אטמוספירת כדור הארץ

מבט מן החלל על השכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ

אטמוספירת כדור הארץ היא מעטפת גז, סביב לכדור הארץ. האטמוספירה מאפשרת את החיים על פני כדור הארץ בכך שהיא סופגת את מרבית הקרינה האולטרה סגולה המגיעה מהשמש וגורמת למיתון הבדלי הטמפרטורה בין היום והלילה. 75% מגזי האטמוספירה נמצאים בגובה של עד 11.3 ק"מ מעל פני הים. שינויים באטמוספירה גורמים לדברחם בלה בלה בלה בלה בלה חחח מצחיק מאוד לשינויים באקלים ובמזג האוויר.

הרכב האטמוספירה

הרכב הגזים של אטמוספירת כדור הארץ

הרכבה של האטמוספירה של כדור הארץ השתנה מאז היווצרות החיים בה וממשיך להשתנות. האטמוספירה מאבדת מימן. הצמחים על פני כדור הארץ, ובמיוחד האצות החד-תאיות, מפרישים חמצן אל האטמוספירה כחלק מתהליך הפוטוסינתזה. בשנים האחרונות, כתוצאת לוואי של בירוא יערות ושריפת דלק, התמעטה כמות החמצן ועלתה כמות הפחמן הדו-חמצני.

האטמוספירה כיום מורכבת מהגזים הבאים:

• 78.09% חנקן
• 20.95% חמצן
• 0.934% ארגון
• 0.04% פחמן דו-חמצני

• כמות מזערית של הגזים הבאים:
  • מימן
  • מתאן
  • פחמן חד-חמצני
  • חנקן חמצני
  • חנקן דו-חמצני
  • אמוניה
  • גופרית דו-חמצנית
  • יוד
  • אוזון
  • גזים אצילים
    • נאון
    • הליום
    • קריפטון
    • קסנון

תערובת הגזים שיוצרת את האטמוספירה נקראת אוויר. המרכיבים משתנים בהתאם לאחוז המים באוויר שנמצא בין 0 ל-7 אחוזים. מרכיבי האוויר משתנים מעט באזורים שונים של העולם בשל גורמים כמו גובה, לחות וגורמים נוספים.

טמפרטורה ושכבות האטמוספירה

תרשים המראה את השכבות השונות באטמוספירה

הטמפרטורה של אטמוספירת כדור הארץ משתנה בהתאם לגובה (היא מתוארת על ידי מפל הטמפרטורה), כאשר הטמפרטורה הממוצעת של האטמוספירה בגובה פני הים היא 14 מעלות צלזיוס. היחס בין הגובה לטמפרטורה משתנה בהתאם לשכבות האטמוספיריות השונות:

• טרופוספירה - 0 עד 7 - 17 ק"מ, בשכבה זו הטמפרטורה יורדת עם העלייה בגובה, זוהי השכבה בה מתקיימים חיים ובה מתקיים האקלים.
• סטרטוספירה - 7 - 17 עד 50 ק"מ, בשכבה זו הטמפרטורה עולה עם העלייה בגובה, זו השכבה בה קיימת שכבת האוזון.
• מזוספירה - 50 עד 80 - 85 ק"מ, בשכבה זו הטמפרטורה יורדת עם העלייה בגובה.
• תרמוספירה - 80 - 85 עד 640+ ק"מ, בשכבה זו הטמפרטורה עולה עם העלייה בגובה.

הגבולות בין השכבות נקראים טרופופאוזה, סטרטופאוזה ומזופאוזה ובהם הטמפרטורה לא משתנה עם הגובה.

אזורים שונים באטמוספירה

• יונוספירה - אזור באטמוספירה המכיל יונים: באזור המזוספירה והתרמוספירה עד ל-550 ק"מ.
• אקסוספירה - מעל היונוספירה, במקום בו האטמוספירה כמעט ונעלמת עד לחלל.
• מגנטוספירה - האזור בו השדה המגנטי של כדור הארץ מגיב עם רוח השמש. אזור זה מתפרס על אלפי קילומטרים.

האטמוספירה וקרינת השמש

האטמוספירה של כדור הארץ היא הגורם הראשון הבא במגע עם קרינה מהחלל ובעיקר עם קרינת השמש. הקרינה מפרקת מולקולות בשכבות העליונות של האטמוספירה. זו, מצדה, הודפת בחזרה לחלל כ-8% מקרינת השמש (עוד 17% נהדפים על ידי שכבת העננים, ושאר הקרינה פוגעת בפני הארץ).

שכבת האוזון

ערך מורחב – שכבת האוזון

שכבת האוזון מצויה בסטרטוספירה, בגובה של 10 עד 50 ק"מ. לשכבה זו חשיבות רבה בקיום החיים על פני כדור הארץ. שכבת האוזון מסננת את הקרינה האולטרה־סגולה המגיעה מהשמש, המסכנת את היצורים החיים ואף גורמת לסרטן העור. שכבת האוזון בולעת את אורכי הגל שבין 295 ל־320 ננומטר. בשנת 1983 נתגלה ששכבת האוזון מעל הקוטב הדרומי הידלדלה עד מאוד ודרכה חודרת קרינה מסוכנת.

אפקט החממה

ערך מורחב – אפקט החממה

אפקט החממה נובע מכך שאדי מים, פחמן דו-חמצני וגזים אחרים, שמצויים באטמוספירה העוטפת את כדור הארץ, אינם מאפשרים לחום הנפלט מן האדמה להמשיך אל החלל החיצון, אלא מקרינים את החום בחזרה - באופן המזכיר חממה חקלאית (אם כי שם שמירת האוויר החם ליד הקרקע היא האפקט העיקרי) - ושומרים בכך על טמפרטורה נוחה לקיום החיים בכדור הארץ. בהיעדר תופעה זו הייתה הטמפרטורה על פני כדור הארץ יורדת לקיפאון, לכן אפקט החממה הוא תנאי חשוב ביותר לקיום החיים על פני כדור הארץ.

בשנים האחרונות יש עדויות שעצמתו של אפקט החממה עולה, בשל העלייה בריכוז גזי החממה (ובראשם הפחמן הדו-חמצני) באטמוספירה כתוצאה מפעילות האדם. כמו כן ידוע כי במאה השנים האחרונות עלתה הטמפרטורה הממוצעת בעולם ביותר מחצי מעלת צלזיוס והשנים האחרונות של המאה ה-20 היו בין השנים החמות ביותר שידעה האנושות מאז שהחלו למדוד טמפרטורות באופן שיטתי. כיום ישנה תמיכה בקהילה המדעית בהשערה שהתעצמות אפקט החממה קשורה להתחממות העולמית על כל תוצאותיה השליליות.

לחץ אטמוספירי

כוח המשיכה "מושך" את האטמוספירה כלפי פני הקרקע. לחץ אטמוספירי הוא תוצאה ישירה של משקל האוויר. משמעות הדבר שהלחץ האטמוספירי משתנה עם המקום משום שכמות (ומשקל) האוויר שמעל משתנה עם המקום והזמן, מה שגורם לרמות ולשקעים ברומטריים. הלחץ האטמוספירי יורד בכ-50% בכל עליה בגובה של 5.5 ק"מ. הלחץ האטמוספירי הממוצע בפני הים הוא בערך 101.3 קילו פסקל שהם 1,013 מיליבר. לחץ אטמוספירי נמדד על ידי ברומטר או על ידי ברוגרף.

צפיפות האוויר בגובה פני הים ובתנאים סטנדרטיים היא בערך 1.293 ק"ג לכל מ"ק. הצפיפות משתנה בהתאם לאחוז הלחות באוויר והטמפרטורה. צפיפות זו יורדת עם העלייה בגובה בערך באותו יחס שהלחץ יורד. הירידה בצפיפות (ובלחץ) היא אקספוננציאלית עם מרחק דעיכה אופייני של כ-7.6 ק"מ. המסה הכוללת של האטמוספירה היא בערך $5.1\times 10^{18}$ ק"ג, כמליונית מהמסה הכוללת של כדור הארץ.

