Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku Udostępnij materiał

Atmosfera jest powłoką ziemską, która najszybciej i najsilniej wpływa na nasze życie. Bez jedzenia możemy wytrzymać kilka tygodni, bez wody – kilka dni, a bez tlenu zawartego w powietrzu zaledwie kilka minut. Zbyt wysokie i zbyt niskie temperatury powietrza także są dla nas zabójcze.

Rozkład rocznych amplitud temperatury powietrza na Ziemi
Już wiesz
  • jakie jest miejsce atmosfery w stosunku do litosfery, hydrosfery, biosfery i pedosfery;

  • że atmosfera ziemska jest częścią Ziemi i porusza się razem z nią.

Nauczysz się
  • wymieniać gazy, z jakich składa się powietrze atmosferyczne;

  • omawiać tendencje zmian składu powietrza atmosferycznego;

  • wyszczególnać warstwy, z jakich zbudowana jest atmosfera;

  • wyjaśniać, co jest przyczyną zróżnicowania temperatury powietrza;

  • wyjaśniać, jak należy dokonywać pomiaru ciśnienia atmosferycznego i temperatury powietrza.

Przygotuj przed lekcją:
  • termometr,

  • barometr.

1. Jakie są najważniejsze składniki powietrza atmosferycznego?

Atmosfera to mieszanina gazów i różnorodnych dodatków otaczająca wodną i skalną powierzchnię Ziemi powłoką o grubości 1,5‑2 tys. km. Skład suchego powietrza atmosferycznego jest dość stały, choć wiemy, że w przeszłości był inny. Obecnie prawdopodobnie zwiększa się zawartość dwutlenku węgla, metanu i innych gazów w atmosferze, a do niedawna lokalnie zmniejszała się ilość ozonu. Ponadto w krótkim czasie w niewielkiej przestrzeni możliwe są znaczne wahania udziału dwutlenku węgla i rozmaitych zanieczyszczeń.
Skład suchego powietrza atmosferycznego w dolnych warstwach atmosfery przedstawia zamieszczony poniżej diagram.

Diagram przedstawiający przybliżony skład suchego powietrza atmosferycznego – azot 78,084%, tlen – 20,946%, argon – 0,934%, dwutlenek węgla – 0,035% i inne (neon, hel, metan, krypton, wodór, ksenon, ozon, dwutlenek siarki, dwutlenek azotu, kropelki różnych cieczy, kryształki lodu i różnych soli, pyły, pyłki roślinne, mikroorganizmy itp.) – 0,001%

Powietrze atmosferyczne prawie nigdy nie jest całkowicie suche. W zależności od miejsca, wysokości nad poziomem morza, ciśnienia atmosferycznego i temperatury może w nim występować para wodna lub woda w postaci ciekłej i stałej (lodu). Niemal całkowita ilość wody atmosferycznej występuje w dolnej części atmosfery, do wysokości 10 km, i jej zawartość szybko spada wraz z wysokością. Zawartość pary wodnej jest zmienna i przy powierzchni waha się od niemal 0% (przeciętnie 0,5 % w strefach polarnych) nawet do ok. 4% (w strefie równikowej). Ludzie mają kontakt prawie wyłącznie z najniższą warstwą atmosfery – troposferą (poza osobami latającymi bardzo wysoko samolotami i rakietami kosmicznymi). To w niej zachodzi większość zjawisk atmosferycznych oraz cyrkulacja atmosferyczna wody (ważny etap obiegu wody w przyrodzie).

Polecenie 1

Podaj kilka przykładów zjawisk naturalnych albo przejawów działalności człowieka, które wpływają na miejscowy wzrost zawartości dwutlenku węgla w powietrzu.

Obserwacja 1

Wykazanie możliwości radykalnej zmiany składu powietrza atmosferycznego.

Przy obserwacji używa się otwartego ognia, więc konieczny jest nadzór osoby dorosłej.

Co będzie potrzebne
  • świeczka,

  • słoik,

  • zapalniczka.

Instrukcja
  1. Zapal świeczkę. Nakryj ją słoikiem odwróconym dnem do góry.

  2. Obserwuj płomień świecy. Zwróć uwagę na trzy etapy doświadczenia. W pierwszym etapie świeca, pomimo nakrycia słoikiem, płonie bez zmian. W drugim przygasa i pojawia się więcej dymu. W trzecim – gaśnie.

Podsumowanie

Świeczka tak długo się paliła, jak długo w słoiku był obecny tlen; gdy tlenu zabrakło, świeczka zgasła. W wyniku niektórych procesów, np. spalania, jak to miało miejsce podczas naszej obserwacji, skład powietrza atmosferycznego w zamkniętej przestrzeni może się radykalnie zmienić. Większość tlenu znajdującego się w słoiku weszła w reakcję chemiczną i uległa przemianie w dwutlenek węgla oraz tlenek węgla.

Wyjaśnij, dlaczego świeca przestała się palić.

Polecenie 2

Spróbuj zapalić świecę ponownie, ale nie przykrywaj jej już słoikiem. Wyciągnij wnioski z doświadczenia.

Ciekawostka

Wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza obniża się ciśnienie atmosferyczne i rozrzedza powietrze, co może powodować kłopoty z oddychaniem w bardzo wysokich górach. Skład procentowy powietrza jest tu jednak ciągle niemal dokładnie taki sam jak na poziomie morza. To obniżone ciśnienie atmosferyczne powoduje, że wdychamy mniej powietrza, a więc i mniej tlenu.

Ważne!

W szczególnych warunkach istnieje możliwość zmian składu chemicznego powietrza, co jest niebezpieczne dla życia ludzi i zwierząt. Zagrożenie takie stwarzają chociażby silniki spalinowe działające w pomieszczeniach (np. silnik samochodu w zamkniętym garażu), niesprawne piece i kotły stosowane do ogrzewania pomieszczeń albo wody (np. piece węglowe z niesprawnym systemem kominowym albo łazienkowe kotły gazowe używane w pomieszczeniach bez sprawnej wentylacji).

2. Z jakich warstw zbudowana jest atmosfera?

W atmosferze ziemskiej wyróżniamy 5 warstw głównych charakteryzujących się określonymi cechami i 4 warstwy przejściowe nazywane pauzami. Granice między nimi są umowne i zmieniają się w zależności od szerokości geograficznej, ukształtowania terenu i pory roku.

Najbliżej powierzchni Ziemi znajduje się troposfera. Jej grubość wynosi od 7 km (zimą) do 10 km (latem) nad biegunami i 15‑18 km nad równikiem. Główną cechą pozwalającą wyznaczyć granicę troposfery jest spadek temperatury powietrza wraz ze wzrostem wysokości o ok. 0,6°C na 100 m. W górnej warstwie troposfery temperatura osiąga wartość -55°C (nad obszarami podbiegunowymi) do -70°C (nad obszarami równikowymi). Nad tą warstwą leży cienka tropopauza ze stałą temperaturą, a ponad nią rozciągająca się do wysokości ok. 50 km stratosfera, w której temperatura powietrza rośnie aż do osiągnięcia 0°C. W stratosferze znajduje się ozonosfera – warstwa o podwyższonej zawartości ozonu (tlenu w postaci trójatomowych cząsteczek), który najwyższe stężenie osiąga na wysokości 25‑30 km. Pełni ona bardzo ważną rolę – chroni Ziemię przed zabójczym dla organizmów żywych promieniowaniem ultrafioletowym emitowanym przez Słońce. W górnej granicy stratosfery, kilkukilometrowej grubości stratopauzie, temperatura jest stała.
Kolejna warstwa to mezosfera sięgająca do ok. 80 km, w której temperatura nieustannie spada aż do -70°C, a nawet -100°C. Powyżej mezopauzy znajduje się warstwa nazywana termosferą z temperaturą rosnącą aż do 1000°C, a  na wysokości 500‑600 km nawet do 1500°C. Powyżej jej górnej granicy – termopauzy – znajduje się egzosfera, w której temperatura powietrza o bardzo małej gęstości zaczyna spadać aż do -273°C w przestrzeni kosmicznej. Górna granica egzosfery jest trudna do ustalenia.
Wraz ze wzrostem wysokości obniża się ciśnienie atmosferyczne. Od ok. 1000 hPa (hektopaskali) na poziomie morza przez 200 hPa na granicy z tropopauzą, 1 hPa na granicy stratopauzy aż do 0,000 001 hPa w egzosferze.

Budowa atmosfery ziemskiej
Polecenie 3

Zastanów się i wyjaśnij przyczynę, dla której grubość warstw atmosfery nad biegunami jest mniejsza niż nad równikiem.

Wskazówka

Przypomnij sobie, dlaczego promień Ziemi łączący jej środek z biegunem jest krótszy niż promień biegnący od środka Ziemi do równika oraz na jakich szerokościach geograficznych obszary Ziemi są bardziej, a na których mniej nagrzewane.

Obserwacja 2
  • Ćwiczenie umiejętności dokonywania pomiaru ciśnienia powietrza atmosferycznego.

  • Poznanie wielkości ciśnienia atmosferycznego przy powierzchni ziemi.

  • Uświadomienie zmienności ciśnienia w dolnych warstwach troposfery.

Co będzie potrzebne
  • barometr.

Instrukcja
  1. Odczytaj wskazania barometru, podając właściwą jednostkę ciśnienia.

  2. Odczytaj skrajne możliwe wskazania barometru, które zapewne przekraczają zakres ciśnienia atmosferycznego występującego w Polsce przy powierzchni ziemi.

Ciekawostka

Określenie granic atmosfery jest trudne. Od dołu ogranicza ją powierzchnia lądów i oceanów. Powietrze atmosferyczne występuje także w jaskiniach, nawet w tych bardzo głębokich, oraz w glebie.
Trudno również określić górną granicę atmosfery. Powyżej 1 tys. km powietrze jest już bardzo rozrzedzone i płynnie przechodzi w próżnię. Za górną granicę atmosfery przyjmuje się zwykle 1,5 tys. km albo 2 tys. km powyżej poziomu lądów i oceanów, ale niektórzy badacze wymieniają nawet 10 tys. km.

Ważne!

Ciśnienie atmosferyczne można mierzyć zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz, ponieważ tylko nieliczne pomieszczenia (np. balony okrywające korty tenisowe) są na tyle szczelne, że można w nich wytworzyć ciśnienie inne od naturalnego ciśnienia atmosferycznego występującego nad danym obszarem w tej samej chwili.

3. Od czego zależy temperatura powietrza?

Temperatura powietrza zmienia się w kolejnych warstwach atmosfery w bardzo szerokim zakresie. Nas jednak najbardziej interesuje temperatura panująca w dolnych warstwach troposfery, przy powierzchni Ziemi, oraz jej zmienność w ciągu doby i roku. Zależy ona od tak wielu czynników, że trudno jest przewidzieć jej wartości i wahnięcia. Prognozowaniem pogody, w tym również temperatury powietrza, zajmuje się synoptyka będąca działem meteorologii.

Zmiany rozkładu temperatur powietrza na kuli ziemskiej

Czynniki wpływające na zmiany temperatur

Strefy, okresy, pory

Obserwowane temperatury

Położenie geograficzne

strefa międzyzwrotnikowa

wysokie

strefy umiarkowane

średnie

strefy podbiegunowe

niskie

Wysokość nad poziomem morza

niziny i wyżyny

wyższe

góry

niższe

Obszar geograficzny

wnętrza kontynentów latem

wyższe

wnętrza kontynentów zimą

niższe

wybrzeża latem

niższe

wybrzeża zimą

wyższe

Pora roku

lato

wyższe

zima

niższe

Pory w ciągu doby

dzień

wyższe

noc

niższe

Wraz z wysokością temperatura powietrza spada zazwyczaj o 0,6°C na każde 100 m, ale w przypadku powietrza całkowicie suchego spadek ten wynosi nawet 1°C na 100 m. Na niektórych obszarach zdarzają się wyjątki i wtedy w dolinach bywa chłodniej niż na szczytach. Takie zjawisko nazywa się inwersją termiczną. Wpływ na temperaturę powietrza mają także: zachmurzenie, pokrywa roślinna lub jej brak, kierunek nachylenia terenu, prądy morskie, a nawet działalność człowieka. Dopiero połączenie tych wszystkich składowych uzmysławia, jak trudno przewidzieć temperaturę nad danym obszarem i jak bardzo jest ona zmienna zarówno w czasie, jak i w przestrzeni.
Zmienność termiczną powietrza na danym obszarze charakteryzuje amplituda temperatury – różnica pomiędzy największą i najmniejszą jej wartością zmierzona w danym okresie. Przykładowo jedne z największych amplitud dobowych, czyli różnic pomiędzy maksymalną i minimalną temperaturą zmierzoną w ciągu doby, występują na pustyniach w okolicach zwrotników. W dzień powietrze silnie się nagrzewa, a w nocy temperatura może spaść nawet poniżej 0°C. Amplitudy dobowe sięgają kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Natomiast jedne z największych amplitud rocznych – różnic pomiędzy średnią miesięczną temperaturą miesiąca najcieplejszego a średnią temperaturą miesiąca najchłodniejszego – występują w wyższych szerokościach i w oddaleniu od wybrzeży morskich i oceanicznych. Przykładem może być syberyjski Ojmiakon, gdzie roczna amplituda osiągnęła wartość 104°C (-71°C – średnia temperatura stycznia, 33°C – średnia temperatura lipca).

