Τα στρώματα της ατμόσφαιρας: Ταξίδι από το έδαφος μέχρι το κενό

Αν μπορούσατε να μπείτε σε ένα ασανσέρ στην επιφάνεια της θάλασσας και να ανεβείτε κατακόρυφα προς τα πάνω, δεν θα περνούσατε ποτέ από μια πόρτα με την ταμπέλα «τέλος ατμόσφαιρας». Θα νιώθατε όμως τη θερμοκρασία να πέφτει, μετά να ανεβαίνει, μετά πάλι να καταρρέει και τελικά να εκτοξεύεται σε χιλιάδες βαθμούς χωρίς εσείς να ζεσταθείτε καθόλου. Αυτές ακριβώς οι αναστροφές είναι ο λόγος που οι επιστήμονες χωρίζουν την ατμόσφαιρα σε πέντε στρώματα της ατμόσφαιρας, καθένα με τη δική του φυσική. Δεν πρόκειται για ξεχωριστά δωμάτια με τοίχους ανάμεσά τους, αλλά για ζώνες που ορίζονται από το πώς συμπεριφέρεται η θερμοκρασία καθώς ανεβαίνουμε.

Γιατί η ατμόσφαιρα χωρίζεται με βάση τη θερμοκρασία

Η πυκνότητα του αέρα μειώνεται σταθερά με το ύψος, χωρίς εκπλήξεις. Η θερμοκρασία όχι. Ανεβαίνοντας από το έδαφος, ο αέρας κρυώνει, ύστερα αρχίζει ξαφνικά να ζεσταίνεται, μετά ξανακρυώνει και στο τέλος θερμαίνεται δραματικά. Κάθε φορά που αυτή η τάση αντιστρέφεται, οι επιστήμονες χαράζουν ένα όριο. Έτσι προέκυψαν τα πέντε στρώματα και τα τέσσερα όρια ανάμεσά τους, που ονομάζονται τροπόπαυση, στρατόπαυση, μεσόπαυση και θερμόπαυση. Η κατάληξη προέρχεται από την ελληνική λέξη παύση: η τροπόπαυση είναι το ύψος όπου παύει η τροπόσφαιρα και ξεκινά η επόμενη ζώνη, και το ίδιο ισχύει για τις υπόλοιπες.

Σε γενικές γραμμές, η δομή που χρησιμοποιούν σήμερα NASA και NOAA είναι η εξής:

• Τροπόσφαιρα, από το έδαφος έως περίπου τα 12 χιλιόμετρα. Εδώ γίνεται ο καιρός.

• Στρατόσφαιρα, από τα 12 έως τα 50 χιλιόμετρα. Εδώ βρίσκεται το όζον.

• Μεσόσφαιρα, από τα 50 έως τα 85 χιλιόμετρα. Εδώ καίγονται οι διάττοντες.

• Θερμόσφαιρα, από τα 85 έως τα 600 χιλιόμετρα. Εδώ βρίσκονται το σέλας και ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός.

• Εξώσφαιρα, από τα 600 χιλιόμετρα και πάνω. Εδώ τα άτομα διαφεύγουν στο διάστημα.

  
  

Τα υψόμετρα δεν είναι απόλυτα. Μεταβάλλονται με το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή και την ηλιακή δραστηριότητα, γι' αυτό και διαφορετικές πηγές δίνουν ελαφρώς διαφορετικούς αριθμούς για το ίδιο όριο.

Τροπόσφαιρα, ο κόσμος μας σε δώδεκα χιλιόμετρα

Η τροπόσφαιρα είναι το λεπτότερο από τα πέντε στρώματα, αλλά συγκεντρώνει τη συντριπτική πλειονότητα της μάζας της ατμόσφαιρας και σχεδόν το 99% των υδρατμών της. Εκτείνεται από την επιφάνεια μέχρι περίπου τα 12 χιλιόμετρα, αν και το πάχος της ποικίλλει έντονα: πέφτει κάτω από τα 6 χιλιόμετρα πάνω από τους πόλους και φτάνει τα 18 με 20 χιλιόμετρα πάνω από τον ισημερινό, όπου ο ζεστός αέρας ανεβαίνει ψηλότερα.

