Każdy człowiek nosi nad sobą ogromny ocean, choć na pierwszy rzut oka nie widać w nim ani jednej kropli. Nie jest to jednak ocean wody, lecz gazów tworzących atmosferę. Zaczyna się przy powierzchni Ziemi, otacza całą planetę i stopniowo przechodzi w coraz rzadsze obszary przestrzeni kosmicznej. To właśnie w atmosferze tworzą się chmury, spada deszcz, wieją wiatry i rozwijają się burze. Dzięki niej możemy oddychać, utrzymywana jest odpowiednia temperatura powierzchni Ziemi, a znaczna część małych obiektów wpadających z kosmosu ulega zniszczeniu, zanim dotrze do powierzchni. Atmosfera ma też własną strukturę – nie jest jednolitą warstwą powietrza. Im wyżej się wznosimy, tym gwałtowniej zmieniają się temperatura, ciśnienie i gęstość gazu, a poszczególne warstwy pełnią odmienne funkcje. Samolot pasażerski leci w zupełnie innym środowisku niż meteor rozpadający się wysoko nad Ziemią, a jeszcze wyżej znajdują się obszary, w których pojawiają się zorze polarne i gdzie atmosfera stopniowo zanika w przestrzeni kosmicznej. Co ciekawe, ta ogromna powłoka naszej planety jest niezwykle cienka w porównaniu z rozmiarem całej Ziemi. Gdy patrzymy na zdjęcia naszej planety wykonane z kosmosu, atmosfera pojawia się jako delikatna niebieska obwódka. Jest cienka, ale jej znaczenie jest gigantyczne. Bez niej Ziemia byłaby zupełnie innym światem. Nie byłoby znanej nam pogody, oceanów funkcjonujących w obecnych warunkach, ochrony przed dużą częścią promieniowania słonecznego ani środowiska, w którym mogłyby rozwijać się organizmy, jakie znamy.
Atmosfera – cienka granica między Ziemią a kosmosem
Atmosfera to warstwa gazów związana z Ziemią dzięki grawitacji. Nie ma ostrej granicy, przy której można powiedzieć: „tutaj kończy się atmosfera, a zaczyna kosmos”. W miarę oddalania się od powierzchni cząsteczki gazu występują coraz rzadziej, a atmosfera stopniowo przechodzi w bardzo rozrzedzone środowisko przestrzeni kosmicznej.
Przy powierzchni atmosfera Ziemi składa się przede wszystkim z azotu i tlenu. Około 78 procent objętości suchego powietrza stanowi azot, około 21 procent tlen, a pozostałą część tworzą między innymi argon, dwutlenek węgla i inne gazy. W atmosferze występuje również para wodna, której ilość jest zmienna i zależy od miejsca oraz warunków.
Właśnie ta zmienność jest jedną z ważnych cech atmosfery. Powietrze nad pustynią nie ma dokładnie takiego samego składu jak powietrze nad wilgotnym lasem, ponieważ ilość pary wodnej może się bardzo różnić. W troposferze znajdują się również aerozole, czyli niezwykle drobne cząstki stałe lub ciekłe unoszące się w powietrzu. Mogą pochodzić między innymi z pyłu, soli morskiej, pożarów czy procesów biologicznych.
Czy atmosfera jest gruba?
Kiedy patrzymy na Ziemię z kosmosu, atmosfera może przypominać cienką niebieską linię otaczającą planetę. To dobre skojarzenie, ponieważ w porównaniu z wielkością Ziemi atmosfera jest rzeczywiście stosunkowo cienka. Większość jej masy znajduje się stosunkowo blisko powierzchni, ponieważ grawitacja mocniej przyciąga cząsteczki gazu w dolnych obszarach.
Nie oznacza to jednak, że atmosfera jest jedną cienką warstwą o stałej wysokości. Różne jej warstwy rozciągają się na różne wysokości, a ich granice nie są ostrymi liniami. Wysokości poszczególnych warstw mogą też nieco się zmieniać zależnie od warunków.
Najwięcej „codziennego życia” atmosfery odbywa się bardzo blisko powierzchni. To tutaj znajduje się większość powietrza, którym oddychamy, tutaj tworzą się chmury i zachodzi niemal cała pogoda. Im wyżej, tym powietrze staje się rzadsze. Człowiek wchodzący coraz wyżej nie przenosi się więc po prostu do „tego samego powietrza na większej wysokości” – z każdym kilometrem warunki stają się coraz bardziej odmienne.
