1. Co sprawia że atmosfera Ziemi ma warstwy?

Głównym czynnikiem sprawiającym że atmosfera ziemi ma warstwy są procesy radiacyjne powiązane z pionowym rozmieszczeniem gazów. Wyróżniamy warstwy:

1. Troposfera – Ziemia jest nagrzewana przy powierzchni a jednocześnie cząstki powietrza w tej warstwie emitują promieniowanie ochładzając się (nic tu nie absorbuje promieniowania słonecznego). Ciepło jednocześnie jest przenoszone od powierzchni Ziemi mechanizmem konwekcji. Mamy średnio liniowy gradient –6,5 °C/km.
2. Stratosfera – temperatura rośnie tutaj ze względu na pochłanianie części promieniowania UV przez ozon. Między stratosferą a troposferą mamy warstwę inwersyjną która skutecznie blokuje konwekcję.
3. Mezosfera – Nie ma tu cząstek, które by dodatkowo absorbowały promieniowanie słoneczne, dlatego temperatura spada z wysokością.
4. Termosfera – Znajduje się blisko granicy z przestrzenią kosmiczną: tutaj tlen i azot pochłaniają część wysokoenergetycznego promieniowania UV i rentgenowskiego, co sprawia, że temperatura rośnie z wysokością.

Istotne tutaj jest właśnie pochłanianie promieniowania słonecznego przez cząsteczki powietrza. Mimo że tlen i azot są równomiernie wymieszane, to głównie pochłaniają w termosferze ponieważ niżej ten efekt ulega już wysyceniu. Z kolei ozon jest innym związkiem, który pochłania promieniowanie tam gdzie jest go najwięcej – czyli w warstwie ozonowej.

2. Co sprawia że niektóre składniki nie są jednorodne z wysokością?

W atmosferze mamy homosferę (do około 80- 90 km), w której procesy mieszania (turbulencja, dyfuzja) skutecznie zapewniają stały skład głównych gazów z wysokością. W heterosferze powyżej mamy już z kolei ułożenie „lżejsze wyżej, cięższe niżej”. Inaczej się to przedstawia w kontekście gazów śladowych – zazwyczaj ich nierównomierne rozmieszczenie jest wynikiem reakcji chemicznych zachodzących w atmosferze a w przypadku pary wodnej – kondensacji.

a) Azot, tlen, argon i dwutlenek węgla – w przybliżeniu jednorodne w homosferze.

b) Para wodna – w troposferze gwałtowny spadek z wysokością ze względu na powstawanie chmur (kondensacja i opad). Powyżej troposfery mała ilość pary wodnej przedostaje się wyżej i ma już dosyć jednorodną zawartość z wysokością. To nie jest tak, że w ogóle się nie wznosi ponad troposferę, po prostu wznosi się bardzo mała ilość oraz znacznie wolniej niż w troposferze (w troposferze turbulencja i konwekcja – szybkie mieszanie, powyżej głównie powolna dyfuzja)

c) Freony – podobnie jak powyżej, szybkie mieszanie w troposferze i powolniejsze wyżej. Freonów nie ma już natomiast powyżej stratosfery ze względu na rozbicie ich przez promienie UV i reakcje z ozonem.

d) Ozon – powstaje w stratosferze ze względu na reakcje między tlenem a promieniowaniem UV. Czemu tutaj? Ponieważ są do tego odpowiednie warunki (ciśnienie, ilość zderzeń cząstek, promieniowanie UV)

e) Metan – w troposferze dobrze wymieszany, ale wyżej ze względu na reakcje chemiczne ilość spada – reaguje z rodnikami hydroksylowymi pośrednio produkując też parę wodną i ozon.

3. Czy jakiś proces mógłby znacząco zmienić strukturę atmosfery?

Na jednorodny skład i liniowy spadek z wysokością raczej nie ma szans, ponieważ aktualna stratyfikacja wynika z czystej fizyki: ogrzewanie przy powierzchni + absorpcja promieniowania przez różne gazy. Natomiast typowa stratosfera wynika z obecności tlenu i produkcji ozonu, i hipotetycznie mogłaby zostać „usunięta”.

a) Wybuch wulkanu – generalnie duże erupcje powodują chwilowe przerwanie granicy troposfera / stratosfera (tropopauzy) i wyrzucenie do stratosfery aerozoli. „Ogromna” erupcja mogłaby doprowadzić do wyrzucenia do stratosfery znacznej ilości chloru, który reagowałby z ozonem niszcząc go. Mogłoby to doprowadzić do zmiany struktury stratosfery i zamienić warstwę ozonu na warstwę aerozoli siarczanowych z wybuchu. Warstwa aerozoli siarczanowych mogłaby z kolei sprawić ogrzewanie tej warstwy zamiast powierzchni – efekt „zimy nuklearnej” i zahamowanie konwekcji.

b) Asteroida – podobne efekty jak przy wulkanie + chwilowa reorganizacja warstw atmosfery.

c) Asteroida około > 50 km (większa niż ta z czasów dinozaurów) – Ziemia straciłaby atmosferę i wrócilibyśmy do pierwotnej atmosfery wulkanicznej z azotem, dwutlenkiem węgla, metanem – wtedy mielibyśmy dwie proste warstwy – troposferę i termosferę i dosyć jednorodny skład.

d) Całkowite zniszczenie warstwy ozonowej prze inne hipotetyczne procesy – mogłoby doprowadzić do zaniku stratosfery.