Εδώ συμβαίνει ουσιαστικά όλος ο καιρός. Ο ήλιος δεν θερμαίνει άμεσα τον αέρα, θερμαίνει το έδαφος και τους ωκεανούς, που με τη σειρά τους ακτινοβολούν θερμότητα προς τα πάνω. Γι' αυτό η θερμοκρασία μειώνεται με το ύψος, από έναν παγκόσμιο μέσο όρο γύρω στους 17 °C στην επιφάνεια μέχρι περίπου τους -51 °C στην τροπόπαυση. Αυτή η διαφορά τροφοδοτεί τα ανοδικά ρεύματα, τα σύννεφα, τις καταιγίδες και τους ανέμους. Στα ανώτερα στρώματά της ρέουν και τα αεροχείμαρρα, τα jet streams, που επηρεάζουν τη διάρκεια των υπερατλαντικών πτήσεων.

Ο ορειβάτης στην κορυφή του Έβερεστ, στα 8,8 χιλιόμετρα, βρίσκεται ακόμη μέσα στην τροπόσφαιρα. Το ίδιο και το επιβατικό αεροπλάνο στα 10 με 11 χιλιόμετρα, αν και τα σύγχρονα αεροσκάφη μεγάλων αποστάσεων συχνά ανεβαίνουν λίγο ψηλότερα, στα πρώτα μέτρα της στρατόσφαιρας.

Στρατόσφαιρα, η ήρεμη ζώνη του όζοντος

Πάνω από την τροπόπαυση η λογική αντιστρέφεται. Στη στρατόσφαιρα, που φτάνει μέχρι τα 50 χιλιόμετρα, η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος, από τους -51 °C στη βάση της μέχρι περίπου τους -15 °C στην κορυφή της. Η αιτία είναι η στιβάδα του όζοντος, μια περιοχή ανάμεσα στα 15 και τα 35 χιλιόμετρα όπου τα μόρια όζοντος απορροφούν την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία και μετατρέπουν την ενέργειά της σε θερμότητα.

Αυτή η αναστροφή έχει μια σημαντική συνέπεια: ο θερμός αέρας βρίσκεται πάνω από τον ψυχρό, οπότε δεν υπάρχει κατακόρυφη ανάμειξη. Η στρατόσφαιρα είναι στρωματοποιημένη και ασυνήθιστα ήρεμη, γι' αυτό και τα επιβατικά αεροσκάφη προτιμούν το κατώτερο τμήμα της για πιο σταθερή πτήση. Το ίδιο χαρακτηριστικό όμως σημαίνει ότι ό,τι φτάσει εκεί πάνω, από ηφαιστειακή τέφρα μέχρι χλωροφθοράνθρακες, παραμένει για χρόνια.

Η στρατόσφαιρα είναι επίσης το ανώτατο σημείο που έχει φτάσει άνθρωπος χωρίς πύραυλο. Στις 24 Οκτωβρίου 2014 ο Αμερικανός μηχανικός Alan Eustace ανέβηκε με μπαλόνι ηλίου στα 41.419 μέτρα και πήδηξε, καταρρίπτοντας το ρεκόρ που είχε θέσει ο Felix Baumgartner το 2012 από τα περίπου 39 χιλιόμετρα. Και οι δύο βρίσκονταν βαθιά μέσα στην ατμόσφαιρα, πολύ μακριά από οτιδήποτε θα μπορούσε να ονομαστεί διάστημα, αν και είδαν από πάνω τους μαύρο ουρανό.

Μεσόσφαιρα, το ψυχρότερο σημείο του πλανήτη

Από τα 50 μέχρι τα 85 χιλιόμετρα εκτείνεται η μεσόσφαιρα, το λιγότερο μελετημένο από τα πέντε στρώματα. Είναι πολύ ψηλά για αερόστατα και αεροσκάφη και πολύ χαμηλά για δορυφόρους, οπότε οι μετρήσεις γίνονται κυρίως με ερευνητικούς πυραύλους, lidar και τηλεπισκόπηση.

Χωρίς όζον για να απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία, η θερμοκρασία πέφτει ξανά με το ύψος και αγγίζει τους -90 °C κοντά στην κορυφή, το ψυχρότερο σημείο ολόκληρης της ατμόσφαιρας. Εκεί, στα 76 με 85 χιλιόμετρα, σχηματίζονται τα νυκτιλαμπή νέφη, τα ψηλότερα σύννεφα του πλανήτη, όταν οι ελάχιστοι υδρατμοί παγώνουν πάνω σε κόκκους σκόνης μετεωριτικής προέλευσης. Φαίνονται από το έδαφος τα καλοκαίρια σε μεσαία και υψηλά γεωγραφικά πλάτη, μετά τη δύση, σαν ηλεκτρικές γαλάζιες κορδέλες.