Troposfera – miejsce, w którym dzieje się pogoda
Najniższą główną warstwą atmosfery jest troposfera. Rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości wynoszącej średnio około 12 kilometrów, choć jej górna granica jest niższa w pobliżu biegunów i wyższa nad równikiem.
To właśnie tutaj znajduje się niemal cała para wodna atmosfery i tutaj zachodzi praktycznie cała pogoda, którą obserwujemy na co dzień. Chmury, deszcz, śnieg, mgły, burze, huragany i codzienne zmiany temperatury są przede wszystkim zjawiskami troposferycznymi.
Temperatura w troposferze na ogół spada wraz z wysokością. Dlatego na wysokiej górze może być znacznie zimniej niż u jej podnóża, nawet jeśli oba miejsca znajdują się w tym samym czasie pod podobnym promieniowaniem słonecznym. To jeden z pierwszych sygnałów pokazujących, jak silnie warunki atmosferyczne zależą od wysokości.
Dlaczego niebo jest niebieskie?
Kolor nieba nie jest po prostu kolorem atmosfery. Gdybyśmy mogli zobaczyć powietrze bezpośrednio z bliska, nie wyglądałoby ono jak niebieska ściana. Niebo zyskuje swoją barwę dlatego, że światło słoneczne przechodzi przez atmosferę i oddziałuje z cząsteczkami gazów.
Światło Słońca wydaje się białe, ale w rzeczywistości zawiera wiele różnych długości fal. Krótsze fale, odpowiadające między innymi światłu niebieskiemu, są silniej rozpraszane przez cząsteczki atmosfery niż dłuższe fale.
Dlatego podczas dnia światło rozproszone w różnych kierunkach sprawia, że z wielu miejsc na niebie dociera do naszych oczu właśnie dużo światła niebieskiego. Wieczorem sytuacja się zmienia. Promienie słoneczne przechodzą przez znacznie dłuższą drogę w atmosferze, a część niebieskiego światła zostaje rozproszona na bok. Do obserwatora dociera wtedy więcej barw czerwonych, pomarańczowych i różowych.
Zachód Słońca to pokaz działania atmosfery
W pogodny wieczór możemy obserwować zjawisko, które wygląda jak artystyczne przedstawienie, choć jego przyczyna jest całkowicie fizyczna. Kiedy Słońce zbliża się do horyzontu, światło musi pokonać dłuższą drogę przez atmosferę niż w południe.
Po drodze znaczna część światła o krótszych długościach fali zostaje rozproszona. Pozostaje więc więcej promieniowania odpowiadającego barwom czerwonym i pomarańczowym. Jeżeli w atmosferze znajduje się dużo pyłu, aerozoli lub innych cząstek, zachód Słońca może przybrać szczególnie intensywne barwy.
Dlatego dwa wieczory mogą wyglądać zupełnie inaczej. Czysta atmosfera może dawać inne kolory niż atmosfera zawierająca dużą ilość cząstek. Na wygląd zachodu wpływają także chmury, wilgotność oraz ich wysokość. Każdy zachód Słońca jest więc w pewnym sensie wynikiem aktualnego „stanu” atmosfery.
Stratosfera – spokojniejsza warstwa nad pogodą
Nad troposferą znajduje się stratosfera, która sięga do wysokości około 50 kilometrów. W przeciwieństwie do troposfery temperatura w jej większej części wzrasta wraz z wysokością. Jest to związane między innymi z obecnością ozonu pochłaniającego promieniowanie ultrafioletowe.
Stratosfera jest znacznie bardziej stabilna pod względem pionowych ruchów powietrza niż troposfera. To jedna z przyczyn, dla których większość zjawisk pogodowych nie rozwija się w niej w taki sposób jak blisko powierzchni. Mimo to nie należy uważać jej za całkowicie nieruchomą. W atmosferze zawsze zachodzą ruchy i wymiana energii.
W dolnej części stratosfery znajdują się również trasy niektórych samolotów odrzutowych, które mogą korzystać z warunków panujących wysoko ponad większością chmur pogodowych. Dla pasażera patrzącego przez okno samolotu białe chmury mogą wyglądać jak spokojne morze. W rzeczywistości pod samolotem znajduje się najbardziej aktywna pogodowo część atmosfery.
Ozon – mała ilość, ogromne znaczenie
Ozon jest formą tlenu, której cząsteczka składa się z trzech atomów tlenu. W stratosferze występuje go stosunkowo niewiele w porównaniu z głównymi składnikami atmosfery, ale jego znaczenie jest ogromne.
