Sastav atmosfere. Temperaturni profil atmosfere. Ozonosfera. Sastav i temperaturni profil atmosfere Sastav atmosfere. Temperaturni profil atmosfere. Ozonosfera. Trinaesto predavanje

Ključni termini predavanja Sastav i temperaturni profil atmosfere Ključni termini predavanja Atmosfera. Sastav atmosfere: gasovi, čestice. Vertikalna struktura atmosfere: temperatura, pritisak, sastav. Ozonosfera.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Atmosfera Atmosfera predstavlja tanak gasoviti omotač Zemlje. Gasovi koji ulaze u njen sastav ostaju u neposrednoj blizini Zemlje zahvaljujući sili gravitacije. Gasovi deluju kao zaštitni omotač Zemlje od solarne radijacije i temperaturnih ekstrema tokom dana i noći. Sa porastom rastojanja od Zemljine površine, temperatura, gustina i sastav vazduha se menjaju. - Prostire se do približno 970 km visine. (Striktno govoreći, ne postoji nešto što bi smo mogli da nazovemo granica Zemljine atmosfere, ona ne prestaje na nekoj određenoj visini, već postaje sve ređa sa porastom visine. Ukoliko bi ste smatrali termosferu i egzosferu delom atmosfere, a ne spoljašnjeg svemirskog prostora, onda bi se granica prema svemiru mogla postaviti na visinu od oko 10 000 km. U aeronautici i astronautici 1950-tih god., Karman je izračunao da iznad visine od 100 km neko telo bi moralo da leti brže od orbitalne brzine da bi stvorilo dovoljnu snagu za izlazak iz svemira. Zato je Karman predložio da visina od 100 km predstavlja granicu atmosfere. Aeronautika do 100 km, astronautika preko 100 km.) - Zemljino gravitaciono polje privlači atmosferu ka površini Zemlje. Tako da se ½ mase atmosfere nalazi u prvih 6 km; 90% unutar 16 km i 99.99997% mase unutar 100 km od Zemljine površine.  Takođe, na 600 km visine, srednji slobodni put molekula vazduha je oko 10 km. Gledano sa Zemlje, atmosfera postaje sve tanja i tanja sa visinom, sve dok konačno ne pređe u vakuum vasione. - Bez atmosfere, čovek bi bukvalno izgoreo pod uticajem Sunčeve toplote tokom dana ili bi se smrzo pod uticajem niskih noćnih temperatura.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Sastav atmosfere Najviše ima azota i kiseonika. Azot (78%) potiče od raspadanja i sagorevanja organske materije, vulkanskih erupcija, hemijskog razlaganja nekih stena, a uklanja se iz vazduha biološkim procesima i ispiranjem kišom ili snegom. Ulaz i izlaz azota su izbalansirani, tako da je količina njegova u vazduhu stalna. Kiseonik (21%) stvara vegetacija, a uklanja se različitim organskim i neroganskim procesima, tako da je i njegova koičina stalna. Argon čini preostalih 1% vazduha. Sastav vazduha se menja zahvaljujući stalnim prirodnim i antropogenim procesima: - stalni sastojci, - promenljivi sastojci. Vazduh koji udišemo, ne predstavlja jednostavnu smešu nekoliko različitih gasova, već kompleksnu smešu gasova, naelektrisanih čestica: elektroni, joni, slobodni radikali, kao i tečnosti i čvrstih supstanci (aerosol, kapi). Sastav vazduha nije stalan. Atmosfera se sastoji iz gasova čija se koncentracija ne menja i gasova promenljive koncentracije. “Stalni" se odnosi na činjenicu da se njihova koncentracija ne menja, konstantna je blizu površine Zemlje. Azot čini 78% koncentracije suvog vazduha. Održava se na konstantnom nivou zahvaljujući ciklusu azota. Biološki procesi uklanjaju azot iz atmosfere, dok razlaganje organske materije vraća azot u atmosferu. Vulkanske erupcije takođe oslobađaju azot. Pošto je azot hemijski stabilan, on ne interaguje sa ostalim gasovima. To je razlog zašto azot čini najveći deo atmosfere. Kiseonik čini oko 21% koncentracije suvog vazduha. Potrošnja kiseonika od strane životinja, pri raspadanju organske materije i pri drugim hemijskim reakcijama (sagorevanje, oksidacija, ...) je uravnotežena njegovom produkcijom fotosintezom. Zajedno, azot i kiseonik čine oko 99% vazduha koji udišemo. Prirodni biološki procesi koji se odvijaju unutar biosfere održavaju količinu ovih gasova konstantnom idući od površine Zemlje do oko 80 km iznad Zemlje. Treći najzastupljeniji gas u suvom vazduhu je argon (Ar). On se ubraja takođe, u stalne gasove.

