Atmosfäär

Allikas: Vikipeedia
Disambig gray.svg  See artikkel räägib Maa atmosfäärist; teiste tähenduste kohta vaata artiklit Atmosfäär (täpsustus).

Atmosfäär (inglise keeles atmosphere) ehk õhkkond on Maad ümbritsev kihilise ehitusega õhukest, mis koosneb erinevatest gaasidest ning seda hoiab kinni gravitatsioonijõud.

Atmosfäär neelab UV-kiirgust ning tekitab kasvuhooneefekti, vähendades sellega ööpäevaseid temperatuuri ekstreemumeid.

Atmosfääri stratifikatsioon kirjeldab atmosfääri struktuuri. Kihtideks jagatuna võib iga teatud paksusega õhukihti kirjeldada talle omaste karakteristikutega, nagu näiteks temperatuur, koostis või paigutus teiste kihtide suhtes. Atmosfääri mass on 5×1018 kg, millest kolmveerand asub maapinnalt kuni 11 km kõrgusel. Maa atmosfäär moodustab veidi vähem kui ühe miljondiku planeedi kogumassist[1]. Atmosfäär muutub kõrguse kasvades hõredamaks, omamata kindlat piiri kosmose ehk maailmaruumi suhtes. Lähtudes vaadeldavatest mõjudest kosmosetehnikale, siis loetakse vahemikku 10–12 km kõrgusel kokkuleppeliseks piiriks kosmose ning atmosfääri vahel. Kui aga lähtuda hämarikunähtustest ning kõrgetest virmalistest, siis võib pidada atmosfääri piiri paiknevat 1000–1200 km kõrgusel.

"Õhk" öeldakse tavaliselt selle atmosfääri osa kohta, mida kasutatakse otseselt fotosünteesiks ning hingamiseks, kuid see termin on kasutuses ka atmosfääri gaasikogumiku üldistamiseks. Kuiv õhk sisaldab ligikaudu 78,09% lämmastikku, 20,95% hapnikku, 0,93% argooni, 0,039% süsinikdioksiidi ning väiksemates kogustes teisi gaase. Õhus on ka teatud hulk veeauru. Ainuke teadaolev sobiva koostise ning rõhuga õhk taimede ja loomade jaoks paikneb Maa troposfääris.

Atmosfääri sisenemine

Koostis[muuda | redigeeri lähteteksti]

Atmosfäär koosneb põhiliselt lämmastikust, hapnikust ja argoonist. Ülejäänud gaasideks on veeaur, süsinikdioksiid, metaan, dilämmastikoksiid ja osoon. Filtreerimata õhust võib leida ka mitmeid looduslikke lisasid, nagu näiteks tolm, eosed/spoorid, vulkaaniline tuhk ning meresool. Võib esineda ka mitmeid tööstuslikke saasteaineid nagu kloor (elementaarosakesena või ühendina), fluoriidi ühendid, elavhõbe ning väävliühendid.

Atmosfääris leiduvate gaaside suhted
Kuiva atmosfääri koostis[2]
rõhul 1 atm ja temperatuuril 0°C
on 1 mooli gaasi ruumala 22,4 (liitrit)
ppmv – osakest miljoni osakese kohta
Gaas Maht
Lämmastik (N2) 780 840 ppmv (78,084%)
Hapnik (O2) 209 460 ppmv (20,946%)
Argoon (Ar) 9340 ppmv (0,9340%)
Süsinikdioksiid (CO2) 390 ppmv (0,039%)
Neoon (Ne) 18,18 ppmv (0,001818%)
Heelium (He) 5,24 ppmv (0,000524%)
Metaan (CH4) 1,79 ppmv (0,.000179%)
Krüptoon (Kr) 1,14 ppmv (0,000114%)
Vesinik (H2) 0,55 ppmv (0,000055%)
Dilämmastikoksiid (N2O) 0,3 ppmv (0,00003%)
Süsinikmonooksiid (CO) 0,1 ppmv (0,00001%)
Ksenoon (Xe) 0,09 ppmv (9×10−6%) (0,000009%)
Osoon (O3) 0,0–0,07 ppmv (0 kuni 7×10−6%)
Lämmastikdioksiid (NO2) 0,02 ppmv (2×10−6%) (0,000002%)
Jood (I2) 0,01 ppmv (1×10−6%) (0,000001%)
Ammoniaak (NH3) jääkgaasina
Kuivas atmosfääris mittesisalduv:
Veeaur (H2O) ~0,40% kogu atmosfääris, 1–4% maapinna kohal

Struktuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Atmosfääri kihid

Õhurõhk ja tihedus atmosfääri kõrguse kasvades väheneb. Temperatuuriprofiil on seevastu veidi keerulisem. Maa atmosfääri saab jagada viieks kihiks.

Eksosfäär[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Eksosfäär

Kõige välimine Maa atmosfääri kiht, mis jääb eksobaasist avakosmose poole. Peamiselt koosneb vesinikust ja heeliumist. Aine osakesed on selles ruumis üksteisest nii kaugel, et võivad liikuda sadu kilomeetreid kokku põrkamata. Kuna osakesed põrkuvad harva, siis selles ruumis atmosfäär ei käitu enam nagu voolis.

Termosfäär[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Termosfäär

Mesopausist termopausini temperatuur termosfääris tõuseb, seejärel jääb kõrguse suhtes konstantseks. Termosfääri inversiooni põhjustab väikene molekulide tihedus. Temperatuur võib siin kihis tõusta kuni 1500 oC (1773,15 K), kuigi ka siin on osakesed üksteisest nii kaugel, et tavapäraselt osakeste põrkumisega siin temperatuuri defineerida ei saa. Termosfääris saab üks molekul liikuda keskmiselt umbes ühe kilomeetri ilma, et teise molekuliga kokku põrkaks.[3]. Termosfääri jääb ka Rahvusvahelise Kosmosejaama (ISS) orbiit, mille kõrgus varieerub 320 kilomeetrilt 380 kilomeetrini. Võrreldes alumiste kihtidega on õhk ülevalpool turbopausi harva kohtuvate molekulide tõttu küllaltki halvasti segunenud. Turbopausist ülespoole jäävat ala kutsutakse heterosfääriks, allapoole aga homosfääriks. Termosfääri ülemine piir on eksosfääri algus ehk eksobaas, mille kõrgus oleneb päikese aktiivsusest ning jääb 350–800 km vahele.

Mesosfäär[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Mesosfäär
Helkivad ööpilved Kuresoo kohal.

Mesosfäär asub stratopausi kohal ja ulatub 80–85 km kõrguseni geoidi pinnast. Siin kihis põlevad enamik meteoriidid, mis atmosfääri sisenevad. Mida kõrgemale mesosfääris liikuda, seda madalamaks temperatuur muutub. Mesosfääri ülemist piiri märgib mesopaus, mis on ühtlasi ka kõige külmem koht Maal (keskmine temperatuur −85 °C)[4]. Madalate temperatuuride tõttu mesosfääri ülaosas veeaur külmub ning tekivad moodustised, mida meie teame helkivate ööpilvede nime all.

Stratosfäär[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Stratosfäär

Stratosfäär ulatub tropopausist kuni 51 km kõrguseni. Temperatuur kõrguse suurenedes tõuseb, sest stratosfääris paiknev osoonikiht absorbeerib UV-kiirgust. Stratosfääri ülemine osa on tropopausist (−60 °C) palju soojem ning seal võib temperatuur kõikuda külmumistemperatuuri lähedal. Stratopaus on stratosfääri ja mesosfääri piiriks ning see asub 50–55 km kõrgusel. Siinsel kõrgusel on rõhuks tuhandik merepinnal olevast rõhust ehk ligikaudu 0,101325 kPa.

Troposfäär[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Troposfäär

Troposfäär ulatub Maa pinnast 9 kilomeerini poolustel ning 17 kilomeetrini ekvaatoril[5]. Ilmamuutuste tõttu võib see veidi veel varieeruda. Troposfääris kõrguse kasvuga temperatuur langeb. See on tingitud sellest, et peamiselt soojendab troposfääris olevat õhku maapind, seega maapinnale lähemal olev õhk on soojem kui kaugemal olev õhk. See soodustab õhu vertikaalset segunemist. Troposfäär moodustab umbes 80% Maa atmosfääri massist. Tropopaus on troposfääri ja stratosfääri piir.

Teised kihid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Osoonikiht paikneb stratosfääris. Osooni kontsentratsioon selles kihis on 2–8 ppm (parts per million). Osoonikiht paikneb umbes 15–35 km kõrgusel, paksus varieerub ajas (aastaaegadel) ja paigas. Umbes 90% osoonist (O3) paikneb stratosfääris.

Ionosfäär on atmosfääri osa, mis on päikesekiirguse poolt ioniseeritud. Ionosfäär ulatub 50–1000 km kõrguseni ning katab tavaliselt nii eksosfääri kui termosfääri. Ionosfääris paiknevad ka virmalised.

Homosfäär ja heterosfäär erinevad teineteisest segunenud gaaside poolest. Homosfääris ei olene keemiline atmosfääri paigutus molekulmassist, sest gaasid on turbulentsi tõttu segatud [6]. Heterosfääris sõltub gaaside paigutus kõrgusest ning selles kihis paigutuvad gaasid molekulaarmassi alusel. Suurema molekulmassiga gaasid, nagu lämmastik ja hapnik, paiknevad ainult heterosfääri allosas. Heterosfääri ülaosas leidub enamjaolt ainult vesinikku. Pinna piirkiht on troposfääri osa, mis on maapinnale kõige lähemal. Seda kihti mõjutab otseselt õhu turbulentne liikumine ööpäevajooksul. Keskmine atmosfääri temperatuur Maa pinnal on 14...15 °C (287...288 K).

Õhurõhk ja paksus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keskmine õhurõhk merepinnal on üks atmosfäär (atm)=101,3 kPa=14,7 psi=760 torri=760 mmHg. Õhurõhk on õhusamba kaal vaadeldava ala kohal. Õhurõhk varieerub ajas ja paigas. Rõhk väheneb atmosfääris ülespoole liikudes eksponentsiaalselt. 50% atmosfääri massist paikneb kõrguseni kuni 5,6 km geoidist. 90% atmosfääri massist paikneb kõrguseni kuni 16 kilomeetrit, 99,99997% atmosfääri massist paikneb kõrguseni kuni 100 kilomeetrit geoidist.

Tihedus ja mass[muuda | redigeeri lähteteksti]

Õhu tihedus merepinnal on 1,2 kg/m3 (1,2 g/L). Tihedus arvutatakse ideaalse gaasi valemist, teades temperatuuri, rõhku ja õhuniiskust. Kasutada saab ka baromeetrilist valemit. Veeauru mass kogu atmosfääris arvatakse olevat 1,27×1016 kg.

Optilised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikesekiirgus on see energia, mida Maa saab päikeselt. Osa kiirgusest Maa peegeldab tagasi kosmosesse, kuid meile nähtamatuks jäävatel suurtel lainepikkustel. Osa kiirgusest neelab ning peegeldab atmosfäär.

Hajumine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui valgus (footonid) läbivad atmosfääri, reageerivad nad sellelt hajudes. Kui valgus atmosfääriga ei reageeri, nimetatakse seda otsekiirguseks. Otsekiirgust ei esine ehk kogu kiirgus on hajunud siis, kui keha varju ei ole võimalik tuvastada. Atmosfääris leiab aset Rayleigh hajumine, mis seletab, miks taevas on sinine ning päikeseloojangud kollakas-punased.

Neeldumine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Erinevad molekulid neelavad erineva lainepikkusega kiirgust (vaata: spektromeetria). Lühema lainepikkusega kiirgust kui 300 nm neelavad näiteks O2 ja O3 molekulid. Vesi (H2O) neelab näiteks enamik kiirgust lainepikkusega üle 700 nm. Footoni ning molekuli vaheline reaktsioon tõstab molekuli energiat ning seetõttu võime seletada atmosfääri võimet soojeneda ning jahtuda.

Kiirgamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuumad kehad kiirgavad rohkem ning lühematel lainepikkustel, nagu näiteks Päike, mille temperatuur on 6000 K, kiirgab lainepikkusel 500 nm kiirgust, mis on inimsilmale nähtav. Kasvuhooneefekt on põhjustatud atmosfääris olevate gaasimolekulide omadusest kiirgust neelata ning eraldada. Mõned keemilised ühendid neelavad ja kiirgavad infrapunakiirgust, kuid ei reageeri nähtavas spektris esineva valgusega. Ühed enimlevinumad näited nendest ühenditest on CO2 ja H2O.

Tsirkulatsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Üldine tsirkulatsioon on suureskaalaline õhuliikumine troposfääris, mis õhku Maal pidevalt ümber paigutab. Protsess küll erineb veidi aasta-aastalt, kuid peamised väärtused jäävad samaks.

Atmosfääri areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esmane atmosfäär oli oma koostiselt praegusest erinev, koosnedes H2 (vesinikust), CH4 (metaanist), NH3(ammoniaagist), H2O (veeaurust) ja mõnedest hapetest. CO2 olemasolu pole kindlalt teada. Süsihappegaasi ilmselt ei eksisteerinudki.

Esmase (ilma hapnikuta) atmosfääri gaasid olid pärit Maa sisemusest, eraldudes pikaajaliselt. Pärast seda, kui Maa gravitatsiooniväli suutis gaase juba kinni hoida, ühinesid neist mõned keemilistel reaktsioonidel. Atmosfääri tihedus kasvas seetõttu kogu aeg. Suur hulk veeaurust kondenseerus ja langes maapinnale, väiksem osa jäi ka atmosfääri. Osa gaasidest tekkis ka radioaktiivsete elementide lagunemisel (He, Ar). Ainult väga kerged gaasid (He ja H2) hajusid kosmosesse, inertne argoon kogunes atmosfääri.

Ligikaudu 3,5×109 aastat tagasi oli lämmastiku-ammoniaagi-süsihappegaasi atmosfäär, CO2 osakaal oli juba 50–60%. Varases proterosoikumis toimus esmase atmosfääri koostise muutumine tänu ookeani maakoore hüdratiseerumisele ookeanivetega. Seetõttu hakkas CO2 siduine karbonaatidesse, mis omakorda põhjustas süsihappegaasi koguse kahanemise atmosfääris. Riftivöönditest väljunud kivimid sidusid endasse kogu selle CO2, mis enne seda kogunes esmasesse arhaikumi atmosfääri. Samaaegselt karbonaatidega eraldus riftivööndist ka kahevalentset rauda, mis mikrovetikate poolt toodetud hapnikku neelates oksüdeerus kolmevalentseks. Eelkambriumi ajastul oli sellepärast Maa atmosfääris väga vähe hapnikku. Pärast seda, kui vaba raud vahevööst kadus, hakkas hapnik kogunema atmosfääri. Vaba hapnik, mis vabanes Maa sisemusest, kulus praktiliselt kõik mõningate metallide ja CH4, NH3 ja H2S oksüdeerumiseks. Enamik hapnikust tekkis CO2 sidumisel fotosünteesi käigus. Fotosüntees algas juba arhaikumis, mere fütoplankoni tõttu. Hapniku teke Maal on seotud elu tekkega. Teadlaste arvates biosfäär ja orgaanilise aine mass selles kasvas pidevalt.

Hapniku tekkimine muutis oluliselt Maa esmase atmosfääri koostist: CH4 ja NH3 oksüdeerusid CO2-ks ja N2-ks. CO2 neelati ookeani poolt: lahustus vees, seoti mere elusorganismides ja sadestus H2CO3-ks. Atmosfääris hakkasid valitsema N2 ja ka O2. Nii formeerus kaasaegne teisene atmosfäär, kus valdavaks gaasiks on N2. Kaasaegsest atmosfääris seotakse lämmastik osaliselt tagasi Maa sisemusse, eriti NaNO3 ja KNO3-na, kuigi need lämmastiku kaod on tühised. Umbes 500 miljonit aastat tagasi Maa esmases atmosfääris oli kõigest 33% praegusest hapniku massist, mass kasvab pidevalt.

