Astronomi

inlärningsmål

i slutet av detta avsnitt kommer du att kunna:

  • skilja mellan jordens olika atmosfäriska lager
  • beskriv den kemiska sammansättningen och möjliga ursprung i vår atmosfär
  • förklara skillnaden mellan väder och klimat

vi lever längst ner i luftens hav som omsluter vår planet. Atmosfären, som väger ner på jordens yta under tyngdkraften, utövar ett tryck på havsnivå som forskare definierar som 1 bar (en term som kommer från samma rot som barometer, ett instrument som används för att mäta atmosfärstryck). En tryckstång innebär att varje kvadratcentimeter av jordens yta har en vikt motsvarande 1,03 kg som pressar ner på den. Människor har utvecklats för att leva vid detta tryck; gör trycket mycket lägre eller högre och vi fungerar inte bra.

den totala massan av jordens atmosfär är ca 5 1018 kg. Det låter som ett stort antal, men det är bara ungefär en miljondel av jordens totala massa. Atmosfären representerar en mindre bråkdel av jorden än den bråkdel av din massa som representeras av håret på huvudet.

atmosfärens struktur

Illustration av strukturen i jordens atmosfär. Till vänster är en vertikal skala i kilometer, från noll längst ner till 130 km, i steg om 10. Den horisontella skalan är temperaturen i grader Kelvin, från noll till vänster till 500 till höger, i steg om 100. Längst till höger anges de atmosfäriska skikten. Troposfären ligger längst ner, med H2o-moln på cirka 20 km, stratosfären nära 40 km, mesosfären börjar nära 90 km, och slutligen är jonosfären högst upp på 130 km. I mitten av diagrammet ritas en röd linje för att indikera temperaturförändringen med höjd. Vid ytan börjar linjen vid 300 K, linjekurvorna lämnas när den stiger till en låg av ca 190 K vid 30 km, där molekyler av N2 och O2 visas. Temperaturen stiger igen med höjd till nära 250 K vid 60 km där ozonskiktet är märkt. Temperaturen faller igen med höjd, till 190 K vid 100 km. På denna höjd brinner meteorer upp när de tränger in i atmosfären. Slutligen stiger temperaturen igen med höjd, till drygt 300 K högst upp i figuren vid 130 km.

Figur 1. Struktur av jordens atmosfär: höjden ökar upp på vänster sida av diagrammet, och namnen på de olika atmosfäriska skikten visas till höger. I den övre jonosfären kan ultraviolett strålning från solen ta bort elektroner från sina atomer och lämna atmosfären joniserad. Den böjda röda linjen visar temperaturen (se skalan på x-axeln).

atmosfärens struktur illustreras i Figur 1. Det mesta av atmosfären är koncentrerad nära jordens yta, inom ungefär de nedre 10 kilometerna där moln bildas och flygplan flyger. Inom denna region-kallad troposfären-stiger varm luft, uppvärmd av ytan, och ersätts av nedåtgående strömmar av kallare luft; detta är ett exempel på konvektion. Denna cirkulation genererar moln och vind. Inom troposfären, temperaturen sjunker snabbt med ökande höjd till värden nära 50 kcal C under frysning vid dess övre gräns, där stratosfären börjar. Det mesta av stratosfären, som sträcker sig till cirka 50 kilometer över ytan, är kallt och fritt från moln.

nära toppen av stratosfären är ett lager av ozon (O3), en tung form av syre med tre atomer per molekyl istället för de vanliga två. Eftersom ozon är en bra absorberare av ultraviolett ljus skyddar det ytan från en del av solens farliga ultravioletta strålning, vilket gör det möjligt för livet att existera på jorden. Upplösningen av ozon tillför värme till stratosfären, vilket vänder den minskande temperaturtrenden i troposfären. Eftersom ozon är viktigt för vår överlevnad reagerade vi med motiverad oro på bevis som blev tydliga på 1980-talet att Atmosfäriskt Ozon förstördes av mänskliga aktiviteter. Genom internationellt avtal har produktionen av industriella kemikalier som orsakar ozonnedbrytning, kallad klorfluorkolväten, eller CFC, fasats ut. Som ett resultat har ozonförlusten stoppat och ”ozonhålet” över Antarktis krymper gradvis. Detta är ett exempel på hur samordnade internationella åtgärder kan bidra till att upprätthålla jordens livsmiljö.

