Kawałek skały, na którym przyszło nam egzystować, nie byłby w stanie zapewnić warunków do życia, gdyby nie otaczająca go warstwa różnych gazów zwana atmosferą. Choć zapewne każdy ma podstawowe informacje na jej temat, to być może część przedstawionych tu ciekawostek okaże się nowością. Przekonajmy się więc, dlaczego niebo jest błękitne, skąd się biorą zorze polarne, a także, w jaki sposób wojenne bombardowania zapisały się w jednej z warstw atmosfery.
Na początek akcent humorystyczny. Być może nie wiecie, ale w świecie płaskiej ziemi atmosfera… w sumie nie istnieje. Nie ma bowiem kosmosu, a cały dysk otoczony jest kopułą, wewnątrz której całe powietrze po prostu jest. Efektem takiego założenia jest między innymi fakt, że ciśnienie atmosferyczne pozostaje niezmienne, bez względu na wysokość. Tylko, ten, tego, obserwacje przeprowadzane choćby za pomocą smartfonowego barometru obalają to założenie, bo im wyżej, tym ciśnienie wyraźnie spada. I jak tu podchodzić poważnie także do reszty postulatów? Potraktujcie ten akapit jako małą zapowiedź, bo niedługo postaram się przyjrzeć tematowi płaskiej ziemi bardzo dokładnie.
Ale zejdźmy na ziemię, tę kulistą, przynajmniej na chwilę. Wspomniałem, że życie na Błękitnej Planecie może istnieć tylko dzięki atmosferze; nie byłoby go bowiem, gdyby nie woda w stanie ciekłym. Ta z kolei swój stan skupienia zawdzięcza temu, że olbrzymie masy różnych gazów są przyciągane do środka Ziemi, przez co naciskają na powierzchnię, tworząc tym samym ciśnienie atmosferyczne. Im niższe ciśnienie, tym niższa temperatura wrzenia wody; każdy może więc sobie wyobrazić, co stałoby się z ziemskimi oceanami, gdyby ziemska atmosfera znacznie się przerzedziła.
Atmosfera ma warstwy
No dobra, zanim przejdziemy do ciekawszych rzeczy, muszę Was zamęczyć krótkim opisem poszczególnych warstw ziemskiej atmosfery. Zaznaczam tylko, że cały ten podział jest nieco umowny – fizycznie atmosfera jest jednością, która płynnie przechodzi od najwyższego ciśnienia przy powierzchni do zerowego ciśnienia w kosmosie. Podział stosowany w nauce odnosi się bardziej do temperatury powietrza, ponieważ ta zmienia się w nieco inny sposób niż ciśnienie. Inny, a w dodatku niejednolity.
Najbliżej powierzchni znajduje się rozciągająca się na średnio 12 kilometrów w górę troposfera. To tutaj mają miejsce niemal wszystkie zjawiska atmosferyczne, a sama warstwa zawiera około 80% masy całej ziemskiej atmosfery. Im wyżej, tym chłodniej, ponieważ powietrze ogrzewane jest głównie przez powierzchnię. To właśnie troposfera jest miejscem, w którym odbywa się większość ruchu lotniczego, a jednocześnie jest przy tym granicą dla pojazdów śmigłowych; na większych wysokościach powietrze jest po prostu zbyt rzadkie.
Wyżej, pomiędzy 12 a około 50-55 kilometrami nad powierzchnią, rozciąga się stratosfera. O niej mogliście słyszeć, gdy Felix Baumgartner w misji RedBull Stratos skakał w skafandrze z kapsuły, która wzniosła się właśnie do stratosfery. W odróżnieniu od troposfery, w stratosferze wyżej oznacza cieplej – temperatura przechodzi od około -60 stopni do nawet zera. Ponadto to właśnie tutaj występuje szalenie dla nas istotna warstwa ozonowa, o której jednak niżej. Druga od powierzchni warstwa jest również ostatnią, w której działać mogą silniki odrzutowe; wyżej polecimy już tylko pojazdami z napędem rakietowym.
