Skład i budowa atmosfery

Kula ziemska jest otoczona powłoką gazową, nazwaną atmosferą. Jest to mieszanina gazów, o stałym składzie do ok. 100 km od powierzchni Ziemi, nazwana powietrzem. Skład suchego powietrza jest następujący:
Nazwa gazu
% objętości
azot
78,08
tlen
20,95
argon
0,93
dwutlenek węgla
0,03
krypton, ksenon, neon, hel, wodór, ozon i inne gazy
0,01
W powietrzu znajdują się ponadto składniki i domieszki w zmiennej ilości. Jest to para wodna, a także dwutlenek węgla, którego ilość miejscowo może być większa niż normalnie.
W powietrzu znajdują się też zanieczyszczenia, które są zarówno pochodzenia naturalnego (morskie, lądowe, wulkaniczne, roślinne), jak i antropogenicznego (pyły i gazy).
Domieszki zawarte w atmosferze mają bardzo duże znaczenie dla wielu zachodzących tu procesów, np. para wodna chroni kulę ziemską przed nadmiernym wypromieniowaniem ciepła, tworząc tzw. efekt cieplarniany. Do efektu tego przyczynia się także dwutlenek węgla. Znajdujące się w atmosferze pyły stanowią jadra kondensacji, na których skrapla się para wodna, tworząc chmury i mgły. Zanieczyszczenia pyłowe ograniczają dopływ promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi. Pyły i gazy mogą przyczyniać się do powstawania smogu - mieszaniny mgły i dymu ("smog londyński") lub tzw. smogu fotochemicznego, tworzącego się pod wpływem promieniowania słonecznego w powietrzu silnie zanieczyszczonym spalinami z silników samochodowych.
Wraz z wysokością zmienia się w atmosferze temperatura, a powietrze ulega rozrzedzeniu.
Zróżnicowanie cech fizycznych atmosfery
pozwala wyróżnić w niej 5 warstw. Są to:
Troposfera, warstwa przylegająca do powierzchni Ziemi, sięgająca od około 7 km nad biegunami do 17-18 km
nad równikiem. Odznacza się ona spadkiem temperatury i
wilgotności wraz z wysokością, co następuje wraz z oddalaniem
się od głównych źródeł ciepła i wilgoci, jakimi są dla
atmosfery powierzchnie lądowe i wodne Ziemi. Temperatura spada tu średnio o 0,6C na każde 100 m i na górnej granicy
troposfery nad obszarami międzyzwrotnikowymi wynosi około -70 - -80C.
Stratosfera, sięgająca do około 50 - 55 km, w której w górnej części temperatura powietrza wzrasta do 0C. Na wysokości 20-30 km występuje ozonosfera, warstwa o podwyższonej zawartości ozonu.
Mezosfera, w której ponownie następuje spadek temperatury do około –80 C. Warstwa ta sięga do około 85 km wysokości.
Termosfera, warstwa, w której następuje wzrost temperatury do wartości ponad 1000C. W termosferze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego dochodzi do silnej jonizacji gazów. Tę część atmosfery określa się często mianem jonosfery. Występują tu zorze polarne.
Egzosfera, rozciągającą się jeszcze powyżej 600 km. Następuje tu ucieczka gazów atmosferycznych w przestrzeń międzyplanetarną.
Atmosfera stopniowo zanika, nie tworząc granicy z przestrzenią międzyplanetarną.
Budowa atmosfery (wg Rungego)

Temperatura powietrza
Źródłem ciepła na Ziemi jest promieniowanie słoneczne. Powierzchnia Ziemi pochłania je i ogrzewa się, by stać się wtórnym źródłem promieniowania. O temperaturze powietrza, szczególnie w dolnej części atmosfery, decyduje głównie wymiana ciepła z powierzchnią Ziemi.
Średnia temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi wynosi 15C, ale rzeczywista wartość temperatury zmienia się wraz z szerokościa geograficzną. Najwyższa średnia roczna temperatura jest w strefie międzyzwrotnikowej, gdzie wynosi 25-28C, a najniższa wokół biegunów - północnego około -23C, południowego około -30C. W Polsce średnia roczna temperatura wynosi 6C.
Najwyższą wartość temperatury na Ziemi (czyli bezwzględne maksimum) zanotowano na półkuli północnej na Pustyni Libijskiej oraz w Dolinie Śmierci w Kalifornii (57C)
Najniższą wartość temperatury na Ziemi (czyli bezwzględne minimum) zanotowano w rejonie bieguna południowego. Według najnowszych źródeł wynosi ona -91,5C. Na półkuli północnej najniższą wartość zarejestrowano na obszarze Jakucji, między Leną a Indygirką (poniżej -70C).
