De atmosfeer
De aarde is omgeven door een relatief dunne atmosfeer (gewoonlijk lucht genoemd) die bestaat uit een mengsel van gassen, voornamelijk moleculaire stikstof (78 procent) en moleculaire zuurstof (21 procent). Ook aanwezig zijn veel kleinere hoeveelheden gassen zoals argon (bijna 1 procent), waterdamp (gemiddeld 1 procent maar zeer variabel in tijd en locatie), kooldioxide (0,0395 procent [395 delen per miljoen] en momenteel stijgend), methaan (0.00018 procent [1.8 delen per miljoen] en momenteel stijgend), en andere, samen met minuscule vaste en vloeibare deeltjes in suspensie.
geoïde: Bepaling van de figuur van de aarde
Krediet voor het idee dat de aarde bolvormig is, wordt meestal gegeven aan Pythagoras (bloeide in de 6e eeuw vce) en
Omdat de aarde een zwak zwaartekrachtveld heeft (vanwege zijn grootte) en warme atmosferische temperaturen (vanwege de nabijheid van de zon) in vergelijking met de gigantische planeten, mist het de meest voorkomende gassen in het universum die ze bezitten: waterstof en helium. Terwijl zowel de zon als Jupiter overwegend uit deze twee elementen bestaan, konden ze niet lang op de vroege aarde worden vastgehouden en snel verdampen in de interplanetaire ruimte. Het hoge zuurstofgehalte van de atmosfeer van de aarde is buitengewoon. Zuurstof is een zeer reactief gas dat onder de meeste planetaire omstandigheden zou worden gecombineerd met andere chemicaliën in de atmosfeer, het oppervlak en de korst. Het wordt namelijk continu geleverd door biologische processen; zonder leven zou er vrijwel geen vrije zuurstof zijn. De 1,8 delen per miljoen methaan in de atmosfeer liggen ook ver buiten het chemisch evenwicht met de atmosfeer en de korst: ook het is van biologische oorsprong, met de bijdrage van menselijke activiteiten die veel groter zijn dan die van anderen.
De gassen van de atmosfeer strekken zich uit van het aardoppervlak tot duizenden kilometers hoogte en gaan uiteindelijk op in de zonnewind - een stroom geladen deeltjes die uit de buitenste delen van de zon naar buiten stroomt. De samenstelling van de atmosfeer is min of meer constant met een hoogte tot een hoogte van ongeveer 100 km (60 mijl), met bijzondere uitzonderingen als waterdamp en ozon.
De atmosfeer wordt vaak beschreven in termen van verschillende lagen of regio's. Het grootste deel van de atmosfeer is geconcentreerd in de troposfeer, die zich uitstrekt van het oppervlak tot een hoogte van ongeveer 10-15 km (6-9 mijl), afhankelijk van de breedtegraad en het seizoen. Het gedrag van de gassen in deze laag wordt gecontroleerd door convectie. Dit proces omvat de turbulente, omkerende bewegingen die het gevolg zijn van het drijfvermogen van lucht aan de oppervlakte die wordt verwarmd door de zon. Convectie houdt een dalende verticale temperatuurgradiënt aan - dat wil zeggen een temperatuurdaling met hoogte - van ongeveer 6 ° C (10,8 ° F) per km door de troposfeer. Op de top van de troposfeer, de tropopauze genoemd, zijn de temperaturen gedaald tot ongeveer −80 ° C (−112 ° F). De troposfeer is het gebied waar bijna alle waterdamp voorkomt en waar in wezen alle weersomstandigheden voorkomen.
De droge, ijle stratosfeer ligt boven de troposfeer en strekt zich uit tot een hoogte van ongeveer 50 km (30 mijl). Convectieve bewegingen zijn zwak of afwezig in de stratosfeer; bewegingen zijn in plaats daarvan horizontaal gericht. De temperatuur in deze laag stijgt met de hoogte.
In de bovenste stratosferische gebieden breekt de absorptie van ultraviolet licht van de zon moleculaire zuurstof (O 2) af; Door recombinatie van enkele zuurstofatomen met O 2 -moleculen in ozon (O 3) ontstaat de afschermende ozonlaag.
