elgavrilis's blog

Η ατμόσφαιρά μας δεν μοιάζει με καμία άλλη στο ηλιακό σύστημα. Επειδή μεγάλο μέρος των υδρατμών της βρίσκεται σε μια λεπτή ισορροπία κοντά στο σημείο κορεσμού της, μεγάλες περιοχές του ουρανού μπορούν να αλλάξουν από εντελώς διαφανείς σε σχεδόν αδιαφανείς σε λίγα λεπτά, και ένα ολόκληρο ημισφαίριο μπορεί να είναι χωρίς σύννεφα τη μια μέρα και σχεδόν εντελώς καλυμμένο την επόμενη.

Το μεγαλύτερο μέρος των υδρατμών στον αέρα περιορίζεται στην τροπόσφαιρα, το στρώμα μεταξύ της στάθμης της θάλασσας και της στρατόσφαιρας. Το εβδομήντα πέντε τοις εκατό της μάζας της ατμόσφαιρας βρίσκεται εδώ. Με πάχος που κυμαίνεται από 16 χιλιόμετρα στον ισημερινό έως 8 χιλιόμετρα ή λιγότερο στους πόλους, η τροπόσφαιρα βρίσκεται σε συνεχή κίνηση, αναδιατάσσοντας συνεχώς τον εαυτό της σε μια προσπάθεια να επιτύχει ισορροπία. Οι δυνάμεις που ελέγχουν τη φυσική κατάσταση του αέρα είναι το ηλιακό φως, οι θερμοκρασίες της επιφάνειας και του αέρα, η συγκέντρωση υδρατμών και η νεφοκάλυψη. Δεδομένου ότι και οι τέσσερις παράγοντες επηρεάζουν ο ένας τον άλλον, οι αλληλεπιδράσεις ανάδρασης είναι περίπλοκες. Η αιτία γίνεται αποτέλεσμα και αντίστροφα. Αυτή η ατελείωτη δραστηριότητα είναι γνωστή ως καιρός.

Το ατμοσφαιρικό νερό ισούται μόνο με το 0,1% της συνολικής ποσότητας νερού στην επιφάνεια της γης. Ωστόσο, λειτουργώντας ως βαλβίδα για την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία και την εξερχόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία, παίζει καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό της δομής της τροπόσφαιρας και των συνθηκών στην επιφάνεια της γης. Η πηγή και η κατανομή του νερού περιγράφεται από τον υδρολογικό κύκλο, ο οποίος αποκαλύπτει ότι η εξάτμιση από τους ωκεανούς ευθύνεται για το 84% της υγρασίας στην ατμόσφαιρα, ενώ το υπόλοιπο προέρχεται από την εξατμισοδιαπνοή (εξάτμιση και διαπνοή από τα φυτά) στην ξηρά.

Η θερμική μεταφορά μεταφέρει υγρασία από την επιφάνεια και οι συνοδευτικοί οριζόντιοι άνεμοι την κατανέμουν σε όλο τον κόσμο. Η αρχική πηγή ενέργειας είναι η ηλιακή ακτινοβολία, η οποία αποθηκεύεται ως θερμότητα εξάτμισης σε υδρατμούς. Ο αέρας σε επαφή με το θερμό έδαφος θερμαίνεται και ανεβαίνει. Καθώς ανεβαίνει, ψύχεται με τον μέσο ρυθμό τροπόσφαιρας περίπου 6,5°C/km (3,6°F/1000 ft).

Όταν η πίεση και η θερμοκρασία φτάσουν στο κατάλληλο στάδιο για να συμπυκνωθούν οι υδρατμοί, σχηματίζονται σύννεφα και απελευθερώνουν τη θερμότητα εξάτμισης, η οποία με τη σειρά της θερμαίνει τα σύννεφα, προωθώντας περαιτέρω τη μεταφορά. Με αυτόν τον τρόπο, η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται και μεταφέρεται χιλιάδες μίλια από την προέλευσή της. Η τροπόσφαιρα μοιάζει έτσι με μια γιγάντια θερμική μηχανή, που αντλεί ενέργεια από τον ήλιο και ρυθμίζει τον καιρό στη γη.

Η βίαιη συναγωγή που χαρακτηρίζει την τροπόσφαιρα φτάνει στο μέγιστο κοντά στα 45.000 πόδια στα μέσα γεωγραφικά πλάτη. Εδώ οι δυνάμεις άνωσης εξασθενούν καθώς ο αέρας συναντά ένα φυσικό στρώμα αναστροφής – ένα σταθερό στρώμα θερμού αέρα. Αυτή είναι η στρατόσφαιρα. Λίγος ή καθόλου υγρός αέρας διαπερνά τα όρια μεταξύ της τροπόσφαιρας και της στρατόσφαιρας (τροπόπαυση), εκτός από μικρές ποσότητες κοντά στον ισημερινό, ένα γεγονός που θα συζητήσουμε αργότερα. Έτσι, η τροπόσφαιρα είναι ένα καλά καθορισμένο θερμοδυναμικό περιβάλλον που δεν αλληλεπιδρά πολύ με το υπερκείμενο στρώμα σταθερού αέρα ή στρατόσφαιρα.

Η στρατόσφαιρα ονομάζεται έτσι λόγω της σχεδόν συνεχούς κάθετης διαστρωμάτωσης. Κάποτε θεωρούνταν σταθερή και ακίνητη, αλλά πρόσφατη εργασία έδειξε ότι υπάρχουν σημαντικές κινήσεις στη στρατόσφαιρα, αν και όχι τόσο έντονες όσο αυτές που βρίσκονται από κάτω. Μεταξύ 15 και 50 χλμ., η θερμοκρασία αυξάνεται και φτάνει σε μια άνετη θερμοκρασία 0°C (32°F), ζεστή σε σύγκριση με την παγωμένη θερμοκρασία των 60°C που βρίσκεται στην τροπόπαυση. Σε υψόμετρο περίπου 22 χλμ., η ατμοσφαιρική πίεση, η οποία δεν υφίσταται αναστροφή, έχει μειωθεί σε περίπου 30 millibars (η επιφανειακή πίεση είναι 1013 millibars). Κατά συνέπεια, ο αέρας είναι πολύ αραιός για να εμποδίσει τις ενεργητικές υπεριώδεις ακτίνες από τον ήλιο να φτάσουν σε αυτό το επίπεδο. Εδώ το στρώμα του όζοντος φτάνει στη μέγιστη συγκέντρωση. Περιέργως, αυτό είναι το ίδιο υψόμετρο στο οποίο εμφανίζονται τα φευγαλέα και ανεξήγητα νέφη από μάργαρο, πιθανώς υποδεικνύοντας ότι μπορεί να υπάρχει μια φυσική σύνδεση μεταξύ των δύο.

Η μέγιστη θερμοκρασία στη στρατόσφαιρα εμφανίζεται στη στρατόπαυση, όπου η πίεση είναι μόνο περίπου 1 millibar. Εδώ λαμβάνει χώρα μια άλλη αντιστροφή της θερμοκρασιακής κλίσης, ορίζοντας το ανώτερο όριο της στρατόσφαιρας και το κατώτερο όριο της μεσόσφαιρας.

Στη μεσόσφαιρα, η θερμοκρασία μειώνεται με την αύξηση του υψομέτρου, αλλά φτάνει και πάλι σε ένα ισόθερμο οροπέδιο γύρω στους — 90°C. Αυτό το οροπέδιο ονομάζεται μεσόπαυση, το οποίο βλέπει προς τα κάτω το 99% της ατμόσφαιρας. Εδώ, σε υψόμετρο περίπου 80 χλμ. (50 μίλια), βρίσκονται τα μαργαριταρένια νυχτερινά σύννεφα.

