Tähtitiede

oppimistavoitteet

tämän osion loppuun mennessä voit:

  • erottaa maan eri ilmakehän kerrokset
  • selittää ilmakehän kemiallisen koostumuksen ja mahdollisen alkuperän
  • selittää sään ja ilmaston eron

elämme planeettaamme ympäröivän ilmameren pohjalla. Ilmakehä, joka painaa maan pintaa painovoiman vaikutuksesta, aiheuttaa merenpinnan tasolla paineen, jonka tutkijat määrittelevät 1 baariksi (termi, joka tulee samasta juuresta kuin barometri, ilmanpaineen mittaamiseen käytetty laite). Painepalkki tarkoittaa sitä, että jokainen maapallon pinnan neliösenttimetri on painoltaan 1,03 kilogrammaa painava. Ihmiset ovat kehittyneet elämään tässä paineessa; tekevät paineesta paljon pienemmän tai korkeamman ja me emme toimi hyvin.

Maan ilmakehän kokonaismassa on noin 5 × 1018 kilogrammaa. Tämä kuulostaa suurelta määrältä, mutta se on vain noin miljoonasosa maan kokonaismassasta. Ilmakehä edustaa pienempää osaa maasta kuin se murto-osa massasta, jota pään hiukset edustavat.

ilmakehän rakenne

kuva Maan ilmakehän rakenteesta. Vasemmalla on pystysuora asteikko kilometreinä, joka vaihtelee nollasta alareunassa 130 kilometriin, portaittain 10. Vaaka-asteikko on lämpötila Kelvinasteina, vaihdellen nollasta vasemmalla ja 500 oikealla, portaittain 100. Äärioikealla on merkitty ilmakehän kerrokset. Troposfääri on pohjassa, H2O-pilviä on noin 20 km, stratosfääri lähellä 40 km, mesosfääri alkaa lähes 90 km ja lopuksi ionosfääri on huipulla 130 km. Kaavion keskelle piirretään punainen viiva, joka osoittaa lämpötilan muutoksen korkeuden kanssa. Pinnassa Jana alkaa 300 K: sta, Jana kaartaa vasemmalle noustessaan 30 km: n kohdalla noin 190 K: n matalaksi, jossa näkyvät N2: n ja O2: n molekyylit. Lämpötila nousee jälleen korkeuden ollessa lähellä 250 K 60 km: n korkeudessa, jossa otsonikerros on merkitty. Lämpötila laskee jälleen Korkeus, 190 K 100 km. Tällä korkeudella meteorit palavat, kun ne tunkeutuvat ilmakehään. Lopulta lämpötila nousee jälleen korkeuden myötä hieman yli 300 K: n lukemiin 130 kilometrin kohdalla.

kuva 1. Rakenne Maan ilmakehän: korkeus kasvaa ylös vasemmalla puolella kaavion, ja nimet eri ilmakehän kerrokset on esitetty oikealla. Ylemmässä ionosfäärissä auringon ultraviolettisäteily voi irrottaa elektroneja atomeistaan, jolloin ilmakehä ionisoituu. Kaartuva punainen viiva näyttää lämpötilan (KS.asteikko x-akselilla).

ilmakehän rakennetta havainnollistetaan kuvassa 1. Suurin osa ilmakehästä on keskittynyt lähelle maan pintaa, noin 10 kilometrin syvyyteen, jossa muodostuu pilviä ja lentokoneet lentävät. Tällä troposfääriksi kutsutulla alueella pinnan lämmittämä lämmin ilma nousee ja sen korvaavat viileämmän ilman laskeutuvat virrat; tämä on esimerkki konvektiosta. Tämä kierto synnyttää pilviä ja tuulta. Troposfäärissä lämpötila laskee nopeasti kohoten lähelle 50 °C: n pakkasasteita sen ylärajalla, mistä stratosfääri alkaa. Suurin osa noin 50 kilometrin korkeuteen ulottuvasta stratosfääristä on kylmää ja pilvetöntä.

