Atmosfären
Jorden omges av en relativt tunn atmosfär (vanligtvis kallad luft) bestående av en blandning av gaser, främst molekylärt kväve (78 procent) och molekylärt syre (21 procent). Även närvarande finns mycket mindre mängder gaser som argon (nästan 1 procent), vattenånga (i genomsnitt 1 procent men mycket varierande i tid och plats), koldioxid (0,0395 procent [395 delar per miljon] och för närvarande stigande), metan (0,00018 procent [1,8 delar per miljon] och för närvarande stigande), och andra, tillsammans med små, fasta och flytande partiklar i suspension.
geoid: Bestämning av jordens figur
Erkänning för idén att jorden är sfärisk ges vanligtvis till Pythagoras (blomstrade 600-talet fvt) och
Eftersom jorden har ett svagt tyngdfält (på grund av dess storlek) och varma atmosfäriska temperaturer (på grund av dess närhet till solen) jämfört med jätteplaneterna, saknar den de vanligaste gaserna i universum som de har: väte och helium. Medan både solen och Jupiter huvudsakligen består av dessa två element, kunde de inte hållas kvar länge på den tidiga jorden och avdunstas snabbt till interplanetens rymd. Det höga syreinnehållet i jordens atmosfär är ovanligt. Syre är en mycket reaktiv gas som under de flesta planetförhållanden skulle kombineras med andra kemikalier i atmosfären, ytan och skorpan. Det tillhandahålls faktiskt kontinuerligt av biologiska processer; utan liv skulle det vara praktiskt taget inget fritt syre. De 1,8 delar per miljon metan i atmosfären är också långt ifrån kemisk jämvikt med atmosfären och skorpan: den är också av biologiskt ursprung, och bidraget från mänsklig verksamhet överväger andra.
Atmosfärens gaser sträcker sig från jordens yta till höjder på tusentals kilometer, och slutligen slås samman med solvinden - en ström av laddade partiklar som rinner utåt från de yttersta randområdena i solen. Atmosfärens sammansättning är mer eller mindre konstant med höjd till en höjd av cirka 100 km (60 miles), med särskilda undantag är vattenånga och ozon.
Atmosfären beskrivs vanligen i termer av distinkta lager eller regioner. Större delen av atmosfären är koncentrerad i troposfären, som sträcker sig från ytan till en höjd av cirka 10–15 km, beroende på latitud och säsong. Gasernas beteende i detta skikt styrs av konvektion. Denna process involverar de turbulenta, vändande rörelserna som uppstår till följd av flytkraft i närheten av ytan som värms upp av solen. Konvektion upprätthåller en minskande vertikal temperaturgradient - dvs. en temperaturnedgång med höjd - på ungefär 6 ° C (10,8 ° F) per km genom troposfären. På toppen av troposfären, som kallas tropopausen, har temperaturen sjunkit till cirka −80 ° C (−112 ° F). Troposfären är den region där nästan all vattenånga förekommer och i huvudsak allt väder inträffar.
Den torra, svaga stratosfären ligger ovanför troposfären och sträcker sig till en höjd av cirka 50 km (30 miles). Konvektiva rörelser är svaga eller frånvarande i stratosfären; rörelser tenderar istället att vara horisontellt orienterade. Temperaturen i detta lager ökar med höjden.
I de övre stratosfärregionerna bryter absorption av ultraviolett ljus från solen molekylärt syre (O 2); rekombination av enstaka syreatomer med O 2 molekyler till ozon (O 3) skapar det skärmande ozonskiktet.
Ovanför den relativt varma stratopausen är den ännu tyngre mesosfären, där temperaturen återigen minskar med höjden till 80–90 km (50–56 miles) över ytan, där mesopausen är definierad. Den minsta temperatur som uppnås där är extremt varierande med säsong. Temperaturen stiger sedan med ökande höjd genom det överliggande skiktet som kallas termosfären. Också över cirka 80–90 km finns det en ökande del av laddade eller joniserade partiklar, som från denna höjd uppåt definierar jonosfären. Spektakulära synliga auroror genereras i detta område, särskilt längs ungefär cirkulära zoner runt polerna, genom växelverkan av kväve- och syreatomer i atmosfären med episodiska skurar av energiska partiklar från solen.
Jordens allmänna atmosfärcirkulation drivs av solskenets energi, som är mer riklig i ekvatoriella breddegrader. Rörelsen av denna värme mot polerna påverkas starkt av jordens snabba rotation och den tillhörande Coriolis-kraften på breddegrader från ekvatorn (som lägger en öst-västkomponent till vindriktningen), vilket resulterar i flera cirkulerande luft i varje hemisfär. Instabiliteter (störningar i det atmosfäriska flödet som växer med tiden) producerar de karakteristiska högtrycksområdena och lågtrycksstormarna i medelhöjdgraderna samt de snabba, österutflyttande jetströmmarna i den övre troposfären som leder vägen till stormar. Haven är massiva värmebehållare som i stor utsträckning verkar för att jämna ut variationer i jordens globala temperaturer, men deras långsamt föränderliga strömmar och temperaturer påverkar också väder och klimat, som i väderfenomenet El Niño / södra oscillationen (se klimat: cirkulation, strömmar, och interaktion mellan hav och atmosfär; klimat: El Niño / södra oscillationen och klimatförändringar).
Jordens atmosfär är inte ett statiskt drag i miljön. Snarare har dess sammansättning utvecklats under geologisk tid tillsammans med livet och förändras snabbare idag som svar på mänskliga aktiviteter. Ungefär halvvägs genom jordens historia började atmosfärens ovanligt höga mängd fritt syre att utvecklas, genom fotosyntes av cyanobakterier (se blågröna alger) och mättnad av naturliga ytbehållare av syre (t.ex. relativt syrefattiga mineraler och väte- rika gaser som utsöndras från vulkaner). Uppsamling av syre gjorde det möjligt för komplexa celler, som konsumerar syre under ämnesomsättningen och som alla växter och djur är sammansatta, att utvecklas (se eukaryot).
Jordens klimat på alla platser varierar med årstiderna, men det finns också variationer på längre sikt i det globala klimatet. Vulkaniska explosioner, såsom 1991-utbrottet av Mount Pinatubo på Filippinerna, kan injicera stora mängder dammpartiklar i stratosfären, som förblir hängd i flera år, vilket minskar atmosfärens transparens och resulterar i mätbar kylning över hela världen. Mycket sällsynta, gigantiska effekter av asteroider och kometer kan ge ännu djupare effekter, inklusive allvarliga minskningar av solljus under månader eller år, som många forskare tror ledde till massutrotning av levande arter i slutet av kritaperioden, 66 miljoner år sedan. (För ytterligare information om de risker som kosmiska effekter medför och risken för att de inträffar, se jordpåverkan.) De dominerande klimatvariationerna som observerats i den nyligen geologiska posten är istiden, som är kopplad till variationer i jordens lutning och dess omloppsbana geometri med avseende på solen.
Fysiken i vätefusion leder astronomer till att dra slutsatsen att solen var 30 procent mindre lysande under jordens tidigaste historia än den är idag. Därför, om allt annat är lika, borde haven ha varit frusna. Observationer av jordens planetära grannar, Mars och Venus, och uppskattningar av kolet som låstes i jordskorpan för närvarande tyder på att det fanns mycket mer koldioxid i jordens atmosfär under tidigare perioder. Detta skulle ha förbättrat uppvärmningen av ytan via växthuseffekten och på så sätt gjort att haven kan förbli flytande.
Idag finns det 100 000 gånger mer koldioxid begravd i karbonatstenar i jordskorpan än i atmosfären, i skarp kontrast till Venus, vars atmosfäriska utveckling följde en annan kurs. På jorden är bildandet av karbonatskal genom marint liv den viktigaste mekanismen för att omvandla koldioxid till karbonater; abiotiska processer som involverar flytande vatten producerar också karbonater, om än långsammare. På Venus hade livet emellertid aldrig chansen att uppstå och generera karbonater. På grund av planetens placering i solsystemet fick tidiga Venus 10–20 procent mer solljus än faller på jorden även i dag, trots den svagare unga solen vid den tiden. De flesta planetforskare tror att den förhöjda yttemperaturen som resulterade i att vatten kondenserade till en vätska. Istället förblev det i atmosfären som vattenånga, som, liksom koldioxid, är en effektiv växthusgas. Tillsammans förorsakade de två gaserna yttemperaturerna att stiga ännu högre så att enorma mängder vatten flydde ut till stratosfären, där den dissocierades av ultraviolett strålning i solen. Med förhållanden som nu är för varma och torra för att möjliggöra bildning av abiotisk karbonat, förblev de flesta eller hela planetens lager av kol i atmosfären som koldioxid. Modeller förutspår att jorden kan drabbas av samma öde på en miljard år, när solen överskrider sin nuvarande ljusstyrka med 10–20 procent.
Mellan slutet av 1950-talet och slutet av 1900-talet ökade mängden koldioxid i jordens atmosfär med mer än 15 procent på grund av förbränningen av fossila bränslen (t.ex. kol, olja och naturgas) och förstörelsen av tropiska regnskogar, såsom Amazonasflodbassängen. Datormodeller förutspår att en nettofördubbling av koldioxid i mitten av 2000-talet kan leda till en global uppvärmning på 1,5–4,5 ° C (2,7–8,1 ° F) i genomsnitt över planeten, vilket skulle ha djupa effekter på havsnivån och lantbruk. Även om denna slutsats har kritiserats av vissa på grundval av att den hittills observerade uppvärmningen inte har hållit tritt med prognosen, har analyser av havstemperaturdata antytt att mycket av uppvärmningen under 1900-talet faktiskt inträffade i själva haven - och kommer att så småningom visas i atmosfären.
En annan aktuell oro för atmosfären är påverkan av mänskliga aktiviteter på det stratosfäriska ozonskiktet. Komplexa kemiska reaktioner som involverade spår av konstgjorda klorfluorkolväten (CFC) visade sig i mitten av 1980-talet att de skapade tillfälliga hål i ozonskiktet, särskilt över Antarktis, under den polära våren. Ännu mer störande var upptäckten av en växande nedbrytning av ozon över de mycket befolkade tempererade breddegraderna, eftersom det har visat sig att den korta våglängden ultraviolett strålning som ozonskiktet effektivt absorberar orsakar hudcancer. Internationella avtal som håller på att stoppa produktionen av de mest obehagliga ozonförstörande CFC: erna kommer så småningom att stoppa och vända utarmningen, men bara i mitten av 2000-talet på grund av den långa uppehållstiden för dessa kemikalier i stratosfären.
