Međunarodna standardna atmosfera

Međunarodna standardna atmosfera ili ISA (akronim od engl. International Standard Atmosphere) je međunarodno prihvaćen model stanja Zemljine atmosfere (od 1920.) i okomite raspodjele temperature i tlaka zraka, do 90 kilometara visine, koja se uzima kao svjetski prosjek vrijednosti tih veličina. Model polazi od pretpostavke da u atmosferi vrijede zakoni za idealne plinove i da je odstupanje svojstava realnih atmosferskih plinova od svojstava idealnoga plina maleno. Do danas se nekoliko puta prilagođavala točnijim mjerenjima, pogotovo na većim visinama.

Međunarodna standardna atmosfera: promjene tlaka zraka, temperature, gustoće zraka i brzine zvuka s visinom u Zemljinoj atmosferi.
Podjela i stanje Zemljine atmosfere.
Gustoća zraka brzo opada s nadmorskom visinom - tako na primjer, na vrhu Učke (oko 1 400 metara nad morem) je gustoća zraka za oko 15% manja nego u Riječkoj luci.
Prikaz Zemljine magnetosfere. Sunčev vjetar teče od lijeva na desno.
Sunčeva svjetlost svijetli kroz oblake.

Za stanje pri tlu određuje se temperatura od 15 °C, tlak zraka od 1013,25 hPa i gustoća zraka od 1,225 kg/m3. Temperatura zraka od tla do tropopauze opada za 6,5 °C/km, sve do visine od 11 kilometara, gdje iznosi – 56,5 °C, a ostaje nepromijenjena u sloju od daljnjih 9 kilometara. Iznad toga temperatura zraka raste do visine od 47 kilometara, gdje dosegne – 2,5 °C i ostaje nepromijenjena sve do visine od 51 kilometar, iznad koje ponovno opada sve do 84,852 kilometara, gdje postiže vrijednost od – 86,28 °C. [1]

Opći podaci o Zemljinoj atmosferiUredi

 Podrobniji članci o temama: Zemljina atmosfera i Atmosfera

Zemljina atmosfera je smjesa plinova. Ako se u sustavu zraka ne uračunava vodena para, takva se smjesa zove suhi zrak.

U sustavu atmosfere uvijek se nalaze i 3 promjenjiva sastojka: vodena para, ozon i ugljikov dioksid. Značajka je tih plinova da znatno apsorbiraju zračenje Sunca i Zemlje, i time bitno utječu na temperaturu atmosfere i Zemlje. U posljednja dva stoljeća zamjećuje se povećanje ugljikovog dioksida CO2 na čitavoj Zemlji, količina se poduplala. Zbog utjecaja čovjekovih djelatnosti povećava se u svjetskim razmjerima i sadržaj drugih plinskih primjesa, kao što su ugljikov monoksid CO, sumporov dioksid SO2, dušikovog dioksida NO2 i drugi.

U sastavu atmosfere nalaze se i mnogobrojne krute i tekuće primjese koje lebde u zraku. To su takozvani aerosoli, koji su umjetnog ili prirodnog porijekla. Količina se aerosola povećala u zadnjih 70 godina za 50%. U velikim gradovima sadržaj aerosola je mnogo veći nego iznosi srednja koncentracija u čitavoj atmosferi.

Sadržaj vodene pare u atmosferi koleba se u širokim granicama: od blizu 0% masenog udjela pri vrlo niskih temperaturama do 4% pri visokim temperaturama.

Podjela atmosfere na slojeveUredi

Po okomici atmosfera se proteže do 60 - 70 tisuća kilometara, iako se ne može govoriti o nekoj oštroj gornjoj granici. Uzima se da ukupna masa atmosfere bez vodene pare iznosi 5,157∙1018 kg, što je otprilike jedna milijuntina Zemljine mase. Oko 99% ukupne atmosferske mase nalazi se u sloju od 30 do 35 km iznad tla, a 50% ukupne mase u sloju do svega 5 km visine.

Debljina je osnovne atmosferske mase zanemarljiva u usporedbi s njenim vodoravnim mjerama, pa zato i osnovne tvorevine, koje određuju vrijeme (fronte, ciklone i anticiklone) zauzimaju vodoravno prostranstva od stotine i tisuće kilometara, a po okomici od svega nekoliko kilometara.

Po okomici može se podijeliti atmosfera prema 4 kriterija:

Prema sastavu zraka, atmosferu čine donji sloj ili homosfera, od tla do visine 95 km, i gornji sloj ili heterosfera, iznad visine od 95 km. U homosferi se omjer osnovnih plinova (dušika, kisika i argona) i relativna molekulska masa zraka (μ0 = 28,9645) ne mijenjaju. U heterosferi, usporedo s molekulama dušika i kisika, pojavljuju se i atomi dušika i kisika, a relativna se molekulska masa zraka smanjuje s visinom. Sloj između 20 i 55 km, u kojemu se nalazi najveća koncentracija ozona, zove se ozonski omotač ili ozonosfera. Od 50 do 60 km iznad tla, s povećanjem visine naglo se povećava koncentracija nabijenih čestica (iona i elektrona), pa se taj sloj atmosfere zove ionosfera.

Ionosfera se sastoji od nekoliko slojeva (D na visini oko 60 km, E na visini od 90 do 120 km, F na visini većoj od 180 km) s povišenom koncentracijom iona. Vanjski pojas atmosfere, gdje se čestice rijetko sudaraju, a većina ih je električki nabijena, prestavlja radijacijski pojas Zemlje, debljine od 9 do 12 Zemljinih polumjera (magnetosfera). U tom se pojasu, zbog djelovanja magnetskog polja Zemlje, čestice voma kolebaju uzduž magnetskih silnica i imaju velike energije.

