w przybliżeniu podobny, ale ponieważ całe ciśnienie jest niższe, zmniejsza się również ciśnienie parcjalne tlenu. Organizm otrzymuje go więc mniej podczas każdego oddechu. Człowiek zaczyna reagować. Serce może bić szybciej, oddech przyspiesza, a przy dłuższym pobycie organizm uruchamia mechanizmy adaptacyjne. Na dużych wysokościach warunki stają się coraz bardziej ekstremalne. Powyżej pewnej granicy człowiek nie może długo funkcjonować bez dodatkowego tlenu i odpowiedniego przygotowania. Najwyższe góry świata pokazują więc coś niezwykłego: granica między środowiskiem, w którym człowiek czuje się naturalnie, a środowiskiem skrajnie niebezpiecznym może znajdować się zaledwie kilka kilometrów wyżej.
Słońce — silnik atmosfery
Atmosfera nie poruszałaby się w taki sposób bez energii dostarczanej przez Słońce. Promieniowanie słoneczne ogrzewa powierzchnię Ziemi, ale nie robi tego równomiernie. Równik otrzymuje średnio więcej energii niż obszary polarne. Wynika to między innymi z geometrii kuli ziemskiej i kąta padania promieni słonecznych. W pobliżu równika promieniowanie dociera bardziej bezpośrednio. W pobliżu biegunów energia rozkłada się na większym obszarze. Ziemia próbuje jednak wyrównać te różnice. Ciepło jest przemieszczane przez atmosferę i oceany. Właśnie dlatego atmosfera jest w ciągłym ruchu. Różnice temperatury prowadzą do różnic ciśnienia, a różnice ciśnienia są jednym z podstawowych powodów powstawania wiatrów.
Wiatr — powietrze, które zaczęło podróżować
Wiatr to po prostu ruch powietrza względem powierzchni Ziemi, ale jego przyczyna jest znacznie ciekawsza. Gdy jedne obszary nagrzewają się bardziej niż inne, powietrze w różnych miejscach uzyskuje różną temperaturę i gęstość. Powstają różnice ciśnienia. Powietrze zaczyna przemieszczać się z obszarów wyższego ciśnienia w kierunku obszarów niższego ciśnienia. Na jego ruch wpływa jednak również obrót Ziemi. Zjawisko to nazywamy efektem Coriolisa. Sprawia on, że wielkoskalowe ruchy powietrza nie przemieszczają się po powierzchni planety w idealnie prostych liniach. Na półkuli północnej ruch jest odchylany w prawo względem kierunku ruchu, a na półkuli południowej w lewo. To właśnie między innymi dzięki temu powstają charakterystyczne układy wiatrów planetarnych.
Ziemia obraca się pod atmosferą
Gdyby Ziemia się nie obracała, cyrkulacja atmosfery wyglądałaby zupełnie inaczej. Wyobraź sobie planetę, na której Słońce stale ogrzewa równik, a bieguny pozostają znacznie chłodniejsze. Powietrze nad równikiem ogrzewałoby się i unosiło, a następnie przemieszczało w kierunku obszarów chłodniejszych. Obrót planety komplikuje ten obraz. Powstają wielkie komórki cyrkulacji, pasy wiatrów i prądy strumieniowe. Jednym z najbardziej znanych przykładów są pasaty, czyli stosunkowo stałe wiatry wiejące w strefie międzyzwrotnikowej. Ich istnienie przez wieki pomagało żeglarzom przemierzać oceany. Atmosfera stała się więc nie tylko elementem przyrody, lecz także częścią historii ludzkich podróży.
Chmura — góra zbudowana z kropelek
Chmura może wyglądać jak miękka, biała masa unosząca się na niebie. W rzeczywistości jest ogromnym skupiskiem mikroskopijnych kropelek wody i kryształków lodu zawieszonych w atmosferze. Aby chmura mogła powstać, wilgotne powietrze musi zostać ochłodzone do odpowiednich warunków, w których para wodna zaczyna się skraplać lub resublimować. Cząsteczki wody potrzebują jednak powierzchni, na której mogą się gromadzić. Taką rolę mogą odgrywać drobne cząstki pyłu, soli morskiej i inne aerozole znajdujące się w atmosferze. Chmura jest więc spotkaniem wody, powietrza i mikroskopijnych cząstek. A kiedy krople lub kryształki stają się wystarczająco duże, mogą zacząć opadać. Wtedy pojawia się deszcz albo śnieg.
