Ilmakehä
Ilmakehä on Maata ympäröivä, yhden määritelmän mukaan sadan kilometrin paksuinen kaasukehä, joka koostuu ilmasta. Ilmakehän yleisimmät kaasut ovat typpi ja happi, mutta myös esimerkiksi ilmakehän hiilidioksidilla on suuri merkitys maapallolle ja sen kasveille. Ilmakehässä on lisäksi vaihteleva määrä vesihöyryä ja erilaisia hiukkasia.
Ilmakehä jaetaan lämpötilan perusteella useaan kerrokseen. Niistä alin on keskimäärin 10 kilometrin korkuinen troposfääri, jossa sääilmiöt tapahtuvat. Muita ilmakehän tärkeitä kerroksia ovat esimerkiksi otsonikerros, joka suojaa maapalloa säteilyltä, ja ionosfääri, joka heijastaa radioaaltoja.
Ilmakehä on jatkuvassa kiertoliikkeessä, jossa tuulet siirtävät lämpöenergiaa ja kosteutta paikasta toiseen ja tasaavat maapallon lämpötilaeroja. Ilmakehässä esiintyy tuulten, pilvien ja sateiden lisäksi monenlaisia sähköisiä ja optisia ilmiöitä kuten revontulia, haloilmiöitä ja sateenkaaria. Ilmakehän pahimpia saasteita ovat alailmakehän otsoni sekä pienhiukkaset.
Maapallo sai varhaisimman kaasukehänsä pian Maan muodostuttua 4,6 miljardia vuotta sitten. Ilmakehän koostumus on vaihdellut Maan historian aikana. Happea ilmakehään alkoi tulla 3,5 miljardia vuotta sitten, ja 600 miljoonaa vuotta sitten sen määrä alkoi nousta kohti nykyistä tasoa.
Ihmisen on vaikea selviytyä pitkiä aikoja hengissä jo kuuden kilometrin korkeudessa, ja yli kahdeksan kilometrin korkeudessa hapenpuutteeseen kuolee melko nopeasti. Jotkin linnut voivat kuitenkin selviytyä jopa 12 kilometrin korkeudessa.
Koostumus
muokkaa- Pääartikkeli: Ilma
Ilmakehästä tunnetaan kolmisentuhatta eri alkuainetta ja yhdistettä. Kuiva ilma on lähinnä typpeä (78 prosenttia) ja happea (21 prosenttia), joista kumpikin esiintyy kahdesta atomista koostuvina molekyyleinä N2 ja O2. Prosentti ilmasta koostuu muun muassa hiilidioksidista, argonista ja muista jalokaasuista, metaanista sekä otsonista. Vesihöyryä esiintyy runsaasti mutta vaihtelevasti. Kaasujen suhteelliset osuudet pysyvät lähes samoina noin sadan kilometrin korkeudelle saakka. Sitä ylempänä Maan vetovoima aiheuttaa sen, että raskaammat molekyylit jäävät keskimäärin alempiin kerroksiin kuin kevyemmät. Ylimmissä kerroksissa ilmakehä koostuu pääasiassa heliumista ja vedystä.[1]
Yleisimmät kaasut
muokkaa| Aine | Pitoisuus ilmakehässä[1] |
|---|---|
| Typpi (N2) | 78,1 % |
| Happi (O2) | 20,9 % |
| Argon (Ar) | 0,93 % |
| Hiilidioksidi (CO2) | 0,039 % |
| Neon (Ne) | 0,0018 % |
| Helium (He) | 0,0005 % |
| Metaani (CH4) | 0,00017 % |
| Krypton (Kr) | 0,00011 % |
| Vety (H2) | 0,00005 % |
| Otsoni (O3) | 0,000004 % |
Ilmakehän merkittävin kemiallisesti aktiivinen ainesosa on happi. Sen sijaan typpi, hiilidioksidi ja jalokaasut eivät reagoi kemiallisesti muiden aineiden kanssa kovin herkästi.[1]
Muut aineet
muokkaaIlmakehässä esiintyy vaihtelevasti vesihöyryä, jota on enimmillään 4 % matalalla ja tropiikin leveysasteilla.[2]