Boven de relatief warme stratopauze bevindt zich de nog meer ijle mesosfeer, waarin de temperaturen weer dalen met hoogte tot 80-90 km (50-56 mijl) boven het oppervlak, waar de mesopauze wordt gedefinieerd. De daar bereikte minimumtemperatuur is zeer variabel met het seizoen. De temperaturen stijgen dan met toenemende hoogte door de bovenliggende laag die bekend staat als de thermosfeer. Ook boven ongeveer 80-90 km is er een toenemend deel van geladen of geïoniseerde deeltjes, die vanaf deze hoogte opwaarts de ionosfeer definieert. Spectaculaire zichtbare aurora's worden in dit gebied gegenereerd, met name langs ongeveer cirkelvormige zones rond de polen, door de interactie van stikstof- en zuurstofatomen in de atmosfeer met episodische uitbarstingen van energetische deeltjes afkomstig van de zon.
De algemene atmosferische circulatie van de aarde wordt aangedreven door de energie van zonlicht, die overvloediger is op equatoriale breedtegraden. De beweging van deze warmte naar de polen wordt sterk beïnvloed door de snelle rotatie van de aarde en de bijbehorende corioliskracht op breedtegraden van de evenaar (die een oost-westcomponent toevoegt aan de richting van de wind), wat resulteert in meerdere cellen met circulerende lucht in elk halfrond. Instabiliteiten (verstoringen in de atmosferische stroming die met de tijd groeien) produceren de karakteristieke hogedrukgebieden en lagedrukstormen van de middelhoogten, evenals de snelle, oostwaarts bewegende straalstromen van de hogere troposfeer die de paden van stormen leiden. De oceanen zijn enorme reservoirs van warmte die grotendeels werken om variaties in de globale temperaturen van de aarde op te vangen, maar hun langzaam veranderende stromingen en temperaturen beïnvloeden ook het weer en klimaat, zoals in het weerfenomeen El Niño / Southern Oscillation (zie klimaat: circulatie, stromingen, en interactie tussen oceaan en atmosfeer; klimaat: El Niño / zuidelijke oscillatie en klimaatverandering).
De atmosfeer van de aarde is geen statisch kenmerk van de omgeving. Integendeel, de samenstelling ervan is in geologische tijd samen met het leven geëvolueerd en verandert vandaag sneller als reactie op menselijke activiteiten. Ongeveer halverwege de geschiedenis van de aarde begon de ongewoon hoge hoeveelheid vrije zuurstof in de atmosfeer zich te ontwikkelen, door fotosynthese door cyanobacteriën (zie blauwgroene algen) en verzadiging van natuurlijke zinkputten aan het oppervlak (bijvoorbeeld relatief zuurstofarme mineralen en waterstof- rijke gassen die vrijkomen uit vulkanen). Ophoping van zuurstof maakte het mogelijk dat complexe cellen, die tijdens de stofwisseling zuurstof verbruiken en waaruit alle planten en dieren zijn samengesteld, zich kunnen ontwikkelen (zie eukaryote).
Het klimaat op aarde varieert op elke locatie met de seizoenen, maar er zijn ook variaties op langere termijn in het wereldklimaat. Vulkanische explosies, zoals de uitbarsting van de berg Pinatubo in 1991 in de Filippijnen, kunnen grote hoeveelheden stofdeeltjes in de stratosfeer injecteren, die jarenlang blijven hangen, waardoor de atmosferische transparantie afneemt en wereldwijd meetbare koeling ontstaat. Veel zeldzamer, gigantische inslagen van asteroïden en kometen kunnen zelfs diepere effecten veroorzaken, waaronder ernstige vermindering van zonlicht gedurende maanden of jaren, zoals veel wetenschappers denken dat leidde tot de massale uitsterving van levende soorten aan het einde van het Krijt, 66 miljoen jaar geleden. (Voor meer informatie over de risico's van kosmische impacts en de kans dat ze zich voordoen, zie Earth impact hazard.) De dominante klimaatvariaties die in het recente geologische record zijn waargenomen, zijn de ijstijden, die verband houden met variaties in de helling van de aarde en de orbitaal. geometrie met betrekking tot de zon.