Deszcz — podróż wody przez atmosferę
Woda, która spada z chmury, nie pojawiła się w niej znikąd. Mogła kilka dni wcześniej znajdować się w oceanie, jeziorze, rzece albo w glebie. Mogła zostać uwolniona przez roślinę podczas transpiracji. Następnie jako para wodna trafiła do atmosfery, została przeniesiona przez wiatr, ochłodziła się, skondensowała i powróciła na powierzchnię w postaci opadu. Jedna cząsteczka wody może więc wielokrotnie podróżować między oceanem, atmosferą, lądem, lodem i organizmami. To właśnie obieg wody sprawia, że planeta jest jednym wielkim systemem wymiany.
Burza — chwila, w której atmosfera pokazuje swoją siłę
Burza zaczyna się od procesów, które mogą wyglądać zupełnie niewinnie. Ciepłe, wilgotne powietrze unosi się. W miarę wznoszenia ochładza się. Para wodna kondensuje, powstaje chmura, a podczas kondensacji uwalniana jest energia. Ta energia może dodatkowo napędzać ruchy wstępujące. W odpowiednich warunkach chmura burzowa może rozwinąć się potężnie, osiągając wysokość wielu kilometrów. Wewnątrz znajdują się silne prądy powietrzne, krople wody, kryształki lodu i grad. Zderzenia cząstek mogą prowadzić do rozdzielenia ładunków elektrycznych, a następnie do wyładowań, które widzimy jako błyskawice. Grzmot jest natomiast skutkiem gwałtownego ogrzania i rozszerzenia powietrza w kanale wyładowania. Burza jest więc gigantycznym silnikiem atmosferycznym, w którym energia cieplna zamienia się w ruch, elektryczność i dźwięk.
Błyskawica — rzeka elektryczności na niebie
Błyskawica trwa bardzo krótko, ale w tym krótkim czasie przepływa ogromny ładunek elektryczny. Wewnątrz burzowej chmury zachodzą skomplikowane procesy prowadzące do separacji ładunków. Kiedy różnica potencjałów staje się wystarczająco duża, powietrze może zostać zjonizowane i powstaje kanał przewodzący. Następuje gwałtowne wyładowanie. Temperatura w kanale pioruna może osiągać wartości wyższe niż temperatura powierzchni Słońca. Powietrze wokół niego gwałtownie się rozszerza, tworząc falę dźwiękową. Dlatego najpierw widzimy błysk, a dopiero później słyszymy grzmot — światło dociera do nas znacznie szybciej niż dźwięk.
Ozon — cienka tarcza przeciw promieniowaniu
W stratosferze znajduje się obszar o podwyższonym stężeniu ozonu, nazywany warstwą ozonową. Ozon składa się z trzech atomów tlenu. Jego ilość jest niewielka w porównaniu z głównymi składnikami atmosfery, ale ma ogromne znaczenie, ponieważ pochłania znaczną część promieniowania ultrafioletowego docierającego ze Słońca. Promieniowanie UV jest potrzebne w pewnych procesach biologicznych, ale jego nadmiar może uszkadzać komórki i materiał genetyczny organizmów. Warstwa ozonowa działa więc jak naturalny filtr. Jest to jeden z najbardziej niezwykłych przykładów tego, jak niewielka ilość konkretnej substancji może mieć ogromne znaczenie dla życia na całej planecie.
Dlaczego niebo jest niebieskie?
Kolor nieba, który widzimy niemal codziennie, jest wynikiem oddziaływania światła słonecznego z atmosferą. Światło białe jest mieszaniną wielu długości fal. Kiedy przechodzi przez atmosferę, cząsteczki gazów rozpraszają światło. Krótsze fale, odpowiadające między innymi barwie niebieskiej, są rozpraszane silniej niż dłuższe fale. Dlatego z różnych kierunków dociera do naszych oczu dużo rozproszonego światła niebieskiego. O zachodzie Słońca sytuacja wygląda inaczej. Światło musi przejść przez dłuższą drogę w atmosferze, a większa część krótszych fal zostaje rozproszona po drodze. Do obserwatora dociera wtedy więcej światła o dłuższych falach — czerwonego, pomarańczowego i różowego. Zachód Słońca jest więc w pewnym sensie wielkim spektaklem optycznym, którego sceną jest atmosfera.
Dlaczego góry mają własną pogodę?