Cząsteczki ozonu pochłaniają znaczną część szkodliwego promieniowania ultrafioletowego docierającego ze Słońca. Dzięki temu mniej tego promieniowania dociera do powierzchni Ziemi. Jest to niezwykle ważne dla organizmów żywych, ponieważ nadmierna ekspozycja na promieniowanie UV może uszkadzać komórki i materiał genetyczny.
Historia ozonu pokazuje również, że nawet niewielka ilość substancji może mieć ogromne znaczenie dla całej planety. Problemy związane z substancjami niszczącymi warstwę ozonową doprowadziły do międzynarodowych działań ograniczających ich użycie. To przykład sytuacji, w której badania atmosfery doprowadziły do decyzji wpływających na środowisko w skali globalnej.
Mezopauza i najzimniejsze miejsca atmosfery
Jeszcze wyżej znajduje się mezosfera, rozciągająca się mniej więcej od 50 do 80–85 kilometrów. To jedna z najbardziej niezwykłych części atmosfery, ponieważ wraz ze wzrostem wysokości temperatura ponownie spada.
W górnej części mezosfery panują jedne z najniższych temperatur występujących w całym systemie ziemskiej atmosfery. Powietrze jest tam już niezwykle rzadkie, dlatego człowiek bez specjalistycznego wyposażenia nie mógłby tam funkcjonować.
To właśnie w mezosferze większość małych meteoroidów wpadających w atmosferę zaczyna intensywnie świecić. Zjawisko, które z ziemskiej powierzchni nazywamy „spadającą gwiazdą”, nie jest gwiazdą. To świecenie związane z meteoroidem przechodzącym przez atmosferę.
Skąd bierze się meteor?
Meteoroid to mały naturalny obiekt znajdujący się w przestrzeni kosmicznej. Kiedy taki obiekt wchodzi w atmosferę z bardzo dużą prędkością i powoduje zjawisko świetlne, obserwujemy meteor. Jeśli fragment przetrwa przejście przez atmosferę i dotrze do powierzchni Ziemi, mówimy o meteorycie.
Podczas wejścia w atmosferę obiekt bardzo szybko spręża powietrze znajdujące się przed nim, a otaczający go gaz ulega silnemu nagrzaniu i jonizacji. Materiał z powierzchni obiektu może również ulegać ablacji, czyli stopniowemu odparowywaniu i usuwaniu.
Z powierzchni Ziemi możemy więc zobaczyć krótką, jasną linię na nocnym niebie. To, co trwa zaledwie chwilę, jest końcowym fragmentem długiej podróży małego kawałka materii przez przestrzeń kosmiczną. Atmosfera jest w tym procesie nie tylko tłem, ale aktywnym środowiskiem, które może obiekt bardzo szybko zmienić lub całkowicie zniszczyć.
Termosfera – powietrze prawie niewidoczne
Nad mezosferą znajduje się termosfera. Rozciąga się na setki kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Powietrze w niej jest niezwykle rzadkie, ale pojedyncze cząsteczki mogą być bardzo energetyczne pod wpływem promieniowania Słońca.
Dlatego temperatura termosfery może być bardzo wysoka, mimo że człowiek znajdujący się w tym środowisku nie odczuwałby „gorąca” w taki sposób jak w gęstym powietrzu przy powierzchni. Jest to pozorny paradoks. Temperatura opisuje średnią energię ruchu cząsteczek, ale ponieważ cząsteczek jest bardzo mało, przekazywanie energii człowiekowi byłoby zupełnie inne niż w gęstej atmosferze.
W termosferze znajdują się obszary związane z jonosferą oraz obserwujemy tam zorze polarne. W tej części atmosfery zaczyna również dominować środowisko, w którym oddziaływanie promieniowania słonecznego ma ogromne znaczenie.
Zorza polarna – światło tańczące nad biegunami
Zorza polarna jest jednym z najbardziej niezwykłych widowisk atmosferycznych. Zielone, czerwone, fioletowe i niebieskie światła pojawiające się na niebie powstają, gdy naładowane cząstki związane z aktywnością Słońca oddziałują z ziemską magnetosferą i górną atmosferą.
Cząstki mogą zostać skierowane w stronę obszarów położonych bliżej biegunów magnetycznych. Tam zderzają się z cząsteczkami gazów znajdujących się wysoko w atmosferze. Energia przekazywana tym cząsteczkom może zostać później wyemitowana w postaci światła.
Kolor zorzy zależy między innymi od rodzaju gazu i wysokości, na której zachodzą procesy. Zielone światło jest często związane z emisją tlenu na określonych wysokościach, podczas gdy inne barwy mogą powstawać w wyniku oddziaływania z tlenem lub azotem w innych warunkach.