Η μεσόσφαιρα είναι επίσης η ασπίδα μας απέναντι στους μετεωρίτες. Ο αέρας εκεί είναι ήδη ασύλληπτα αραιός, αλλά αρκετά πυκνός ώστε ένα σωματίδιο που εισέρχεται με δεκάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο να θερμανθεί από την τριβή και να εξαερωθεί. Κάθε διάττοντας που βλέπετε είναι ένα κομμάτι διαστημικού υλικού που κάηκε σε αυτό το στρώμα.

Θερμόσφαιρα, χιλιάδες βαθμοί που δεν καίνε

Πάνω από τη μεσόπαυση αρχίζει η θερμόσφαιρα, ένα τεράστιο στρώμα που εκτείνεται μέχρι περίπου τα 600 χιλιόμετρα. Εδώ η θερμοκρασία εκτοξεύεται από τους -120 °C στη βάση μέχρι και τους 2.000 °C στα ανώτερα τμήματά της, καθώς τα λιγοστά μόρια οξυγόνου και αζώτου απορροφούν ακτίνες Χ και ακραία υπεριώδη ακτινοβολία.

Και όμως, ένας άνθρωπος εκεί δεν θα ένιωθε καμία ζέστη. Η θερμοκρασία περιγράφει πόση ενέργεια έχει κάθε μόριο, όχι πόση θερμότητα μπορεί να σας μεταφέρει. Στη θερμόσφαιρα τα μόρια είναι τόσο αραιά που οι συγκρούσεις με το δέρμα σας θα ήταν ελάχιστες. Ένα θερμόμετρο εκεί πάνω θα κατέγραφε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Είναι η ίδια λογική με τις σταγόνες καυτού λαδιού που πετάγονται από ένα τηγάνι: υψηλή θερμοκρασία, αμελητέα μάζα.

Στη θερμόσφαιρα συμβαίνουν τα περισσότερα από όσα θεωρούμε «διαστημικά». Το βόρειο σέλας σχηματίζεται τυπικά ανάμεσα στα 100 και τα 300 χιλιόμετρα, όταν φορτισμένα σωματίδια από τον Ήλιο συγκρούονται με άτομα οξυγόνου και αζώτου. Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός κινείται γύρω στα 400 χιλιόμετρα, δηλαδή μέσα στη θερμόσφαιρα, και χάνει συνεχώς ύψος λόγω της υπολειμματικής ατμοσφαιρικής τριβής. Χρειάζεται περιοδικές ωθήσεις για να μείνει σε τροχιά, κάτι που δείχνει καθαρά ότι εκεί πάνω υπάρχει ακόμη αέρας.

Εξώσφαιρα, εκεί που η ατμόσφαιρα δεν τελειώνει ποτέ

Το τελευταίο στρώμα, η εξώσφαιρα, ξεκινά γύρω στα 600 χιλιόμετρα και τυπικά φτάνει τα 10.000 χιλιόμετρα. Αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από άτομα υδρογόνου και ηλίου, τόσο απομακρυσμένα μεταξύ τους ώστε να μπορούν να ταξιδέψουν εκατοντάδες χιλιόμετρα χωρίς να συγκρουστούν με τίποτα. Πολλά από αυτά ξεφεύγουν οριστικά από τη βαρύτητα της Γης.

Πού ακριβώς σταματά όμως; Εδώ κάθε προσπάθεια να χαραχτεί όριο συναντά τα όριά της. Το 2019, ομάδα με επικεφαλής τον Igor Baliukin του Ινστιτούτου Διαστημικών Ερευνών της Μόσχας ανέλυσε παλιά δεδομένα του οργάνου SWAN του διαστημικού παρατηρητηρίου SOHO των ESA και NASA και έδειξε ότι το νέφος υδρογόνου γύρω από τη Γη, η γεωστέμμα, εκτείνεται μέχρι τα 630.000 χιλιόμετρα, δηλαδή περίπου πενήντα φορές τη διάμετρο του πλανήτη μας. Η Σελήνη, σε μέση απόσταση 384.400 χιλιομέτρων, κινείται μέσα σε αυτό το νέφος. Τεχνικά, οι αστροναύτες του Apollo δεν έφυγαν ποτέ από την ατμόσφαιρα της Γης.

Πού μπαίνει η γραμμή Κάρμαν σε αυτή την εικόνα

Το πιο διαδεδομένο όριο του διαστήματος, η γραμμή Κάρμαν στα 100 χιλιόμετρα, δεν συμπίπτει με κανένα από τα όρια των στρωμάτων. Πέφτει μέσα στη θερμόσφαιρα, αρκετά πάνω από τη μεσόπαυση και πολύ κάτω από τη θερμόπαυση. Δεν είναι φυσικό σύνορο αλλά ανθρώπινη σύμβαση, που καθιερώθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1960 από τη Διεθνή Αεροναυτική Ομοσπονδία επειδή ήταν ένας βολικός στρογγυλός αριθμός.

Ο λόγος που η σύμβαση στέκει είναι στατιστικός: κάτω από τα 100 χιλιόμετρα βρίσκεται περίπου το 99,99997% της μάζας της ατμόσφαιρας. Ό,τι μένει από πάνω είναι πραγματικά ελάχιστο, αλλά όχι μηδενικό, και γι' αυτό κάθε δορυφόρος σε χαμηλή τροχιά επιβραδύνεται συνεχώς.

Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχουν και άλλοι τρόποι να «κοπεί» η ατμόσφαιρα. Η ιονόσφαιρα, η περιοχή των ιονισμένων σωματιδίων που κάνει δυνατές τις ραδιοεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, εκτείνεται από τα 48 μέχρι περίπου τα 965 χιλιόμετρα και τέμνει τρία διαφορετικά στρώματα ταυτόχρονα. Ο διαχωρισμός σε ομόσφαιρα και ετερόσφαιρα, με βάση το αν τα αέρια είναι καλά αναμεμειγμένα ή διαχωρισμένα κατά μοριακό βάρος, δίνει επίσης εντελώς διαφορετικά όρια. Κάθε διαχωρισμός εξυπηρετεί διαφορετική ερώτηση.

Ένα συνεχές φάσμα, όχι σκαλοπάτια

Το πιο χρήσιμο πράγμα που μπορεί να κρατήσει κανείς από τα ατμοσφαιρικά στρώματα είναι ότι δεν υπάρχουν σκαλοπάτια. Η ατμόσφαιρα είναι ένα συνεχές, εξαιρετικά λεπτό στρώμα αερίου που αραιώνει εκθετικά προς τα έξω. Αν η Γη είχε το μέγεθος ενός μήλου, ολόκληρη η τροπόσφαιρα θα ήταν λεπτότερη από τη φλούδα του.

Τα ονόματα, οι αριθμοί και τα όρια είναι δικά μας εργαλεία, φτιαγμένα για να μπορούμε να μιλάμε για κάτι που στην πραγματικότητα σβήνει σταδιακά μέχρι να μη διακρίνεται πια από το μεσοπλανητικό κενό. Και ίσως αυτή είναι η πιο εντυπωσιακή λεπτομέρεια: το μόνο πράγμα που μας κρατά ζωντανούς είναι ένα φιλμ αέρα λίγων χιλιομέτρων, γύρω από έναν βράχο που ταξιδεύει σε ένα κενό χωρίς τέλος.

🌍

Συχνές ερωτήσεις

Ποια είναι τα πέντε στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης;

Τα πέντε στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης είναι, από την επιφάνεια προς τα πάνω, η τροπόσφαιρα, η στρατόσφαιρα, η μεσόσφαιρα, η θερμόσφαιρα και η εξώσφαιρα. Σύμφωνα με τη NASA και τη NOAA, η τροπόσφαιρα φτάνει περίπου στα 12 χιλιόμετρα, η στρατόσφαιρα στα 50, η μεσόσφαιρα στα 85, η θερμόσφαιρα στα 600 και η εξώσφαιρα εκτείνεται μέχρι περίπου τα 10.000 χιλιόμετρα. Ο διαχωρισμός βασίζεται στο πώς μεταβάλλεται η θερμοκρασία με το ύψος: σε κάθε στρώμα η τάση αντιστρέφεται. Τα ακριβή υψόμετρα μεταβάλλονται ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή και την ηλιακή δραστηριότητα.

Ποιο στρώμα της ατμόσφαιρας είναι το ψυχρότερο;

Το ψυχρότερο σημείο της ατμόσφαιρας της Γης βρίσκεται στην κορυφή της μεσόσφαιρας, γύρω στα 85 χιλιόμετρα ύψος, όπου η θερμοκρασία πέφτει περίπου στους -90 °C. Η μεσόσφαιρα δεν περιέχει όζον για να απορροφά την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, οπότε η θερμοκρασία μειώνεται σταθερά με το ύψος σε όλο το πάχος της. Στην ίδια περιοχή, ανάμεσα στα 76 και τα 85 χιλιόμετρα, σχηματίζονται τα νυκτιλαμπή νέφη, τα ψηλότερα σύννεφα του πλανήτη, από παγοκρυστάλλους. Είναι επίσης το στρώμα όπου καίγονται οι περισσότεροι μετεωρίτες που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα.

Σε ποιο στρώμα της ατμόσφαιρας βρίσκεται η γραμμή Κάρμαν;

Η γραμμή Κάρμαν, το συμβατικό όριο του διαστήματος στα 100 χιλιόμετρα, βρίσκεται μέσα στη θερμόσφαιρα και δεν συμπίπτει με το όριο κανενός ατμοσφαιρικού στρώματος. Καθιερώθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1960 από τη Διεθνή Αεροναυτική Ομοσπονδία (FAI) ως διοικητική σύμβαση για την κατάταξη των παγκόσμιων ρεκόρ, όχι ως φυσικό σύνορο. Κάτω από τα 100 χιλιόμετρα βρίσκεται περίπου το 99,99997% της μάζας της ατμόσφαιρας, γεγονός που δικαιολογεί την επιλογή. Η NASA και η αμερικανική Πολεμική Αεροπορία χρησιμοποιούν διαφορετικό όριο, τα 80,47 χιλιόμετρα, που είναι πιο κοντά στη μεσόπαυση.

Γιατί η θερμόσφαιρα φτάνει τους 2.000 βαθμούς αλλά δεν καίει;

Η θερμόσφαιρα φτάνει θερμοκρασίες έως και 2.000 °C επειδή τα λιγοστά μόρια οξυγόνου και αζώτου που περιέχει απορροφούν ακτίνες Χ και ακραία υπεριώδη ακτινοβολία από τον Ήλιο, αποκτώντας τεράστια ενέργεια. Ένας άνθρωπος όμως εκεί θα ένιωθε ακραίο ψύχος, γιατί η πυκνότητα του αερίου είναι τόσο χαμηλή που ελάχιστα μόρια θα προλάβαιναν να μεταφέρουν θερμότητα στο δέρμα του. Η θερμοκρασία μετρά την ενέργεια ανά μόριο, ενώ η αίσθηση της ζέστης εξαρτάται από το πλήθος των μορίων που σας χτυπούν. Για τον ίδιο λόγο ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός, που κινείται στα 400 περίπου χιλιόμετρα μέσα στη θερμόσφαιρα, δεν λιώνει.

Πού τελειώνει τελικά η ατμόσφαιρα της Γης;

Η ατμόσφαιρα της Γης δεν τελειώνει σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο, αλλά αραιώνει σταδιακά μέχρι να γίνει δυσδιάκριτη από το μεσοπλανητικό κενό. Μελέτη του 2019 με επικεφαλής τον Igor Baliukin, βασισμένη σε δεδομένα του οργάνου SWAN του παρατηρητηρίου SOHO των ESA και NASA, έδειξε ότι το νέφος υδρογόνου γύρω από τη Γη, γνωστό ως γεωστέμμα, φτάνει τα 630.000 χιλιόμετρα. Επειδή η Σελήνη απέχει κατά μέσο όρο 384.400 χιλιόμετρα, βρίσκεται τεχνικά μέσα στα εξώτατα όρια της γήινης ατμόσφαιρας. Η πυκνότητα εκεί είναι μόλις 0,2 άτομα ανά κυβικό εκατοστό, κάτι που στη Γη θα χαρακτηριζόταν κενό.

Το άρθρο δημιουργήθηκε με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης και βασίστηκε σε αξιόπιστες επιστημονικές πηγές. Η τελική επιμέλεια και ο έλεγχος έγιναν από την ομάδα του Infinite Odyssey πριν τη δημοσίευση. Για περισσότερες διαστημικές ειδήσεις στα ελληνικά, μείνετε συντονισμένοι.