Do najważniejszych czynników warunkujących temperaturę powietrza na Ziemi należą:
szerokość geograficzna - średnia roczna temperatura powietrza wykazuje spadek ze wzrostem szerokości geograficznej, średnio o około 0,6C na 1 szerokości geograficznej,
wysokość nad poziomem morza - ze wzrostem wysokości temperatura spada średnio o 0,6C na każde 100 m.,
rozkład lądów i mórz - woda nagrzewa się wolniej niż ląd, wolniej też ciepło oddaje, dlatego nad dużymi obszarami wodnymi zimą jest cieplej niż nad lądami, a latem chłodniej,
prądy morskie - ciepłe ogrzewają powietrze, a zimne ochładzają,
rodzaj podłoża i pokrycie terenu - mają tu znaczenie barwa, właściwości cieplne i wilgotność: powierzchnie jasne (śnieg, piasek) odbijają więcej promieniowania niż ciemne (ugór, drogi); nagi grunt (np. piasek) nagrzewa się silniej niż pokryty roślinnością; suche podłoże nagrzewa się bardziej niż wilgotne itp.,
ekspozycja stoków - na półkuli północnej stoki południowe otrzymujące więcej energii i nagrzewają się szybciej, na półkuli południowej odwrotnie - szybciej nagrzewają się stoki północne.

Ciśnienie atmosferyczne
Ciśnienie atmosferyczne jest wynikiem nacisku masy atmosfery na powierzchnię Ziemi. Ciśnienie maleje wraz z wysokością, gdyż im wyżej od powierzchni Ziemi, tym mniejszy ciężar słupa powietrza. Rozkład ciśnienia na Ziemi uwarunkowany jest nierównomiernym rozkładem temperatury. Nad obszarami ciepłymi, odznaczającymi się wyższą temperaturą, powietrze unosi się ku górze i w dolnej warstwie staje się rzadsze, przez co następuje spadek ciśnienia. Powietrze o niskiej temperaturze jest cięższe, cechuje je wyższe ciśnienie. W atmosferze niskie ciśnienie charakterystyczne jest dla wznoszącego się ciepłego powietrza, a wysokie ciśnienie dla osiadającego powietrza.
W atmosferze mamy więc do czynienia z obszarami o podwyższonym lub obniżonym ciśnieniu. Można to zobaczyć na mapach ciśnienia, na których za pomocą izobar rysuje się układy baryczne.
Układy ciśnienia na półkuli północnej (strzałki oznaczają kierunek ruchu powietrza)
Do głównych układów barycznych należą:
niż - na mapach rozkładu ciśnienia zaznacza go układ zamkniętych izobar z ciśnieniem malejącym do środka
wyż - określa go układ zamkniętych izobar z najwyższą wartością w środku układu
zatoka niskiego ciśnienia - to obszar obniżonego ciśnienia położony między obszarami o ciśnieniu wyższym
klin wysokiego ciśnienia - położony jest pomiędzy obszarami o ciśnieniu niższym
Zagęszczenie izobar na mapie informuje o dużych różnicach ciśnienia. Różnice ciśnienia atmosferycznego wywołują naturalną dążność do jego wyrównania. Tak powstaje wiatr, który jest poziomym ruchem powietrza, wywołanym różnicą ciśnienia i przemieszczającym się od obszarów wysokiego do obszarów niskiego ciśnienia. Wiatr wiejąc odchyla się pod działaniem siły Coriolisa (związanej z ruchem obrotowym kuli ziemskiej), na półkuli północnej na prawo, na półkuli południowej na lewo.
Wiatr, prądy wstępujące i zstępujące tworzą ogólne krążenie powietrza atmosferycznego nad powierzchnią Ziemi, nazywane cyrkulacją atmosfery. Jego przyczyną jest nierównomierny dopływ energii do powierzchni Ziemi, powodujący duże różnice temperatury między równikiem i biegunami. Te wywołują różnice ciśnienia atmosferycznego, uruchamiające przemieszczanie się powietrza. Kierunek ruchu mas powietrznych od wyżu do niżu jest odchylany przez siłę Coriolisa i ostatecznie na kuli ziemskiej wytworzyły się stałe strefy ciśnienia: równikowa bruzda niskiego ciśnienia w szerokościach umiarkowanych oraz wyższe okołobiegunowe. Pomiędzy poszczególnymi strefami ciśnienia ukształtowały się odmienne systemy cyrkulacji atmosferycznej. Na cyrkulację wpływa także rozkład oceanów i kontynentów (nad lądami tworzą się latem niże, a w zimie wyże).


