Atmosfera, ultimul invelis al planetei pamant - identitate, forma si dimensiuni

Atmosfera -  identitate, forma si dimensiuni

1. Definirea atmosferei

Atmosfera este invelisul gazos al Pamantului si ultimul din geosistem de aceea este considerat interfata dintre corpul planetar si spatiul interplanetar.

Din punct de vedere fizic, atmosfera este constituita dintr-un amestec de gaze, purtand in suspensie particule solide, lichide sau gazoase suplimentare, de origine terestra sau cosmica, naturala sau antropica. Particulele solide, gazoase sau lichide in suspensie in aerul atmosferic constituie ansamblul fizic numit aerosolul atmosferic.

Aerul atmosferic pur, adica amestecul de gaze dat, luat in discutie fara aerosolul atmosferic, este cunoscut in Fizica atmosferei si sub denumirea de aer uscat si i se atribuie urmatoarele proprietati: este incolor, inodor, insipid, este compresibil si extensibil, are masa si exercita presiune, este in miscare continua atat in plan vertical cat si in plan orizontal, dupa legi proprii, dar in afara oricaror granite conventionale, omenesti.

Ca mediu fizic gazos, teoretic aerul atmosferic este considerat drept un gaz ideal si atunci poate fi asimilat cu oricare alt fluid, aplicandu-i-se legile fizicii si in particular cele ale mecanicii fluidelor.

Fig. 1. Raportul de pozitie intre Pamant, atmosfera terestra si Soare prin intermediul spatiului interplanetar

Atmosfera este considerata a fi un sistem termodinamic deschis (fig. 1.) care:

se interconditioneaza determinant la limita sa inferioara cu litosfera, hidrosfera, criosfera si biosfera prin schimburi termice, mecanice si chiar de constituenti (cum ar fi cenusa vulcanica, spori, fractiuni de polen si nu in ultimul rand vapori de apa respectiv componenta atmosferica a circuitului apei in natura);

interactioneaza radiativ la limita sa superioara cu Soarele si spatiul extraatmosferic ca in figura 1.

Astfel, prin intermediul filtrului impus de atmosfera, Planeta Vietii primeste de la SOARE numai energia strict necesara perpetuarii vietii (infinit mai mica decat ceea ce ofera sursa!) si totodata radiaza la randul sau, spre cosmos, numai energia care-i prisoseste, intr-un echilibru, de bilant, dat . Cu alte cuvinte, invelisul atmosferic “lasa sa treaca” este deci “transparent” numai pentru acea cantitate si calitate de radiatii care sa fie folositoare, nu distrugatoare vietii pe Pamant; pentru restul radiatiilor solare sau cosmice, atmosfera este un filtru de netrecut, prin structura-i data si prin functiunile atribuite numai ei in geosistem.

Se desprinde deci ideea ca activitatea de filtraj radiativ a atmosferei este pe cat de radicala pe atat de fin potentata la diverse inaltimi ale invelisului; grila optima se obtine prin diverse modalitati, toate fiind posibile numai prin datele initiale de structura si functionalitate impuse atmosferei actuale inca de la constituirea ei ca PARTE a intregului geosistem TERRA.

Asadar, atmosfera ca invelis, adica interfata dintre geoid si cosmos, prin compozitie, structura si functiuni, este indispensabila vietii pe Planeta Albastra.

2. Opinii asupra originii atmosferei

O prima categorie de ipoteze asupra aparitiei invelisului atmosferic considera ca atmosfera de astazi este o reminiscenta a masei gazoase incandescente, primordiale, care a intrat in insasi constitutia Pamantului la momentul initial de formare.

O a doua categorie de ipoteze o neaga pe prima, sustinand ca gazele constituente ale atmosferei actuale au aparut in cadrul unei “atmosfere secundare” (ca moment de geneza), rezultand in urma unor eruptii vulcanice la scara spatio-temporala foarte larga sau/si a emanatiilor unor izvoare termale, a descompunerilor chimice iar mai tarziu a contributiilor vegetale.

Unii autori din acest spectru teoretic sustin ca inceputurile structurale ale atmosferei actuale s-ar afla in Cambrian (cu 580 milioane de ani in urma). Ulterior, prin interactiunea permanenta cu celelalte geosfere ale Pamantului, atmosfera s-ar fi desavarsit pana la forma actuala.

O a treia categorie de ipoteze este de orientare creationista si nu acorda atmosferei o varsta mai mare de 10.000 - 30.000 de ani cat acorda de fapt actualului ansamblu de mediu pe Terra, care ar fi aparut odata cu omul, si pentru acesta, ca un act global de creatie divina.

3. Forma si dimensiunile de baza ale atmosferei

Forma atmosferei

Intrucat efectueaza, impreuna cu Pamantul (sub aceeasi viteza unghiulara W = 7,29 10⁵s^-1), cunoscuta miscare de rotatie in jurul axei Polilor, atmosfera are forma elipsoidului de rotatie; este deci bombata la Ecuator si turtita la Poli; gradul ei de turtire este mult mai accentuat decat al corpului solid al planetei, a carui raza polara este cu numai 21 km mai scurta decat raza ecuatoriala (fig. 2).

Fig.2. Forma si dimensiunile geoidului Terra

Masa atmosferei

Masa atmosferei este de aproximativ 5,16 10¹⁵t, reprezentand numai o milionime din masa Pamantului, care este de 5,98 10²¹t. Masa atmosferei scade spectaculos de rapid cu altitudinea la fel si densitatea sa si implicit presiunea pe care o exercita acest invelis la diferite nivele atmosferice. Tabelul 1. prezinta greutatea pe care o are 1m³ de aer recoltat la diverse inaltimi atmosferice.

Tabelul 1. Masa aerului continuta intr-o unitate de volum, la diferite inaltimi in atmosfera

Se apreciaza ca jumatate din masa atmosferei este concentrata intr-un prim strat, aderent la planeta, a carui grosime este de numai 5 km. Continuand ideea, se mai afirma ca 75% din masa atmosferica totala se afla cantonata in stratul cuprins intre nivelul 0 al marii si nivelul altitudinal de 10km al invelisului si ca pana la nivelul de 36km sau 50km (dupa diversi autori) ar incapea aproape 99% din totalul de masa al invelisului atmosferic.

Nu este de neglijat faptul, ca pentru restul invelisului, cuprins intre inaltimea de 36km sau 50km si inaltimea de 1000km, 2000km sau 3000km (depinzand de autor) ramane numai 1% masa atmosferica, infima deci si tocmai de aceea “diasporata” la distante uriase de pana la 100km intre particulele participante.

Grosimea atmosferei

Grosimea atmosferei nu poate fi inca masurata direct deoarece mijloacele tehnice ale omenirii nu au ajuns la nivelul unei asemenea performante. Se poate insa calcula aceasta dimensiune, pornind de la anumite date initiale, dar tocmai de aceea sunt mai multe propuneri (ca si in cazul limitei superioare a atmosferei).

Daca vrei sa stii si altceva…

Sensul fizic al notiunii de grosime a atmosferei se prezinta astfel:

- atmosfera se considera in echilibru hidrostatic, adica greutatea fiecarui strat infinitezimal de aer de suprafata este egala cu forta gradientului baric (gradientul presiunii).

dp = -rgdz     sau

-rg

(2.1)

Semnul minus arata ca presiunea scade cu inaltimea; g - reprezinta acceleratia gravitationala si scade cu inaltimea:

g =

cu g₀ acceleratia gravitationala la nivelul marii si latitudinea de 45° (9,814 m/s²) iar a, raza Pamantului.

Aerul atmosferic din punct de vedere fizic este asimilat gazului ideal si starea lui este caracterizata prin parametrii de stare (p,r,T) intre care exista relatia cunoscuta:

(2.2)

unde m este masa molara a aerului.

Dar, pentru aerul atmosferic ca amestec de mai multe componente gazoase este valabila si legea lui Dalton:

p = (2.3)

unde p_i  este presiunea partiala a gazului (adica presiunea pe care o are un component gazos in amestec daca ar ocupa singur intregul volum).

Pentru amestecul de gaze ecuatia de stare va avea expresia:

pV = (2.4)

cu m masa molara a amestecului care defineste, in functie de masele molare ale componentelor gazoase si numarul de moli pentru fiecare component:

(2.5)

Tinand seama de ecuatia echilibrului hidrostatic (2.1) si de ecuatia de stare (2.3) se poate deduce dependenta presiunii de timp si de inaltime:

dp = - (2.6)

sau adica dlnp = - (2.7)

Aceasta ultima ecuatie se poate integra intre doua niveluri p₀ si p, cu p₀ presiunea corespunzatoare nivelului marii.

Se obtine:

p= p₀ expexp                                    (2.8)

Unde am definit parametrul H = numit parametrul de scala al atmosferei.

Daca se considera temperatura constanta (T=273K), g=9,8 m/s² iar m=28,96 kg/kmol, se obtine pentru inaltimea de scala valoarea de 8 km.

H = 8 km

Asadar, daca temperatura este constanta atunci variatia presiunii cu inaltimea va fi pentru aerul atmosferic bine amestecat urmatoarea:

p = p₀ e^-z/H (2.9)

Se observa ca H arata inaltimea la care presiunea scade de e ori (e^-1 = 0,37), inaltimea la care aproximativ 2/3 din masa este continuta in stratul de aer.

Sub inaltimea de 100 km mecanismele prin care se realizeaza amestecul aerului (convectia, turbulenta, etc.) sunt foarte active ipoteza aerului bine amestecat fiind valabila. Pe de alta parte, echilibrul hidrostatic se stabileste aproape instantaneu si ca urmare, sub inaltimea de 80-100 km compozitia aerului (exceptand constituentii minori) este constanta

si se poate aplica pentru variatia presiunii cu inaltimea - ecuatia 2.6.

Stratul de aer situat sub nivelul altitudinal de 100 km este numit omosfera

In schimb deasupra nivelului de 80-100 km compozitia aerului incepe sa varieze iar distributia de echilibru se scrie pentru fiecare component gazos altfel:

p_i = p_oi exp    (2.10)

cu H =

corespunzator fiecarei mase molare m_i

Aceasta exprima o predominanta a moleculelor mai grele la nivelele inferioare si a moleculelor mai usoare la nivelele superioare.

De aceea partea superioara a atmosferei, care are compozitia variabila, poarta numele de eterosfera

Fig. 3. Compozitia si dimensiunile eterosferei

(dupa Rosu Al., 1987)

Limitele atmosferei

“Anvelopa” gazoasa a planetei noastre se sprijina pe scoarta terestra si se desfasoara ca invelis, in jurul acesteia, pana la inaltimi masurate, deduse, sau calculate, variind in functie de autor si de sensul dat de acesta notiunii de limita

Studentul ecolog trebuie sa retina urmatoarele:

-Limita inferioara nu este peliculara si neta, ci este, mai degraba, considerata a fi insasi suprafata activa a planetei, adica suprafata continentelor, a oceanelor si a calotelor polare deoarece aerul le penetreaza superficial pe acestea, se intrepatrunde cu ele.

-Limita superioara a atmosferei, generic vorbind, nu este nici ea peliculara, ci este imaginata ca un ultim strat de tranzitie catre spatiul interplanetar. Acest strat s-ar afla teoretic fie la nivelul la care forta centrifuga tinde sa echilibreze forta atractiei gravitationale a Pamantului - dupa unii autori, fie la nivelul la care campul magnetic al planetei noastre isi mai exercita atractia asupra particulelor alcatuitoare ale atmosferei indepartate, dupa alti autori.