Trzecią od powierzchni warstwą jest mezosfera, która jest najzimniejszym miejscem na Ziemi, o ile oczywiście atmosferę traktujemy jako jej integralną całość. Ponownie działa tutaj zasada „im wyżej, tym zimniej”; średnia temperatura wynosi -85 stopni. Górna granica warstwy znajduje się na wysokości około 80-85 kilometrów, zaś wysokość ta jest najwyższą, w której możliwe jest jeszcze utworzenie się chmur. Chmur, trzeba przyznać, wprost nieziemskich; ze względu na niską temperaturę możliwa jest sublimacja (przejście ze stanu stałego do gazu z pominięciem stanu ciekłego) pary w chmury, które, co ciekawe, widoczne są tylko przed wschodem lub po zachodzie słońca. Zwolennicy wczesnego wstawania mają tutaj dość mocny argument, a jeśli nie wierzycie, zerknijcie sami na poniższe zdjęcie.
Przedostatnią (lub ostatnią, w zależności od modelu) warstwą atmosfery jest termosfera, której górna granica rozciąga się od 500 do 1000 kilometrów nad powierzchnią, a zależne jest to od aktywności słonecznej. Nazwa warstwy wzięła się od jej temperatury, która może wynosić, uwaga, nawet do 1500 stopni Celsjusza. Jednocześnie, gdybyśmy na takiej wysokości mogli odczuć tę temperaturę na własnym ciele, to byłoby nam przeraźliwie zimno. Jak, zapytacie? No cóż, temperatura w naszym rozumieniu odnosi się do energii cząstek tworzących dany przedmiot. W termosferze pojedyncze cząstki gazu mają bardzo dużą energię, natomiast jest ich tak mało, że nie są w stanie wpłynąć na temperaturę dużych obiektów. Ot, taka naukowa ciekawostka. To właśnie w termosferze orbituje Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, co jednocześnie tłumaczy, dlaczego co jakiś czas konieczna jest korekta jej orbity – wciąż znajdujemy się bowiem w atmosferze, a to oznacza niewielkie, ale jednak występujące opory powietrza.
Na sam koniec wyznaczona została egzosfera, warstwa rozciągająca się do około 10 tysięcy kilometrów nad powierzchnią. Na tych wysokościach znajdują się ostatnie, pojedyncze cząstki gazu tworzącego atmosferę, natomiast górna granica płynnie przechodzi do stanu idealnej próżni. Na tej wysokości nie występują już żadne zjawiska meteorologiczne i z tego powodu w wielu modelach warstwa jest po prostu pomijana.
Gdy atmosfera odczuwa bombardowanie
Szczęśliwie dobrnęliśmy do końca tego nieco bardziej edukacyjnego opisu, ale musimy jeszcze zmierzyć się z kilkoma pobocznymi aspektami tematu. Przytoczony powyżej podział warstw oparty jest o temperaturę, a przez to dość ogólny. Nie uwzględnia takich składników jak wspomniana warstwa ozonowa czy tak zwana jonosfera. Zatrzymajmy się na chwilę przy tej drugiej, ponieważ całkiem niedawno do sieci trafiły raporty sięgające obserwacji jeszcze z czasów Drugiej Wojny Światowej. Mianowicie, jak można domyślić się po nagłówku przed akapitem, bombardowania przeprowadzane podczas konfliktu odcisnęły swoje piętno na atmosferze. Konkretnie – na jonosferze.
Jonosfera jest częścią atmosfery, w której napotkać możemy plazmę, czyli mocno zjonizowaną materię, w tym przypadku zjonizowane cząsteczki tych samych gazów, które tworzą resztę atmosfery. Jonizacja jest wynikiem oddziaływania promieniowania kosmicznego i promieniowania ultrafioletowego wysyłanego przez Słońce. Dla nas istotne jest, że zjonizowane cząstki zakłócają łączność radiową; fale radiowe mogą być załamywane, pochłaniane, a także odbijane. Ta ostatnia właściwość była skrupulatnie wykorzystywana przez wojsko, gdyż pozwalała przesyłać sygnały z radia krótkofalowego na duże odległości, właśnie dzięki odbijaniu się sygnału w jonosferze.
Dlatego też, choćby w celu nasłuchiwania transmisji, jonosfera była pod baczną obserwacją. Teraz badacze przeanalizowali archiwalne zapisy i odkryli, że potężniejsze bombardowania były w stanie osłabić jonosferę nawet na kilka godzin. Osłabić, to znaczy zmniejszyć jej możliwość pochłaniania szkodliwego promieniowania, w efekcie czego docierało ono do niższych partii atmosfery, a w części zapewne także do powierzchni. Nie ma jednak żadnych informacji odnoszących się do rzeczywistego wpływu tak krótkiego osłabienia jonosfery na przyrodę. Uderzające jest jednak to, jak wybuchy na powierzchni mogą wpłynąć na coś, co rozciąga się na setki kilometrów w górę.
