Atmosfer nedir? Katmanları, özellikleri, kalınlığı, oluşumu

Dünya atmosferinin katmanları ve özellikleri hakkında bilgiler

Endeavour uzay aracı

Adına atmosfer denilen görünmez bir okyanusun dibinde, gezegenimizi çevreleyen bir gaz katmanında yaşıyoruz. Azot ve oksijen atmosferdeki gazların yüzde 99'unu oluşturuyor; argon, karbondioksit, helyum, neon ve diğer gazlar ise kalanı. Su buharı ve toz da Dünya atmosferinin bir parçası. Atmosfer deniz seviyesinden başlamakta. Diğer gezegenlerin ve uyduların atmosferleri çok daha farklı, hatta bazılarının hiç atmosferi yok.

Atmosferin tarihi oluşumu

Atmosfer çok geniş bir alana yayıldığından varlığını neredeyse fark etmiyoruz. Ancak ağırlığı tüm gezegeni kaplayan 10 metre derinliğinde su tabakasına eşittir. Atmosferin ilk 30 kilometresi kütlesinin yaklaşık yüzde 98'ini içeriyor. Atmosfer yüksek rakımlarda çok daha incelir. Uzaya doğru yok olur.

Bilim adamları, atmosferimizdeki gazların Dünya'nın Arkeyan Devri döneminde (3,6 milyar yıl önce) volkanlardan yayıldığını düşünüyor. O zamanlar Dünya'da neredeyse hiç serbest oksijen yoktu. Serbest oksijen başka elementlere bağlanmayan oksijen molekülleridir, karbon (karbondioksit) veya hidrojen (su) gibi.

Serbest oksijenin bakterilerin yapmış olduğu fotosentez sırasında atmosfere karıştığı tahmin ediliyor. Fotosentez, bitkinin veya ototrofun karbondioksit ve sudan gıda ve oksijen üretmek için kullandığı bir işlem. Sonradan ortaya çıkan daha karmaşık bitki yaşamları atmosfere daha çok oksijen yolladılar. Günümüz atmosferindeki oksijenin milyonlarca yılda biriktiği düşünülüyor.

Atmosfer o kadar özel ki yaşamı besleyen Güneş ışınlarına izin verirken, yaşamı tehdit eden ultraviyole radyasyonun çoğunu geçirmeyerek dev bir filtre görevi görüyor. Ultraviyole radyasyon canlılara zarar veren ve güneş yanıklarına neden olan şeydir. Öte yandan, Güneş'ın ısısı ise Dünya'daki tüm yaşam için gerekli.

Dünya atmosferi katmanlı bir yapıya sahip. Yerden gökyüzüne doğru uzanan katmanlar troposfer, stratosfer, mezosfer, termosfer ve ekzosferdir. İyonosfer adı verilen başka bir katman daha var ve mezosfer ile ekzosfer arasında bin kilometre kadar uzanıyor. Ekzosferin ötesinde uzay var. Atmosferin katmanları arasındaki sınırlar açıkça tanımlanmış değil; zira enlem ve mevsime bağlı olarak değişmekteler.

Atmosfer gazlarının oranı

GazFormülüYüzdesi
AzotN2%78.08
OksijenO2%20.95
SuH2O%0 ila 4
ArgonAr%0.93
Karbondioksit*CO2%0.0360
NeonNe%0.0018
HelyumHe%0.0005
Metan*CH4%0.00017
HidrojenH2%0.00005
Azot protoksitN2O%0.0003
Ozon*O3%0.000004

*değişken oranlı gazlar

Troposfer

Troposfer yeryüzüne en yakın atmosfer katmanı. Kutuplardan yaklaşık 6 kilometre ve Ekvator'dan 16 kilometrede olmak üzere yerden ortalama 10 kilometre yükseklikte bulunuyor. Troposferin üstü yaz aylarında kışın olduğundan daha yüksektir.

