Warstwy · 5Granica · umownaSpadek · 6,5°C/kmTropopauza · 11 km
Rozdział 2 / Scena

Gdzie kończy się niebo

Atmosfera nie ma sufitu, ma za to wyraźne piętra — i wyznacza je temperatura, nie wysokość.

TL;DR
Obserwacja · granica, której nie ma

Gdzie właściwie kończy się powietrze

W poprzednim rozdziale ustaliliśmy, że powietrze rozrzedza się stopniowo: co mniej więcej pięć i pół kilometra w górę zostaje go o połowę mniej. Ta reguła nie ma końca. Połowa połowy połowy — zawsze coś zostaje, coraz mniej i mniej, bez żadnej krawędzi.

Dlatego pytanie „na jakiej wysokości kończy się atmosfera" nie ma odpowiedzi fizycznej. Ma za to odpowiedź administracyjną, i to jest zaskakująco pouczające.

Umowna granica kosmosu, tak zwana linia Kármána, leży na wysokości stu kilometrów. Wybrano ją, bo mniej więcej tam kończy się sens latania w klasyczny sposób: żeby skrzydło wytworzyło siłę nośną w tak rzadkim powietrzu, samolot musiałby lecieć szybciej niż prędkość orbitalna — a wtedy już nie leci, tylko krąży. Amerykańskie siły powietrzne przez lata używały zresztą innej wartości, osiemdziesięciu kilometrów, i przyznawały odznaki astronautów według własnej kreski.

Dwie instytucje, dwie różne granice tej samej rzeczy. To dobra lekcja na całą resztę książki: przyroda rzadko rysuje ostre linie. Rysujemy je my, bo są nam potrzebne — i warto pamiętać, po której stronie takiej linii stoi zjawisko, a po której nasza wygoda.

Dla porządku: na wysokości stu kilometrów powietrze jest około dwa miliony razy rzadsze niż przy ziemi. Ale nie jest go zero. Satelity na niskich orbitach, dwieście do czterystu kilometrów wyżej, wciąż odczuwają opór i muszą co jakiś czas podbijać orbitę silnikami. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna robi to kilka razy w roku. Formalnie jest w kosmosie, fizycznie ciągle ociera się o atmosferę.

Struktura · to, co naprawdę wyznacza piętra

Warstwy rysuje temperatura

Skoro powietrze rozrzedza się gładko, to skąd w ogóle biorą się warstwy? Nie z gęstości — ta spada monotonnie i nie ma na czym postawić granicy. Warstwy wyznacza coś zupełnie innego: kierunek, w którym zmienia się temperatura.

Wędrując w górę, temperatura najpierw spada. Potem, na pewnej wysokości, przestaje spadać i zaczyna rosnąć. Wyżej znów spada. Jeszcze wyżej znów rośnie. Każde takie odwrócenie to granica warstwy — i stąd wzięły się wszystkie nazwy z końcówką „-pauza": to miejsca, gdzie coś się zatrzymuje i zawraca.

To ważniejsze, niż wygląda. Temperatura rządzi tym, czy powietrze może się mieszać w pionie. Kiedy na dole jest cieplej niż na górze, cieplejsze porcje mają skłonność do unoszenia się i warstwa jest przemieszana. Kiedy odwrotnie — na górze cieplej — nic nie chce się unosić i warstwa staje się szczelna. Profil temperatury jest więc mapą tego, gdzie w atmosferze wolno się poruszać w pionie. Wrócimy do tego w Rozdziale 11 i okaże się, że decyduje o wszystkim.

Profil temperaturyprzesuń wysokość
11 km · tropopauza
temperatura −90°C → +20°C TROPOSFERA STRATOSFERA MEZOSFERA TERMOSFERA cała pogoda, 0–11 km ozon, samoloty, 11–50 km meteory, chmury srebrzyste, 50–85 km zorze, ISS, powyżej 85 km tropopauza · 11 km stratopauza · 50 km mezopauza · 85 km −90°C wysoko
Bursztynowa linia to temperatura. Wszędzie tam, gdzie zawraca, przebiega granica warstwy — i to jest cała definicja pięter atmosfery.

