Lớp khí quyển của Trái Đất

Khí quyển Trái Đất là lớp chất khí bao quanh hành tinh của chúng ta, được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất. Thành phần chính của nó bao gồm nitơ (78,1% theo thể tích) và oxy (20,9%), với lượng nhỏ argon (0,9%), carbon dioxide (khoảng 0,035%), hơi nước và một số khí khác. Khí quyển đóng vai trò bảo vệ sự sống trên hành tinh bằng cách hấp thụ tia cực tím từ mặt trời và điều chỉnh sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm.

Khí quyển không có một ranh giới rõ ràng với không gian vũ trụ nhưng mật độ không khí giảm dần theo độ cao. Ba phần tư khối lượng khí quyển tập trung trong khoảng 11 km đầu tiên từ bề mặt. Tại Mỹ, những người đạt độ cao trên 50 dặm (80,5 km) được coi là phi hành gia. Độ cao 120 km (75 dặm hoặc 400.000 ft) thường được xem là ranh giới vì đây là nơi các hiệu ứng khí quyển bắt đầu rõ rệt khi trở về. Đường Karman, nằm ở độ cao 100 km (62 dặm), cũng được sử dụng như ranh giới giữa khí quyển Trái Đất và không gian vũ trụ.

Thay đổi nhiệt độ và các lớp khí quyển

Nhiệt độ trong khí quyển Trái Đất thay đổi theo độ cao so với mực nước biển; sự biến đổi này khác nhau ở từng lớp khí quyển:

• Lớp đối lưu: từ bề mặt Trái Đất lên đến khoảng 16 km, thay đổi tùy theo vĩ độ (ở các vùng cực là 7–10 km) và điều kiện thời tiết, nhiệt độ giảm dần theo độ cao, mỗi 100 m giảm 0,6 °C. Không khí trong lớp đối lưu di chuyển mạnh theo cả chiều dọc và ngang, tạo ra các hiện tượng thời tiết như mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương giá, sương mù,...
• Lớp bình lưu: từ độ cao trên lớp đối lưu đến khoảng 50 km. Ở đây không khí rất loãng, nước và bụi ít, chủ yếu là chuyển động ngang và rất ổn định.
• Lớp trung lưu: từ khoảng 50 km đến 80 km, nhiệt độ giảm theo độ cao và có thể đạt tới -75 °C. Đỉnh của lớp này có ít hơi nước và thỉnh thoảng có những vệt mây bạc gọi là mây dạ quang.
• Lớp điện li: từ 80–85 km đến khoảng 1000 km, nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2.000 °C hoặc hơn. Oxy và nitơ ở trạng thái ion, vì thế được gọi là lớp điện li. Sóng vô tuyến từ bề mặt Trái Đất cần phản xạ qua lớp điện li mới truyền đi xa. Ở đây, bức xạ môi trường gây ra nhiều phản ứng hóa học với oxy, nitơ, hơi nước, CO₂... tạo thành các ion như NO, O, NO₃, NO₂ và các hạt ion hóa phát xạ sóng điện từ khi hấp thụ tia UV.
• Lớp ngoài: trên 1.000 km đến 10.000 km, nhiệt độ có thể lên đến 2.500 °C. Đây là vùng chuyển tiếp giữa khí quyển và không gian vũ trụ. Vì không khí rất loãng và nhiệt độ cao, một số phân tử và nguyên tử chuyển động nhanh chóng để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất vào không gian vũ trụ, do đó lớp này còn gọi là lớp thoát ly. Tuy nhiên, do mật độ khí rất thấp, các nhiệt kế chỉ ghi nhận nhiệt độ thấp dưới 0 °C vì việc truyền nhiệt rất khó xảy ra.

Ranh giới giữa các lớp được gọi là ranh giới đối lưu hay đỉnh lớp đối lưu, ranh giới bình lưu hay đỉnh lớp bình lưu và ranh giới trung lưu hay đỉnh lớp trung lưu. Trong lớp này có các ion O (<1500 km), He (<1500), H (>1500 km). Một phần hiđrô của Trái Đất (khoảng vài nghìn tấn/năm) được thải ra không gian, đồng thời các dòng plasma và bụi vũ trụ (khoảng 2g/km²) cũng rơi vào Trái Đất. Ranh giới trên của khí quyển và chuyển tiếp với không gian rất khó xác định, ước tính khoảng 1.000 km. Nhiệt độ trung bình ở bề mặt Trái Đất là khoảng 14 °C.

Áp suất khí quyển

Áp suất khí quyển là kết quả của trọng lượng của lớp không khí bao quanh Trái Đất tác động lên các vật thể nằm trong nó.

Các thành phần

Carbon dioxide và mêtan cập nhật (năm 1998) theo báo cáo IPCC bảng TAR 6.1 Lưu trữ 2007-06-15 tại Wayback Machine. Tuy nhiên, theo báo cáo mới nhất của NOAA, nồng độ CO₂ trong khí quyển đã đạt mức kỷ lục mới, với nồng độ CO₂ cao nhất đo được khoảng 400 ppmv. Các nhà khí tượng đang lo ngại rằng đây có thể là yếu tố gây ra những biến động khí hậu không lường trước được.

