Lofthjúpur jarðar

Lofthjúpurinn er lagskiptur þótt engin föst mörk séu á því hvar hann endar og hvar geimurinn tekur við, en oftast er sagt að þau mörk séu í 100 km hæð. Lofthjúpurinn þynnist eftir því sem ofar dregur og er hann þykkastur næst yfirborði jarðar.

Myndun og þróun

Lofthjúpur jarðar varð til við síendurtekin eldgos snemma í sögu jarðar. Hér sést eldfjallið Etna á Sikiley spúa gastegundum.

Skömmu eftir að jörðin myndaðist fyrir um 4,6 milljörðum ára var reikistjarnan umlukin frumlofthjúpi sem samanstóð aðallega af vetni og helíum, auk annarra efna í snefilmagni. Þessi frumlofthjúpur varðveittist í skamman tíma því hin nýfædda sól veðraði hann. Hitinn frá bráðinni jarðskorpunni og sólinni olli því að léttu atómin (vetni og helíum) komust á svo mikla hreyfingu að þær losnuðu úr þyngdargripi jarðar og streymdu út í geiminn. Að lokum fór svo að frumlofthjúpurinn allur lak út í geiminn og þar sem sólvindurinn blés honum burt.

Á sama tíma og frumlofthjúpurinn var að hverfa komu nýjar gastegundir fram sem rekja má til eldgosa. Þessar eldfjallagastegundir mynduðu seinni lofthjúp jarðar. Atómin í þessum gösum höfðu bundist í steindir innan í jörðinni en þegar steindirnar bráðnuðu, tóku þau að streyma út úr eldfjöllunum við eldgos. Eldfjallagas inniheldur um 70% til 90% vatnsgufu, auk koldíoxíðs (CO₂), brennisteinsdíoxíði (SO₂) og önnur efni eins og nitur (N₂) og ammóníak (NH₃). Þessi seinni lofthjúpur samastóð þar af leiðandi af þessum eldfjallagösum, en einnig öðrum gastegundum sem féllu til jarðar með halastjörnum.

Upphaflegi seinni lofthjúpur jarðar hefur tekið umtalsverðum breytingum í gegnum jarðsöguna. Þegar jörðin hafði kólnað nóg til þess að vatn gat þést, líklega fyrir um 4 milljörðum ára, tók að hellirigna. Rigningin stóð yfir í langan tíma og vatn safnaðist fyrir á yfirborðinu þar sem það myndaði höf, vötn, ár og læki eða sökk undir yfirborðið og varð að grunnvatni. Hlutfall vatns í lofthjúpnum minnkaði þar af leiðandi.

Þegar fljótandi vatn safnaðist saman á yfirborðinu byrjaði magn koldíoxíðs í lofthjúpnum að minnka. Þetta gerðist vegna þess að koldíoxíð leysist upp í höfunum og myndar kalklög (CaCO₃) sem setjast á hafsbotninn. Á þessum tímapunkti var ekkert ósonlag í lofthjúpnum svo útfjólublátt ljós frá sólinni átti greiða leið inn í lofthjúpinn. Með tímanum klauf útfjólubláa ljósið ammóníakssameindir og myndaði eitt nituratóm en þrjú vetnisatóm. Léttu vetnisatómin streymdu út í geiminn á meðan nituratómin bundust saman í nitursameindir (N₂). Nitursameind er stöðug sameind sem hvarfast ekki auðveldlega við önnur efni, svo þegar það hafði myndast, hélst það stöðugt í lofthjúpnum í langan tíma. Vegna myndunar nitursameinda – og vegna minnkunar vatnsgufu og koldíoxíðs í lofthjúpnum – jókst hlutfall niturs í lofthjúpnum smátt og smátt.

Á þessum tímapunkti í jarðsögunni innihélt lofthjúpurinn nánast engar súrefnissameindir (O₂). Súrefnissameindir myndast við ljóstillífun og því þurfti líf til að bæta súrefni við lofthjúpinn. Fyrstu ljóstillífandi lífverurnar voru blágrænþörungar sem komu fram á jörðinni fyrir um 3,8 til 3,5 milljörðum ára og hófu að bæta súrefni við lofthjúpinn. Þetta ferli gerðist afar hægt og þannig innihélt lofthjúpurinn aðeins 1% af núverandi súrefnismagni fyrir um tveimur milljörðum ára. Fyrir 1,2 milljörðum ára jókst súrefnisframleiðslan og fyrir um 600 milljón árum varð súrefnismagnið um 10% af núverandi magni. Við tilkomu fleiri ljóstillífandi lífvera jókst magnið hægt og bítandi og nálgaðist núverandi magni fyrir um 400 til 250 milljón árum.

Lagskipting

Lagskipting lofthjúps jarðar.

Hitastig lofthjúps jarðar breytist með hæð en minnkar ekki samfellt eftir því sem fjær dregur yfirborðinu. Sé haldið upp frá yfirborðinu lækkar hitinn fyrst, eykst svo, fellur aftur en eykst á ný. Þau mörk í lofthjúpnum þar sem hitastigið hættir að minnka og eykst á ný eða öfugt kallast hvörf (pauses). Lofthjúpi jarðar skiptist í fjögur lög og hvörf þar á milli:

• Veðrahvolf (troposphere): Innsta lag lofthjúpsins; byrjar við yfirborð jarðar og nær 9 km hæð við pólsvæði jarðar en 12 km hæð við miðbauginn. Innan þessa hvolfs dregur jafnt og þétt úr hitastigi með aukinni hæð, frá 18°C meðaltali við yfirborðið niður í -55°C við veðrahvörfin (tropopause), efri mörk þess. Hitinn frá sólinni hitar yfirborðið sem geislar hitanum aftur frá sér. Hlýnun loftmassans dregur úr þéttleikanum svo loftið rís. Þegar loftmassi rís, minnkar þrýstingurinn svo loftið þenst út og kólnar. Á sama tíma og hlýja loftið rís sekkur kaldara loft og tekur stað þess. Þetta ferli veldur flestum veðrafyrirbrigðum jarðar og dregur hvolfið nafn sitt af því. 

• Heiðhvolf (stratosphere). Heiðhvolfið tekur við af veðrahvolfinu við veðrahvörfin og teygir sig úr 10 km hæð upp í tæplega 50 km hæð. Í þessu hvolfi helst hitastigið um það bil jafnt um tíu km vegalengd en eykst svo hægt og rólega og nær mest um 0°C við heiðhvörfin (stratopause), efri mörk heiðhvolfsins. Heiðhvolfið er svo nefnt vegna þess að í því eru engir iðustraumar og er frekar stöðugt. Heiðhvolfið blandast ekki við veðrahvolfið undir vegna þess að það liggur ofan á kaldara og þéttara lofti. Mestur hluti ósonsins í lofthjúpnum er að finna í 15 til 30 km hæð innan heiðhvolfsins. Hækkandi hitastig heiðhvolfsins má rekja til þess að óson gleypir í sig geislun sólar. 

• Miðhvolf (mesosphere): Miðhvolfið tekur við að heiðhvolfinu við heiðhvörfin og teygir sig úr 50 km hæð upp í 85 km hæð. Í þessu hvolfi dregur úr hitastigi með aukinni hæð en hann er við frostmark við heiðhvörfin en hefur fallið niður í -85 við miðhvörfin(mesopause), efri mörk miðhvolfsins. Miðhvolfið gleypir ekki mikið af sólargeisluninni í sig og kólnar þar af leiðandi. Flestir loftsteinar brenna upp í miðhvolfinu. 

• Hitahvolf (thermosphere): Hitahvolfið tekur við að miðhvolfinu við miðhvörfin og teygir sig úr 85 km hæð upp í yfir 640 km hæð við hitahvörfin (thermopause). Í þessu hvolfi eykst hitastigið aftur með aukinni hæð vegna þess að gastegundir innan þess gleypa í sig sólarorku. Í hitahvolfinu er hins vegar svo lítið af lofti að jafnvel þótt þar sé nokkuð hár hiti inniheldur loftið mjög lítinn varma (hitastig ræðst af hreyfiorku sameinda og er ekki það sama og varmi; hreyfiorka sameinda í hitahvolfinu er mikil og hitastigið því hátt en þar sem loftið er svo þunnt myndi t.d. geimfari í geimgöngu í 300 km hæð ekki finna fyrir neinum hita).

Efnasamsetning lofthjúpsins breytist einnig með hæð. Mest er um þyngstu sameindirnar neðst í lofthjúpnum en mest um léttustu sameindirnar í efstu lögunum. Þannig er nitur mest við yfirborðið, þá súrefni, svo helíum og efst er mest um vetni, léttasta atómið.

Enn eru ónefnd tvö hvolf, jónahvolfið og úthvolfið:

• Jónahvolfið (ionosphere): Innri mörk jónahvolfsins hefjast í 60 km hæð og nær 400 km hæð og inniheldur þar með stærstan hluta miðhvolfsins og lægri hluta hitahvolfsins. Nafn jónahvolfsins er dregið af því að í þessu hvolfi slítur sólarorkan rafeindirnar af nitur- og súrefnisatómum og breytir þeim í jákvætt hlaðnar jónir. Jónahvolfið leikur afar mikilvægt hlutverk í samskiptum jarðarbúa þar sem það verkar eins og spegill sem endurvarpar útvarpssendingum og gerir okkur kleift að tala saman yfir langar vegalengdir. Í jónahvolfinu myndast einnig eitt stórkostlega fyrirbæri lofthjúpsins, norðurljósin. Norðurljósin verða til þegar hlaðnar agnir (róteindir og rafeindir) frá sólinni ná til jarðar og rekast á jónir jónahvolfsins. Við árekstrana losnar orka sem við sjáum sem stórglæsilega ljósasýningu.

• Úthvolfið (exosphere): Úthvolfið teygir sig úr 500 km hæð upp í 10.000 km hæð. Í úthvolfinu er mestmegnis vetnisatóm en einnig helíum, koldíoxíð og súrefnisatóm við neðri mörk þess. Í útholfinu losna atóm frá lofthjúpi jarðar og streyma út í geiminn. Úthvolfið er seinasta lag lofthjúpsins áður en milligeimurinn tekur við.

Efnasamsetning

Í dag samanstendur lofthjúpur jarðar að mestu leyti af eldfjallagösum sem breyttust og þróuðust með lífi. Þurrt loft (loft sem inniheldur ekki vatnsgufu) samanstendur af 78% nitri og 21% súrefni. Afgangurinn eða 1% samanstendur af nokkrum gastegundum í litlu magni sem þó eru ekki síður mikilvægar jörðinni. Þessar gastegundir eru til dæmis koldíoxíð og metan sem eru gróðurhúsalofttegundir og stjórna að mestu leyti hitastigi jarðar og valda því að það er tiltölulega notalegt eins og staðan er í dag. Önnur, eins og til dæmis radon sem myndast við náttúrulega hrörnun úrans í bergi og er geislavirkt, eru skaðleg þar sem þau geta safnast saman. Heildarefnasamsetning lofthjúpsins er sem hér segir:

Efni	Magn	Efni	Magn
Nitur (N2)	78,084%	Vetni (H2)	0,000055%
Súrefni (O2)	20,946%	Nituroxíð (N2O)	0,00005%
Argon (Ar)	0,9340%	Xenon (Xe)	0,000009%
Koldíoxíð (CO2)	0,0383%	Óson (O3)	0,000007%
Neon (Ne)	0,001818%	Niturdíoxíð (NO2)	0,000002%
Helíum (He)	0,000524%	Joð (I)	0,000001%
Metan (CH4)	0,0001745%	Kolmónoxíð (CO)
Krypton (Kr)	0,000114%	Ammóníak (NH3)

Í lofthjúpnum eru ennfremur agnir (aerosols) í snefilmagni. Þessar örsmáu agnir (innan við 1 míkrómetri í þvermál (0,000001m)) úr fljótandi eða föstu efni eru svo smá að þau haldast föst í loftinu. Agnúðar geta verið úr vatni, sýru, örsmáum ögnum sjávarsalts, eldfjallaösku, leir, sóti eða mengunarefnum.

Ef allt líf yrði skyndilega aldauða – og öll eldgos stöðvast – myndu léttari gastegundir smám saman leka út í geiminn á fáeinum milljónum ára.

Rétt er að taka fram að ef yfirborð jarðar hefði verið of hlýtt til þess að fljótandi vatn gæti safnast fyrir á því, þá hefði koldíoxíðið í lofthjúpnum ekki safnast fyrir í bergi. Lofthjúpur jarðar líktist þá heldur lofthjúpi Venusar sem inniheldur 96,5% koldíoxíð en lofthjúpur jarðar aðeins 0,038% (þótt sú tala fari vaxandi). Koldíoxíð er gróðurhúsalofttegund sem hækkar hitastigið á Venusi gríðarlega.

Óson

Súrefni er ekki aðeins mikilvægt vegna þess að það flóknum fjölfrumungum kleift að anda, heldur einnig vegna þess að það er hráefnið í ósonsameindir. Óson (O₃) er gastegund sem gleypir í sig útfjólubláa ljósgeisla frá sólinni og ver lífið fyrir þessum skaðlegu geislum. Óson finnst aðallega í um 30 km hæð yfir yfirborði jarðar og myndast við tveggja þrepa efnahvarf:

1. O₂ + orka (frá sólinni) → 2O (tvö súrefnisatóm sem ekki eru bundin saman);
2. O₂ + O → O₃.

Þegar nægt óson hafði safnast fyrir í lofthjúpnum gátu lífverur skriðið upp á þurrt landa. Þá fyrst gátu plöntur og dýr þróast á þurrlendinu. Þessar lífverur hafa æ síðan lifað með og breytt lofthjúpi jarðar.

Þrýstingur og þéttleiki

Loft dreifist ekki jafnt um lofthjúpinn. Í þyngdarsviði jarðar þrýstir loft í meiri hæð niður á við og þéttir loft í minni hæð. Loftþrýstingur er sá þrýstingur sem loft veldur á umhverfið. Þéttleiki loftsins og loftþrýstingur eykst þar af leiðandi eftir því sem nær dregur yfirborði jarðar. Því þéttara sem gas er, því fleiri gassameindir eru í tilteknu rúmmáli. Þannig inniheldur loft á tindi Everestfjalls – þar sem loftþrýstingur er einn þriðju af loftþrýstingi við sjávarmál - þriðjungi færri súrefnissameindir en loft við sjávarmál. Þess vegna verða fjallgöngumenn að hafa með sér súrefniskút þegar gengið er á þak heimsins. Á sama hátt verður að þrýstijafna flugvélar sem fljúga hátt, heimshorna á milli. Loftþrýstingur er mældur í loftþyngdum (atm) þar sem ein loftþyngd er um það bil þrýstingurinn við sjávarmál (1,035 g/cm3), eða í börum þar sem eitt bar er um 0,986 loftþyngdir.

