Atmosfera
Ziemia otoczona jest względnie cienką atmosferą (powszechnie nazywaną powietrzem) składającą się z mieszaniny gazów, głównie azotu cząsteczkowego (78 procent) i tlenu cząsteczkowego (21 procent). Obecne są również znacznie mniejsze ilości gazów, takich jak argon (prawie 1 procent), para wodna (średnio 1 procent, ale bardzo zmienna w czasie i lokalizacji), dwutlenek węgla (0,0395 procent [395 części na milion] i obecnie rosnący), metan (0,00018 procent [1,8 części na milion] i obecnie rośnie) i inne, wraz z drobnymi cząstkami stałymi i ciekłymi w zawiesinie.
geoid: Określenie figury Ziemi
Uznanie, że Ziemia jest kulista, przypisuje się zwykle Pitagorasowi (rozkwitł w VI wieku pne) i
Ponieważ Ziemia ma słabe pole grawitacyjne (ze względu na swoje rozmiary) i ciepłe temperatury atmosferyczne (ze względu na bliskość Słońca) w porównaniu z gigantycznymi planetami, brakuje jej najczęstszych gazów we wszechświecie, które posiadają: wodoru i helu. Podczas gdy zarówno Słońce, jak i Jowisz składają się głównie z tych dwóch elementów, nie można ich było długo zatrzymać na wczesnej Ziemi i szybko odparować w przestrzeń międzyplanetarną. Wysoka zawartość tlenu w ziemskiej atmosferze jest niezwykła. Tlen jest wysoce reaktywnym gazem, który w większości warunków planetarnych byłby łączony z innymi chemikaliami w atmosferze, powierzchni i skorupie. W rzeczywistości jest stale zasilany procesami biologicznymi; bez życia praktycznie nie byłoby wolnego tlenu. 1,8 części na milion metanu w atmosferze jest również dalekie od chemicznej równowagi z atmosferą i skorupą: również on ma pochodzenie biologiczne, a udział człowieka znacznie przewyższa inne.
Gazy atmosfery rozciągają się od powierzchni Ziemi do wysokości tysięcy kilometrów, ostatecznie łącząc się z wiatrem słonecznym - strumieniem naładowanych cząstek, które wypływają na zewnątrz z najbardziej oddalonych rejonów Słońca. Skład atmosfery jest mniej więcej stały, a wysokość do wysokości około 100 km (60 mil), ze szczególnymi wyjątkami są para wodna i ozon.
Atmosfera jest powszechnie opisywana w kategoriach odrębnych warstw lub regionów. Większość atmosfery koncentruje się w troposferze, która rozciąga się od powierzchni do wysokości około 10–15 km (6–9 mil), w zależności od szerokości geograficznej i pory roku. Zachowanie gazów w tej warstwie jest kontrolowane przez konwekcję. Proces ten obejmuje turbulentne, wywracające się ruchy wynikające z wyporu powietrza na powierzchni, ogrzewanego przez Słońce. Konwekcja utrzymuje malejący pionowy gradient temperatury - tj. Spadek temperatury wraz z wysokością - o około 6 ° C (10,8 ° F) na kilometr w troposferze. Na szczycie troposfery, zwanej tropopauzą, temperatura spadła do około -80 ° C (-112 ° F). Troposfera to region, w którym występuje prawie cała para wodna i zasadniczo występuje każda pogoda.
Sucha, delikatna stratosfera leży nad troposferą i rozciąga się na wysokość około 50 km (30 mil). Ruchy konwekcyjne są słabe lub nieobecne w stratosferze; zamiast tego ruchy są zorientowane poziomo. Temperatura w tej warstwie rośnie wraz z wysokością.
W górnych obszarach stratosfery absorpcja światła ultrafioletowego ze Słońca rozkłada tlen cząsteczkowy (O 2); Rekombinacja pojedynczych atomów tlenu z cząsteczkami O 2 w ozon (O 3) tworzy ochronną warstwę ozonową.
Ponad stosunkowo ciepłą stratopauzą znajduje się jeszcze bardziej subtelna mezosfera, w której temperatury ponownie spadają wraz z wysokością do 80–90 km (50–56 mil) nad powierzchnią, gdzie zdefiniowana jest mezopauza. Osiągnięta tam minimalna temperatura jest niezwykle zmienna w zależności od pory roku. Temperatury następnie rosną wraz ze wzrostem wysokości przez warstwę leżącą zwaną termosferą. Również powyżej około 80–90 km rośnie rosnąca część naładowanych lub zjonizowanych cząstek, które z tej wysokości w górę określają jonosferę. W tym regionie powstają spektakularne widzialne zorze, szczególnie wzdłuż w przybliżeniu okrągłych stref wokół biegunów, poprzez oddziaływanie atomów azotu i tlenu w atmosferze z epizodycznymi wybuchami cząstek energetycznych pochodzących ze Słońca.
Ogólny obieg atmosferyczny Ziemi jest napędzany energią światła słonecznego, które jest bardziej obfite na szerokościach równikowych. Na ruch tego ciepła w kierunku biegunów ma silny wpływ gwałtowny obrót Ziemi i związana z nim siła Coriolisa na szerokościach geograficznych od równika (która dodaje komponent wschód-zachód do kierunku wiatru), co powoduje powstanie wielu komórek krążącego powietrza w każdym półkula. Niestabilności (zaburzenia w przepływie atmosferycznym, które rosną wraz z upływem czasu) wytwarzają charakterystyczne obszary wysokociśnieniowe i burze niskociśnieniowe na średnich szerokościach geograficznych, a także szybkie, poruszające się w kierunku wschodnim strumienie górnych troposfer, które prowadzą ścieżki burz. Oceany są ogromnymi rezerwuarami ciepła, które działają głównie w celu wygładzenia zmian globalnych temperatur Ziemi, ale ich wolno zmieniające się prądy i temperatury również wpływają na pogodę i klimat, tak jak w zjawisku pogodowym El Niño / Oscylacja Południowa (patrz klimat: Cyrkulacja, prądy, oraz interakcja ocean-atmosfera; klimat: El Niño / oscylacja południowa i zmiany klimatu).
Atmosfera ziemska nie jest statyczną cechą środowiska. Raczej jego skład ewoluował w czasie geologicznym w zgodzie z życiem i zmienia się dziś szybciej w odpowiedzi na ludzkie działania. Mniej więcej w połowie historii Ziemi zaczęła się rozwijać niezwykle duża ilość wolnego tlenu w atmosferze, poprzez fotosyntezę sinic (patrz niebiesko-zielone glony) i nasycenie naturalnych pochłaniaczy tlenu na powierzchni (np. Minerałów o stosunkowo niskiej zawartości tlenu i wodoru) bogate gazy wydzielane z wulkanów). Akumulacja tlenu umożliwiła rozwój złożonych komórek, które zużywają tlen podczas metabolizmu i z których składają się wszystkie rośliny i zwierzęta (patrz eukariota).
Klimat Ziemi w dowolnym miejscu różni się w zależności od pory roku, ale występują również długoterminowe zmiany w klimacie globalnym. Wybuchy wulkaniczne, takie jak erupcja wulkanu Pinatubo w 1991 r. Na Filipinach, mogą wstrzykiwać do stratosfery ogromne ilości cząstek pyłu, które pozostają zawieszone przez lata, zmniejszając przezroczystość atmosferyczną i powodując wymierne chłodzenie na całym świecie. Znacznie rzadsze, gigantyczne uderzenia asteroid i komet mogą wywołać jeszcze głębsze efekty, w tym znaczne zmniejszenie nasłonecznienia przez miesiące lub lata, co zdaniem wielu naukowców doprowadziło do masowego wyginięcia żywych gatunków pod koniec okresu kredowego, 66 milionów lat temu. (Aby uzyskać dodatkowe informacje na temat ryzyka związanego z uderzeniami kosmicznymi i szansy ich wystąpienia, zobacz Zagrożenie uderzeniem Ziemi). Dominującymi zmianami klimatu zaobserwowanymi w ostatnich zapisach geologicznych są epoki lodowcowe, które są powiązane z wahaniami nachylenia Ziemi i jej orbity geometria względem Słońca.
Fizyka syntezy wodoru prowadzi astronomów do wniosku, że Słońce było o 30 procent mniej świecące w najwcześniejszej historii Ziemi niż obecnie. W związku z tym, że wszystkie pozostałe są równe, oceany powinny były zostać zamrożone. Obserwacje planetarnych sąsiadów Ziemi, Marsa i Wenus oraz szacunki węgla uwięzionego obecnie w skorupie ziemskiej sugerują, że we wcześniejszych okresach w atmosferze ziemskiej było znacznie więcej dwutlenku węgla. Poprawiłoby to ocieplenie powierzchni dzięki efektowi cieplarnianemu, dzięki czemu oceany pozostałyby płynne.
Dziś w skorupie ziemskiej jest zakopanych 100 000 razy więcej dwutlenku węgla w skałach węglanowych niż w atmosferze, w przeciwieństwie do Wenus, której ewolucja atmosferyczna przebiegała w innym kierunku. Na Ziemi formowanie się skorup węglanowych przez życie morskie jest głównym mechanizmem przekształcania dwutlenku węgla w węglany; procesy abiotyczne z udziałem ciekłej wody również wytwarzają węglany, choć wolniej. Jednak na Wenus życie nigdy nie miało szansy na powstanie i wytworzenie węglanów. Z powodu położenia planety w Układzie Słonecznym, wczesna Wenus otrzymała o 10–20 procent więcej światła słonecznego niż pada na Ziemię nawet dzisiaj, pomimo słabszego wówczas młodego Słońca. Większość planetologów uważa, że podwyższona temperatura powierzchni spowodowała, że woda nie skraplała się w ciecz. Zamiast tego pozostał w atmosferze jako para wodna, która podobnie jak dwutlenek węgla jest wydajnym gazem cieplarnianym. Razem dwa gazy spowodowały, że temperatury powierzchni wzrosły nawet wyżej, tak że ogromne ilości wody uciekły do stratosfery, gdzie została zdysocjowana przez promieniowanie ultrafioletowe Słońca. W warunkach zbyt gorących i suchych, aby umożliwić tworzenie abiotycznego węglanu, większość lub całość zapasów węgla na planecie pozostała w atmosferze jako dwutlenek węgla. Modele przewidują, że Ziemia może spotkać ten sam los za miliard lat, kiedy Słońce przekroczy swoją obecną jasność o 10–20 procent.
Między końcem lat 50. a końcem XX wieku ilość dwutlenku węgla w ziemskiej atmosferze wzrosła o ponad 15 procent z powodu spalania paliw kopalnych (np. Węgla, ropy i gazu ziemnego) oraz niszczenia tropikalnych lasów deszczowych, na przykład w dorzeczu Amazonki. Modele komputerowe przewidują, że podwojenie netto dwutlenku węgla w połowie XXI wieku może doprowadzić do globalnego ocieplenia o 1,5–4,5 ° C (2,7–8,1 ° F) uśrednionego na całej planecie, co miałoby ogromny wpływ na poziom morza i rolnictwo. Chociaż wniosek ten został skrytykowany przez niektórych na podstawie tego, że dotychczas obserwowane ocieplenie nie dotrzymało kroku projekcji, analizy danych dotyczących temperatury oceanów sugerują, że znaczna część ocieplenia w XX wieku miała miejsce w samych oceanach - i będzie ostatecznie pojawią się w atmosferze.
Innym obecnym problemem dotyczącym atmosfery jest wpływ działalności człowieka na stratosferyczną warstwę ozonową. Złożone reakcje chemiczne z udziałem śladowych ilości chlorofluorowęglowodorów (CFC) odkryto w połowie lat 80. XX w., Tworząc tymczasowe dziury w warstwie ozonowej, szczególnie na Antarktydzie, podczas wiosny polarnej. Jeszcze bardziej niepokojące było odkrycie rosnącego zubożenia ozonu w gęsto zaludnionych umiarkowanych szerokościach geograficznych, ponieważ stwierdzono, że krótkofalowe promieniowanie ultrafioletowe, które skutecznie pochłania warstwa ozonowa, powoduje raka skóry. Umowy międzynarodowe mające na celu powstrzymanie produkcji najbardziej rażących niszczących ozon CFC ostatecznie zatrzymają i odwrócą zubożenie, ale dopiero w połowie XXI wieku, ze względu na długi czas przebywania tych chemikaliów w stratosferze.