Khối lượng phân tử trung bình của không khí là khoảng 28,97 g/mol.

Mật độ và khối lượng của không khí

Tại mực nước biển, mật độ không khí vào khoảng 1,2 kg/m³. Biến động khí áp ở các độ cao khác nhau là nguyên nhân chính của sự thay đổi thời tiết. Mặc dù sự thay đổi này nhỏ ở những độ cao thấp, nó trở nên đáng kể ở các độ cao lớn do sự biến đổi của bức xạ mặt trời.

Mật độ khí quyển giảm dần khi độ cao tăng và có thể được mô hình hóa xấp xỉ theo công thức khí áp. Các công thức chính xác hơn được sử dụng bởi các nhà khí tượng học và trung tâm không gian để dự đoán thời tiết và tính toán quỹ đạo vệ tinh.

Tổng khối lượng của khí quyển ước tính khoảng 5,1 × 10⁹ kg, tương đương với khoảng 0,9 ppm của khối lượng Trái Đất.

Tỷ lệ phần trăm trên được tính theo thể tích. Nếu coi các khí là lý tưởng, ta có thể tính tỷ lệ theo khối lượng. Thành phần khối lượng của không khí là 75,523% N₂, 23,133% O₂, 1,288% Ar, 0,053% CO₂, 0,001267% Ne, 0,00029% CH₄, 0,00033% Kr, 0,000724% He và 0,0000038% H₂.

Các lớp khí quyển khác

Khí quyển có thể được phân chia theo các cách gọi khác như sau:

• Tầng điện li hay tầng ion — Vùng chứa các ion, tương ứng với tầng giữa và tầng nhiệt lên đến 550 km.
• Tầng ngoài hay ngoại quyển — Vùng trên tầng điện li, nơi khí quyển trở nên mỏng dần và hòa vào khoảng không vũ trụ.
• Từ quyển — Vùng mà từ trường Trái Đất tương tác với gió Mặt Trời, có thể kéo dài hàng chục nghìn km, với đuôi dài hướng ngược lại mặt trời.
• Tầng ôzôn — Nằm trong tầng bình lưu ở độ cao khoảng 10 – 50 km. Ôzôn chiếm một phần nhỏ trong tầng này về thể tích.
• Thượng tầng khí quyển — Vùng của khí quyển nằm phía trên ranh giới giữa.
• Vành đai bức xạ Van Allen — Vùng tập trung các hạt từ Mặt Trời.

Quá trình hình thành khí quyển Trái Đất

Lịch sử khí quyển Trái Đất cách đây khoảng một tỷ năm vẫn còn nhiều điều chưa rõ ràng. Hiện tại, khí quyển Trái Đất vẫn là chủ đề nghiên cứu sôi nổi của các nhà khoa học.

Ngày nay, khí quyển hiện tại đôi khi được gọi là 'khí quyển thứ ba' khi so sánh với hai lớp khí quyển trước đó. Khí quyển nguyên thủy chủ yếu gồm heli và hiđrô; sự nóng lên từ lớp vỏ Trái Đất và Mặt Trời đã làm biến mất lớp khí quyển này.

Khoảng 3,5 tỷ năm trước, bề mặt Trái Đất nguội dần hình thành lớp vỏ, chủ yếu là nham thạch từ núi lửa, carbon dioxide và amonia. Đây là 'khí quyển thứ hai'; chứa chủ yếu CO₂ và hơi nước, với một lượng nhỏ nitơ nhưng chưa có oxy. Khí quyển này có thể tích khoảng gấp 100 lần khí quyển hiện tại. Người ta tin rằng hiệu ứng nhà kính từ lượng CO₂ dày đặc đã giữ cho Trái Đất không bị đóng băng.

Trong vài tỷ năm tiếp theo, hơi nước ngưng tụ tạo ra mưa và các đại dương, hòa tan carbon dioxide. Khoảng 50% CO₂ có thể đã được đại dương hấp thụ. Vi khuẩn lam, một trong những sinh vật đầu tiên trên Trái Đất, đã xuất hiện cách đây khoảng 3,3 tỷ năm và sử dụng quang hợp để sản xuất oxy, chuyển đổi khí quyển từ trạng thái không có oxy sang có oxy.

Cây cối quang hợp đã thúc đẩy sự chuyển đổi nhiều hơn từ carbon dioxide thành oxy. Theo thời gian, lượng carbon dư thừa đã hình thành nên nhiên liệu hóa thạch hiện nay cũng như đá trầm tích như đá vôi và các lớp động vật. Oxy giải phóng ra tương tác với amonia để tạo ra nitơ, và vi khuẩn cũng chuyển đổi amonia thành nitơ.

Khi cây cối phát triển mạnh mẽ hơn, lượng oxy trong khí quyển tăng vọt đáng kể (trong khi carbon dioxide giảm đi). Ban đầu, oxy kết hợp với các nguyên tố khác như sắt, nhưng cuối cùng nó đã tích tụ trong khí quyển — đây là kết quả của sự phân hủy hàng loạt và quá trình tiến hóa kéo dài. Sự xuất hiện của lớp ôzôn đã giúp bảo vệ các dạng sống khỏi bức xạ tử ngoại. Khí quyển chứa oxy và nitơ này được gọi là 'khí quyển thứ ba'.