Δευτέρα, 25 Μαρτίου 2013

Σύσταση της ατμόσφαιρας


Εισαγωγή
Δίχως ατμόσφαιρα, η Γη θα ήταν ένας ψυχρός και αφιλόξενος πλανήτης. Η γήινη ατμόσφαιρα λειτουργεί ως μία «ζωηφόρος κουβέρτα» η οποία περιβάλλει τον πλανήτη μας και τον προστατεύει από τις αφιλόξενες συνθήκες του σύμπαντος. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, επηρεάζει τα πάντα γύρω μας ώστε καθίσταται άρρηκτα συνδεδεμένη με την ίδια μας την ύπαρξη. Ο ατμοσφαιρικός αέρας μας συνοδεύει από τη γέννηση μας και είναι αδύνατο να τον αποχωριστούμε.
Η Γη δε θα είχε λίμνες και ωκεανούς εάν δεν υπήρχε η ατμόσφαιρα. Δε θα υπήρχαν ήχοι, σύννεφα και κόκκινα ηλιοβασιλέματα. Η πανδαισία χρωμάτων του ουρανού θα απουσίαζε. Θα επικρατούσε απίστευτο κρύο κατά τη διάρκεια της νύχτας και αφόρητη ζέστη κατά τη διάρκεια της ημέρας. Τα πάντα επάνω στο πλανήτη μας θα ήταν στο έλεος της ισχυρής ηλιακής ακτινοβολίας.  
Στην πραγματικότητα ωστόσο, έχουμε προσαρμοστεί τόσο πολύ στην παρουσία του ατμοσφαιρικού αέρα που μας περιβάλλει ώστε ξεχνάμε πολλές φορές πόσο μεγάλη είναι η σημασία του για τη διατήρηση της ζωής στον πλανήτη μας. Αν και είναι άχρωμος, άοσμος, άγευστος και αόρατος (τις περισσότερες φορές), ο ατμοσφαιρικός αέρας κατορθώνει να μας προστατεύει από τις επικίνδυνες ακτινοβολίες του ήλιου και να μας παρέχει ένα μείγμα αερίων συστατικών που επιτρέπει την ανάπτυξη και διατήρηση της ζωής.
Σε αυτό το αφιέρωμα θα εξετάσουμε τα βασικά χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας της Γης, πολλά εκ των οποίων θα αναπτυχθούν με περισσότερες λεπτομέρειες σε επόμενα αφιερώματα μας.

Γενική επισκόπηση της ατμόσφαιρας
Fig1.1 earth-atmosphereΕικόνα 1. Η ατμόσφαιρα της Γης όπως φαίνεται από το διάστημα. Η ατμόσφαιρα είναι το λεπτό μπλε στρώμα που φαίνεται να περιβάλλει τη Γη (Ahrens, 2009).
Ο όρος «ατμόσφαιρα» χρησιμοποιείται για να περιγράψει το πολύ λεπτό στρώμα αερίων που περιβάλλει τη Γη (Εικ. 1). Το μίγμα των αερίων συστατικών που περιέχεται στην ατμόσφαιρα είναι γνωστό ως «ατμοσφαιρικός αέρας». Ο ατμοσφαιρικός αέρας αποτελείται κυρίως από οξυγόνο (Ο2) και άζωτο (Ν2), ενώ σε μικρότερες ποσότητες (ιχνοστοιχεία) περιέχει υδρατμούς (Η2Ο) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2).

Η ατμόσφαιρα συμμετέχει στην περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονα της, έχοντας την τάση να κινείται προς τα «έξω» εξαιτίας της φυγόκεντρου δύναμης. Για το λόγο αυτό, εμφανίζεται «ψηλότερη» πάνω από τον ισημερινό και «χαμηλότερη» πάνω από τους πόλους. Η συγκράτηση του ατμοσφαιρικού αέρα κοντά στην επιφάνεια της Γης καθίσταται δυνατή με τη βοήθεια της δύναμης της βαρύτητας.
Η κίνηση των αερίων μαζών εντός της ατμόσφαιρας ονομάζεται «ατμοσφαιρική κυκλοφορία» και πηγάζει από τη διαφορετική θέρμανση του ισημερινού και των πόλων. Η περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονα της επηρεάζει την ατμοσφαιρική κυκλοφορία, ενώ πλήθος ενεργειακών μεταβολών λαμβάνει χώρα εντός της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας. Επομένως, η ατμόσφαιρα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μέσο όπου συμβαίνουν ποικίλες θερμοδυναμικές και μηχανικές διεργασίες, οι οποίες οδηγούν στη εκδήλωση διαφόρων φαινομένων. Τα φαινόμενα αυτά που συμβαίνουν μέσα στην ατμόσφαιρα της Γης και τα οποία γίνονται αντιληπτά από τον άνθρωπο συνιστούν το αντικείμενο της Μετεωρολογίας.

Σύσταση της ατμόσφαιρας
Στον Πίνακα 1 παρουσιάζεται η σύσταση της ατμόσφαιρας στην παρούσα της μορφή. Τα αέρια τα οποία περιέχονται στον ατμοσφαιρικό αέρα διακρίνονται σε μόνιμα και μεταβλητά. Μόνιμα θεωρούνται τα αέρια εκείνα των οποίων η συγκέντρωση εμφανίζεται (περίπου) σταθερή, ενώ μεταβλητά ονομάζονται τα αέρια των οποίων η συγκέντρωση παρουσιάζει σημαντικές μεταβολές τόσο στο χώρο όσο και το χρόνο. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, τα κυρίαρχα αέρια είναι το άζωτο και το οξυγόνο τα οποία αντιστοιχούν στο 78% και 21%, αντίστοιχα, του ατμοσφαιρικού αέρα. Η αναλογία των δύο αυτών αερίων θεωρείται περίπου σταθερή έως το ύψος των περίπου 80 km.
Πίνακας 1. Σύσταση του ατμοσφαιρικού αέρα στην παρούσα του μορφή.
Μόνιμα αέρια
Μεταβλητά αέρια
Αέριο
Σύμβολο
Εκατοστιαία συγκέντρωση (%)
Αέριο
Σύμβολο
Εκατοστιαία συγκέντρωση (%)
ΆζωτοΝ278.08
Υδρατμοί
Η2Ο0 - 4
ΟξυγόνοΟ220.95
Διοξείδιο του άνθρακα
CO20.038
ΑργόAr0.93
Μεθάνιο
CH40.00017
ΝέονNe0.0018
Υποξείδιο του αζώτου
Ν2Ο0.00003
ΉλιοHe0.0005
Όζον
Ο30.000004
ΥδρογόνοΗ20.00005
Σωματίδια
PM0.000001
ΞένοXe0.000009
Χλωροφθοράνθρακες
CFCs0.00000002
Κοντά στην επιφάνεια, επικρατεί ισορροπία ανάμεσα στις διεργασίες παραγωγής και καταστροφής του αζώτου και του οξυγόνου. Το άζωτο απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα κυρίως μέσω βιολογικών διεργασιών που περιλαμβάνουν βακτήρια του εδάφους. Στην απομάκρυνση του αζώτου συμμετέχουν επίσης οι μικροοργανισμοί του φυτοπλαγκτόν. Η επιστροφή του αζώτου στην ατμόσφαιρα λαμβάνει χώρα κύρια μέσα από την αποσύνθεση της βιομάζας, φυτικής ή/και ζωική προέλευσης. Στον αντίποδα, το οξυγόνο απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα είτε μέσω της αποσύνθεσης της οργανικής ύλης, είτε μέσω της αντίδρασης του με άλλα χημικά στοιχεία. Ένα μέρος του οξυγόνου απομακρύνεται επίσης μέσα από τη διαδικασία της αναπνοής. Η σημαντικότερη πηγή οξυγόνου για την ατμόσφαιρα είναι η διεργασία της φωτοσύνθεσης, κατά την οποία τα φυτά συνδυάζουν διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς, παρουσία φωτός, προς παραγωγή γλυκόζης και οξυγόνου.
Από τα μεταβλητά αέρια, οι υδρατμοί παρουσιάζουν τις σημαντικότερες μεταβολές στη συγκέντρωση τους, τόσο χωρικά όσο και χρονικά. Κοντά στην επιφάνεια των θερμών και υγρών τροπικών περιοχών οι υδρατμοί καταλαμβάνουν έως και το 4% του ατμοσφαιρικού αέρα, ενώ πάνω από τις ψυχρές και ξηρές πολικές περιοχές το ποσοστό αυτό πέφτει δραματικά (Πίνακας 1). Τα μόρια των υδρατμών είναι κατά κανόνα αόρατα. Καθίστανται ορατά μόνο όταν μετασχηματίζονται σε μεγαλύτερα υγρά ή στερεά σωματίδια, όπως τα υδροσταγονίδια ή οι παγοκρύσταλλοι, τα οποία αυξανόμενα σταδιακά σε μέγεθος πέφτουν στην επιφάνεια με την μορφή βροχής ή χιονιού. Η μεταβολή των υδρατμών από την αέρια φάση στην υγρή ονομάζεται συμπύκνωση, ενώ η ανάποδη πορεία (από υγρή σε αέρια φάση) ονομάζεται εξάτμιση. Η κατακρήμνιση βροχής ή χιονιού στην επιφάνεια είναι γνωστή με τον όρο «υετός». Η παρουσία των υδρατμών στην κατώτερη ατμόσφαιρα είναι σχεδόν καθολική. Είναι η μοναδική ουσία η οποία στις συνήθεις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν κοντά στην επιφάνεια του πλανήτη μας εμφανίζεται και με τις τρεις φάσεις: υγρή, αέρια και στερεά.
