Η ατμόσφαιρα
Η Γη περιβάλλεται από μια σχετικά λεπτή ατμόσφαιρα (συνήθως ονομάζεται αέρας) που αποτελείται από ένα μείγμα αερίων, κυρίως μοριακό άζωτο (78 τοις εκατό) και μοριακό οξυγόνο (21 τοις εκατό). Επίσης, υπάρχουν πολύ μικρότερες ποσότητες αερίων όπως αργό (σχεδόν 1 τοις εκατό), υδρατμοί (κατά μέσο όρο 1 τοις εκατό αλλά πολύ μεταβλητό σε χρόνο και τοποθεσία), διοξείδιο του άνθρακα (0,0395 τοις εκατό [395 μέρη ανά εκατομμύριο] και σήμερα αυξάνεται), μεθάνιο (0,00018 τοις εκατό [1,8 μέρη ανά εκατομμύριο] και προς το παρόν αυξάνεται), και άλλα, μαζί με λεπτά στερεά και υγρά σωματίδια σε εναιώρημα.
geoid: Προσδιορισμός της μορφής της Γης
Πιστεύω για την ιδέα ότι η Γη είναι σφαιρική δίνεται συνήθως στον Πυθαγόρα (άνθισε τον 6ο αιώνα π.Χ.) και
Επειδή η Γη έχει ασθενές βαρυτικό πεδίο (λόγω του μεγέθους της) και θερμές ατμοσφαιρικές θερμοκρασίες (λόγω της εγγύτητάς του με τον Ήλιο) σε σύγκριση με τους γιγαντιαίους πλανήτες, δεν διαθέτει τα πιο κοινά αέρια στο σύμπαν που διαθέτουν: υδρογόνο και ήλιο. Ενώ τόσο ο Ήλιος όσο και ο Δίας αποτελούνται κυρίως από αυτά τα δύο στοιχεία, δεν μπορούσαν να διατηρηθούν πολύ στην πρώιμη Γη και εξατμίστηκαν γρήγορα στον διαπλανητικό χώρο. Η υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο της ατμόσφαιρας της Γης είναι ασυνήθιστη. Το οξυγόνο είναι ένα εξαιρετικά αντιδραστικό αέριο που, κάτω από τις περισσότερες πλανητικές συνθήκες, θα μπορούσε να συνδυαστεί με άλλα χημικά στην ατμόσφαιρα, την επιφάνεια και το φλοιό. Στην πραγματικότητα παρέχεται συνεχώς με βιολογικές διεργασίες. Χωρίς ζωή, ουσιαστικά δεν θα υπήρχε ελεύθερο οξυγόνο. Τα 1,8 μέρη ανά εκατομμύριο μεθανίου στην ατμόσφαιρα είναι επίσης μακριά από χημική ισορροπία με την ατμόσφαιρα και την κρούστα: επίσης, είναι βιολογικής προέλευσης, με τη συμβολή των ανθρώπινων δραστηριοτήτων να ξεπερνούν κατά πολύ τους άλλους.
Τα αέρια της ατμόσφαιρας εκτείνονται από την επιφάνεια της Γης σε ύψη χιλιάδων χιλιομέτρων, τελικά συγχωνεύονται με τον ηλιακό άνεμο - ένα ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που ρέει προς τα έξω από τις εξόχως απόκεντρες περιοχές του Ήλιου. Η σύνθεση της ατμόσφαιρας είναι περισσότερο ή λιγότερο σταθερή με ύψος έως υψόμετρο περίπου 100 km (60 μίλια), με ιδιαίτερες εξαιρέσεις τους υδρατμούς και το όζον.
Η ατμόσφαιρα περιγράφεται συνήθως με όρους διαφορετικών στρωμάτων ή περιοχών. Το μεγαλύτερο μέρος της ατμόσφαιρας συγκεντρώνεται στην τροπόσφαιρα, η οποία εκτείνεται από την επιφάνεια σε υψόμετρο περίπου 10-15 χλμ. (6-9 μίλια), ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή. Η συμπεριφορά των αερίων σε αυτό το στρώμα ελέγχεται μέσω μεταφοράς. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τις ταραχώδεις, ανατρεπόμενες κινήσεις που προκύπτουν από την πλευστότητα αέρα κοντά στην επιφάνεια που θερμαίνεται από τον Ήλιο. Το Convection διατηρεί μια φθίνουσα κατακόρυφη κλίση θερμοκρασίας - δηλαδή, μια μείωση της θερμοκρασίας με το υψόμετρο - περίπου 6 ° C (10,8 ° F) ανά χιλιόμετρο μέσω της τροπόσφαιρας. Στην κορυφή της τροπόσφαιρας, η οποία ονομάζεται τροπόπαυση, οι θερμοκρασίες έχουν μειωθεί σε περίπου −80 ° C (−112 ° F). Η τροπόσφαιρα είναι η περιοχή όπου σχεδόν όλοι οι υδρατμοί υπάρχουν και ουσιαστικά συμβαίνει ο καιρός.