Kiedy wilgotne powietrze napotyka góry, nie może po prostu przejść przez skałę. Musi zostać uniesione. Wznosząc się, powietrze ochładza się. Para wodna może się skraplać, tworząc chmury i opady. Dlatego jedna strona pasma górskiego może być wilgotna i zielona, podczas gdy druga jest znacznie suchsza. Zjawisko to nazywamy cieniem opadowym. Góry działają więc jak gigantyczne przeszkody dla atmosfery. Potrafią zmienić rozkład opadów na ogromnym obszarze. W skrajnych przypadkach kilka kilometrów może oddzielać wilgotny las od niemal pustynnego krajobrazu.
Atmosfera pamięta powierzchnię Ziemi
Atmosfera nie istnieje niezależnie od lądu i oceanów. Powierzchnia Ziemi wpływa na powietrze, które nad nią przepływa. Ocean dostarcza wilgoci. Pustynia ogrzewa się inaczej niż las. Miasto zmienia bilans cieplny powierzchni. Góry wymuszają wznoszenie powietrza. Lasy pochłaniają dwutlenek węgla i oddają parę wodną. Pokrywa śnieżna odbija dużą część promieniowania słonecznego. Każdy fragment powierzchni planety prowadzi więc nieustanną wymianę z atmosferą. Możemy patrzeć na atmosferę jak na wielką warstwę pośrednią, która nieustannie przekazuje energię i materię pomiędzy oceanem, lądem, lodem a przestrzenią kosmiczną.
Atmosfera i klimat — dwie różne rzeczy
Pogoda i klimat są często mylone, ale nie oznaczają tego samego. Pogoda opisuje stan atmosfery w konkretnym miejscu i czasie: temperaturę, wiatr, zachmurzenie, opady czy ciśnienie. Klimat opisuje długoterminowe charakterystyki pogody danego obszaru, wraz z typowymi zakresami i zmiennością. Możemy mieć chłodny dzień w miejscu o ciepłym klimacie. Możemy mieć niezwykle gorący dzień w miejscu, którego klimat jest zazwyczaj chłodniejszy. Pojedynczy dzień nie mówi nam jeszcze, jaki jest klimat. Dopiero długie serie obserwacji pozwalają zobaczyć wzorce.
Atmosfera jako tarcza i płaszcz
Atmosfera pełni kilka funkcji jednocześnie. Chroni powierzchnię przed częścią szkodliwego promieniowania, umożliwia istnienie obiegu wody, transportuje energię, dostarcza tlen organizmom oddychającym tlenowo, a dzięki gazom cieplarnianym pomaga utrzymać temperaturę powierzchni na poziomie sprzyjającym życiu. Bez naturalnego efektu cieplarnianego średnia temperatura powierzchni Ziemi byłaby znacznie niższa. Problem pojawia się wtedy, gdy skład atmosfery zmienia się w sposób, który zaburza istniejący bilans energetyczny. Geografia atmosfery prowadzi nas więc wprost do jednego z najważniejszych tematów współczesnej nauki — zmian klimatu. Ale zanim będziemy mogli zrozumieć ten skomplikowany problem, trzeba najpierw dobrze zrozumieć samą maszynę, którą nazywamy atmosferą.
Puenta — granica między Ziemią a kosmosem
Atmosfera jest cienką, ruchomą i niezwykle skomplikowaną warstwą otaczającą Ziemię. Nie jest pustką, lecz ogromnym systemem, w którym krążą gazy, para wodna, pyły i energia. To ona przenosi ciepło z jednych części planety do innych, tworzy pogodę, uczestniczy w obiegu wody, chroni życie przed częścią promieniowania kosmicznego i słonecznego oraz pozostaje w nieustannym kontakcie z powierzchnią Ziemi. Kiedy więc patrzysz w błękitne niebo, tak naprawdę patrzysz na ocean, którego dna nigdy nie widzisz. Jego powierzchnia zaczyna się przy ziemi, a jego granica stopniowo zanika w przestrzeni kosmicznej. Każdy oddech jest spotkaniem z tym oceanem. Każda chmura jest jego chwilową rzeźbą. Każda burza jest eksplozją jego energii. I choć atmosfera wydaje się bezkresna, z perspektywy całej planety jest zaledwie cienką powłoką. A gdzieś wysoko ponad nią zaczyna się przestrzeń, w której nie ma już pogody, deszczu ani wiatru — ale światło Słońca nadal niesie ze sobą historię Ziemi.
Dodaj komentarz