Stalni sastojci atmosfere Sastav i temperaturni profil atmosfere Stalni sastojci atmosfere Gas Procenat Azot 78.08 Kiseonik 20.95 Argon 0.93 Neon 0.0018 Helijum 0.0005 Vodonik 0.00005 Ksenon 0.000009

Promenljivi sastojci atmosfere Sastav i temperaturni profil atmosfere Promenljivi sastojci atmosfere Vodena para     0 do 4%         Ugljen dioksid  0.035%         Metan         0.0002%         Ozon           0.000004% Svi ovi sastojci, uprkos maloj količini u kojoj se javljaju, veoma su važni za vreme i klimu na Zemlji. Vodena para varira po svojoj koncentraciji od slučajeva kada se skoro uopšte ne javlja u vazduhu iznad pustinjskih oblasti, do slučajeva kada se javlja i do 4 vol% iznad okeana. (Gledano u celini atmosfera ima konstantnu količinu vodene pare, ali ova količina vararia u zavisnosti od mesta na Zemlji, a ne varira sa vremenom). Vodena para ima uticaj na vremenske prilike i klimu, jer stvara oblake i kišu, pa je na taj način vezana za skladištenje, oslobađanje i kretanje toplotne energije. Prirodni procesi kao što su disanje životinja (uključujući i čoveka) uklanjaju kiseonik iz atmosfere a izbacuju u atmosferu ugljen dioksid. Fotosinteza uklanja CO2 i emituje kiseoink u atmosferu. Vulkanske erupcije pored toga što izbacuju ogromnu količinu čstica izbacuju i velike količine CO2 i vodene pare. Takođe ima veliki uticaj na klimu Zemlje, jer ovaj molekul apsorbuje IC zračenje, koje predstavlja zračenje koje održava niži sloj atmosfere toplim. (Vazduh koji čovek izdiše sadrži 14% kiseonika i 4.4% ugljen dioksida. Vazduh koji sadrži ispod 19.5 % može imati velike fiziološke efekte, a vazduh sa manje od 16% može biti letalan).

Sastav i temperaturni profil atmosfere Sastav atmosfere se menja sa visinom. 1. Homosfera: 0-80 km sastav je konstantan (osim vodene pare), značajna za čoveka. 2. Heterosfere: > 80 km sastav varira sa visinom (u odsustvu mešanja dolazi do izražaja gustina gasa), prisustvo težih gasovitih molekula opada – lakši gasovi dominiraju: a) molekulski azot (N2), b) atomski kiseonik (O), c) atomi helijuma (He), d) atomi vodonika (H). Atmosfera pokazuje vrlo uniformnu vertikalnu distribuciju gasova do visine od oko 80 km. Ovaj deo relativno homogenom sastava se naziva homosfera. Iznad ove visine gasovi se javljaju u slojevima u zavisnosti od svoje molekulske težine. To je heterosfera.  

Sastav i temperaturni profil atmosfere Pritisak Pritisak = Sila / Površina Jedinice: SI jedinice [Pa], [kPa] meteorološke milibar 1 mbar = 100 Pa 1000 mbar = 100 kPa Pre nego što nastavimo dalje, pogledajmo šta je to atmosferski pritisak i kako se on menja sa visinom u atmosferi. Molekuli gasa su u stalnom kretanju (pr. unutar balona oni se stalno kreću slobodno). Tokom kretanja oni se često sudaraju međusobno i sa površinom sa kojom su u kontaktu (u malom balonu svake sekunde dešava se hiljade milijardi sudara). Na slici je prikazano sa PB unutrašnji pritisak koji vrši gas u sudaru sa površinom balona iznutra. Sila koju ostvaruje jedan ovakav sudar je suviše mala da bi se ona osetila. Međutim, pošto je takvih sudara mnogo, molekuli gasa pokazuju značajan uticaj na unutrašnju stranu balona: to je pritisak gasa. Veći broj sudara po jedinici površine, veći je i pritisak: SI-jedinica pritiska je Paskal [Pa], ali u meteroologiji je uobičajeno da se koristi milibar [mb], gde je 100 kPa = 1000 mb. Smer sile koja vrši pritisak je uvek upravan na površinu. U primeru koji je iznet, pored gasa koji se nalazi unutar balona (koij stvara pritisak iznutra), postoji i gas (vazduh) sa spoljanje strane balona, i koij stvara pritisak na balon od spolja (Slika 2) – to je atmosferski pritisak, Pa. Paskal je veoma mala jedinica, to je pritisak koji vrši masa od 10.2 mg na površini od 1 cm2. Grubo gledajući, olovka koja stoji na vrhu na vašem prstu stvara pritisak od 250 Pa.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Atmosferski pritisak je pritisak koji vrše molekuli vazduha na Zemljinoj površini. Stub od 1 m2 koji se prostire od Zemljine površine sve do gornjih slojeva atmosfere, ima masu od 10 300 kg, i vrši pritisak od 101 325 Pa ili 101 kPa. Atmosferski pritisak: P0 = 101.3 kPa = 1013 mbar = 1 atm = 760 mmHg Standardni pritisak vazduha na nivou mora je 1013.25 mb (101.325 kPa). Korišćenjem ove vrednosti kao standardne možemo da poredimo sve druge vrednosti na različitim lokacijama širom Zemlje. Ukoliko vidimo da je pritisak vazduha 940 mbar ništa nam ne bi značilo ukoliko ne znamo koliki je standard. Ukoliko znamo, znaćemo da je to jako nizak pritisak – olujno vreme. Ukoliko je pritisak 1020 mbar, znači da je pritisak visok i da je nebo čisto. Leva prazna plastična boca je otvorena a zatim zatvorena na nadm. visini od 3030 m. Kada je doneta na nultu nadm. Visinu okolni vazduh koji je na većem pritisku deformisao je bocu. Desna boca sadrži vazduh na pritisku nulte nadm. visine.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Visina (km) Pritisak (mbar) Frakcija od P0 1000 1 6 500 ½ 12 250 ¼ 18 125 1/8 24 63 1/16 Na visini od 6 km, već imamo ispod nas oko polovinu mase celokupne atmosfere. Prema tome, atmosferski pritisak na 6 km je samo oko polovina onog na površini (500 mbar). Između 6 i 12 km pritisak je ponovo prepolovljen: samo ¼ pritiska na površini je preostala. Dobija se negativna eksponencijalna kriva.

Smanjenje pritiska nije linearno Sastav i temperaturni profil atmosfere Smanjenje pritiska nije linearno 1 atm je pritisak koji može da podigne vodu 10.3 m. Prema tome, ronilac na dubini od 10.3 m pod vodom podnosi pritisak od 2 atm (1 atm usled pritiska vazduha i 1 atm usled pritiska vode).

Gustina je masa po jedinici zapremine Sastav i temperaturni profil atmosfere Gustina je masa po jedinici zapremine U atmosferi, gustina brzo opada sa visinom (broj molekula koji čine vazduh brzo opada sa visinom). Uzrok ovome je gravitaciona sila (molekuli vazduha privlači sila ka centru Zemlje). Preko 90 % svih molekula atmosfere se nalazi u prvih 16 km. Gustina vazduha na nivou mora je oko 1.2 kg/m3 Ukupna masa atmosfere je oko 5.1 × 1018 kg, ili oko 0.9 ppm ukupne mase Zemlje. Na primer, ukoliko imate 10 kg neke materije u kontejneru oblika kocke čija je dužina ivice 1m, tada će gustina te materije biti 10 kg/m3. Gustina čvrste materije je ista na Zemlji, ili Mesecu ili bilo gde u svemiru, gustina tečnosti će se neznatno razlikovati, a gustina gasova će se jako razlikovati u zavisnosti od lokacije.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Temperatura Temperatura vazduha se menja sa visinom Svaki sloj atmosfere ima svoju karakterističnu temperaturu Na osnovu temperature u atmosferi se vertikalno mogu razlikovati 4 glavna sloja. Temperatura vazduha se takođe menja sa visinom. Pošto broj molekula opada sa visinom ranije se pretpostavljalo da temperatura takođe, opada sa visinom, što je tačno, ali samo donekle. Svaki sloj atmosfere ima svoj temperaturni profil. Temperature of the vacuum When a satellite in empty space is heated by sunshine and cooled by radiating energy away it is not in thermodynamic equilibrium and has no well-defined temperature. A system in a vacuum will radiate its thermal energy, i.e. convert heat into electromagnetic waves. If vacuum is filled with electromagnetic waves (say, radiation from walls of vacuum chamber, or relic microwave radiation in space) then the system will exchange by energy with these waves and thermally equilibrates at some finite (non zero) temperature. Cosmic microwave background radiation being remnant of radiation of hot early universe when radiation was in thermal equilibrium with matter has Planck spectrum (black body spectrum) with the temperature (at present) of about 2.7 K.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Objašnjenje slike: apscisa ... Ordinata ...

