אטמוספירת כדור הארץ

מבט מן החלל על השכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ

הספקטרום האלקטרומגנטי, כפי שמבוטא ביכולת כניסה באטמוספירת כדור הארץ (סרגל עליון Y N )

אטמוספירת כדור הארץ (בעברית: אווירת כדור הארץ) היא שכבת גז המקיפה את כוכב הלכת כדור הארץ.

האטמוספירה מאפשרת את החיים על פני כדור הארץ בכך שהיא סופגת את מרבית הקרינה האולטרה סגולה המגיעה מהשמש וגורמת למיתון הבדלי הטמפרטורה בין היום והלילה. 75% מגזי האטמוספירה נמצאים בגובה של עד 11.3 קילומטר מעל גובה פני הים. שינויים באטמוספירה גורמים לשינויים באקלים ובמזג האוויר.

הרכב האטמוספירה

הרכב הגזים של אטמוספירת כדור הארץ

תערובת הגזים שיוצרת את האטמוספירה נקראת אוויר וכוללת בעיקר חנקן (כ-78% בנפח, באוויר יבש), חמצן (כ-21%) וארגון (כ-1%). פחמן דו-חמצני קיים באטמוספירה בריכוז של כ-410 חלקים למיליון (נכון ל-2019). בנוסף קיימות כמויות קטנות של הגזים האצילים ניאון, הליום, וקריפטון, ושל מימן ומתאן. בנוסף למרכיבים אלה כוללת האטמוספירה אדי מים בריכוזים משתנים במיקום ובזמן, בין 0 ל-7 אחוזים.

מרכיבי האוויר משתנים מעט באזורים שונים של העולם בשל גורמים כמו גובה, טמפרטורה, קירבה לים, וגורמים נוספים. זיהום אוויר, למרות בעיותיו, אינו משפיע משמעותית על הרכב האטמוספירה, מאחר שגם ערכים חריגים של מזהמים הם זניחים ביחס לגזים העיקריים.

הרכבה של האטמוספירה של כדור הארץ השתנה מאז היווצרות החיים בו. האטמוספירה המקורית הייתה עשירה במימן ובהליום, אשר נפלטו ברובם אל החלל והוחלפו בגזים כבדים יותר, בעיקר חנקן ופחמן דו-חמצני. הצמחים על פני כדור הארץ, ובמיוחד האצות החד-תאיות, קולטים את הפחמן הדו-חמצני מן האטמוספירה ומפרישים חמצן כחלק מתהליך הפוטוסינתזה. כתוצאה מהופעת הצמחייה עלה ריכוז החמצן בהדרגה לאורך מיליארדי שנים ואילו ריכוז הפחמן הדו-חמצני ירד עד פחות מ-0.1%.

מאז אמצע המאה ה-20 נמדדת עלייה ניכרת בריכוז הפחמן הדו-חמצני יחסית לריכוזו במשך אלפי השנים האחרונות (אותו ניתן למדוד למשל בקרחונים), אך הוא עדיין מהווה חלק קטן מאוד מהרכב האטמוספירה. קיימות השערות שונות על הגורמים לעליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני, ביניהן שריפת דלק מוגברת, עליית טמפרטורת האוקיינוסים כתוצאה מהתחממות עולמית, בירוא יערות, ופירוק מתאן המשתחרר מאדמה קפאת-עד. תופעה זו גורמת לדיון ער ומחלוקות בין גורמים מדעיים, כלכליים ופוליטיים.

טמפרטורה ושכבות האטמוספירה

תרשים המראה את השכבות השונות באטמוספירה

הטמפרטורה של אטמוספירת כדור הארץ משתנה בהתאם לגובה (היא מתוארת על ידי מפל הטמפרטורה), כאשר הטמפרטורה הממוצעת של האטמוספירה בגובה פני הים היא 15 מעלות צלזיוס. היחס בין הגובה לטמפרטורה משתנה בהתאם לשכבות האטמוספיריות השונות:

• טרופוספירה: 0 עד 7–17 קילומטר, בשכבה זו הטמפרטורה יורדת עם העלייה בגובה, זוהי השכבה בה מתקיימים חיים ובה מתקיים האקלים.
• סטרטוספירה: 7–17 עד 50 קילומטר, בשכבה זו הטמפרטורה עולה עם העלייה בגובה, זו השכבה בה קיימת שכבת האוזון.
• מזוספירה: 50 עד 80–85 קילומטר, בשכבה זו הטמפרטורה יורדת עם העלייה בגובה.
• תרמוספירה: 80–85 עד 640+ קילומטר, בשכבה זו הטמפרטורה עולה עם העלייה בגובה.

הגבולות בין השכבות נקראים טרופופאוזה, סטרטופאוזה ומזופאוזה ובהם הטמפרטורה לא משתנה עם הגובה.

אזורים שונים באטמוספירה

• יונוספירה: אזור באטמוספירה המכיל יונים, באזור המזוספירה והתרמוספירה עד ל-550 קילומטר.
• אקסוספירה: מעל היונוספירה, במקום בו האטמוספירה כמעט ונעלמת עד לחלל.
• מגנטוספירה: האזור בו השדה המגנטי של כדור הארץ מגיב עם רוח השמש. אזור זה מתפרס על אלפי קילומטרים.

