Tämä artikkeli käsittelee Maan kaasukehää. Sanan muita merkityksiä on lueteltutäsmennyssivulla.
Ilmakehän kerrokset (ei mittakaavassa).
Ilmakehä onMaata ympäröivä, yhden määritelmän mukaan sadankilometrin paksuinenkaasukehä, joka koostuuilmasta. Ilmakehän yleisimmät kaasut ovattyppi jahappi, mutta myös esimerkiksi ilmakehänhiilidioksidilla on suuri merkitys maapallolle ja sen kasveille. Ilmakehässä on lisäksi vaihteleva määrävesihöyryä ja erilaisia hiukkasia.
Ilmakehä jaetaan lämpötilan perusteella useaan kerrokseen. Niistä alin on keskimäärin 10 kilometrin korkuinentroposfääri, jossasääilmiöt tapahtuvat. Muita ilmakehän tärkeitä kerroksia ovat esimerkiksiotsonikerros, joka suojaa maapalloa säteilyltä, jaionosfääri, joka heijastaaradioaaltoja.
Ilmakehä on jatkuvassa kiertoliikkeessä, jossa tuulet siirtävät lämpöenergiaa ja kosteutta paikasta toiseen ja tasaavat maapallon lämpötilaeroja. Ilmakehässä esiintyytuulten,pilvien jasateiden lisäksi monenlaisia sähköisiä ja optisia ilmiöitä kutenrevontulia,haloilmiöitä jasateenkaaria. Ilmakehän pahimpia saasteita ovat alailmakehänotsoni sekäpienhiukkaset.
Maapallo sai varhaisimman kaasukehänsä pianMaan 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. Jotkinlinnut voivat kuitenkin selviytyä jopa 12 kilometrin korkeudessa.
Ilmakehästä tunnetaan kolmisentuhatta erialkuainetta ja yhdistettä. Kuiva ilma on lähinnätyppeä (78 prosenttia) jahappea (21 prosenttia), joista kumpikin esiintyy kahdesta atomista koostuvina molekyyleinä N2 ja O2. Prosentti ilmasta koostuu muun muassahiilidioksidista,argonista ja muistajalokaasuista,metaanista sekäotsonista.Vesihöyryä esiintyy runsaasti mutta vaihtelevasti. Kaasujen suhteelliset osuudet pysyvät lähes samoina noin sadan kilometrin korkeudelle saakka. Sitä ylempänäMaan vetovoima aiheuttaa sen, että raskaammat molekyylit jäävät keskimäärin alempiin kerroksiin kuin kevyemmät. Ylimmissä kerroksissa ilmakehä koostuu pääasiassaheliumista javedystä.[1]
Ilmakehän merkittävin kemiallisesti aktiivinen ainesosa on happi. Sen sijaan typpi, hiilidioksidi jajalokaasut eivät reagoi kemiallisesti muiden aineiden kanssa kovin herkästi.[1]
Ilmakehässä esiintyy vaihtelevastivesihöyryä, jota on enimmillään 4 % matalalla ja tropiikin leveysasteilla.[2]
Ilmakehässä esiintyy vaihtelevasti erilaisiahiukkasia, joita kutsutaanaerosoleiksi. Hiukkaset ovat pieniä kiinteitä tai nestemäisiä kappaleita, jotka vaihtelevat muutaman molekyylin kokoisesta 0,1 millimetriin. Osa hiukkasista on luonnon nostattamia, kutentomu,tulivuorten tuhka jarikkihappo,siitepöly sekämerisuola. Myössumu- japilvipisarat ovat aerosoleja. Ihminen aiheuttaa toiminnallaan hiukkaspäästöjä etenkin polttamalla öljyä jakivihiiltä. Vähiten hiukkasia on kaukaisilla valtamerialueilla ja napaseuduilla ja eniten vilkkaasti liikennöidyillä kaupunkialueilla. Suuri hiukkaspitoisuus tekee ilmakehästä monesti samean ja utuisen.[3]
Ilmanpaine kilopascaleina (y-akseli) eri korkeuksilla (x-akseli).