besök NASA: s scientific visualization studio för en kort video om vad som skulle ha hänt med jordens ozonskikt av 2065 om CFC inte hade reglerats.

vid höjder över 100 kilometer är atmosfären så tunn att kretsande satelliter kan passera genom den med mycket liten friktion. Många av atomerna joniseras av förlusten av en elektron, och denna region kallas ofta jonosfären. Vid dessa höjder kan enskilda atomer ibland Fly helt från jordens gravitationsfält. Det finns en kontinuerlig, långsam läckage av atmosfären-särskilt av lätta atomer, som rör sig snabbare än tunga. Jordens atmosfär kan till exempel inte hålla länge till väte eller helium, som flyr ut i rymden. Jorden är inte den enda planet som upplever atmosfärläckage. Atmosfäriskt läckage skapade också Mars tunna atmosfär. Venus torra atmosfär utvecklades eftersom dess närhet till solen förångade och dissocierade allt vatten, med komponentgaserna förlorade i rymden.

atmosfärisk sammansättning och ursprung

vid jordens yta består atmosfären av 78% kväve (N2), 21% syre (O2) och 1% argon (Ar), med spår av vattenånga (H2O), koldioxid (CO2) och andra gaser. Variabla mängder dammpartiklar och vattendroppar finns också suspenderade i luften.

en fullständig folkräkning av jordens flyktiga material bör dock titta på mer än den gas som nu finns. Flyktiga material är de som avdunstar vid en relativt låg temperatur. Om jorden bara var lite varmare kan vissa material som nu är flytande eller fasta bli en del av atmosfären. Antag till exempel att vår planet värmdes till över kokpunkten för vatten (100 CCB eller 373 K); Det är en stor förändring för människor, men en liten förändring jämfört med intervallet av möjliga temperaturer i universum. Vid 100 kcal C skulle oceanerna koka och den resulterande vattenångan skulle bli en del av atmosfären.

för att uppskatta hur mycket vattenånga som skulle släppas, notera att det finns tillräckligt med vatten för att täcka hela jorden till ett djup av cirka 300 meter. Eftersom trycket som utövas av 10 meter vatten är lika med ca 1 bar, är det genomsnittliga trycket vid havsbotten cirka 300 bar. Vatten väger detsamma oavsett om det är i flytande eller ångform, så om oceanerna kokas bort skulle vattnets atmosfärstryck fortfarande vara 300 bar. Vatten skulle därför dominera jordens atmosfär kraftigt, med kväve och syre reducerat till status som spårbeståndsdelar.

på en varmare jord skulle en annan källa till ytterligare atmosfär hittas i jordskorpans sedimentära karbonatstenar. Dessa mineraler innehåller riklig koldioxid. Om alla dessa stenar värmdes skulle de släppa omkring 70 bar CO2, mycket mer än det nuvarande CO2-trycket på endast 0,0005 bar. Således skulle atmosfären i en varm jord domineras av vattenånga och koldioxid, med ett yttryck som närmar sig 400 bar.

flera rader av bevis visar att sammansättningen av jordens atmosfär har förändrats över vår planets historia. Forskare kan härleda mängden atmosfäriskt syre, till exempel genom att studera kemi av mineraler som bildades vid olika tidpunkter. Vi undersöker denna fråga mer detaljerat senare i detta kapitel.

idag ser vi att CO2, H2O, svaveldioxid (SO2) och andra gaser frigörs från djupare inom jorden genom vulkanernas verkan. (För CO2 är den primära källan idag förbränning av fossila bränslen, vilket frigör mycket mer CO2 än det från vulkanutbrott.) Mycket av denna uppenbarligen nya gas är emellertid återvunnet material som har subducerats genom plattektonik. Men var kom vår planets ursprungliga atmosfär från?

tre möjligheter finns för den ursprungliga källan till jordens atmosfär och hav: (1) atmosfären kunde ha bildats med resten av jorden när den ackumulerades från skräp kvar från solens bildning; (2) Det kunde ha släppts från det inre genom vulkanisk aktivitet, efter bildandet av jorden; eller (3) Det kan ha härrör från påverkan av kometer och asteroider från de yttre delarna av solsystemet. Nuvarande bevis gynnar en kombination av interiör och slagkällor.

Väder och klimat

bild av en orkan från rymden. Detta fotografi visar en enorm, inverterad kommaformad storm som täcker mycket av USA: s nordöstra kust.