Η ξηρή, λεπτή στρατόσφαιρα βρίσκεται πάνω από την τροπόσφαιρα και εκτείνεται σε υψόμετρο περίπου 50 km (30 μίλια). Οι κινητικές κινήσεις είναι αδύναμες ή απουσιάζουν στη στρατόσφαιρα. οι κινήσεις τείνουν να έχουν οριζόντιο προσανατολισμό. Η θερμοκρασία σε αυτό το στρώμα αυξάνεται με το υψόμετρο.
Στις ανώτερες στρωματοσφαιρικές περιοχές, η απορρόφηση υπεριώδους φωτός από τον Ήλιο διασπά το μοριακό οξυγόνο (O 2). ανασυνδυασμό απλά άτομα οξυγόνου με O 2 μορίων σε όζον (O 3) δημιουργεί το στρώμα θωράκισης του όζοντος.
Πάνω από τη σχετικά θερμή στρατοπάθεια βρίσκεται η ακόμη πιο αδύναμη μεσόσφαιρα, στην οποία οι θερμοκρασίες μειώνονται και πάλι με υψόμετρο στα 80-90 χλμ. (50-56 μίλια) πάνω από την επιφάνεια, όπου ορίζεται η μεσοπάθεια. Η ελάχιστη θερμοκρασία που επιτυγχάνεται εκεί είναι εξαιρετικά μεταβλητή με την εποχή. Στη συνέχεια, οι θερμοκρασίες αυξάνονται με αυξανόμενο ύψος μέσω του υπερκείμενου στρώματος που είναι γνωστό ως θερμόσφαιρα. Επίσης πάνω από περίπου 80-90 km υπάρχει ένα αυξανόμενο κλάσμα φορτισμένων ή ιονισμένων σωματιδίων, τα οποία από αυτό το υψόμετρο καθορίζουν την ιονόσφαιρα. Θεαματικές ορατές αύρες δημιουργούνται σε αυτήν την περιοχή, ειδικά κατά μήκος περίπου κυκλικών ζωνών γύρω από τους πόλους, από την αλληλεπίδραση ατόμων αζώτου και οξυγόνου στην ατμόσφαιρα με επεισοδιακές εκρήξεις ενεργητικών σωματιδίων που προέρχονται από τον Ήλιο.
Η γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία της Γης καθοδηγείται από την ενέργεια του ηλιακού φωτός, η οποία είναι πιο άφθονη στα ισημερινά γεωγραφικά πλάτη. Η μετακίνηση αυτής της θερμότητας προς τους πόλους επηρεάζεται έντονα από την ταχεία περιστροφή της Γης και τη σχετική δύναμη Coriolis σε γεωγραφικά πλάτη μακριά από τον Ισημερινό (που προσθέτει ένα στοιχείο ανατολής-δύσης στην κατεύθυνση των ανέμων), με αποτέλεσμα πολλά κύτταρα κυκλοφορούντος αέρα σε κάθε ένα ημισφαίριο. Οι αστάθειες (διαταραχές στην ατμοσφαιρική ροή που αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου) παράγουν τις χαρακτηριστικές περιοχές υψηλής πίεσης και καταιγίδες χαμηλής πίεσης των μεσαίων γεωγραφικών πλάτους καθώς και τις γρήγορες, ανατολικές κινούμενες ροές της ανώτερης τροπόσφαιρας που καθοδηγούν τα μονοπάτια των καταιγίδων. Οι ωκεανοί είναι τεράστιες δεξαμενές θερμότητας που ενεργούν σε μεγάλο βαθμό για να εξομαλύνουν τις διακυμάνσεις στις παγκόσμιες θερμοκρασίες της Γης, αλλά τα αργά μεταβαλλόμενα ρεύματα και θερμοκρασίες επηρεάζουν επίσης τον καιρό και το κλίμα, όπως στο φαινόμενο καιρού El Niño / Southern Oscillation (βλέπε κλίμα: Κυκλοφορία, ρεύματα, και αλληλεπίδραση ωκεανής-ατμόσφαιρας · κλίμα: Ελ Νίνιο / Νότιος ταλαντώσεις και κλιματικές αλλαγές).