Dlaczego niebo jest niebieskie?
Jak to się dzieje, że w ciągu dnia niebo ma błękitny kolor, a podczas wschodów i zachodów obserwujemy różnokolorowe nieboskłony? Nie zależy to przecież od samej gwiazdy, bowiem ta świeci cały czas tak samo; emituje szerokie spektrum promieniowania, więc jej światło widzialne jest koloru białego. Gdybyśmy rozszczepili to białe światło przez pryzmat (jak na okładce The Dark Side of The Moon Floydów), to zaobserwowalibyśmy wychodzące z pryzmatu różnokolorowe promienie. Domyślacie się zatem, dlaczego niebo jest niebieskie? Cząsteczki wszystkich gazów działają tutaj jak pryzmat.
Wyobraźcie sobie więc, że każdy pojedynczy promień światła przechodzi przez kolejne pryzmaty. A ponieważ w świetle widzialnym kolor niebieski ma najkrótszą długość fali (choć teoretycznie gdzieś przed nim czai się fioletowy), to właśnie ten kolor dominuje na naszym niebie. Kiedy Słońce znajduje się coraz bliżej horyzontu, promienie światła przechodzą przez coraz więcej warstw atmosfery; w efekcie rozpraszane są coraz bardziej i bardziej, aż dochodzą do koloru czerwonego. Ponownie posłużę się wykresem przedstawiającym spektrum promieniowania elektromagnetycznego; bardzo obrazowo widać tutaj zależność między długością fali a kolorem światła.
Równie ciekawy jest mechanizm powstawania zórz polarnych. Kiedy na Słońcu dochodzi do gwałtowniejszych rozbłysków, w stronę Ziemi wysyłane są większe niż zazwyczaj strumienie naładowanych elektrycznie cząstek. Cząstki te zderzają się z cząstkami gazu znajdującymi się w ziemskiej atmosferze, w efekcie czego obserwowany jest błysk kolorowego światła. Kolor zależny jest tutaj od rodzaju gazu – najczęściej obserwowane są zorze zielone, które powstają przy zderzeniach z cząstkami tlenu na wysokości około stu kilometrów nad powierzchnią. W wyższych partiach atmosfery te same cząstki tlenu w efekcie zderzenia dają kolor czerwony. Cząstki azotu powodują z kolei zorze niebieskie lub fioletowe.
Ciekawostką jest, że gdy na półkuli północnej widoczna jest zorza, to jej niemal lustrzane odbicie znajduje się na półkuli południowej. Odpowiedzialność dzierży tutaj symetryczne ziemskie pole magnetyczne; pochodzące ze Słońca cząstki, ponieważ są elektrycznie naładowane, są przez pole „przechwytywane” i poruszają się wzdłuż jego linii. Ponieważ zaś linie pola magnetycznego skierowane są prostopadle do biegunów magnetycznych (czyli z grubsza też do biegunów geograficznych, ale o tym pisałem w jednym z poprzednich odcinków), to właśnie oba geograficzne bieguny są najlepszym miejscem do obserwacji zórz.
Ostatnim aspektem, który chciałem dzisiaj poruszyć, jest warstwa ozonowa, czyli część stratosfery, w której występuje największe stężenie ozonu w całej atmosferze. O warstwie ozonowej z pewnością słyszeliście niejedno, wszak od lat 70 obserwowany był drastyczny wręcz spadek zawartości ozonu. Świat został zaalarmowany, ponieważ ta niewielka w gruncie rzeczy koncentracja ozonu odpowiada za pochłanianie od 97 do 99 procent słonecznego światła ultrafioletowego. Jak sami wiecie, kremami przeciw opalaniu nie smarujemy się bez powodu; możecie sobie sami wyobrazić, co by było, gdyby promieniowania UV było znacznie więcej.
Z tego też powodu kilka dekad temu świat postanowił, że dalszą degradację warstwy ozonowej należy niezwłocznie powstrzymać. Dobra wiadomość jest taka, że najnowsze obserwacje potwierdzają, że to się ludzkości udało. Degradacja została nie tylko powstrzymana, ale wręcz obserwuje się odbudowywanie się warstwy. Nie nastąpi to oczywiście z dnia na dzień, ale dla natury najważniejsze jest, by jej nie niszczyć; z pozostałymi problemami poradzi już sobie sama. I tym optymistycznym akcentem zakończę dzisiejszy materiał. Do następnego!
źródła: thenextweb, britannica, nasa, aurora-service, wiki
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.