2.1 Atmosfærens sammensetning
Atmosfæren er definert som gassene som omgir jordkloden, altså det luftlaget vi har rundt kloden. Når vi snakker om atmosfæren i geofag, så skal vi se på de lagene av atmosfæren som er nærmest jordoverflaten, da de har størst påvirkning på oss mennesker. Men før vi går inn i atmosfærefysikken, så må vi bli kjent med en del viktige begreper og prosesser innenfor atmosfæren.
Atmosfæren vår består for det meste av nitrogen- og oksygengass. Det finnes også mange andre gasser i atmosfæren, der andelen av disse gassene er små sammenlignet med nitrogen og oksygen. Noen av gassene i atmosfæren er ganske konstante over tid, mens andre varierer grunnet ulike kjemiske prosesser og hendelser. Enkelte av gassene i atmosfæren er også drivhusgasser, altså gasser som kan absorbere langbølget stråling. Vi kommer tilbake til drivhusgassene i Kapittel 4.
2.2 Lufttrykk
Du hører ofte meteorologer (og gjerne familiemedlemmer?) snakke om høytrykk og lavtrykk og at det påvirker været som er eller kommer. Luftmolekylene er i konstant bevegelse, som gjør at de kolliderer med hverandre eller andre objekter hele tiden. Hver gang et molekyl treffer et annet, så virker det en kraft fra molekylet. Hvis vi summerer kreftene som luftmolekylene virker på en flate, så kan vi finne trykket.
Lufttrykk er trykket som luften utøver på alt rundt seg. Det oppstår fordi luft faktisk har masse og veier noe. Siden det er mange kilometer med luft over oss, trykker all denne luften nedover mot bakken, akkurat som vann presser mot bunnen av et basseng.
\[\text{trykk} = \dfrac{\text{kraft}}{\text{areal}}\] \[P = \dfrac{F}{A}\]
SI-enheten for trykk er Pascal (Pa).
Variasjoner i lufttrykk
Lufttrykket minker med høyden over havet (se Figur 2.3 b). Dette er helt naturlig, siden lufttrykket er knyttet til hvor mye luft du har over deg, jo høyere opp i atmosfæren du kommer, dess mer av luften er under deg, og mindre over.
Vi kan også ha variasjoner i samme høyde. Det høyeste lufttrykket ved bakken som er målt er omtrent 1085 mb, dette er målt vinterstid i Sibir. Det laveste lufttrykket ved bakken er målt inni tropiske orkaner og er målt til omtrent 870 mb. I Norge er det høyeste trykket som er målt 1061 mb, og det laveste 938 mb (Harstveit et al., 2024).
Høytrykk og lavtrykk
Et høytrykk er et område der lufttrykket er høyere enn områdene rundt, og et lavtrykk er et område der lufttrykket er lavere enn områdene rundt.. Det er viktig at man sammenligner med områder som er i samme høyde over havet. Et høytrykksenter kan ha ulike verdier avhengig av hvor på kloden man er og hvilken tid på året det er. Det betyr at selv om gjennomsnittstrykket på havoverflaten er 1013 mb, så kan et høytrykksenter ha verdien 1000 mb hvis omgivelsene har veldig lavt trykk. Vi kommer tilbake til høytrykk og lavtrykk i kapittel 9 og kapittel 11.
2.3 Luftens tetthet
Vi bruker ofte begrepet tetthet i geofag, fysikk og kjemi. Tettheten beregnes ut fra masse og volum:
\[\text{tetthet}=\dfrac{\text{masse}}{\text {volum}}\] \[\rho = \dfrac{m}{V}\]
Når vi ser på luftpakker med samme volum, så er endringer i tetthet knyttet til endringer i massen. Det er særlig tre faktorer som påvirker luftens tetthet: Trykk, temperatur og fuktighet. Lufttettheten kan beregnes ved tilstandslikningen:
\[\rho = \frac{P}{R\cdot T} \tag{2.1}\]
\(\rho\) = tettheten til luft (den greske bokstaven uttales rho)
\(m\) = masse
\(V\) = volum
\(P\) = trykket i luften
\(R\) = den spesifikke gasskonstanten, som blant annet varierer med innhold av fuktighet (gasskonstanten for vanndamp er større for vanndamp enn luft)
\(T\) = lufttemperaturen (oppgitt i K) 1
1 Når man gjør beregninger med temperatur, så må man alltid regne i K. I geofag 2 skal vi ikke gjøre mange beregninger, så vi kommer primært til å holde oss til \(^\circ\)C når vi snakker om lufttemperatur. Sammenhengen mellom Kelvin og Celcius er gitt ved \(x^\circ \text{C} = (x+273,15)\text{K}\) Det betyr at om vi får vite at temperaturen øker med 1 grad, så er det samme temperaturforandring om vi bruker Celsius eller Kelvin.
Ved bakkenivå er gjennomsnittstettheten av luft 1,2 kg/m\(^3\). Denne verdien beskrives ofte som \(\rho_0\).
| Faktor | Påvirkning på tetthet |
|---|---|
| Trykk | Når trykket øker, vil luften komprimeres og tettheten øker. Lufttrykket avtar med høyden over havet, slik at luften blir tynnere jo høyere opp man kommer. |
| Temperatur | Luften i atmosfæren består av ulike gasser. Når temperaturen til en gass øker, så øker den indre kinetiske energien i gassen, og volumet til gassen øker. Det fører til at tettheten av gassen vil minke når temperaturen øker. |
| Fuktighet | Vannmolekylet H\(_2\)O har lavere molekylvekt enn N\(_2\) og O\(_2\)2. Dette fører til at mye vanndamp i luften gir lavere tetthet. Fuktig luft er derfor lettere enn tørr luft. |
2 Hvis du vil se nærmere på molekylvekt, så kan du studere periodesystemet i vedlegg E.1.1.
2.4 Hydrostatisk balanse
Gravitasjonen fra jorden virker på luftmolekylene og trekker dem ned mot bakken. Trykkforskjellene, der det er høyere trykk ved bakken enn i høyden, gir en oppdrift. Når atmosfæren er i hydrostatisk balanse, er det balanse mellom gravitasjonskreftene og oppdriften. Den hydrostatiske balansen er gitt i formel 2.2.
\[\dfrac{\Delta P}{\Delta z} = -\rho\cdot |g| \tag{2.2}\]
der \(g=9,81 m/s^2\) er tyngdeakselerasjonen og \(z\) er høyden over havet. \(\Delta z\) står for forskjeller i \(z\)-verdi, altså høyden over bakken. Minustegnet viser at trykket avtar med høyden. Oppdriften skyldes en trykkgradient (altså forskjeller i trykk), der vi har høyere trykk nærmere bakken (i figur 2.2 er \(P_1 > P_2\)). Vi får dermed en vertikal trykkgradientkraft som virker oppover (altså fra høyere trykk mot lavere trykk), mens gravitasjonen (\(G\)) virker nedover.
2.5 Atmosfærens inndeling
Atmosfæren kan deles inn i flere lag basert på temperaturvariasjoner:
- Troposfæren: Det nederste laget, hvor mesteparten av værfenomenene finner sted. Temperaturen synker med høyden i dette laget.
- Stratosfæren: Laget over troposfæren, hvor temperaturen er relativt stabil før den begynner å stige igjen. Dette laget inneholder ozonlaget som beskytter oss mot UV-stråling.
- Mesosfæren: Her synker temperaturen igjen med høyden.
- Termosfæren: I dette laget stiger temperaturen kraftig på grunn av absorpsjon av høyenergetisk stråling fra solen.
Trykket i atmosfæren er høyest ved jordoverflaten og avtar eksponentielt med høyden. Dette skyldes at luftmolekylene trekkes mot jorden av gravitasjonskraften, og dermed er det flere molekyler nær overflaten enn høyere oppe i atmosfæren. Trykkforskjeller i atmosfæren er en viktig drivkraft for vind og værfenomener.
Temperaturvariasjoner i atmosfæren er et resultat av hvordan solstråling absorberes, reflekteres og re-emitteres av jorden og atmosfæren. Drivhuseffekten, forårsaket av gasser som karbondioksid og vanndamp, bidrar til å holde på varmen nær jordoverflaten. Forståelse av atmosfærens struktur, trykk- og temperaturforhold er grunnleggende for å studere værfenomener, klimaendringer og samspillet mellom jorden og atmosfæren. Dette skal vi se nærmere på i kapitler utover i boken.
Trykkvariasjoner og temperaturforskjeller er begge fenomener som påvirker tetthetsforskjellene i atmosfæren. Tetthetsforskjeller er svært viktige for sirkulasjonen i atmosfæren, som vi kommer tilbake til i Kapittel 11.
2.6 Troposfæren
Vi begynner med å se på troposfæren. Troposfæren er den nederste delen av atmosfæren, og den delen av atmosfæren som vi skal jobbe mest med i Geofag 2. Det er i troposfæren vi finner det meste av været. Troposfæren er den delen av atmosfæren under det som kalles tropopausen. Figur 2.4 viser hvordan tropopausen er høyere rundt ekvator, og lavere jo nærmere polene vi kommer. Figur 2.3 a) viser at temperaturen avtar med høyden i troposfæren. I Del 7.1 vil vi komme tilbake til hvordan denne temperaturfordelingen påvirker stabiliteten i atmosfæren. I troposfæren avtar temperaturen i gjennomsnitt med ca.6\(^\circ\)C per km (fuktig luft). Luften i troposfæren er relativt ustabil og turbulent, og kan bevege seg oppover, nedover og til sidene.
2.7 Stratosfæren
Stratosfæren er laget som ligger mellom tropopausen (8 – 17 km over bakken) og stratopausen (omtrent 50 km over bakken), altså laget som ligger over troposfæren. Figur 2.3 viser at temperaturen i stratosfæren øker med høyden. Ozonlaget er en del av stratosfæren og er en viktig årsak til at stratosfæren har denne temperaturprofilen. Ozonlaget beskytter oss mot UV-stråling, og vi kommer nærmere tilbake til ozonlaget i Kapittel 5.
I stratosfæren øker temperaturen med høyden. Dette gjør at stratosfæren er svært stabil dynamisk sett. Det betyr at det er lite konveksjon og turbulens i stratosfæren, som fører til at det er lite skyer og vær i stratosfæren. Men ingen regel uten unntak; i kalde regioner kan vi noen ganger oppleve polare stratosfæreskyer. Siden det er lite turbulens og skydannelse i stratosfæren, så prøver gjerne langdistanseflyene å fly i den nederste delen av stratosfæren. De stabile forholdene gjør at det er vanskeligere for flyene å fly høyere oppe i stratosfæren.
2.8 Atmosfærens grenselag
Den aller nederste delen av atmosfæren kalles gjerne atmosfærens grenselag. Dette laget er mellom 300 m og 2 km. Dette laget er den delen av atmosfæren som er mest påvirket av jordoverflaten. Luften er mest påvirket av friksjonen fra underlaget, og temperaturen er mest påvirket av forskjeller mellom dag og natt. Det er mer turbulens her, fordi det preges av at bakken varmes opp ulikt fra solinnstrålingen ved ulike overflater (vi kommer tilbake til dette når vi skal jobbe med albedo i kapittel 4.6).
