Powietrze (z łac. aer) to jednorodna mieszanina gazów (lotnych pierwiastków i związków chemicznych) oraz areoli atmosferycznych (mikroskopijnych cząstek stałych i kropi cieczy zawieszonych w fazie gazowej) tworząca powłokę gazową (powierzaną) kuli ziemskiej, której chemiczny skład jest wyrównany wskutek cyrkulacji gazów w troposferze. Pojęcie „powietrze” bywa jednak odnoszone również do wszystkich sfer atmosfery ziemskiej (o różnorodnym składzie chemicznym i właściwościach fizycznych).

W przednaukowej filozofii przyrody, klasycznej koncepcji Empedoklesa, rozwiniętej prze Arystotelesa, powietrze uważane było za jeden z czerech żywiołów.

Powietrze atmosferyczne jest mieszaniną bezbarwną, bez smaku i zapachu, słabo rozpuszczającą się w wodzie, nie przewodzącą prądu elektrycznego.

Tworzące atmosferę ziemską powietrze stanowi powłokę chroniącą organizmy żywe przed nagłymi zmianami temperatury oraz szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym (UV). Tlen, dwutlenek węgla oraz azot – główne składniki powietrza – mają ogromny wpływ na życiowe procesy organizmów żywych (oddychanie, fotosyntezę) oraz krążenie materii i przepływ energii w przyrodzie (obieg tlenu, węgla i azotu, cykl hydrologiczny).

Atmosfera ziemska

Atmosfera ziemska stanowi powłokę powietrzną (gazową) ziemi, której budulcem jest jednorodna mieszanina gazów oraz aerozoli atmosferycznych. Mieszanina ta zwana jest powietrzem atmosferycznym. Atmosfera nie posiada fizycznie wyznaczonej granicy. Za umowny punkt kończący atmosferę uważa się linię Karmana (100 km n.p.m.) - granicę pomiędzy tą powłoką powierzchni kuli ziemskiej a przestrzenią kosmiczną. Atmosfera jako układ niejednorodny charakteryzuje się tym, że wraz ze wzrostem wysokości zmianie ulegają jej właściwości fizyczne oraz skład chemiczny, tzn. zmienia się ciśnienie, temperatura, gęstość powietrza. Główne warstwy atmosfery ziemskiej wyznacza tzw. stratyfikacja atmosfery – oparta na kryterium termicznym, uwzględniającym zmienność temperatury powietrza atmosferycznego wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza. Atmosfera składa się z pięciu warstw koncentrycznych, które przedzielone są pauzami.

Źródło: shutterstock.pl

Troposfera – najniższa warstwa atmosfery ziemskiej, rozciąga się na wysokości 0-12 km nad powierzchnią Ziemi. Wraz ze wzrostem wysokości temperatura troposfery spada jednostajnie. Warstwa ta skupia ok 75% masy całej atmosfery i nieomal całą masę wody atmosferycznej. Jest to również strefa w której zachodzą procesy pogodowe i zjawiska meteorologiczne. Kolejna ze sfer – stratosfera, rozciąga się na wysokości 15 do 50 km n.p.m.. Obserwuje się w niej wyraźna stratyfikacje termiczną – część dolną (warstwę chłodną) o stałej temp. (-55^oC) oraz górną (ciepłą) o temperaturze rosnącej wraz z wysokością do wartości 0^oC. Wzrost temperatury wynika z absorbcji promieniowania UV (ultrafioletowego) przez warstwę ozonową (ozonosferę) z najwyższą koncentracją ozonu na wysokości 20-30 km n.p.m. Czwarta ze sfer – mezosfera, znajduje się na wysokości 50-80 km n.p.m. Jej charakterystyczną cechą jest spadek temperatury proporcjonalnie do wzrostu wysokości, do wartości – 100^oC w jej najwyższych partiach. Znajdująca się na wysokości 80-800 km n.p.m. troposfera charakteryzuje się wzrostem temperatury wraz ze wzrostem wysokości (do 1500^oC w górnych partiach) oraz silnym rozrzedzeniem powietrza. Wzrost temperatury jest skutkiem pochłaniania promieniowanie UV przez cząstki gazów. Proces ten stanowi przyczynę ich fotojonizacji, prowadzącą do powstania dużej ilości jonów i elektronów swobodnych składających się na jonosferę, znajdującą się głównie w dolnej części termosfery. Najbardziej zewnętrzną warstwę atmosfery ziemskiej stanowi, zlokalizowana na wysokości 800-10 000 km n.p.m.) egzosfera. Cechą charakterystyczną tej sfery jest bardzo wysoka temperatura (do 1 700 ⁰C) oraz silne rozrzedzenie powietrza.

Właściwości fizyczne powietrza

Powietrze atmosferyczne jest bezbarwną mieszaniną gazów i aerozoli atmosferycznych, bez smaku i zapachu, słabo rozpuszczającą się w wodzie i nie przewodzącą prądu elektrycznego. Gęstość powietrza atmosferycznego zależna jest od ciśnienia, temperatury oraz składu chemicznego powietrza, a także obecności zanieczyszczeń. Gęstość powietrza jest wprost proporcjonalna do ciśnienia (maleje ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego i wzrostem wysokości n.p.m.) oraz odwrotnie proporcjonalna do temperatury (jej wartość spada wraz ze wzrostem temperatury) .

Pozbawione pary wodnej – suche powietrze – o temperaturze 0^oC i pod ciśnieniem o wartości 1013,24hPa ulega skraplaniu, przechodząc w bardzo ruchliwą, jasnoniebieską ciecz o gęstości (ok. 870 d/dm3) oraz temperaturze krzepnięcia osiągającej wartość -213^oC . Skroplone powietrze jest nietrwałą cieczą – jego cząsteczki szybko pochłaniają energię cieplną z otoczenia, w skutek czego ponownie przechodzą w stan gazowy.

Wilgotność powietrza to ilość pary wodnej zawartej w danej objętości powietrza. Cecha ta zależna jest w dużej mierze od temperatury powietrza. Ilość pary wodnej w powietrzu rośnie wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Opady atmosferyczne (np. deszcz) są efektem tej właściwości – po osiągnięciu przez powietrze stanu nasycenia (maksymalnej zawartości pary wodnej w danej temp.).

Ze względu na swoje właściwości fizyczne (temperaturę i wilgotność względną), powietrze atmosferyczne krążące w troposferze, podzielone jest na cztery główne masy powietrza kształtujące się ma określonych obszarach ziemi (obszarach źródłowych). Zależnie od położenia geograficznego obszaru źródłowego wyróżnia się masy powietrza równikowego (w pasie okołorównikowym), zwrotnikowego (w obszarach zwrotnikowych północnej i południowej półkuli), masy powietrza polarnego (w strefie umiarkowanej półkuli północnej i południowej) oraz masy powietrza arktycznego (w strefie podbiegunowej półkuli północnej i południowej). Główne masy powietrza przedzielone są wąskimi obszarami przejściowymi tzw. frontami atmosferycznymi – frontem zwrotnikowym (oddzielającym masy powietrza równikowego od zwrotnikowego), polarnym (oddzielającym masy powietrza zwrotnikowego od polarnego) oraz frontem arktycznym (oddzielającym powietrze polarne od arktycznego). Masy powietrza odgrywają znaczącą rolę w globalnej cyrkulacji atmosferycznej, warunkującej wzorzec opadów atmosferycznych i wiatrów na Ziemi.

Skład powietrza

Skład mieszaniny gazów z jakich składa się powietrze zmieniał się na przestrzeni milionów lat w szerokim zakresie. Zawierająca tlen atmosfera powstawała stopniowo, po osiągnięciu ewolucyjnego sukcesu przez organizmy zdolne do fotosyntezy. W kolejnych epokach geologicznych stężenie podstawowych składowych powietrza wahało się, co było podwaliną zmian klimatycznych .

Obecnie zawartość składników powietrza ulega niewielkim wahaniom ( z wyjątkiem pary wodnej, ozonu i dwutlenku węgla) jedynie w niższych warstwach atmosferycznych - hemosferze (do wysokości ok. 90-100 km n.p.m.), czyli w troposferze, stratosferze oraz mezosferze. W tzw. heterosferze (wyższych warstwach atmosfery) skład chemiczny powietrza atmosferycznego ulega zmianie wraz z wysokością, co jest efektem jonizacji cząsteczek gazów pod wpływem promieniowania słonecznego i kosmicznego).

Główne składowe powietrza to: azot (N2), tlen (O2), argon (Ar), dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Składowymi powietrza, w niewielkich ilościach są również fazy szlachetne: hel (He), neon (Ne), krypton (Kr), ksenon (Xe) oraz metan (CH4), wodór (H2), tlenek diazoty (N2O), ozon (O3). Powietrze tworzące troposferę (najniższą warstwę atmosfery ziemskiej) zawiera aerozole atmosferyczne, składające się z niewielkich cząsteczek mineralnych (np. cząstek gleby, skał), cząstek soli morskiej, popiołów i pyłów wulkanicznych oraz unoszących się w powietrzu mikroorganizmów (m.in. bakterii, drobnych pajęczaków i owadów, bakterii itp.) a także form przetrwalnikowych żywych organizmów (nasiona, mszaki i paprotniki, pyłki roślinne, zarodniki grzybów) – tzw. aeroplanktonu.

Powietrze atmosferyczne zawiera także zanieczyszczenia gazowe (składające się z gazów oraz lotnych par związków chemicznych) oraz ich pochodnych. Przyczyną degradacji atmosfery ziemskiej są także zanieczyszczenia wtórne będące efektem przemian fizycznych i reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy składnikami atmosfery i emitowanymi do niej zanieczyszczeniami.

Biologiczne znaczenie powietrza atmosferycznego

Powietrze atmosferyczne tworzące atmosferę ziemską stanowi powłokę chroniącą organizmy żywe przed szkodliwym oddziaływaniem promieniowania UV emitowanym przez słońce. Jest również barierą chroniącą przed gwałtownymi dobowymi wahaniami temperatury. Jest to możliwe dzięki powolnemu procesowi oddawania ciepła do wyższych warstw troposfery poprzez absorbującą promieniowanie słoneczne warstwę powierzchniową. Powietrze stanowi także zabezpieczenie dla kuli ziemskiej przed całkowitą utratą ciepła (tzw. efekt cieplarniany). Dwutlenek węgla (CO2), para wodna (H2O), metan (CH4), tlenek diazotu (N2O) – składowe powietrza atmosferycznego, absorbują większość promieniowania podczerwonego emitowanego przez Ziemię i odbijają go z powrotem. Dzięki tej termicznej izolacji średnia globalna temperatura powierzchni ziemi wynosi ok. 15^oC . Gdyby tej izolacji nie było temperatura powierzchni kuli ziemskiej wynosiłaby ok. – 18^oC . Życie na ziemi w takich warunkach byłoby całkowicie niemożliwe. Główne składowe powietrza atmosferycznego (azot, tlen, dwutlenek węgla i para wodna) oraz zachodzące w atmosferze zjawiska fizyczne mają gigantyczny wpływ na procesy życiowe żywych organizmów (fotosyntezę, oddychanie itp.) oraz przepływ energii i krążenie materii między atmosferą, hydrosferą, litosferą i biosferą.