Věda a technika v pozadí
Atmosféra Země

Teorie

Jako první navrhl metodu k určení výšky atmosféry Alhazen. Jeho metodu použil Johannes Kepler a výšku atmosféry určil na 75 – 112 km. Metoda byla založena na myšlence, že čím vyšší je atmosféra, tím déle musí trvat soumrak. 

Modré zabarvení zemské atmosféry ve výšce 402 – 424 km nad povrchem Země pořízené na plaubě ISS.
Zdroj: www.nasa.gov.

Spodní vrstvy vzduchu jsou stlačovány horními, takže s narůstající výškou nad zemí rapidně ubývá hustoty vzduchu. Mezi zemským povrchem a výškou 5,5 km, bychom navážili 50 % celkové hmotnosti atmosféry a mezi zemí a výškou 36 km se nachází skoro všechna hmota našeho vzdušného obalu, tedy 99 %.

Atmosféra je směsí plynů, vodních kapiček, ledových krystalek a znečišťujících příměsí. Tzv. suchá a čistá atmosféra je tvořena dusíkem (78,1 %), kyslíkem (20,9 %), argonem (0,9 %), oxidem uhličitým, heliem, neonem, metanem, kryptonem, xenonem, ozonem, čpavkem a dalšími prvky. Uvedené složení je stejné až do výšky 90 – 100 km s výjimkou oxidu uhličitého, vodní páry a ozonu. S přibývající výškou nad 100 km ubývá těžších plynů a nejvyšší vrstvy jsou tvořeny především vodíkem.

Objemový podíl oxidu uhličitého, vodní páry, sirovodíku a oxidu siřičitého je proměnlivý. Řídí se denní dobou, teplotou, nadmořskou výškou, vegetací a stavem narušení ekologické rovnováhy. Oxid uhličitý se do ovzduší dostává dýcháním, při fotosyntéze, spalováním látek obsahujících uhlík, sopečnými výbuchy. Významně se podílí na skleníkovém efektu.

Atmosféra má tendenci tvořit vrstvy. Dělení a pojmenování jednotlivých vrstev závisí na různých hlediscích. Nejznámější je členění atmosféry podle průběhu teploty vzduchu s nadmořskou výškou, rozlišujeme tyto základní vrstvy: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra, exosféra. Mezi nimi existují přechodové vrstvy (tzv. pauzy) – tropopauza, stratopauza, mezopauza, termopauza, které se označují podle příslušné níže ležící základní vrstvy.

Řez atmosférou Země.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.‘

Troposféra (z řeckého tropos – obracet, míchat) sahá na různých místech Země do různé výšky: v rovníkových oblastech do 16 – 18 km, v oblastech mírného pásu do 10 – 12 km, nad póly jen do 7 – 9 km. V troposféře jsou téměř ¾ z celkové hmotnosti atmosféry a prakticky všechna atmosférická voda, proto v ní probíhají téměř veškeré děje označované jako počasí. Troposféra je oblastí neustálého svislého promíchávání vzduchu, rychlost proudění vzduchu obvykle roste s výškou. V troposféře převládá pokles teploty vzduchu s rostoucí nadmořskou výšku (průměrně 0,65 °C na 100 m). Teplota vzduchu poblíž horní hranice troposféry je v rovníkových oblastech –80 °C, v oblastech mírného pásu –60 °C, v polárních oblastech –45 °C v létě a –65 °C v zimě. 

Silueta raketoplánu v pozadí s atmosférou. Oranžová vrstva je troposféra, bílá vrstva stratosféra a modrá vrstva mezosféra.
Zdroj: www.nasa.gov.

Stratosféra sahá až do výšky přibližně 50 km od tropopauzy. Tropopauza je přechodová vrstva mezi troposférou a stratosférou, která má mocnost od několika set metrů až do tří kilometrů. V horní části stratosféry roste teplota vzduchu v průměru o 0,03 °C na 100 m. Poblíž horní hranice je teplota až 0 °C. To je způsobeno zvýšenou koncentrací ozonu, který pohlcuje ultrafialové záření a tím se zahřívá. Velkou koncentraci ozonu označujeme jako ozonosféra. Rychlost proudění ve stratosféře s výškou nejprve klesá až do výšky 25 km a potom opět roste. Ve stejné výšce můžeme vzácně pozorovat tzv. perleťové oblaky. Vzduch ve stratosféře je velmi řídký, sluneční světlo se tu jen málo rozptyluje na molekulách plynů, obloha tu proto nemá známou modrou barvu, ale je tmavě fialová. Je tu také velmi málo vodní páry, a proto se tu netvoří téměř vůbec žádné oblaky. 

Perleťová oblaka.
Zdroj: www.nasa.gov.

Mezosféra se rozprostírá od stratopauzy až do cca 80 km. V této vrstvě teplota vzduchu klesá, u horní hranice dosahuje teploty až –80 °C. Proudění v mezosféře je značně proměnlivé. V blízkosti horní hranice můžeme pozorovat noční svítící nebo–li stříbřité oblaky. 

Noční svítící oblaka.
Zdroj: www.nasa.gov.

Termosféra se rozprostírá nad mezosférou. S rostoucí nadmořskou výškou tu teplota vzrůstá, ve výšce 200 až 300 km teplota dosahuje až stovek °C, ve vyšších vrstvách termosféry se tento růst teploty zpomaluje. Konec termosféry se vyskytuje ve výškách kolem 1000 km. V termosféře vznikaji polární záře. Termopauza je oblast s nejvyšší teplotou atmosféry.

Exosféra se rozprostírá od termopauzy až do 30 až 40 tisíc km. Obsahuje lehké plyny, které z ní unikají do okolního meziplanetárního prostoru.

Další možností členění atmosféry je podle složení vzduchu na dvě vrstvy: homosféra a heterosféra. V homosféře se zastoupení jednotlivých plynů nemění, protože se zde vzduch neustále turbulentně promíchává. V heterosféře koncentrace lehčích prvků ubývá s výškou pomaleji než plynů těžších (kyslíku a dusíku). Proto se ve výškách několika set kilometrů vyskytuje vrstva helia a ve výškách několika tisíc kilometrů převládá vodík.

Sluneční záření způsobuje v atmosféře fotoionizace a fotodisociaci díky nimž vznikají ionty a volné elektrony. V dolních vrstvách atmosféry k tomuto jevu nedochází, koncentrace iontů a volných elektronů je tu zanedbatelně malá, proto se tato vrstva označuje jako neutrosféra. Na ní navazuje ionosféra, která je díky velké koncentraci iontů a volných elektronů elektricky vodivá, a proto odráží některé frekvence elektromagnetického záření zpět k zemi.