Ilmakehässä esiintyy vaihtelevasti erilaisia hiukkasia, joita kutsutaan aerosoleiksi. Hiukkaset ovat pieniä kiinteitä tai nestemäisiä kappaleita, jotka vaihtelevat muutaman molekyylin kokoisesta 0,1 millimetriin. Osa hiukkasista on luonnon nostattamia, kuten tomu, tulivuorten tuhka ja rikkihappo, siitepöly sekä merisuola. Myös sumu- ja pilvipisarat ovat aerosoleja. Ihminen aiheuttaa toiminnallaan hiukkaspäästöjä etenkin polttamalla öljyä ja kivihiiltä. Vähiten hiukkasia on kaukaisilla valtamerialueilla ja napaseuduilla ja eniten vilkkaasti liikennöidyillä kaupunkialueilla. Suuri hiukkaspitoisuus tekee ilmakehästä monesti samean ja utuisen.[3]
Kerrokset
muokkaaIlmakehässä on useita kerroksia eli sfäärejä, joita erottavat paussit. Ilman lämpötila muuttuu ylöspäin mentäessä samaan suuntaan koko sfäärissä, ja paussissa lämpötilan suunta kääntyy. Ilmakehän kerrokset ovat Maan pyörimisliikkeen johdosta paksuimmillaan päiväntasaajalla ja pienenevät napoja kohti. Lisäksi merten ja mannerten jakauma vaikuttaa kerrosten paksuuteen pituusasteittain, ja ne vaihtelevat myös vuodenajoittain ja vuorokaudenajoittain.[1]
Kerrokset lämpötilan mukaan
muokkaa
Troposfääri
muokkaaTroposfääri on ilmakehän alin kerros. Sen korkeus on navoilla tyypillisesti 5 kilometriä ja päiväntasaajalla 15 kilometriä. Lämpimällä ilmalla se on myös tavallista korkeammalla ja kylmällä tavallista alempana. Troposfääri sisältää suurimman osan ilmakehän massasta ja kosteudesta. Siellä esiintyvät sääilmiöt, kuten pilvet ja sade. Troposfäärin lämpötila laskee ylöspäin mentäessä 6,5 astetta kilometriä kohti. Troposfääri päättyy tropopaussiin, jossa on 50–70 astetta pakkasta. Hiukan sen yläpuolella ilmanpaine on enää kymmenesosa merenpinnalla vallitsevasta.[4]
Stratosfääri
muokkaaStratosfääri on troposfäärin yläpuolella sijaitseva ilmakerros, jonka yläraja on noin 50 kilometrin korkeudessa stratopaussissa. Stratosfäärin alaosassa lämpötila on likimain vakio, mutta ylempänä lämpötila nousee korkeuden mukana. Stratosfääri on hyvin kuiva ja sen ilmanpaine enää 1/1000 merenpinnan tason paineesta. Lentokoneet ja kaasupallot voivat nousta stratosfääriin asti. Stratosfäärissä Auringon ultraviolettisäteily muodostaa otsonia, joka estää haitallisen ultraviolettisäteilyn pääsyn Maan pinnalle. Stratosfäärissä on joskus helmiäispilviä.[5]
Mesosfääri
muokkaaMesosfääri alkaa stratosfäärin yläpuolelta ja jatkuu aina 80–90 kilometrin korkeuteen mesopaussiin. Sen ilmanpaine on tuhannesosasta sadastuhannesosaan merenpinnan tason paineesta, ja sen lämpötila laskee ylemmäs mentäessä aina sataan pakkasasteeseen. Meteorit näkyvät yleensä mesosfäärissä. Mesosfäärissä nähdään myös valaisevia yöpilviä.[6]
Termosfääri
muokkaaTermosfäärissä mesopaussin yläpuolella 90 kilometristä alkaen lämpötila taas nousee korkeuden mukana Auringon hyvin lyhytaaltoisen ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Koska aine on äärimmäisen harvaa, sillä ei ole lämmittävää vaikutusta, eikä tuulia tai pystysuoria virtauksia. Termosfäärin aine on asettunut kerroksittain painonsa mukaisesti.[7]
Avaruuden epävirallinen raja on usein määritelty termosfäärin alaosaan. Siellä 100 kilometrin korkeudessa sijaitsee Kármánin raja, jota Euroopassa pidetään usein avaruuden rajana. Yhdysvalloissa kaikkia jo yli 80 kilometrin korkeudessa käyneitä kansalaisia pidetään astronautteina.[8]
