2. Atmosfäär

Atmosfäär ehk õhkkond on Maad ümbritsev õhukiht. Tänu gravitatsioonile püsib see gaasiline kiht maakera küljes ja pöörleb ning tiirleb koos sellega. Ka teistel taevakehadel esineb atmosfääre, aga kuna need on teistsuguse koostisega, ei nimetata neid õhkkondadeks.

Atmosfääri koostis

Õhk on gaaside segu. Meteoroloogias eristatakse õhkkonnas puhast ja kuiva õhku, veeauru ning aerosoole. Puhta ja kuiva õhu koostis on maapinna läheduses kogu maakeral peaaegu ühesugune, aga veeauru ja aerosoolide sisaldus erineb piirkonniti päris palju.

Puhta ja kuiva õhu koostis:

• Lämmastik (N₂) 78%

• Hapnik (O₂) 21%

• Argoon (Ar) 0,93%

• Süsinikdioksiid (CO₂) 0,03%

Võrdluseks – Marsi atmosfäärist moodustab üle 95% CO₂, hapnikku on seal kõigest 0,13% viide.

Lämmastik satub õhku orgaanilise aine (nt taimejäänused) lagunemisel ja on vajalik toitaine taimede kasvuks.

Hapnik tekib fotosünteesil ja seda vajavad elusorganismid hingamiseks.

Süsihappegaas vabaneb fossiilsete kütuste põletamise, vulkaanipursete ja organismide hingamise käigus. Kuna süsihappegaas neelab pikalainelist soojuskiirgust, aitab ta sellega kaasa kasvuhooneefektile. Süsihappegaasi hulga suurenemise õhus aitab kaasa globaalsele soojenemisele.

Teisi gaase on õhus imevähe, kokku kõigest 0,03%. Teiste gaaside hulka kuuluvad näiteks metaan (CH₄), vesinik (H₂), naerugaas (N₂O), vingugaas (CO) ja osoon (O₃).

Õhuniiskus. Täiesti puhast ja kuiva õhku looduses ei esine. Lisaks eelpool nimetatud gaasidele on õhus olenevalt piirkonnast 0,5-4% veeauru. Maksimaalne õhus oleva veeauru hulk sõltub õhu temperatuurist. Soojem õhk mahutab rohkem veeauru kui külm. Kui soe õhk jahtub, aga tema veeauru sisaldus ei muutu, tekib mingi temperatuuri juures olukord, kus veeauru on sellise temperatuuriga õhu jaoks liiga palju. Siis muutub õhus olnud veeaur küllastunud auruks ja kui temperatuur veel langeb, hakkab veeaur kondenseeruma. Selle tagajärjel tekivad udu, kaste või härmatis. Sellist temperatuuri, mille juures antud õhus olev veeaur ületab kriitilise piiri ja muutub küllastunud auruks, nimetatakse kastepunktiks.

Kõrguse kasvades atmosfääris õhu temperatuur langeb. Kui näiteks mägedes liigub õhk mäenõlva mööda üles ja jahtub kastepunktini, kondenseerub veeaur mikroskoopilisteks piiskadeks ja hakkavad tekkima pilved.

Ilmateadetest tuttav suhteline õhuniiskus on protsent maksimaalsest võimalikust õhuniiskusest antud temperatuuril. Udu korral on suhteline õhuniiskus 100% ja kastepunkt võrdne õhutemperatuuriga, see on just see olukord, kus on hakanud tekkima kondenseerumine. Udu ongi sisuliselt pisikesed veepiisad õhus, mis ei ole piisavalt rasked, et maapinnale kukkuda.

Atmosfääri ehitus

Maa atmosfääri alumine piir on planeedi pind, ülemine piir aga ei ole täpselt määratletav. Kõrguse suurenedes Maa gaasikest hõreneb ning väga hõre õhkkond ulatub Maa pinnast isegi kuni tuhandete kilomeetrite kõrguseni. Meteoroloogias loetakse atmosfääri ülapiiriks 1000-1200 km, selleks on aluse andnud hämarikunähtused ja virmaliste vaatlused. Õhk paikneb Maa atmosfääris ebaühtlaselt – ligikaudu 99% atmosfääri massist asub kihis, mis ulatub maapinnast kuni 30-35 km kõrgusele. Atmosfäär jaguneb vertikaalselt kihtideks selle alusel, kuidas temperatuur kõrguse kasvades tõuseb või langeb. Sfääre eraldavad üksteisest õhukesed kihid, milles temperatuuri gradient muudab märki. Neid kihte nimetatakse pausideks – tropopaus, stratopaus, mesopaus.

Troposfäär. Pooluste kohal õhem (kuni 8 km), ekvaatori kohal paksem (kuni 18 km). Eestis ulatub keskmiselt 11 km kõrguseni. Sellesse kihti on koondunud enamik atmosfääris sisalduvast veeaurust, pilvedest ja tolmust. Kokkupuutel maapinnaga soojenevad kõige rohkem õhu alumised kihid, seepärast kõrguse suurenedes temperatuur langeb (umbes 6,4 °C 1 km kohta). Ka horisontaalselt on temperatuur erinev, sest Päike soojendab eri piirkondi erinevalt.

Stratosfäär. Troposfääri kohal 50-55 km-ni kõrgub stratosfäär, mille alaosa on külm, ülaosas tõuseb temperatuur koos kõrguse kasvuga. Stratosfääri on koondunud suurem osa osooni, mis neelab päikesekiirgust ja seetõttu tõuseb ka stratosfääri temperatuur. Osoonikiht täidab väga olulist ülesannet, neelates Päikeselt lähtuvat lühilainelist ultraviolettkiirgust, mis kahjustab elusaid rakke. Seega kaitseb osoon meie planeedi elu hukkumise eest. Loe lisaks osoonikihi kahjustumisest ja tulevikuväljavaadetest.

Stratosfääris paiknevad ka polaarsed stratosfääripilved ehk pärlmutterpilved. Need on väga haruldased pilved, mis tekivad tropopausi kohal, kui temperatuur langeb väga madalale (-80 °C). Sagedamini juhtub seda talvise Antarktika kohal, kuid ka põhjapoolkeral võib neid vahel tekkida. Oma nime on pärlmutterpilved saanud sellest, et nad on tavaliselt erksalt vikerkaarevärvilised ja pastelsed ning sageli lainekujulised viide

Mesosfäär ulatub kuni 80 km kõrguseni. Kuna mesosfääris pole veeauru, siis temperatuur kõrguse suurenedes langeb. Mesosfääri ülemisel piiril on temperatuur juba rohkem kui 100 kraadi alla nulli.

Paljud gaasimolekulid muutuvad mesosfääris päikesekiirte mõjul ioonideks. Teiste sõnadega: gaasiaatomitest vabanevad elektronid ja varem neutraalsed gaasid saavad laengu, mille tagajärjel muutub õhk elektrijuhiks. Esimene selline ioniseeritud kiht asub 50-65 km kõrgusel Maast ja neelab raadiolühilaineid. Nähtus esineb üksnes päeval. Öösiti, Maa valgustamata poolel, ühinevad vabad elektronid taas positiivselt laetud gaasimolekulidega ning õhukihtide elektrijuhtivus väheneb. Mesosfääris põlevad ära meteoorid ja esinevad helkivad ööpilved. Helkivad ööpilved tekivad 75-90 km kõrgusel ja nende tekkeks on vaja temperatuuri langemist -120 °C-ni. Koosnevad ilmselt ülipeentest jääkristallidest. Me näeme neid pilvi tänu sellele, et Maa serva tagant paistev päikesevalgus peegeldub pilvedelt ja jõuab meieni viide.

Termosfääris temperatuur kõrguse suurenedes tõuseb. Termosfääri ulatus ja temperatuur kõiguvad ööpäeva ja aasta lõikes. Päeval tõuseb temperatuur kuni 800°C-ni ja kiht paisub märgatavalt, öösel jahtub maha ja tõmbub kokku. Koosneb peamiselt hapnikust ja lämmastikust. Termosfääri nähtuste hulka kuuluvad virmalised, mis tekivad u 100 km kõrgusel Maast. Virmalised ehk põhjavalgus on atmosfääri kõrgemates kihtides esinev optiline nähtus, mille põhjustajaks on Päikeselt lähtuvate laetud osakeste (nn päikesetuule) kokkupõrked Maa atmosfääri osakestega.

Kui ergastatuks osutub atomaarne hapnik, kiirgub sellest kas rohelist (100–150 km kõrgusel) või punast (umbes 250 km kõrgusel) valgust. Molekulaarne lämmastik kiirgab aga punakat või violetset valgust. Nende värvuste vaheldumine pakub lummavat vaatemängu, mida võib mõnikord näha ka Eestis.

Kõrgemal kui 800 km asub atmosfääri viimane kiht, järk-järgult planeetidevaheliseks ruumiks üleminev eksosfäär, kus Maa atmosfääri tihedus läheneb maailmaruumi tihedusele. Gaasi tihedus on eksosfääris nii väike, et molekulid ja aatomid võivad läbida kümneid ja sadu kilomeetreid enne, kui põrkuvad naabermolekuliga.