Η ατμόσφαιρα της Γης δεν αποτελεί στατικό χαρακτηριστικό του περιβάλλοντος. Αντίθετα, η σύνθεσή του έχει εξελιχθεί με την πάροδο του γεωλογικού χρόνου σε συνεννόηση με τη ζωή και αλλάζει πιο γρήγορα σήμερα ως απάντηση στις ανθρώπινες δραστηριότητες. Περίπου στα μισά της ιστορίας της Γης, άρχισε να αναπτύσσεται η ασυνήθιστα υψηλή αφθονία ελεύθερου οξυγόνου, μέσω της φωτοσύνθεσης από κυανοβακτήρια (βλ. Γαλαζοπράσινα φύκια) και κορεσμός φυσικών επιφανειακών νεροχυτών οξυγόνου (π.χ. σχετικά χαμηλά οξυγόνο μέταλλα και υδρογόνο) πλούσια αέρια που εκκρίνονται από ηφαίστεια). Η συσσώρευση οξυγόνου κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη σύνθετων κυττάρων, τα οποία καταναλώνουν οξυγόνο κατά τη διάρκεια του μεταβολισμού και των οποίων αποτελούνται όλα τα φυτά και τα ζώα (βλέπε ευκαρυώτη).
Το κλίμα της Γης σε οποιαδήποτε τοποθεσία διαφέρει ανάλογα με τις εποχές, αλλά υπάρχουν επίσης μακροπρόθεσμες διακυμάνσεις στο παγκόσμιο κλίμα. Ηφαιστειακές εκρήξεις, όπως η έκρηξη του όρους Pinatubo το 1991 στις Φιλιππίνες, μπορούν να εγχύσουν μεγάλες ποσότητες σωματιδίων σκόνης στη στρατόσφαιρα, οι οποίες παραμένουν αιωρούμενες για χρόνια, μειώνοντας την ατμοσφαιρική διαφάνεια και οδηγώντας σε μετρήσιμη ψύξη παγκοσμίως. Πολύ πιο σπάνιες, γιγαντιαίες επιπτώσεις αστεροειδών και κομητών μπορούν να παράγουν ακόμη πιο βαθιά αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένων σοβαρών μειώσεων στο φως του ήλιου για μήνες ή χρόνια, όπως πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι οδήγησαν στη μαζική εξαφάνιση ζώντων ειδών στο τέλος της Κρητιδικής Περιόδου, 66 εκατομμύρια χρόνια πριν. (Για πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τους κινδύνους που ενέχουν οι κοσμικές επιπτώσεις και τις πιθανότητες εμφάνισής τους, δείτε τον κίνδυνο επιπτώσεων στη Γη.) Οι κυρίαρχες κλιματικές διακυμάνσεις που παρατηρήθηκαν στο πρόσφατο γεωλογικό ρεκόρ είναι οι εποχές του πάγου, οι οποίες συνδέονται με διακυμάνσεις στην κλίση της Γης και στην τροχιά της γεωμετρία σε σχέση με τον Ήλιο.
Η φυσική της σύντηξης υδρογόνου οδηγεί τους αστρονόμους στο συμπέρασμα ότι ο Ήλιος ήταν 30% λιγότερο φωτεινός κατά την πρώτη ιστορία της Γης από ό, τι είναι σήμερα. Ως εκ τούτου, όλοι όσοι είναι ίσοι, οι ωκεανοί θα έπρεπε να έχουν παγώσει. Οι παρατηρήσεις των πλανητών γειτόνων της Γης, του Άρη και της Αφροδίτης, και οι εκτιμήσεις του άνθρακα που είναι κλειδωμένο στον φλοιό της Γης δείχνουν ότι υπήρχε πολύ περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Γης κατά τις προηγούμενες περιόδους. Αυτό θα ενίσχυε τη θέρμανση της επιφάνειας μέσω του φαινομένου του θερμοκηπίου και έτσι θα επέτρεπε στους ωκεανούς να παραμείνουν υγροί.
