Definicja pojęcia:

powietrze

Powietrze, powietrze atmosferyczne – jednorodna mieszanina gazów (lotnych pierwiastków i związków chemicznych) i aerozoli atmosferycznych (mikroskopijnych cząstek stałych i kropli cieczy zawieszonych w fazie gazowej) tworząca powłokę gazową (powietrzną) kuli ziemskiej, czyli atmosferę ziemską. Powietrze atmosferyczne jest mieszaniną bezbarwną, pozbawioną smaku i zapachu, słabo rozpuszczającą się w wodzie i nie przewodzącą prądu elektrycznego. Powietrze suche (powietrze pozbawione pary wodnej) w temperaturze 0°C i pod ciśnieniem wynoszącym 1013,25 hPa osiąga gęstość 1,293 kg/m³. Głównymi składnikami powietrza atmosferycznego są azot (N₂), tlen (O₂), argon (Ar), dwutlenek węgla (CO₂) i para wodna (H₂O); w jego skład wchodzą również śladowe ilości gazów szlachetnychhelu (He), neonu (Ne), kryptonu (Kr) i ksenonu (Xe), oraz metan (CH₄), wodór (H₂), tlenek diazotu (N₂O), ozon (O₃) i aerozole atmosferyczne (cząstki mineralne, pyły i popioły wulkaniczne, zarodniki i pyłki roślin, mikroorganizmy). W powietrzu atmosferycznym obecne są również zanieczyszczenia pochodzenia naturalnego i antropogenicznego – tlenki azotu (NOₓ), amoniak (NH₃), tlenki siarki (SOₓ), siarkowodór (H₂S), tlenki węgla (COₓ), węglowodory i ich chlorowe pochodne, fenole, popioły lotne, sadze, pyły metalurgiczne i związki metali ciężkich. Powietrze tworzące atmosferę Ziemi stanowi powłokę chroniącą organizmy żywe przed gwałtownymi wahaniami temperatury i szkodliwym odzziaływaniem promieniowania ultrafioletowego (UV). Główne składniki powietrza (tlen, dwutlenek węgla, azot) oraz zachodzące w atmosferze zjawiska fizyczne mają ogromny wpływ na procesy życiowe organizmów żywych (m.in. fotosyntezę, oddychanie) oraz przepływ energii i krążenie materii w przyrodzie (cykl hydrologiczny, obieg tlenu, węgla i azotu w przyrodzie).
  1. Atmosfera ziemska
  2. Właściwości fizyczne powietrza atmosferycznego
  3. Skład powietrza atmosferycznego
  4. Znaczenie biologiczne powietrza atmosferycznego

Atmosfera ziemska

Atmosfera stanowi powłokę gazową (powłokę powietrzną) kuli ziemskiej, którą utworzona jest z jednorodnej mieszaniny gazów (lotnych pierwiastków i związków chemicznych) oraz aerozoli atmosferycznych (mikroskopijnych cząstek stałych i kropli cieczy zawieszonych w powietrzu), określanej mianem powietrza atmosferycznego. Średnia masa całej atmosfery ziemskiej wynosi ok. 5,15 ∙ 10¹⁸ kg, z czego większa część (75%) skoncentrowana jest w jej warstwie powierzchniowej (troposferze). Atmosfera nie posiada wyraźnie zaznaczonej granicy; umowną granicę pomiędzy tą powłoką powietrzną kuli ziemskiej a przestrzenią kosmiczną stanowi linia Kármána przebiegająca na wysokości 100 km nad poziomem morza. Atmosfera jest układem niejednorodnym; wraz ze wzrostem wysokości ulegają zmianie jej właściwości fizyczne (m.in. ciśnienie, gęstość, temperatura) oraz skład chemiczny powietrza atmosferycznego. Główne jej warstwy wydzielane są na podstawie kryterium termicznego, uwzględniającego zmienność temperatury powietrza atmosferycznego wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza (tzw. stratyfikacja atmosfery). Atmosfera składa się z pięciu koncentrycznych warstw (troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery i egzosfery), które oddzielone są od siebie pauzami (tropopauzą, stratopauzą, mezopauzą i termopauzą).