Jonosfera – atmosfera naładowana elektrycznie
Jonosfera nie jest osobną główną warstwą atmosfery taką jak troposfera czy stratosfera. Jest obszarem, w którym występuje znacząca ilość naładowanych cząstek, i rozciąga się przez część mezosfery, termosfery oraz wyższych obszarów.
Promieniowanie słoneczne o dużej energii może wybijać elektrony z atomów i cząsteczek. W ten sposób powstają jony oraz swobodne elektrony. Ten proces nazywamy jonizacją.
Jonosfera ma znaczenie nie tylko dla zórz polarnych. W określonych warunkach może wpływać na rozchodzenie się fal radiowych. Dzięki temu atmosfera na ogromnych wysokościach uczestniczy w komunikacji prowadzonej przez człowieka, choć na co dzień trudno byłoby pomyśleć, że radio ma coś wspólnego z bardzo rozrzedzonym gazem setki kilometrów nad naszymi głowami.
Egzosfera – ostatni etap atmosfery
Egzosfera jest najbardziej zewnętrzną częścią atmosfery. Cząsteczki znajdują się tam w ekstremalnie małym zagęszczeniu i mogą przemieszczać się na bardzo duże odległości bez zderzeń z innymi cząsteczkami.
Nie istnieje jednak nagła ściana oddzielająca egzosferę od kosmosu. Atmosfera stopniowo staje się coraz rzadsza. Dlatego określenie „granica atmosfery” zależy od tego, jakie kryterium przyjmiemy.
W praktyce coraz wyżej znajdujemy się w środowisku przypominającym przestrzeń kosmiczną bardziej niż atmosferę znaną z powierzchni Ziemi. To fascynujące, że przejście pomiędzy oboma światami odbywa się stopniowo. Nie ma jednego miejsca, w którym atmosfera „kończy się” jednym cięciem.
Gdzie właściwie zaczyna się kosmos?
Jedną z umownych granic często stosowanych w astronautyce jest linia Kármána, znajdująca się na wysokości około 100 kilometrów. Przekroczenie tej wysokości bywa używane jako praktyczny sposób definiowania początku przestrzeni kosmicznej.
Nie oznacza to jednak, że dokładnie na 100 kilometrze atmosfera nagle się kończy. Jest tam nadal bardzo rozrzedzony gaz. Granica ma przede wszystkim znaczenie umowne i praktyczne.
To doskonały przykład tego, jak często w nauce korzystamy z definicji ułatwiających opis rzeczywistości. Natura nie zawsze tworzy wyraźne granice. Czasami my tworzymy je po to, aby łatwiej porządkować obserwacje.
Ciśnienie – siła niewidocznego powietrza
Atmosfera ma masę, a wszystko, co ma masę, działa grawitacyjnie. Nad każdym punktem powierzchni znajduje się więc słup powietrza, którego ciężar wywiera nacisk. To właśnie nazywamy ciśnieniem atmosferycznym.
Przy powierzchni jest ono największe, ponieważ znajduje się nad nami największa ilość powietrza. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie spada. Na dużych wysokościach powietrze jest rzadsze, dlatego oddychanie staje się coraz trudniejsze.
Na szczytach wysokich gór człowiek może odczuwać skutki niskiego ciśnienia i mniejszej dostępności tlenu. Dlatego alpiniści, piloci i astronauci muszą uwzględniać zmiany warunków atmosferycznych podczas przebywania na dużych wysokościach. Atmosfera działa na człowieka przez cały czas, nawet jeśli jej nacisku nie zauważamy.
Wiatr – powietrze, które nigdy nie stoi
Wiatr jest ruchem powietrza. Powstaje przede wszystkim dlatego, że powierzchnia Ziemi nie nagrzewa się wszędzie w jednakowy sposób. Różnice temperatur prowadzą do różnic ciśnienia, a powietrze przemieszcza się z obszarów o wyższym ciśnieniu w kierunku obszarów o niższym ciśnieniu.
Do tego dochodzi obrót Ziemi, który wpływa na kierunek ruchu powietrza na dużą skalę. Zjawisko to nazywane jest efektem Coriolisa. W połączeniu z rozkładem kontynentów, oceanów i temperatur tworzy ono skomplikowany system cyrkulacji atmosferycznej.
Wiatr może być delikatnym ruchem liści, ale może również osiągać ogromne prędkości w huraganach i silnych burzach. To wciąż to samo powietrze. Różnica tkwi w skali oraz warunkach, które doprowadziły do jego ruchu.
