2.3. Atmosfera oko nas

Mira Terzić; Tatjana Ivošević; Mladen Franko; Dragana Milićević

2. KAKO SE NAŠA ATMOSFERA MENJALA?

2.3. Atmosfera oko nas

Dugo vremena je bilo potrebno da se oformi atmosfera koja nas danas okružuje. Kao što smo videli u prethodnom poglavlju, mnogo je faktora uticalo na to. Ali tu je i čovek, koji svojim postupcima najčešće utiče na njenu promenu u negativnom smislu.

Atmosfera ima bitnu ulogu u očuvanju životne sredine i u njenoj zaštiti. Sastav atmosfere direktno utiče na mnoge aspekte života — određuje kvalitet vazduha, nivo ultraljubičastog zračenja, klimu. Sve ovo ima veliki uticaj na zdravlje, proizvodnju hrane, na ceo ekosistem i vodu. Zagađenje atmosfere je vrlo složen fenomen i otud je za njegovo proučavanje neophodna saradnja istraživača iz različitih naučnih disciplina, kao što su: fizika, hemija, meteorologija, biologija, matematika i dr.

Zato naučimo nešto više i o atmosferi:

koji su gasovi danas u najvećoj meri zastupljeni u njoj,
da li u atmosferi ima i nečeg što loše utiče na nas i živi svet oko nas,
odakle atmosfera dobija energiju,
kako je možemo podeliti,
kako nas ona štiti.

Saznajmo više o atmosferi,

da bismo je valjano sačuvali za nas i za buduće generacije!

Kako upoznati atmosferu koja nas okružuje?

Pre svega treba se upoznati sa njenim kompleksnim sastavom, koji se neprekidno menja.

Zašto je to bitno?

U atmosferi se mogu naći štetni gasovi i čestice. Mada su često zastupljeni u malim količinama, oni mogu uticati na kvalitet života na Zemlji.

O štetnim gasovima i česticama (zagađenju atmosfere) saznajte više u drugoj knjizi, u poglavlju o zagađenju atmosfere.

Odakle atmosfera dobija energiju?

Atmosfera dobija energiju od Sunca.

Sunce je od predsudnog znaćaja za život na Zemlji. Šta se događa kada ono nestane?

Šta je sa temperaturom?

Promena temperature u atmosferi Zemlje sa visinom
_{Prilagođeno od Wikimedia Commons (Public Domain)}

Neki delovi atmosfere su hladni, a neki topli. Do ovih promena u temperaturi atmosfere dolazi usled različitih rastojanja od Zemljine površine. Dakle, promenom nadmorske visine menja se i temperatura atmosfere: opada ili raste. Na osnovu toga, u zavisnosti od ponašanja temperature sa promenom visine, atmosfera je vertikalno podeljena na slojeve.

Šta je sa pritiskom?

Ilustracija smanjivanja pritiska sa povećanjem nadmorske visine

Atmosfera djeluje težinom na tlo, što je atmosferski pritisak.

Molekule vazduha privlači gravitaciona sila. Zbog toga, u datoj zapremini bliže površini tla ima više molekula vazduha (veća je gustina) nego što ih ima na nekoj većoj visini. Usled delovanja gravitacione sile, pritisak vazduha se brzo smanjuje sa povećanjem nadmorske visine. Najveća vrednost atmosferskog pritiska je na morskoj površini, pošto je to najniži sloj i na njega deluje težina svih ostalih slojeva atmosfere. Pritisak na morskoj površini iznosi 101 300 Pa.

Pritisak vazduha se takođe menja i usled promene mesta i vremena, pošto se količina (i težina) vazduha iznad Zemlje takođe menjaju.

$p=\dfrac{F}{S}$

Pritisak je fizička veličina kojom se opisuje delovanje sile $F$ na površinu $S$ . Jedinica za pritisak je Paskal (Pa).

Da li se promena pritiska sa visinom može na neki način opisati?

_{Prilagođena fotografija. Fotografisao Mladen Franko}

Barometarska formula:

$\HUGE { p(h)=p_0\,e^{-h/H}}$

$\small p(h)$ je pritisak na nadmorskoj visini $h$

$\small p_0$ — pritisak na nivou mora, $\small h=0$

$\small {H=RT/Mg}$ je karakteristična visina određena sa:

univerzalnom gasnom konstantom, $\small R$ ,
temperaturom, $\small T$ ,
molarnom masom vazduha, $\small M$
gravitacionom konstantom, $\small g$ .

Zavisnost promene atmosferskog pritiska gasa od visine u gravitacionom polju Zemlje opisuje se barometarskom formulom.

Odakle potiče ime barometarska formula?

Naziv je dobila prema instrumentima kojima se meri atmosferski pritisak, a nazivaju se barometri.

Barometarski pritisak se gotovo uvek meri na svim meteorološkim stanicama.

Zašto?

Barometarski pritisak je značajna karakteristika za razumevanja naše klime i vremena, pošto se ispostavilo da su manje varijacije u atmosferskom pritisku povezane sa promenljivim vremenskim uslovima.

Da li ste zapazili u barometarskoj formuli slovo e? Šta označava?

