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 gaasikiht (sfäär – kreeka k. sphaira ümbrus) ehk õhk (kreeka k. atmos hämu, vine, aur, hõng, õhk), milles valdavaks on lämmastik ja hapnik.

Maa atmosfäär kaitseb elu maal päikese ultravilettkiirguse UV eest ning ühtlustab maapinna päevaseid ja öiseid temperatuurikõikumisi.

Atmosfääri stratifikatsioon kirjeldab atmosfääri struktuuri püstsuunalises läbilõikes. Kihtideks jagatuna võib iga teatud paksusega õhukihti kirjeldada sellele omaste karakteristikutega, nagu näiteks temperatuur, niiskus või paigutus teiste kihtide suhtes. Atmosfääri mass on 5×1018 kg, millest kolmveerand asub maapinnalt kuni 11 km kõrguseni. 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, loetakse kokkuleppeliselt (FAI) kõrgust 100 km piiriks, millest algab kosmos. Kui aga lähtuda hämarikunähtustest ja kõrgetest virmalistest, siis võib pidada atmosfääri piiri paiknevat 1000–1200 km kõrgusel.

"Õhk" öeldakse tavaliselt selle atmosfääri osa kohta, mida elusorganismid kasutavad otseselt fotosünteesiks ja 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 ja väiksemas koguses muid gaase. Õhus on ka teatud hulk veeauru. Ainuke teadaolev sobiva niiskuse ja rõhuga õhk taimede ja loomade jaoks paikneb Maa troposfääris.

Atmosfääri sisenemine

Koostis[muuda | muuda lähteteksti]

Atmosfäär koosneb põhiliselt lämmastikust, hapnikust ja argoonist. Ülejäänud gaasid on veeaur, süsinikdioksiid, metaan, dilämmastikoksiid ja osoon. Filtreerimata õhus on ka looduslikke lisandeid, sealhulgas tolm, eoses, vulkaaniline tuhk ja meresoola kristallid. Võib esineda ka tööstuslikke saasteaineid nagu kloor (elementaarosakesena või ühendina), fluoriidiühendid, elavhõbe ja 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 | muuda lähteteksti]

Atmosfääri kihid

Õhurõhk ja tihedus atmosfääris kõrguse kasvades vähenevad. Õhu temperatuuriprofiil on seevastu veidi keerulisem. Maa atmosfääri saab jagada viieks kihiks.

Eksosfäär[muuda | muuda lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Eksosfäär.

Kõige välimisem Maa atmosfääri kiht, mis jääb eksobaasist avakosmose poole. Kiht koosneb peamiselt 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 ei saa atmosfääri kirjeldada fluidumina ehk voolisena

Termosfäär[muuda | muuda lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Termosfäär.

Mesopausist termopausini õhu temperatuur termosfääris tõuseb, seejärel jääb kõrguse suhtes konstantseks. Termosfääri inversiooni põhjustab väikene molekulide tihedus. Õhutemperatuur 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 jäävat ala aga homosfääriks. Termosfääri ülemine piir on eksosfääri algus ehk eksobaas, mille kõrgus oleneb päikese aktiivsusest ning jääb 350–800 km vahele.

Mesosfäär[muuda | muuda lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Mesosfäär.
Helkivad ööpilved Kuresoo kohal.

Mesosfäär asub stratopausi kohal ja ulatub 80–85 km kõrguseni geoidi pinnast. Siin kihis põleb enamik meteoore ära, mis atmosfääri sisenevad. Mida kõrgemale mesosfääris tõusta, seda madalamaks õhutemperatuur muutub. Mesosfääri ülemist piiri märgib mesopaus, mis on ühtlasi ka kõige külmem koht Maal (keskmine temperatuur −85 °C)[4]. Madala õhutemperatuuri tõttu (alla 0° C) mesosfääri ülaosas veeaur külmub ning tekivad kristallilised moodustised, mida meie tunneme helkivate ööpilvede nime all.

Stratosfäär[muuda | muuda lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Stratosfäär.

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

Troposfäär[muuda | muuda 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 õhutemperatuur langeb. See on tingitud sellest, et peamiselt soojendab õhku maapind, seega maapinnale lähemal olev õhk on soojem kui kõrgemal olev õhk. Selline asjaolu soodustab õhu vertikaalset liikumist (konvektsiooni). Troposfääris asub umbes 80% Maa atmosfääri massist. Tropopaus on troposfääri ja stratosfääri piir.

Teised kihid[muuda | muuda 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 päikesekiirgusest ioniseeritud atmosfääri osa. Ionosfäär ulatub 50–1000 km kõrguseni ning katab tavaliselt nii eksosfääri kui ka 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 ööpäeva jooksul. Keskmine atmosfääri temperatuur Maa pinnal on 14...15 °C (287...288 K).

Õhurõhk ja atmosfääri paksus[muuda | muuda 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 kõrguse suurenedes eksponentsiaalselt. 50% atmosfääri massist paikneb kõrguseni 5,6 km geoidist. 90% atmosfääri massist paikneb kõrguseni 16 kilomeetrit, 99,99997% atmosfääri massist paikneb kõrguseni 100 kilomeetrit geoidist.

Tihedus ja mass[muuda | muuda 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 | muuda lähteteksti]

Päikesekiirgus on see energia, mida Maa saab päikeselt. Osa kiirgusest Maa peegeldab tagasi kosmosesse, kuid meile nähtamatuks jäävatel suurtel lainepikkustel. Osa päikesekiirgusest neeldub ja peegeldub atmosfäärist.

Hajumine[muuda | muuda lähteteksti]

Kui valgus (footonid) läbivad atmosfääri, reageerivad need sellelt hajudes. Seda valguse osa, mis atmosfääris ei haju, nimetatakse otsekiirguseks. Otsekiirgust ei ole ehk kogu valguskiirgus on hajunud siis, kui keha varju pinnal ei ole võimalik tuvastada. Atmosfääris leiab aset päikesevalguse hajumine, Rayleigh hajumine, mis seletab, miks taevas on sinine ja päikeseloojangud kollakas-punased.

Neeldumine[muuda | muuda lähteteksti]

Erinevad gaasi 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 ja molekuli vaheline reaktsioon suurendab molekuli energiat ning seetõttu võime seletada atmosfääri võimet soojeneda ja jahtuda.

Kiirgamine[muuda | muuda lähteteksti]

Kuumad kehad kiirgavad rohkem ja 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 ja 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 | muuda lähteteksti]

Üldine tsirkulatsioon on suureskaalaline õhumasside liikumine troposfääris, kus õhk Maal geograafiliselt pidevalt ümber paigutub. Protsess küll erineb veidi aasta-aastalt, kuid peamised väärtused jäävad samaks.

Atmosfääri areng[muuda | muuda 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, hapnikuta atmosfääri gaasid pärinesid Maa sisemusest, mis eraldusid pikaajaliselt. Pärast seda, kui Maa gravitatsioonivälja tugevnedes gaasid ei lendunud enam maailmaruumi, 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 elusorganismide 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 neeldus ookeanides: 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. Kaasaegses 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, mis kasvas 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 uuringud Eestis enne ja pärast riigi taasiseseisvumist[muuda | muuda 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 Nõukogude Liidu üleriigilisele tipptasemele ja kujundas teadustöö baasiks. Tollases Füüsika ja Astronoomia Instituudis arenes välja suur atmosfäärifüüsika sektor, mille töötajatest kuus inimest on kaitsnud Nõukogude 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 ka 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 Nõukogude Liidu ulatuses sai amatöörastronoomina alustanud Charles Villmann (1923–1992). Tihedad sidemed Moskvas Nõukogude Liidu Geofüüsika Komiteega võimaldasid 1960. aastate lõpus kavandada uuringuid Nõukogude Liidu orbitaaljaamade pardalt. Uuringud kosmosest puudutasid mitte ainult helkivaid ööpilvi, vaid keskatmosfääri laiemalt. Kuna Nõukogude sõjavägi tundis kõrgendatud huvi kõigi loodusnähtuste vastu, mille esinemine võis kuidagiviisi neid huvitavate objektide jälgimist segada, siis oli atmosfääri uurimine mõnevõrra soodustatud. 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 | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda 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.