Chmura nie jest tylko „białą plamą”
Chmura powstaje, gdy powietrze zawierające parę wodną ochładza się do momentu, w którym para zaczyna się skraplać lub resublimować na drobnych cząstkach zawieszonych w atmosferze. Powstają wtedy mikroskopijne krople wody albo kryształki lodu.
Chmury mają bardzo różne kształty, wysokości i właściwości. Niektóre są cienkie i niemal przezroczyste, inne tworzą potężne pionowe struktury. Ich wygląd może wiele powiedzieć o ruchach powietrza i warunkach panujących w atmosferze.
To, że chmura wygląda jak miękka, puszysta masa, może być mylące. Jest przede wszystkim ogromnym skupiskiem mikroskopijnych kropelek wody lub kryształków lodu. W dużej chmurze znajduje się ogromna ilość wody, ale jej cząstki są tak małe, że mogą pozostawać zawieszone w powietrzu.
Burza – atmosfera pokazuje swoją siłę
Burza może zaczynać się od niewielkiego wzrostu chmury, który stopniowo rozrasta się do ogromnej chmury burzowej. W jej wnętrzu zachodzą silne ruchy pionowe powietrza, a krople wody i kryształki lodu przemieszczają się w górę i w dół.
W wyniku zderzeń pomiędzy cząstkami w chmurze dochodzi do rozdzielenia ładunków elektrycznych. Gdy różnica potencjałów staje się wystarczająco duża, powstaje wyładowanie. Błyskawica rozgrzewa otaczające powietrze do bardzo wysokiej temperatury, a gwałtowne rozszerzenie rozgrzanego gazu tworzy falę dźwiękową, którą słyszymy jako grzmot.
Odległość burzy można z grubsza ocenić, porównując czas między błyskiem a grzmotem. Światło dociera do nas niemal natychmiast, podczas gdy dźwięk porusza się znacznie wolniej. Wystarczy więc policzyć sekundy między błyskiem a grzmotem, aby orientacyjnie ocenić odległość wyładowania.
Huragan – gigantyczny wir nad oceanem
Tropikalne cyklony należą do najbardziej energetycznych zjawisk atmosferycznych na Ziemi. Powstają nad wystarczająco ciepłymi wodami oceanicznymi i rozwijają się dzięki energii pobieranej z wilgotnego, ciepłego powietrza.
W centrum silnego cyklonu może znajdować się oko, czyli obszar względnie spokojniejszej pogody otoczony przez potężną ścianę chmur i najsilniejszych wiatrów. Dla obserwatora wewnątrz oka niebo może się nagle rozjaśnić, mimo że zaledwie kilka kilometrów dalej trwa jedna z najbardziej gwałtownych części burzy.
Cyklony tropikalne mają różne nazwy zależnie od regionu świata. Termin „huragan” jest stosowany między innymi na Atlantyku i północno-wschodnim Pacyfiku. Mechanizm należy jednak do tej samej rodziny zjawisk. Ocean, atmosfera i obrót Ziemi współpracują tutaj w ogromnym układzie energetycznym.
Para wodna – niewidzialny składnik wielkiego obiegu
Woda znajdująca się w atmosferze może występować jako niewidoczna para wodna, mikroskopijne krople albo kryształki lodu. Ilość pary wodnej zmienia się wraz z temperaturą. Ciepłe powietrze może zawierać więcej pary wodnej niż zimne.
Gdy powietrze zostaje ochłodzone, może osiągnąć stan, w którym nie jest już w stanie utrzymać całej zawartej w nim pary wodnej. Wtedy rozpoczynają się procesy prowadzące do kondensacji. Tak powstaje mgła, rosa lub chmury, zależnie od miejsca i warunków.
Atmosfera jest więc jednym z etapów wielkiego obiegu wody. Woda paruje z oceanów, jezior i lądów, jest transportowana przez atmosferę, wraca na powierzchnię jako opad, a następnie ponownie trafia do atmosfery. Jedna cząsteczka wody może przechodzić przez ten cykl wielokrotnie.
Atmosfera jako termostat
Atmosfera nie tylko umożliwia oddychanie i tworzenie pogody. Pomaga również utrzymać temperaturę powierzchni Ziemi w zakresie odpowiednim dla znanego nam życia. Kluczową rolę odgrywa tutaj naturalny efekt cieplarniany.
Niektóre gazy atmosferyczne pochłaniają część promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi i ponownie emitują energię w różnych kierunkach. W efekcie część energii pozostaje w systemie Ziemia–atmosfera zamiast natychmiast opuszczać planetę.
Bez naturalnego efektu cieplarnianego średnia temperatura powierzchni Ziemi byłaby znacznie niższa. Zjawisko samo w sobie jest więc czymś naturalnym i niezbędnym dla obecnego środowiska planety. Problemem jest zmiana jego siły, gdy stężenia gazów cieplarnianych zwiększają się w wyniku działalności człowieka.
Para wodna i dwutlenek węgla – niepozorne gazy o wielkim znaczeniu
Para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym pod względem wpływu na naturalny efekt cieplarniany, ale jej stężenie jest silnie zależne od temperatury. Dwutlenek węgla występuje w znacznie mniejszej ilości niż azot czy tlen, ale jego wpływ na bilans energetyczny Ziemi jest bardzo istotny.
Inne gazy, takie jak metan, podtlenek azotu czy ozon, także wpływają na zatrzymywanie energii w systemie Ziemi. Każdy z nich ma inne właściwości i może pozostawać w atmosferze przez różny czas.
Atmosfera jest więc bardzo czułym systemem. Nie trzeba zmienić jej głównych składników, aby zmienić jej działanie. Niewielkie ilości substancji mogą mieć duże znaczenie, ponieważ atmosfera jest częścią wielkiego układu energetycznego obejmującego Słońce, powierzchnię Ziemi, oceany, lód, roślinność i chmury.
Dlaczego atmosfera jest tak ważna dla życia?
Pierwszym oczywistym powodem jest tlen, którego potrzebuje większość organizmów oddychających tlenowo. Atmosfera dostarcza także dwutlenek węgla potrzebny roślinom do fotosyntezy. To jednak dopiero początek listy jej funkcji.
Atmosfera reguluje temperaturę, transportuje wodę, chroni przed częścią promieniowania kosmicznego i słonecznego, umożliwia powstawanie pogody oraz bierze udział w obiegu różnych pierwiastków. Bez atmosfery powierzchnia Ziemi nie funkcjonowałaby w obecnej postaci.
Szczególnie fascynujące jest to, że życie i atmosfera wzajemnie na siebie wpływają. Rośliny, algi i inne organizmy fotosyntetyzujące zmieniają skład atmosfery, a atmosfera z kolei decyduje o warunkach, w których te organizmy mogą żyć. Tlen obecny w dzisiejszym powietrzu jest w dużej mierze rezultatem działalności organizmów fotosyntetyzujących w ciągu bardzo długiej historii Ziemi.
Atmosfera chroni nas przed częścią kosmicznych pocisków
Każdego dnia Ziemia jest bombardowana materiałem pochodzącym z kosmosu. Większość drobnych obiektów jest jednak tak mała, że podczas przechodzenia przez atmosferę zostaje spalona lub odparowana.
Bez atmosfery powierzchnia Ziemi byłaby znacznie bardziej narażona na bezpośrednie uderzenia małych meteoroidów. Księżyc, który praktycznie nie posiada atmosfery porównywalnej z ziemską, ma powierzchnię pokrytą ogromną liczbą kraterów.
Ziemia również posiada kratery uderzeniowe, ale wiele małych obiektów nigdy nie dociera do gruntu. Kiedy więc nocą widzimy „spadającą gwiazdę”, możemy spojrzeć na to z innej perspektywy. To właśnie atmosfera wykonuje w tym momencie część swojej codziennej, niewidocznej pracy.
Człowiek i jego wyprawa ku górze
Od momentu, gdy zaczęliśmy budować balony, samoloty i rakiety, człowiek stopniowo wchodził w coraz wyższe warstwy atmosfery. Każdy kilometr wysokości oznaczał nowe problemy. Spadało ciśnienie, zmieniała się temperatura, ubywało tlenu i rosło znaczenie promieniowania.
Samoloty pasażerskie korzystają z warunków panujących wysoko w troposferze i w pobliżu jej górnej granicy. Rakiety przelatują przez kolejne warstwy atmosfery w drodze na orbitę. Astronauci opuszczają środowisko, które można nazwać atmosferą w codziennym znaczeniu, i zaczynają działać w przestrzeni kosmicznej.
Każdy człowiek, który leci samolotem, doświadcza zatem podróży przez atmosferę. Przez niewielkie okno widzi chmury znajdujące się poniżej, ale nie widzi całej warstwy powietrza. Z góry atmosfera wydaje się cienka i delikatna. Z powierzchni jest niemal niewidoczna. W obu przypadkach pozostaje jednak jednym z najważniejszych elementów naszego świata.
