2. Zemes klimats un to veidojošie faktori
2.2. Zemes atmosfēra un tās uzbūves ietekme uz klimatu
Zemes atmosfēras uzbūve un sastāvs ietekmē Saules starojuma pārvērtības un līdz ar to Zemes klimatu.
Zemes atmosfēra nav viendabīga, tai ir izteikti slāņaina uzbūve. Atmosfēru veido dažāda biezuma zonas – troposfēra, stratosfēra, mezosfēra, termosfēra un eksosfēra, kurām ir atšķirīgas fizikālķīmiskās īpašības (2.2. attēls). Starp šīm zonām atrodas pārejas zonas – tropopauze, stratopauze un mezopauze.
Troposfēra ir atmosfēras apakšējais slānis, kas saskaras ar litosfēru, hidrosfēru, biosfēru un ir vitāli svarīgs dzīvības nodrošināšanai uz Zemes. To visvairāk ietekmē Zemes virsma. Temperatūra troposfērā pazeminās līdz ar attālināšanos no Zemes virsmas. Būtiskākās troposfēras iezīmes: augstums no 0 līdz ≈ 16 km, raksturīga temperatūras pazemināšanās līdz ar augstumu ≈ 6,5 ºC/km, dominē spēcīga vertikālā gaisa sajaukšanās un horizontālā pārnese. Troposfēra satur ≈ 80% atmosfēras masas un gandrīz visu atmosfēras ūdeni.
Tropopauze ir pirmais aukstais slieksnis, kas veido robežu starp troposfēru un stratosfēru, un tajā sākas temperatūras inversija (parādība, kad siltāks gaiss atrodas virs vēsāka gaisa).
Stratosfēra atrodas 10–50 km attālumā no Zemes virsmas, bet tās temperatūras režīmu raksturo tas, ka ≈ 20 km augstumā gaisa temperatūra sāk paaugstināties (sk. 2.2. att.).
2.2. att. Temperatūras mainība atkarībā no attāluma līdz Zemes virsmai.
Temperatūras inversijas cēlonis stratosfērā ir fotoķīmiskas reakcijas (gaismas starojuma reakcijas ultravioletā starojuma iedarbībā), kas sekmē ozona (O3) veidošanos. Fotoķīmiskajās reakcijās tiek saistīta daļa gaismas starojuma enerģijas. Maksimālā ozona koncentrācija novērojama ≈ 25 km augstumā, bet maksimālā temperatūra – apmēram 50 km augstumā. Šādu temperatūras sadalījumu ietekmē gaisa retinājums. Liela daļa enerģijas tiek absorbēta augšējos stratosfēras slāņos un nesasniedz maksimālās ozona koncentrācijas zonu, taču, tā kā gaisa blīvums ir zems, siltuma enerģijas pārnese no augšējiem stratosfēras slāņiem ir lēna.
Slānis, kas atrodas tuvu 50 km augstumam, veido stratopauzi, kas ir temperatūras inversijas augšējā robeža. Gaisa spiediens stratopauzē ir zems (≈ 1 milibārs, mb), un tas nozīmē, ka tikai 1/1000 daļa no visām atmosfērā esošajām molekulām atrodas virs šī līmeņa. Mezosfēra atrodas virs stratosfēras (apmēram 50–90 km), tajā temperatūras pazemināšanās notiek līdz ar augstuma palielināšanos. Mezosfēras augšējā daļa ir aukstākā atmosfēras daļa. Kaut arī gaisa blīvums mezosfērā ir ļoti zems, atmosfēras sastāvs tajā ir tāds pats kā piezemes slānī.
Termosfēra ir atmosfēras slānis virs ≈ 90 km augstuma, kuram nav noteiktas augšējās robežas. Termosfērā atmosfēru veidojošo gāzu molekulas absorbē kosmisko starojumu, Saules gamma (γ) starojumu, rentgenstarojumu un nozīmīgu daļu ultravioletā starojuma, tādēļ atmosfēru veidojošo gāzu molekulu kustības ātrums pieaug. Šo gāzu molekulas, mijiedarbojoties ar augstas enerģijas elektromagnētisko starojumu, var zaudēt elektronus, un tāpēc atmosfēras augšējos slāņos tās pastāv brīvu atomu vai jonu veidā. Tā kā Saules enerģija ir būtiski atkarīga no Saules aktivitātes, temperatūra šajā slānī ir mainīga. Virs termosfēras ≈ 500 km augstumā atmosfēru veidojošo gāzu molekulas var veikt ≈ 10 km distanci, pirms tās saduras cita ar citu. Raksturīgi, ka šajā apgabalā molekulas kustoties var iziet no Zemes gravitācijas ietekmes kosmosā. Šo reģionu, kur atomi un molekulas nonāk kosmiskajā telpā, sauc arī par eksosfēru.
2.1. tabula. Galveno atmosfēras zonu raksturojošie parametri
Atmosfēras procesus būtiski ietekmē elektromagnētiskā starojuma mijiedarbība ar atmosfēru veidojošām gāzēm. Atmosfēru pamatā veido slāpeklis (78%) un skābeklis (21%), bet arī ūdens tvaikiem un ogļskābajai gāzei1 ir būtiska nozīme klimata veidošanā.
1 Mitrā gaisā pie Zemes virsmas ir vidēji no 0,2% (polārie platumi) līdz 2,5% (ekvators), bet dažos gadījumos pat līdz 4% ūdens tvaiku, bet ogļskābā gāze (CO2) veido 0,035% atmosfēras tilpuma.