Sastav i temperaturni profil atmosfere Troposfera Troposfera je sloj najbliži Zemljinoj površini. Prostire se do tropopauze, što je na nekih 10- 15 km nadmorske visine u zavisnosti od latitude (geog. širine) i vremena u godini. Sa porastom nadmorske visine, t opada oko 9ºC po km visine. Tropopauza ima t od oko - 57ºC. Niži deo troposfere koji je u direktnom kontaktu sa zemljinom površinom se naziva vazduh. Atmosfera u ovom sloju se zagreva odozdo konvekcionim strujama i radijacijom sa Zemljine površine. - 7 km na polovima i 17 km iznad ekvatora (sa neznatnim varijacijama zbog vremena). Poređenja radi, najviši vrh na Zemlji – Maunt Everest visok je 8,85 km, što znači da se troposfera prostire još nekih 5 km u visinu. Ona sadrži oko 90% ukupne mase atmosfere; u njoj se nalazi gotovo sva količina gasova atmosfere. Vremenske prilike se vezuju upravo za ovaj sloj jer ovaj sloj sadrži najveću količinu vodene pare. Vreme je, prosto rečeno, način transformacije vode u vazduhu, tako da bez vode nema ni oblaka, kiše, snega. Druga važna karakteristika troposfere je da je su molekuli gasova u njoj u stalnom kretanju, molekuli vazduha mogu da putuju sa vrha troposfere (oko 10 km) do površine Zemlje i nazad za svega nekoliko dana. Ovo mešanje dovodi do stalne promene vremena. Kao rezultat ovog mešanja, avioni kada lete kroz ove prostore često podležu jakim turbulencijama, pa uglavnom avioni lete u nižoj stratosferi, da bi se izbegle ove jake turbulencije. U sloju iznad oblaka vazduh je ujednačeniji.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Stratosfera Stratosfera je sloj koji se nalazi iznad troposfere i proteže se do oko 50 km. t raste sa porastom visine, dostižući maksimum na oko -1ºC u stratopauzi. Ozonski sloj se nalazi u stratosferi. Ozon apsorbuje solarnu radijaciju, što dovodi do porasta t sa visinom. - To je stabilan sloj, sa temperaturnom inverzijom Tempretatura stratopauze je skoro slična temperaturi na površini Zemlje.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Mezosfera Mezosfera se prostire od stratopauze do oko 80 km visine. U mezosferi t opada sa visinom. U mezopauzi temperatura vazduha dostiže svoju najnižu vrednost oko -90ºC U ovom sloju vazduh je izuzetno proređen. Oko 99.9% mase atmosfere se nalazi ispod mezosfere. Međutim, odnos azota i kiseonika na ovim visinama je skoro isti kao na nivou mora.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Termosfera Sloj vazduha iznad mezosfere se naziva termosfera. U termosferi t raste sa visinom (temperaturna inverzija), što je prouzrokovano adsorpcijom solarne UV radijacije od strane N2 i O2. Nema definisanu gornju granicu. - In this layer, there is a significant temperature inversion. The few molecules that are present in the thermosphere receive extraordinary amounts of energy from the sun, causing the layer to warm. Though the measured temperature is very hot, if you exposed your skin to the thermosphere, the perceived temperature would be very cold. Because there are so few molecules present, there would not be enough molecules bombarding your body to transfer heat to your skin. Temperature is a measurement of the mean kinetic energy , or average speed of motion, of a molecule. So although there are only a few molecules, each has a huge amount of kinetic energy. Tako, na oko 500 km, temperatura atmosfere iznosi čak 1200ºC. Međutim, ova temperatura predstavlja termodinamičku temperaturu (koja predstavlja meru kinetičke energije molekula). Na tako velikim visinama, kada bi koristili živin termometar da izmerimo temeraturu, temperatura koju bi očitali bila bi mnogo niža, pošto bi broj visokoenergetskih sudara molekula gasa sa termometrom bio mali pod tim uslovima pritiska koji je blizu vakuumu. Space shuttles fly in this area and it is also where the aurora lights are found. Auroras are wispy curtains of light caused when the sun strikes gases in the atmosphere above the Poles. Above a height of about 500km is the exosphere, a layer where the atmosphere merges into space. Satellites are stationed in this area, 500km to 1000km from Earth. - Above the thermosphere is the exosphere. Unlike the layers discussed previously, there is no well defined boundary between the thermosphere and the exosphere (i.e., there is no boundary layer called the thermopause). The exosphere is the region where molecules from the atmosphere can overcome the pull of gravity and escape into outer space. The atmosphere slowly diffuses into the viod of space. The exosphere usually begins about 500 km up (notice, this is well off the chart above), but there is no definable boundary to mark as the end of the thermosphere and the beginning of the exosphere. Even at heights of 800 km, the atmosphere is still measurable. However, molecule concentrations are very small and considered negligible.

Sastav i temperaturni profil atmosfere Granica do koje se nalaze oblaci: Veoma niska temperatura tropopauze, na vrhu troposfere, služi kao barijera koja prouzrokuje kondenzaciju vodene pare u led, tako da voda ne može da dospe do visine na kojoj bi podlegla fotodisocijaciji pod dejstvom UV zračenja. Kada bi se to desilo, vodonik koji bi tada nastao bi napustio Zemljinu atmosferu i na taj način bi došlo do njegovog gubitka (upravo je najveći deo vodonika i helijuma, koji su u ranijoj istoriji Zemlje bili prisutni u njenoj atmosferi, izgubljeni ovim procesom).