Hemen hemen tüm iklim troposferde meydana geliyor zira neredeyse atmosferdeki tüm su buharını içermekte. Alçaktaki sisten yukarılardaki sirüse kadar bulutlar da troposferde oluşur; Hava kütleleri ve yüksek basınç ile alçak basınç alanları troposferdeki rüzgarlar tarafından hareket ettirilir. Bu basınç alanları, günlük hava değişikliklerinin yanı sıra mevsimsel hava değişiklikleri ve El Nino gibi iklim olaylarına yol açıyor.

Yükseklik arttıkça troposferdeki hava incelir. Örneğin, Ağrı Dağı'nın tepesinde, Antalya'da bir plajda olduğundan daha az oksijen molekülü var. Dağcıların uzun zirvelere tırmanırken genellikle oksijen kutuları kullanmasının nedeni bu. İnce hava aynı zamanda helikopterlerin yüksek irtifalarda manevra yapmakta zorlanmasının ana nedeni. Öyle ki hiçbir helikopter 2005 yılına kadar Everest Dağı'na inemedi.

Troposferdeki hava inceldikçe sıcaklık düşer. Dağ tepelerinin, vadilerden çok daha soğuk olmasının nedeni bu. Bilim adamları önceleri troposferin üstünde sıcaklığın düşmeye devam ettiğini düşünüyordu. Ancak hava balonları ve roketlerle toplanan veriler durumun böyle olmadığını gösterdi. Alt stratosferde sıcaklık neredeyse sabittir. Stratosferde yukarı çıkıldıkça sıcaklık da artıyor.

Güneş ısısı troposfere kolayca nüfuz eder. Bu katman ayrıca sera etkisi adı verilen süreçte yerden yansıyan ısıyı da emiyor. Sera etkisi Dünya'daki yaşam için gerekli. Atmosferdeki en bol sera gazları karbondioksit, su buharı ve metandır.

Jet stream adı verilen yüksek hızlı hava akımları troposferin üst sınırında Dünya'nın etrafında dönüyor. Bu hava akımları havayolu endüstrisi için son derece önemli. Uçaklar, havanın kalın olduğu alt troposfer yerine üstteki jet akışlarında uçarak zaman ve paradan tasarruf sağlar.

Stratosfer

Troposfer aniden ve şiddetli bir şekilde değişme eğilimindeyken stratosfer daha sakindir. Stratosfer, troposferin üst sınırı olan tropopozdan başlayarak Dünya yüzeyinden 50 kilometre yukarı uzanıyor.

Stratosferdeki güçlü rüzgarlar yatay yönde eser ve çok az türbülans vardır. Uçaklar için ideal olan atmosfer katmanlarından biri.

Stratosfer çok kurudur ve bulut oluşumu nadirdir. Oluşan bulutlar ise incedir. Bunlara sedefli bulutlar deniyor. Renkleri yumuşakça kabuğunun renklerine benzer.

Stratosfer, dünyadaki yaşam için çok önemli, çünkü zararlı UV ışınlarının Dünya'ya ulaşmasını önleyen bir oksijen türü olan az miktarda ozon içerir. Stratosfer içindeki bu ince ozon kabuğunun bulunduğu bölgeye ozon tabakası deniyor. Stratosferdeki ozon tabakası düzensizdir ve kutuplara doğru incelir. Dünya atmosferindeki ozon miktarı giderek azalıyor. Bilim adamları ozonun azalmasını kloroflorokarbonlar (CFC'ler) gibi kimyasalların kullanımını bağladı.

Mezosfer

Mezosfer stratopozdan (stratosferin üst sınırı) başlayarak Dünya yüzeyinin yaklaşık 85 kilometre yukarısına çıkar. Burada sıcaklıklar tekrar düşmeye başlıyor.

