2.3 A légkör vertikális szerkezete

Mint láttuk, a különböző gázok és részecskék tömegének azon összességét tekinthetjük a Föld légkörének, melyet bolygónk a Nap körüli keringése során magával visz. Ez voltaképpen megegyezik a magnetoszféra tartományával, mely a Föld mágneses tere és a Napból kiáramló protonok és elektronok árama, azaz a napszél kölcsönhatásával alakul ki. A magnetoszféra a Föld árnyékos oldalán hosszan elnyúlva ún. geomágneses uszályt képez (2.2. ábra).

 

A magnetoszféra

2.2. ábra: A magnetoszféra: a Föld mágneses tere és a Napból kiáramló protonok és elektronok árama, azaz a napszél kölcsönhatásával alakul ki.

A légköri gázok aránya szempontjából két fő réteget különböztethetünk meg a légkörben. Nevezetesen a kb. 80 km-es magasságig terjedő homoszférát, ahol a gázok egymáshoz viszonyított aránya közel állandó. Ezt a sűrűbb levegőben uralkodó turbulens, átkeverő mozgások biztosítják. A 80–100 km-es magasság fölött a turbulens áramlást lamináris áramlás váltja fel, aminek következtében a légkör összetétele a molekula-, illetve atomsúly szerint alakul. Itt, vagyis a heteroszférában, legalul a molekuláris nitrogén helyett a molekuláris oxigén dominál, aminek szerepét kb. 200 km-es magasság fölött az atomos oxigén veszi át. 1000 km fölött hélium, 2500 km fölött pedig hidrogén alkotja a már rendkívül ritka légkört.

 

A hőmérséklet változása a magassággal és az ózon szerepe a sztratoszférában

2.3. ábra: A hőmérséklet változása a magassággal és az ózon szerepe a sztratoszférában

A légkör sűrűsége és nyomása a földfelszíntől távolodva először gyorsan, majd mind lassabban, de gyakorlatilag folytonosan csökken. Ezzel szemben a hőmérséklet változásának vertikális eloszlása lényegesen bonyolultabban alakul (2.3. ábra). A földfelszín a napsugárzás egy részét elnyeli, ezért felmelegszik, és alulról melegíti a légkört. Nyilvánvaló ezért, hogy a hőforrásként felfogható felszíntől távolodva a hőmérséklet egyre alacsonyabbá válik. (A Föld felszínén a légkör átlaghőmérséklete 15 °C.)

A hőmérséklet csökkenésének üteme az évszaktól és időjárási helyzettől függően igen különböző lehet, sőt bizonyos rétegekben esetenként a hőmérséklet növekedése (inverzió) figyelhető meg.

Az egész Földet tekintve sok éves átlagban felfelé haladva 100 méterenként 0,65 °C-os hőmérséklet-csökkenés a jellemző. Mindez a légkör legalsó vékony rétegére, a troposzférára érvényes. A közepes szélességeken, kb. 12 km-es magasságban a hűlés megáll és a hőmérséklet egy darabig lényegében változatlan marad (izotermia). Ez a zóna a troposzféra felső határa, tropopauzának nevezzük. A tropopauza magassága feljebb helyezkedik el nyáron, mint télen, és jelentősen függ a földrajzi szélességtől is. Az Egyenlítő környékén magassága mintegy 18 km-re, míg a sarkoknál csupán 8 km-re tehető. A troposzféra felülete nem teljesen folytonos, hanem mindkét félgömbön két szakadás is van benne. Itt találhatók a nagy sebességű nyugati futóáramlások, az ún. jet-stream-ek. Mindezt a 2.4. ábra szemlélteti.

 

A tropopauza helyzete és a hőmérséklet vertikális rétegződése

2.4. ábra: A tropopauza helyzete és a hőmérséklet vertikális rétegződése különböző földrajzi szélességeken

Felfelé haladva az izoterm zóna elhagyása után a sztratoszféra következik, melyben a hőmérséklet függőleges irányú növekedése észlelhető. A növekvő hőmérséklet az itteni viszonylag nagy ózon-koncentrációnak köszönhető. Az ózonréteg az ultraibolya sugárzás 0,22–0,28 µm hullámhosszúságú tartományát elnyeli, ezáltal felmelegszik. A folyamatos melegedés kb. 50 km-es magasságig tart, ahol a réteg a legmagasabb hőmérsékletű (kb. –2 °C) tartománya található. E magasságban egy újabb izoterm réteg következik, amit az alatta lévő sztratoszféráról sztratopauzának nevezünk. Felvethető a kérdés, hogy a sztratoszférában miért nem a 25 km-es magasság környékén, vagyis az ózonkoncentráció maximumánál a legmagasabb a légkör hőmérséklete. Egyrészt azért, mert a sztratoszféra alsóbb rétegeibe a fölötte lévő ózon elnyelése folytán már kevesebb ultraibolya sugárzás érkezik, mint a sztratoszféra tetejére. Másrészt mert a légkör 50 km-es magasságban jóval ritkább, mint 25 km-en, s így adott mennyiségű elnyelt energia nagyobb felmelegedést okoz. A tropopauzához hasonlóan a sztratopauza elhelyezkedése is változik a földrajzi szélességtől és az évszaktól függően, de sokkal kisebb mértékben.

A sztratopauza fölötti újabb réteget mezoszférának nevezzük, melyet ismét a hőmérséklet vertikális csökkenése jellemez. Ennek oka, hogy a légkör rendkívül kis sűrűsége folytán az ózon mennyisége is elenyésző, így csak a sztratoszféra alulról történő melegítése jelent energiabevételt. Ez viszont a sztratopauzától távolodva egyre szerényebb mértékű. A mezoszféra tetején, kb. 85 km-es magasságban – melyet egy újabb izotermiával a mezopauza zár le – uralkodik a legalacsonyabb léghőmérséklet a teljes légkörben (kb. –90 °C). Meglepő, de még e magasság közelében is előfordulnak igen vékony felhők. Ezeket éjszakai világító felhőknek nevezik, mert a magas szélességeken a lemenő és már a horizont alá bukó Nap a légkör magasan fekvő rétegeit megvilágítva láthatóvá teszi őket. Víztartalmuk valószínűleg a troposzférából, vagy a metán és az OH gyök kémia reakciójából származik.

A mezopauza fölött helyezkedik el a termoszféra, melyben ismét a hőmérséklet magassággal való növekedése észlelhető. Itt az oxigén atomok az ultraibolya sugárzás 0,2 µm-nél rövidebb hullámhosszúságú tartományát nyelik el. Mivel e magasságban a légkör rendkívül ritka, és a magassággal tovább ritkul, a viszonylag csekély elnyelt energia a mind magasabb rétegekben egyre komolyabb hőmérséklet-emelkedést okoz. Így például 300 km-es magasságban átlagos naptevékenység mellett a hőmérséklet kb. 700 °C, aktív naptevékenység esetén közel 1700 °C is lehet. Itt meg kell jegyezni, hogy a Napban és felszínén zajló folyamatok intenzitása nem teljesen állandó. A naptevékenység egyik markáns jelenségei az ún. fler-kitörések, amikor a Nap felszínéről rövid idő alatt (néhány tíz perc) hatalmas ív vagy zászló alakú gázfelhő indul ki. Ilyenkor jelentős mértékben felerősödik az ultraibolya sugárzás és a protonok, elektronok kiáramlása.

Ha a földfelszíntől messze eltávolodunk, problémát jelent a hőmérséklet mérése. Ismert, hogy a hőmérséklet voltaképpen a molekulák átlagos mozgási energiájával arányos mennyiség. Minél gyorsabb a molekulák mozgása, annál magasabb a hőmérséklet. A termoszférában a molekulák (atomok) sebessége igen magas hőmérsékletnek felel meg. Ha azonban egy hagyományos hőmérőt juttatnánk ide, akkor az (ha képes volna jelezni) hihetetlenül alacsony hőmérsékletet mutatna. Ennek az az oka, hogy a légkör igen kicsiny sűrűsége folytán a hőmérőnek ütköző roppant kevés molekula nem tudja átadni energiáját. Sőt, a hőmérő itt több energiát sugározna ki, mint amennyit képes lenne elnyelni, így egy az abszolút zérus fokhoz (–273,15 °C) közeli értéket jelezne. Ez az oka, hogy a világűrben dolgozó űrhajós nem csak túléli a közel 1000 °C hőmérsékletet, hanem a Naptól eltakarva borzasztó hideget érezne. Ilyen magasságokban tehát a meleg vagy hideg hagyományos fogalma értelmét veszti és direkt módon nem is mérhető. A hőmérsékleti profil a légkör sűrűségprofilja alapján számítható, a sűrűség pedig a mesterséges holdak helyzetének megváltozásából határozható meg.

Nagy magasságban a légkör rendkívül ritka. A ritka levegőben az állandó mozgásban lévő atomok viszonylag nagy utat tudnak megtenni két ütközés között. A 2.4. táblázat a molekulák, illetve atomok átlagos szabad úthosszát tünteti fel különböző magasságokban. Látható, hogy a szabad úthossz pl. 500 km-es magasságban eléri akár a 10 km-t is. Nyilvánvaló, hogy ahol a szabad úthossz nagyon nagy, ott van esélye az atomnak arra, hogy a Föld gravitációs erejét legyőzve a világűrbe távozzék. Ezt a réteget exoszférának nevezzük, melynek képzeletbeli alsó határa a földfelszíntől nagyjából 500 km-re tehető (2.5. ábra).

2.4. táblázat: Molekulák és atomok átlagos szabad úthossza a légkör különböző magasságaiban

Magasság (km)

Tartomány

Átlagos szabad úthossz (m)

500

Exoszféra

10000

250

Termoszféra

1000

180

Termoszféra

100

150

Termoszféra

10

100

Termoszféra

0,1

50

Sztratoszféra

10–4

0

Felszín

10–7

 

A légkör hőmérséklet szerinti vertikális rétegződése

2.5. ábra: A légkör hőmérséklet szerinti vertikális rétegződése

Meg kell említeni – noha a hőmérsékleti rétegződés alapján történő osztályozásba nem illeszkedik bele – az ionoszférát. Ez valójában nem egy egységes réteg, hanem a légkör – elsősorban a termoszféra – olyan régiója, ahol elektromosan töltött részecskék, azaz ionok viszonylag nagy számban vannak jelen. Ez a régió sem egységes, hanem különböző rétegekre osztható. Erről részletesebben majd a 11. fejezetben olvashatunk.