Warto zwrócić uwagę na dwie rzeczy, które ten wykres pokazuje, a które są sprzeczne z intuicją. Pierwsza: w stratosferze temperatura rośnie z wysokością. Grzeje ją ozon, pochłaniając ultrafiolet — czyli ciepło przychodzi z góry, nie z dołu. Ozon potrafi to, czego nie potrafi zwykły tlen, bo jego elektrony wpadają w drgania akurat w takt ultrafioletu docierającego od Słońca; dlaczego tak jest, zobaczymy w Rozdziale 3. Druga: najzimniejszym miejscem na całej planecie nie jest Antarktyda, tylko mezopauza na wysokości około osiemdziesięciu pięciu kilometrów, gdzie latem bywa poniżej minus stu stopni. Właśnie tam, w tym absurdalnym mrozie, tworzą się najwyższe chmury świata — wrócimy do nich w Rozdziale 18.

Sprawdzenie · trzy wyjaśnienia, które nie działają

Dlaczego wysoko jest zimno

To pytanie zadaje sobie każdy, kto raz wyszedł w góry albo spojrzał na wskaźnik temperatury za oknem samolotu: minus pięćdziesiąt sześć stopni, a przecież jesteśmy wyżej, czyli bliżej Słońca. Krążą trzy popularne odpowiedzi. Wszystkie trzy są błędne, a przekonanie się dlaczego jest bardziej wartościowe niż sama poprawna odpowiedź.

Trzy fałszywe tropy

Bo wysoko jest bliżej zimnego kosmosu.

Kosmos nie ma temperatury w potocznym sensie — jest niemal pusty, a pustka nie chłodzi przez kontakt. Gdyby bliskość kosmosu chłodziła, stratosfera nie byłaby cieplejsza od troposfery. A jest.

Trzy fałszywe tropy

Bo wysoko jest dalej od Słońca.

Jedenaście kilometrów wobec stu pięćdziesięciu milionów kilometrów to różnica rzędu jednej dziesięciomilionowej. Ziemia w ciągu roku zmienia odległość od Słońca o pięć milionów kilometrów i to też nie tłumaczy pór roku.

Trzy fałszywe tropy

Bo tam powietrze jest rzadsze, a rzadkie powietrze jest zimne.

Samo rozrzedzenie nie ustala temperatury. W termosferze powietrze jest jeszcze rzadsze, a pojedyncze cząsteczki mają tam temperaturę liczoną w setkach stopni. Byłoby tam gorąco — gdyby było czym się grzać.

Ten trop jest najbliżej prawdy i dlatego najbardziej myli. Rozrzedzenie ma znaczenie, ale nie samo z siebie — dopiero przez to, co robi z powietrzem, które się wznosi. To jest temat Rozdziału 10.

Odpowiedź prawdziwą podamy w całości później, bo wymaga jednego pojęcia, którego jeszcze nie mamy. W skrócie: troposfery Słońce prawie nie grzeje bezpośrednio. Światło widzialne przelatuje przez atmosferę niemal bez oporu, bo azot i tlen nie mają w nim żadnych rezonansów, czyli barw, w których takt ich elektrony chętnie by drgały i zatrzymywały energię. Coś po drodze zatrzymują jednak te gazy, które takie rezonanse mają: ozon łapie ultrafiolet wysoko w stratosferze, a para wodna — część podczerwieni ze Słońca. Resztę bierze dopiero ziemia — pole, asfalt, dach, woda. Powietrze przy gruncie dostaje ciepło od dołu, od rozgrzanej powierzchni. Troposfera jest więc ogrzewana od spodu, nie od góry, jak garnek na kuchence.

To pierwsza połowa odpowiedzi i już wyjaśnia, dlaczego przy ziemi jest cieplej. Druga połowa — dlaczego wznoszące się powietrze stygnie tak regularnie, o mniej więcej sześć i pół stopnia na każdy kilometr — to Rozdział 10. Zapowiedź: nie chodzi o żaden kontakt z zimnem, tylko o rozprężanie. To samo, co zna każdy, kto po pompowaniu roweru dotknął dna pompki.