Mezosfer, atmosferdeki en düşük sıcaklıklara sahip ve -120 santigrat dereceye kadar iniyor. En yüksekteki bulutlar mezosferdedir. Bazen gün battıktan hemen sonra gri renkleriyle görebilirsiniz. Bunlara gece bulutları veya gece parlayan bulutlar da denmekte. Mezosfer o kadar soğuk ki gece bulutları aslında donmuş su buharı ya da buz bulutlarıdır.

atmosfer

Mezosferde kayan yıldızlar (uzaydan gelerek yanan meteor, toz ve kayalar) görülebilir. Çoğu kayan yıldız kum taneciklerinin büyüklüğündedir ve stratosfer veya troposfere girmeden önce yanar. Ancak, bazı göktaşları çakıl ve hatta kaya büyüklüğünde olabilir. Mezosferden geçerken dış katmanları yansa da, eğer yeterince büyüklerse alt atmosferleri aşarak Dünya'ya çarpabilirler.

Dünya atmosferinin katmanları arasında Mezosfer hakkında en az bilgi sahibi olunan kısım. Zira uçak veya hava balonlarının çalışması için fazla yüksek ve uzay aracı içinse fazla alçak. Sadece sondaj roketleri meteorologlara ve astronomlara atmosferin bu önemli katmanı hakkındaki veriler sağlayabildi. Sondaj roketleri, yörünge altı uçuşlar sırasında veri toplayan insansız araştırma enstrümanlarıdır.

Mezosfer iki meteorolojik gizeme ev sahipliği yapıyor: Sprite ve elf. Sprite'lar kırmızı şimşekler olarak bilinirken elf'ler mezosferde daha yüksekte görülen loş, halka şekilli şimşeklerdir.

İyonosfer

İyonosfer, mezosferin üst yarısından başlayarak ekzosfere kadar uzanıyor (60 ila 1000 km). Atmosferin bu katmanı elektriği iletmesiyle biliniyor.

İyonosfer adını Güneş ışığından ve uzaydan gelen enerji dolu parçacıklar tarafından oluşturulan iyonlardan almakta. İyonlar, elektron sayısının proton sayısına eşit olmadığı ve atoma pozitif (daha fazla proton) veya negatif (daha fazla elektron) yük verdiği atomlardır. Güçlü x-ray ve UV ışınları elektronları atomlardan uzaklaştırdıkça iyonlar meydana gelir.

Serbest elektron ve iyon katmanı olan iyonosfer radyo dalgalarını yansıtıyor. "Wireless'ın Babası" Guglielmo Marconi, 1901'de İngiltere, Cornwall'dan, Kanada'nın Newfoundland bölgesi, St. John kentine radyo sinyali gönderdiğinde bu gerçeği kanıtladı. Marconi'nin deneyi, radyo sinyallerinin düz bir çizgide ilerlemediğini, atmosferin katmanlarından olan iyonosferden sektiğini gösterdi.

İyonosfer, D, E, F1 ve F2 olarak adlandırılan ayrı tabakalara ayrılıyor. Atmosferin tüm diğer katmanları gibi, bu tabakalar da mevsime ve enleme göre değişir. İyonosferdeki değişiklikler aslında günlük olarak gerçekleşiyor. Yüksek frekanslı radyo dalgalarını emen düşük D katmanı ve E katmanı geceleri yok olur, bu da radyo dalgalarının iyonosferde daha yükseğe ulaşmasını sağlar. Bu sayede AM radyo istasyonları geceleri menzillerini yüzlerce kilometreye kadar çıkarır.

İyonosfer ayrıca Güneş rüzgarları ile yayılan yüksek yüklü parçacıkları da yansıtmakta. Bu elektriksel görüntüler Kuzey ve Güney Işıkları olarak bilinen aurora'ları oluşturuyor.

Termosfer

Termosfer atmosferin en kalın katmanıdır. Bu katmanda sadece en hafif gazlar (çoğunlukla oksijen, helyum ve hidrojen) bulunmakta.

Termosfer, mezopozdan (mezosferin üst sınırı) başlayarak Dünya yüzeyinin 690 kilometre yukarısına uzanıyor. Buradaki dağınık ince gaz molekülleri x-ışınlarını ve ultraviyole radyasyonu emer. Bu absorpsiyon işlemi, termosferdeki moleküllerin hızını ve sıcaklığını yüksek seviyelere çıkarıyor. Termosferdeki sıcaklıklar 1.500 dereceye yükselebilir.

Sıcaklık çok yüksek olmasına rağmen, fazla ısı yoktur. Peki bu nasıl mümkün olur? Isı, moleküller uyarıldığında ve birbirlerine enerji aktardığında oluşur. Isı yüksek basınçlı alanda olur (tenceredeki kaynar su gibi). Termosferde çok az basınç olduğundan çok az ısı transferi var.

Hubble Uzay Teleskobu ve Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) Dünya'nın termosferdeki yörüngesinde bulunuyor. Termosfer Dünya atmosferinin en yüksek ikinci katmanı olmasına rağmen burada bulunan uydular "düşük Dünya yörüngesinde" kabul edilir.

Ekzosfer

Termosfer ve ekzosfer arasında dalgalanan alana pause ve ekzosferin en düşük noktasına exobase denir. Ekzosferin üst sınırında iyonosfer uzayla buluşuyor.

Ekzosfer, Güneş fırtınalarıyla temas ettiğinde genişleyip, daralıyor. Güneş fırtınaları esnasında meydana gelen güneş patlamaları ve koronal kütle atımı (CME) gibi olaylar uzaya parçacıklar yayar.

Güneş fırtınaları ekzosferi 1000 kilometreye kadar daraltabiliyor. Güneş daha sakin olduğunda ise ekzosfer 10.000 kilometreye kadar genişliyor.

Evrendeki en hafif element olan hidrojen, ekzosferin ince atmosferini meydana getirir. Sadece eser miktarda helyum, karbondioksit, oksijen ve diğer gazlar var.

Birçok hava durumu uydusu, Dünya atmosferinin bu katmanındaki yörüngede döner. Ekzosferin alt kısmı düşük Dünya yörüngesiyken, yüksek kısmı orta Dünya yörüngesidir.

Ekzosferin üst sınırı Dünya'nın uydu görüntülerinde görülebiliyor. Dünya'nın en dış atmosferindeki büyük mavi ışık şeridine taç anlamına gelen geokorona adı verilmekte.

atmosferin katmanları
Atmosferin katmanları

Diğer gezegenlerin atmosferleri

Güneş Sistemi'ndeki tüm gezegenlerin atmosferi var. Bu atmosferlerin çoğu Dünya'nınkinden büyük oranda farklı.

Güneş Sistemi'nde iki ana tür gezegen var: Karasal gezegenler (Merkür, Venüs, Dünya ve Mars) ve gaz devleri (Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün).

Karasal gezegenlerin atmosferleri Dünya'nınkine benzer. Merkür'ün atmosferi sadece hidrojen, helyum ve oksijenin bulunduğu ince bir ekzosfere sahip. Venüs'ün atmosferi Dünya'nınkinden çok daha kalın ve gezegenin net bir şekilde görülmesini engelliyor. Atmosferinde çoğunlukta karbondioksit var ve girdap gibi dönen sülfürik asit bulutlarına sahip. Mars'taki atmosfere de karbondioksit hakim, ancak Venüs'ün aksine oldukça incedir.

Gaz devleri gezegenler ise gazlardan oluşuyor. Atmosferleri neredeyse tamamen hidrojen ve helyumdan ibaret. Uranüs ve Neptün'ün atmosferindeki metan, gezegenlere parlak mavi renklerini vermekte.

Jüpiter ve Satürn'ün alt atmosferinde su bulutu, amonyak ve hidrojen sülfür açık renkli şeritleri meydana getirir. Hızlı esen rüzgarlar açık renkli şeritleri (bölge) koyu renkli olanlardan (kemer) ayırıyor. Siklonlar ve yıldırım gibi hava olayları, bölgeler ve kemerlerde desenler oluşturur. Jüpiter'in Büyük Kırmızı Leke'si, Güneş Sistemi'ndeki en büyük fırtına ve yüzlerce yıldır devam ediyor.

Bazı gezegenlerin uydularının kendi atmosferleri var. Satürn'ün en büyük ayı Titan, çoğunlukla azot ve metandan oluşan kalın bir atmosfere sahip. Güneş ışığının Titan'ın iyonosferindeki metanı parçalaması, uyduya turuncu bir renk veriyor.

Asteroit kuşağındaki tüm asteroitler ve kendi Ay'ımız dahil olmak üzere çoğu gök cismi atmosfere sahip değil. Ay'da atmosferin olmaması, hava bulunmadığı anlamına gelir. Ay'daki birçok krater aşındırıcı rüzgar veya su olmadığından yüzlerce hatta binlerce yıldır aynı noktada bulunuyor.

Bir gök cisminin atmosferinin oluşumu ve yapısı astrobiyologların o gezegenin veya uydunun ne tür bir yaşamı destekleyebileceğini tahmin etmesini sağlıyor. Atmosferler, uzay araştırmalarındaki önemli belirteçler arasında.

Bir gezegende veya uyduda yaşam olması için atmosferinde yaşamı destekleyecek belirli kimyasallar olmak zorunda. Bu kimyasallar hidrojen, oksijen, azot ve karbondur. Venüs, Mars ve Titan'ın atmosferinde benzer gazlar olmasına rağmen, Güneş Sistemi'nde Dünya dışında yaşama izin veren atmosferi olan hiçbir yer yok. Venüs'ün atmosferi çok kalın, Mars'ın çok ince ve Titan'ın ise çok soğuk.

Mucizevi gezegen

Bilim adamları, Güneş Sistemi'ndeki tüm gezegenler hakkında yeterli bilgiyi topladılar ve hiçbirinin sahip olduğumuz yaşamı destekleyemeyeceğine karar verdiler. Canlı organizmalar için doğru kimyasal bileşenleri içeren stabil bir atmosfer olmadan yaşam mümkün değildir: Hidrojen, oksijen, azot ve karbon. Bu bileşenler denge içinde olmalıdır—ne çok kalın ne de çok ince. Yaşam aynı zamanda suyun varlığına da bağlı.

Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün'ün tümü çoğunlukla hidrojen ve helyumdan oluşan atmosferlere sahip. Bu gezegenlere gaz devleri deniyor çünkü çoğunlukla gazdan oluşuyorlar ve katı bir dış kabuğa sahip değiller.

Merkür ve Mars gezegenleri bazı doğru bileşenlere sahip, ancak atmosferleri yaşamı destekleyemeyecek kadar ince. Venüs'ün atmosferi çok kalın ve bu yüzden gezegenin yüzey sıcaklığı 460 santigrat dereceden fazla (Güneş ışığı hapsolur).

Jüpiter'in uydusu Europa oksijen açısından zengin ince bir atmosfere sahip. Büyük uydu muhtemelen sıvı su okyanusu ile kaplı. Bazı astrobiyologlar eğer Güneş Sistemi'nde başka bir yerde hayat varsa Europe'nın okyanusunun dibindeki deliklerde olabileceğini düşünüyor. Ne yazık ki heyecan verici değil.

Manyetosfer

Dünya manyetosferi atmosferin katmanı olarak kabul edilmiyor. Dünya'nın manyetik alanları tarafından oluşturulan manyetosfer, atmosferin güçlü Güneş rüzgarlarıyla uzaya kaybolmasını önler.

Atmosferik yörünge

Uluslararası Uzay İstasyonu termosferdeki yörüngede bulunmasına rağmen, çoğu uydu Dünya'nın etrafında, atmosferin dışında dönmektedir. Örneğin, GPS uyduları Dünya'nın 20.000 kilometre üzerindeki yörüngede yer alıyor.