Eksosfääri
muokkaaEksosfääri alkaa vähitellen noin 500 kilometrin korkeudessa. Se on ilmakehän ja avaruuden välitila, josta hiukkasia karkailee avaruuteen.[7] Molekyyli pakenee Maan vetovoimakentästä, kun se on riittävän korkealla ja sen nopeus on suurempi kuin pakonopeus. Hyvin pieni osa ilmakehän ylimmän kerroksen molekyyleistä on näin nopeassa liikkeessä, joten Maan ilmakehän katoaminen on hyvin hidasta.[9]
Kerrokset koostumuksen mukaan
muokkaaIlmakehä jaetaan homosfääriin ja heterosfääriin sen mukaan, miten kaasut jakautuvat. Kerrosten välillä on homopaussi. Homosfäärissä erimassaiset molekyylit ovat sekoittuneina, sillä kaasu on vielä riittävän tiheää siihen, että atomien ja molekyylien väliset törmäykset hallitsevat kaasun dynamiikkaa. Homosfääri yltää sadan kilometrin korkeudelle. Heterosfäärissä sen yläpuolella atomien ja molekyylien väliset törmäykset eivät enää siirrä liike-energiaa mainittavasti molekyylien välillä. Tämän seurauksena Maan vetovoiman vaikutuksesta raskaammat molekyylit jäävät alempiin kerroksiin ja kevyet ylempiin. Heterosfäärin alaosassa esiintyy happea ja typpeä sekä atomeina että molekyyleinä ja typen oksideina, mutta ylempänä on lähinnä heliumia ja vetyä.[10]
Kerrokset kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan
muokkaaOtsonikerros on stratosfäärissä 15–25 kilometrin korkeudessa. Se syntyy kun Auringon säteily hajottaa happimolekyylejä O2 vapaiksi happiatomeiksi O, joista syntyy otsonia O3. Otsoni suojaa Maata haitalliselta ultraviolettisäteilyltä. Sitä on ilmakehässä vain muutama miljoonasosa, ja se on herkkä ihmisen tuottamille aineille kuten freoneille. 1980-luvulla otsonikerroksessa havaittiin ohenemista Etelämantereen yllä.[11]
Ionosfääri sijaitsee termosfäärin alaosassa. Ionosfääri sisältää ionisoituneita hiukkasia, jotka Auringon säteily on hajottanut atomeista ioneiksi. Ionosfääri heijastaa elektroniensa ansiosta radioaaltoja, mikä tekee mahdolliseksi niiden lähettämisen maapallolla paikasta toiseen. Ionosfääri jaetaan neljään kerrokseen, D, E, F1 ja F2, joilla on erilaisia vaikutuksia; radioaaltojen kannalta tärkein on F2-kerros. Revontulet syntyvät ionosfäärissä, kun varattuja hiukkasia osuu ilmakehään.[12]
Säteilyvaikutukset
muokkaa- Katso myös: Maan säteilytasapaino
Säteilyn vaimentaminen
muokkaa
Ilmakehä vaimentaa avaruudesta saapuvaa säteilyä.[13] Suurin osa alle 300 nanometrin säteilystä absorboituu jo ilmakehän ylimmissä kerroksissa, mikä on Maan tunnetuille elämänmuodoille välttämätöntä. Lyhytaaltoisin gamma- ja röntgensäteily absorboituu ilmakehän yläosien atomeihin sekä happi- ja typpimolekyyleihin. Kun säteily hajottaa happimolekyylejä happiatomeiksi, syntyy esimerkiksi otsonia, johon pitkäaaltoisempi ultraviolettisäteily absorboituu.[14] Näkyvän valon aallonpituudet, samoin kuin hiukan niitä lyhemmät ja pitemmätkin, läpäisevät ilmakehän hyvin. Ilmakehä kuitenkin sirottaa valoa ja samalla heikentää sitä. Taivaan sininen väri tulee siitä, että lyhytaaltoinen sininen valo siroaa voimakkaammin kuin punainen. Infrapunasäteily absorboituu ilmakehän vesihöyryyn. Ilmakehä päästää lävitseen myös radioaallot aallonpituudeltaan muutamasta millimetristä pariinkymmeneen metriin.[15]
