Atmosféra Země a její struktura

Atmosféra umožňuje život na Zemi tím, že chrání povrch Země před škodlivými složkami slunečního záření, před kosmickým zářením (jehož zdroj dosud neznáme) a před dopadem pevných částic a těles z kosmu. Škodlivé záření je v atmosféře pohlcováno nebo rozptylováno. Pevné částice a meteority, které proniknou do zemské atmosféry z kosmu, se třením v atmosféře zahřejí tak silně, že shoří. Atmosféra také mírní extrémy teploty zemského povrchu tím, že omezuje pronikání slunečního záření k zemskému povrchu ve dne a omezuje ochlazování zemského povrchu vyzařováním v noci.

Atmosféra je tvořena směsí plynů a vodní páry, která se nazývá vzduch. Podle jeho složení lze v atmosféře rozlišit tři vrstvy: homosféru, heterosféru a exosféru.

Exosféra je vnější část atmosféry. Plynule přechází do meziplanetárního prostoru. Její nejvyšší část tvoří volné elektrony, níže převládají částice vodíku, ještě níže směs částic vodíku a helia. Pod výškou 1 000 km se vyskytují i částice kyslíku.

Podle vertikálního profilu teploty vzduchu se rozlišují vrstvy troposféra, stratosféra, mezosféra a termosféra.

Troposféra sahá od země do výšky asi 8 km nad póly a 17 km nad rovníkem. Připadá na ní více než 80 % hmotnosti atmosféry. V troposféře probíhá většina dějů, které označujeme jako počasí. Teplota vzduchu v troposféře v dlouhodobém průměru klesá s rostoucí výškou asi o 6 ^°C/km. Na horní hranici troposféry (kterou tvoří tenká vrstva zvaná tropopauza) je tedy obvykle teplota kolem -80 ^°C nad rovníkem a kolem -50 ^°C nad póly.

Stratosféra leží mezi troposférou a výškou asi 50 km. V její spodní části, do výšky asi 20 km, se teplota vzduchu téměř nemění s výškou. Od uvedené hladiny teplota vzduchu se vzrůstem výšky roste a při horní hranici stratosféry dosahuje asi 0^° -20 ^°C. Tak vysoká teplota vzduchu souvisí s přítomností ozonu, který absorbuje většinu ultrafialového záření Slunce a tím chrání život na zemském povrchu. Mezosféra je vrstva mezi stratosférou a termosférou. Je mocná asi 30 km. Teplota vzduchu v mezosféře klesá asi od 0^° -20 ^°C na hranici stratosféry asi na -40 ^°C až -90 ^°C ve výšce 80 km.

Termosféra leží ve výšce asi od 80 – 500 km. Někdy se jako termosféra označuje celá část ovzduší nad mezosférou, jindy se horní hranice výšky, v níž se běžně vyskytuje polární záře. Molekuly plynů v termosféře jsou slunečním zářením rozloženy na ionty. Teplotu zde nelze měřit metodami používanými v hustší atmosféře. Teplota se určuje na základě kinetické energie jednotlivých částic, a označuje se proto jako kinetická teplota. Ta v termosféře do výšky 200 – 300 km roste a dosahuje maximálních hodnot řádu stovek ^°C.

Podle koncentrace elektricky nabitých částic – iontů a volných elektronů – se atmosféra dělí na vrstvy neutrsoféru a ionosféru.

Celá atmosféra má hmotnost asi 500 milionů tun, ale tři čtvrtiny z toho připadají na její spodní část do výšky Everestu (8 846 m). Tíha vzduchu působí na tělo člověka, který je ve výšce mořské hladiny, tlakem asi 1 tuny. Tlak vzduchu i hustota vzduchu se vzrůstající výškou nad zemským povrchem klesají. Ve výšce 16 km dosahuje hustota vzduchu jen desetinu hodnoty, kterou má hustota vzduchu na mořské hladině.

Homosféra sahá od zemského povrchu do výšky asi 90 – 100 km a vyznačuje se téměř stálým složením suchého vzduchu v celém jejím vertikálním rozsahu. Na dvě hlavní složky, dusík a molekulární kyslík, připadá asi 99 % objemu suchého vzduchu. Jen podíly oxidu uhličitého CO₂ a ozonu O₃ se mění v čase a prostoru. Objem CO₂ v průběhu 20. století vzrostl asi o 10 %, objem O₃ poklesl v tzv. ozonosféře (vrstvě homosféry, v níž je soustředěno nejvíce ozonu, ve výškách asi 20 – 50 km) a vzrostl v blízkosti zemského povrchu. Tyto změny souvisejí s činností člověka. Obsah vodní páry v homosféře kolísá od 0,1 % objemu vzduchu v suchých a studených oblastech do 4 % nad mořem v blízkosti rovníku. Složení suché vzduchu v homosféře je následující:

plyn	objem
dusík N2	78,09
kyslík O2	20,95
argon Ar	0,93
oxid uhličitý CO2	0,03
neon Ne	1,8 * 10-3
helium He	5,2 * 10-4
krypton Kr	1,0 * 10-4
vodík H2	5,0 * 10-5
xenon Xe	8,0 * 10-6
ozon O3	1,0 * 10-6
radon Rn	6,0 * 10-18

Heterosféra leží nad homosférou, tedy nad úrovní 90 – 100 km, a její horní hranici kladou různí odborníci podle poněkud odlišných kritérií do výšky 500 – 750 km. Složení vzduchu v heterosféře je jiné než v homosféře a mění se výškou. Kromě dusíku a kyslíku obsahuje heterosféra oproti homosféře větší množství lehkých plynů, zejména helia a vodíku. Molekuly kyslíku O₂ jsou ultrafialovým slunečním zářením rozkládány na atomární kyslík O. Ve výšce kolem 130 km jsou dvě třetiny kyslíku v atomární formě. Volumetrický podíl těžkých plynů v heterosféře se vzrůstající výškou klesá, u lehkých plynů je tomu naopak. Od úrovně asi 200 km výše převládá kyslík nad dusíkem. Heterosféra se do značné míry prostorově překrývá s ionosférou – částí atmosfér ve výškách od 60 do 500 km s elektricky vodivými vrstvami o vysoké koncentraci iontů a volných elektronů. Tyto vrstvy mají schopnost odrážet rádiové vlny – to je podstatná vlastnost ionosféry. K ionizaci zde dochází tím, že rentgenová a ultrafialová složka slunečního záření odtrhává elektrony od atomů a molekul plynů. Nesilněji ionizovaná vrstva označovaná jako F2 leží v úrovni asi 350 km, ve výšce kolem 180 km je druhá silně ionizovaná vrstva F1 a ve výšce kolem 100 km je vrstva E, nazývaná též vrstva Heavysideova-Kennellyho, která je silně ionizovaná za denního světla, ale nikoliv v noci. Spodní hranici ionosféry tvoří slaběji ionizovaná vrstva D. Rádiové vlny se šíří přímočaře a jejich přenos kolem zakřiveného povrchu planety je možný jen díky jejich odrazu od ionizovaných vrstev.

Část atmosféry ležící pod ionosférou se nazývá neutrosféra. Koncentrace iontů je v ní tak malá, že v ní nedochází k odrazu rádiových vln. Nad heterosférou leží exosféra, která přechází do meziplanetárního prostoru. Exosféra chemicky sestává z částic kyslíku, vodíku a helia. Kyslík se vyskytuje jen do výšky přibližně 1 000 km, ve vrstvě 1 000 – 2 100 km je asi stejně částic helia a vodíku, ještě výše převládají částice vodíku a posléze jen volné elektrony. Exosféra tvoří tak řídké prostředí, že zde již neplatí zákony fyziky plynů. V exosféře leží části oběžných drah umělých družic Země. Z exosféry unikají částice helia a vodíku do meziplanetárního prostoru.

S výškou roste podíl ionizovaných částic na složení exosféry. Na rozdíl od ionosféry je zde koncentrace iontů tak malá, že zde nedochází k odrazu rádiových vln. Někteří odborníci považují za součást atmosféry Země také magnetosféru, tzn. prostor, kde zemské magnetické pole ovlivňuje pohyb částic s elektrickým nábojem, elektronů a iontů, více než jejich vzájemné srážky nebo srážky s neutrálními částicemi a také více než konstantní meziplanetární magnetické pole. Součástí magnetosféry jsou pásma zvýšené koncentrace elektronů ve výškách kolem 3 000 a 15 000 km zvané Van Allenovy radiační pásy.

Část troposféry, v níž se bezprostředně projevuje vliv zemského povrchu, tzn., v níž je proudění vzduchu ovlivňováno drsností podloží a denní chod teploty a vlhkosti vzduchu je ovlivňován zemským povrchem, se označuje jako mezní vrstva atmosféry. Sahá od podloží do výšky několika set metrů až asi 2 km (podle drsnosti aj. vlastností podloží).

Citace:
Kol. Autorů, Všechno o Zemi - místopisný průvodce světem, Reader´s digest výběr, 2000