Troposfera stanowi najniższą warstwę atmosfery; rozciąga się na wysokości 0-12 km nad powierzchnią Ziemi. Temperatura troposfery spada jednostajnie ze wzrostem wysokości. Warstwa ta skupia ok. 75% masy całej atmosfery i niemal całą masę wody atmosferycznej; zachodzą w niej procesy pogodowe i zjawiska meteorologiczne. Stratosfera, rozciągająca się na wysokości 12-50 km, posiada wyraźną stratyfikację termiczną – dzieli się na część dolną (warstwę chłodną) o stałej temperaturze wynoszącej -55°C oraz część górną (warstwę ciepłą) z temperaturą rosnącą wraz z wysokością do 0°C w jej partiach górnych. Wzrost temperatury spowodowany jest absorpcją promieniowania ultrafioletowego (UV) przez warstwę ozonową (ozonosferę) z najwyższą koncentracją ozonu (O₃) na wysokości 20-30 km nad powierzchnią Ziemi. Mezosferę, rozciągającą się na wysokości 50-80 km, cechuje stały spadek temperatury wraz z wysokością do wartości -100°C w jej partiach szczytowych. Termosfera, znajdująca się na wysokości 80-800 km, charakteryzuje się silnym rozrzedzeniem powietrza i wzrostem temperatury ze wzrostem wysokości do 1500°C w jej górnych partiach. Wzrost temperatury jest wynikiem pochłaniania promieniowania ultrafioletowego (UV) przez cząsteczki gazów. Proces ten stanowi przyczynę ich fotojonizacji, prowadzącej do powstanie dużej ilości jonów i elektronów swobodnych tworzących jonosferę (zjonizowaną warstwę atmosfery ziemskiej) występującą głównie w dolnej części termosfery (ok. 80-550 km nad powierzchnią Ziemi). Najbardziej zewnętrzną warstwę atmosfery stanowi egzosfera rozciągająca się na wysokości 800-10000 km; warstwa ta charakteryzuje się bardzo silnym rozrzedzeniem powietrza (małą gęstością powietrza) i bardzo wysokimi temperaturami (do 1700°C).
Powietrze jest mieszaniną gazów i aerozoli atmosferycznych tworzących powłokę gazową kuli ziemskiej (atmosferę ziemską). Źródło: shutterstock

Właściwości fizyczne powietrza atmosferycznego

Powietrze atmosferyczne stanowi bezbarwną mieszaninę gazów i aerozoli atmosferycznych, pozbawioną smaku i zapachu, słabo rozpuszczającą się w wodzie i nie przewodzącą prądu elektrycznego. Gęstość powietrza atmosferycznego zależy od ciśnienia, temperatury oraz składu chemicznego powietrza, w tym obecności zanieczyszczeń. Jest wprost proporcjonalna do ciśnienia; maleje wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego i wzrostem wysokości nad powierzchnią Ziemi oraz rośnie wraz z jego wzrostem oraz spadkiem wysokości nad Ziemią. Gęstość powietrza jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury – jej wartość maleje wraz ze wzrostem temperatury, w związku z czym w górnych warstwach atmosfery cechujących się bardzo wysokimi temperaturami (termosferze i egzosferze) powietrze atmosferyczne jest bardzo silnie rozrzedzone. Zależność gęstości powietrza atmosferycznego od powyższych właściwości można przedstawić za pomocą wzoru:
gdzie:
ρ – gęstość powietrza atmosferycznego [kg/m³],
p – ciśnienie [Pa],
M – efektywna masa molowa powietrza atmosferycznego [kg/mol],
R – uniwersalna stała gazowa [J/mol ∙ K] (R = 8,31 J/mol ∙ K),
T – temperatura powietrza atmosferycznego w skali bezwzględnej [K].

Powietrze suche (powietrze pozbawione pary wodnej) w temperaturze 0°C i pod ciśnieniem 1013,25 hPa (w warunkach normalnych) osiąga gęstość 1,293 kg/m³ (1,293 g/dm³).

Powietrze atmosferyczne w bardzo niskiej temperaturze wynoszącej -193°C pod normalnym ciśnieniem wartości 1013,25 hPa ulega procesowi skraplania, przechodząc w jasnoniebieską, bardzo ruchliwą ciecz o gęstości ok. 870 kg/m³ (870 g/dm³) oraz temperaturze krzepnięcia (przejścia w stan powietrza zestalonego) osiągającej wartość -213°C. Powietrze skroplone jest cieczą bardzo nietrwałą – jego cząsteczki szybko absorbują energię cieplną z otoczenia, ponownie przechodząc w stan gazowy. Wilgotność powietrza atmosferycznego (powietrza tworzącego troposferę, zawierającego niemal całą masę wody atmosferycznej) definiowana jest jako ilość pary wodnej zawartej w danej objętości powietrza. Właściwość ta w dużym stopniu zależy od jego temperatury; ilość pary wodnej w powietrzu zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Po osiągnięciu przez powietrze atmosferyczne stanu nasycenia, czyli maksymalnej zawartości pary wodnej w danej temperaturze, jej nadmiar ulega skropleniu w postaci opadów atmosferycznych (np. opadów deszczu). Wilgotność powietrza atmosferycznego można określić z wykorzystaniem dwóch wielkości – wilgotności bezwzględnej, definiowanej jako stosunek masy pary wodnej zawartej w danej objętości powietrza do jego objętości:
gdzie:
a – wilgotność bezwzględna powietrza atmosferycznego [kg/m³],
mp  – masa pary wodnej [kg],
V  – objętość powietrza atmosferycznego [m³],

bądź za pomocą wilgotności względnej, definiowanej jako procentowy stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej (aktualnej prężności pary wodnej) zawartej w danej objętości powietrza atmosferycznego do prężności nasyconej pary wodnej w danej temperaturze:
gdzie:
f – wilgotność względna pary wodnej,
ew – ciśnienie cząstkowe pary wodnej (aktualna prężność pary wodnej),
E – maksymalna prężność pary wodnej.