האטמוספירה וקרינת השמש

האטמוספירה של כדור הארץ היא הגורם הראשון הבא במגע עם קרינה מהחלל ובעיקר עם קרינת השמש. הקרינה מפרקת מולקולות בשכבות העליונות של האטמוספירה. זו, מצדה, הודפת בחזרה לחלל כ-8% מקרינת השמש (עוד 17% נהדפים על ידי שכבת העננים, ושאר הקרינה פוגעת בפני הארץ).

שכבת האוזון

ערך מורחב – שכבת האוזון

שכבת האוזון מצויה בסטרטוספירה, בגובה של 10 עד 50 קילומטר, ומכילה ריכוז גבוה יחסית של אוזון. לשכבה זו חשיבות רבה בקיום החיים על פני כדור הארץ. שכבת האוזון מסננת את הקרינה האולטרה־סגולה המגיעה מהשמש, המסכנת את היצורים החיים ואף גורמת לסרטן העור. שכבת האוזון בולעת את אורכי הגל שבין 295 ל־320 ננומטר. בשנת 1983 נתגלה ששכבת האוזון מעל הקוטב הדרומי דלילה מאוד ודרכה חודרת קרינה אולטרה-סגולה בעוצמה גבוהה, בספטמבר 2022 מחקרים קבעו כי החור בשכבת האוזון הצטמצם ביותר מחמישים אחוז וצפוי להשתקם בשנת 2070.

אפקט החממה

ערך מורחב – אפקט החממה

אפקט החממה נובע מכך שאדי מים, פחמן דו-חמצני וגזים אחרים שמצויים באטמוספירה העוטפת את כדור הארץ מקטינים את פליטת החום של כדור הארץ מן האדמה אל החלל החיצון בכך שהם בולעים קרינה אינפרה-אדומה וכך החום נשמר באוויר. כך נשמרת הטמפרטורה באופן המזכיר חממה חקלאית (זהו שם מטעה, כי האפקט בחממה חקלאית הוא שונה לגמרי ומבוסס על שמירת האוויר החם ליד הקרקע). בהיעדר תופעה זו הייתה הטמפרטורה על פני כדור הארץ יורדת לקיפאון בשעות הלילה (כפי שקורה על פני הירח למשל), ולכן אפקט החממה הוא תנאי חשוב ביותר לקיום החיים על פני כדור הארץ.

החל מסוף המאה ה-20 יש עדויות שעוצמתו של אפקט החממה עולה, בשל העלייה בריכוז גזי החממה (ובראשם הפחמן הדו-חמצני) באטמוספירה. כמו כן ידוע כי במהלך המאה ה-20 עלתה הטמפרטורה הממוצעת בעולם ביותר מחצי מעלת צלזיוס והשנים האחרונות של המאה ה-20 היו בין השנים החמות ביותר שידעה האנושות מאז שהחלו למדוד טמפרטורות באופן שיטתי. נכון לתחילת המאה ה-21, ישנה תמיכה בקהילה המדעית בהשערה שהתעצמות אפקט החממה קשורה להתחממות העולמית על כל תוצאותיה השליליות, תופעות אלו מיוחסות בעיקר לפעילות המין האנושי בעידן התעשייתי.

לחץ אטמוספירי

כוח המשיכה "מושך" את האטמוספירה כלפי פני הקרקע. לחץ אטמוספירי הוא תוצאה ישירה של משקל האוויר. משמעות הדבר שהלחץ האטמוספירי משתנה עם המקום משום שכמות (ומשקל) האוויר שמעל משתנה עם המקום והזמן, מה שגורם לרמות ולשקעים ברומטריים. הלחץ האטמוספירי יורד בכ-50% בכל עליה בגובה של 5.5 קילומטר. הלחץ האטמוספירי הממוצע בגובה פני הים הוא בערך 101.3 קילו פסקל שהם 1,013 מיליבר. לחץ אטמוספירי נמדד על ידי ברומטר או על ידי ברוגרף.

צפיפות האוויר בגובה פני הים ובתנאים סטנדרטיים היא בערך 1.293 קילוגרם לכל מטר מעוקב. הצפיפות משתנה בהתאם לאחוז הלחות באוויר והטמפרטורה. צפיפות זו יורדת עם העלייה בגובה בערך באותו יחס שהלחץ יורד. הירידה בצפיפות (ובלחץ) היא אקספוננציאלית עם מרחק דעיכה אופייני של כ-7.6 קילומטר. המסה הכוללת של האטמוספירה היא בערך $5.1\times 10^{18}$ קילוגרם, כמיליונית מהמסה הכוללת של כדור הארץ.

המשוואה ההיפסומטרית, הידועה גם כ"משוואת העובי", מקשרת בין יחס לחצים באטמוספירה ובין העובי האקוויוולנטי של שכבה אטמוספירית.

האטמוספירה על כדור הארץ הקדום

הרכב האטמוספירה במילארדי השנים האחרונות שונה באופן ניכר מהרכבה על כדור הארץ הקדמון עד כי נהוג לכנות את האטמוספירה העכשווית בשם "האטמוספירה השלישית". "האטמוספירה הראשונה" והמקורית של כדור הארץ, מיד לאחר היווצרותו, הייתה מורכבת בעיקר ממימן ומהליום. גזים אלו קלים במיוחד ומשוער כי התפזרו לחלל בהשפעת החום של כדור הארץ המותך, פגיעת מטאורים ורוח השמש. עם זאת, מחקר שהתפרסם ב-2005 גורס כי קצב התפזרות המימן לחלל היה איטי מן המשוער וייתכן כי גם "האטמוספירה השנייה" כללה מימן.

ריכוז החמצן באטמוספירת כדור הארץ במיליארד השנים האחרונות

לאחר התקררות הדרגתית, קליפת כדור הארץ נוצרה במהלך התקופה שלפני 3.9-3.5 מיליארד שנים. במהלך תקופה זו התרחשה פעילות געשית אינטנסיבית אשר שחררה כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני ואדי מים. כמו כן, כדור הארץ ספג מטחים תכופים של שביטים אשר גם הם הכילו כמויות גדולות של מים. באופן זה נוצרה "האטמוספירה השנייה" של כדור הארץ, אשר הכילה, על פי המשוער, בעיקר חנקן ופחמן דו-חמצני. אטמוספירה זו לא הכילה כמעט חמצן (בשיעור אלפית ממה שקיים בעת המודרנית). על פי הערכות בתקופה זו לחץ האטמוספירי היה גבוה פי 60 עד 100 מהלחץ בעת המודרנית, והאטמוספירה הייתה דומה מאוד לאטמוספירה של כוכב הלכת נוגה. העדות המרכזית לכך הן הכמויות הגדולות של פחמן דו-חמצני, אשר כלוא בעת המודרנית במשקעי גיר שנוצרו באוקיינוסים, והיה חופשי באטמוספירה עד הופעת האוקיינוסים. סביר כי כמות גבוהה זו של פחמן דו-חמצני יצרה אפקט חממה משמעותי, אשר העלה את הטמפרטורה על כדור הארץ.

עם המשך ההתקררות של האטמוספירה החלו להתעבות אדי המים ליצירת אוקיינוסים אשר ספגו לתוכם את מרבית הפחמן הדו-חמצני. על פי עדויות מאובנים, החלה הופעה של ציאנו-בקטריות (אורגניזמים חד-תאיים בעלי יכולת לבצע פוטוסינתזה) בתקופה שלפני 3.5-3.3 מיליארד שנה. הופעתם של אורגניזמים אלו יצרה תהליכי פוטוסינתזה אשר גרמו לשחרור של חמצן לאטמוספירה. כמויות גדולות של חמצן נוצרו באופן זה, אבל ריכוז החחמן באטמוספירה עלה בצורה הדרגתית מאוד שכן רוב החמצן נקלט בתחילה על ידי מאגרי ברזל גדולים שעברו חימצון. באופן הדרגתי עלה כמויות הפחמן הדו-חמצני ירדו וריכוזי החמצן האטמוספירי עלו, בתהליך הידוע בשם אסון החמצן. תהליך זה הוא הכחדה המונית שהתרחשה לפני כ-2.4 מיליארדי שנים, ובה נכחדו כמעט כל המינים האל-אווירניים והתפתחו יצורים חיים אווירניים המסוגלים לשרוד בחמצן. הרכב האטמוספירה ליצירת האטמוספירה השלישית, הקיימת עד ימינו התאזן בזכות תהליכי נשימה או שריפה מחד (הפולטים פחמן דו-חמצני) ותהליכי פוטוסינתזה מצד שני (הסופגים פחמן דו-חמצני ופולטים אדי מים וחמצן) ריכוזי הגזים באטמוספירה מתאזנים באמצעות תהליכים נוספים ומקיימים מספר מחזורי חומרים - מחזור החמצן, מחזור הפחמן ומחזור המים.

החמצן הוא גז רדיקלי התוקף את התאים החיים ומצריך מנגנוני הגנה שונים בתאים כדי למנוע את פרוק התא. הופעת החמצן אפשרה את יצירת שכבת האוזון ואת התפתחותם של אורגניזמים צורכי חמצן. בהמשך התפתחו אאוקריוטים ותת קבוצה מתוכם התפתחה ליצורים רב תאיים.

ראו גם

• מטאורולוגיה
• ניסוי מילר-יורי
• HAARP (תוכנית מחקר אמריקאית)

קישורים חיצוניים

• תופשים אוויר, באתר מוזיאון המדע בירושלים
• מה העובי של האטמוספירה? באתר סוכנות החלל הישראלית
• אבי בליזובסקי, ‏אטמוספירת כדור הארץ הגיעה מהחלל החיצון, באתר "הידען", 28 בדצמבר 2009
• אבי בליזובסקי, ‏אבק קוסמי חשף את האטמוספירה העתיקה של כדור הארץ, באתר "הידען", 19 במאי 2016
• איתמר קרבי, נעים להכיר, אטמוספירה, באתר מכון דוידסון למדע