Légkör

Fogalma A légkör vagy atmoszféra egy égitest felszínét körülvevő gázburok. Felső határa nem egyértelműen meghatározható. Legkülső rétege ugyanis éles határ nélkül megy át a bolygóközi térbe. Azt mondhatjuk, hogy a légkör mindazon gázmolekulák összessége, melyeket a Föld forgása során magával visz. A légkört termikus jellemzői alapján is feloszthatjuk. Ez a felosztás látható lentebb az ábrán. A légkört a gravitáció tartja meg az égitest körül. A légkör nagyságát a gravitáció erőssége és a felszíni hőmérséklet is befolyásolja. Néhány bolygó nagyrészt gázból áll, és hatalmas légkörük van, ezek a gázbolygók.

Légkörrel rendelkező égitestek a Naprendszerben A Naprendszerben a Földnek, a Vénusznak, a Marsnak, a Plútónak és három holdnak – Titán, Enceladus (Szaturnusz) és Triton (Neptunusz) – van jelentős légköre a gázbolygókon kívül. Több más égitesten is van ritka légkör (Hold, Merkúr, Európa, Io).

Részletesebben Merkúr – időszakos légkör, amelyet főleg a napszél részecskéi alkotnak; Vénusz – a kőzetbolygók közül a Vénusznak van a legvastagabb légköre; Föld – nitrogénban gazdag levegő; Mars – vékony szén-dioxid légkör; Jupiter – az gázbolygókra jellemző légkör; Europé – ritka oxigén légkör; Titán – az egyetlen hold a Naprendszerben, amely jelentős légkörrel rendelkezik;

A Föld légkörének összetétele egyáltalán nem hasonlít más bolygókéhoz E tekintetben a Vénusz és a Mars adódik összehasonlítási alapként. Azonban elméleti úton is kiszámítható, hogy milyen lenne a Föld légkörének összetétele kémiai egyensúly esetén. Egy ilyen modell számításai alapján a Föld légköre tényleg hasonlítana a Mars és a Vénusz légköréhez. Legnagyobb mennyiségben szén-dioxid alkotná, oxigén csak nyomokban lenne fellelhető. Nitrogént nem tartalmazna, mivel az a tengerekben oldódva nitrátként jóval stabilabb, mint a légkörben dinitrogén molekulaként. Egy ilyen légkör a magas üvegházhatás miatt az élet számára elviselhetetlenül magas hőmérsékletet tartana fenn. A Föld légkörének ettől az állapottól való eltérése elsősorban a bioszféra (az élőlények összessége) működéseinek köszönhető. Ezen kívül antropogén hatások is kimutathatók: például a CFC-k (Klórozott-fluorozott szénhidrogének) jelenléte, a szén-dioxid és metán kibocsátásának növekedése

Összetétel Ha a vizet nem számítjuk, a levegõ a következõkbõl áll: 78.08 % nitrogén (N2) 20.95% oxigén (O2) 0.93% argon Ez a három gáz alkotja a száraz levegõ 99.96 %-t. Mi van a széndioxiddal, metánnal, ózonnal, szénhidrogénekkel és más levegõben lévõ gázokkal, amikrõl már valószínûleg hallottál? A széndioxidból található a legtöbb ezek közül a nyomgázok közül, a levegõ mintegy 0.037 %-a. Minden más gáz kisebb mennyiségben található. Minden egymillió molekula közül többnyire kevesebb, mint egy molekula a többi gáz. Mindamellett, nagyon fontosak az éghajlatunkban.

Biogeokémiai funkciók Nitrogén :légnyomás; oxigén túl magas arányának elkerülése (öngyulladás megakadályozása Oxigén:élővilág hatékony oxidatív energianyerésének lehetővé tétele Szén-dioxid: fotoszintézis lehetővé tétele; az éghajlat jelenlegi hőmérsékletének biztosítása Metán :oxigén tartalom szabályozása Dinitrogén-oxid:oxigén tartalom szabályozása Ammónia:pH szabáyozás Kén-dioxid, Kénhidrogén:kén körforgás