Kolmas atmosfäär võib tekkida järk-järgult teisese atmosfääri evolutsiooni käigus. Pika aja jooksul kogunevad N2, Ar, väheneb O2 osa, võib-olla on ka CO2.[7]

Atmosfäärifüüsika Eestis enne ja pärast taasiseseisvumist[muuda | redigeeri lähteteksti]

Atmosfääriuuringud on saanud alguse ilmavaatlustest ja vajadusest ilma ennustada erinevate tegevuste planeerimiseks. Kaasaegsele meteoroloogiale ja atmosfäärifüüsikale Eestis on alusepanijaks Tartu Ülikooli meteoroloogia observatoorium, mis alustas 1865. a regulaarsete ilmavaatustega. Tähtis märksõna tuleviku suhtes on aktinomeetriajaam, mis töötab 1950. aastast, kandes praegu ametlikult Tartu-Tõravere meteoroloogiajaama nime ning kuulub rahvusvahelisse kiirgusmõõtmiste baasjaamade võrku BSRN (Baseline Surface Radiation Network). Akadeemik Juhan Ross (1925–2002) suunati aktinomeetriajaama juhatajaks, tõstis selle peagi üleliidulisele tipptasemele ja kujundas teadustöö baasiks. Tollases Füüsika ja Astronoomia Instituudis arenes välja suur atmosfäärifüüsika sektor, mille töötajatest kuus inimest on kaitsnud N. Liidu doktorikraadi. Neli sarnase mahuga tööd kaitsti juba taastatud Eesti Vabariigi ajal. Lisaks on kaitstud arvukalt kandidaadikraade. Praeguseni kuulub selle koolkonna esindajatele silmapaistev koht maailmateaduses nii kiirguslevi kui kaugseire teoorias.

Tartu Observatooriumis on astrofüüsika ja atmosfäärifüüsika mitu aastakümmet ühise katuse all edenenud. Osa, enamikus astronoomiataustaga uurijaid, jõudis atmosfäärifüüsikasse helkivate ööpilvede teema juurest, mille koordinaatoriks Eesti ja hiljem koguni kogu N. Liidu ulatuses sai amatöörastronoomina alustanud Charles Villmann (1923–1992). Tihedad sidemed Moskvas N. Liidu Geofüüsika Komiteega võimaldasid 1960ndate lõpuaastatel kavandada uuringuid N. Liidu orbitaaljaamade pardalt. Uuringud kosmosest puudutasid mitte ainult helkivaid ööpilvi, vaid keskatmosfääri laiemalt. Kuna militaarringkonnad tundsid kõrgendatud huvi kõigi loodusnähtuste vastu, mille esinemine võis kuidagiviisi nende huvialuste objektide jälgimist segada, siis oli atmosfääri uurimine mõnevõrra kergendatud. Atmosfääri ja kliimat puudutav uurimistöö toimus väiksemas mahus ka Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituudis (EMHI), Eesti Agrometeoroloogia Laboratooriumis Sakus ja Tartu Ülikoolis.[1]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 "Eerme, Kalju "Maa artmosfäär ja klimatoloogia"". 
  2. Source for figures: Carbon dioxide, NOAA Earth System Research Laboratory, (updated 2010.06). Methane, IPCC TAR table 6.1, (updated to 1998).
  3. Ahrens, C. Donald. Essentials of Meteorology. Published by Thomson Brooks/Cole, 2005.
  4. Robert J. Gardner, Chester.S "Thermal Structure of the Mesopause Region (80–105 km) at 40°N Latitude"
  5. http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/tropo.html
  6. "''homosphere''—AMS Glossary". Amsglossary.allenpress.com. Vaadatud 2010-10-16. 
  7. http://ael.physic.ut.ee/KF.Private/Piia.Post/meteo/Atmosfaari_paritolu.PDF Piia Post. Atmosfääri päritolu.