Maan ilmakehä — koostumus, rakenne ja merkitys elämälle

Maan ilmakehä — koostumus, rakenne ja elämän suoja: syvällinen opas typestä, hapesta, CO2:sta, vesihöyrystä ja pilvien merkityksestä elämälle.

Tärkeintä on muistaa, että Maa ja muut planeetat eivät ole peräisin Auringosta. Auringon vetovoima on ottanut ne tai niiden materiaalit mukaansa, kun se liikkui avaruudessa. Aurinko koostuu vain vedystä, jossa on hieman heliumia. Ei mitään muuta. Planeetat ja niiden satelliitit koostuvat lähes yksinomaan raskaammista alkuaineista, jotka ovat peräisin aikaisemmista supernovaräjähdyksistä. Planeetoista vapautuu pieniä määriä vetyä ja heliumia: ne ovat peräisin sellaisten suurempien radioaktiivisten molekyylien hajoamisesta, jotka ovat peräisin myös muinaisista supernovista.

Selvennys: Aurinko koostuu pääosin vedystä ja heliummista, mutta siinä on myös hyvin pieniä pitoisuuksia raskaampia alkuaineita. Planeettojen ja niiden kaasujen alkuperä liittyy iskuihin, kertymiseen ja materiaaliin, joka jäi tähdenmuodostuksen sivutuotteena. Maan ilmakehä ja pinnan kemiallinen koostumus muotoutuivat pitkän ajan kuluessa, johon vaikuttivat mm. vulkaaninen toiminta, meteoriittien tuoma aine ja elollinen toiminta.

Hankaloittava tekijä on Kuu, joka on syntynyt ison kappaleen törmätessä varhaiseen Maahan. Tämä tarkoittaa, että elämän synty Maassa olisi tapahtunut Kuun muodostumisen jälkeen.

Ilmakehä on maapallon ympärillä oleva kaasukerros. Maan painovoima pitää sen paikallaan. Nykyisin se koostuu pääasiassa typestä (78,1 %). Ilmakehässä on myös runsaasti happea (20,9 %) ja pieniä määriä argonia (0,9 %), hiilidioksidia (~ 0,035 %), vesihöyryä ja muita kaasuja. Ilmakehä suojaa elämää maapallolla absorboimalla (ottamalla vastaan) auringon ultraviolettisäteitä. Se tekee päivistä viileämpiä ja öistä lämpimämpiä.

Ajankohtainen huomio: Hiilidioksidin osuus ilmakehässä on viime vuosikymmeninä kasvanut fossiilisten polttoaineiden käytön seurauksena. Nykyisin pitoisuudet ovat noin 0,04 % (noin 410–420 ppm), mikä riittää vahvistamaan kasvihuoneilmiötä ja muuttamaan ilmastoa. Vesihöyryn määrä vaihtelee paikallisesti ja sääolosuhteiden mukaan ja on voimakas kasvihuonekaasu sekä pilvien muodostuksen edellytys. Ozonikerros stratosfäärissä absorboi tehokkaasti vaarallista UV‑säteilyä ja on siten elämälle keskeinen suojamekanismi.

Kiinteät hiukkaset, kuten tuhka, pöly, vulkaaninen tuhka jne. ovat pieniä osia ilmakehästä. Ne ovat tärkeitä pilvien ja sumun muodostumisessa.

Näiden hiukkasten (aerosolien) ominaisuudet vaikuttavat säteilytasapainoon: jotkin hiukkaset heijastavat auringonvaloa takaisin avaruuteen ja viilentävät ilmastoa, toiset taas edistävät pilvien muodostumista tai absorboivat lämpöä. Ihmistoiminnan aerosolit voivat myös heikentää ilmanlaatua ja terveydentilaa.

Tunnelma ei pääty tiettyyn paikkaan. Mitä korkeammalla maapallon yläpuolella ollaan, sitä ohuempi ilmakehä on. Ilmakehän ja ulkoavaruuden välillä ei ole selvää rajaa, vaikka Kármánin linjaa pidetäänkin joskus rajana. Vielä korkeammalla magnetosfäärin reunaa pidetään joissakin tarkoituksissa rajana. 75 prosenttia ilmakehästä on enintään 11 kilometrin etäisyydellä Maan pinnasta.

Ilmakehän kerrokset ja niiden ominaisuudet

• Troposfääri (pinta–noin 8–15 km): Tihein kerros, jossa sääilmiöt (pilvet, sadekuurot, tuulet) tapahtuvat. Lämpötila yleensä laskee korkeuden kasvaessa. Suurin osa ilmakehän massasta ja vesihöyrystä on tässä kerroksessa.
• Stratosfääri (noin 15–50 km): Lämpötila nousee ylöspäin ozonikerroksen ansiosta, joka absorboi UV-säteilyä. Lentoliikenne hyödyntää usein stratosfääriä suotuisien olosuhteiden vuoksi.
• Mesosfääri (noin 50–85 km): Tässä kerroksessa lämpötila jälleen laskee, ja meteoroidit palavat usein mesosfäärissä näkyvinä tähdenlentoinakin.
• Thermosfääri (noin 85–600 km): Harvempi kaasu, lämpötilat voivat nousta erittäin korkeiksi aurinkoenergian vaikutuksesta. Avaruusasema kiertää usein tämän kerroksen alaosassa.
• Eksosfääri (yli ~600 km): Ilmakehän harvinainen ylin osa, jossa kaasumolekyylit voivat vähitellen karkailla avaruuteen. Ei selkeää rajaa ulkoavaruuteen.

Ilmakehän merkitys elämälle

• Tarjoaa hengitysilman (happi ja typpi) ja ylläpitää elämälle sopivaa kaasukoostumusta.
• Suojaa haitalliselta ultraviolettisäteilyltä ozonikerroksen ansiosta.
• Säätelee lämpötiloja ja mahdollistaa vesikierron: haihdunta, pilvet, sade ja jokien täyttyminen.
• Mahdollistaa äänen etenemisen ja polttotoiminnot (palaminen vaatii happea).
• Vaikuttaa merkittävästi maapallon säteilytasapainoon ja siten ilmastoon (kasvihuonekaasut kuten vesihöyry, hiilidioksidi, metaani).

Kuu, ilmakehän kehitys ja elämän alku

Kuun muodostumisella on ollut suuri vaikutus maan kehitykseen: isontörmäyksen seurauksena syntynyt kuori- ja massa‑muutos vaikutti Maan pyörähdysnopeuteen, vuorovesi-ilmiöihin ja mahdollisesti myös siihen, miten ja milloin ilmakehä ja vesivarannot stabilisoituivat. Törmäys olisi voinut poistaa osan kevyistä alkuaineista ja volatiileista, joten nykyinen ilmakehä muodostui osittain uudelleen pitkän ajan kuluessa vulkaanisesta toiminnasta ja myöhemmästä aineen saannista avaruudesta.

Ihmisen vaikutus ilmakehään

• Ilmastonmuutos: Fossiilisten polttoaineiden palaminen ja metsien häviäminen ovat lisänneet ilmakehän kasvihuonekaasujen määrää, mikä nostaa maailmanlaajuista keskilämpötilaa ja muuttaa sään ääri-ilmiöitä.
• Ilmanlaatu: Päästöt (hiukkaset, typpioksidit, rikkiyhdisteet, VOC-yhdisteet) heikentävät paikallista ilmanlaatua, vaikuttavat terveyteen ja näkyvyyteen.
• Ozonikato: Stratosfäärin otsonikerrosta uhkasivat aiemmin CFC-yhdisteet; kansainväliset sopimukset (esim. Montréalin pöytäkirja) ovat kuitenkin vähentäneet näiden yhdisteiden käyttöä ja mahdollistaneet osittaisen toipumisen.

Yhteenveto

Maapallon ilmakehä on monimutkainen, kerroksittainen kaasujärjestelmä, joka on syntynyt pitkän ja dynaamisen prosessin tuloksena. Se on välttämätön elämälle: se tarjoaa hengitysilman, säätelee säteilyä ja lämpötilaa sekä ylläpitää vesikiertoa. Samalla ilmakehä reagoi sekä luonnollisiin prosesseihin (vulkaniitti, meteoriitit, aurinkotoiminta) että ihmisen toimintaan, ja sen muuttuminen vaikuttaa suoraan elinolosuhteisiin.

Lisätietoa ilmakehästä ja siihen liittyvistä ilmiöistä saa seuraavista aihealueista: ilmastonmuutos, pilvifysiikka, stratosfäärin otsoni sekä ilmakehän kemiassa ja dynamiikassa käytettävät mittausmenetelmät.

Lämpötila ja ilmakehän kerrokset

Jotkin ilmakehän osat ovat kuumia tai kylmiä korkeudesta riippuen. Kun lähdetään liikkeelle pinnasta ja noustaan suoraan ylöspäin, ilma kylmenee troposfäärissä, mutta kuumenee stratosfäärissä. Nämä lämpötilan muutokset jaetaan kerroksiin. Ne ovat kuin sipulin kerrokset. Kerrosten välinen ero on se, miten lämpötila muuttuu.

Nämä ovat ilmakehän kerrokset, jotka alkavat maasta:

• Troposfääri - Alkaa maasta. Päättyy jonnekin 0-18 kilometrin (0-11 mailia) päähän. Mitä korkeammalla, sitä kylmempää. Tämän kerroksen sää vaikuttaa jokapäiväiseen elämäämme.
• Stratosfääri - alkaa 18 kilometrin päästä. Päättyy 50 kilometrin (31 mailin) päässä. Mitä korkeammalla, sitä kuumempaa. Lämpö tulee stratosfäärin yläosassa olevasta otsonikerroksesta. Tässä kerroksessa on vähän vesihöyryä ja muita aineita. Lentokoneet lentävät tässä kerroksessa, koska se on yleensä vakaa ja ilmanvastus on pieni.
• Mesosfääri - Alkaa 50 kilometrin (31 mailin) korkeudesta. Päättyy 80 tai 85 kilometrissä (50 tai 53 mailissa). Mitä korkeammalla, sitä kylmempi. Tässä kerroksessa tuulet ovat voimakkaita, joten lämpötila ei ole vakaa.
• Termosfääri - Alkaa 80 tai 85 kilometrin (50 tai 53 mailin) korkeudesta. Päättyy 640 kilometrissä (400 mailia) tai korkeammalla. Mitä korkeammalla, sitä kuumempaa. Tämä kerros on erittäin tärkeä radioviestinnässä, koska se auttaa heijastamaan joitakin radioaaltoja.
• Eksosfääri - termosfäärin yläpuolella. Tämä on ylin kerros, joka sulautuu planeettojen väliseen avaruuteen.

Alueet, joissa yksi kerros vaihtuu seuraavaan, on nimetty "-pauses". Tropopause on siis troposfäärin loppupiste (7-14 kilometrin (4,3-8,7 mailin) korkeudella). Stratopause on stratosfäärin lopussa. Mesopause on mesosfäärin lopussa. Nämä ovat rajoja.

Ilmakehän keskilämpötila maapallon pinnalla on 14 °C (57 °F).

 
Lämpötila eri korkeuksilla  

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mistä aurinko on tehty?

K: Mistä planeetat ja niiden satelliitit muodostavat materiaalit ovat peräisin?

K: Miten ilmakehä suojaa elämää Maassa?

K: Mitä ovat kiinteät hiukkaset suhteessa ilmakehään?

K: Onko ilmakehän ja ulkoavaruuden välillä selkeä raja?

Kysymys: Kuinka suuri osa Maan ilmakehästä on 11 kilometrin (6,8 mailin) etäisyydellä maan pinnasta?

K: Milloin elämän maapallolla uskotaan alkaneen?

Hae kirjaimella