Figur 2. Storm från rymden: denna satellitbild visar orkanen Irene 2011, strax innan stormen slog land i New York City. Kombinationen av jordens lutade rotationsaxel, måttligt snabb rotation och hav av flytande vatten kan leda till våldsamt väder på vår planet. (kredit: NASA / NOAA GOES Project)

alla planeter med atmosfärer har väder, vilket är namnet vi ger till atmosfärens cirkulation. Energin som driver vädret härrör främst från solljuset som värmer ytan. Både planetens rotation och långsammare säsongsförändringar orsakar variationer i mängden solljus som träffar olika delar av jorden. Atmosfären och oceanerna omfördelar värmen från varmare till svalare områden. Väder på vilken planet som helst representerar atmosfärens svar på förändrade energiinsatser från solen (se Figur 2 för ett dramatiskt exempel).

klimat är en term som används för att hänvisa till effekterna av atmosfären som varar genom årtionden och århundraden. Förändringar i klimatet (i motsats till de slumpmässiga variationerna i väder från ett år till nästa) är ofta svåra att upptäcka under korta tidsperioder, men när de ackumuleras kan deras effekt vara förödande. Ett ordstäv är att ”klimat är vad du förväntar dig, och väder är vad du får.”Modernt jordbruk är särskilt känsligt för temperatur och Nederbörd; till exempel tyder beräkningar på att en droppe på endast 2 kg C under hela växtsäsongen skulle minska veteproduktionen med hälften i Kanada och USA. Vid den andra ytterligheten, en ökning med 2 C i medeltemperaturen på jorden skulle vara tillräckligt för att smälta många glaciärer, inklusive en stor del av istäcket på Grönland, höja havsnivån med så mycket som 10 meter, översvämningar många kuststäder och hamnar, och sätta små öar helt under vatten.

de bästa dokumenterade förändringarna i jordens klimat är de stora istiderna, som har sänkt temperaturen på norra halvklotet regelbundet under de senaste halv miljon åren eller så (Figur 3). Den senaste istiden, som slutade för cirka 14 000 år sedan, varade cirka 20 000 år. På sin höjd var isen nästan 2 kilometer tjock över Boston och sträckte sig så långt söderut som New York City.

Illustration av de senaste istiderna på norra halvklotet. När man tittar ner på nordpolen täcker svarta områden Grönland, Kanadas västkust och Himalaya som indikerar aktuell glacial täckning. Överplottad i halvtransparent grå är omfattningen av den senaste stora istiden. Detta täckte större delen av Nordamerika, mycket av Nordeuropa och Sibirien och den tibetanska platån.

Figur 3. istid: Den här datorgenererade bilden visar de frusna områdena på norra halvklotet under tidigare istider från utsiktspunkten för att titta ner på nordpolen. Området i svart indikerar den senaste glaciationen (täckning av glaciärer), och området i grått visar den maximala glaciationsnivån som någonsin uppnåtts. (kredit: modifiering av arbete av Hannes Grobe/AWI)

dessa istider var främst resultatet av förändringar i lutningen av jordens rotationsaxel, producerad av gravitationseffekterna av de andra planeterna. Vi är mindre säkra på bevis för att åtminstone en gång (och kanske två gånger) för ungefär en miljard år sedan frös hela havet över, en situation som kallas snowball Earth.utvecklingen och utvecklingen av livet på jorden har också skapat förändringar i sammansättningen och temperaturen i vår planets atmosfär, som vi kommer att se i nästa avsnitt.

nyckelbegrepp och sammanfattning

atmosfären har ett yttryck på 1 bar och består främst av N2 och O2, plus sådana viktiga spårgaser som H2O, CO2 och O3. Dess struktur består av troposfären, stratosfären, mesosfären och jonosfären. Att ändra atmosfärens sammansättning påverkar också temperaturen. Atmosfärisk cirkulation (väder) drivs av säsongsmässigt förändrad avsättning av solljus. Många långsiktiga klimatvariationer, såsom istiden, är relaterade till förändringar i planetens bana och axiell lutning.

ordlista

bar: en kraft på 100 000 Newton som verkar på en yta på 1 kvadratmeter; Det genomsnittliga trycket i jordens atmosfär vid havsnivå är 1.013 bar

Ozon: (O3) en tung syremolekyl som innehåller tre atomer snarare än de mer normala två

stratosfären: lagret av jordens atmosfär ovanför troposfären och under jonosfären

troposfären: den lägsta nivån av jordens atmosfär, där mest väder äger rum

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.