Kasvihuoneilmiö
muokkaaKasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan sitä, kun osa maanpinnasta ylös heijastuvasta lämpösäteilystä jää lämmittämään ilmakehää ja maanpintaa. Maan lämpösäteily on pitkäaaltoista, minkä vuoksi ilmakehä absorboi sitä tehokkaasti ja säteilee osan takaisin alas. Kasvihuoneilmiön seurauksena maapallon lämpötila on 33 astetta korkeampi kuin ilman sitä. Kasvihuoneilmiöön vaikuttavia kaasuja kutsutaan kasvihuonekaasuiksi. Maan ilmakehän tärkeimpiä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry, hiilidioksidi, otsoni, metaani ja typpioksiduuli[16] eli ilokaasu. Ihmisen toiminta on lisännyt monen kasvihuonekaasun määrää ilmakehässä.[17]
Ilmanpaine
muokkaa
Ilmanpaine on ilmakehän paine maanpintaa vastaan. Merenpinnan korkeudella normaali ilmanpaine on noin 1 013 hehtopascalia (hPa). Ilmanpaine laskee noustaessa korkeammalle merenpinnan tasolta.[18] Kymmenen kilometrin korkeudessa ilmanpaine on alle 300 hPa ja 50 kilometrin korkeudessa alle 1 hPa.[19]
Ilmakehän liikkeet
muokkaaIlmakehä on jatkuvassa kiertoliikkeessä. Tuulet siirtävät lämpöenergiaa ja kosteutta paikasta toiseen ja tasaavat maapallon lämpötilaeroja. Ilmakehän kiertoliikettä ylläpitää etupäässä Auringon energia, jota päiväntasaajan seutu saa enemmän kuin napa-alueet. Lämmin ilma nousee ylöspäin ja palaa jäähtyneenä takaisin maan pinnalle toisaalla. Maapallolla on useita tuulivyöhykkeitä, joiden paikat muuttuvat vuodenaikojen mukana.[20]
Maapallon pyörimisestä aiheutuu coriolisvoima, joka vaikuttaa suurikokoisiin ilmavirtauksiin merkittävästi. Pohjoisella pallonpuoliskolla ilma kaartuu oikealle ja eteläisellä pallonpuoliskolla vasemmalle. Coriolisvoima vahvistuu mentäessä lähemmäs napoja ja heikkenee mentäessä lähemmäs päiväntasaajaa.[21]
Optisia ilmiöitä
muokkaa- Pääartikkeli: Ilmakehän optinen ilmiö
Ilmakehässä esiintyy monenlaisia optisia ilmiöitä, kuten haloilmiöt; sateenkaaret; sumu- ja kasteilmiöt; kehät ja väripilvet; tulivuori-ilmiöt kuten tulivuoriruskot ja Bishopin rengas; siitepölykehät, itiöpölykehät ja levien valoilmiöt; taittumisilmiöt kuten kangastukset, vääristynyt Aurinko tai Kuu, tai välähdykset Auringolla; hämärä- ja ruskoilmiöt kuten purppuravalo, hämäränkaaret, Maan varjo, vastarusko, hämäränsäteet ja vastahämäränsäteet; helmiäispilvet ja valaisevat yöpilvet.[22]
Ilman saastuminen
muokkaa- Pääartikkeli: Ilman saastuminen
Ilmakehään pääsee niin luonnollista kautta kuin ihmisen toiminnastakin johtuen epäpuhtauksia, jotka vahingoittavat ihmisten terveyttä ja ympäristöä. Terveydelle haitallisimpia päästöjä ovat alailmakehän otsoni sekä hiukkaset, erityisesti pienhiukkaset.[23] Ilman saastumisen tärkeimpiä syitä ovat fossiiliset polttoaineet, teolliset prosessit ja liuottimien käyttö, maatalous, jätehuolto sekä luonnollisista lähteistä esimerkiksi tulivuorenpurkaukset, pöly, merivesi ja kasvit.[24]
Ilmakehän historiaa
muokkaa
