Ilmakehä

Wikipedia

Ilmakehällä tarkoitetaan yleensä Maata ympäröivää noin sadan kilometrin korkuista ilmamassaa. Ilmakehällä voidaan tarkoittaa myös yleisesti kaasukehää.

Ilmakehä, ilma, koostuu pääasiassa typestä (78,08 %), hapesta (20,94 %), argonista (0,93 %), hiilidioksidista (0,03 %) sekä muista kaasuista (prosenttiosuudet on ilmoitettu ilmalle, joka ei sisällä vesihöyryä). Ilma sisältää myös vesihöyryä (0–5 %) ja kiinteitä hiukkasia. Ilmakehä voidaan jakaa kerroksiin joko lämpötilan, kemiallisen koostumuksen tai kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan. Ilman koostumus muuttuu korkeuden mukana. Alemmassa ilmakehässä, troposfäärissä, tapahtuvat sääilmiöt, ja sen yläpuolella olevassa stratosfäärissä on otsonikerros. Tropopaussi, troposfäärin yläosa on lukko, joka estää Maan vesihöyryä karkaamasta avaruuteen. Mesosfäärissä näkyy kesäisin valaisevia yöpilviä. Ionosfäärissä on radioaaltoja heijastavia kerroksia, jotka ovat eri vahvuisia eri vuorokauden- ja vuodenaikoina. Maapallon ilmakehän paine on noin 1,013 bar.

[muokkaa] Ilmakehän rakenne

[muokkaa] Jako lämpötilan mukaan

Ilmakehän rakenne

Troposfäärillä tarkoitetaan ilmakerrosta, joka ulottuu maanpinnasta noin 10–15 kilometrin (Suomessa 9–10 km) korkeuteen. Korkeus vaihtelee vuodenajan, maantieteellisen leveyden ja sään mukana. Tässä kerroksessa lämpötila laskee korkeuden kasvaessa keskimäärin 5–8 °C/km ja on alimmillaan noin −50 °C. Suurin osa sääilmiöistä, kuten esimerkiksi tuuli ja sade sekä pilvet esiintyvät tässä kerroksessa. Noin 75 % ilmakehän massasta on keskittynyt troposfääriin. Suurin osa ilmansaasteista on täällä. Troposfäärissä esiintyy myös optisia ilmiöitä.

Troposfäärin yläraja on tropopaussi, joka estää vesihöyryn haihtumisen troposfääristä avaruuteen. Navoilla tropopaussi on alempana kuin päiväntasaajalla.

Stratosfäärillä tarkoitetaan ilmakerrosta, joka on noin 9/15–50 kilometrin korkeudella. Stratosfäärissä Auringon ultraviolettisäteily muodostaa otsonia. Otsonikerros estää haitallisen ultraviolettisäteilyn pääsyn Maan pinnalle. Ilmakehän otsonikerros on tiheimmillään noin 30 kilometrin korkeudella maanpinnasta. Statosfäärissä on joskus helmiäispilviä, jotka syntynevät tulivuoren purkaustuotteista.

Mesosfääri alkaa stratosfäärin yläpuolelta ja jatkuu aina 80 kilometrin korkeuteen. Ilmanpaine mesosfäärissä on vain noin kymmenestuhannesosa siitä, mitä se on maan pinnalla. Mesosfäärin yläpuolella ilmakehä vaihtuu vähitellen avaruudeksi. Mesosfäärissä nähdään kesäisin valaisevia yöpilviä.

Mesosfäärin yläpuolella on vielä ionosfääri. Kerroksen nimi tulee siitä, että tässä kerroksessa ilmakehän kaasut ovat auringonvalon vaikutuksesta ionisoituneita ja siten johtavat sähköä. Ionosfääri heijastaa radiosäteilyä, mikä mahdollistaa radioasemien ( ula-taajuuksia alempien) kuuntelun ympäri maapallon. Siellä esiintyy myös Auringon hiukkassäteilyn ansiosta revontulia.

[muokkaa] Jako koostumuksen mukaan:

Homosfäärissä ilmakehän koostumus ja atomipaino pysyy vakiona.
Heterosfäärissä ilmakehän koostumus muuttuu. Alkaa noin 80 kilometrin korkeudesta. 500 kilometrin korkeudesta alkaen myös vety hajoaa. Myös heterosfääri jaetaan eri osiin:
- Eksosfäärissä vety on kokonaan ionisoitunutta ja atomien liike-energia riittää saattamaan ne pois ilmakehästä. Myös eksosfääri jaetaan osiin vedyn ionisaation mukaan:
  - Metasfäärissä, joka alkaa 500 kilometrin korkeudesta, vety on vain osaksi ionisoitunutta ja
  - protosfäärissä vety on ionisoitunut kokonaan.

[muokkaa] Jako kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan:

Otsonikerros sijaitsee noin 25 kilometrin korkeudessa ja koostuu nimensä mukaisesti otsonista, ei tosin kokonaan.
Kemosfäärissä (30–100 km) Auringon ultraviolettisäteily hajottaa vesihöyryä ja hiilidioksidia. Ionien ja elektronien yhtyminen aiheuttaa airglow'n eli ilmahehkun.
Ionosfääri (alkaen 50 kilometristä) sisältää ionisoituneita hiukkasia, jotka keskittyvät neljään vyöhykkeeseen: D, E, F₁ ja F₂. Ionosfäärin alaosan sähköpotentiaali maanpinnan suhteen on noin +300 kV.
- D-kerros sijaitsee mesopaussin alapuolella, muodostuu päivällä ja heijastaa alle 50 kHz:n radioaaltoja, mutta myös vaimentaa voimakkaasti 0,3–3 MHz taajuuksisia radioaaltoja.
- E-kerros eli Heaviside-kerros (nimetty löytäjänsä Oliver Heavisiden mukaan) syntyy Auringon noustessa, ollen minimissään yöllä ja se heijastaa alle 1 MHz:n radioaaltoja. Ilmahehku sijaitsee näillä main ja aiheutuu siitä kun vapaat elektronit yhtyvät takaisin ioneihin. E-kerros heijastaa satunnaisesti kesäaikaan myös VHF-taajuisia radioaaltoja n. 150 MHz asti (E_s).
- F-kerros sisältää kaksi tiheämpää kohtaa:
  - F₁-kerros sijaitsee noin 200 km:n korkeudella.
  - F₂-kerros eli Appleton-kerros (nimetty brittifyysikko Edvard Victor Appletonin mukaan) noin 300 km:n korkeudella. Tämä kerros on varsin pysyvä luonteeltaan, sillä ionien ja elektronien yhtyminen, joka kerroksen aiheuttaa on varsin hidasta johtuen pienestä ilmantiheydestä.

F-kerrokset heijastavat lyhyitä radioaaltoja, Suomessa auringonpilkkumaksimin aikoihin pystyluotauksessa n. 7–15 MHz:n ja minimin aikaan noin 4–5 MHz:n aaltoja. Vastaavasti radioaalto taipuu horisontin taa matalilla heijastuskulmilla pilkkumaksimin aikoihin talviaikaan jopa 40–50 MHz taajuuksille asti ja pilkkuminimin tienoilla 10–20 MHz. Suurempitaajuuksiset aallot menevät kerrosten läpi.

[muokkaa] Muuta ionosfääristä:

Mögelin-Dellingerin häiriö, joka aiheutuu Auringon ultraviolettisäteilyn väliaikaisesta voimistumisesta. Lyhyiden radioaaltojen absorptio kasvaa ja pitkien radioaaltojen heijastuskyvyn paraneminen. Ionosfäärissä on myös voimakkaita sähkövirtoja; jopa kymmeniä tuhansia ampeereja.
Faraday-kiertymä, joka tarkoittaa sähkömagneettisen aallon polarisaatiotason kiertymistä. Kiertymä on suoraan verrannollinen ionosfäärin vapaiden ionien määrään. Kiertymän vaikutus alkaa näkyä matalilla mikroaaltotaajuuksilla (~1 GHz) ja sitä pienemmillä taajuuksilla.

[muokkaa] Ilmakehän havainnointi ja tutkimus

Vuonna 1640 saatiin Italian Firenzessä valmistettua pumppulaite, jolla todistettiin että yli 10 metrin korkeuteen oli mahdotonta imeä vettä, oli imutehoa käytettävissä kuinka paljon tahansa. Siihen asti oli vallalla ollut Aristoteleen aikainen käsitys pumpun toimintaperiaatteesta, joka nyt osoittautui vääräksi: vesi kohosi pumppuun siksi, että luonto kammoaisi tyhjiötä ja vesi kiiruhtaisi täyttämään sen. Evangelista Torricelli, Galileo Galilein oppilas, huomasi pian todellisen syyn pumpun imuvoiman puutteelle: ilmakehän paino painaa veden putkeen, jonka hän todisti oikeaksi kuululla elohopeapatsaalla, joka on vielä nykyäänkin paineen mitta. Samalla hän tuli keksineeksi tavan mitata ilmakehän paine. Maanpinnalla tehtävät säähavainnot sisältävät myös tuulen, lämpötilan ja kosteuden mittauksen.

Myöhemmin ilmakehän in situ -mittaukset, eli sellaiset joissa anturi koskettaa mittauskohdetta, ulotettiin ylempiin ilmakerroksiin nostamalla mittareita ylös ensin leijojen, myöhemmin kaasuilmapallojen avulla. Vilho Väisälä oli eräs uranuurtajia tässä, ja nykyisin Vaisala Oyj:n mittalaitteita käytetään säähavainnoinnin lisäksi teollisuudessa ja monissa avaruusprojekteissa ja -luotaimissa.

Kaukokartoituslaitteista säätutka on ensimmäisenä saanut jalansijaa ilmakehän luotaamisessa. Erilaisilla tutkilla voidaan tutkia ilmamassojen, pilvien, saderintamien, revontulien ja muiden vastaavien kulkusuuntaa, nopeutta ja muita sääennustukselle tärkeitä ominaisuuksia käyttäen hyväksi mikroaaltojen sirontaa sekä dopplerilmiötä. Myös sään ja ilmakehän havainnointiin on omat satelliittinsa, Yhdysvaltojen vuonna 1960 laukaisemaa Tiros 1:ta pidetään ensimmäisenä "oikeana" sääsatelliittina. Nyt kun ilmakehästä saadaan erittäin runsaasti tietoja, on niiden käsittelyssä avuksi otettu tehokkaat supertietokoneet ja monimutkaiset matemaattiset mallit ennustusten tekoon.