Stratificarea verticala a atmosferei – stratosfera, mezosfera, mezopauza, termosfera

Stratificarea verticala a atmosferei – STRATOSFERA, MEZOSFERA, MEZOPAUZA,  TERMOSFERA

STRATOSFERA sau “casa ozonului” este a doua subdiviziune termica a atmosferei, stabilita conventional. Situata intre tropopauza si inaltimea medie de 32 km, ea a fost descoperita intre 1899 si 1902 de Bort si Assman; se caracterizeaza prin izotermie in partea inferioara a sa unde se inregistreaza -55° -60° pana pe la 25 km, apoi prin cresterea, pana la 0°C, “pe zone”, a temperaturii in mod, aparent, inexplicabil. Cercetarile recente au demonstrat ca izotermia verticala din stratosfera inferioara nu prea se regaseste si in restul stratosferei. Au fost surprinse perturbatii spectaculoase adica unele cresteri de temperatura punctiforme si la inaltimi foarte diferite, de exemplu, deasupra orasului Berlin in 1952 (cand s-a inregistrat un strat de aer cald stratosferic de cativa kilometri care a persistat cateva zile, aparent fara nici o explicatie, numite “strate calde” sau de “alerta”); in februarie 1963, meteorologii americani au surprins cum deasupra Polului Nord, timp de 6 zile, la peste 25 km inaltime in stratosfera, temperatura aerului a crescut de la -75° la 0°C, aparent inexplicabil. Astazi explicatia exista: concentratia de O₃ poate creste cvasiinstantaneu din cauze cosmice si atunci:

* insasi procesul formarii de O₃ , prin disocierea moleculelor O₂ sub efectul radiatiei ultraviolete degaja caldura, conducand la cresterea brusca a temperaturii aerului in zona.

* O₃ odata format absoarbe radiatiile ultraviolete de la Soare si le transformam in caldura de “strat” sau de “loc”.

Iata un exemplu concret cu privire la rolul dublu jucat de atmosfera in ansamblul de mediu al Terrei: prin structura data si prin functii precise.

Este stiut ca in stratosfera nu sunt vapori de apa, totusi cand acest fapt accidental se intampla la inaltimi de 20-25 km apar nori cu irizatii sidefii vizibili inainte de rasarit, asa- numitii “nori sidefii”.

Stratopauza este stratul pelicular de tranzitie spre mezosfera; se desfasoara intre 30-35 km inaltime, este o pelicula izotermica sau in foarte usoara incalzire.

MEZOSFERA este situata intre stratopauza si inaltimea medie de 80 km; se caracterizeaza printr-o variatie spectaculoasa a temperaturii cu inaltimea dupa cum urmeaza: de la 32 la 55 km inaltime se impune izotermia cu nivele de crestere brutala a temperaturii pana la 0°–5°C datorita prezentei O₃. De la 55km pana la 80100 km inaltime temperatura scade spectaculos la -75°C, apoi la -100°C si -110°C in numai 20-30km inaltime.

In mezosfera superioara supranumita si “mezosfera rece” apar norii argintii sau norii luminosi nocturni care nu au nimic comun din punct de vedere genetic cu vaporii de apa de la sol, pentru ca acestia nu ajung niciodata la asemenea inaltimi.

Astazi se apreciaza ca ei sunt formati din pulberi de origine cosmica acoperite cu un strat ultrasubtire de gheata rezultat prin sublimarea infimelor cantitati de apa care se produc din combinarea H liber cu O₂ liber prezent acolo, prin intermediul sodiului. De retinut ca mezosfera inferioara contine si ea ca si stratosfera o parte din asa numita patura sau strat de O₃ al atmosferei Pamantului. Este din nou locul sa precizam ca astazi spre deosebire de deceniile trecute cercetatorii plaseaza stratul de O₃ intre 20 si 60 km inaltime, cu doua nivele altitudinale de maxima concentratie si anume: intre 20 si 30 km inaltime si, respectiv, intre 40 si 55km.

Revenim asupra raportului de proportionalitate dimensionala precizand ca daca s-ar comprima intreaga cantitate de O₃ (la o presiune normala si la temperatura 0°C) ar reiesi o pelicula de numai 2 – 4 mm grosime, infima fata de grosimea medie de circa 8000 m a atmosferei omogene (daca si aceasta ar fi redusa la t° de 0°C si presiunea de 760mmHg).

Mezopauza este situata la inaltimea medie de 80 km, dar concret ea s-a aflat si la 100km. Desi a fost presupusa de multa vreme, identificata a fost numai atunci cand satelitii si rachetele prin mijloace indirecte au dedus ca temperatura aerului la nivelul ei este de -100° -110°C.

TERMOSFERA , cea de a patra subdiviziune a atmosferei, este situata intre 80 km si 1000 km inaltime; temperatura in strat creste de la -110°C la baza, pana la 3000°C la limita exterioara, de unde si denumirea acordata.

Determinarea temperaturii in termosfera se face prin metode indirecte. Valorile extrem de ridicate care se intalnesc s-au pus pe seama absorbtiei radiatiei solare de unda scurta precum si pe seama interactiunii electronilor liberi cu campul geomagnetic.

Bombardamentul la care radiatiile solare supun moleculele si atomii gazelor atmosferice determina pierderea de catre acestea a unor electroni si deci transformarea lor in ioni pozitivi. Electronii rezultati pot ramane liberi un timp sau se pot atasa unor molecule sau atomi neutri dand nastere ionilor negativi. Intensitatea ionizarii este mare in stratul termosferei cuprinse intre inaltimile de 80 si 300 km.

Baza termosferei este un veritabil laborator fizic dar natural insusirea cea mai importanta fiind reflectarea undelor radio fara de care propagarea lor ar fi imposibila.

Termosfera era numita inainte de 1951 IONOSFERA, pentru aceasta trasatura fizica a ei. Cei ce o studiaza, precizeaza ca ionosfera trebuie considerata drept o singura unitate ionizata deci nediscontinua desi sunt cunoscute cele 4 strate ionizate de intensitate maxima: D, E, F₁ si F₂ (fig.6).

Baza termosferei adeseori si astazi numita si ionosfera poate fi studiata si de la sol prin undele radio in domeniul de frecvente 1-20 Mhz (lungimi de unda intre 300 si 15 m). Rezultatele obtinute cu diverse tehnici de investigare au precizat cele patru regiuni: D, E, F₁ si F₂; inaltimea la care se afla fiecare dintre ele, precum si concentratiile de electroni sunt prezentate in tabelul 1.

Tabel nr.1. Regiunile ionosferei

Regiunea D este observata numai in timpul zilei iar regiunile F₁ si F₂ noaptea devin o singura regiune.

* Aurorele polare sunt fenomene luminoase produse in urma ionizarii aerului rarefiat din termosfera prin bombardarea moleculelor si atomilor atmosferici de catre corpusculii electrizati, de mare energie, care alcatuiesc vantul solar. Fenomenul este asemanator cu cel ce se produce in tubul de descarcari electrice in gaze rarefiate. Aurorele polare se produc la inaltimi de 80 – 150km, dar si la 300 – 500 km, 800km si chiar 1200km .

Cele mai multe aurore polare sunt observate intr-o banda in jurul polului geomagnetic intre 15° si 30° fata de el, frecventa maxima fiind la aproximativ 22,5°. Ele apar intr-o varietate de forme. Aparitia tipica este pentru o durata de aproximativ o jumatate de ora sau o ora dar activitatea maxima este de numai cateva minute. Ele se dezvolta rapid si uneori, aparent se deplaseaza cu viteze foarte mari.

EXOSFERA , al cincilea si ultimul strat al atmosferei este considerat a fi situat la inaltimi mai mari de 1000. Limita ei superioara a fost stabilita pe criteriul egalizarii densitatii aerului cu densitatea materiei din spatiul interplanetar. Este dificila aprecierea temperaturii din lipsa de date. Asadar, exosfera, ultimul strat al atmosferei este caracterizata de temperaturi superioare celor din termosfera. La limita superioara, stabilita pe criteriul egalizarii densitatii aerului cu densitatea materiei din spatiul interplanetar, are loc imprastierea atomilor si moleculelor gazelor componente, in spatiul cosmic.

Aceasta regiune este legata de proprietatile magnetice ale Pamantului si interactia acestora cu fluxul continuu de radiatii solare corpusculare, asa numitul “vant solar”.

Figura 7 arata campul magnetic din jurul Pamantului ca si cand Pamantul ar fi izolat in spatiu. Particulele incarcate (electronii sau particulele incarcate pozitiv) din vantul solar (un flux neincetat de plasma coronara) sunt reflectate de campul magnetic al Pamantului datorita actiunii fortei Lorenz: = qncB, unde este forta care actioneaza asupra particulei, q sarcina ei, n viteza iar B inductia campului magnetic. La o distanta de 10-15 raze Pamantesti (a=6300 km) campul magnetic scade pana la o valoare neglijabila. Aceasta limita se numeste magnetopauza, iar regiunile din interiorul ei magnetosfera.

Fig.7.Campul magne-tic terestru – prezen-tare schematica (mag-netopauza, ca si

magnetosfera si frontul de soc au o forma usor turtita catre Soare)

* Centurile de radiatie ale campului magnetic si el stratificat al Terrei. Sunt situate intre inaltimi de 5000 km si 50000 km si au fost descoperite prin satelitii americani Explorer.

Se numesc centurile Van Allen (Fig. 8) si se compun din particule electrizate venind de la Soare dar captate de campul magnetic terestru la 3 nivele maxime si dirijate pe traiectorii spiralate de-a lungul unora dintre liniile lui de forta.

Fig.8. Doua centuri de radiatii principale, situate in planul ecuatorial magnetic ce inconjoara Pamantul ca doua inele (centurile Van Allen) – prelucrare dupa Atlasul Geografic General, 1974

P – centura cu protoni si electroni (periculoasa pentru viata cosmonautilor)

E – centura cu electroni si neutroni captati de liniile de forta ale campului magnetic terestru din emisia corpusculara solara.

Vantul solar este cel care aduce corpusculi solari spre atmosfera Pamantului si pe care centurile le capteaza, drept pentru care se mai numeste si radiatie corpusculara solara. Nu are nimic comun cu notiunea meteorologica de vant; este un flux neincetat de plasma coronara, de particule elementare de H₂ si He, adica nuclee de atomi izolati avand viteza supersonica de 300-700km/sec.