Jordens atmosfär: iskall här, tusen grader där
En resa uppåt genom luften avslöjar varför temperatur inte alltid betyder värme – och varför gränsen mot rymden fortfarande förbryllar forskarna.
På sju–åtta mils höjd är atmosfären inte glödhet, utan nära sin kallaste punkt. Längre upp kan temperaturen däremot överstiga tusen grader. För att förstå skillnaden måste vi följa luftens molekyler från marken till rymdens utkant.
Tänk dig att en mätsond kunde stiga rakt upp från marken, förbi trafikflygets höjd, vidare över väderballongerna och ut mot satelliternas banor. Dess temperaturmätning skulle inte visa en jämn färd mot allt strängare kyla. Först sjunker temperaturen. Sedan stiger den. Därefter faller den igen – innan den skjuter upp till värden som för tankarna till en smältugn.
Ändå skulle ett föremål där uppe inte automatiskt bli glödhett.
Här finns atmosfärens stora tankefälla: temperatur beskriver hur energiska partiklarna är, men säger inte ensam hur mycket energi den omgivande gasen kan överföra till ett föremål. I nästan tom rymd blir skillnaden avgörande.
Och först behöver en vanlig höjduppgift rättas till. På sju–åtta mils höjd, alltså 70–80 kilometer, är luften normalt mycket kall. Temperaturer kring tusen grader hör framför allt hemma längre upp, i termosfären. Där kan gasen under vissa förhållanden nå över 2 000 grader Celsius.
Hur kan samma atmosfär rymma sådana motsatser? Svaret börjar med vad luften består av – och vilken strålning den kan fånga upp.
Ett tunt hölje med flera våningar
Nära jordytan består torr luft av ungefär 78 procent kväve, 21 procent syre och knappt en procent argon, plus små mängder andra gaser. Vattenånga tillkommer i varierande mängd. Jordens gravitation håller kvar gaserna, men molekylernas rörelse gör att de inte bara ligger som ett tätt skikt längs marken.
Lufttrycket är tyngden av luften ovanför oss, fördelad över en yta. Vid havsnivå är det omkring 101 300 pascal. Högre upp finns mindre luft ovanför, så trycket sjunker. Ungefär hälften av atmosfärens massa ligger under cirka 5,5 kilometers höjd.
Det finns inga fasta tak mellan atmosfärens lager. Gränserna är övergångszoner och deras höjd varierar. Den vanligaste indelningen utgår från hur temperaturen förändras uppåt.
Troposfären sträcker sig från marken till ungefär 8–18 kilometers höjd: lägre över polarområdena, högre över tropikerna. Här finns merparten av atmosfärens massa, nästan all vattenånga och det mesta av vädret. Temperaturen sjunker i genomsnitt omkring 6,5 grader per kilometer, men lokala avvikelser kan vara stora.
En viktig förklaring är att jordytan tar upp solenergi och värmer den nedersta luften. När ett luftpaket stiger möter det lägre tryck och expanderar. Expansionen kräver energi, vilket gör att luftpaketet kyls. Det är en grundläggande del av hur moln och vertikala luftrörelser uppstår.
Ovanför följer stratosfären, upp till ungefär 50 kilometer. Här vänder temperaturkurvan. Ozon absorberar ultraviolett strålning från solen, och energin omvandlas genom molekylära processer till värme. Nära stratosfärens övre gräns kan temperaturen ligga omkring noll grader Celsius.
Det är alltså inte bara avståndet till den varma marken som bestämmer temperaturen. Avgörande är också var solens olika våglängder lämnar ifrån sig sin energi.
På åtta mils höjd väntar köldrekordet
Nästa lager är mesosfären, från ungefär 50 till 85 kilometer. Där sjunker temperaturen åter med höjden. Uppvärmningen genom ozonabsorption är svagare än längre ner, samtidigt som atmosfären förlorar energi genom strålning till rymden.
Vid mesopausen, övergången till nästa lager, finns atmosfärens kallaste område. Temperaturer omkring minus 90 grader Celsius är vanliga som riktvärde, och i sommarens polara mesopaus kan det bli betydligt kallare, ibland under minus 130 grader.
Att den övre atmosfären över en sommarpol kan vara så kall låter bakvänt. Men temperaturen styrs inte bara av lokalt solljus. Storskaliga luftströmmar för upp luft som expanderar och kyls. Strömmarna drivs i sin tur till stor del av vågor som har färdats upp från lägre höjder.
I den stränga kylan kan mycket små iskristaller bildas på partiklar. De ger upphov till nattlysande moln, tunna silverblå slöjor som syns mot en mörkare himmel när solen ligger under observatörens horisont men fortfarande belyser molnen på omkring 80–85 kilometers höjd.
Detta är också en del av höjdområdet där många meteorer lyser. En inkommande rymdpartikel kolliderar med atmosfärens partiklar i hög fart. Energi överförs, material lossnar och både meteormaterial och omgivande gas kan bidra till ljuset. Det är mer komplicerat än den vanliga bilden av en sten som bara blir varm av friktion.
Mesosfären är välkänd som lager men svår att undersöka på plats. Ballonger når normalt inte dit, och luften är för tät för långlivade satellitbanor. Mätningarna måste därför ofta göras på avstånd eller under korta raketpassager.
Tusen grader – men ingen ugn
Över ungefär 85–90 kilometer börjar termosfären. Här absorberar framför allt syre och kväve energirik ultraviolett strålning och röntgenstrålning från solen. Molekyler kan slås sönder, elektroner kan lossna och partiklarna får mer rörelseenergi.
Temperaturen stiger kraftigt med höjden, innan ökningen planar ut högre upp. På några hundra kilometers höjd kan den ligga från flera hundra till över 2 000 grader Celsius, beroende på bland annat solaktivitet, tid på dygnet och geografiskt läge. Det finns ingen enda höjd där atmosfären alltid passerar tusen grader.
Hur kan då den internationella rymdstationen, som kretsar omkring 400 kilometer över jorden, överleva i denna gas?
Svaret är att gasen är oerhört tunn. Varje partikel kan ha stor rörelseenergi, men partiklarna är så få att deras sammanlagda energi per kubikmeter är liten jämfört med luft vid marken.
Temperatur berättar hur energiska partiklarna är. Den berättar inte ensam hur mycket värme de kan överföra till dig.
I en vanlig ugn träffas ett föremål ständigt av enorma mängder luftmolekyler och tar dessutom emot strålning från heta väggar. I termosfären är kollisionerna med gasen mycket färre. För en satellits temperatur är direkt solljus, strålning från jorden och den egna utstrålningen därför ofta viktigare än gasens temperatur.
En vanlig termometer där uppe skulle alltså inte utan vidare visa termosfärens gastemperatur. Den skulle få en egen temperatur som bestäms av dess energibalans. Forskare behöver i stället mäta partiklarnas egenskaper eller tolka exempelvis spektrallinjer i atmosfärens ljus.
Den tunna gasen är ändå inte betydelselös. Satelliter färdas med flera kilometer per sekund. Även få partiklar ger ett mätbart luftmotstånd. När termosfären värms kan den expandera, så att tätheten ökar vid en viss satellithöjd. Då bromsas satelliten mer och banan sjunker snabbare.
Ett elektriskt landskap utan skarp ytterkant
Atmosfären kan också delas in efter elektriska egenskaper. Jonosfären överlappar flera temperaturlager och sträcker sig ungefär från 60 kilometer till över 1 000 kilometers höjd. Där finns tillräckligt många fria elektroner och joner för att tydligt påverka radiovågor.
Solstrålning skapar en stor del av jonisationen. Under natten försvagas vissa områden när elektroner och joner återförenas. Andra delar består längre. Därför förändras förutsättningarna för radiokommunikation mellan dag och natt, och satellitnavigation behöver korrigera signalernas fördröjning genom jonosfären.
Norrsken är ett synligt uttryck för samspelet mellan rymden och atmosfären. Energirika partiklar, främst elektroner, rör sig längs jordens magnetfält och kolliderar med atmosfärens beståndsdelar. Syre och kväve tillförs energi och kan sedan avge ljus. Färgerna beror på vilka övergångar som sker och på förhållandena där kollisionerna äger rum.
Ännu högre upp övergår termosfären i exosfären. Den undre gränsen ligger ofta på ungefär 500–1 000 kilometers höjd, men varierar. Där blir kollisionerna så sällsynta att partiklar kan färdas långa sträckor i banor som huvudsakligen styrs av gravitationen. Vissa undkommer jorden.
Atmosfären slutar därför inte vid en vägg. Kármánlinjen på 100 kilometers höjd är en praktisk konvention för rymdens början, inte luftens slut. Jordens mycket tunna vätehölje sträcker sig långt ut i rymden.
Det okända är hur delarna samverkar
Forskare känner väl till huvudlagren, de viktigaste gaserna och de grundläggande uppvärmningsprocesserna. Utmaningen är att förstå och förutsäga ett system som förändras samtidigt på många höjder.
En central fråga gäller kopplingen underifrån. Åskväder, luft som passerar berg och andra rörelser skapar atmosfäriska gravitationsvågor – inte samma sak som gravitationsvågor i rumtiden. De liknar vågor i ett skiktat hav och kan transportera energi och rörelsemängd uppåt. När de bryts påverkar de vindar och temperaturer långt från platsen där de bildades.
En annan gäller kopplingen utifrån. Vid geomagnetiska stormar tillförs energi genom elektriska strömmar och infallande partiklar. Hur energin fördelas mellan uppvärmning, vindar och kemiska förändringar är svårt att beräkna exakt. Det begränsar prognoser för både satellitbromsning och radiostörningar.
NASA:s satellitexperiment GOLD observerar ultraviolett ljus från den övre atmosfären över stora områden. ICON-missionen undersökte bland annat sambanden mellan vindar i den neutrala gasen och jonosfärens laddade partiklar. Tillsammans med radar, laserinstrument och sondraketer ger sådana observationer olika bitar av samma pussel.
Luckorna finns framför allt mellan mätpunkterna och i processer som är för små eller snabba för att fångas ordentligt. I den tunna gasen kan dessutom elektroner, joner och neutrala partiklar ha olika temperaturer. Där räcker inte längre en enda temperatursiffra.
Atmosfären är alltså varken ett jämnvarmt täcke eller en enkel trappa mot vakuum. Den är ett rörligt, delvis elektriskt hav av partiklar. Och på resan uppåt måste vi till sist lämna vår vardagliga intuition om vad varmt egentligen betyder.
Källor
- UCAR Center for Science Education, Layers of Earth's Atmosphere (u.å.)
- UCAR Center for Science Education, The Mesosphere (u.å.)
- UCAR Center for Science Education, The Thermosphere (u.å.)
- NOAA Space Weather Prediction Center, The Aurora (u.å.)
- NASA Science, GOLD (u.å.)
- NASA Science, ICON (u.å.)
Ställ frågor om "Jordens atmosfär: iskall här, tusen grader där". Svaren bygger på tidningens egna artiklar.
