Atmosfera terestră

Atmosfera este învelișul de aer din jurul Pământului. Aerul uscat conține aproximativ 78% azot, 21% oxigen, 0,93% argon și circa 0,04% dioxid de carbon. Vaporii de apă nu au aceeași cantitate peste tot: aerul umed de deasupra mării conține mai mult decât aerul uscat din deșert. Atmosfera permite respirația și participă la formarea norilor și a ploilor. Ea absoarbe o parte din radiația solară periculoasă și contribuie la păstrarea căldurii. Gravitația ține aerul în jurul planetei: jumătate din masa atmosferei se află sub aproximativ 5,5 km înălțime, deci aerul este mai dens aproape de sol.

De la sol în sus, straturile sunt troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera și exosfera. Troposfera este stratul în care trăim; aici se formează cei mai mulți nori și se schimbă vremea. Grosimea ei este de aproximativ 8 km deasupra polilor și de 16–18 km deasupra Ecuatorului. În stratosferă se găsește cea mai mare parte a ozonului care oprește o parte din razele ultraviolete. Pe măsură ce urci, aerul devine mai rar și presiunea scade. De aceea pe un munte foarte înalt respirația poate deveni dificilă, iar alpiniștii de la peste 8 000 m folosesc butelii cu oxigen.

Atmosfera nu se termină brusc la o linie desenată pe cer. Exosfera se pierde treptat în spațiu. Nici temperatura nu scade neîntrerupt dincolo de nori: fiecare strat are alt mod de a primi și pierde energie. Când vezi un nor de ploaie, îl așezi în troposferă, nu în stratul de ozon. Avioanele de pasageri zboară în partea de sus a troposferei, unde aerul este rece și rar.

Exemplu rezolvat. Ce temperatură este de așteptat în vârful Moldoveanu (2 544 m) când la București (altitudine 80 m) sunt 20 °C?

1. Calculezi diferența de altitudine: $2544-80=2464$ m.
2. În troposferă temperatura scade cu aproximativ 0,6 °C la fiecare 100 m: $2464/100\cdot 0,6\approx 14,8$ °C.
3. Scazi din temperatura de la București: $20-14,8\approx 5,2$ °C.

La vârf sunt deci aproximativ 5 °C, cu mult mai rece decât în capitală.

Troposfera ajunge la aproximativ 8 km deasupra polilor și la 16–18 km deasupra Ecuatorului; limita ei superioară se numește tropopauză. În ea, temperatura scade în medie cu circa 0,6 °C la fiecare 100 m urcați, dar variația reală depinde de situație. Aproape toți vaporii de apă, norii și fenomenele meteorologice se găsesc în troposferă. Stratosfera se întinde până la aproximativ 50 km; concentrația ozonului este mare la aproximativ 20–35 km, iar absorbția ultravioletelor face ca temperatura să crească spre partea de sus a stratului, de la circa −51 °C la tropopauză până la aproximativ −15 °C. Mezosfera, până la aproximativ 85 km, se răcește din nou. Termosfera, de la 85 km până la circa 600 km, are temperaturi ce cresc cu înălțimea, dar aerul este atât de rar încât nu transmite căldură ca la sol. Exosfera, între 600 și aproximativ 10 000 km, este cel mai exterior strat.

Presiunea atmosferică scade cu altitudinea, aproape exponențial: pe Moldoveanu, într-o zi cu atmosferă standard, ea este cu aproximativ un sfert mai mică decât la nivelul mării. Compoziția aerului uscat (78,08% azot, 20,95% oxigen, 0,93% argon, 0,042% dioxid de carbon) rămâne practic constantă în straturile joase, pe când conținutul de vapori de apă variază de la aproape 0% la câteva procente.

Exemplu rezolvat 1 — presiunea pe Moldoveanu. Modelul standard al atmosferei folosit de NASA dă în troposferă $T=15,04-0,00649h$ (°C, cu $h$ în metri) și $p=101,29\cdot {\left(\frac{T+273,1}{288,08}\right)}^{5,256}$ kPa. Pentru $h=2544$ m: $T=15,04-16,51=-1,5$ °C, iar $p=101,29\cdot (271,6/288,08{)}^{5,256}\approx 74,4$ kPa, adică circa 744 hPa. Presiunea este cu aproximativ 27% mai mică decât cea standard de 1 013 hPa; la Everest (8 849 m) modelul dă 31,5 kPa, deci mai puțin de o treime din presiunea de la nivelul mării.

Exemplu rezolvat 2 — compoziția unei probe. Într-o probă de $100$ L de aer uscat de lângă sol se află aproximativ $78$ L de azot, $21$ L de oxigen și $1$ L de alte gaze (argon, dioxid de carbon și altele). Dacă proba ar fi de $10$ L, oxigenul ar ocupa circa $2,1$ L. Calculul folosește proporțiile măsurate; vaporii de apă nu sunt incluși în aerul uscat.

Ozonul din stratosferă (stratul de ozon) absoarbe cea mai mare parte a radiației ultraviolete dăunătoare vieții. În anii 1980 s-a descoperit că deasupra Antarcticii, primăvara (septembrie–octombrie), concentrația ozonului scade puternic, formând „gaura de ozon”. Substanțele care distrugeau ozonul, folosite în frigidere și aerosoli, au fost interzise prin Protocolul de la Montreal (1987), semnat de aproape toate statele lumii.

Limita dintre atmosferă și spațiu nu este netă; prin convenție internațională, spațiul cosmic începe la aproximativ 100 km (linia Kármán), în termosferă. Aurorele polare se produc în termosferă, la 100–300 km înălțime, când particule încărcate venite de la Soare lovesc gazele rarefiate.

Greșeli frecvente

• Greșit: Oxigenul ocupă cea mai mare parte din aer.
  Corect: Azotul are proporția cea mai mare, aproximativ 78% din aerul uscat.
• Greșit: Norii de ploaie se formează în exosferă.
  Corect: Ei se formează în troposferă.
• Greșit: Temperatura scade la fel în toate cele cinci straturi.
  Corect: Profilul temperaturii se schimbă între straturi.
• Greșit: Atmosfera are aceeași grosime peste tot.
  Corect: Troposfera este mai groasă la Ecuator (16–18 km) decât la poli (circa 8 km).

Înainte și după