Maalla on ollut kolme eri kaasukehää. Varhaisin kaasukehä syntyi pian Maan muodostuttua 4,6 miljardia vuotta sitten. Se oli ohut ja koostui pääasiassa vedyn ja heliumin sekoituksesta. Toinen kaasukehä syntyi seuraavien satojen miljoonien vuosien aikana purkautuneiden useiden valtavien tulivuorten purkauskaasuista. Lisäksi Maahan kulkeutui jääkimpaleita, jotka vaikuttivat kaasukehän koostumukseen.[25]
Noin 4,5 miljardia vuotta sitten maapallon alkuilmakehä koostui lähinnä vesihöyrystä, hiilidioksidista, vedystä ja typestä. Happea ei vielä tällöin ollut lainkaan.[26] Hapen määrä ilmakehässä alkoi lisääntyä vasta, kun noin 3,5 miljardia vuotta sitten ensimmäiset happea tuottavat bakteerit syntyivät. Niillä oli kyky pilkkoa vettä vedyksi ja hapeksi, eivätkä ne vielä tarvinneet happea omiin elintoimintoihinsa, joten happea alkoi vapautua. Pikkuhiljaa hapen määrä ilmakehässä kasvoi ja vapaan vedyn määrä väheni. Kehitys oli hidasta: vielä noin kaksi miljardia vuotta sitten ilmakehän happipitoisuus oli vain noin sadasosa nykyisestä ja 700 miljoonaa vuottakin sitten vain kymmenesosa. Hapen lisääntyminen aloitti myös otsonikerroksen syntymisprosessin.[27] Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä oli vielä kambrikaudella 15-kertainen nykyiseen verrattuna. Nykyisen happipitoisuutensa ilmakehä saavutti noin 360 miljoonaa vuotta sitten, ja samalla hiilidioksidipitoisuus oli laskenut lähelle nykytasoa.[28]
Ilmakehän tutkimus
muokkaaIlmakehätutkimukseen kuuluvat ilmakehän kaikkien kerrosten ja niissä tapahtuvien ilmiöiden tutkiminen ja mallintaminen. Ilmakehätutkimuksen tärkeänä osana on suunnitella laitteita, joilla ilmakehän prosesseja voitaisiin tutkia. Ilmakehän tilan ja prosessien tutkimus on tärkeää, jotta voidaan ymmärtää ilmakehän ongelmia kuten otsonikatoa. Myös ilmakehän muutoksien ennustaminen on tärkeää, jotta ongelmien paheneminen voidaan estää.[29]
Koska ilmakehää on hyvin vaikeaa tutkia maasta käsin, ilmakehää tutkitaan erilaisten luotaimien ja Maata kiertävien satelliittien avulla. Ilmakehätutkimukseen kuuluu oleellisesti kansallinen ja kansainvälinen yhteistyö. Suuria ilmakehätutkimuslaitoksia ovat esimerkiksi Euroopan avaruusjärjestö ESA ja Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASA. Suomessa ilmakehätutkimusta tekee muun muassa Ilmatieteen laitos.[29]
Elinkelpoisuuden rajat
muokkaaStratosfäärissä yli 15 kilometrin korkeudessa elää monipuolinen joukko mikrobeja. Niiden tiheys on muutama yksilö kuutiometrissä, eikä niiden nykytiedon mukaan uskota aktiivisesti kasvavan ja lisääntyvän siellä.[30] Kymmenen kilometrin korkeudesta on havaittu kuutiometriä kohti noin viisi tuhatta bakteerisolua, joista suurin osa on eläviä.[31]
Korkealla ilma on niin ohutta, että lentäminen kuluttaa paljon sekä energiaa että happea. Suomukorppikotka on kuitenkin havaittu yli 12 kilometrin korkeudessa, ja Mount Everestin huipulla 8 850 metrissä on havaittu useita lintulajeja.[32]