Powietrze atmosferyczne krążące w troposferze, ze względu na swe właściwości fizyczne (głównie temperaturę i wilgotność względną), dzielone jest na cztery główne masy powietrza formujące się na określonych obszarach kuli ziemskiej (obszarach źródłowych). W zależności od położenia geograficznego obszaru źródłowego wyróżnia się masy powietrza równikowego (PR) tworzące się w pasie okołorównikowym, masy powietrza zwrotnikowego (PZ) formujące się w obszarach zwrotnikowych półkuli północnej i południowej, masy powietrza polarnego (PP) formujące się w obszarach strefy umiarkowanej półkuli północnej i południowej i masy powietrza arktycznego (antarktycznego) (PA) powstające w strefie podbiegunowej półkuli północnej (w Arktyce) bądź w strefie podbiegunowej półkuli południowej (na Antarktydzie). Główne masy powietrza rozdzielone są wąskimi strefami przejściowymi, zwanymi frontami atmosferycznymi – frontem zwrotnikowym oddzielającym masy powietrza równikowego od masy powietrza zwrotnikowego, frontem polarnym oddzielającym powietrze zwrotnikowe od powietrza polarnego oraz frontem arktycznym (antarktycznym) oddzielającym powietrze polarne od powietrza arktycznego (antarktycznego). Masy powietrza odgrywają istotną rolę w ogólnej (globalnej) cyrkulacji atmosferycznej, warunkującej wzorzec wiatrów i opadów atmosferycznych na kuli ziemskiej.
Warstwy atmosfery ziemskiej. Źródło: shutterstock
Globalna cyrkulacja atmosferyczna. Źródło: shutterstock

Skład powietrza atmosferycznego

Powietrze atmosferyczne składa się głównie z azotu (N₂) (78,084%), tlenu (O₂) (20,946%), argonu (Ar) (0,934%), dwutlenku węgla (CO₂) (0,041%) i pary wodnej (H₂O) (0-3%) obecnej głównie w troposferze; w skład powietrza atmosferycznego wchodzą również śladowe ilości gazów szlachetnych – helu (He) (0,0005%), neonu (Ne) (0,0018%), kryptonu (Kr) (0,0001%) oraz ksenonu (Xe) (0,000009%), metan (CH₄) (0,00017%), wodór (H₂) (0,00005%), tlenek diazotu (N₂O) (0,00003%) oraz ozon (O₃) (0,001%) obecny głównie w stratosferze (warstwa ozonowa). Powietrze tworzące najniższą warstwę atmosfery ziemskiej (troposferę) zawiera także aerozole atmosferyczne, składające się z drobnych cząstek mineralnych (np. cząstek gleby, cząstek wietrzejących skał), cząstek soli morskiej, pyłów i popiołów wulkanicznych oraz unoszących się biernie w powietrzu mikroorganizmów (m.in. bakterii, sinic, protistów, drobnych pajęczaków i owadów) i form przetrwalnikowych organizmów żywych (np. nasion, zarodników grzybów, mszaków i paprotników, pyłków roślin wyższych) określanych wspólną nazwą aeroplanktonu (planktonu atmosferycznego). Powietrze atmosferyczne cechuje się stosunkowo stałym składem chemicznym (z pominięciem pary wodnej, ozonu i dwutlenku węgla) jedynie w niższych warstwach atmosfery ziemskiej do wysokości ok. 90-100 km nad powierzchnią Ziemi, czyli w homosferze obejmującej troposferę, stratosferę oraz mezosferę. W wyższych warstwach atmosfery Ziemi (określanych mianem heterosfery) skład chemiczny powietrza atmosferycznego ulega zmianie wraz z wysokością, co jest wynikiem zachodzącej pod wpływem promieniowania słonecznego i kosmicznego jonizacji cząsteczek gazów.