Prema međudjelovanju atmosfere i podloge, atmosferu čini granični sloj (ili sloj trenja) i slobodna atmosfera. U graničnom sloju visine od 1 do 1,5 km, već prema vrsti podloge, na gibanje zraka utječu Zemljina površina i turbulentno trenje, a meteorološke pojave imaju izraziti dnevni hod. U slobodnoj atmosferi mogu se u prvom približenju (aproksimaciji) zanemariti sile trenja zraka.

Prema promjeni temperature s visinom atmosferu čini nekoliko slojeva. Najdonji sloj atmosfere, koji se proteže do oko 11 km visine i u kojemu temperatura u prosjeku opada s visinom za 0,65 °C/100 m, zove se troposfera. U troposferi, iznad graničnog sloja sve do visine 6 - 8 km, nalazi se donja troposfera, a iznad toga sloja do vrha troposfere je gornja troposfera.

Smanjenje temperature s visinom prestaje u troposferi na nekoj visini iznad koje temperatura umjereno opada (manje od 0,2 °C/100 m), ostaje stalna ili pak s visinom raste. Taj sloj iznad troposfere, na visini između otprilike 11 km i oko 50 km, zove se stratosfera. Prijelazni sloj između troposfere i stratosfere zove se tropopauza, i on u našim krajevima doseže visinu između 9 do 11 km, već prema godišnjem dobu i vremenskom stanju. U polarnim predjelima visina tropopauze iznosi od 8 do 10 km, a u ekvatorskom pojasu od 16 do 18 km. Na umjerenim zemljopisnim širinama temperatura iznad tropopauze najčešće se ne mijenja s visinom, a iznad tropskih i ekvatorijalnih predjela polagano raste.

Izotermičko stanje stratosfere zadržava se u prosjeku sve do visine 25 km, a iznad te razine temperatura raste zbog apsorpcije ultraljubičastog zračenja Sunca u sloju ozona (ozonski omotač). Srednja vrijednost okomitog temperaturnog gradijenta u sloju od 25 do 46 km iznosi - 0,28 °C/100 m. U prijelaznom sloju, takozvanoj stratopauzi, na visini od 45 do 54 km temperatura je blizu 0 °C, s mogućim odstupanjima ± 20 °C.

U mezosferi (od 50 do 80 km), sloju atmosfere iznad stratosfere, temperatura zraka ponovno opada, i to prosječno - 0,35 °C/100 m. Na visini od 80 do 95 km postoji prijelazni sloj, takozvana mezopauza, u kojemu temperatura iznosi od - 85 °C do - 90 °C. Iznad mezopauze, u termosferi (od 90 do 450 km), temperatura ponovno raste, i to uglavnom zbog toga što kisik apsorbira Sunčevo zračenje valne duljine manje od 0,24 μm i pri tom disocira, pa nastaje atomni kisik. U termosferi temperatura raste s visinom i doseže vrijednosti i doseže vrijednosti i iznad 1 000 K. Na visinama iznad 1 000 km nalazi se egzosfera, odakle se plinovi šire u svemir.

Čimbenici (parametri) atmosfere (temperatura, tlak zraka, gustoća zraka) veoma se mijenjaju u prostoru i vremenu, pa se može uglavnom govoriti samo o srednjim vrijednostima.

Osnovna svojstva srednje okomite strukture atmosfere bile su određene međunarodnom standardnom atmosferom CIRA (eng. COSPAR International Reference Atmosphere) iz 1961., te standardnom ruskom atmosferom SA-73 iz 1975. CIRA je određivala podatke o atmosferi do 800 km visine; podaci iznad 200 km osnivaju se na mjerenjima pomoću umjetnih satelita. SA-73 određuje srednje vrijednosti osnovnih parametara atmosfere u rasponu visina od 0 do 50 km na zemljopisnoj širini 45° 32’, pri srednjoj Sunčevoj aktivnosti, a postoje i preporuke za visine od 50 do 120 km. Standardna atmosfera SAD iz 1976. proširena je do 1 000 km. [2]

Vrijednosti međunarodne standardne atmosfere iz 1976.Uredi

Vrijednosti temperature, promjene temperature, tlaka i gustoće zraka slojeva atmosfere (iz 1976.)
Sloj Atmosferski
sloj
Nadmorska
visina
h (km)
Promjena
temperature
(°C/km)
Temperatura
na dnu sloja
T (°C)
Tlak zraka
na dnu sloja
p (hPa)
Gustoća zraka
na dnu sloja
ρ (kg/m3)
0 troposfera 0 - 11 − 6,5 + 15 1 013,25 1,225
1 tropopauza 11 – 22 +0.0 − 56,5 226,32 0,3639
2 stratosfera 20 – 32 + 1,0 − 56,5 54,749 0,0880
3 stratosfera 32 – 47 + 2,8 − 44,5 8,680 2 0,0105
4 stratopauza 47 – 51 + 0,0 − 2,5 1,109 1 0,002 0
5 mezosfera 51 – 71 − 2,8 − 2,5 0,669 39
6 mezosfera 71 – 84,852 − 2,0 − 58,5 0,039 564
7 mezopauza od 84,852 − 86,28 0,003 734

IzvoriUredi

  1. standardna atmosfera (ISA), [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2018.
  2. "Tehnička enciklopedija" (Meteorologija), glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.