Monille ihmisille tulee jo 2 500 metrissä ohuen ilman aiheuttamaa sairastumista eli vuoristotautia. Yhä korkeammalla oleskelu vaatii hidasta totuttautumista.[33] Kuuden kilometrin yläpuolella voi sopeutua oleskelemaan lyhytaikaisesti, mutta yleensä tämä on hengenvaarallista. Kahdeksan kilometrin korkeudesta ylöspäin ihminen ei enää pysty sopeutumaan korkeuteen ja hapenpuutteeseen pysyvästi vaan kuolee melko nopeasti.[34] Reinhold Messner ja Peter Habeler olivat vuonna 1978 ensimmäiset, jotka kiipesivät maailman korkeimman vuoren Mount Everestin huipulle 8 850 metriin ilman lisähappea.[35]
Katso myös
muokkaaLähteet
muokkaa- Karttunen, Hannu & Koistinen, Jarmo & Saltikoff, Elena & Manner, Olli: Ilmakehä, sää ja ilmasto. (Laajennettu ja korjattu laitos teoksesta Ilmakehä ja sää) Helsingissä: Ursa, 2008. ISBN 978-952-5329-61-2
Viitteet
muokkaa- ↑ a b c d Karttunen et al. 2008, s. 68–69.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 98–99.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 95.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 69–72.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 74–75.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 75–76.
- ↑ a b Karttunen et al. 2008, s. 76–77.
- ↑ Avaruuden raja mitattiin 12.4.2009. Tähdet ja avaruus. Viitattu 5.5.2015.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 36–37.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 69.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 90–91
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 77–78.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 52.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 57.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 58–59.
- ↑ Kasvihuonekaasut, Ilmatieteen laitos
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 96–99.
- ↑ Ilmakehä-ABC Ilmatieteen laitos. Viitattu 4.5.2015.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 70.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 121–124.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 48–49.
- ↑ Ilmakehän optisia ilmiöitä Ursa. Arkistoitu 20.3.2016. Viitattu 4.5.2015.
- ↑ Ilman saastumista koskeva teemakohtainen strategia EU:n lainsäädäntö. Viitattu 5.5.2015.
- ↑ Ilman saastuminen Euroopan ympäristökeskus. Viitattu 5.5.2015.
- ↑ Juul Nielsen, Lotte; Vibeke Hjuler, Ulla: Planeetta Maa, s. 22–23, 86. Bonnier, 2009. ISBN 9788253530567
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 139–140.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 141.
- ↑ Karttunen et al. 2008, s. 144.
- ↑ a b Ilmatieteen laitos: Ilmakehätutkimus FMI. Viitattu 26.9.2016.
- ↑ Nummila, Sakari: Maapallon stratosfäärissä on luultua enemmän elämää 25.11.2012. Tähdet ja avaruus. Viitattu 5.5.2015.
- ↑ Vuento, Matti: Bakteerien planeetta, s. 318–319. Gaudeamus, 2019. ISBN 978-952-345-043-1
- ↑ Ilmakehän rakenne määrää lintujen lentokorkeuden ylärajan 14/2002. Tieteen kuvalehti. Viitattu 5.5.2015.
- ↑ Willett, Edward: High Altitude Physiology Edward Willett. Viitattu 27. toukokuuta 2007. (englanniksi)
- ↑ Darack, Ed: Wild Winds: Adventures in the Highest Andes, s. 153. Määritä julkaisija! ISBN 1884980813 Teoksen verkkoversio (viitattu 26.9.2016).[vanhentunut linkki]
- ↑ Bisharat, Andrew: What’s the Big Deal About Climbing Everest Without Oxygen? Beyond the Edge. 21.4.2016. National Geographic. Viitattu 26.9.2016.
