1

2

3

ΧΡΗΣΤΟΣ ΧΑΛΔΟΥΠΗΣ

Πανεπιστήμιο Κρήτης

Εισαγωγή στην

Ατμοσφαιρική Φυσική

4

Εισαγωγή στην Ατμοσφαιρική Φυσική

Συγγραφή

Χρήστος Χαλδούπης

Κριτικός αναγνώστης

Νικόλαος Χρηστάκης

Συντελεστές έκδοσης

Τεχνική Επεξεργασία: Νικόλαος Γκικόπουλος

ISBN: 978-960-603-143-4

Copyright © ΣΕΑΒ, 2015

Το παρόν έργο αδειοδοτείται υπό τους όρους της άδειας Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική

Χρήση - Όχι Παράγωγα Έργα 3.0. Για να δείτε ένα αντίγραφο της άδειας αυτής επισκεφτείτε τον ιστότοπο

https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/

Εικόνα εξώφυλλου: Φωτογραφία ενός σπάνιου ατμοσφαιρικού φαινομένου που περιλαμβάνει ένα γιγάντιο δακτυλιοειδές

elve διάρκειας 1 ms και διαμέτρου ~500 km, ταυτόχρονα με ένα λαμπρό sprite στο κέντρο του, που έλαβαν χώρα στην

ανώτερη ατμόσφαιρα μεταξύ 70 και 90 km. Τα δύο μεταβατικά φωτεινά συμβάντα παρήχθησαν μέσω της δράσης της

ηλεκτρομαγνητικής και ηλεκτροστατικής ενέργειας ενός εξαιρετικά ισχυρού θετικού κεραυνού νέφους-εδάφους, 406 kA.

Το κοκκινωπό χρώμα οφείλεται σε γραμμές εκπομπής στο ερυθρό, του μοριακού αζώτου. Το συμβάν έλαβε χώρα τη

νύκτα της 12/12/2009, στη διάρκεια μίας τοπικής καταιγίδας στη Δυτική Μεσόγειο, περί τα 100 km βορειοδυτικά της

Κορσικής. Η λήψη έγινε από τον ερασιτέχνη φωτογράφο Ferruccio Zanotti.

ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΩΝ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΩΝ

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15780 Ζωγράφου

www.kallipos.gr

https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/http://www.kallipos.gr/

5

Στη μνήμη του Γιώργου Μαντά

6

7

Πίνακας Περιεχομένων

Πίνακας Περιεχομένων .......................................................................................................................... 7

Πίνακας Σταθερών ............................................................................................................................... 11

Πίνακας συντομεύσεων-ακρωνύμια .................................................................................................... 12

Πρόλογος ............................................................................................................................................. 13

Κεφάλαιο 1. Η Ατμόσφαιρα της Γης ................................................................................................... 15

1. 1. Ατμοσφαιρική Χημική Σύσταση ............................................................................................................. 15

1.2. Προέλευση της Ατμόσφαιρας .................................................................................................................. 17

1.3. Μεταβολή της Θερμοκρασίας με το Ύψος Ατμοσφαιρικές Περιοχές ..................................................... 20

1.4. Μεταβολή της Μάζας με το Ύψος ........................................................................................................... 23

1.5. Ομόσφαιρα και Ετερόσφαιρα ................................................................................................................. 25

1.6. Διαφυγή των Ελαφρών Συστατικών Εξώσφαιρα .................................................................................. 27

1.7. Ατμοσφαιρικός Ηλεκτρισμός - Κεραυνοί ................................................................................................. 29

1.8. Ιονόσφαιρα ............................................................................................................................................. 31

1.9. Μαγνητόσφαιρα ...................................................................................................................................... 35

1.10. Θεματικοί Κλάδοι της Ατμοσφαιρικής Επιστήμης ................................................................................. 38

Κεφάλαιο 1. Ασκήσεις ................................................................................................................................... 39

Κεφάλαιο 1. Βιβλιογραφία............................................................................................................................. 40

Κεφάλαιο 2. Η Ατμόσφαιρα σε Υδροστατική Ισορροπία .................................................................... 41

2.1. Το Πεδίο Βαρύτητας της Γης................................................................................................................... 41 2.1.1. Ενεργός επιτάχυνση της βαρύτητας ................................................................................................ 42 2.1.2. Γεωδυναμικό και ταχύτητα διαφυγής .............................................................................................. 44

2.2. Υδροστατική Εξίσωση της Ατμόσφαιρας ................................................................................................. 46 2.2.1. Ομογενής ατμόσφαιρα και κλίμακα ύψους ..................................................................................... 48 2.2.2. Ισόθερμη ατμόσφαιρα ..................................................................................................................... 49 2.2.3. Πολυτροπική ατμόσφαιρα ............................................................................................................... 50 2.2.4. Γενική μορφή της υδροστατικής εξίσωσης ..................................................................................... 51 2.2.5. Υπολογισμοί ατμοσφαιρικής μάζας ................................................................................................. 52

2.3. Διαχωρισμός Αερίων Συστατικών με το Ύψος –Μοριακή Διάχυση.......................................................... 53 2.3.1. Υπολογισμός χρόνου μοριακής διάχυσης ........................................................................................ 55

Κεφάλαιο 2. Ασκήσεις ................................................................................................................................... 56

Κεφάλαιο 2. Βιβλιογραφία............................................................................................................................. 58

Κεφάλαιο 3. Ατμοσφαιρική Θερμοδυναμική ...................................................................................... 59

3.1. Εφαρμογή των Νόμων Ιδανικών Αερίων στον Αέρα ............................................................................... 60

3.2. Παράμετροι Υγρασίας ............................................................................................................................. 62 3.2.1. Απόλυτη υγρασία ............................................................................................................................ 62 3.2.2. Ειδική υγρασία ................................................................................................................................ 62

8

3.2.3. Αναλογία μίγματος .......................................................................................................................... 64 3.2.4. Σχετική υγρασία .............................................................................................................................. 64

3.3. Διέπουσα Θερμοκρασία και Εφαρμογές .................................................................................................. 65 3.3.1. Υψομετρική εξίσωση ...................................................................................................................... 66

3.4. Θερμοδυναμικά Αξιώματα και Εφαρμογή στην Ατμόσφαιρα ................................................................... 68

3.5. Εξίσωση Clausius–Clapeyron ................................................................................................................ 71

3.6. Θερμοδυναμική Νεφών .......................................................................................................................... 74

3.7. Θερμοδυναμικές Μεταβολές Αερίων Μαζών .......................................................................................... 75 3.7.1. Σχηματισμός δρόσου, πάχνης και ομίχλης ...................................................................................... 76 3.7.2. Ισοβαρής μίξη αερίων μαζών .......................................................................................................... 78 3.7.3. Αδιαβατικές μεταβολές ................................................................................................................... 79 3.7.4. Κορεσμένες αδιαβατικές και ψευδοαδιαβατικές μεταβολές ............................................................ 80

3.8. Ατμοσφαιρική Ευστάθεια ........................................................................................................................ 82

3.9. Περιπτώσεις Ατμοσφαιρικής Ευστάθειας ................................................................................................ 85 3.9.1. Αέρια μάζα ακόρεστη υδρατμών ..................................................................................................... 85 3.9.2. Αέρια μάζα κορεσμένη υδρατμών ................................................................................................... 87

3.10. Μετεωρολογικά διαγράμματα ............................................................................................................... 88 3.10.1 Διάγραμμα Stüve ............................................................................................................................ 89

Κεφάλαιο 3. Ασκήσεις ................................................................................................................................... 92

Κεφάλαιο 3. Βιβλιογραφία............................................................................................................................. 93

Κεφάλαιο 4. Φυσική Νεφών ................................................................................................................ 95

4.1. Τα Νέφη .................................................................................................................................................. 96 4.1.1. Τύποι νεφών .................................................................................................................................... 96 4.1.2. Τρόποι σχηματισμού νεφών ............................................................................................................ 98

4.2. Ατμοσφαιρικά Αιωρήματα (Aerosols) ..................................................................................................... 99

4.3. Υδροσυμπύκνωση στην Ατμόσφαιρα...................................................................................................... 102 4.3.1. Ομογενής συμπύκνωση ................................................................................................................. 102 4.3.2. Ετερογενής συμπύκνωση .............................................................................................................. 104

4.4. Αύξηση Σταγονιδίων στα Νέφη ............................................................................................................. 108 4.4.1. Αύξηση νεφοσταγονιδίων μέσω συμπύκνωσης ............................................................................. 109 4.4.2.Αύξηση νεφοσταγόνων μέσω κρούσης και συλλογής .................................................................... 112 4.4.3. Αύξηση σταγόνων λόγω ανοδικών ρευμάτων στα νέφη ................................................................ 114

4.5. Μηχανισμοί Βροχοπτώσεων και Χιονοπτώσεων ................................................................................... 115 4.5.1. Μηχανισμός Bowman–Ludlam ..................................................................................................... 115 4.5.2. Μηχανισμός Bergeron–Findeisen .................................................................................................. 116

Κεφάλαιο 4. Ασκήσεις ................................................................................................................................. 118

Κεφάλαιο 4. Βιβλιογραφία........................................................................................................................... 119

Κεφάλαιο 5. Δυναμική της Ατμόσφαιρας .......................................................................................... 121

5.1. Οι Δυνάμεις Κίνησης Αερίων Μαζών ................................................................................................... 122 5.1.1. Δύναμη βαρύτητας και φυγόκεντρος ............................................................................................. 122 5.1.2. Δύναμη Coriolis ............................................................................................................................ 123 5.1.3. Δύναμη βαροβαθμίδας................................................................................................................... 125 5.1.4. Δύναμη τριβής ............................................................................................................................... 127

5.2. Αναλυτική Περιγραφή της Κίνησης ....................................................................................................... 128

9

5.3. Βασικές Εξισώσεις ............................................................................................................................... 130 5.3.1. Εξίσωση κίνησης ........................................................................................................................... 130 5.3.2. Εξίσωση συνέχειας ........................................................................................................................ 130 5.3.3. Εξίσωση ενέργειας ........................................................................................................................ 132

5.4. Κλίμακες Ατμοσφαιρικών Κινήσεων ..................................................................................................... 133 5.4.1. Χαρακτηριστικά κινήσεων μεγάλης κλίμακας .............................................................................. 134

5.5. Παραδείγματα Κινήσεων Μεγάλης Κλίμακας ....................................................................................... 135 5.5.1. Γεωστροφικός άνεμος ................................................................................................................... 135 5.5.2. Επίδραση της τριβής στο γεωστροφικό άνεμο............................................................................... 138 5.5.3. Άνεμος βαθμίδας ........................................................................................................................... 140

5.6. Η Αρχή Θερμικής Κυκλοφορίας και Δημιουργία Βαροβαθμίδων .......................................................... 142

5.7. Κινήσεις Πλανητικής Κλίμακας ............................................................................................................ 145 5.7.1. Κυκλοφορία Hadley ...................................................................................................................... 145 5.7.2. Η μέση πλανητική κυκλοφορία ..................................................................................................... 146

Κεφάλαιο 5. Ασκήσεις ................................................................................................................................. 148

Κεφάλαιο 5. Βιβλιογραφία........................................................................................................................... 149

Κεφάλαιο 6. Ατμοσφαιρικός Ηλεκτρισμός ........................................................................................ 151

6.1. Ηλεκτρικά Φορτία στην Ατμόσφαιρα .................................................................................................... 152

6.2. Ηλεκτρική Aγωγιμότητα ........................................................................................................................ 154

6.3. Ατμοσφαιρικό Ηλεκτρικό Πεδίο ............................................................................................................ 157

6.4. Το Ηλεκτρικό Σύστημα ΓηςΑτμόσφαιρας ............................................................................................ 160

6.5. Ηλεκτρικά Φορτία και Πεδία στα Νέφη ................................................................................................ 162

6.6. Ηλεκτρικές Εκκενώσεις στην Ατμόσφαιρα. Κεραυνοί ........................................................................... 164

6.7. Το Παγκόσμιο Ηλεκτρικό Κύκλωμα ...................................................................................................... 168

6.8. Μεταβατικά Φωτεινά Συμβάντα ........................................................................................................... 170 6.8.1. Jets ................................................................................................................................................ 171 6.8.2. Sprites ........................................................................................................................................... 171 6.8.3. Elves.............................................................................................................................................. 174

Κεφάλαιο 6. Ασκήσεις ................................................................................................................................. 175

Κεφάλαιο 6. Βιβλιογραφία........................................................................................................................... 176

Κεφάλαιο 7. Ακτινοβολία στην Ατμόσφαιρα .................................................................................... 179

7.1. Νόμοι Ακτινοβολίας Μέλανος Σώματος ............................................................................................... 180

7.2. Ηλιακή Ακτινοβολία ............................................................................................................................. 183 7.2.1. Φασματικές ζώνες του ηλιακού φάσματος .................................................................................... 184

7.3. Ηλιακή Ακτινοβολία στην Ατμόσφαιρα ................................................................................................. 185 7.3.1. Σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας ............................................................................................... 185 7.3.2. Μοριακή απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας ......................................................................... 187 7.3.3. Φωτοδιάσπαση και φωτοϊονισμός ................................................................................................. 188 7.3.4. Μεταβολή του ρυθμού απορρόφησης ακτινοβολίας με το ύψος ................................................... 190

7.4. Όζον και Ηλιακή Ακτινοβολία .............................................................................................................. 193 7.4.1. Μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος ......................................................................................... 193 7.4.2. Φωτοχημική ρύπανση και τροποσφαιρικό όζον ............................................................................ 194

7.5. Γήινη Ακτινοβολία ................................................................................................................................ 195

10

7.5.1. Φαινόμενο θερμοκηπίου................................................................................................................ 197 7.5.2. Απορρόφηση της γήινης ακτινοβολίας .......................................................................................... 198 7.5.3. Το παγκόσμιο θερμοκήπιο γηςατμόσφαιρας................................................................................ 201

7.6. Δημιουργία και Δομή της Ιονόσφαιρας ................................................................................................. 202 7.6.1. Παραγωγή ιονισμού ...................................................................................................................... 204 7.6.2. Απώλεια ιονισμού ......................................................................................................................... 206 7.6.3. Ιονοσφαιρικές περιοχές ................................................................................................................. 209

Κεφάλαιο 7. Ασκήσεις ................................................................................................................................. 213

Kεφάλαιο 7. Βιβλιογραφία........................................................................................................................... 214

11

Πίνακας Σταθερών

Γενικές Φυσικές Σταθερές

Σταθερά Boltzmann k=1,3810-23 J/K

Σταθερά Planck h=6,6310-34 Js

Παγκόσμια σταθερά αερίων R*=8,314 J/(mol-K)

Σταθερά Stefan-Boltzmann σ= 5,6710-8 W/(m2-K4)

Αριθμός Avogadro ΝΑ=6,0231023

/mol

Ταχύτητα του φωτός στο κενό (~αέρα) c = 3,00108 m/s

Σταθερά παγκόσμιας έλξης G=6,6710-11 Nm2/kg2

Ηλεκτρική επιδεκτικότητα κενού (~αέρα) ε0=8,85410-12

F/m

Μαγνητική διαπερατότητα κενού (~αέρα) μ0=4π10-7

H/m

Στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο e=1,610-19 C

Μάζα ηλεκτρονίου me=9,1110-31

kg

Ατομική μονάδα μάζας (μάζα πρωτονίου, ~μάζα Η) AMU (mH)=1,6710-27

kg

Γεωφυσικές και Ατμοσφαιρικές Σταθερές

Μέση απόσταση Γης-Ηλίου dES=1,4910

11 m

Μέση απόσταση Γης-Σελήνης dEΜ=3,80108 m

Μέση ακτίνα της Γης RE=6,37106 m

Μέση επιφάνεια της Γης AE=5,11014

m2

Ακτίνα φωτόσφαιρας Ηλίου RS=6,96108 m

Ακτίνα Σελήνης RM=1,76106 m

Μάζα Ατμόσφαιρας MΑ=5,301018

kg

Μάζα Γης ME=5,981024

kg

Μάζα Ηλίου MS=1,991030

kg

Μέση ηλιακή σταθερά S=1380 W/m2

Ατμοσφαιρική Πίεση p=1,01325105 Pa=1013,25 mb

Μέσο μοριακό βάρος αέρα (z

12

Πίνακας συντομεύσεων-ακρωνύμια

STP Standard Temperature and Pressure

EMP Electromagnetic Pulse

QEF Quasi-Electrostatic Field

HM Ηλεκτρομαγνητισμός

ELF Extremely Low Frequencies

VLF Very Low Frequencies

CG Cloud-to-Ground

IG Intra-Cloud

UV Ultra Violet

UT Universal Time

13

Πρόλογος

Μέρος της ύλης του βιβλίου, η οποία αποτελεί προϊόν σύνθεσης με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία,

διδάχτηκε για πρώτη φορά το εαρινό εξάμηνο του 1981 στους τριτοετείς φοιτητές του Τμήματος Φυσικής του,

νεοσύστατου τότε, Πανεπιστημίου Κρήτης. Έκτοτε, δόθηκε η ευκαιρία βελτίωσης και επέκτασης των

αρχικών σημειώσεων μέσω της πολυετούς διδασκαλίας του μαθήματος «Εισαγωγή στην Ατμοσφαιρική

Φυσική» στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης. Επιπλέον, οι σημειώσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν

αρκετά χρόνια ως βοήθημα στη διδασκαλία του μαθήματος «Μετεωρολογία» του Τμήματος Φυσικής του

Πανεπιστημίου Πατρών, από τον καθηγητή Γεώργιο Μαντά, του οποίου η συμβολή στην περαιτέρω βελτίωση

και εμπλουτισμό της ύλης ήταν σημαντική. Ενώ βασίζεται στις εν λόγω πανεπιστημιακές σημειώσεις, η

παρούσα ύλη του βιβλίου έχει αναβαθμιστεί μέσω πολλών θεματικών παρεμβάσεων και προσθηκών, και μίας

σε βάθος πολλαπλής επιμέλειας (επιστημονικής, γλωσσικής και τεχνικής) για τη βέλτιστη συνεκτικότητα και

εύληπτη παρουσίασή της.

Το σύγγραμμα: «Εισαγωγή στην Ατμοσφαιρική Φυσική», επικεντρώνεται σε επιλεγμένες θεματικές

ενότητες, εστιάζοντας, μέσω βατής μαθηματικής ανάλυσης και φυσικών περιγραφών, στις έννοιες και αρχές

των ατμοσφαιρικών διεργασιών και φαινομένων, όπως αυτές εδράζονται στις θεωρίες και τους νόμους της

Φυσικής. Πέραν του πρώτου κεφαλαίου, το οποίο περιλαμβάνει γενικό - βασικό εισαγωγικό υλικό για την

ατμόσφαιρα της γης, η ύλη κατανέμεται σε έξι κεφάλαια τα οποία διαπραγματεύονται βασικά θεματικά

αντικείμενα που εμπίπτουν κυρίως στη φυσική της κατώτερης ατμόσφαιρας. Αυτά περιλαμβάνουν στοιχεία:

ατμοσφαιρικής υδροστατικής, ατμοσφαιρικής θερμοδυναμικής, φυσικής νεφών, δυναμικής μετεωρολογίας,

ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού, και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ηλιακής και γήινης) στην ατμόσφαιρα.

Το παρόν βιβλίο μπορεί να αποτελέσει κύριο βοήθημα μελέτης ενός εισαγωγικού μαθήματος Ατμοσφαιρικής

Φυσικής. Απευθύνεται κυρίως σε προπτυχιακούς φοιτητές Φυσικής, αλλά και συγγενών τμημάτων των

θετικών επιστημών. Πιστεύεται ότι, ο φοιτητής που θα μελετήσει το παρόν βιβλίο θα αποκτήσει βασικές

γνώσεις φυσικής της ατμόσφαιρας, οι οποίες θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμες σε αυτόν που θα συνεχίσει

μεταπτυχιακές σπουδές στην Ατμοσφαιρική Φυσική είτε στις Επιστήμες Περιβάλλοντος.

Η παρούσα έκδοση κατέστη δυνατή στα πλαίσια του προγράμματος του Εθνικού Μετσόβιου

Πολυτεχνείου: «ΚΑΛΛΙΠΟΣ–Ελληνικά Ακαδημαϊκά Ηλεκτρονικά Συγγράμματα και Βοηθήματα». Ο

συγγραφέας επιθυμεί να ευχαριστήσει τους κύριους συνεργάτες του, τον Ν. Χρηστάκη που εργάσθηκε ως

κριτικός αναγνώστης, και τον Ν. Γκικόπουλο για τη συνεισφορά του στη τεχνική επιμέλεια και ηλεκτρονική

υλοποίηση. Επίσης ο συγγραφέας ευχαριστεί τον Ν. Φλυτζάνη για εποικοδομητικές συζητήσεις, όπως και

τους εργαζόμενους στο Γραφείο Αρωγής του προγράμματος ΚΑΛΛΙΠΟΣ για την συνεχή υποστήριξη και

βοήθεια.

Τέλος, εκφράζεται η ελπίδα ότι η προσπάθεια για την δημιουργία ενός ποιοτικού συγγράμματος

Εισαγωγής στην Ατμοσφαιρική Φυσική, θα τύχει της εκτίμησης και αποδοχής από τους συναδέλφους

καθηγητές, όπως και τους φοιτητές, που υπηρετούν το εν λόγω γνωστικό αντικείμενο στα Ελληνικά

Πανεπιστήμια.

Χρήστος Χαλδούπης

Καθηγητής Πανεπιστημίου Κρήτης

Ηράκλειο, Ιούνιος 2016.

14

15

Κεφάλαιο 1. Η Ατμόσφαιρα της Γης

Η ατμόσφαιρα της γης είναι ο αέρας που την περιβάλλει και συμπεριστρέφεται με αυτή χάρις στο πεδίο

βαρύτητάς της. Η ατμόσφαιρα θεωρείται ως το «αεριώδες κέλυφος» της γης, καθόσον το 99% της

ατμοσφαιρικής μάζας βρίσκεται σε ένα στρώμα που εκτείνεται μέχρι τα 35 km, με το ύψος αυτό να

αντιπροσωπεύει περίπου 5 χιλιοστά της μέσης γήινης ακτίνας (6370 km). Ενώ το κατώτερο όριο της

ατμόσφαιρας ορίζεται από την επιφάνεια του πλανήτη, το ανώτερό της δεν καθορίζεται επακριβώς. Παρά την

ταχεία μείωση της ατμοσφαιρικής μάζας με το ύψος, ώστε το 99,9% αυτής να βρίσκεται κάτω των 100 km,

αέρια συστατικά, σε ουδέτερη και ιονισμένη μορφή, απαντώνται σε πολύ μεγαλύτερα ύψη, π.χ., αρκετών

εκατοντάδων χιλιομέτρων. Για ένα ερευνητή της ατμόσφαιρας, συνήθως η έκτασή της καθορίζεται από τα ύψη

στα οποία εντοπίζονται τα φαινόμενα που διερευνά, π.χ., για ένα μετεωρολόγο η ατμόσφαιρα εκτείνεται μέχρι τα

1015 km, για ένα ιονοσφαιρικό φυσικό από τα 50 μέχρι περί τα 800 km, ενώ για ένα μαγνητοσφαιρικό φυσικό μπορεί να φτάσει σε ύψη πολλών δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων. Αυτό βέβαια δεν σημαίνει ότι αγνοούνται

φαινόμενα αλληλεπίδρασης μεταξύ των διάφορων ατμοσφαιρικών «σφαιρών», που όλες μαζί συνθέτουν ένα

πολύπλοκο δυναμικό σύστημα: Την Ατμόσφαιρα της Γης.

Η ύλη του παρόντος κεφαλαίου αποτελεί μια γενική εισαγωγή στην ατμοσφαιρική φυσική. Επίσης εδώ δίνονται

βασικές γνώσεις που είναι απαραίτητες για τη μελέτη των κεφαλαίων που ακολουθούν.Για περισσότερα στοιχεία

επί της ύλης του κεφαλαίου βλέπε μεταξύ άλλων, π.χ., τα βιβλία των Fleagle and Businger (1963),Wallace and

Hobbs (2006), Iribarne and Cho (1980).

Εικόνα 1.1. Το ατμοσφαιρικό κέλυφος της γης όπως φωτογραφήθηκε από τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό λίγο πριν μια

ανατολή του ηλίου. ( https://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.html).

Προαπαιτούμενη γνώση: Γενική Φυσική. Γενικά Μαθηματικά. Στοιχεία Κινητικής Θεωρίας Αερίων.

1. 1. Ατμοσφαιρική Χημική Σύσταση

Η ατμόσφαιρα είναι χημικά ομογενής μέχρι τα 100 km λόγω μίξης των αερίων μαζών της, συνεπώς έχει μέχρι

το ύψος αυτό σταθερή σύνθεση και σταθερό μέσο μοριακό βάρος. Τα κύρια ατμοσφαιρικά αέρια είναι το

μοριακό άζωτο (Ν2), το μοριακό οξυγόνο (Ο2) και το αργό (Α), σε σωματιδιακό ποσοστό ~78%, 21% και

0,9%, αντίστοιχα. Το υπόλοιπο 0,1% αφορά δευτερεύοντα αέρια, κυρίως διοξείδιο του άνθρακα (CO2), τα

ευγενή και αδρανή αέρια, ήλιο (He), νέο (Νe) και κρυπτό (Kr), ατομικό υδρογόνο (Η), όζον (Ο3) και

υδρατμούς (Η2Ο). Αριθμητικά μεγέθη για την ατμοσφαιρική χημική σύσταση κάτω των 100 km δίνονται στον

Πίνακα 1.1. Πέραν των συστατικών αυτών, υπάρχουν ίχνη και άλλων αερίων, με ορισμένα από αυτά να

οφείλονται σε ανθρωπογενείς δράσεις, π.χ., οξείδια αζώτου (ΝΟx).

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.html

16

Άνω των 100 km ο βαρυτικός διαχωρισμός των αερίων συστατικών επικρατεί της μίξης (ενότητες 1.5

και 2.3) ώστε η αναλογία των ελαφρών συστατικών να αυξάνεται με το ύψος σε βάρος των βαρύτερων, με

αποτέλεσμα το μέσο μοριακό βάρος να μειώνεται με το ύψος. Επιπλέον τα ανώτερα ύψη χαρακτηρίζονται

από δραματικές μεταβολές στην ατμοσφαιρική σύσταση του Πίνακα 1.1 λόγω απορρόφησης της υπεριώδους

ηλιακής ακτινοβολίας μέσω φωτοδιάσπασης και φωτοϊονισμού, όπως και μιας ακολουθίας δευτερογενών

χημικών αντιδράσεων. Έτσι, άνω των 120 km το περισσότερο οξυγόνο είναι σε ατομική μορφή λόγω

φωτοδιάσπασης του μοριακού οξυγόνου και μοριακής διάχυσης. Γύρω στα 500 km η ατμόσφαιρα περιέχει

κυρίως ατομικό οξυγόνο και ίχνη ατομικού αζώτου, ενώ άνω των 1000 km επικρατούν τα ελαφρά άτομα

ηλίου (He) και υδρογόνου (Η). Διά του φωτοϊονισμού άνω των 60 km, συνυπάρχει παράλληλα με την

ουδέτερη ατμόσφαιρα και η ιονόσφαιρα. Αυτή αντιπροσωπεύει ένα ασθενώς ιονισμένο πλάσμα, όπου, εκτός

των ουδέτερων συστατικών που υπερισχύουν, υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα σε ίσες

συγκεντρώσεις ώστε το πλάσμα να παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερο (ενότητες 1.8, και 7.6).

Συστατικό Μορ. Βάρος Αναλογία

1 Άζωτο (Ν2) 28,02 78,08 %

2 Οξυγόνο (Ο2) 32,00 20,95 %

3 Αργό (Α) 39,94 0,93 %

4 Υδρατμοί (H2O) 18,02 0,01–5 %

5 Διοξ. Άνθρακα (CO2) 44,01 400 ppm

6 Νέο (Νe) 20,18 18 ppm

7 Ήλιο (He) 4,00 5 ppm

8 Κρυπτό (Kr) 83,70 1 ppm

9 Υδρογόνο (Η2) 2,02 0,5 ppm

10 Όζον (Ο3) 48,00 112 ppm

Πίνακας 1.1.Κύρια χημική σύσταση της ατμόσφαιρας μέχρι τα 100 km.

Μεταβλητά συστατικά (Η2Ο, Ο3). Όπως δείχνει ο Πίνακας 1.1, και σε αντίθεση με τα άλλα στοιχεία,

οι συγκεντρώσεις των υδρατμών και του όζοντος μεταβάλλονται εντός κάποιου εύρους τιμών. Τα τριατομικά

αυτά αέρια, παρά το γεγονός ότι αντιπροσωπεύουν ένα ελαχιστότατο ποσοστό της ατμοσφαιρικής μάζας,

παίζουν θεμελιώδη ρόλο στην απορρόφηση της ηλιακής και γήινης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας,

συμμετέχοντας ενεργά στο ατμοσφαιρικό ισοζύγιο ενέργειας, όπως και σε διάφορες μετεωρολογικές

διεργασίες και φαινόμενα (Κεφ. 7).

Οι υδρατμοί στην ατμόσφαιρα προέρχονται από την εξάτμιση των υδάτων στη γήινη επιφάνεια και τις

ηφαιστειακές εκλύσεις. Στην ατμόσφαιρα οι υδρατμοί υπόκεινται σε συνεχείς αλλαγές φάσης που οδηγούν

στη δημιουργία των νεφών, ενώ αποβάλλονται από αυτήν διαμέσου βροχοπτώσεων και χιονοπτώσεων (Κεφ.

3 και Κεφ. 4). Ο μέσος χρόνος ζωής ενός μορίου υδρατμών στην ατμόσφαιρα είναι της τάξης μιας εβδομάδας.

Η συγκέντρωση των υδρατμών είναι πολύ μεγαλύτερη στα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα, ενώ μόνο ίχνη

υπάρχουν άνω των 10 km και μέχρι τα 80 ως 90 km.

Το όζον παράγεται μέσω φωτοχημικών αντιδράσεων στο ατμοσφαιρικό στρώμα μεταξύ περίπου 15

και 65 km, και είναι το μόνο ατμοσφαιρικό συστατικό που απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία στο κοντινό

υπεριώδες (μεταξύ ~0,29 και 0,36 μm). Το Ο3 έχει μέσο χρόνο ζωής μερικών μηνών μεταξύ 10 κα 40 km, ενώ

η συγκέντρωσή του παίρνει τη μέγιστη τιμή της γύρω στα 25 km. Στην επιφάνεια της γης το όζον διασπάται

ταχύτατα ερχόμενο σε επαφή με τα φυτά και διαλυόμενο στο νερό. Περισσότερα στοιχεία για το όζον

δίνονται στην ενότητα 7.4.

Διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Πέραν των μεταβλητών στοιχείων Ο3 και Η2Ο, οι συγκεντρώσεις των

αερίων συστατικών στον Πίνακα 1.1 παραμένουν αμετάβλητες για εκατομμύρια χρόνια, εκτός του, επίσης

τριατομικού, CO2 το οποίο μετά την βιομηχανική επανάσταση στα τέλη του 19ου

αιώνα ακολουθεί αυξητική

τάση η οποία οφείλεται στην συνεχώς αυξανόμενη καύση υδρογονανθράκων παγκοσμίως. Η τιμή των 400

ppm (parts per million) στον Πίνακα 1.1 αντιστοιχεί στο έτος 2015, ενώ η διαχρονικά σταθερή προ

βιομηχανική τιμή του εκτιμάται στα 280 ppm, με βάση μετρήσεις και αναλύσεις που έγιναν σε φυσαλίδια

αρχαϊκού αέρα παγιδευμένου σε διαδοχικά στρώματα πάγου, στην Ανταρκτική και αλλού. Το Σχήμα 1.1

δείχνει την συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα, όπως μετρείται από το 1958 στη Χαβάη. Μια πρώτη

εκτίμηση δείχνει ότι υπάρχει μια αυξητική τάση της τάξης του 1 ppm ανά έτος, ενώ τα τελευταία χρόνια η

17

τάση αυτή είναι αυξημένη, και πλησιάζει τα 2 ppm/έτος. Η συστηματική αύξηση του CO2 είναι θεμελιώδους

σημασίας στην έρευνα της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής, καθόσον θεωρείται η κύριος παράγοντας

υπερθέρμανσης του πλανήτη μέσου του μηχανισμού του φαινομένου θερμοκηπίου (ενότητα 7.5).

Σχήμα 1.1. Συστηματικές μετρήσεις της συγκέντρωσης ατμοσφαιρικού CO2 στη Mauna Loa, Χαβάη, που βρίσκεται πολύ μακριά από βιομηχανικές περιοχές ώστε η συγκέντρωση του CO2 να αντιπροσωπεύει την μέση τιμή του στην ατμόσφαιρα

παγκοσμίως. Οι μετρήσεις άρχισαν το 1958 και συνεχίζονται αδιαλείπτως μέχρι σήμερα. Δείχνουν καθαρά μια ανοδική

τάση η οποία τα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί, με την συγκέντρωση CO2 να πλησιάζει το 2015 σήμερα τα 400 ppm. Εκτός

της τάσης αυτής υπάρχει και μια ετήσια, σχεδόν ημιτονοειδής, μεταβολή με ελάχιστο το καλοκαίρι και μέγιστο το χειμώνα,

που οφείλεται στο τοπικό ετήσιο κύκλο των φυλλοβόλων φυτών και του ρόλου που παίζουν στην δέσμευση CO2 μέσω της

φωτοσύνθεσης. (Το διάγραμμα είναι διαθέσιμο για εκπαιδευτική χρήση στο διαδίκτυο από τους ερευνητικούς οργανισμούς

που αναφέρονται στο Σχήμα. http://www.esrl.noaa.gov/gmd/webdata/ccgg/trends/co2_data_mlo.png).

1.2. Προέλευση της Ατμόσφαιρας

Σε αντίθεση με τον ήλιο, η ατμόσφαιρα της γης είναι πολύ φτωχή σε ευγενή αέρια (ήλιο, νέο, αργό, ξένο και

κρυπτό), όπως και υδρογόνο, τα οποία αποτελούν τα πολυπληθέστερα στοιχεία στο ηλιακό σύστημα. Αυτό

υποδεικνύει ότι η γη δεν είχε αρχικά ατμόσφαιρα, ή ότι η αρχική της ατμόσφαιρα, κατά κάποιο τρόπο,

εξαφανίστηκε, π.χ., λόγω σάρωσής της από ισχυρούς ηλιακούς ανέμους μετά το σχηματισμό του πλανήτη

πριν περίπου 4,0109 χρόνια. Αξίζει να σημειωθεί ότι, οι αρχέγονες χρονολογίες που αναφέρονται εδώ,

προκύπτουν από τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας ραδιενεργών στοιχείων και του χρόνου ζωής των σε

μετεωρίτες, σεληνιακή σκόνη, αλλά και γήινων πετρωμάτων.

Το βασικό ζητούμενο λοιπόν είναι να εξηγηθεί πως δημιουργήθηκε η ατμόσφαιρα ώστε να έχει την

χημική σύσταση του Πίνακα 1.1. Η πλέον αποδεκτή θεωρία υποστηρίζει (π.χ., Wallace and Hobbs, 2006) ότι

αυτή προήλθε από την απελευθέρωση αερίων στο εσωτερικό της γης κατά τις ηφαιστειακές εκρήξεις. Τα

ηφαιστειογενή αέρια περιλαμβάνουν κυρίως 85% υδρατμούς και 10% διοξείδιο του άνθρακα, ενώ το

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/webdata/ccgg/trends/co2_data_mlo.png

18

υπόλοιπο 5% συνίσταται από άζωτο και αέριες ενώσεις του θείου. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι τα

ηφαιστειογενή αέρια δεν εμπεριέχουν οξυγόνο, που αποτελεί το κατεξοχήν απαραίτητο στοιχείο για τη

δημιουργία και διατήρηση της ζωής.

Για να κατανοηθεί πως η σημερινή ατμόσφαιρα έχει προέλθει από τα παραπάνω ηφαιστειογενή αέρια

είναι αναγκαίο να θεωρηθεί ως μέρος ενός αλληλοεπιδρώντος συστήματος που περιλαμβάνει επίσης: την

υδρόσφαιρα (το νερό της γης), τη βιόσφαιρα (τα φυτά και ζώα) και τη λιθόσφαιρα (το στερεό φλοιό της γης).

Η σημασία της θεώρησης αυτής είναι θεμελιώδης και θα εξηγηθεί εν συντομία παρακάτω. Αξίζει να

σημειωθεί ότι η μάζα της ατμόσφαιρας (Κεφ. 2) είναι της τάξεως του ενός εκατομμυριοστού της μάζας της

γης, ενώ παραμένει πολύ μικρότερη σε σχέση με τη μάζα των παραπάνω γεωσφαιρών.

Όπως θα εξηγηθεί στα Κεφ. 3 και 4, η ατμόσφαιρα συγκρατεί στις συνήθεις θερμοκρασίες της μικρό

μέρος μίας ποσότητας υδρατμών που εισέρχεται σε αυτή, με το υπόλοιπο να μεταπίπτει κυρίως στην υγρή και

στερεά φάση στα νέφη και εν συνεχεία να αποσύρεται μέσω βροχοπτώσεων και χιονοπτώσεων. Έτσι, τα

πρώτα ηφαίστεια και η μεγάλη ποσότητα υδρατμών που απελευθέρωναν, δημιουργούσαν πυκνά σύννεφα και

στη συνέχεια κατακλυσμιαίες βροχοπτώσεις, με τις μεγάλες ποσότητες νερού στην επιφάνεια της γης να

δημιουργούν την υδρόσφαιρα. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, αν θεωρηθεί ότι ο μέσος ρυθμός ηφαιστειακής

απελευθέρωσης υδρατμών που μετρείται σήμερα είναι αντιπροσωπευτικός αυτού κατά τη διάρκεια της ζωής

της γης, τότε η παρούσα μάζα της υδρόσφαιρας είναι μικρότερη κατά δύο τάξεις μεγέθους, σε σχέση με τη

ποσότητα του νερού που εκλύθηκε στην ατμόσφαιρα σε μορφή υδρατμών από τα ηφαίστεια. Μια πιθανή

εξήγηση της διαφοράς αυτής είναι ότι μεγάλα ποσά νερού έχουν υποστεί φωτοδιάσπαση από την

προσπίπτουσα υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, η οποία, απουσία αερίων συστατικών και κυρίως του όζοντος,

έφτανε χωρίς εξασθένηση στην επιφάνεια του πλανήτη και στην υδρόσφαιρα.

Στη συνέχεια θα εξεταστεί εν συντομία, με βάση τους Wallace and Hobbs (2006), πώς η ατμόσφαιρα

απέκτησε την παρούσα χημική σύστασή της. Όσον αφορά το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, έχουν προταθεί δύο

μηχανισμοί παραγωγής του: 1) η διάσπαση του νερού διά της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας,

222 O2H hν + O2H (1.1)

και 2) η φωτοσύνθεση μέσω της δράσης της ορατής ηλιακής ακτινοβολίας επί των κυττάρων των φυτών,

2n222 nOO}{CHhνnCO + OnH (1.2)

Η αποτελεσματικότητα του μηχανισμού (1.1) αμφισβητείται, αφ’ ενός επειδή εξαρτάται από άλλες

ανταγωνιστικές φωτοχημικές αντιδράσεις που μπορούν να προκληθούν από την ίδια υπεριώδη ακτινοβολία,

και αφ’ ετέρου επειδή η αντίδραση (1.1) είναι αμφίδρομη έτσι ώστε η παραγωγή οξυγόνου να εξαρτάται από

το ρυθμό μείωσης του Η2 μέσω ενός μηχανισμού διαφυγής από την ατμόσφαιρα που θα συζητηθεί στην

ενότητα 1.6. Αν ο ρυθμός διαφυγής του υδρογόνου είναι πολύ βραδύτερος του ρυθμού παραγωγής οξυγόνου,

πράγμα πολύ πιθανόν, τότε το Ο2 που παράγεται, επαναντιδρά με το υπάρχον Η2 και σχηματίζει πάλι νερό.

Σε αντίθεση με την αναποτελεσματικότητα του μηχανισμού (1.1), εκτιμάται ότι η διεργασία της

φωτοσύνθεσης (1.2) είναι ο κύριος μηχανισμός δημιουργίας του Ο2 της ατμόσφαιρας. Η παραγωγή Ο2 μέσω

φωτοσύνθεσης είναι στενά συνδεδεμένη με βασικές φυσιοβιολογικές διεργασίες που λαβαίνουν χώρα στη

βιόσφαιρα, με τις παραγόμενες υδατανθρακικές ενώσεις {CH2O}n να αποτελούν βασικά συστατικά των

μορίων που σχηματίζουν τα κύτταρα των φυτών. Βέβαια, η εν λόγω θεωρία της ατμοσφαιρικής εξέλιξης

οφείλει να εξηγήσει την ύπαρξη της βιοσφαιρικής ύλης η οποία προϋποθέτει την ύπαρξη οξυγόνου. Σχετικά

με τη παραδοξότητα αυτή, η θεωρία δέχεται ότι στα πρώτα κρίσιμα στάδια σχηματισμού μονοκύτταρων

οργανικών ουσιών (απλές πρωτεΐνες και ένζυμα) πριν 3,5×109 χρόνια, αυτές άρχισαν να αναπτύσσονται

απουσία οξυγόνου στα βάθη των ωκεανών σε απόσταση τέτοια ώστε να δέχονται οπτική ηλιακή ακτινοβολία,

αλλά να αποφεύγουν τη καταστρεπτική δράση της υπεριώδους ακτινοβολίας λόγω εξασθένισής της μέσω της

διάσπασης του νερού στα μικρότερα βάθη.

Υπάρχουν γεωλογικές ενδείξεις ότι οι πρωτόγονοι τύποι ζωής είχαν εξελιχθεί σε σημείο ώστε να

αρχίζουν να απελευθερώνουν πολύ μικρά ποσά Ο2 στην ατμόσφαιρα μέσω της φωτοσυνθετικής διεργασίας

(1.2) πριν από ~3109 χρόνια. Μέσω χημικών αντιδράσεων που θα συζητηθούν στην ενότητα 7.4, η σταδιακή

συσσώρευση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα οδήγησε στη δημιουργία όζοντος, το οποίο, όπως αναφέρθηκε

ήδη, έχει την ικανότητα να απορροφά την κοντινή υπεριώδη ακτινοβολία. Με τη σταδιακή δημιουργία του

στρώματος Ο3, όλο και λιγότερη υπεριώδης ακτινοβολία έφθανε στο εσωτερικό των ωκεανών, έτσι ώστε η

19

φυτική ζωή εξελισσόμενη και αυξανόμενη μπορούσε όλο και περισσότερο να πλησιάζει την επιφάνεια της

θάλασσας, με αποτέλεσμα να αυξάνει η φωτοσυνθετική έκλυση Ο2 και η συσσώρευσή του στην ατμόσφαιρα.

Εκτιμάται ότι μέσω της διαδικασίας αυτής το ατμοσφαιρικό Ο2 έφτασε στο 1% της παρούσας περιεκτικότητάς

του στην αρχή της παλαιοζωικής εποχής (Paleozoic period) πριν από 600 εκατομμύρια χρόνια. Αυτό επέτρεψε

την ανάπτυξη πιο σύνθετης ζωής σε μικρότερα θαλάσσια βάθη. Έτσι, μέσω του κύκλου: «περισσότερο Ο2 =>

περισσότερο Ο3 => λιγότερη υπεριώδης ακτινοβολία στη γη => μεγαλύτερη δυνατότητα έκθεσης της φυτικής

ζωής στην οπτική ακτινοβολία => περισσότερες και συνθετότερες μορφές ζωής, => περισσότερο Ο2», κ.ο.κ.,

εκτιμάται ότι η ζωή αργά και σταθερά έφτασε στην επιφάνεια των ωκεανών πριν 400 εκατομμύρια χρόνια

από σήμερα, στην αρχή της Σιλούριου εποχής (Silurian period). Κατόπιν αυτού, ακολούθησε εκρηκτική

αύξηση της βιοσφαιρικής ύλης η οποία εν συνεχεία, και μέσω του παραπάνω κύκλου, οδήγησε σε ταχύτατη

αύξηση του Ο2 που σταδιακά έφτασε, στο εξελικτικά μικρό χρονικό διάστημα των 2030 εκατομμυρίων

ετών, στα επίπεδα της σημερινής του συγκέντρωσης στην ατμόσφαιρα.

Η ιστορία της παραγωγής του Ο2 δεν τελειώνει εδώ. Η αντίδραση (1.2) είναι, όπως και η (1.1),

αμφίδρομη, έτσι οι υδατάνθρακες που παράγονται κατά τη φωτοσύνθεση οξειδώνονται και μετατρέπονται σε

νερό και διοξείδιο του άνθρακα:

.nCO + OnHnOO}{CH 222n2 (1.3)

Πιστεύεται ότι μικρό ποσοστό των υδατανθράκων {CH2O}n που διέφυγε την οξείδωση θάφτηκε στο έδαφος

και δημιούργησε τα σημερινά κοιτάσματα υδρογονανθράκων (λιθάνθρακες, πετρέλαιο, και φυσικό αέριο).

Χάρη στη μερική πρόσχωση των {CH2O}n, η οποία αν δεν λάμβανε χώρα θα οδηγούσε στην κατανάλωση

μέσω της (1.3) του παραγόμενου διά της φωτοσύνθεσης O2, έγινε δυνατή η τελική συγκέντρωση του

υπάρχοντος οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Εκτιμάται όμως ότι, από το ποσό του οξυγόνου που προήλθε από

τους φυτικούς οργανισμούς στη διάρκεια της ζωής της γης, δηλαδή το παραγόμενο κατά τη φωτοσύνθεση

πλην το απαιτούμενο για καύση των υδατανθράκων, μόνο περί το 10% αυτού βρίσκεται σήμερα στην

ατμόσφαιρα. Το υπόλοιπο Ο2 πιστεύεται ότι αναλώθηκε σε χημικές αντιδράσεις παραγωγής οξειδίων

μετάλλων, π.χ., τριοξειδίου του σιδήρου:

, O2Fe3O4Fe 322 (1.4)

όπως και ανθρακικών αλάτων, π.χ., CaCO3 (ασβεστόλιθος) και MgCO3 (δολομίτης), συστατικά που

βρίσκονται σε μεγάλες ποσότητες στο στερεό φλοιό της γης. Ο σχηματισμός ανθρακικών αλάτων έχει

ιδιαίτερη σημασία επειδή αποτελεί τον κύριο μηχανισμό δέσμευσης του CΟ2 που απελευθερώνεται από τα

ηφαίστεια.

Τα ανθρακικά άλατα σχηματίζονται μέσω αντιδράσεων που λαβαίνουν χώρα σε θαλάσσιους

μικροοργανισμούς και δημιουργούν το ασβεστολιθικό κέλυφός των. Καταρχήν, το CO2, διαλύεται εύκολα στο

νερό σχηματίζοντας ασθενές διάλυμα ανθρακικού οξέος (H2CO3):

. COHCOOH 3222 (1.5)

Στη συνέχεια το ανθρακικό οξύ αντιδρά με ιόντα μετάλλων εντός θαλάσσιων οργανισμών, ώστε να

δημιουργήσει ανθρακικά άλατα, π.χ., μέσω της αντίδρασης με ιόντα ασβεστίου,

.H2 CaCOCaCOH 332 (1.6)

Τα ασβεστολιθικά άλατα, όπως το CaCO3, εισέρχονται στα κύτταρα των οργανισμών και δημιουργούν τα

κελύφη των, τα οποία τελικά εναποτίθενται στο στερεό φλοιό της γης (ο δολομίτης, MgCO3, παράγεται με

παρόμοιο τρόπο). Τα παραγόμενα ιόντα υδρογόνου στην (1.6) αντιδρούν με μεταλλικά οξείδια απ’ όπου

παίρνουν ένα άτομο οξυγόνου για να σχηματίσουν ένα μόριο νερού. Το άτομο αυτό του οξυγόνου

αντικαθίσταται σταδιακά από την ατμόσφαιρα. Εκτιμάται ότι θαλάσσιοι μικροοργανισμοί, λόγω του ρόλου

που παίζουν στην διεργασία σχηματισμού ανθρακικών αλάτων, γίνονται οι ρυθμιστές της συγκέντρωσης CO2

στην ατμόσφαιρα, η οποία παρέμεινε σταθερή για εκατομμύρια χρόνια, μέχρι πριν από ~120 χρόνια όταν

άρχισε να αυξάνεται λόγω των βιομηχανικών δράσεων και καταναλωτικών χρήσεων στη γη.

20

Πιστεύεται ότι μέσω του ίδιου μηχανισμού που ισχύει για την απόσυρση του CO2, μέρος του Ν2 που

εκλύεται από τα ηφαίστεια εναποτίθεται στο στερεό φλοιό της γης με τη μορφή αζωτούχων αλάτων.

Λαμβάνοντας όμως υπόψη ότι το άζωτο είναι αδρανές αέριο και δυσκολοδιάλυτο στο νερό, εξάγεται ότι

μεγάλο μέρος του Ν2 που προήλθε από τα ηφαίστεια, συσσωρεύτηκε στην ατμόσφαιρα ώστε τελικά το άζωτο

να γίνει το επικρατέστερο ατμοσφαιρικό στοιχείο.

Στα πλαίσια της εν λόγω εξελικτικής θεωρίας της ατμόσφαιρας, όπως περιγράφεται από τους Wallace

and Hobbs (2006), τα αέρια του θείου (S) και των ενώσεών του, π.χ., υδρόθειο (H2S) και διοξείδιο του θείου

(SO2), που εκλύονται από τα ηφαίστεια σε μεγάλες ποσότητες, οξειδώνονται γρήγορα και μετατρέπονται σε

τριοξείδιο του θείου (SO3), το οποίο διαλύεται εύκολα σε σταγονίδια νεφών όπου σχηματίζει αραιά

διαλύματα θειικού οξέος (H2SO4). Αυτά είναι υπεύθυνα για την τοξική όξινη βροχή, η οποία παρατηρείται σε

βιομηχανικές περιοχές (ή και μακριά από αυτές στη κατεύθυνση πνοής των ανέμων), λόγω της καύσης

θειούχων ενώσεων που περιέχονται σε λιθάνθρακες και πετρελαιοειδή. Αφού απομακρυνθούν οι θειούχες

ενώσεις από την ατμόσφαιρα μέσω βροχοπτώσεων (υπολογίζεται ότι ο χρόνος ζωής των είναι περί τη μία

εβδομάδα), αντιδρούν με μέταλλα και σχηματίζουν θειούχα άλατα που επίσης εναποτίθενται στο φλοιό της

γης. Τέλος, όσον αφορά το αργό (Α), που αντιπροσωπεύει περίπου το 1,3% της ατμοσφαιρικής μάζας, αυτό

εκτιμάται ότι είναι προϊόν της ραδιενεργού διάσπασης του καλίου (Κ), το οποίο είναι το έβδομο σε ποσότητα

στοιχείο της λιθόσφαιρας. Το ήλιο, νέο και κρυπτό της ατμόσφαιρας πιστεύεται ότι είναι επίσης προϊόντα

διάσπασης ραδιενεργών πετρωμάτων.

1.3. Μεταβολή της Θερμοκρασίας με το Ύψος Ατμοσφαιρικές Περιοχές

Η ατμόσφαιρα χωρίζεται σε περιοχές, ή στρώματα, ανάλογα με την μεταβολή κάποιας χαρακτηριστικής

φυσικής ποσότητάς της με το ύψος. Παραδοσιακά, για κάθε ατμοσφαιρικό στρώμα, χρησιμοποιείται η

καταληκτική λέξη σφαίρα ενώ για το ανώτατο ύψος μέχρι το οποίο εκτείνεται χρησιμοποιείται η λέξη παύση,

έτσι π.χ., η στρατόπαυση είναι το άνω όριο της στρατόσφαιρας. Λόγω της ατμοσφαιρικής μεταβλητότητας,

είναι προφανές ότι το υψομετρικό επίπεδο που αντιστοιχεί στην παύση, συνήθως δεν αφορά ένα ακριβές

ύψος, αλλά μάλλον ένα εύρος υψών που μπορεί, στην περίπτωση κάποιων σφαιρών, όπως π.χ., της

θερμόσφαιρας, να αντιπροσωπεύει ακόμα και αρκετές δεκάδες χιλιόμετρα.

Η θερμοκρασία είναι μια βασική ατμοσφαιρική παράμετρος, της οποίας η μεταβολή με το ύψος

χρησιμοποιείται παραδοσιακά στον καθορισμό της ατμοσφαιρικής στρωματικής δομής. Ένα τυπικό προφίλ

(λέξη που χαρακτηρίζει τη μεταβολή με το ύψος μίας ατμοσφαιρικής φυσικής ποσότητας σε ένα διάγραμμα

x,y όπου ο κατακόρυφος άξονας y αντιπροσωπεύει το ύψος) της μέσης θερμοκρασίας ως τα 100 km στα μέσα

γεωγραφικά πλάτη παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.2, όπου επίσης οριοθετούνται οι διάφορες σφαίρες και

παύσεις.

Η τροπόσφαιρα είναι η κατώτατη ατμοσφαιρική περιοχή στην οποία η θερμοκρασία ελαττώνεται

σχεδόν γραμμικά με το ύψος μέχρι ένα επίπεδο που ονομάζεται τροπόπαυση. Το ύψος της τροπόπαυσης

μεταβάλλεται από ~8 km, στους γεωγραφικούς πόλους μέχρι ~18 km, στον ισημερινό. Υπάρχουν δυναμικές

μεταβολές λίγων χιλιομέτρων στο ύψος της τροπόπαυσης που οφείλονται στις μεταβολές με το ύψος των

χαμηλών και υψηλών βαρομετρικών συστημάτων που αναπτύσσονται στην τροπόσφαιρα (Κεφ. 5). Η

μεσημβρινή, δηλαδή ως προς το γεωγραφικό μήκος, μεταβολή της θερμοκρασίας της τροπόπαυσης είναι

τέτοια ώστε η ελάχιστη τιμή της να είναι στον ισημερινό και η μέγιστη στις πολικές περιοχές. Στην

τροπόσφαιρα, η βαθμίδα θερμοκρασίας με το ύψος, dT/dz, παίρνει τιμές μεταξύ 6 και 10 βαθμούς ανά km,

και οδηγεί σε μέσες θερμοκρασίες τροπόπαυσης μεταξύ 190 Κ (στον ισημερινό) και 220 Κ (στους πόλους). Η

χημική σύσταση του αέρα στην τροπόσφαιρα καθορίζεται από διεργασίες μίξης, παραμένει δε σταθερή για

όλα τα αέρια εκτός των υδρατμών των οποίων η σχετική αναλογία μειώνεται με το ύψος λόγω

υδροσυμπύκνωσης και δημιουργίας των νεφών (Κεφ. 3 και 4). Η επιφάνεια της γης, μέσω της θέρμανσής της

από την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας ενεργεί ως πηγή θερμότητας του τροποσφαιρικού αέρα. Η

θερμική ισορροπία στη τροπόσφαιρα επιτυγχάνεται μέσω αγωγής και μεταφοράς θερμότητας από την

θερμότερη γη, της παγίδευσης θερμότητας διά του φαινομένου του θερμοκηπίου και του σημαντικού ρόλου

των υδρατμών σε αυτό (Κεφ. 7), όπως και της λανθάνουσας θερμότητας που εκλύεται κατά την συμπύκνωση

των υδρατμών στην τροπόσφαιρα και τη δημιουργία των νεφών (Κεφ. 3). Η τροπόσφαιρα περιέχει περίπου το

75% της ατμοσφαιρικής μάζας και το 99% των υδρατμών.

21

Σχήμα 1.2. Τυπικό προφίλ θερμοκρασίας μέχρι τα 100 km, στα μέσα γεωγραφικά πλάτη.

Η στρατόσφαιρα εκτείνεται υπεράνω της τροπόπαυσης. Είναι μια περιοχή αυξανόμενης

θερμοκρασίας μέχρι ένα μέγιστο ~270 Κ γύρω στα 50 km, όπου βρίσκεται η στρατόπαυση. Αρχικά

πιστεύονταν ότι η στρατόσφαιρα, όπως υποδεικνύει και το όνομά της, ήταν μια κινητικά ήσυχη,

διαστρωματωμένη περιοχή της οποίας η σχετική χημική σύσταση καθοριζόταν από το βαρυτικό διαχωρισμό

μέσω της μοριακής διάχυσης των αερίων συστατικών. Σήμερα είναι γνωστό ότι οι στρατοσφαιρική μάζα

υπόκειται σε συνεχή μίξη λόγω των ανέμων έτσι ώστε τα κύρια αέρια συστατικά, εκτός του όζοντος, να

βρίσκονται στην ίδια αναλογία όπως και στην τροπόσφαιρα. Η χωροχρονική κυκλοφορία των ανέμων, όπως

και η γένεση, αλληλεπίδραση, και διάδοση κυματικών διαταραχών στην στρατόσφαιρα, δεν είναι πλήρως

γνωστή και αποτελεί αντικείμενο έρευνας. Το ύψος της στρατόπαυσης (505 km) και η αντίστοιχη

θερμοκρασία (27020 Κ) μεταβάλλονται εποχικά. Η μετάβαση από την τροπόπαυση στην στρατόσφαιρα

χαρακτηρίζεται από απότομες μεταβολές στις συγκεντρώσεις δευτερευόντων συστατικών όπως των

υδρατμών, που ελαττώνονται απότομα λόγω και της περιορισμένης μίξης με την τροπόσφαιρα. Σε αντίθεση, η

συγκέντρωση του Ο3 αυξάνει κατά μία τάξη μεγέθους στα πρώτα λίγα χιλιόμετρα άνω της τροπόπαυσης,

λόγω συνδυαστικής δράσης στα ύψη αυτά χημικών και φωτοχημικών αντιδράσεων παραγωγής και απώλειάς

του (ενότητα 7.4).

Σε αντίθεση με την τροπόσφαιρα, στην στρατόσφαιρα επικρατεί μια θετική βαθμίδα της

θερμοκρασίας με το ύψος, dT/dz>0. Αυτή οφείλεται στην οζονόσφαιρα που εδράζεται κατά βάση στην

στρατόσφαιρα. Η συγκέντρωση του Ο3 τοποθετείται μεταξύ 15 και 65 km, έχοντας το μέγιστό της περί τα 25

km. Η παρουσία του Ο3 είναι θεμελιώδης στο ισοζύγιο ενέργειας επειδή απορροφά ισχυρά την υπεριώδη

ηλιακή ακτινοβολία μεταξύ 0,29 και 0,36 μm, εκεί όπου κανένα άλλο ατμοσφαιρικό αέριο δεν απορροφά,

ενεργώντας έτσι σαν μια αόρατη ασπίδα που προστατεύει τη βιόσφαιρα από τις καταστροφικές συνέπειες της

υπεριώδους ακτινοβολίας. Η φωτοδιάσπαση του στρατοσφαιρικού Ο3,

μm) 0,360

22

είναι εξώθερμη αντίδραση, ώστε η ενέργεια, hν, της υπεριώδους ακτινοβολίας που απορροφάται να

χρησιμοποιείται μόνο μερικώς για την διάσπαση του όζοντος, με το υπόλοιπο ποσό να μεταφέρεται ως

κινητική ενέργεια στα αέρια προϊόντα, τα οποία στη συνεχεία θερμαίνουν τον αέρα μέσω κρούσεων. Σαν

συνέπεια αυτού, και του συγκεκριμένου προφίλ της οζονόσφαιρας, η θερμοκρασία στην στρατόσφαιρα

αυξάνεται με το ύψος.

Η μεσόσφαιρα είναι η περιοχή μεταξύ της στρατόπαυσης και της μεσόπαυσης, όπου η θερμοκρασία

ελαττώνεται με το ύψος, dT/dz0. Αυτό οφείλεται σε εξώθερμες χημικές αντιδράσεις φωτοδιάσπασης και

φωτοϊονισμού μέσω της απορρόφησης της πλέον ενεργητικής υπεριώδους ακτινοβολίας (Κεφ. 7), ενώ

23

απουσιάζουν σημαντικοί μηχανισμοί απώλειας ενέργειας λόγω μειωμένης θερμικής εκπομπής. Οι διεργασίες

θερμικής ισορροπίας στην θερμόσφαιρα επηρεάζονται από τις μεταβολές στην προσπίπτουσα υπεριώδη

ηλιακή ακτινοβολία, συνεπώς η θερμόσφαιρα χαρακτηρίζεται από μεγάλη μεταβλητότητα: α) κανονική, π.χ.,

χαρακτηριστικές ημερήσιες, εποχικές και γεωγραφικές μεταβολές, και β) μη κανονική, π.χ., λόγω συμβάντων

ηλιακών διαταραχών όπως οι ηλιακές εκλάμψεις (solar flares). Η χημική σύσταση στην θερμόσφαιρα

καθορίζεται από το βαρυτικό διαχωρισμό και τη μοριακή διάχυση σε συνδυασμό με τις αντιδράσεις

φωτοδιάσπασης και φωτοϊονισμού.

Στην τροπόσφαιρα και στρατόσφαιρα περιλαμβάνεται το 99% της ατμοσφαιρικής μάζας. Από το

υπόλοιπο 1%, τα 9/10 περιέχονται στη μεσόσφαιρα και το μικρό υπόλοιπο στην θερμόσφαιρα. Η γη είναι η

μόνη από τους εσωτερικούς πλανήτες που έχει ένα ενδιάμεσο μέγιστο στο προφίλ της θερμοκρασίας, στη

στρατόπαυση. Αντίθετα ο Άρης και η Αφροδίτη έχουν τροπόσφαιρα και μεσόσφαιρα που διαχωρίζονται από

ένα ευρύ ισόθερμο στρώμα. Η διαφορά αυτή πιστεύεται ότι οφείλεται στην απουσία Ο2 και Ο3 στους

πλανήτες αυτούς.

1.4. Μεταβολή της Μάζας με το Ύψος

Η ατμοσφαιρική μάζα εκφράζεται συχνά από την πυκνότητα ρ, η οποία εξ ορισμού είναι η μάζα ανά μονάδα

όγκου. Με βάση το νόμο των ιδανικών αερίων (ενότητα 3.1), στον οποίο υπόκειται ο αέρας, η πυκνότητα ρ

είναι ανάλογη της ατμοσφαιρικής πίεσης p, του μοριακού βάρους μ, και αντιστρόφως ανάλογη της

θερμοκρασίας Τ, δηλαδή ρpμ/Τ. Δεδομένης μίας μέσης μοριακής μάζας m, η πυκνότητα μπορεί να

εκφραστεί από την αριθμητική πυκνότητα n, που ορίζεται ως ο αριθμός των μορίων ενός αερίου ανά μονάδα

όγκου, και έχει μονάδες m-3

. Μία άλλη φυσική ποσότητα που παρουσιάζει ενδιαφέρον είναι η μέση ελεύθερη

διαδρομή λ, δηλαδή η μέση απόσταση μεταξύ διαδοχικών κρούσεων των μορίων, η οποία προκύπτει ότι είναι

αντιστρόφως ανάλογη της αριθμητικής πυκνότητας, λ1/n.

z (km) Τ (K) ρ (kg/m

3 ) p (Pa) n (m

-3 ) μ ( g/mol) λ, (m)

0 288 1,23 x100 1,01 ×10

5 2,60 ×10

25 28,9 6,6 x10

×8

2 275 1,01 ×100 7,95 ×10

4 1,87 ×10

25 28,9 8,1 ×10

-8

4 262 8,19 ×10-1

6,15 ×104 1,41 ×10

25 28,9 9,9 ×10

-8

6 250 6,60 ×10-1

4,70 ×104 1,08 ×10

25 28,9 1,2 ×10

-7

8 236 5,26 ×10-1

3,57 ×104 7,89 ×10

24 28,9 1,6 ×10

-7

10 223 4,14 ×10-1

2,65 ×104 8,60 ×10

24 28,9 1,9 ×10

-7

20 217 8,89 ×10-2

5,53 ×103 1,85 ×10

24 28,9 9,1 ×10

-7

30 231 1,79 ×10-2

1,19 ×103 3,70 ×10

23 28,9 4,0 ×10

-6

40 260 4,01 ×10-3

3,00 ×102 8,30 ×10

22 28,9 1,6 ×10

-5

50 283 1,08 ×10-3

9,00 ×101 2,30 ×10

22 28,9 4,9 ×10

-5

60 245 3,70 ×10-4

2,25 ×101 7,53 ×10

21 28,9 2,7 ×10

-4

70 173 9,40 ×10-5

4,70 ×100 1,96 ×10

21 28,9 6,7 ×10

-4

80 168 1,36 ×10-5

6,60 ×10-1

2,84 ×1020

28,9 4,1 ×10-3

90 176 1,88 ×10-6

9,50 ×10-2

3,90 ×1019

28,9 6,5 ×10-1

100 210 2,80 ×10-7

1,74 ×10-2

6,00 ×1018

28,8 1,6 ×10-1

140 175 4,70 ×10-9

1,04 ×10-3

1,07 ×1017

27,2 2,2 ×10

180 1150 7,70 ×10-10

3,10 ×10-4

2,00 ×1016

26,2 1,2 ×102

220 1295 2,70 ×10-10

1,20 ×10-4

6,60 ×1015

24,9 3,5 ×102

260 1375 1,12 ×10-10

6,40 ×10-5

3,30 ×1015

23,8 8,3 ×102

300 1430 5,70 ×10-11

3,60 ×10-5

1,80 ×1015

22,6 1,8 ×103

400 1485 1,38 ×10-11

9,80 ×10-6

4,70 ×1014

19,9 8,6 ×103

500 1495 4,10 ×10-12

2,90 ×10-6

1,40 ×1014

17,9 3,2 ×104

Πίνακας 1.2. Τυπικές τιμές διάφορων ατμοσφαιρικών παραμέτρων μέχρι τα 500 km (U. S. Standard Atmosphere, 1976)

Όλες οι φυσικές ποσότητες που αναφέρθηκαν παραπάνω, και οι οποίες σχετίζονται με την

ατμοσφαιρική μάζα, υπόκεινται σε σημαντικές μεταβολές, κυρίως συναρτήσει του ύψους. Ο φυσικός λόγος

24

για τη μείωση της μάζας, ή της πυκνότητας, με το ύψος οφείλεται στη συνδυαστική δράση των δυνάμεων της

βαρύτητας και της αντίθετης σε αυτή δύναμης βαροβαθμίδας (δύναμη βαθμίδας πίεσης), όπως εκφράζονται

μέσω της συνθήκης υδροστατικής ισορροπίας, η οποία θα μελετηθεί αναλυτικά στο επόμενο Κεφάλαιο 2. Ο

Πίνακας 1.2 δίνει χαρακτηριστικές ημερήσιες μέσες τιμές των ποσοτήτων Τ, ρ, p, n, λ και μ για τα μέσα

γεωγραφικά πλάτη, για ύψη από μηδέν μέχρι τα 500 km. Οι τιμές αυτές χαρακτηρίζουν την λεγόμενη Τυπική

(standard) Ατμόσφαιρα.

Το Σχήμα 1.4 παρουσιάζει σε γραφική μορφή τις μεταβολές με το ύψος, ή τα προφίλ, των

παραμέτρων ρ, p, n, και λ, του Πίνακα 1.2, οι οποίες εμφανίζονται ανά ζεύγη σε δύο διαγράμματα, με τον

άξονα των τετμημένων (άξονα x) να είναι λογαριθμικός. Το αριστερό διάγραμμα περιλαμβάνει την πυκνότητα

και την πίεση ενώ το δεξιό την αριθμητική πυκνότητα και την μέση ελεύθερη διαδρομή. Όπως αναμένεται, οι

καμπύλες των log[(ρ(z)], log[(p(z)], και log[(n(z)] παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα, ενώ η υψομετρική

μεταβολή της log[(λ(z)] είναι σχεδόν αντίστροφη, ή κατοπτρική, των υπολοίπων.

Σχήμα 1.4. Χαρακτηριστικά προφίλ μέχρι τα 500 km των δεκαδικών λογαριθμικών τιμών της πυκνότητας (ρ), της πίεσης

(p), της αριθμητικής πυκνότητας (n), και της μέσης ελεύθερης διαδρομής (λ) για τη τυπική (standard) ατμόσφαιρα

Από το αριστερό διάγραμμα στο Σχήμα 1.4, βλέπουμε ότι μέχρι τα 100 με 120 km, ο λογάριθμος της

πίεσης (όπως και της πυκνότητας) ελαττώνεται σχεδόν γραμμικά με το ύψος, δηλαδή ισχύει η εξίσωση

,log)(log 0 azpzp (1.8)

όπου p(z) είναι η πίεση σε ένα ύψος z, p0 η πίεση στην επιφάνεια της γης (z=0), και a μια σταθερά που

αντιπροσωπεύει τη μέση κλίση Δ(log p(z))/Δz. Μία εκτίμηση του p0 μπορεί να γίνει αν λάβουμε υπόψη ότι η

μέση ατμοσφαιρική πίεση μπορεί να εκτιμηθεί