Troposfera

Pogled na Zemljinu troposferu iz zrakoplova

Troposfera je sloj koji leži uz površinu Zemlje. Najniži je, najgušći i najtopliji dio zemljine atmosfere kojem je prosječna visina u srednjem pojasu 10-12 km, na ekvatoru 16-18 km, a na polovima samo 6-8 km. Ova razlika u visini posljedica je toga što je zrak u ekvatorskom pojasu izložen jačem solarnom zračenju i zagrijavanju, koje tamo jače utječe na širenje zraka nego u polarnim pojasima (Gay-Lussacov zakon).

Troposfera se dijeli na površinski sloj visok 2-3 km (peplogranica) i iznad njega advekcijski sloj. Premda zauzima vrlo malen dio cjelokupne atmosfere, ona predstavlja 75-80% Zemljine atmosfere. Razlog tome je što se zrak kao i svaki plin može komprimirati. Otud je tlak u donjim slojevima veći zbog vlastite težine viših slojeva i s visinom opada nelinearno.

U njoj se nalazi gotovo sva vodena para, a topli zrak se podiže sa površine, dok se hladniji zrak iz većih visina spušta što je uzrok svih meteoroloških zbivanja na Zemlji odnosno vremenskih prilika.

Za troposferu je tipičan konstantan pad temperature za oko 0,65°C na svakih 100 m visine. Stoga je na granici troposfere, ovisno o njenoj visini, temperatura između -50°C (u polarnom pojasu) i -80°C (na ekvatoru).

Granicu sa stratosferom čini tropopauza u kojoj temperatura koleba i počinje rasti (ovisno o zemljopisnoj širini i dobu godine).

Tlak i temperature u troposferi

Sastav

Kemijski sastav troposfere je uglavnom ravnomjerno raspoređen, osim vodene pare. Vodena para nastaje na površini Zemlje hlapljenjem ili isparavanjem. Kako temperatura i tlak zraka u troposferi opada sa visinom, time i količina vodene pare jako opada s visinom.

Tlak

Podrobniji članak o temi: Atmosferski tlak

Atmosferski tlak je najveći na razini mora i smanjuje se sa većim nadmorskim visinama. To je zato što je atmosfera gotovo u hidrostatskoj ravnoteži, što znači da tlak u nekoj točci odgovara težini zraka iznad te točke.

Atmosferski tlak na raznim visinama se može izračunati prema formuli:

${P}=P_{b}\cdot \left[{\frac {T_{b}}{T_{b}+L_{b}\cdot (h-h_{b})}}\right]^{\frac {g_{0}\cdot M}{R^{*}\cdot L_{b}}}$

gdje su:

P - statični tlak (paskala)

P_b = 101 325 Pa

T_b = 288,15 K

L_b = -0,0065 (K/m)

h - visina nad morem (metara)

h_b = 0 m

R^* - Opća plinska konstanta: 8,31432×10³ N·m / (kmol·K)

g₀ - Sila gravitacije(9,80665 m/s²)

M - molarna masa zraka na Zemlji (28,9644 g/mol)

Temperatura

Podrobniji članak o temi: Stopa opadanja temperature u troposferi

Temperatura troposfere opada sa povećanjem nadmorske visine. Stopa opadanja temperature $-dT/dz$, se može podijeliti u dvije vrste:

1) Stopa opadanja temperature okoliša i ona se odnosi na atmosferu u mirovanju, a iznosi u prosjeku 6,49 K(°C)/1000 m. To je zato što se upijanje ili apsorpcija Sunčeve energije javlja uglavnom na površini Zemlje, koja prijelazom topline grije donje dijelove atmosfere. Toplinsko zračenje se uglavnom odvija na vrhu troposfere, što je hladi.

2) Adijabatska stopa opadanja temperature i odnosi se promjenu temperature čestica zraka, koje se uzdižu prema gore (ili prema dolje), bez izmjene topline sa okolinom, jer je zrak slab prijenosnik topline. Dvije su vrste:

2a) Suha adijabatska stopa opadanja temperature i ona iznosi oko 9,8 K(°C)/1000 m

2b) Vlažna adijabatska stopa opadanja temperature i ona iznosi oko 5 K(°C)/1000 m

U umjerenom pojasu, prosječno se temperatura mijenja od 15°C na razini mora, do -55°C na vrhu troposfere. Na polovima, troposfera je tanja, pa je temperature na vrhu troposfere oko -45°C. Na ekvatoru, gdje je troposfera najdeblja, temperatura na vrhu troposfere je oko -75°C.