↓ Dodatek B — adiabaty, emagram i CAPE, czyli te liczby na wykresie
Sufit · dlaczego chmury nie rosną w nieskończoność

Tropopauza, czyli twardy strop pogody

Ze wszystkich granic w atmosferze jedna ma dla tej książki znaczenie szczególne: tropopauza. To wysokość, na której temperatura przestaje spadać. Nad Polską leży zwykle około jedenastu kilometrów, nad równikiem sięga siedemnastu, nad biegunami spada do ośmiu.

Poniżej niej temperatura maleje ku górze, więc ciepłe powietrze ma dokąd się wznosić. Powyżej zaczyna rosnąć — a to znaczy, że wznosząca się porcja trafia na coraz cieplejsze otoczenie i natychmiast traci ochotę na dalszą podróż. Tropopauza działa jak sufit. Nie fizyczny, bo nic tam nie ma; sufit termiczny.

Efekt widać gołym okiem i jest to prawdopodobnie najbardziej spektakularny widok, jaki ta książka opisuje. Chmura burzowa rośnie w górę kilometrami, wygląda jak kalafior pchający się w niebo — aż nagle się rozpłaszcza i rozlewa na boki w charakterystyczne kowadło. Uderzyła w tropopauzę. Cała energia, która szła w pion, musi teraz iść w poziom.

Ten sam sufit tłumaczy, dlaczego samoloty rejsowe latają akurat na jedenastu kilometrach. Nie jest to przypadek ani kompromis paliwowy — to lot tuż nad pogodą. Nad tropopauzą praktycznie nie ma pionowego mieszania, a więc nie ma turbulencji konwekcyjnej, nie ma chmur i nie ma burz. Jedyne, co tam czeka, to prąd strumieniowy, którym da się sprytnie płynąć albo pod który trzeba się podpierać.

Tropopauza jako sufitdlaczego kowadło jest płaskie
STRATOSFERA · temperatura rośnie ku górze tropopauza · ~11 km ziemia TROPOSFERA · temperatura spada ku górze kowadło — energia idzie w bok, bo w górę nie może prąd wstępujący samolot leci nad pogodą
Kowadło to nie ozdoba burzy. To ślad po suficie, w który uderzyła.
Konsekwencja · dlaczego to nas dotyczy

Wszystko dzieje się w najniższej warstwie

Zbierzmy to razem, bo wniosek jest mocniejszy niż suma części. Atmosfera ma pięć warstw, sięga umownie stu kilometrów, a formalnie znacznie wyżej. Ale osiemdziesiąt procent jej masy i praktycznie sto procent tego, co nazywamy pogodą, mieści się w najniższej z nich — w troposferze, w warstwie o grubości jedenastu kilometrów.

Jedenaście kilometrów. To jest odległość, którą przejeżdżamy samochodem w kwadrans. Gdyby dało się jechać pionowo, w kwadrans wyjechalibyśmy ponad każdą chmurę, jaką kiedykolwiek widzieliśmy, ponad każdą burzę i ponad całe niebo, o którym jest ta książka.

Ta warstwa jest przy tym niezwykle ruchliwa. Ponieważ grzeje ją od spodu nierównomiernie nagrzana powierzchnia — inaczej pole, inaczej las, inaczej jezioro, inaczej miasto — w środku bez przerwy coś się unosi i coś opada. Troposfera to nazwa całkiem trafna: greckie tropos znaczy „obrót, zmiana". Warstwa, która się miesza.

Wszystko, co dalej: kolor nieba, każda chmura, każda tęcza, każdy front i każda burza, dzieje się w tej jednej, cienkiej, nieustannie mieszanej warstwie. Reszta atmosfery jest tłem.

Ciało · dokąd można wejść bez maski

Powietrza jest dość tylko na samym dole

„Połowa masy atmosfery poniżej pięciu i pół kilometra" brzmi jak ciekawostka, dopóki nie zestawimy tego z tym, ile powietrza potrzebuje człowiek. Wtedy okazuje się, że ta liczba wyznacza mniej więcej granicę, do której nasze ciało jeszcze sobie radzi.

Powyżej dwóch i pół kilometra część ludzi łapie chorobę wysokościową — organizm nie nadąża z pobieraniem tlenu z rozrzedzonego powietrza. Około pięciu kilometrów leży kres stałego osadnictwa: wyżej są kopalnie i schroniska, ale nikt się tam nie rodzi i nie starzeje. Powyżej siedmiu i pół kilometra zaczyna się strefa śmierci — nawet zaaklimatyzowany wspinacz tam nie regeneruje, tylko powoli słabnie, i dlatego na Mount Everest, na wysokości ośmiu i osiem, prawie wszyscy idą z butlą.

Dokąd sięga człowiekciśnienie znad poziomu morza
0 5 km 10 km 15 km 20 km Zakopane · 0,8 km · ok. 91% ciśnienia Rysy · 2,5 km · ok. 74% granica stałego osadnictwa · 5 km · ok. 53% Mount Everest · 8,8 km · ok. 33%, zwykle z tlenem pułap samolotu · 11 km · ok. 22%, kabina pod ciśnieniem granica Armstronga · 19 km · ok. 6%, ślina wrze
Na pułapie przelotowym niehermetyczna kabina odbiera przytomność w dwie minuty. Na dziewiętnastu kilometrach woda o temperaturze ciała — ślina, łzy, osocze — zaczyna wrzeć, i skafander przestaje różnić się od kosmicznego.

Pułap rejsowy to jedenaście kilometrów i tam powietrza jest już tylko piąta część. Kabina jest dlatego dopompowana do ciśnienia z mniej więcej dwóch kilometrów — stąd strzykanie w uszach przy zniżaniu. A na dziewiętnastu kilometrach, wciąż osiemdziesiąt kilometrów pod umowną granicą kosmosu, ciśnienie spada tak nisko, że woda o temperaturze ciała wrze sama z siebie. Cała biologia człowieka mieści się w dolnych trzech kilometrach tej jednej warstwy.

Pomiar · balon, który pęka codziennie

Wykres temperatury to nie teoria — to balon

Krzywa z poprzedniej sekcji, ta z załamaniem na tropopauzie i wzrostem w stratosferze, wygląda na coś wyliczonego. Nie jest. Jest mierzona, dwa razy na dobę, z około ośmiuset miejsc na świecie — w Polsce między innymi z Legionowa, Łeby i Wrocławia.

Gumowy balon szerokości dwóch metrów, napełniony wodorem albo helem, unosi małą sondę radiową — po polsku radiosonda — która co sekundę melduje temperaturę, wilgotność, ciśnienie, a z przesunięcia sygnału GPS także wiatr. W miarę wznoszenia ciśnienie na zewnątrz spada, więc balon pęcznieje; gdzieś koło trzydziestu kilku kilometrów jest już wielkości domu i pęka. Sonda wraca na małym spadochronie, czasem ktoś ją znajduje w polu.

Sondaż atmosferydwa razy na dobę, od ziemi po stratosferę
Legionowo · 00:00 i 12:00 UTC start · balon ok. 2 m 10 km · balon pęcznieje ok. 33 km — wielkości domu, pęka sonda wraca
Każda prognoza, jaką kiedykolwiek widzieliśmy, zaczyna się od tych startów — tak samo nad Legionowem, jak nad Pacyfikiem.

Dlatego kontrintuicyjny kształt tej krzywej — nagły kant na jedenastu kilometrach, wzrost powyżej — nie jest niczyim modelem. To jest to, co balon zmierzył po drodze w górę.

Dół troposfery · pierwsze kilkaset metrów

Pogodę robi cała troposfera, ale my siedzimy w jej piwnicy

Troposfera ma jedenaście kilometrów, ale ta jej część, która dotyka nas bezpośrednio, jest o wiele cieńsza. Nazywamy ją warstwą graniczną — to dolne kilkaset metrów do jakichś dwóch kilometrów, w których powietrze czuje tarcie o grunt i jego dobowe nagrzewanie. Wyżej zaczyna się „wolna atmosfera", która o powierzchnię już nie dba.

W słoneczny dzień grunt grzeje powietrze od spodu i wprawia je w ruch: warstwa graniczna rośnie, po południu bywa gruba na dwa kilometry, a dym i zamglenie rozchodzą się w całej jej objętości. Nocą grunt stygnie, mieszanie ustaje, i warstwa zapada się do płytkiej, nieruchomej, często zimniejszej błony grubej na kilkadziesiąt metrów.

Warstwa graniczna: dzień i nocta sama okolica, dwanaście godzin różnicy
DZIEŃ wysokość mieszania · do ~2 km grunt grzeje → dym rozchodzi się w całej warstwie NOC wolna atmosfera — nieruchoma wieczorny strop · kilkadziesiąt metrów smog, mgła i mróz zbierają się tuż nad ziemią
Ten sam komin: za dnia smuga rozprasza się w górę, w nocy rozpełza po płaskim wieczornym stropie. To jedno pół kilometra decyduje, czy rano jest mgła i czy szron.

Dlatego smog, mgła i przymrozek to zjawiska nocy i poranka, dlatego wieczorna smuga z komina rozlewa się płasko zamiast iść w górę, i dlatego temperatura spada najszybciej w godzinie po zachodzie. Zimą w dolinie ta płytka zimna warstwa potrafi utrzymać się kilka dni — to ta sama inwersja, o której mowa w „Z praktyki". Mówiąc „pogoda", w dziewięciu przypadkach na dziesięć mamy na myśli to, co dzieje się w tej piwnicy, nie na jedenastym kilometrze.

Z praktyki

Ekran w samolocie mówi prawdę. Temperatura za burtą na wysokości przelotowej to typowo od minus pięćdziesięciu do minus sześćdziesięciu stopni — i to latem, nad Polską. Warto raz na to spojrzeć zamiast na film, bo to jedyna okazja, żeby zobaczyć profil temperatury z tej książki jako liczbę, a nie jako wykres.

Kowadło widać z bardzo daleka. Burza, która wypuściła kowadło, jest już dojrzała — i widać ją nawet ze stu kilometrów, bo jej szczyt stoi na jedenastu kilometrach. Jeśli latem na horyzoncie widzimy biały, płaski, rozlany na boki wierzchołek, patrzymy na coś, co dzieje się prawdopodobnie w zupełnie innym powiecie. Kierunek jego „ogona" pokazuje, w którą stronę burza się przesuwa.

Inwersja w kotlinie. Zimą w Zakopanem, w Krakowie i w każdej dolinie zdarza się, że wyjazd kolejką w górę oznacza wyjście w cieplejsze powietrze i pełne słońce, gdy na dole trzyma mróz i smog. To lokalne odwrócenie profilu temperatury — dokładnie ta sama mechanika, która w skali całej atmosfery tworzy stratosferę. Zajmiemy się nią w Rozdziale 11.

Słowniczek
troposfera
Najniższa warstwa, 0–11 km nad Polską. Temperatura spada z wysokością, powietrze się miesza, mieszka tu cała pogoda.
tropopauza
Granica, na której temperatura przestaje spadać. Termiczny sufit dla chmur burzowych — stąd płaskie kowadła.
stratosfera
11–50 km. Temperatura tu rośnie z wysokością, bo ozon pochłania ultrafiolet. Powietrze prawie się nie miesza w pionie, stąd nazwa: warstwowa.
mezosfera
50–85 km. Spalają się w niej meteory. Zawiera najzimniejsze miejsce planety.
termosfera
Powyżej 85 km. Pojedyncze cząsteczki mają setki stopni, ale jest ich tak mało, że nie da się tam ogrzać. Tu świecą zorze i krąży ISS.
linia Kármána
Umowna granica kosmosu na 100 km. Wybór ludzi, nie zjawisko przyrody — inne instytucje używają innych wartości.
gradient temperatury
Tempo, w jakim temperatura zmienia się z wysokością. W troposferze średnio 6,5°C na kilometr w dół.
Idź głębiej
Dodatek C — Rozpraszanie w liczbach: gdzie atmosfera zjada światło (pasma pochłaniania) Dodatek Q — Chmury srebrzyste i perłowe: mieszkanki górnej atmosfery