De fysica van waterstoffusie leidt astronomen tot de conclusie dat de zon in de vroegste geschiedenis van de aarde 30 procent minder licht gaf dan nu. Dus als al het andere gelijk was, hadden de oceanen bevroren moeten zijn. Waarnemingen van de planetaire buren van de aarde, Mars en Venus, en schattingen van de koolstof die momenteel in de aardkorst is opgesloten, suggereren dat er in eerdere perioden veel meer koolstofdioxide in de atmosfeer van de aarde was. Dit zou de opwarming van het oppervlak via het broeikaseffect hebben verbeterd, waardoor de oceanen vloeibaar konden blijven.
Tegenwoordig ligt er 100.000 keer meer koolstofdioxide begraven in carbonaatgesteenten in de aardkorst dan in de atmosfeer, in scherp contrast met Venus, wiens atmosferische evolutie een andere koers volgde. Op aarde is de vorming van carbonaatschelpen door het zeeleven het belangrijkste mechanisme om koolstofdioxide om te zetten in carbonaten; abiotische processen waarbij vloeibaar water betrokken is, produceren ook carbonaten, zij het langzamer. Op Venus heeft het leven echter nooit de kans gehad om op te staan en carbonaten te genereren. Vanwege de locatie van de planeet in het zonnestelsel ontving de vroege Venus zelfs vandaag 10-20 procent meer zonlicht dan op aarde valt, ondanks de zwakkere jonge zon in die tijd. De meeste planetaire wetenschappers zijn van mening dat door de verhoogde oppervlaktetemperatuur die hierdoor ontstond, water niet kon condenseren tot een vloeistof. In plaats daarvan bleef het in de atmosfeer als waterdamp, wat net als koolstofdioxide een efficiënt broeikasgas is. Samen zorgden de twee gassen ervoor dat de oppervlaktetemperaturen nog hoger werden, zodat enorme hoeveelheden water naar de stratosfeer ontsnapten, waar het werd gedissocieerd door ultraviolette straling van de zon. Nu de omstandigheden te heet en te droog zijn om abiotische carbonaatvorming mogelijk te maken, bleef de koolstofvoorraad van de meeste of de hele planeet in de atmosfeer achter als koolstofdioxide. Modellen voorspellen dat de aarde in een miljard jaar hetzelfde lot zal ondergaan, wanneer de zon zijn huidige helderheid met 10-20 procent overschrijdt.
Tussen eind jaren 50 en het einde van de 20e eeuw nam de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer van de aarde met meer dan 15 procent toe als gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen (bijv. Steenkool, olie en aardgas) en de vernietiging van tropische regenwouden, zoals dat van het stroomgebied van de Amazone. Computermodellen voorspellen dat een netto verdubbeling van koolstofdioxide tegen het midden van de 21e eeuw zou kunnen leiden tot een opwarming van de aarde van gemiddeld 1,5-4,5 ° C (2,7-8,1 ° F) over de hele planeet, wat diepgaande gevolgen zou hebben voor de zeespiegel en landbouw. Hoewel deze conclusie door sommigen werd bekritiseerd omdat de opwarming die tot dusver is waargenomen, geen gelijke tred heeft gehouden met de projectie, hebben analyses van oceaantemperatuurgegevens gesuggereerd dat een groot deel van de opwarming tijdens de 20e eeuw daadwerkelijk in de oceanen zelf plaatsvond - en zal verschijnen uiteindelijk in de atmosfeer.
Een ander punt van zorg met betrekking tot de atmosfeer is de impact van menselijke activiteiten op de stratosferische ozonlaag. Complexe chemische reacties met sporen van door de mens gemaakte chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) bleken halverwege de jaren tachtig tijdens de polaire lente tijdelijke gaten in de ozonlaag te maken, vooral boven Antarctica. Nog verontrustender was de ontdekking van een toenemende uitputting van ozon over de dichtbevolkte gematigde breedtegraden, aangezien is gebleken dat de ultraviolette straling met korte golflengte die de ozonlaag effectief absorbeert huidkanker veroorzaakt. Internationale overeenkomsten om de productie van de meest flagrante ozonvernietigende CFK's te stoppen, zullen uiteindelijk de uitputting stoppen en omkeren, maar pas tegen het midden van de 21e eeuw, vanwege de lange verblijftijd van deze chemicaliën in de stratosfeer.