Þar sem þéttleiki lofts minnkar með aukinni hæð er um 50% af sameindum lofthjúpsins í innan við 5,6 km hæð, 90% innan við 16 km hæð og 99,99997% í innan við 100 km hæð. Oft er sagt að geimurinn taki við í 100 km hæð. Í 10.000 km hæð er þéttleiki lofthjúpsins um það bil sá sami og þéttleiki geimsins. Af þessu er því ljóst að mestur hluti lofthjúps jarðar er í örþunni skel sem aðeins er 0,5% af þykkt jarðar í heild. Lofthjúpurinn okkar, andrúmsloftið, er þannig álíka þykkt og eplabörkur í samanburði við eplið í heild!

Tengsl þrýstings og hitastigs

Þegar loft færist úr háþrýstisvæði yfir í lágþrýstisvæði - án þess að hiti bætist í það eða minnki – þenst það út. Við útþensluna kólnar og kallast slíkt ferli óvermin kólnun (adiabatic cooling). Ef loft færist af lágþrýstisvæði yfir í háþrýstisvæði – án þess að hiti bætist í það eða minnki – þéttist loftið og lofthitinn hækkar. Við þéttinguna hækkar hitinn og kallast slíkt ferli óvermin hitun(adiabatic heating). Óvermin kólnun og hitun eru mikilvæg ferli í lofthjúpnum vegna þess að þrýstingur breytist með hæð. Þegar loft nærri yfirborðinu (þar sem þrýstingurinn er hærri) verður óvermin kólnun en þegar loft í meiri hæð fellur niður og þéttist verður óvermin hitun.

Vatnsgufa

Loft inniheldur breytilegt magn vatnsgufu, allt frá 0,3% í heitu eyðimerkurlofti upp í 4% í rökum regnskógum jarðar.

Veðurfræðingar, þeir vísindamenn sem rannsaka veður, segja til um magn vatnsgufu í lofti með tölu sem kallast rakastig (relative humidity). Rakastig er hlutfall mælds vatnsmagns og mesta mögulega vatnsmagns í lofti. Mesta mögulega vatnsmagn breytist með hitastigi – hlýtt loft getur haldið í meira vatn en kalt loft. Þegar hlýtt loft inniheldur eins mikið vatnsmagn og unnt er er það mettað (saturated), á meðan loft með minna vatn er ómettað (unsaturated). Það þýðir í raun að loftið getur ekki bætt við sig fleiri vatnssameindum. Ef sagt er að loft við tiltekið hitastig hafi 20% rakastig er átt við að loftið inniheldur aðeins 20% af því vatni sem það gæti innihaldið við þetta tiltekna hitastig, þegar það er mettað. Slíkt loft er þurrt. Loft með 100% rakastig er mettað og mjög rakt.

Ómettað hlýtt loft getur mettast við kólnun, án þess að í það bætist vatn, vegna þess að hlýtt loft getur innihaldið mun meira vatn en kalt loft. Það hitastig þar sem loft mettast kallast daggarmark; dögg myndast þegar ómettað loft kólnar að nóttu til og mettast - þ.e.a.s. inniheldur eins mikið vatnsmagn og unnt er - svo það þéttist á yfirborð, t.d. á gras eða jafnvel sjónauka, stjörnuáhugamönnum til mikils ama. Þegar daggarmörkin eru undir frostmarki, myndast hrím. Þegar rakt loft rís og kólnar óvermið, þéttist rakinn og ský myndast.

Þegar vatnsgufu í lofti fer úr fljótandi fasa í gasfasa (eða öfugt), breytist hitastig loftsins einnig, þ.e.a.s. þegar vatn gufar upp, gleypir það í sig hita svo sameindirnar geta losnað frá vökvanum. Þétting vatnsins snýr þessu ferli við og losar þar af leiðandi varma.

Heimildir:

1. Marshak, Stephen. 2005. Earth: Portrait of a Planet, second edition. W. W. Norton & Company, Inc. New York.
2. Unnur Ólafsdóttir. 2006. Veður og umhverfi. Mál og menning / Edda útgáfa hf. Reykjavík.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2010). Lofthjúpur jarðar. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/solkerfid-large/jordin/lofthjupur-jardar (sótt: DAGSETNING).