Ilmakehä

Wikipedia

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

Sisällysluettelo 1 Koostumus 2 Ilmakehän rakenne 2.1 Jako lämpötilan mukaan 2.1.1 Troposfääri 2.1.2 Stratosfääri 2.1.3 Mesosfääri 2.1.4 Termosfääri 2.2 Jako koostumuksen mukaan 2.3 Jako kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan 2.3.1 Ionosfääri 3 Ilmakehän havainnointi ja tutkimus 3.1 Historiaa 3.2 Nykyaika 4 Maan ilmakehän raja 5 Miten korkealla ihminen pysyy hengissä 6 Ilmanpaineen pieneneminen ylöspäin mentäessä 7 Katso myös 8 Lähteet 8.1 Viitteet 9 Aiheesta muualla 10 Kirjallisuus

[muokkaa] Koostumus

Tämä osio pitäisi jakaa uudeksi artikkeliksi nimeltä Ilma. Lisätietoja saattaa olla artikkelin keskustelusivulla. Syy: Usein ei haluta lukea ilmakehästä vaan pelkästään kaasuseoksesta ilma, mistä riittää kyllä laajaankin artikkeliin kerrottavaa.

Pääartikkeli: Ilma

Ilmakehä, ilma, koostuu pääasiassa (prosenttiosuudet on ilmoitettu ilmalle, joka ei sisällä vesihöyryä)

• typestä (78,08 %),
• hapesta (20,94 %),
• argonista (0,93 %),
• hiilidioksidista (0,038 %)
• sekä muista kaasuista.

Ilma sisältää myös vesihöyryä (0–5 %) ja kiinteitä hiukkasia.

Ilmakehä voidaan jakaa kerroksiin joko lämpötilan, kemiallisen koostumuksen tai kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan.

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

[muokkaa] Troposfääri

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.

Noin 75 % ilmakehän massasta on keskittynyt troposfääriin. Suurin osa ilmansaasteista on täällä. Suurin osa sääilmiöistä, kuten esimerkiksi tuuli ja sade sekä enimmät pilvet esiintyvät tässä kerroksessa. Troposfäärissä esiintyy myös optisia ilmiöitä.

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

[muokkaa] Stratosfääri

Stratosfääri on troposfäärin yläpuolella sijaitseva ilmakerros, jonka yläraja on noin 50 kilometrin korkeudessa. Stratosfäärin alaosassa lämpötila on likimain vakio, mutta yläosassa lämpötila nousee korkeuden mukana.

Statosfääri on hyvin kuiva, koska siellä oleva kylmä ilma ei pysty sisältämään vettä kuin vain minimaalisen vähän. Maan ilmakehän stratosfäärin kylmyys otsonikerroksen alapuolella aiheuttaa sen, että suuria määriä vesihöyryä ei voi nousta sille korkeudelle, jossa vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi.

Stratosfäärissä Auringon ultraviolettisäteily muodostaa otsonia.(O3) Otsonikerros estää haitallisen ultraviolettisäteilyn pääsyn Maan pinnalle. Ilmakehän otsonikerros on tiheimmillään noin 30 kilometrin korkeudella maanpinnasta.

Stratosfäärissä on joskus helmiäispilviä, jotka syntyvät mahdollisesti joissain tapauksissa tulivuoren purkaustuotteista.

[muokkaa] Mesosfääri

Mesosfääri alkaa stratosfäärin yläpuolelta ja jatkuu aina 80 kilometrin korkeuteen. Ilmakehän kylmimmässä kerroksessa lämpötila laskee korkeuden noustessa.

Ilmanpaine mesosfäärissä on vain noin kymmenestuhannesosa siitä mitä se on maan pinnalla. Mesosfäärin yläpuolella ilmakehä vaihtuu vähitellen avaruudeksi.

Meteorit näkyvät yleensä mesosfäärissä. Mesosfäärissä nähdään kesäisin valaisevia yöpilviä.

[muokkaa] Termosfääri

Termosfäärissä mesosfäärin yläpuolella lämpötila nousee korkeuden mukana. Äärimmäisen harvaa ainetta lämmittää Auringon hyvin lyhytaaltoinen ultraviolettisäteily. Koska aine on äärimmäisen harvaa, sillä ei ole lämmittävää vaikutusta.

[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.
    • 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.

[muokkaa] Ionosfääri

Ionosfääri 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.

Ionosfäärissä esiintyviä ilmiöitä ovat mm.

• 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

[muokkaa] Historiaa

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.

[muokkaa] Nykyaika

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.

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.

Suomessa ilmakehän tutkimusta (samoin kuin revontulienkin) suorittaa Ilmatieteen laitos.

[muokkaa] Maan ilmakehän raja

Maan ilmakehän rajaa on vaikea määrittää.

• 1/2 ilmakehästä on alle 5,6 km:n korkeudessa, 3/4 ilmakehästä on 11 km:n sisässä, ja 90 % 16 km:n korkeudessa. Alempi ilmakehä, troposfääri, on päiväntasaajalla 17 km:n korkeudessa, navoilla 7 km:n korkeudessa. Normaali suihkukone lentää 10 km:n korkeudessa.

• Amerikkalaisen määritelmän mukaan yli 80,5 km:n korkeuteen lentänyt on astronautti.
• Joskus ilmakehän rajana pidetään Karmanin rajaa, joka on noin 100 km:n korkeudessa. Sen yläpuolella ei voi lentokoneella tai ilmapallolla lentää. Sielläkin ilman tiheys vaihtelee huomattavasti paikasta ja ajasta toiseen, ainakin kertoimella 5.
• 100 km:n raja ilmakehän korkeudeksi on sopiva senkin puolesta että 99,9997 % ilmasta on alle 100 km:n korkeudessa.
• Noin 120 km:n korkeudessa Maahan syöksyvä avaruusalus alkaa hehkua.
• Noin 690 km:n korkeudessa ilmakehä alkaa hajaantua muuttuen eksosfääriksi.

[muokkaa] Miten korkealla ihminen pysyy hengissä

Ihminen voi hengittää ja asua ilman happilaitteita ainakin 5000 m:n korkeudessa, mutta monille tulee jo 2500 m:n korkeuteen kiivettäessä ohuen ilman aiheuttamaa sairastumista. 3000-5000 m:n korkeudessa oleskelu vaatii yleensä totuttautumista. Viimeistään noin 5500 m:n korkeudessa ihmisiä alkaa kuolla ohueen ilmaan ja siellä ei voi pysyvästi asua.^[1]. Noin 6000 metrissä voi oleskella muutamia viikkoja jos on harjoitellut olemaan ohuessa ilmassa, mutta yleensä tämä on hengenvaarallista.^[2]

7000 m:n korkeudessa kuolee 4% ja yli 7500 m:n korkeudessa runsaasti.^[3] 8850 m:n korkuiselle Mount Everestille on kiivetty ilman happilaitteita, mutta siellä voi käydä lyhyen aikaa vain harjoitellut ihminen. Ilmanpaine on siellä 1/3 siitä mitä on pinnalla.

[muokkaa] Ilmanpaineen pieneneminen ylöspäin mentäessä

ilmakehän paineen osia	Keskim korkeus
	(metriä,m)	(jalkaa, ft)
1	0	0
1/2	5486.3	18000
1/3	8375.8	27480
1/10	16131.9	52926
1/100	30900.9	101381
1/1000	48467.2	159013
1/10000	69463.6	227899
1/100000	96281.6	283076

[muokkaa] Katso myös

• Dopplertutka
• Ilmansaasteet
• Ilmaston lämpeneminen
• Isoterminen ilmakehä
• Meteorologia
• Revontulet
• Ilmamassa
• Sää
• Sään ennustaminen
• Taivas
• Planeettojen kaasukehät

[muokkaa] Lähteet

Ilmakehän rakenne Turun yliopisto, Tuorlan observatorio. Viitattu 2007-6-9. Artikkelin osittainen lähde

[muokkaa] Viitteet

1. ↑ Edward Willett: High Altitude Physiology Edward Willett. Viitattu 27. toukokuuta 2007. (englanniksi)
2. ↑ http://curriculum.calstatela.edu/courses/builders/lessons/less/les3/press.html
3. ↑ Altitude sickness 15. maaliskuuta 2007. Wikitravel. Viitattu 27. toukokuuta 2007. (englanniksi)

[muokkaa] Aiheesta muualla

Millainen ilmakehä on Ilmatieteen laitos. Viitattu 2007-6-9.

[muokkaa] Kirjallisuus

• Hannu Karttunen, Jarmo Koistinen, Elena Saltikoff, & Olli Manner: Ilmakehä, sää ja ilmasto. Ursa. 2008. ISBN 978-952-5329-61-2.

Maan ilmakehä

Troposfääri | Stratosfääri | Mesosfääri | Termosfääri | Eksosfääri

Tropopaussi | Stratopaussi | Mesopaussi | Termopaussi

Otsonikerros | Ionosfääri