Tropopauza

Atmosfersko strujanje zraka, prikazano sa 3 različite velike ćelije

Model tri ćelije i smjer stalnih planetarnih vjetrova na Zemlji

Tropopauza je granični sloj između troposfere i stratosfere. U troposferi, temperatura opada sa visinom, dok u stratosferi temperatura se povećava. Tropopauza je granični sloj, gdje se pad temperature mijenja u rast temperature i nema značajnog miješanja zraka između troposfere i stratosfere.

Podjela troposfere

Troposferu je moguće dalje podijeliti na:

• planetarni granični sloj (od Zemljine površine do visine od 1,8 do 2,4 km). U ovom sloju značajno je djelovanje Zemljine površine na atmosferske procese, pojedini klimatski elementi imaju izraziti dnevni hod. Posebno je izraženo turbulentno trenje na gibanje zraka;
• srednja troposfera, u kojoj je utjecaj Zemljine površine na atmosferske procese manje značajan. Uglavnom je između 1,8 km do 7,6 km
• gornja troposfera, najgornji dio troposfere, a uglavnom se određuje sa tlakom zraka 850 000 Pascala i niže.

Strujanje atmosfere

Model tri ćelije

Cirkulacija u atmosferi se odvija u okviru globalnih strujnih sustava, prenoseći toplinsku energiju od ekvatorskog područja prema polovima. Postoje tri osnovne meridionalne cirkulacijske ćelije na sjevernoj i južnoj Zemljinoj polutci, koje su određene prijenosom energije kao i Coriolisovim učinkom:

• 'Hadleyeva ćelija' - zrak se uzdiže u ekvatorskom području (područje međutropske zone konvergencije) zbog evaporacijskih i konvekcijskih procesa nastalih uslijed jakog zagrijavanja, te se spušta u suptropskim područjima visokog tlaka (Azorska anticiklona, itd.). Posljedica ove cirkulacijske ćelije su istočni pasatni vjetrovi koji pušu od područja suptropskih anticiklona prema međutropskoj zoni konvergencije.
• ćelija umjerenih zemljopisnih širina ili Ferrelova ćelija - obrnuto orijentirana cirkulacija od Hadleyeve, te se zbog Coriolisovog učinka javljaju zapadni vjetrovi. Na njezinoj sjevernoj granici, koja ima dodir s polarnom cirkulacijskom ćelijom, stvaraju se ciklonalni sustavi (npr. islandska ciklona) koji svojim razvojem i gibanjem prenose toplinsku energiju zonalno i meridionalno.
• polarna cirkulacijska ćelija - zrak se spušta u području polova, istječe prema jugu (zbog Coriolisovog učinka strujanje biva zakrenuto prema zapadu) te sudjeluje u konvekcijskom stvaranju ciklona.

Osim meridionalnih cirkulacijskih ćelija, postojanje kopnenih površina uvjetuje i stvaranje zonalnih ćelija. Jedna od zonalnih ćelija se javlja nad područjem Tihog oceana, definirajući uvjete za nastajanje El-Niña. Deformacija se javlja i zbog visokih planinskih lanaca kao što je Himalajsko gorje, koje ne dozvoljava strujanje u nižim slojevima te uvjetuje pojavu monsuna u području Indijskog potkontinenta.

Zonalno strujanje

Zonalno strujanje je pojam iz meteorologije koji ističe glavni uzorak strujanja atmosfere od zapada prema istoku. To zonalno strujanje se savija i prelazi na meridionalno strujanje, koje je okomito na zonalno strujanje.

Meridionalno strujanje

Meridionalno strujanje je pojam iz meteorologije koji ističe glavni uzorak strujanja atmosfere od sjevera prema jugu. Kako se zonalno strujanje savija, ono prelazi na meridionalno strujanje, koje je okomito na zonalno strujanje.

Izvori

• Medicina i putovanje zrakoplovom - H.Landgraf, D.-M. Rose, P.E. Aust, Naklada Slap 2003.
• Rječnik astronomije i fizike svemirskog prostora - V.Vujnović, Školska knjiga, 2004.
• Astronomy - The Definite Guide - R. Burnham, A. Dyer, J. Kanipe

Nedovršeni članak Troposfera koji govori o zemljopisu treba dopuniti. Dopunite ga prema pravilima uređivanja Hrvatske internetske enciklopedije.