Atmosfera Ziemi nie zawsze wyglądała tak jak dziś
Skład atmosfery zmieniał się w historii Ziemi. Wczesna atmosfera naszej planety wyglądała zupełnie inaczej niż współczesna. Wraz z rozwojem życia, aktywnością wulkaniczną, procesami chemicznymi i oddziaływaniem oceanów proporcje różnych gazów stopniowo się zmieniały.
Szczególną rolę odegrały organizmy fotosyntetyzujące. W bardzo długiej skali czasu zwiększały ilość tlenu w środowisku, co wpłynęło na rozwój bardziej złożonych form życia i umożliwiło powstanie warstwy ozonowej.
Dzisiejsza atmosfera jest więc wynikiem miliardów lat przemian. Kiedy nabieramy powietrza, wciągamy do płuc mieszaninę gazów, której skład jest rezultatem niezwykle długiej historii planety. Powietrze, które wydaje się czymś zwyczajnym, jest w rzeczywistości jednym z zapisów historii Ziemi.
Co dzieje się z atmosferą nocą?
Atmosfera działa również wtedy, gdy po naszej stronie Ziemi znajduje się noc. Choć Słońce nie ogrzewa bezpośrednio powierzchni danego miejsca, atmosfera nadal pozostaje w ruchu. Wiatr może przenosić ciepło z jednych obszarów do innych, a promieniowanie podczerwone jest nieustannie emitowane i pochłaniane.
Temperatura w nocy zależy między innymi od zachmurzenia, wilgotności, wiatru i rodzaju powierzchni. Chmury mogą ograniczać nocne wychładzanie powierzchni, ponieważ część energii jest pochłaniana i ponownie emitowana przez atmosferę.
Dlatego dwie noce o podobnej temperaturze w ciągu dnia mogą zakończyć się zupełnie innymi warunkami. Atmosfera nie „wyłącza się” po zachodzie Słońca. Po prostu zmieniają się źródła i sposób przepływu energii.
Atmosfera ma swój własny rytm
Codzienny cykl dnia i nocy wpływa na ogrzewanie powierzchni. Pory roku zmieniają ilość energii dostarczanej w różnych szerokościach geograficznych. Oceany magazynują ogromne ilości energii, a lądy nagrzewają się i ochładzają szybciej.
Do tego dochodzi cyrkulacja globalna. Wielkie układy atmosferyczne przenoszą ciepło i wilgoć między obszarami równikowymi i wyższymi szerokościami geograficznymi. Prądy strumieniowe mogą przemierzać tysiące kilometrów, wpływając na ruch układów pogodowych.
To dlatego pogoda w jednym miejscu może być związana z procesami zachodzącymi bardzo daleko. Chmura nad Polską może być częścią większego układu atmosferycznego, który zaczął się kształtować setki lub tysiące kilometrów dalej. Atmosfera nie zna granic państw.
Powietrze łączy kontynenty
Atmosfera nieustannie transportuje substancje na ogromne odległości. Pył pustynny może być przemieszczany nad oceanami, dym z dużych pożarów może docierać do odległych regionów, a pyłki roślin mogą być przenoszone przez wiatr znacznie dalej, niż mogłoby się wydawać.
To pokazuje, że atmosfera jest wielkim systemem transportowym. Nie przewozi jedynie ciepła i wilgoci. Przenosi również aerozole, zanieczyszczenia oraz substancje pochodzenia naturalnego.
Właśnie dlatego stan atmosfery jest problemem, którego nie da się całkowicie zamknąć w granicach jednego miasta czy państwa. Powietrze przepływa między regionami, a procesy zachodzące w jednym miejscu mogą wpływać na inne obszary. Atmosfera tworzy jeden globalny system.
Gdyby Ziemia nie miała atmosfery
Bez atmosfery nie byłoby opadów atmosferycznych ani znanego nam obiegu wody w obecnej formie. Nie byłoby też chmur, wiatrów i burz takich, jakie obserwujemy dzisiaj. Powierzchnia planety doświadczałaby znacznie większych wahań temperatury.
Nie byłoby również warstwy ozonowej pochłaniającej znaczną część promieniowania ultrafioletowego. Małe meteoroidy znacznie częściej docierałyby do powierzchni, a krajobraz byłby znacznie bardziej podobny do powierzchni ciał pozbawionych gęstej atmosfery.
Ziemia nadal byłaby planetą krążącą wokół Słońca, ale byłaby zupełnie innym światem. To pokazuje, że atmosfera nie jest dodatkiem do Ziemi. Jest jednym z jej podstawowych elementów, podobnie jak oceany, litosfera i biosfera.
