Skład i budowa atmosfery

Cele:
Uczeń:

- wymienia nazwy geosfer;
- potrafi wyjaśnić, w jaki sposób dochodzi do powstania zorzy polarnej;
- zna skład chemiczny atmosfery;
- charakteryzuje poszczególne warstwy atmosfery;
- wyjaśnia znaczenie atmosfery w życiu człowieka.

Treści przedstawiane na lekcji:
Geosfery to warstwy Ziemi różniące się stanem skupienia i składem chemicznym. Są one koncentrycznie ułożone i niektóre z nich stykają się w obrębie powłoki ziemskiej: atmosfera, hydrosfera, litosfera.
Najbardziej zewnętrzną geosferą jest magnetosfera – obszar wokół ziemskiej przestrzeni, w której rozchodzi się ziemskie pole magnetyczne. Znajduje się ona 50 tysięcy kilometrów nad powierzchnią Ziemi w jej części doświetlonej i do paru milionów kilometrów w części nieoświetlonej. Warstwa ta chroni organizmy na Ziemi przed szkodliwym działaniem cząstek wiatru słonecznego.

Pole magnetyczne powstaje w jądrze zewnętrznym Ziemi, zbudowanym z niklu i żelaza, które jest w ciągłym ruchu, wywołanym ruchem obrotowym Ziemi.
Występujące wokół Ziemi pole magnetyczne, chroni człowieka i inne żyjące organizmy przed szkodliwym działaniem wiatru słonecznego, czyli silnie naładowanych elektrycznie cząstek, rozchodzących się od Słońca. W okolicy biegunów, grubość magnetosfery jest najmniejsza i część cząstek przedostaje się do atmosfery, gdzie zderzają się z atomami i cząsteczkami tlenu i azotu. Efektem jest uwolnienie nadmiaru energii w postaci światła. Dlatego powstają zorze polarne, jasne obłoki widziane na niebie z miejsc na wyższych szerokościach geograficznych (powyżej 50⁰ szerokości geograficznej).
W wyniku różnych procesów zachodzących we wnętrzu Ziemi, położenie bieguna magnetycznego zmienia się i obecnie nie całkiem pokrywa się z biegunem geograficznym. To sprawia, że igła kompasu nie wskazuje dokładnie kierunku do północnego bieguna geograficznego.
Pole magnetyczne ulega zmianom, które są wywołane zaburzeniami atmosferycznymi lub oddziaływaniem skał zawierających kruszce metali.
Atmosfera to powłoka gazowa, która styka się bezpośrednio z litosferą i hydrosferą, a z drugiej strony uchodzi w przestrzeń międzyplanetarną. Najważniejszymi pierwiastkami gazowymi są: azot (78%) i tlen (prawie 21%). Pozostały 1% wypełnia argon, dwutlenek węgla i inne gazy (neon, krypton, hel, wodór, ksenon, ozon) w śladowych ilościach. Oprócz gazów, atmosfera zawiera także zmienne ilości cząstek pary wodnej, kryształków lodu, śniegu, cząstki pyłów: pustynnych, wulkanicznych, roślinnych, bakterii i zanieczyszczeń, zaliczanych do tzw. aerozoli. Atmosfera sięga nawet 1000 km, ale 90% jej masy jest skoncentrowane w pierwszych sześciu kilometrach. Składa się ona ze sfer podzielonych tzw. pauzami.
Atmosfera Ziemi została utworzona głównie przez gazy uwolnione z litosfery w archaiku. Gazy emitowane do atmosfery w późniejszym okresie przeważnie w trakcie wybuchów wulkanicznych odegrały drugorzędną rolę. Pierwotna atmosfera miała charakter redukcyjny i składała się głównie z: CO₂, N₂, H₂O, CH₄, NH₃, SO₂, HCl, H₂, He. Na świecie nie było jeszcze tlenu.
Tlen pojawił się w wyniku procesów fotodysocjacji, czyli reakcji chemicznej, polegającej na rozpadzie dowolnego związku chemicznego pod wpływem światła i fotosyntezy, polegającej na wytwarzaniu związków organicznych z materii nieorganicznej przez komórki zawierające chlorofil, przy udziale światła.
Troposfera to najniższa warstwa atmosfery sięgająca do 18 km nad równikiem i do 6 km nad biegunami. Jej grubość zależy od konwekcji i siły odśrodkowej. Zachodzą w niej procesy pogodowe i zjawiska meteorologiczne takie jak: wyładowania atmosferyczne, deszcze, wiatry. Charakterystyczny jest spadek temperatury średnio 0,6⁰C na każde 100 m wysokości. Dlatego temperatura spada nawet do -60⁰C przy granicy z następną sferą. Spada również ciśnienie. Przy powierzchni Ziemi ma ok. 1013 hPa, a w górnej części troposfery, zaledwie 200 hPa. Średni spadek ciśnienia wynosi 11,5 hPa na 100 metrów.
W kolejnej sferze: stratosferze, sięgającej do 50 km nad Ziemią, zaznaczają się silne poziome ruchy powietrza i równomierny wzrost temperatury powietrza związany z występowaniem warstwy ozonowej. Warstwa ta zawiera trójatomowe cząsteczki tlenu chroniące życie na Ziemi przed zabójczym działaniem promieniowania ultrafioletowego. W troposferze też występują w śladowych ilościach cząsteczki ozonu. Powstają na skutek wyładowań atmosferycznych. Ale dla zwierząt i roślin są toksyczne, gdyż powodują niszczenie aparatów oddechowych. Gdyby natomiast nie było warstwy ozonowej w stratosferze, to promieniowanie ultrafioletowe niszczyłoby cząsteczki kwasów, z których zbudowane jest DNA, a w następstwie prowadziłoby to do rozwoju raka skóry. Temperatura w stratosferze wzrasta w górnej części do ok. 0⁰C.
Mezosfera sięga do 80 km nad Ziemię, a w niej ponownie temperatura spada do ok. -80⁰C. Mezosfera odbija fale radiowe w zakresie długim i średnim.
Powyżej rozpoczyna się termosfera, której cechą charakterystyczną jest znaczny wzrost temperatury aż do 1500⁰C. Dochodzi tam do jonizacji powietrza.
Egzosfera jest najbardziej zewnętrzna, powyżej 750 km przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną, a temperatura spada w niej do granicy zera absolutnego.
Z uwagi na określone właściwości chemiczne, atmosfera chroni człowieka przed zgubnym działaniem promieniowania słonecznego. Obce ciała niebieskie o niewielkich rozmiarach, spalają się w atmosferze, zanim dotrą do lądu. Dzięki specyficznym właściwościom troposfery, zachodzą w niej zjawiska pogodowe, dając wodę na ziemi i chroniąc przed wypromieniowaniem zbyt dużej ilości ciepła.
Na Ziemi występuje zjawisko efektu cieplarnianego i dzięki temu średnia temperatura jest wyższa o ponad 30⁰C i wynosi 15⁰C.
Dzięki dodatniej temperaturze i obecności tlenu, produktu fotosyntezy, w atmosferze rozwija się życie.
Zachodzi w niej również wiele procesów, np. wietrzenie czy erozja.

Zadania i polecenia:
Minimum:
1. Jak nazywają się gazy, które wchodzą w skład atmosfery?
2. Wyjaśnij pojęcie aerozoli w atmosferze.
3. Która warstwa atmosfery chroni człowieka przed promieniowaniem ultrafioletowym?
4. Jakie znaczenie dla człowieka ma atmosfera?
Na lepszą ocenę:
1. W jaki sposób wykształciło się pole magnetyczne wokół Ziemi?
2. Jak dochodzi do powstania zorzy polarnych?
3. Dlaczego grubość troposfery zmienia się w różnych miejscach na Ziemi?
4. Przedstaw przebieg temperatury i ciśnienia w atmosferze.

Zapis lekcji:
1. Rodzaje geosfer.
2. Znaczenie magnetosfery, dla życia organizmów na Ziemi.
3. Skład chemiczny atmosfery.
4. Charakterystyka warstw atmosfery.
5. Znaczenie atmosfery dla życia człowieka