A légkör kiterjedése Az ég felé nézve, könnyen túlbecsülhetjük a légkör vastagságát, ez valójában egy nagyon vékony réteg a Föld fölött. Ha repülõgéppel utazunk 11-12 km magasságban (ez a troposzféra és a sztratoszféra határán található), körülbelül a levegõben lévõ molekulák 75 %-a található alattunk. Ez azt jelenti, hogy az a légköri réteg, ami a Föld átmérõjének (12800 km) kevesebb, mint egy ezredrésze, a teljes légkör tömegének ¾-részét tartalmazza. Összehasonlítva, ez megfelel kevesebb, mint egy centiméter hórétegnek egy négyemeletes épületen. Ebben a rétegben felhõk képzõdnek, és minden idõjárási esemény itt zajlik.

Felosztása

A légkör szerkezete 1. Kémiailag: homoszféra (0-100km-ig): a légkörnek az az alsó része, ahol kémiai összetétele nem változik; heteroszféra (100 km felett): a légkör anyagai súlyuk szerint rendeződnek. 2. Elektromosság szempontjából: neutroszféra (0 - 60-70 km-ig): a légkör elektromosan semleges alsó zónája; ionoszféra (70 km felett): a légkör felső rétege, ahol a gázok egy része ionizált állapotban van. Az ionizációt a Napból érkező ultraibolya- és röntgensugárzáshozza létre. 3. Hőmérséklet szempontjából: troposzféra (0-10km): felfelé csökken benne a hőmérséklet, átlagosan 100 méterenként 0,5 °C-kal. Felső határán -58 °C van. tropopauza: átmeneti réteg a troposzféra és a szratoszféra között; sztratoszféra (10-50 km): alsó részén a hőmérséklet nem változik, felső részén növekszik. Felső határán kb. 0 °C van. sztratopauza: átmeneti réteg a sztratoszféra és a mezoszféra között; mezoszféra (50-80 km): a hőmérséklet felfelé haladva csökken, felső határán kb. -70-80 °C van. mezopauza: átmeneti réteg a mezoszféra és a termoszféra között; termoszféra (80- kb. 500 km): a hőmérséklet intenzíven nő, felső határán 1000-1500 °C van. termopauza: átmeneti réteg a termoszféra és az exoszféra között; exoszféra (kb. 500 km felett): átmeneti tartomány a légkör és a bolygóközi anyag között, állandó magas, 1500 °C körüli hőmérséklet.

A hõmérsékleti profil és a légköri rétegek Nem láthatjuk a légköri rétegeket a szemünkkel, de a hõmérsékleti trendben számos változást tudunk mérni, ahogy egyre magasabbra emelkedünk a Föld felszínétõl. Ezek a hõmérsékleti trendben lévõ változások határozzák meg a légköri rétegeket: A troposzféra, a legalacsonyabb légköri réteg, ahol a hõmérséklet csökken a magassággal.A sztratoszférában, a felsõ légkörben, a hõmérséklet növekszik a magassággal.A sztratoszféra fölött található a mezoszféra, itt a hõmérséklet csökken a magassággal.A termoszféra a legmagasabb légköri réteg, és itt a hõmérséklet a magassággal emelkedik

A fény és a levegõ kölcsönhatása A napenergiát elnyeli a földfelszín, azaz a szárazföld s az óceánok, ezen utóbbiak többet. Hõvé alakítják, és végül is magasabbra menve a tengerszinttõl csökken a hõmérséklet. Ez az a folyamat, ami szabályozza a hõmérsékleti trendet a troposzférában. 

Hullámhossz A levegõ melegebbé válik, ha a levegõmolekulák közvetlenül a Napból képesek energiát elnyelni. A sztratoszférában, az ózonrétegben lévõ ózon molekulák azok, amik elnyelik az energiát. Ezen molekulák tulajdonságai nagyon fontosak az éghajlatunkban. A molekulák által elnyel energia mennyisége függ magától a molekulától és a sugárzás hullámhosszától (energiájától).

Leírva A mikrohullámoknak kicsi az energiája. A molekulákat forgásra késztetik, de nem tudják felbontani a kémiai kötéseket. Az infravörös sugárzás (IR) egy kicsit erõsebb. A molekulákat megrezegteti. Az atomok kilendülnek és a kötések hossza megváltozik. Ez akkor történik, amikor az üvegházgázok felfogják a földfelszín által kibocsátott hõsugárzást. Az ultraibolya sugárzásnak (UV) még több energiája van, és képes felbontani a kémiai kötéseket. Ez történik akkor, amikor az ózonrétegben lévõ ózon elnyeli a Napból érkezõ energiát.

Ózonpajzs Ozonoszféra: a sztratoszférában és a mezoszféra alsó részében elhelyezkedő réteg, amelyben ózon (O3) található. Az ózon oxigén-molekulákból (O2) képződik ultraibolya-sugárzás (UV) hatására:

Termoszféra A sztratoszférikus ózon által a Napból érkezõ energia abszorpciója a napenergiát ebben a rétegben tartja, s ez az oka annak, hogy a hõmérséklet a sztratoszférában növekszik a magassággal. Ez hasonló ahhoz a folyamathoz, ami a termoszférában fordul elõ, de ott az oxigén és a nitrogén az, ami elnyeli a Napból származó még nagyobb energiájú sugárzást. Az sugárzásnak akkora energiája van, hogy nemcsak felbontja a kémiai kötéseket, hanem töltött atomokat és molekulákat hoz létre, amiket ionoknak hívnak. Ezért ezt a réteget ionoszférának is nevezik. Rádióhullámokat visszaveri.

A levegő felmelegedése, üvegházhatás A légkör a földfelszín közvetítésével alulról melegszik fel. elektromágneses sugárzás: Max Planck törvénye szerint minden 0 °K-nél (-273 °C) magasabb hőmérsékletű test elektromágneses sugárzást bocsát. A sugárzás hullámhossza és energiája között fordított arányosság van.

Az elektromágneses sugárzás hullámtartománya (spektruma): rádióhullámok mikrohullámok infravörös sugárzás látható sugárzás látható fénysugárzás ultraibolya sugárzás röntgensugárzás gammasugárzás

Sugárzás napállandó (szoláris állandó): a napsugárzás a ritka, bolygóközi térben lényegében veszteség nélkül terjed, így jut el a légkör külső határára. A légkör külső határán 1m2 felületre kb. 1360W energiamennyiség érkezik. Ez a napállandó. besugárzás (inszoláció): a földfelszínre ténylegesen beérkező közvetlen és szórt sugárzás összessége. Ez lényegesen kevesebb mint a légkör külső határára érkező sugármennyiség (kb. a fele), mert a légkör anyagai a Napból érkező sugarak egy részét elnyelik, szórják, visszaverik. a földfelszín hatása: a földfelszínre beérkező napsugarak nagyobbik része elnyelődik, és így felmelegíti a földfelszínt, azaz a földfelszín molekuláinak hőmozgásává alakul, kisebbik része pedig visszaverődik onnan. A földfelszín visszaverő képessége az albedó. (Minél világosabb a földfelszín, annál nagyobb az albedója, visszaverő képessége.) kisugárzás: a besugárzástól felmelegedett földfelszín hősugarakat bocsát ki magából. Minél melegebb a földfelszín, annál nagyobb a kisugárzás.

Üvegházhatás a légkör a Napból érkező rövidebb hullámhosszú sugarakat, mivel ezek viszonylag nagy energiájúak, jól átengedi. Ezeket a földfelszín elnyeli, és felmelegszik tőlük. A felmelegedett földfelszín hosszabb hullámú hősugarakat bocsát ki, amelyeket - mivel ezek viszonylag kis energiájúak - a légkör egyes anyagai nagy mértékben elnyelnek illetve visszavernek. Ezzel a légkör a kisugárzás jelentős részét visszatartja. Ezt a hővisszatartó képességet üvegházhatásnak nevezzük. Az üvegházhatásban részt vevő anyagok az üvegház-gázok, amelyek közül a vízgőz és a CO2 a legjelentősebb. Légkör nélkül üvegházhatás sem volna, ekkor a kisugárzási veszteség miatt a földfelszín hőmérséklete átlagosan -30 °C lenne. Az emberi tevékenység jelentős mértékben juttat CO2-ot és más üvegház-gázokat (pl. NO2, CH4) a légkörbe, ami fokozza az üvegházhatást, ezzel hozzájárul a globális felmelegedéshez.