Czynniki geograficzne klimatu
Klimat każdego miejsca i obszaru zależy od łącznego wpływu różnych czynników geograficznych. Są to:
szerokość geograficzna - wiąze się z nią ilość energii słonecznej dopływającej do powierzchni Ziemi, uwarunkowana wysokością Słońca nad horyzontem w południe oraz długością dnia, a w konsekwencji zróżnicowanie temperatury powietrza; wraz z szerokością geograficzną zmieniają się układy ciśnienia atmosferycznego i kierunek cyrkulacji, co wraz ze zróżnicowaniem temperatury warunkuje strefowy rozkład klimatów na kuli ziemskiej;
rozkład lądów i mórz - ląd i morze w różnym tempie nagrzewają się i oddają ciepło, a także w różnym stopniu stanowią źródło pary wodnej, jaka może ulec wyparowaniu z podłoża. W wyniku tego klimat kontynentalny odznacza się ciepłym latem i chłodną (często mroźną) zimą, małym zachmurzeniem i niskimi opadami (z maksimum w lecie), podczas gdy w klimacie morskim lata i zimy są łagodne, duża wilgotność powietrza, duże zachmurzenie i wysokie opady w ciągu całego roku;
wysokość nad poziomem morza - wraz ze wzrostem wysokości spada ciśnienie i temperatura, wzrasta wilgotność powietrza , zachmurzenie i opady, w wyniku czego w górach występują piętra klimatyczne;
rzeźba terenu - nachylenie zboczy w stosunku do stron świata warunkuje ilość dopływającego promieniowania słonecznego; wystawa zboczy na napływ wilgotnych mas powietrznych wpływa na zwiększenie ilości opadów, podczas gdy na zboczach zawietrznych powstaje tzw. cień opadowy. W dolinach i kotlinach tworzą się zastoiska chłodnego powietrza (inwersje temperatury). W dolinach rozwijają się systemy cyrkulacji lokalnych;
prądy morskie - wpływają na temperaturę powietrza w swoim sąsiedztwie: prądy ciepłe działają ocieplająco, prądy chłodne ochładzająco. Prądy ciepłe sprzyjają wzrostowi ilości opadów, prądy chłodne - ich zmniejszeniu;
pokrycie terenu - szata roślinna, pokrywa śnieżna, zabudowa terenu wpływają na klimat obszarów, na których występują - głównie w skali lokalnej.
Na klimat wpływa ponadto działalność człowieka. Zmiany pokrycia terenu, zanieczyszczenia powietrza i dopływ ciepła ze sztucznych źródeł wpływają silnie na klimat lokalny tych obszarów, na powstawanie kwaśnych deszczów, tzw. dziury ozonowej i inne.
Spośród podanych czynników jedynie szerokość geograficzna ma charakter strefowy, pozostałe czynniki natomiast tę strefowość zakłócają. Dlatego na tej samej szerokości geograficznej występują w różnych obszarach klimaty bardzo się od siebie różniące.


Strefy klimatyczne na Ziemi
Klimat jest to typowy przebieg pogody nad jakimś obszarem, ustalony na podstawie wieloletnich obserwacji. W celu poznania różnorodności klimatów, a także prawidłowości w ich rozmieszczeniu na kuli ziemskiej, opracowano podziały klimatów. W Polsce najczęściej stosowany jest podział (regionalizacja) klimatów autorstwa W. Okołowicza. Regionalizacja ta jest zamieszczona w szkolnych atlasach geograficznych. W regionalizacji tej wyróżniono na każdej półkuli pięć stref klimatycznych, a w obrębie stref wydzielono typy klimatu, różniące się temperaturą, ilością opadów i ich przebiegiem w ciągu roku.
Strefy klimatyczne:
I Strefa klimatów równikowych - strefę tę charakteryzuje wysoka - powyżej 20C - średnia temperatura we wszystkich miesiącach. Roczna amplituda temperatury jest niewielka, do kilku stopni, np. na oceanach 1-2C, na lądach z reguły do 5C. Opady są najwyższe przy zenitalnym położeniu Słońca. Pory roku wyznacza przebieg opadów w ciągu roku. Blisko równika brak jest wyraźnej pory deszczowej, rozkład opadów w ciągu roku jest równomierny, jedynie przy zenitalnym położeniu Słońca jest ich wzrost. W miarę oddalania się od równika ilość opadów maleje. Pojawia się pora sucha - coraz dłuższa w miarę oddalania się od równika.