Atmosfera widziana z kosmosu
Astronauci znajdujący się na orbicie mogą zobaczyć atmosferę w sposób, którego nie da się doświadczyć z powierzchni. Na tle czerni kosmosu pojawia się cienka, niebieska warstwa otaczająca planetę. Wygląda delikatnie, niemal jak cienka poświata.
Ten widok dobrze pokazuje proporcje. Ziemia ma ogromną średnicę, a większość codziennych procesów atmosferycznych odbywa się w stosunkowo cienkim obszarze przy powierzchni. Warstwa umożliwiająca funkcjonowanie znanego nam środowiska jest więc w skali planety niezwykle delikatna.
Zdjęcia wykonywane z orbity stały się ważnym narzędziem nauki. Satelity obserwują chmury, temperaturę powierzchni, ruch huraganów, skład atmosfery, aerozole i wiele innych zjawisk. Dzięki nim możemy oglądać atmosferę nie tylko jako coś, czym oddychamy, ale jako cały system planetarny.
Pogoda i klimat – podobne słowa, różne pojęcia
Pogoda opisuje stan atmosfery w konkretnym miejscu i czasie. Temperatura, wiatr, zachmurzenie, opady i ciśnienie są elementami pogody. Kiedy rano sprawdzamy prognozę na dany dzień, interesuje nas właśnie pogoda.
Klimat dotyczy natomiast długoterminowych warunków charakterystycznych dla danego obszaru. Nie określa jednej konkretnej burzy ani jednej zimy. Opisuje wzorce występujące przez długie okresy.
To rozróżnienie jest bardzo ważne. Chłodny dzień nie oznacza, że klimat się ochłodził, a pojedyncza bardzo gorąca fala nie opisuje całego klimatu. Aby mówić o klimacie, trzeba analizować długie serie danych i powtarzające się wzorce. Atmosfera jest odpowiedzialna zarówno za codzienną pogodę, jak i za długoterminowe procesy klimatyczne.
Atmosfera jako wielka scena życia
Rośliny korzystają z dwutlenku węgla i światła, zwierzęta potrzebują tlenu, a wszystkie organizmy zależą od odpowiedniej temperatury i dostępności wody. Atmosfera łączy więc wiele elementów biosfery.
Owady mogą latać dzięki właściwościom powietrza, ptaki wykorzystują prądy wznoszące, nasiona przemieszczają się z wiatrem, a zapachy umożliwiają organizmom przekazywanie sygnałów chemicznych na odległość. Atmosfera nie jest jedynie środowiskiem dla człowieka – jest częścią życia całej planety.
Nawet drzewa wpływają na atmosferę. Pobierają dwutlenek węgla, uwalniają tlen podczas fotosyntezy i uczestniczą w obiegu wody. Ocean również nie jest od niej oddzielony. Wymienia z atmosferą ciepło, wodę i gazy. Atmosfera, hydrosfera i biosfera tworzą wspólnie system, którego elementy nieustannie na siebie oddziałują.
Niewidzialny ocean nad nami
Atmosfera jest jednym z najbardziej niezwykłych elementów Ziemi właśnie dlatego, że na co dzień prawie jej nie zauważamy. Nie możemy jej zobaczyć jako jednej całości, a jednak otacza nas bez przerwy. Każdy oddech, każda chmura, każdy podmuch wiatru, każdy deszcz i każda błyskawica są częścią jej funkcjonowania. W niższych warstwach odbywa się niemal cała pogoda znana człowiekowi, wyżej znajduje się ozon chroniący życie przed znaczną częścią promieniowania ultrafioletowego, jeszcze wyżej spalają się liczne meteoroidy, pojawiają się zorze i zaczyna się stopniowe przejście w przestrzeń kosmiczną. Atmosfera jest również wielkim transportem energii i wody, który łączy wszystkie kontynenty i oceany. Wpływa na klimat, chroni powierzchnię planety, uczestniczy w obiegu substancji i pozostaje w nieustannym kontakcie ze światem żywym. Co więcej, sama atmosfera jest zapisem historii Ziemi. Jej skład zmieniał się przez miliardy lat, a rozwój życia wpłynął na to, jak wygląda dzisiaj. Patrząc nocą na meteor albo obserwując kolor zachodzącego Słońca, możemy zobaczyć tylko mały fragment procesów zachodzących nad naszymi głowami. Za każdym takim zjawiskiem znajduje się ogromny system fizyczny działający przez całą dobę. Ziemia nie jest po prostu skałą otoczoną pustką. Jest planetą zanurzoną w własnym gazowym oceanie, a my żyjemy na jego dnie.