Polecenie 4

Oblicz, o ile różni się temperatura wilgotnego powietrza nad Morskim Okiem – największym jeziorem polskich Tatr, leżącym na wysokości 1395 m n.p.m. – a Rysami – najwyższym w Polsce wierzchołkiem Tatr o wysokości 2499 m n.p.m. Dla uproszczenia obliczeń możesz zaokrąglić podane wysokości do pełnych setek metrów.

Polecenie 5

Na podstawie przykładowych wskazań średniej miesięcznej temperatury powietrza w pewnym miejscu Polski oblicz średnią roczną temperaturę. Oblicz także roczną amplitudę średnich miesięcznych wartości temperatury w tym miejscu.

Dane do polecenia

MIESIĄC

POMIAR TEMPERATURY

Styczeń

-3,3

Luty

-2,1

Marzec

1,9

Kwiecień

7,7

Maj

13,5

Czerwiec

16,7

Lipiec

18,0

Sierpień

17,3

Wrzesień

13,1

Październik

8,2

Listopad

3,2

Grudzień

-1,0

Obserwacja 3
  • Ćwiczenie umiejętności dokonywania pomiaru temperatury powietrza atmosferycznego.

  • Poznanie wysokości temperatury powietrza na poziomie 2 m nad gruntem.

  • Uświadomienie istnienia zmienności temperatury powietrza w dolnych warstwach troposfery.

Co będzie potrzebne
  • termometr zaokienny.

Instrukcja
  1. Termometr umieść w cieniu, w przewiewnym miejscu, na wysokości 2 m nad poziomem gruntu.

  2. Odczytaj wskazania termometru, podając właściwą jednostkę temperatury powietrza.

  3. Odczytaj skrajne możliwe wskazania termometru, które zapewne przekraczają zakres temperatury powietrza atmosferycznego występującego w Polsce.

Ciekawostka

Trudno jest dokładnie wskazać miejsca na Ziemi, gdzie występuje najwyższa i najniższa temperatura powietrza, gdyż znamy tylko wyniki pomiarów ze stacji meteorologicznych. Najwyższe zmierzone temperatury to: +56,7°C w Dolinie Śmierci w Kalifornii albo, podawane w wątpliwość, +58°C w libijskiej oazie Al‑Azizija. Natomiast najniższa zmierzona temperatura to -89,2°C w stacji Wostok na Antarktydzie. Pomiary robione z satelitów wskazują jednak wyniki przekraczające nawet +70°C oraz -93°C, ale w miejscach, gdzie nie ma stacji meteorologicznych, przez co warunki pomiaru są nieporównywalne.

Ważne!

Wskazania temperatury przez termometr mogą się różnić, niekiedy nawet dość znacznie. Zależy to od tego, czy termometr jest wystawiony na działanie promieni słonecznych, czy pozostaje w cieniu, czy jest zawieszony nad powierzchnią gruntu, czy na pewnej wysokości. Różnice wskazań mogą wynikać też z działania samego przyrządu. Dlatego umówiono się, aby na całym świecie mierzyć temperaturę powietrza na tej samej wysokości i w tych samych warunkach. Służy do tego klatka meteorologiczna ustawiona na wysokości 2 m nad powierzchnią ziemi. Zbudowana jest z przewiewnych, wykonanych z drewna i pomalowanych na biało ścianek. Jej drzwiczki znajdują się zawsze od strony północnej.

Klatka meteorologiczna zabezpiecza przyrządy służące do pomiarów meteorologicznych – termometry i higrometry – przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych

Podsumowanie

  • Powietrze atmosferyczne składa się w przybliżeniu z 78% azotu, 21% tlenu, niespełna 1% argonu i dziesiątków innych składników.

  • Większość składników powietrza występuje w stałych proporcjach, tylko zawartość pary wodnej i dwutlenku węgla oraz niektórych zanieczyszczeń zmienia się dosyć wyraźnie w czasie i przestrzeni.

  • Atmosfera zbudowana jest z 5 głównych warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery i egzosfery oraz 4 warstw przejściowych: tropopauzy, stratopauzy, mezopauzy i termopauzy.

  • Temperatura powietrza zmienia się w zależności od warstwy atmosfery: w troposferze maleje, w stratosferze wzrasta, w mezosferze maleje, w termosferze bardzo wzrasta, a w egzosferze silnie maleje.

  • Temperatura powietrza przy powierzchni ziemi zależna jest od wielu różnych czynników przyrodniczych oraz od działalności człowieka.

Praca domowa
Polecenie 6.1

Wyjaśnij, dlaczego klatki meteorologiczne muszą być przewiewne, drewniane i białe.

Polecenie 6.2

Na podstawie zamieszczonych w tekście średnich miesięcznych wartości temperatury powietrza wykonaj wykres liniowy ilustrujący temperaturę powietrza w kolejnych miesiącach roku. Wykorzystaj zamieszczony poniżej podkład do wykresu.

Źródło: Roman Nowacki, licencja: CC BY 3.0.
załącznik z dokumentem do pobrania
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.

Słowniczek

amplituda temperatury powietrza

różnica między maksymalną i minimalną wartością rozpatrywanych temperatur w danym okresie

amplituda dobowa temperatury powietrza

różnica między najwyższą i najniższą temperaturą zmierzoną w ciągu danej doby

amplituda roczna temperatury powietrza

różnica pomiędzy średnią miesięczną temperaturą miesiąca najcieplejszego a średnią miesięczną temperaturą miesiąca najchłodniejszego

egzosfera

najbardziej zewnętrzna warstwa atmosfery Ziemi; dolna granica egzosfery rozpoczyna się powyżej 500–600 km, natomiast jej zewnętrzna, górna granica to 1,5–2 tys. km, a dla niektórych nawet ok. 10 tys. km

hektopaskal

w skrócie hPa; to jednostka ciśnienia równa 100 paskalom; hektopaskal jest zazwyczaj używany przy podawaniu ciśnienia atmosferycznego, ponieważ równa się jednostce ciśnienia stosowanej w przeszłości, czyli milibarowi

inwersja termiczna

zjawisko meteorologiczne zachodzące w dolnej warstwie atmosfery, polegające, odwrotnie niż w zazwyczaj spotykanych warunkach, na wzroście temperatury wraz z wysokością

Cieplejsze powietrze, które zalega powyżej chłodniejszego, powoduje zatrzymanie unoszącego się dymu
mezopauza

cienka warstwa atmosfery ziemskiej na wysokości 80‑90 km, oddzielająca mezosferę od leżącej wyżej termosfery; w mezopauzie temperatura powietrza wynosi ok. -100°C, a ciśnienie ok. 0,1 hPa

mezosfera

warstwa atmosfery ziemskiej zalegająca między stratosferą a termosferą na wysokości ok. 50‑80 km, a nawet 85 km, w której temperatura powietrza maleje wraz ze wzrostem wysokości od ok. 0°C do ok. -70°C, a nawet -100°C; ciśnienie powietrza w mezosferze spada do ok. 1 hPa

ozonosfera

warstwa nasilonej koncentracji ozonu (tlenu składającego się z trójatomowych cząsteczek) w stratosferze; występuje na wysokości ok. 15‑50 km nad Ziemią, a jej główna warstwa rozpościera się od 25 km do 30 km nad poziomem morza; ozonosfera ochrania organizmy żyjące na Ziemi przed bardzo szkodliwym, słonecznym promieniowaniem ultrafioletowym

stratopauza

cienka warstwa przejściowa pomiędzy stratosferą i mezosferą o temperaturze ok. 0°C; znajduje się na wysokości ok. 50 km nad powierzchnią Ziemi

stratosfera

warstwa atmosfery zaczynająca się od wysokości ok. 10‑20 km nad powierzchnią Ziemi, a kończąca na ok. 45‑55 km; temperatura powietrza w stratosferze powoli rośnie do ok. 0°C, a w niektórych miejscach w ciągu lata wzrasta nawet do 15°C

termopauza

warstwa atmosfery ziemskiej pomiędzy termosferą a egzosferą, w której zatrzymuje się wzrost temperatury

termosfera

warstwa atmosfery ziemskiej zaczynająca się na wysokości ok. 85 km nad powierzchnią Ziemi i sięgająca do ok. 600 km; w termosferze temperatura wzrasta wraz z wysokością do 1000°C, a nawet ponad 1500°C

tropopauza

warstwa atmosfery ziemskiej o grubości ok. 1‑2 km, znajdująca się między troposferą a stratosferą; jej położenie zależy od pory roku, gdyż latem wraz ze wzrostem grubości troposfery wznosi się wyżej; temperatura powietrza w tropopauzie jest stała, ale zależna od szerokości geograficznej; przeciętnie wynosi -55°C

troposfera

najbliższa Ziemi i najcieńsza warstwa atmosfery; wraz ze wzrostem wysokości następuje spadek temperatury, przeciętnie o 0,6°C na 100 m, osiągając od -45°C do -70°C lub nawet -80°C w zależności od pory roku i szerokości geograficznej; górna granica troposfery nad biegunami sięga od 7 km zimą do 10 km latem, a nad równikiem od 15 km do 18 km

Zadania

Ćwiczenie 1
Zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
Zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.