U matematičkim izrazima $e$ označava Neperovu konstantu ( $e=2.718...$ ). Sa $e^x$ (ili $exp(x)$ ) se označava prirodna eksponencijalna funkcija. U Barometarskoj formuli $x=-h/H$ . U matematici je eksponencijalna funkcija koja raste sve brže i brže ( $e^x$ ), ili opada brže i brže $e^{-x}$ , kao što je to slučaj kod barometarske formule. Zbog toga se kaže da atmosferski pritisak eksponencijalno opada sa povećanjem nadmorske visine.

Zašto je atmosfera Zemlje toliko značajna?

Prvo i najvažnije:

postojanje atmosfere omogućava život na Zemlji.

Od kiseonika prisutnog u atmosferi potpuno zavise ljudi, ali i drugi živi svet na Zemlji.

Bez atmosfere okeani bi jednostavno isparili, kao rezultat visokih temperatura.

Razlike u dnevnim i noćnim temperaturama bile bi drastično veće i kretale bi se u rasponu od nekoliko stotina stepeni.

Za život je neophodna atmosfera
_{Fotografisao Mladen Franko}

Atmosfera je i naš „štit“. Kako to?

Milijardama godina atmosfera je naš štit od bombardovanja meteorita, opasnog zračenja koje dospeva iz svemira i pokrivač koji nas štiti od hladnoće.

Atmosfera ima „prozore“ koji filtriraju štetno zraćenje iz Svemira, te ono ne dospeva na površinu tla. Atmosferski prozori su za neka zračenja potpuno zatvoreni, a za neke potpuno otvoreni.

„Zatvoreni prozori“ za:

kosmičke zrake, gama zrake i x-zrake (rentgenske zrake).

„Delimično otvoreni prozori“ za

ultraljubičaste zrake (UV) i infracrvene zrake (IC).

„Otvoreni prozori“ za:

vidljivo zračenje i radiotalase.

„Zatvoreni prozori“ za:

kosmičke zrake, gama zrake i x-zrake (rentgenske zrake).

„Delimično otvoreni prozori“ za

ultraljubičaste zrake (UV) i infracrvene zrake (IC).

„Otvoreni prozori“ za:

vidljivo zračenje i radiotalase.

Atmosfera propušta samo neke zrake koje dospevaju do njene gornje površine. Propusnost se može zamisliti kao prozori, koji su otvoreni, delimično otvoreni ili zatvoreni.
_{Prilagođeno od OpenStax/Wikipedia Commons (CC BY-SA 4.0)}

Kako atmosfera „zatvara prozore“ za pojedino zračenje?

Gasovi u atmosferi Zemlje apsorbuju npr. svo gama zračenje iz Svemira i ne dopuštaju im da dospeju na tlo. To je način na koji atmosfera „zatvara“ svoje prozore.

A kako atmosfera „otvara prozore“ za pojedino zračenje?

Atmosferski gasovi puštaju zračenje da prolazi, kao što talasi zvuka prolaze kroz zid. Taj proces zovemo transmisija. Ovaj proces može biti zaustavljen samo ako dođe do apsorpcije ili refleksije. Pri refleksiji zraci se odbijaju od čestice i vraćaju nazad u svemir.

Šta je apsorpcija zračenja?

Pri apsorpciji zračenja energija zračenja prelazi na atmosferske gasove kojima se povećava energija, te se zbog toga oni zagrevaju ili joniziraju.

Šta je zračenje?

Zračenje je oblik energije koja se emituje u obliku zraka, elektromagnetnih talasa, i/ili čestica. Ponekad to zračenje možemo videti (vidljiva svetlost) ili osetiti (infracrveno zračenje). Postoje zračenja koja poseduju veliku energiju, te imaju negativne posledice na biološke sisteme. Tu spadaju kosmičko zračenje, gama zračenje, X-zraci i deo ultraljubičastog zračenja. Zamislite tu sreću da postoji atmosfera koja, apsorbujući veći deo ovog jonizujućeg zračenja, štiti život na Zemlji!

Koje zračenja dospeva do atmosfere sa Sunca?

Od Sunca do atmosfere dospeva zračenje koje je „smeša“ različitih talasnih dužina, u gotovo svakom delu spektra. Mada, Sunce neka zračenja emituje više od drugih. Većina Sunčevog zračenja je u infracrvenim, vidljivim i ultraljubičastim delovima elektromagnetnog spektra.

Ono što mi vidimo je samo vrlo uzan deo spektara, od 400 nm do 700 nm. Ostali deo spektra naše oči ne mogu da registruju. Više o pojedinim delovima spektra zračenja saznajte u drugoj knjizi u poglavlju „Elektromagnetno zračenje oko nas.“

Spektar zračenja je mnogo više od vidljive svetlosti.
On obuhvata opseg talasnih dužina koje naše oči ne mogu da registruju
_{Prilagođeno od Philip Ronan/Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0 DEED)}

Da li zapažate: što je talasna dužina kraća, to je energija je veća?

Nekoliko primera:

tip zračenja	talasna dužina [m]	enegija [eV]
gama zraci	10^-12	1.24^.10⁶
ultraljubičasto zračenje	10^-8	124
radio talasi	10	1.24^.10^-7

$\nu=\dfrac{c}{\lambda}}$

$c$ — brzina svetlosti u vakuumu

$E=h^.\nu$

$E=h\dfrac{c}{\lambda}$

$h$ — Plankova konstanta

Da li postoji veza između talasne dužine, frekvencije i energije?

Postoji veza između talasne dužine, frekvencije i energije, i ona je definisana jednostavnim relacijama.

Veza između frekvencije, $\nu$ , i talasne dužine, $\lambda$ , je fundamentalna relacija u prirodi.

Čuvena Plankova formula prikazuje vezu između energije, $E$ i frekvencije, $\nu$ , te se spektar zračenja može prikazati i preko energije, odnosno talasne dužine ( $\lambda$ ),

duga talasna dužina → niska frekvencija → niska energija

kratka talasna dužina → visoka frekvencija → velika energija

Da nema atmosfere, našeg štita, šta bi bilo sa životom na Zemlji?

Život kakvog poznajemo na Zemlji verovatno u tom slučaju ne bi postojao. Srećom, tu je atmosfera da nas zaštiti. To je samo jedan deo posla koji atmosfera radi za nas. Mnoge nam tajne ona još krije. Otkrijmo deo njenih tajni kroz stranice ove knjige.

Da li mi valjano štitimo našu atmosferu, koja je sastavni deo biološkog sistema?

Šta je elektronvolt?

Hajde da se upoznamo sa jedinicom elektronvolt (eV), u kojoj smo gore prikazali spektar zračenja.

Jedinica za energiju je džul (J). Kako su energije na atomskom nivou izražene u džulima veoma male, to je pogodnije umesto jedinice džul koristiti manju jedinicu za energiju — jedinicu elektronvolt (eV).

eV

Osnovno je da energiju od 1 eV dobije elektron kada je ubrzan u polju potencijalne razlike (napona) od 1 V.

Postoji veza između jedinica elektronvolt i standardne jedinice za energiju (džul):

$1\text{eV}=1.6^.10^{-19}\,\,\text{J}$

Ilustracija definicije elektronvolta (eV)
_{Modified from Michael Richmond (CC BY-NC-SA 2.0 DEED)}

Elektronvolt je izuzetno mala jedinica energije. Hajde da se poigramo sa mernim jedinicama, poredeći rad izražen u džulima i elektron voltima:

Kada podignete laptop mase m=2.5 kg na visinu h=0.3 m, rad koji ste utrošili za to je oko W=7.35 J. Ako se preračuna ovaj iznos rada u elektronvolte, dobija se 4.6^.10¹⁹ eV.

Dakle, oko 7 J je reda veličine 10¹⁹eV.

$m=2.5\,\,\text{kg}$

$g=9.81\,\,\text{m\s}^2}$

$h=0.3\,\,\text{m}$

$W=m\,g\,h$ rad

$W=2.5^.9.81^.0.3=7.37\,\,\text{J}$

$W=4.6^.10^{19}\,\,\text{eV}$

Pogledajte vrednosti na grafiku spektra zračenja — kolike su energije spektra zračenje izražene u elektron voltima (eV)? One se kreću od veoma malih vrednosti 10^-9 eV (radiotalasi), pa sve do 10¹²eV (TeV).

Kako jednostavnije izraziti velike vrednosti energije u eV?

Kao što se za jedinicu metar koriste prefiksi da se označe veće vrednosti $1\,\,\text{km}=1000\,\,\text{m}=10^3\,\,\text{m}$ ), tako se i za elektronvolti koriste prefiksi:

$1\,\,\text{keV}=1\,000\,\,\text{eV}=1^.10^3\,\,\text{eV}\,\,\,\, (\text{keV - kilo elektronvolt})$

$1\,\,\text{MeV}=1\,000\,000\,\,\text{eV}=1^.10^6\,\,\text{eV}\,\,\,\, (\text{MeV - mega elektronvolt})$

$1\,\,\text{GeV}=1\,000\,000\,000\,\,\text{eV}=1^.10^9\,\,\text{eV}\,\,\,\, (\text{GeV - giga elektronvolt})$

$1\,\,\text{TeV}=1\,000\,000\,000\,000\,\,\text{eV}=1^.10^12\,\,\text{eV}\,\,\,\, (\text{TeV - tera elektronvolt})$

I tu nije kraj! Energija kosmičkog zračenja može biti mnogo veća od TeV. Kosmičko zračenje obuhvata 12 redova veličine energija, počev od GeV (10⁹ eV=1.6^.10^-10 J) do zeta elektronvota, ZeV (1 ZeV=10²¹ eV=160 J). Broj čestica sa velikim iznosima energija je izuzetno mali. Većina kosmičkog zračenje ima energiju između 10 MeV i 10 GeV.

Saznajmo više o elektronvoltu:

License

Icon for the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License

UPOZNAJMO SVET I NAČINIMO GA BOLJIM ZA ŽIVOT Copyright © 2024 by University of Nova Gorica Press is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, except where otherwise noted.

License

Share This Book