lähellä stratosfäärin huippua on otsonikerros (O3), raskas hapen muoto, jossa on kolme atomia molekyyliä kohti tavanomaisen kahden sijasta. Koska otsoni absorboi hyvin ultraviolettivaloa, se suojaa pintaa joiltakin auringon vaarallisilta ultraviolettisäteilyiltä ja mahdollistaa siten elämän olemassaolon maapallolla. Otsonin hajoaminen lisää lämpöä stratosfääriin, mikä kääntää troposfäärin laskevan lämpötilakehityksen päinvastaiseksi. Koska otsoni on välttämätöntä selviytymisellemme, reagoimme perustellusti huolestuneina todisteisiin, jotka tulivat 1980-luvulla selväksi siitä, että ihmisen toiminta tuhoaa ilmakehän otsonia. Kansainvälisellä sopimuksella otsonikatoa aiheuttavien teollisuuskemikaalien eli kloorifluorihiilivetyjen eli CFC-yhdisteiden tuotanto on lopetettu asteittain. Tämän seurauksena otsonikato on pysähtynyt ja Etelämantereen yllä oleva ”otsoniaukko” kutistuu vähitellen. Tämä on esimerkki siitä, miten yhtenäinen kansainvälinen toiminta voi auttaa ylläpitämään maapallon asuttavuutta.

vieraile Nasan tieteellisessä visualisointistudiossa ja katso lyhyt video siitä, mitä maapallon otsonikerrokselle olisi tapahtunut vuoteen 2065 mennessä, jos CFC-yhdisteitä ei olisi säännelty.

yli 100 kilometrin korkeudessa ilmakehä on niin ohut, että kiertävät satelliitit voivat kulkea sen läpi hyvin vähäisellä kitkalla. Monet atomeista ionisoituvat elektronihäviön seurauksena, ja tätä aluetta kutsutaan usein ionosfääriksi. Näissä korkeuksissa yksittäiset atomit voivat toisinaan karata kokonaan maan gravitaatiokentästä. Ilmakehää vuotaa jatkuvasti, hitaasti-erityisesti kevyitä atomeja, jotka liikkuvat nopeammin kuin raskaat atomit. Maan ilmakehä ei voi esimerkiksi pitää pitkään kiinni vedystä tai heliumista, jotka karkaavat avaruuteen. Maa ei ole ainoa planeetta, joka kokee kaasukehän vuotamista. Ilmakehän vuoto loi myös Marsin ohuen kaasukehän. Venuksen kuiva kaasukehä kehittyi, koska sen läheisyys aurinkoon höyrystyi ja hajotti kaiken veden, jolloin komponenttikaasut katosivat avaruuteen.

ilmakehän koostumus ja alkuperä

maan pinnalla ilmakehä koostuu 78% typestä (N2), 21% hapesta (O2) ja 1% argonista (Ar), ja siinä on jäämiä vesihöyrystä (H2O), hiilidioksidista (CO2) ja muista kaasuista. Ilmassa on myös vaihtelevia määriä pölyhiukkasia ja vesipisaroita.

täydellisessä maan haihtuvien aineiden väestönlaskennassa pitäisi kuitenkin tarkastella muutakin kuin nykyistä kaasua. Haihtuvia aineita ovat ne, jotka haihtuvat suhteellisen alhaisessa lämpötilassa. Jos maa olisi hieman lämpimämpi, jotkin aineet, jotka ovat nyt nestemäisiä tai kiinteitä, voisivat tulla osaksi ilmakehää. Oletetaan esimerkiksi, että planeettamme lämmitettiin yli veden kiehumispisteen (100 °C eli 373 K); se on suuri muutos ihmisille, mutta pieni muutos verrattuna kaikkeuden mahdollisiin lämpötiloihin. 100 °C: n lämpötilassa valtameret kiehuisivat ja syntyvä vesihöyry tulisi osaksi ilmakehää.

arvioidaksesi, kuinka paljon vesihöyryä vapautuisi, huomaa, että vettä riittää koko maapallon kattamiseen noin 300 metrin syvyyteen asti. Koska 10 metrin veden paine on yhtä suuri kuin noin 1 baari, keskimääräinen paine merenpohjassa on noin 300 baaria. Vesi painaa saman verran joko nesteenä tai höyrynä, joten jos valtameret kiehuisivat pois, veden Ilmanpaine olisi edelleen 300 baaria. Vesi hallitsisi siis suuresti maan ilmakehää typen ja hapen vähentyessä hivenainetasoiksi.

lämpimämmässä maassa toinen ylimääräisen ilmakehän lähde löytyisi maankuoren sedimenttikarbonaattikivistä. Nämä mineraalit sisältävät runsaasti hiilidioksidia. Jos kaikki nämä kivet lämmitettäisiin, ne vapauttaisivat noin 70 baaria CO2: ta, mikä on paljon enemmän kuin nykyinen CO2-paine, joka on vain 0,0005 bar. Näin lämpimän maan ilmakehää hallitsisivat vesihöyry ja hiilidioksidi, ja pintapaine lähestyisi 400 baaria.

useat todisteet osoittavat, että maan ilmakehän koostumus on muuttunut planeettamme historian aikana. Tutkijat voivat päätellä ilmakehän hapen määrän esimerkiksi tutkimalla eri aikoina muodostuneiden mineraalien kemiaa. Tarkastelemme tätä asiaa yksityiskohtaisemmin myöhemmin tässä luvussa.

nykyään näemme, että hiilidioksidia, H2O: ta, rikkidioksidia (SO2) ja muita kaasuja vapautuu syvemmältä maan sisältä tulivuorten vaikutuksesta. (Hiilidioksidin pääasiallinen lähde on nykyään fossiilisten polttoaineiden polttaminen, josta vapautuu paljon enemmän hiilidioksidia kuin tulivuorenpurkauksista.) Suuri osa tästä ilmeisesti uudesta kaasusta on kuitenkin kierrätysmateriaalia, jota on aliohjattu laattatektoniikan avulla. Mutta mistä planeettamme alkuperäinen ilmakehä on peräisin?

Maan ilmakehän ja valtamerten alkuperäiselle lähteelle on olemassa kolme mahdollisuutta: (1) ilmakehä olisi voinut syntyä muun maan mukana, kun se oli kerääntynyt auringon muodostumisesta jäljelle jääneistä rojuista; (2) ilmakehä on voinut vapautua sisämaasta vulkaanisen toiminnan kautta maan muodostumisen jälkeen; tai 3) se on saattanut olla peräisin aurinkokunnan ulko-osista tulevien komeettojen ja asteroidien törmäyksistä. Nykyiset todisteet suosivat sisä-ja iskulähteiden yhdistelmää.

Sää ja Ilmasto

Kuva hurrikaanista avaruudesta. Kuvassa näkyy valtava, ylösalaisin käännetyn pilkun muotoinen myrsky, joka peittää suuren osan Yhdysvaltain koillisrannikkoa.

kuva 2. Myrsky avaruudesta: tässä satelliittikuvassa hurrikaani Irene vuonna 2011, vähän ennen kuin myrsky iski maihin New Yorkissa. Maapallon kallistuneen pyörimisakselin, kohtalaisen nopean pyörimisen ja nestemäisen veden merien yhdistelmä voi johtaa planeettamme rajuun säähän. (luotto: NASA/NOAA GOES Project)

kaikilla ilmakehällisillä planeetoilla on sää, minkä nimen annamme ilmakehän kiertämiselle. Säähän vaikuttava energia saadaan pääasiassa pintaa lämmittävästä auringonvalosta. Sekä planeetan pyörimisliike että hitaammat vuodenaikojen muutokset aiheuttavat vaihtelua eri puolille maapalloa osuvan auringonvalon määrässä. Ilmakehä ja valtameret jakavat lämmön uudelleen lämpimämmiltä ja viileämmiltä alueilta. Sää millä tahansa planeetalla edustaa sen ilmakehän reaktiota auringon muuttuviin energiapanoksiin (KS.dramaattinen esimerkki kuvasta 2).

ilmasto on termi, jolla viitataan ilmakehän vaikutuksiin, jotka kestävät läpi vuosikymmenten ja vuosisatojen. Ilmaston muutoksia (toisin kuin sään satunnaisvaihteluita vuodesta toiseen) on usein vaikea havaita lyhyillä ajanjaksoilla, mutta kun ne kertyvät, niiden vaikutus voi olla tuhoisa. Eräs sanonta kuuluu, että ” ilmasto on se, mitä odottaa, ja sää on se, mitä saa.”Nykyaikainen maanviljely on erityisen herkkä lämpötilalle ja sademäärälle; esimerkiksi laskelmien mukaan vain 2 °C: n pudotus koko kasvukauden ajan puolittaisi vehnäntuotannon Kanadassa ja Yhdysvalloissa. Toisessa ääripäässä 2 °C: n nousu maapallon keskilämpötilassa riittäisi sulattamaan monia jäätiköitä, mukaan lukien suuren osan Grönlannin jääpeitteestä, nostamaan merenpintaa jopa 10 metriä, tulvimaan moniin rannikkokaupunkeihin ja satamiin ja laittamaan pienet saaret kokonaan veden alle.

parhaiten dokumentoidut muutokset maapallon ilmastossa ovat suuret jääkaudet, jotka ovat laskeneet pohjoisen pallonpuoliskon lämpötilaa ajoittain noin puolen miljoonan viime vuoden aikana (kuva 3). Viimeinen jääkausi, joka päättyi noin 14 000 vuotta sitten, kesti noin 20 000 vuotta. Korkeimmillaan jää oli lähes 2 kilometriä paksua Bostonin yllä ja ulottui New Yorkiin asti etelään.

havainnekuva pohjoisen pallonpuoliskon viimeaikaisista Jääkausista. Pohjoisnavalle katsottuna mustat alueet kattavat Grönlannin, Kanadan länsirannikon ja Himalajan, mikä viittaa nykyiseen jääkauden peittävyyteen. Puoliläpimittaisessa harmaassa on viimeisen suuren jääkauden laajuus. Tämä kattoi suurimman osan Pohjois-Amerikkaa, suuren osan Pohjois-Eurooppaa ja Siperiaa sekä Tiibetin ylängön.

kuva 3. jääkausi: Tämä tietokoneella luotu kuva näyttää pohjoisen pallonpuoliskon jäätyneet alueet menneiden jääkausien aikana näköalapaikalta, josta katsotaan alas pohjoisnavalle. Mustana oleva alue kertoo viimeisimmästä jäätiköitymisestä (jäätiköiden peittävyydestä), ja harmaana oleva alue osoittaa jäätiköitymisen enimmäistason, joka koskaan on saavutettu. (credit: modification of work by Hannes Grobe/AWI)

nämä jääkaudet olivat pääasiassa seurausta maan pyörimisakselin kallistuman muutoksista, jotka aiheutuivat muiden planeettojen gravitaatiovaikutuksista. Emme ole yhtä varmoja todisteista, että ainakin kerran (ja ehkä kahdesti) noin miljardi vuotta sitten koko valtameri jäätyi, tilannetta kutsutaan lumipallomaaksi.

elämän kehitys ja evoluutio maapallolla on saanut aikaan muutoksia myös planeettamme ilmakehän koostumuksessa ja lämpötilassa, kuten seuraavassa jaksossa nähdään.

avainkäsitteet ja yhteenveto

ilmakehän pintapaine on 1 bar ja se koostuu pääasiassa N2: sta ja O2: sta sekä sellaisista tärkeistä jäämäkaasuista kuin H2O, CO2 ja O3. Sen rakenne koostuu troposfääristä, stratosfääristä, mesosfääristä ja ionosfääristä. Ilmakehän koostumuksen muuttaminen vaikuttaa myös lämpötilaan. Ilmakehän kiertoa (säätä) ohjaa kausittain vaihtuva auringonvalon Laskeuma. Monet pidempiaikaiset ilmaston vaihtelut, kuten jääkaudet, liittyvät planeetan radan ja aksiaalisen kallistuman muutoksiin.

Sanasto

bar: 100 000 Newtonin voima, joka vaikuttaa 1 neliömetrin pinta-alaan; Maan ilmakehän keskimääräinen paine merenpinnan tasolla on 1,013 baaria

otsoni: (O3) raskas happimolekyyli, joka sisältää kolme atomia normaalimman kahden sijasta

stratosfääri: Maan ilmakehän kerros troposfäärin yläpuolella ja ionosfäärin alapuolella

troposfääri: Maan ilmakehän alin taso, jossa tapahtuu suurin osa säästä

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.