Σήμερα υπάρχει 100.000 φορές περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα θαμμένο σε ανθρακικά πετρώματα στον φλοιό της Γης από ό, τι στην ατμόσφαιρα, σε αντίθεση με την Αφροδίτη, της οποίας η ατμοσφαιρική εξέλιξη ακολούθησε μια διαφορετική πορεία. Στη Γη, ο σχηματισμός κελυφών ανθρακικών από τη θαλάσσια ζωή είναι ο κύριος μηχανισμός για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε ανθρακικά άλατα. Οι αβιοτικές διεργασίες που περιλαμβάνουν υγρό νερό παράγουν επίσης ανθρακικά άλατα, αν και πιο αργά. Στην Αφροδίτη, ωστόσο, η ζωή δεν είχε ποτέ την ευκαιρία να εμφανιστεί και να παράγει ανθρακικά άλατα. Λόγω της θέσης του πλανήτη στο ηλιακό σύστημα, η πρώιμη Αφροδίτη έλαβε 10-20 τοις εκατό περισσότερο ηλιακό φως από ό, τι πέφτει στη Γη ακόμη και σήμερα, παρά τον αμυδρό νεαρό Ήλιο εκείνη την εποχή. Οι περισσότεροι πλανητικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η αυξημένη θερμοκρασία επιφάνειας που προέκυψε κράτησε το νερό από τη συμπύκνωση σε ένα υγρό. Αντ 'αυτού, παρέμεινε στην ατμόσφαιρα ως υδρατμοί, το οποίο, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, είναι ένα αποτελεσματικό αέριο θερμοκηπίου. Μαζί τα δύο αέρια προκάλεσαν την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας ακόμη περισσότερο, έτσι ώστε τεράστιες ποσότητες νερού να διαφύγουν στη στρατόσφαιρα, όπου διαχωρίστηκε από την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία. Με τις συνθήκες που τώρα είναι πολύ ζεστές και ξηρές για να επιτρέψουν τον σχηματισμό αβιοτικών ανθρακικών, το μεγαλύτερο μέρος ή ολόκληρο το απόθεμα άνθρακα του πλανήτη παρέμεινε στην ατμόσφαιρα ως διοξείδιο του άνθρακα. Τα μοντέλα προβλέπουν ότι η Γη μπορεί να υποστεί την ίδια μοίρα σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια, όταν ο Ήλιος υπερβαίνει την παρούσα φωτεινότητα κατά 10-20 τοις εκατό.
Από τα τέλη της δεκαετίας του 1950 έως τα τέλη του 20ού αιώνα, η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Γης αυξήθηκε περισσότερο από 15 τοις εκατό λόγω της καύσης ορυκτών καυσίμων (π.χ. άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό αέριο) και την καταστροφή των τροπικών τροπικών δασών, όπως αυτή της λεκάνης απορροής του Αμαζονίου. Τα μοντέλα υπολογιστών προβλέπουν ότι ο καθαρός διπλασιασμός του διοξειδίου του άνθρακα στα μέσα του 21ου αιώνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια υπερθέρμανση του πλανήτη κατά μέσο όρο 1,5-4,5 ° C (2,7-8,1 ° F) κατά μέσο όρο στον πλανήτη, κάτι που θα είχε βαθιές επιπτώσεις στο επίπεδο της θάλασσας και γεωργία. Αν και αυτό το συμπέρασμα έχει επικριθεί από ορισμένους με βάση το γεγονός ότι η θέρμανση που έχει παρατηρηθεί μέχρι στιγμής δεν συμβαδίζει με την προβολή, οι αναλύσεις των δεδομένων θερμοκρασίας των ωκεανών έχουν δείξει ότι μεγάλο μέρος της θέρμανσης κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα στην πραγματικότητα συνέβη στους ίδιους τους ωκεανούς - και θα τελικά εμφανίζονται στην ατμόσφαιρα.
Μια άλλη παρούσα ανησυχία σχετικά με την ατμόσφαιρα είναι ο αντίκτυπος των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο στρώμα του στρατοσφαιρικού όζοντος. Πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις που περιελάμβαναν ίχνη ανθρωπογενών χλωροφθορανθράκων (CFC) βρέθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1980 ότι δημιουργούσαν προσωρινές τρύπες στο στρώμα του όζοντος, ιδιαίτερα στην Ανταρκτική, κατά την πολική άνοιξη. Ακόμα πιο ανησυχητική ήταν η ανακάλυψη μιας αυξανόμενης εξάντλησης του όζοντος στα πολύ πυκνά εύκρατα γεωγραφικά πλάτη, καθώς η υπεριώδης ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος που απορροφά αποτελεσματικά η στιβάδα του όζοντος έχει βρεθεί ότι προκαλεί καρκίνο του δέρματος. Διεθνείς συμφωνίες που ισχύουν για να σταματήσουν την παραγωγή των πιο φρικτών CFC που καταστρέφουν το όζον θα σταματήσουν τελικά και θα αντιστρέψουν την εξάντληση, αλλά μόνο στα μέσα του 21ου αιώνα, λόγω του μακρού χρόνου παραμονής αυτών των χημικών στην στρατόσφαιρα.