Ilmakehä painaa noin 5,5 × 1018 kilogrammaa, eli yhden miljoonasosan Maan massasta.[4]
Ilmanpaine on ilmakehänpaine maanpintaa vastaan. Merenpinnan korkeudella normaali ilmanpaine on noin 1 013 hehtopascalia (hPa). Ilmanpaine laskee noustaessa korkeammalle merenpinnan tasolta.[5] Kymmenen kilometrin korkeudessa ilmanpaine on alle 300 hPa ja 50 kilometrin korkeudessa alle 1 hPa.[6]
Ilmakehässä on useita kerroksia elisfäärejä, joita erottavatpaussit. 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]
Troposfääri 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, kutenpilvet jasade. Troposfäärin lämpötila laskee ylöspäin mentäessä 6,5 astetta kilometriä kohti. Troposfääri päättyytropopaussiin, jossa on 50–70 astetta pakkasta. Hiukan sen yläpuolella ilmanpaine on enää kymmenesosa merenpinnalla vallitsevasta.[7]
Stratosfääri on troposfäärin yläpuolella sijaitseva ilmakerros, jonka yläraja on noin 50 kilometrin korkeudessastratopaussissa. 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 Auringonultraviolettisäteily muodostaa otsonia, joka estää haitallisen ultraviolettisäteilyn pääsyn Maan pinnalle. Stratosfäärissä on joskushelmiäispilviä.[8]
Mesosfääri alkaa stratosfäärin yläpuolelta ja jatkuu aina 80–90 kilometrin korkeuteenmesopaussiin. Sen ilmanpaine on tuhannesosasta sadastuhannesosaan merenpinnan tason paineesta, ja sen lämpötila laskee ylemmäs mentäessä aina sataan pakkasasteeseen.Meteorit näkyvät yleensä mesosfäärissä. Mesosfäärissä nähdään myösvalaisevia yöpilviä.[9]
Termosfäärissä 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.[10]
Avaruuden epävirallinen raja on usein määritelty termosfäärin alaosaan. Siellä 100 kilometrin korkeudessa sijaitseeKármánin raja, jota Euroopassa pidetään usein avaruuden rajana. Yhdysvalloissa kaikkia jo yli 80 kilometrin korkeudessa käyneitä kansalaisia pidetäänastronautteina.[11]
Eksosfääri alkaa vähitellen noin 500 kilometrin korkeudessa. Se on ilmakehän jaavaruuden välitila, josta hiukkasia karkailee avaruuteen.[10] Molekyyli pakenee Maan vetovoimakentästä, kun se on riittävän korkealla ja sen nopeus on suurempi kuinpakonopeus. Hyvin pieni osa ilmakehän ylimmän kerroksen molekyyleistä on näin nopeassa liikkeessä, joten Maan ilmakehän katoaminen on hyvin hidasta.[12]
Ilmakehä jaetaanhomosfääriin jaheterosfääriin sen mukaan, miten kaasut jakautuvat. Kerrosten välillä onhomopaussi. 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.[13]
Kerrokset kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan
Otsonikerros 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 kutenfreoneille. 1980-luvullaotsonikerroksessa havaittiin ohenemista Etelämantereen yllä.[14]
Ionosfääri sijaitsee termosfäärin alaosassa. Ionosfääri sisältääionisoituneita hiukkasia, jotka Auringon säteily on hajottanutatomeista ioneiksi. Ionosfääri heijastaa elektroniensa ansiostaradioaaltoja, 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.[15]
Ilmakehä on läpinäkyvä joillekin säteilyn aallonpituuksille muttaabsorboi toiset eli ei päästä niitä maanpinnalle. Kuvassa 100 % tarkoittaa läpinäkymättömyyttä, 0 % tarkoittaa täydellistä läpinäkyvyyttä.