Η παρουσία των υδρατμών στην ατμόσφαιρα της Γης είναι εξαιρετικά σημαντική. Όχι μόνο συμμετέχουν στο σχηματισμό του υετού, αλλά απελευθερώνουν τεράστια ποσά θερμότηταςκατά τη διάρκεια των μεταβολών φάσης. Η θερμότητα που απελευθερώνεται όταν οι υδρατμοί αλλάζουν φάση (από αέρια σε υγρή ή/και στερεά) ονομάζεται λανθάνουσα. Η λανθάνουσα θερμότητα αποτελεί σημαντική πηγή ενέργειας για τα διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα και ιδιαίτερα για το σχηματισμό καταιγίδων και τυφώνων. Επιπρόσθετα, οι υδρατμοί αποτελούν εν δυνάμει θερμοκηπικό αέριο, καθώς απορροφούν ένα σημαντικό μέρος της ακτινοβολίας (υπέρυθρη) που εκπέμπει η Γη. Συνεπώς, οι υδρατμοί παίζουν σημαντικό ρόλο στο ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη μας.
Εξίσου σημαντική είναι η παρουσία του διοξειδίου του άνθρακα, παρά το γεγονός πως καταλαμβάνει ένα μικρό μόνο ποσοστό του ατμοσφαιρικού αέρα (Πίνακας 1). Οι πηγές του διοξειδίου του άνθρακα περιλαμβάνουν την αποσύνθεση της οργανικής ύλης, τις ηφαιστειακές εκρήξεις, τη διεργασία της αναπνοής και την καύση των ορυκτών καυσίμων. Στον αντίποδα, το διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα μέσω της διεργασίας της φωτοσύνθεσης και της δέσμευσής του από το φυτοπλαγκτόν.
Fig1.2 CO2-manua-loaΕικόνα 2. Μέση μηνιαία συγκέντρωση (ppm) του διοξειδίου του άνθρακα στο Αστεροσκοπείο Manua Loa της Χαβάης (Πηγή: NOAA).
Η μεταβολή της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Γης, από το 1958 μέχρι σήμερα, απεικονίζεται στην Εικ. 2. Είναι προφανές ότι η συγκέντρωση του σημαντικού αυτού αερίου έχει αυξηθεί περισσότερο από 20% σε σύγκριση με το έτος αναφοράς 1958, οπότε και μετρήθηκε για πρώτη φόρα από το Αστεροσκοπείο Mauna Loa στη Χαβάη. Η παρατηρούμενη αυτή αύξηση σημαίνει πως το διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται στην ατμόσφαιρα με ρυθμό μεγαλύτερο από αυτό με τον οποίο απομακρύνεται. Αιτία της αύξησης της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα είναι η εκτεταμένη καύση των ορυκτών καυσίμων και η αποψίλωση των δασών. Τα επίπεδα του διοξειδίου του άνθρακα στην προ-βιομηχανική εποχή κυμαίνονταν στα 280 ppm (μέρη στο εκατομμύριο), όπως προκύπτει από μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί σε γεωλογικά καρότα της Γροιλανδίας και της Ανταρκτικής. Από το 1800 και έπειτα, ωστόσο, καταγράφεται σημαντική αύξηση, έως και 38%. Σήμερα είναι γνωστό ότι η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα αυξάνει με ρυθμό 0.4%/έτος, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε τιμές της τάξης των 500 ppm στο τέλος του παρόντος αιώνα.
Το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί σημαντικό θερμοκηπικό αέριο καθώς, όπως και οι υδρατμοί, απορροφά σημαντικό μέρος της εξερχόμενης γήινης (υπέρυθρης) ακτινοβολίας. Η αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα έχει άμεσο αντίκτυπο στη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας κοντά στην επιφάνεια του πλανήτη μας. Σύμφωνα με σχετικές εκτιμήσεις, η μέση θερμοκρασία της Γης αυξήθηκε κατά περίπου  0.8 oC κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκτατό (100) ετών, ως αποτέλεσμα της ραγδαίας αύξησης των επιπέδων του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Σήμερα, τα περισσότερα μαθηματικά κλιματικά μοντέλα προβλέπουν ότι ένας ενδεχόμενος διπλασιασμός στη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη μας κατά 1.5 oC – 4.5 oC. Μία τέτοια αύξηση της θερμοκρασίας θα επέφερε απρόβλεπτες συνέπειες σε όλα τα οικοσυστήματα της Γης.
Εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα και τους υδρατμούς, στην κατηγορία των θερμοκηπικών αερίων ανήκουν επίσης το μεθάνιο, το υποξείδιο του αζώτου και οιχλωροφθοράνθρακες (Πίνακας 1). Το μεθάνιο εκλύεται στην ατμόσφαιρα από την αποδόμηση της φυτικής προέλευσης βιομάζας, τη βιολογική δραστηριότητα των τερμιτών και τις βιοχημικές διεργασίες των έμβιων οργανισμών. Σημαντικές ποσότητες μεθανίου απελευθερώνονται επίσης κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων. Το υποξείδιο του αζώτου εκπέμπεται κύρια από χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο έδαφος και περιλαμβάνουν διάφορα βακτήρια και μικρόβια. Η καταστροφή του συντελείται με τη βοήθεια της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας. Οι χλωροφθοράνθρακες είναι τεχνητές χημικές ενώσεις, εξαιρετικά αδρανείς, οι οποίες χρησιμοποιούνταν μέχρι πρόσφατα ως προωθητικές ουσίες στα σπρέι, αλλά και ως ψυκτικές ουσίες στα ψυγεία. Παρόλα αυτά, η χρήση τους έχει σήμερα περιοριστεί σημαντικά. Αυτό οφείλεται στην καταστροφική δράση που αποδείχθηκε ότι έχουν επάνω στο στρατοσφαιρικό όζον, το οποίο προστατεύει τη Γη από τη βλαβερή υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία.
Κοντά στην επιφάνεια της Γης, το όζον (Πίνακας 1) θεωρείται ρύπος, αποτελώντας το βασικό συστατικό της φωτοχημικής αιθαλομίχλης. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του ατμοσφαιρικού όζοντος (περίπου το 95%) εντοπίζεται στην ανώτερη ατμόσφαιρα, σε ύψος μεταξύ 30 – 50 km. Σε αυτή την περιοχή της ατμόσφαιρας (στρατόσφαιρα), το όζον σχηματίζεται με φυσικό τρόπο, από την αντίδραση μεταξύ ατόμων και μορίων οξυγόνου. Παρά την μικρή του συνεισφορά (~0.0002%) στον ατμοσφαιρικό αέρα, το στρατοσφαιρικό όζον θεωρείται εξαιρετικά σημαντικό για τη διατήρηση της ζωής στη Γη. Αυτό συμβαίνει διότι έχει την μοναδική ιδιότητα να απορροφά τη βλαβερή υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, λειτουργώντας ως ένα προστατευτικό στρώμα για τον πλανήτη μας.
Πέρα από τα μόνιμα και μεταβλητά αέρια που περιγράφηκαν παραπάνω, στην ατμόσφαιρα συναντώνται επίσης διάφορες άλλες ενώσειςανθρωπογενούς ή φυσικής προέλευσης. Τα επίπεδα των συγκεντρώσεων των ενώσεων αυτών ποικίλουν σημαντικά τόσο χωρικά όσο και χρονικά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα αιωρούμενα σωματίδια τα οποία μπορεί να προέρχονται είτε από φυσικές διεργασίες (π.χ. σκόνη, θαλάσσιο σπρέι) είτε από ανθρωπογενείς δραστηριότητες (π.χ. καύση ορυκτών καυσίμων). Στην ίδια κατηγορία ανήκουν επίσης τα οξείδια του αζώτου (ΝΟx), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και οι υδρογονάθρακες (HC), ενώσεις οι οποίες εκπέμπονται κατά κύριο λόγο από τις μηχανές εσωτερικής καύσης (π.χ. αυτοκίνητα). Η καύση ορυκτών καυσίμων που περιέχουν θείο οδηγεί επίσης σε εκπομπή διοξειδίου του θείου (SO2). Το σύνολο των ενώσεων αυτών χαρακτηρίζεται από επιζήμιες επιπτώσεις για τον άνθρωπο και/ή το περιβάλλον, ώστε είναι περισσότερο γνωστές με τον όρο «ρύποι».
Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος (thgian82)

Δεν υπάρχουν σχόλια: