32-9 Fyzika atmosféry

32-9 Fyzika atmosféry

Ak sa odpútame od povrchu Zeme a začneme stúpať, teplota vzduchu začne klesať, každý kilometer približne o 6 °C. Príčinou poklesu teploty je, že lúče Slnka nezohrievajú vzduch bezprostredne; vzduch získava teplo konvektívnym prúdením z povrchu Zeme. Vzduch, ktorý je v priamom styku s pôdou sa zohreje, zvýši sa v ňom tlak v dôsledku čoho sa začne rozpínať, čím jeho hustota klesne a začne stúpať. Vo väčšej výške je aj tlak nižší. Vieme, že rozpínanie sa plynu je vždy spojené s poklesom teploty plynu – vo väčšej výške je tlak menší, preto stúpajúci a chladnúci plyn sa nestlačí na svoj pôvodný objem a ani jeho teplota sa nevráti na pôvodnú hodnotu, ktorú mal, keď prevzal z pôdy teplo. Skutočne, pokles teploty 6 °C na jednom kilometri je v dobrej zhode s tým ochladením, ktoré môžeme očakávať na základe rozpínania sa vzduchu preneseného o kilometer vyššie, kde je nižší tlak.

Začiatkom 19-ho storočia sa predpokladalo, a verilo sa tomu, že takýto pokles teploty vzduchu narastajúcou výškou pokračuje až po samotný okraj atmosféry, kde je jeho teplota veľmi blízka absolútnej nule medziplanetárneho priestoru. Výskumy pomocou meteorologických balónov a neskôr pomocou rakiet ukázali, že to tak nie je. Merania ukázali, že pokles teploty vzduchu vo výške 20 km končí, keď dosiahne svoju minimálnu hodnotu 210 K (zaokrúhlene približne − 60 °C). Ak budeme stúpať ďalej, teplota začne rásť skoro až k bodu mrazu vody, potom znova začne klesať až na hodnotu 180 K (teda − 90 °C – pozri obr. 32.10). Zvislé konvektívne prúdy vo výške 20 km ustanú, a vzduchové vrstvy vo výškach medzi 20 − 80 km sa skoro vôbec nepremiešavajú. Vrstvu atmosféry s  konvektívnym prúdením nazývame troposféra. Vrstva nad 20 km, ktorá je bez mrakov a vlhkosti sa nazýva stratosféra.

Zmena teploty nad 80 km sa znova zmení: rastom výšky teplota sa znova zvyšuje, vo výške 160 km dosiahne teplotu bodu varu vody, a vo výške 250 km dosiahne dokonca bodu varu olova! (Pozri obr. 32.10.) Nemyslime si však, že tí, ktorí vyletia do tejto výšky sa upečú ako mäso v trúbe! Pravda, rýchlosť molekúl v týchto výškach je tak vysoká, aká vysoká by bola teplota vzduchu na povrchu Zeme pri spomínaných teplotách. Hustota vzduchu, v týchto veľkých výškach, je totiž mimoriadne nízka – je menšia, než miliardtina normálnej hustoty vzduchu – preto ich schopnosť viesť teplo je rovnako nízka. Na úrovni hladiny mora, v teplej, či studenej izbe, dopadá na každý centimeter štvorcový ľudskej pokožky 1025 molekúl každú sekundu, a tento veľký počet zrážok zohrieva alebo ochladzuje telesá tak rýchlo, ako sme si na to ozvykli. Vo výške 250 km však počet zrážok je miliardkrát menší, a tomu zodpovedajúc, molekuly sú schopné dodať či odčerpať za sekundu tomu úmerne menšie množstvo tepla. Teplotu telies v týchto výškach, akými sú napríklad umelé družice, určuje bilancia medzi množstvom absorbovanej energie slnečného žiarenia a energie následne vyžiarenej telesom.

Nárast teploty vzduchu vo vrchnej atmosfére súvisí so silnou absorpciou ultrafialovej zložky slnečného žiarenia. Keď ultrafialové kvantá svetla, pochádzajúce zo Slnka, sa dostanú do vrchnej atmosféry, vyrazia z  vonkajších elektrónových vrstiev atómov dusíka a kyslíka elektróny. Rýchlosť vyrazených elektrónov je vysoká (kinetická energia elektrónu = energia kvanta - väzbová energia elektrónu) – neustály slnečný svit udržuje takto termicky vybudený stav na konštantnej úrovni. Hustota v  tejto výške je veľmi nízka, a nízka je aj pravdepodobnosť zrážok – kladné ióny atómov a elektróny sa pohybujú relatívne dlho bez šance sa znova zjednotiť do elektricky neutrálneho atómu. Dôsledkom je, že v tejto výške je vzduch neustále značne ionizovaný. Táto časť zemskej atmosféry, teda ionosféra (s vysokým výskytom elektrónov a kladných iónov) veľmi dobre vedie elektrický prúd, a efektívne odráža rádiové vlny, ktoré odrážajúc sa medzi povrchom a ionosférou môžu obkrúžiť celú zemeguľu (obr. 32.11). Dobrá schopnosť ionosféry viesť elektrický prúd má za následok, že sa môžu v nej vytvoriť dosť nepravidelne tečúce elektrické prúdy. Ionosferickými prúdmi generované magnetické polia sa skladajú s magnetickým poľom Zeme a spôsobujú slabšie premenné fluktuácie v magnetickom poli.

Ionosféra takmer úplne pohltí ultrafialové žiarenie Slnka, ktoré jej dodáva relatívne vysokú teplotu. Naša Zem je však vyložená aj iným žiareniam. Zo Slnka dopadajú relatívne pomaly sa pohybujúce nabité častice, ktoré sú magnetickým poľom Zeme vychýlené smerom k magnetickým pólom, kde vstúpia do interakcie s atmosférou a vytvárajú nádherné scenérie polárnej žiare. Zem bombardujú aj vysokoenergetické častice kozmického žiarenia (magnetické pole Zeme nie je dosť silné na ich vychýlenie), a vstúpia do interakcie s vrchnou atmosférou, aj s  ionosférou. V zrážkach sa vytvárajú spŕšky druhotných častíc (častíc a antičastíc), ktoré dopadajú až na Zem. Ionosféru rozrážajú aj rýchli poslovia medziplanetárneho priestoru, meteory.

Ochranu astronautov obiehajúcich okolo Zeme v značnej miere zabezpečuje magnetické pole Zeme pred časticovým žiarením Slnka, ale atmosféra už nie. Rakety sa stavajú s dôrazom na nízku hmotnosť, preto steny kabín neposkytujú takú mieru ochrany, akú poskytuje mnoho kilometrová atmosféra tvorom žijúcim na povrchu planéty. Tento problém získa na závažnosti, až človek bude chcieť vybudovať základňu na Mesiaci, či cestovať v  medziplanetárnom priestore, kde absorbovaná dávka žiarenia pri zásahu zo slnečnej erupcie dosiahne aj dávku 10 Gy, ktorá je už smrteľná.