Ilmakehä vaimentaa avaruudesta saapuvaasäteilyä.[16] Suurin osa alle 300 nanometrin säteilystäabsorboituu jo ilmakehän ylimmissä kerroksissa, mikä on Maan tunnetuille elämänmuodoille välttämätöntä. Lyhytaaltoisingamma- jaröntgensäteily absorboituu ilmakehän yläosien atomeihin sekä happi- ja typpimolekyyleihin. Kun säteily hajottaa happimolekyylejä happiatomeiksi, syntyy esimerkiksi otsonia, johon pitkäaaltoisempiultraviolettisäteily absorboituu.[17] Näkyvän valon aallonpituudet, samoin kuin hiukan niitä lyhemmät ja pitemmätkin, läpäisevät ilmakehän hyvin. Ilmakehä kuitenkinsirottaa 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 myösradioaallot aallonpituudeltaan muutamasta millimetristä pariinkymmeneen metriin.[18]
Kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan sitä, kun osa maanpinnasta ylös heijastuvastalämpösäteilystä 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 kutsutaankasvihuonekaasuiksi. Maan ilmakehän tärkeimpiä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry, hiilidioksidi, otsoni, metaani ja typpioksiduuli[19] eliilokaasu. Ihmisen toiminta on lisännyt monen kasvihuonekaasun määrää ilmakehässä.[20]
Ilmakehä on jatkuvassakiertoliikkeessä.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.[21]
Maapallon pyörimisestä aiheutuucoriolisvoima, joka vaikuttaa suurikokoisiin ilmavirtauksiin merkittävästi.Pohjoisella pallonpuoliskolla ilma kaartuu oikealle jaeteläisellä pallonpuoliskolla vasemmalle. Coriolisvoima vahvistuu mentäessä lähemmäs napoja ja heikkenee mentäessä lähemmäs päiväntasaajaa.[22]
Ilmakehään pääsee niin luonnollista kautta kuin ihmisen toiminnastakin johtuen epäpuhtauksia, jotka vahingoittavat ihmisten terveyttä ja ympäristöä. Terveydelle haitallisimpia päästöjä ovat alailmakehän otsoni sekä hiukkaset, erityisestipienhiukkaset.[24] Ilman saastumisen tärkeimpiä syitä ovatfossiiliset polttoaineet, teolliset prosessit jaliuottimien käyttö, maatalous, jätehuolto sekä luonnollisista lähteistä esimerkiksi tulivuorenpurkaukset, pöly, merivesi ja kasvit.[25]
Sinisellä viivalla hapen määrä ilmakehässä prosentteina viimeisen miljardin vuoden aikana. Nykytaso 21 % punaisella katkoviivalla.
Maalla on ollut kolme eri kaasukehää. Varhaisin kaasukehä syntyi pianMaan 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.[26]
Noin 4,5 miljardia vuotta sitten maapallon alkuilmakehä koostui lähinnä vesihöyrystä, hiilidioksidista, vedystä ja typestä. Happea ei vielä tällöin ollut lainkaan.[27] Hapen määrä ilmakehässä alkoi lisääntyä vasta, kun noin 3,5 miljardia vuotta sitten ensimmäiset happea tuottavatbakteerit 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.[28] Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä oli vieläkambrikaudella 15-kertainen nykyiseen verrattuna. Nykyisen happipitoisuutensa ilmakehä saavutti noin 360 miljoonaa vuotta sitten, ja samalla hiilidioksidipitoisuus oli laskenut lähelle nykytasoa.[29]
Ilmakehätutkimukseen 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 kutenotsonikatoa. Myös ilmakehän muutoksien ennustaminen on tärkeää, jotta ongelmien paheneminen voidaan estää.[30]
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 esimerkiksiEuroopan avaruusjärjestö ESA jaYhdysvaltojen avaruusjärjestö NASA. Suomessa ilmakehätutkimusta tekee muun muassaIlmatieteen laitos.[30]
Stratosfäärissä yli 15 kilometrin korkeudessa elää monipuolinen joukkomikrobeja. Niiden tiheys on muutama yksilö kuutiometrissä, eikä niiden nykytiedon mukaan uskota aktiivisesti kasvavan ja lisääntyvän siellä.[31] Kymmenen kilometrin korkeudesta on havaittu kuutiometriä kohti noin viisi tuhattabakteerisolua, joista suurin osa on eläviä.[32]
Korkealla ilma on niin ohutta, että lentäminen kuluttaa paljon sekä energiaa että happea.Suomukorppikotka on kuitenkin havaittu yli 12 kilometrin korkeudessa, jaMount Everestin huipulla 8 850 metrissä on havaittu useita lintulajeja.[33]
Monille ihmisille tulee jo 2 500 metrissä ohuen ilman aiheuttamaa sairastumista elivuoristotautia. Yhä korkeammalla oleskelu vaatii hidasta totuttautumista.[34] 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.[35]Reinhold Messner jaPeter Habeler olivat vuonna 1978 ensimmäiset, jotka kiipesivät maailman korkeimman vuoren Mount Everestin huipulle 8 850 metriin ilman lisähappea.[36]
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