Víz a légkörben A földi vízkészlet 0,001%-a (kb. 13000 km3) található a légkörben. A légköri víz nagy része (95%-a) légnemű, de cseppfolyós és szilárd halmazállapotban is megtalálható. A légköri víz állandóan változtatja halmazállapotát:

Körforgás

abszolút (tényleges) vízgőz-/páratartalom Azt fejezi ki, hogy egy m3 levegőben hány gramm vízgőz található. Mértékegysége: g/m3. Az abszolút vízgőztartalom szoros összefüggésben van a levegő hőmérsékletével. Adott hőmérsékletű levegő csak meghatározott mennyiségű vízgőzt tud befogadni. Például a 10°C-os levegő maximálisan 9 g/m3 vízgőzt tud befogadni. (Természetesen tartalmazhat ennél kevesebbet is, de többet semmiképpen.)

Telítettség Amikor egy adott hőmérsékletű levegőben annyi vízgőz található, amennyit az maximálisan befogadni képes, telített levegőről beszélünk. Ha például a 10°C-os levegő éppen 9g/m3 vízgőzt tartalmaz, akkor telített. Ha ennél több vízgőz kerülne bele, akkor az már nem lehetne jelen gáz halmazállapotban, hanem csak folyékony formában, azaz kicsapódna belőle.

relatív vízgőz-/páratartalom Amikor kiszámítjuk, hogy adott hőmérsékleten az adott vízgőztartalom hány %-a a telítési értéknek, akkor a relatív vízgőztartalmat (relatív nedvességet) kapjuk meg. Ha például a 10°C-os levegő éppen 9g/m3 vízgőzt tartalmaz, akkor a relatív páratartalma 100%, ha ugyanez a 10°C-os levegő csak 4g/m3 vízgőzt tartalmaz, akkor a relatív páratartalma 44,4%.

A különböző hőmérsékletű levegő telítettségi értékeit táblázatban szokták megadni a levegő hőmérséklete (°C) -25 -15 -10 5 10 15 20 25 30 40 abszolút páratartalom(g/m3) 0,7 1,5 2 7 9 13 17 23 52

Harmatpont (telítési hőmérséklet) Általában a levegő hőmérséklete gyorsabban változik, mint a páratartalma, ezért leggyakrabban a levegő úgy válik telítetté, hogy az adott páratartalmú levegő lehűl és ha eléri azt a hőmérsékletet, amelyen telítetté válik, akkor azt mondjuk, elérte a harmatpontot. (Azaz, ha tovább hűl, akkor a benne lévő vízgőz egy része kicsapódik pl. harmat formájában.)

Kondenzációs magvak Ha a levegő hőmérséklete a harmatpont alá süllyed, tehát a levegő lehűl, akkor megkezdődik a vízgőz kicsapódása. Ha a kondenzáció a szabad légtérben történik, akkor a levegőben található porszemek, sókristályok és egyéb aeroszolok, összefoglaló néven kondenzációs magvak felületére csapódik ki a víz.

Köd Ha a fent említett folyamat (kondenzáció) a földfelszín közelében játszódik le, akkor köd keletkezik. Ha derült éjszakán a földfelszín kisugárzása miatt hűl le harmatpont alá a levegő, akkor kisugárzási ködről, ha télen az erősen lehűlt földfelszín fölé magasabb vízgőztartalmú, meleg levegő áramlik és az hűl le, akkor áramlási ködről beszélünk.

Felhő Ha a kondenzáció nagyobb magasságban játszódik le, akkor felhő képződik. A felhőképződéshez tehát szintén a levegő lehűlése szükséges, amely a levegő felemelkedésével valósul meg. Ha a felemelkedő és lehűlő levegő eléri a harmatpontot, akkor megkezdődik a felhőképződés. (Nyugalomban lévő levegő hőmérséklete fölfelé 100 méterenként 0,5 °C-kal csökken.

A fölfelé áramló levegő hőmérséklete a harmatpont eléréséig 100 méterenként 1°C-kal,a harmatpont elérése után - mivel a kondenzáció hőtermelő folyamat - már csak 100 méterenként 0,5 °C-kal csökken.)