המשוואה ההיפסומטרית, הידועה גם כ"משוואת העובי", מקשרת בין יחס לחצים באטמוספירה ובין העובי האקוויוולנטי של שכבה אטמוספירית.

האטמוספירה על כדור הארץ הקדום

הרכב האטמוספירה במילארדי השנים האחרונות שונה באופן ניכר מהרכבה על כדור הארץ הקדמון עד כי נהוג לכנות את האטמוספירה העכשווית בשם "האטמוספירה השלישית". "האטמוספירה הראשונה" והמקורית של כדור הארץ מיד לאחר היווצרותו, הייתה מורכבת בעיקר ממימן ומהליום. גזים אלו קלים במיוחד ומשוער כי התפזרו לחלל בהשפעת החום של כדור הארץ המותך, פגיעת מטאורים ורוח השמש. עם זאת, ב-2005 התפרסם מחקר אשר גורס כי קצב התפזרות המימן לחלל היה אטי מן המשוער וייתכן כי היה נוכח גם בתקופת "האטמוספירה השנייה".

ריכוז החמצן באטמוספירת כדור הארץ במיליארד השנים האחרונות

לאחר התקררות הדרגתית, קליפת כדור הארץ נוצרה במהלך התקופה שלפני 3.9-3.5 מיליארד שנים. במהלך תקופה זו התרחשה פעילות געשית אינטנסיבית אשר שחררה כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני ואדי מים. כמו כן, כדור הארץ ספג מטחים תכופים של שביטים אשר גם הם הכילו כמויות גדולות של מים. באופן זה נוצרה "האטמוספירה השנייה" של כדור הארץ, אשר הכילה, על פי המשוער בעיקר פחמן דו-חמצני, אדי מים וכמות מועטה של חנקן. אטמוספירה זו לא הכילה חמצן, אשר הוא פעיל כימית במידה רבה ויוצר באופן טבעי תחמוצות שונות. על פי הערכות בתקופה זו לחץ האטמוספירי היה גבוה פי 60 עד 100 מהלחץ כיום, והאטמוספירה הייתה דומה מאוד לאטמוספירה של נגה. העדות המרכזית לכך הן הכמויות הגדולות של פחמן דו-חמצני, אשר כיום כלוא במשקעי גיר, הנוצר באוקיינוסים, והיה חופשי באטמוספירה עד הופעת האוקיינוסים. סביר כי כמות גבוהה זו של פחמן דו-חמצני יצרה אפקט חממה משמעותי, אשר מנע את קפיאת כדור הארץ.

עם המשך ההתקררות של האטמוספירה מתחת ל-100^OC החלו להתעבות אדי המים ליצירת אוקיינוסים אשר ספגו לתוכם את מרבית הפחמן הדו-חמצני. על פי עדויות מאובנים, החלה הופעה של ציאנו-בקטריות (אורגניזמים חד-תאיים בעלי יכולת לבצע פוטוסינתזה בתקופה שלפני 3.5-3.3 מיליארד שנה). הופעתם של אורגניזמים אלו ותהליכי הפוטוסינתזה גרמו לשחרור של חמצן לאטמוספירה באופן הדרגתי והפחתה בכמויות הפחמן הדו-חמצני בתהליך הידוע בשם אסון החמצן. הופעת החמצן אפשרה את יצירת שכבת האוזון ותהליכי נשימה אירובים אשר גרמו לצריכה של החמצן הנוצר בפוטוסינתזה ובכך נוצר איזון בין שני התהליכים והתייצבות של הרכב האמוספירה ליצירת האטמוספירה השלישית, הקיימת כיום.

ראו גם

• מטאורולוגיה
• ניסוי מילר-יורי

קישורים חיצוניים

• צמ"ד אונליין (מכון ויצמן) - שאל את המומחה: מהו מקור החמצן בכדור הארץ?
• תופשים אוויר, באתר מוזיאון המדע בירושלים