Powietrze atmosferyczne zawiera również zanieczyszczenia gazowe składające się z gazów oraz lotnych par związków chemicznych, m.in. tlenku diazotu (N₂O), dwutlenku azotu (NO₂), amoniaku (NH₃), tlenku siarki (IV) (SO₂), tlenku siarki (VI) (SO₃), siarkowodoru (H₂S), tlenku węgla (CO), dwutlenku węgla (CO₂), fenoli i węglowodorów (alifatycznych i aromatycznych) oraz ich pochodnych (np. chlorofluorowęglowodorów); zanieczyszczenia pyłowe składające się ze stałych cząstek nieorganicznych i organicznych związków chemicznych, m.in. sadzy, popiołów lotnych, pyłów metalurgicznych, związków metali ciężkich (ołowiu, miedzi, kadmu, chromu, arsenu) i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (np. benzopirenu). Przyczyną degradacji atmosfery są również zanieczyszczenia wtórne powstające w wyniku przemian fizycznych i reakcji chemicznych pomiędzy składnikami atmosfery i emitowanymi do niej zanieczyszczeniami. Przykładem może być ubytek stratosferycznej warstwy ozonu wskutek redukcji ozonu (O₃) do cząsteczki tlenu (O₂) (rozrzedzenie ozonowe) pod wpływem reakcji z atomami chloru uwolnionymi z chlorofluorowęglowodorów (freonów); zakwaszenie wody atmosferycznej w wyniku jej reakcji z tlenkami siarki (SOₓ) i azotu (NOₓ) (tzw. kwaśnymi gazami), skutkujące tworzeniem się kwaśnych opadów; i powstawanie fotosmogu (smogu fotochemicznego) bogatego w  szkodliwy dla organizmów żywych ozon troposferyczny (O₃) w wyniku fotochemicznego utleniania spalin samochodowych zawierających tlenki azotu (NOₓ), tlenek węgla (CO), metan (CH₄) oraz lotne węglowodory.
Główne składniki powietrza atmosferycznego. Źródło: shutterstock

Znaczenie biologiczne powietrza atmosferycznego

Powietrze atmosferyczne tworzące atmosferę ziemską stanowi powłokę ochronną chroniącą organizmy żywe przed szkodliwym oddziaływaniem promieniowania ultrafioletowego (UV) docierającego do kuli ziemskiej ze Słońca dzięki obecnej w stratosferze warstwie ozonowej (ozonosferze); chroni je również przed gwałtownymi wahaniami temperatury w ciągu doby (zmniejsza dobową amplitudę temperatur) dzięki powolnemu oddawaniu ciepła do wyższych warstw troposfery przez absorbującą promieniowanie słoneczne warstwę powierzchniową. Powłoka powietrzna Ziemi zabezpiecza także powierzchnię kuli ziemskiej przed całkowitą utratą ciepła (tzw. efekt cieplarniany). Wchodzące w skład powietrza atmosferycznego gazy cieplarniane, głównie dwutlenek węgla (CO₂), para wodna (H₂O), metan (CH₄), tlenek diazotu (N₂O), absorbują większość promieniowania podczerwonego (promieniowania cieplnego) emitowanego przez Ziemię i odbijają go z powrotem w jej kierunku. Dzięki tej naturalnej izolacji termicznej średnia globalna temperatura powierzchni kuli ziemskiej wynosi ok. 15°C; w przypadku braku efektu cieplarnianego średnia temperatura powierzchni kuli ziemskiej wynosiłaby ok. -18°C, co uniemożliwiłoby życie większości organizmów żywych. Główne składniki powietrza atmosferycznego, czyli azot (N₂), tlen (O₂), dwutlenek węgla (CO₂) i para wodna (H₂O) i zachodzące w atmosferze zjawiska i procesy fizyczne (np. zjawiska pogodowe, jak m.in. powstawanie chmur i opadów atmosferycznych) mają ogromny wpływ na procesy życiowe organizmów żywych (m.in. fotosyntezę, chemosyntezę, oddychanie) oraz przepływ energii i krążenie materii między atmosferą, hydrosferą, litosferą i biosferą (obieg azotu, tlenu i dwutlenku węgla w przyrodzie, cykl hydrologiczny).
Warstwa ozonowa (ozonosfera) w stratosferze chroni organizmy żywe przed szkodliwym oddziaływaniem promieniowania ultrafioletowego (UV). Źródło: shutterstock

Bibliografia

  1. Peter Brimblecombe, P. G. C. Campbell, R. M. Harrison; “Air Composition and Chemistry”; Cambridge University Press, 1995.;
  2. Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020. ;
  3. Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia Geograficzna Świata, tom IX Ziemia”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1997; ;
  4. Krzysztof Kożuchowski; “Meteorologia i klimatologia”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019.;
  5. K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
  6. Eldra Pearl Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin, Claude A. Villee; “Biologia”; Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa 1996;
  7. Grażyna Łabno; “Ekologia. Słownik encyklopedyczny”; Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006;
  8. Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia Geograficzna Świata, tom IX Ziemia”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1997;
  9. Urszula Kossowska-Cezak; “Wstęp do meteorologii i klimatologii”; Uniwersytet Warszawski, Warszawa 1997.;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.5
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy