Atmosfera

Sastav atmosfere

Atmosfera ili pučki rečeno zrak koji nas okružuje prostire se od tla do visine od cca 1000 km, međutim da bismo dobili pravu sliku o rasporedu atmosfere možemo reći da je samo 10% mase zraka iznad visine od 30 km, dok je ostalih 90% u sloju od tla do visine 30 km.

Zrak se sastoji od mješavine plinova, u njemu se nalaze i raspršene čestice prašine, dima, morske soli, pelud itd. koje imaju vrlo važno mjesto u stvaranju oborina. Ovisno o području nad kojim se zrak nalazi on može sadržavati i različitu količinu vode u obliku pare, kapljica i leda.

Sastav suhog zraka, dakle zrak u kojem nema vode u obliku pare, kapljica ili kristala leda je uglavnom jednaka do visine od oko 80 km i sastoji se od:

PLIN	VOLUMNI POSTO
dušik	78.084
kisik	20.946
argon	0.934
ugljični dioksid	0.033
neon	0.00182
helij	0.00052
kripton, vodik, ksenon, ozon, radon	0.00066

Postoje međutim dvije vrlo promjenljive komponente u sastavu zraka koje su od posebne važnosti za ljudsku aktivnost na Zemlji a to su ozon i voda.

Nautičare će sigurno iznenaditi važnost i spominjanje ozona u atmosferi, ali bez utjecaja ozona na ultraljubičasto zračenje Sunca na Zemlji ne bi bilo života u ovom obliku. Ozon pretežno nastaje u višoj stratosferi prilikom apsorpcije ultraljubičastog sunčevog zračenja na atomima kisika, i svojim prisustvom djeluje kao štit za ultraljubičasto zračenje i time nam omogućuje život a time i bavljenje nautikom na površini Zemlje.

Zrak nikada nije sasvim suh, u njemu je uvijek prisutna izvjesna količina  vodene pare, međutim njezina količina u nekom volumenu zraka ne može prijeći 3%. U tropskim primorskim krajevima je ta koncentracija vodene pare uobičajena, a u našim zemljopisnim širinama javlja se pri magli i neposredno nakon ljetnih kiša kad je isparavanje s tla visoko. Uobičajeni naziv za takvo vrijeme je sparina.

Zapanjujuće je da tako mala količina vodene pare u zraku može proizvesti tako velike razlike u vremenu. Vodena para dolazi u atmosferu uglavnom isparavanjem s površine ili transpiracijom iz bilja. Svojstvo atmosfere je da se vodena para sakuplja u troposferi i tvori oblake, magle ili sumaglice. Kružni ciklus vodene pare u atmosferi zatvoren je pojavama kao što su kiša, snijeg, rosa, tuča i rosulja koje vodenu paru vraćaju na površinu zemlje.

Spomenuli smo pojmove troposfera i stratosfera pa je red da i njih pojasnimo.

Vertikalni raspored temperature zraka

Izučavajući vertikalni raspored temperature zraka ustanovljeno je da temperatura visinom opada a zatim raste. Pad temperature visinom je u visokim zemljopisnim širinama do visine od oko 8 km, 12 km u umjerenim zemljopisnim širinama i oko 18 km u tropskim područjima. Visina na kojoj temperatura promjenom visine ostaje ista  - konstantna  naziva se tropopauza, a zrak koji se nalazi ispod tropopauze je troposfera. Sloj zraka iznad tropopauze naziva se stratosferom i u njoj temperatura visinom raste do stratopauze, u kojoj temperatura visinom ostaje nepromijenjena, nakon stratopauze temperatura visinom opet pada.

U donjim slojevima  troposfere pad temperature visinom je oko  6-7 stupnjeva /kilometru, a u gornjem sloju troposfere 7-8 stupnjeva. Tropopauza koja se nalazi iznad troposfere nije kontinuirani sloj nego ima prekide, koji se javljaju oko 45  i 20 stupnja zemljopisne širine i imaju značajnu ulogu u osobinama vremena. Prekidi tropopauze povezani su s pojavom mlaznih atmosferskih struja koja u umjerenim zemljopisnim širinama ima velik utjecaj na vremenske procese. U troposferi se javljaju i vrlo intenzivna vertikalna strujanja u kojima se vlaga u obliku pare diže, dizanjem hladi i pojavljuju se oblaci.

Za mjerenje meteoroloških parametara u troposferi koriste se radiosondažni uređaji koji se  dižu  pomoću balona punjenih helijem ili vodikom. Uređaji mjerene vrijednosti šalje radio putem do prijamne stanice na zemlji, koja podatke obrađuje i prikazuje krajnjim korisnicima.

Izvori grijanja atmosfere

Izvor grijanja Zemlje je Sunce koje zrači u različitim valovima spektra. Atmosfera se zagrijava dugovalnim zračenjem od podloge tako da najveći dio toplinske energije koja ulazi u atmosferske procese dolazi s površine Zemlje, manji dio nastaje apsorpcijom kratkovalne radijacije u atmosferi. Atmosfera se najvećim dijelom zagrijava od podloge.

Zemlja energiju dobiva od Sunca koje zrači u različitim valnim duljinama spektra.  Zračenje Sunca je kontinuirano u području valnih duljina od 0.5 do 4.0 mikrona, i ponekad se naziva kratkovalno zračenje. U tom području zračenja 9% otpada na ultra ljubičasto zračenje, 45% na vidljivo i 46% na infra crveno područje spektra. Za nastanak vjetra i meteoroloških pojava odgovorno je zračenje u infra crvenom ili toplinskom dijelu spektra. Sunčevo zračenje dolaskom do zemljine površine apsorbira se i pretvara u toplinsku energiju, koju Zemlja ponovno zrači ali u području spektra od 4 do 80 mikrona, što se naziva dugovalnim zračenjem.

Atmosfera je slab apsorber kratkovalnog zračenja Sunca, osim ozona koji apsorbira ultra ljubičasto zračenje, međutim za dugovalno zračenje zemlje  vodena para, ugljični dioksid, oblaci i ozon su značajni absorberi koji se apsorpcijom griju, te postaju i sami izvori dugovalnog zračenja.

Za vrijeme noći kad nema sunčevog kratkovalnog zračenja proces dugovalnog zračenja se ne prekida  i sustav Zemlja - atmosfera se hladi. Izračunato je da se oko 65% zračenja sunca koje pada na Zemlju apsorbira se u tlu, oceanima i atmosferi. Apsorbirano zračenje se pretvara u toplinu.  Količina zračenja koje pada na Zemlju nije jednoliko raspoređena po cijeloj površini Zemlje te se javlja manjak topline u polarnim područjima i višak topline oko ekvatora.

Prijenos topline s toplog na hladno osim zračenjem odvija se i vođenjem (kondukcijom) te miješanjem (konvekcijom). Zrak je slab  vodič topline kondukcijom, međutim miješanjem konvekcijom zrak prenosi velike količine topline.  Uslijed prijenosa topline miješanjem dolazi do zagrijavanja zraka koji se diže a na njegovo mjesto struji hladan zrak koji se zagrijava i počinje dizati. Ciklus se nastavlja dokle god je podloga toplija od zraka iznad nje.