TEMPERATURE PROFILE

Ο κατακόρυφος διαχωρισμός της ατμόσφαιρας σε στρώματα (στρωμάτωση) μπορεί να πραγματοποιηθεί με βάση: (α) τη χημική σύσταση, (β) την μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος, και (γ) τις ηλεκτρικές ιδιότητες.

Με κριτήριο τη χημική σύσταση, η ατμόσφαιρα της Γης μπορεί να χωριστεί σε δύο στρώματα. Το πρώτο από αυτά, η ομοιόσφαιρα, εκτείνεται από την επιφάνεια μέχρι το ύψος των ~85 km. Βασικό γνώρισμα της ομοιόσφαιρας είναι η σχεδόν σταθερή ατμοσφαιρική σύσταση, η οποία είναι αποτέλεσμα της πολύ καλής ανάμιξης των ατμοσφαιρικών συστατικών. Το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής μάζας της ατμόσφαιρας εντοπίζεται σε αυτό το στρώμα. Στον αντίποδα, η ετερόσφαιρα (>85 km) χαρακτηρίζεται από μεταβλητή ατμοσφαιρική σύσταση. Εξαιτίας της μεγάλης ελεύθερης διαδρομής (η μέση απόσταση που μπορεί να διανύσει ένα μόριο δίχως να συγκρουστεί με κάποιο άλλο), τα διάφορα ατμοσφαιρικά συστατικά εμφανίζονται στρωματοποιημένα κατά το μοριακό τους βάρος. Με άλλα λόγια, τα «βαρύτερα» μόρια εντοπίζονται στο κάτω όριο της ετερόσφαιρας και τα «ελαφρύτερα» στο άνω όριο.

TEMPERATURE PROFILE

Εικόνα 1. Κατακόρυφη μεταβολή της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα και τα αντίστοιχα ατμοσφαιρικά στρώματα (Πηγή: Ahrens, D. 2009)

 

Το κατώτερο ατμοσφαιρικό στρώμα είναι η τροπόσφαιρα, η οποία εκτείνεται από την επιφάνεια έως το ύψος των 12±2 km (Εικ. 1). Η κύρια πηγή θέρμανσης της τροπόσφαιρας είναι η υπέρυθρη (μεγάλου μήκους κύματος) ακτινοβολία που εκπέμπει η Γη, γεγονός που οδηγεί σε βαθμιαία μείωση της θερμοκρασίας με το ύψος, όπως φαίνεται και στην Εικ. 1. Ο κύριος μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας μέσα στην τροπόσφαιρα είναι η ανωμεταφορά (convection). Ειδικότερα, η ελάττωση της θερμοκρασίας με το ύψος που παρατηρείται στην τροπόσφαιρα οφείλεται στη σταδιακή εξασθένιση της θέρμανσης από την επιφάνεια (μέσω ακτινοβολίας, συναγωγής, τυρβωδών κινήσεων του αέρα και μεταφορά λανθάνουσας θερμότητας από την αλλαγή φάσης των υδρατμών). Ο μέσος ρυθμός με τον οποίο ελαττώνεται η θερμοκρασία στην τροπόσφαιρα (θερμοβαθμίδα) είναι περίπου ίσος με 6.5 oC/km. Πιο αναλυτικά, η τροπόσφαιρα μπορεί να χωριστεί σε επιμέρους περιοχές ανάλογα με την παρατηρούμενη θερμοβαθμίδα. Η κατώτερη τροπόσφαιρα (<1.5 km) χαρακτηρίζεται από θερμοβαθμίδα ίση με περίπου 0.3-0.4 oC/100 m. Στη μέση τροπόσφαιρα (1.5 – 6 km) η θερμοβαθμίδα προσεγγίζει τους 0.5-0.6 oC/100 m, ενώ στην ανώτερη τροπόσφαιρα (6 – 9 km) τους 0.65-0.75 oC/100 m. Τέλος, στα όρια της τροπόπαυσης (>9 km) παρατηρείται θερμοβαθμίδα ~0.2-0.5 oC/100 m. Στην περίπτωση της κατώτερης τροπόσφαιρας, θα πρέπει να σημειωθεί ότι παρατηρούνται συχνά αποκλίσεις στις αναφερόμενες τιμές της θερμοβαθμίδας λόγω, κυρίως, της ανάπτυξης θερμοκρασιακών αναστροφών. 

Στην τροπόσφαιρα συγκεντρώνεται σχεδόν το 80% της συνολικής ατμοσφαιρικής μάζας και σχεδόν ολόκληρη η ποσότητα των υδρατμών. Επιπρόσθετα, παρατηρείται αύξηση των οριζόντιων συνιστωσών του ανέμου με το ύψος, εξαιτίας της μείωσης της δύναμης τριβής που αναπτύσσεται μεταξύ των μορίων του αέρα και της επιφάνειας. Σημαντικές όμως είναι και οι κατακόρυφες κινήσεις των αερίων μαζών μέσω των οποίων διαμορφώνονται τα καιρικά συστήματα. Επομένως, η τροπόσφαιρα αποτελεί το σημαντικότερο ατμοσφαιρικό στρώμα για την μετεωρολογία καθώς μέσα σε αυτό λαμβάνουν χώρα οι περισσότερες ατμοσφαιρικές διεργασίες που σχετίζονται με τη δημιουργία του καιρού.

Το ανώτερο όριο της τροπόσφαιρας ονομάζεται τροπόπαυση και αποτελεί την μεταβατική περιοχή μεταξύ της τροπόσφαιρας και του υπερκείμενου στρώματος της στρατόσφαιρας. Η τροπόπαυση θεωρείται σχεδόν ισόθερμο στρώμα, καθώς η θερμοκρασία μεταβάλλεται ελάχιστα με το ύψος. Το ακριβές ύψος της τροπόπαυσης ποικίλει ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος. Πάνω από τις τροπικές περιοχές (0-30ο) η τροπόπαυση εντοπίζεται συνηθέστερα στο ύψος των 14-17 km, ενώ πάνω από τις εύκρατες/πολικές περιοχές (40-90ο) το ύψος της κυμαίνεται μεταξύ 7-12 km. Οι μέσες θερμοκρασίες της τροπικής τροπόπαυσης κυμαίνονται μεταξύ -70 oC και -80 oC και της πολικής τροπόπαυσης μεταξύ -55 oC και -60 oC. Η διαφοροποίηση που παρατηρείται στο ύψος της τροπόπαυσης έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ζωνών ασυνέχειας πάνω από τις υποτροπικές και υποπολικές περιοχές. Σε αυτές τις ζώνες ασυνέχειας αναπτύσσονται οι αεροχείμαρροι (ρεύματα πολύ ταχέως κινούμενου αέρα).

Το ύψος της τροπόπαυσης μεταβάλλεται επίσης ανάλογα με την επικράτηση κυκλωνικών ή αντικυκλωνικών συνθηκών. Έτσι, σε περιοχές όπου επικρατούν αντικυκλωνικές συνθήκες η τροπόπαυση τείνει να εντοπίζεται σε μεγαλύτερα ύψη. Αντίθετα, το ύψος της τροπόπαυσης είναι χαμηλότερο όταν επικρατούν κυκλωνικές συνθήκες.

Το ατμοσφαιρικό στρώμα που βρίσκεται πάνω από την τροπόσφαιρα και διαχωρίζεται από αυτή μέσω της τροπόπαυσης είναι η στρατόσφαιρα. Η στρατόσφαιρα εκτείνεται από το ύψος της τροπόπαυσης έως τα 50-55 km. Συχνά, χωρίζεται στις περιοχές της κατώτερης  (<35 km) και της ανώτερης (>35 km) στρατόσφαιρας. Στην κατώτερη στρατόσφαιρα, η θερμοκρασία μεταβάλλεται ελάχιστα με το ύψος οπότε επικρατούν ευσταθείς συνθήκες και οι κατακόρυφες κινήσεις αποτρέπονται. Οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες που επικρατούν στην κατώτερη στρατόσφαιρα (-40 oC – -50 oC) την καθιστούν ένα εξαιρετικά ξηρό ατμοσφαιρικό στρώμα.

Στην ανώτερη στρατόσφαιρα η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος, φτάνοντας σε επίπεδα κοντά στους 0 oC στο ανώτερο όριο. Η αύξηση της θερμοκρασίας στην ανώτερη στρατόσφαιρα αποδίδεται στην παρουσία του όζοντος (Ο3) το οποίο απορροφά το μεγαλύτερο τμήμα της ηλιακής υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας, αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την κινητική ενέργεια των μορίων του αέρα και προκαλώντας την παρατηρούμενη θέρμανση. Η ανώτερη στρατόσφαιρα χαρακτηρίζεται επίσης από ευσταθείς συνθήκες, εξαιτίας της αύξησης της θερμοκρασίας, που αποτρέπουν τις όποιες κατακόρυφες κινήσεις των αερίων μαζών.

Το ανώτερο όριο της στρατόσφαιρας ονομάζεται στρατόπαυση και χαρακτηρίζεται από την μεγιστοποίηση της θερμοβαθμίδας και την ισοθερμική συμπεριφορά. Σε αυτό το στρώμα, το οποίο εντοπίζεται μεταξύ 50-55 km παρατηρείται η μέγιστη θερμοκρασία της στρατόσφαιρας. Από την επιφάνεια της Γης μέχρι και το ύψος της στρατόπαυσης βρίσκεται συγκεντρωμένο το 99.9% της ατμοσφαιρικής μάζας.
Πάνω από τη στρατόπαυση η θερμοκρασία ελαττώνεται με το ύψος μέχρι και τα περίπου 85 km (άνω όριο ομοιόσφαιρας). Το αντίστοιχο ατμοσφαιρικό στρώμα ονομάζεται μεσόσφαιρα. Το βασικό χαρακτηριστικό της μεσόσφαιρας είναι η ραγδαία καθ’ ύψος ελάττωση της θερμοκρασίας, η οποία φτάνει σε επίπεδα κοντά στους -85 oC στο άνω όριο. Η ελάττωση της θερμοκρασίας με το ύψος αποδίδεται στην απουσία όζοντος (Ο3) ή άλλων ατμοσφαιρικών συστατικών ικανών να απορροφήσουν την ηλιακή ακτινοβολία, γεγονός που θα μπορούσε να θερμάνει τον ατμοσφαιρικό όριο.

Το ανώτερο όριο της μεσόσφαιρας ονομάζεται μεσόπαυση. Η μεσόπαυση είναι επίσης το ανώτερο όριο της ομοιόσφαιρας, καθώς και το ψυχρότερο σημείο αυτής με τη θερμοκρασία να είναι της τάξης των -100 oC.

Η θερμόσφαιρα είναι το ατμοσφαιρικό στρώμα που εντοπίζεται πάνω από την μεσόπαυση και έως το ύψος των ~400 km. Το κατώτερο τμήμα της θερμόσφαιρας χαρακτηρίζεται από ισοθερμική ισορροπία, ενώ στο υπόλοιπο τμήμα παρατηρείται σχεδόν μονότονη αύξηση της θερμοκρασίας. Μάλιστα, η μέγιστη θερμοκρασία μπορεί να φτάσει ή και να ξεπεράσει τους 700 oC, ανάλογα και με την ηλιακή δραστηριότητα. Στη θερμόσφαιρα απορροφάται το μεγαλύτερο μέρος της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας με μήκη κύματος μικρότερα των 0.2 μm. Η απορρόφηση πραγματοποιείται κυρίως από το μοριακό οξυγόνο, το οποίο με τον τρόπο αυτό διασπάται σε ατομικό. Η αντίδραση αυτή είναι εξώθερμη και απελευθερώνει μεγάλα ποσά ενέργειας. Σε συνδυασμό με την ουσιαστική απουσία άλλων ατόμων και μορίων, η ενέργεια αυτή οδηγεί στην παρατηρούμενη μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας. Το νοητό όριο όπου η ραγδαία αύξηση της θερμοκρασίας υποχωρεί ορίζει τη θερμόπαυση.

Ακριβώς πάνω από τη θερμόπαυση εντοπίζεται το στρώμα της εξώσφαιρας. Η βάση της εξώσφαιρας μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ των 400 km και 500 km, ανάλογα με την ηλιακή δραστηριότητα. Το κύριο χαρακτηριστικό της εξώσφαιρας είναι η πολύ μεγάλη ελεύθερη διαδρομή των μορίων, οπότε και τα τελευταία είναι δυνατόν (κάτω από προϋποθέσεις) να διαφύγουν της επίδρασης του βαρυτικού πεδίου της Γης.

Με κριτήριο της ηλεκτρικές ιδιότητες, η ατμόσφαιρα της Γης μπορεί να χωριστεί στις περιοχές της ιονόσφαιρας και της μαγνητόσφαιρας. Η ιονόσφαιρα είναι εκείνη η περιοχή της ατμόσφαιρας όπου παρατηρείται μερικός ιονισμός των διαφόρων ατμοσφαιρικών συστατικών από την ηλιακή ακτινοβολία. Εκτείνεται από το ύψος των ~30 km έως τα ~300 km, όπου η πυκνότητα των φορτισμένων σωματιδίων (ιόντα) μεγιστοποιείται. Η μαγνητόσφαιρα είναι εκείνη η περιοχή όπου η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων καθορίζεται από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Η μαγνητόσφαιρα εκτείνεται από τα ~1000 km έως και ύψος ίσο με 10 περίπου ακτίνες της Γης στο φωτιζόμενο τμήμα της.

Επιμέλεια – Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος, Φυσικός – Δρ. Φυσικής Περιβάλλοντος