Τα Νυχτερινά νέφη (Noctilucent clouds) εμφανίζονται σε ένα αρκετά στενό υψομετρικό εύρος, κοντά στα 83 χλμ. Είναι τα υψηλότερα νέφη στην ατμόσφαιρα της Γης, αποτελούμενα από κρυστάλλους πάγου που σχηματίζονται στη μεσόσφαιρα σε υψόμετρο περίπου 85 χλμ. Ονομάζονται «νυχτερινά» επειδή γίνονται ορατά μόνο κατά τη διάρκεια του λυκόφωτος, όταν αντανακλούν το ηλιακό φως κάτω από τον ορίζοντα, εμφανιζόμενα ως λαμπερά, λεπτά, ηλεκτρικά μπλε ή ασημένια σύννεφα σε έναν σκοτεινό ουρανό. Εμφανίζονται συχνότερα κατά τους καλοκαιρινούς μήνες σε υψηλά γεωγραφικά πλάτη. Εργασίες επιβεβαίωσαν ότι αυτά τα νέφη αποτελούνται από πάγο που έχει συμπυκνωθεί σε μετεωρική σκόνη. Συνήθως, δεν υπάρχουν υδρατμοί σε αυτό το υψόμετρο, αλλά μερικές φορές κοντά στον ισημερινό, υδρατμοί διαρρέουν μέσω της τροπόπαυσης και ανυψώνονται από τους στρατοσφαιρικούς ανέμους σε πολύ υψηλά επίπεδα. Τα σωματίδια των μετεωριτών λειτουργούν ως πυρήνες εξάχνωσης για αυτόν τον πάγο.
Πέρα από τη μεσόσφαιρα βρίσκεται η θερμόσφαιρα, όπου η θερμοκρασία παραμένει κοντά στους -90°C και στη συνέχεια αρχίζει σταδιακά να αυξάνεται. Το σέλας και η αέρια λάμψη βρίσκονται εδώ. Οι πυκνότητες του αέρα είναι χαμηλές και όσος αέρας υπάρχει (κυρίως N2, N, O2, O) είναι ιονισμένος ως αποτέλεσμα της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας. Η ιονόσφαιρα είναι μια ασαφής περιοχή μέσα στη θερμόσφαιρα, μεταξύ περίπου 80 και 300 χλμ., όπου οι θερμοκρασίες μπορεί να φτάσουν έως και τους 1000°C. Πολλοί δορυφόροι βρίσκονται σε τροχιά σε αυτήν την περιοχή, αλλά ο αέρας είναι πολύ αραιός για να επηρεάσει σημαντικά τη θερμική τους ισορροπία και δεν θερμαίνονται.

Η εξώσφαιρα («εξώσφαιρα») και η μαγνητόσφαιρα βρίσκονται πέρα ​​από τη θερμόσφαιρα και αναμειγνύονται ομαλά και ανεπαίσθητα με το εξωτερικό μέρος της ηλιακής ατμόσφαιρας. Αυτό το εκτεταμένο στέμμα έχει δύο μέρη, ένα αέριο και ένα φτιαγμένο από σκόνη. Ο ηλιακός άνεμος, που αποτελείται από θερμά, γρήγορα κινούμενα ηλεκτρόνια και πρωτόνια που ρέουν μακριά από τον ήλιο, είναι αόρατος εκτός από μια ολική έκλειψη ηλίου. Το συστατικό της σκόνης, ωστόσο, παρατηρείται εύκολα σε μια καθαρή νύχτα.

Το λεγόμενο ζωδιακό φως είναι στην πραγματικότητα ένα τεράστιο νέφος μετεωρικής σκόνης, κάθε σωματίδιο της οποίας βρίσκεται στη δική του τροχιά γύρω από τον ήλιο κοντά στο εκλειπτικό επίπεδο. Φυσικά, το ζωδιακό φως δεν αποτελεί μέρος της ατμόσφαιρας της γης, αλλά η προσβασιμότητά του στα μάτια του φυσιοδίφη το καθιστά ένα κατάλληλο φαινόμενο με το οποίο μπορεί να περιοριστεί ο αναγνώστης.

Πολλά από τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα περιλαμβάνουν το νερό. Όταν ο πλανήτης μας σχηματίστηκε με συσσώρευση διαστρικού υλικού πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, πιθανότατα δεν υπήρχε νερό. Το εσωτερικό του πλανήτη θερμάνθηκε ως αποτέλεσμα της γεωστατικής πίεσης και της αποσύνθεσης των φυσικών ραδιενεργών στοιχείων.
Η ατομική και πυρηνική χημεία δημιούργησε νερό, (Hypotheses for the origins of Earth’s water) το οποίο διαλύθηκε με το θερμό λιωμένο πέτρωμα ή μάγμα. Όταν η πίεση έγινε πολύ μεγάλη για να συγκρατηθεί, το μάγμα ανέβηκε στην επιφάνεια και εξερράγη ως ηφαίστεια. Οι πρώτες μέρες της γης ήταν πράγματι βίαιες. Καθώς η λάβα ξεχύθηκε από το έδαφος για να καλύψει τον πλανήτη, η καταστροφική απελευθέρωση πίεσης απελευθέρωσε επίσης νερό, το οποίο διέφυγε ως τεράστια, κυματιστά σύννεφα. Αυτά τα σύννεφα κάλυπταν τη γη και από αυτά προήλθαν οι πρώτες βροχές. Για εκατομμύρια χρόνια, καταρρακτώδεις καταιγίδες εναπόθεταν νερό στις χαμηλές περιοχές και με τον καιρό αναπτύχθηκαν οι πρώτοι ωκεανοί.