II Strefa klimatów zwrotnikowych - temperatura w najchłodniejszym miesiącu wysoka - od około 20C do 10C. Charakterystyczne jest w tej strefie występowanie temperatury wyższej niż w pozostałych strefach oraz duże amplitudy dobowe temperatury. Klimat ten występuje na obszarach wokół zwrotników, gdzie obecność stałych wyżów i związany z nimi zstępujący ruch powietrza ogranicza opady. Jest to najbardziej pustynna i sucha strefa klimatyczna Ziemi. Wyjątkiem jest klimat zwrotnikowy monsunowy, gdzie opady są wysokie w letniej porze roku.
III Strefa klimatów podzwrotnikowych - jedną z cech różniących klimat podzwrotnikowy od zwrotnikowego jest spadek temperatury w zimie poniżej 10C, a nawet poniżej 0C, zwłaszcza w klimatach kontynentalnych. Możliwy jest więc opad śniegu, nie zalegający jednak na nizinach trwałą pokrywą. Latem temperatura jest wysoka. Opady w tej strefie występują głównie w porze zimowej, z wyjątkiem obszarów monsunowych, gdzie są to obfite opady letnie.
Właściwy tej strefie jest klimat śródziemnomorski, czyli podzwrotnikowy morski. W tej odmianie lato jest gorące i suche, zima łagodna, z temperaturą średnio około 10 C. Wykształcił się on głównie w basenie Morza Śródziemnego, ale zbliżona temperatura i opady są również m. in. w Kalifornii, na południowym skraju Afryki, na południu Australii.
IV Strefa klimatów umiarkowanych - strefa ta występuje w dwóch odmianach - ciepłej i chłodnej. W odmianie ciepłej temperatura w trzech miesiącach letnich przekracza 15C, a w chłodnej temperatura w dwóch miesiącach letnich waha się od 10 do 15C, przy czym w klimatach kontynentalnych może osiągać nawet więcej. Opady nie ograniczają się do jednej pory roku - w klimatach morskich są całoroczne, z przewagą na jesieni i w zimie, a w lądowych, przejściowych i monsunowych dominują latem. Tę strefę klimatyczną cechuje duża różnorodność typów klimatu - od morskich i przejściowych do lądowych, monsunowych i pustynnych. Zróżnicowane warunki termiczne w ciągu roku pozwalają wyróżnić co najmniej cztery pory roku (w klimatach przejściowych wyróżnia się ich sześć). Różnice temperatury w lecie i w zimie powodują duże amplitudy roczne - w głębi kontynentów sięgają one powyżej 45C.
V Strefa klimatów okołobiegunowych - temperatura w najcieplejszym miesiącu nie przekracza 10C w klimacie subpolarnym, a w polarnym jest niższa od 0C. Opady, z przewagą śnieżnych, są pod względem ilości porównywalne z opadami na gorących pustyniach - wynoszą około 250 mm i mniej w ciągu roku.
Strefa ta odznacza się silnym niedostatkiem oświetlenia, zwłaszcza podczas długiej nocy polarnej.
Najsurowsze warunki klimatyczne w tej strefie ma Antarktyda.
Uwzględnione w charakterystyce temperatura powietrza, opady, wraz z typowymi w danej strefie klimatycznej wiatrami są to elementy klimatu. Ich wartości, przebieg w ciągu roku są następstwem oddziaływania zespołu przyczyn, nazywanych czynnikami geograficznymi. Zależności elementów klimatu od czynników geograficznych nazywamy prawidłowościami klimatycznymi. Oto podstawowe prawidłowości klimatyczne na Ziemi:
wraz ze wzrostem wysokości n.p.m. temperatura powietrza spada średnio o 0,6C na 100 m wysokości.
średnia roczna temperatura powietrza wykazuje spadek wraz ze wzrostem szerokości geograficznej o około 0,6C na 1 stopień szerokości geograficznej
obszary leżące bliżej oceanów otrzymują większe sumy opadów niż obszary w głębi kontynentów
w lecie temperatura powietrza nad morzami jest niższa niż nad lądami, w zimie odwrotnie: nad morzami jest znacznie wyższa niż nad lądami
ciepły prąd morski płynący w pobliżu lądu powoduje wzrost ilości opadów na lądzie, zimny prąd zmniejsza ilość opadów na lądzie
w strefie równikowej deszcze padają w ciągu całego roku, zaznacza się jednak ich szczególne natężenie w okresach po zenitalnym górowaniu Słońca
w górach roczne sumy opadów są większe niż na nizinach i wzrastają do pułapu chmur deszczonośnych. Powyżej opady maleją, co nazywamy inwersją opadową.