ארבע שכבות, לפי הטמפרטורה
טפסו על הר והאוויר מתקרר, בממוצע בכ־6.5 °C על כל קילומטר. בגובה 11 km, שבו טסים מטוסי נוסעים, הטמפרטורה היא בערך −56 °C. טבעי לנחש שהאוויר ממשיך להתקרר כל הדרך עד החלל. זה לא כך. מעל כ־11 km הטמפרטורה מפסיקה לרדת, ואז עולה שוב, עד בערך 0 °C בגובה של כ־50 km. גבוה עוד יותר היא יורדת אל האוויר הקר ביותר על כדור הארץ, קרוב ל־−90 °C, ומעליו היא מטפסת למאות מעלות.
כל אחד מארבעת הקטעים האלה הוא שכבה של האטמוספירה, והשכבות נקראות לפי הכיוון שבו הטמפרטורה הולכת: הטרופוספירה (מתקררת עם הגובה), הסטרטוספירה (מתחממת), המזוספירה (מתקררת) והתרמוספירה (מתחממת מהר). הגבול שבראש כל אחת נקרא “פאוזה”: הטרופופאוזה, הסטרטופאוזה והמזופאוזה.
הסצנה היא עמוד אוויר שעומד על חלקת קרקע, בגובה 200 km. גשוש עולה בו, בלון מטאורולוגי בחלק התחתון וטיל מחקר גבוה יותר, ומודד את הטמפרטורה בכל מקום שתשלחו אותו אליו.
נסו: הגביהו לאט את הגובה מהקרקע ועקבו אחרי הטמפרטורה שהגשוש מודד. היא יורדת ל־−56.5 °C בגובה 11 km, נשארת קבועה, ומתחילה לעלות שוב מעל 20 km.
למה שכבות חמות או קרות
האטמוספירה אינה מתחממת באופן אחיד. אור השמש עובר דרך רובה בלי לגעת בה, והוא נבלע בשלושה מקומות: בקרקע, בשכבת האוזון ובגז הדליל שבראשה. האוויר חם במקום שבו אור השמש נלכד והופך לחום, וקר יותר ביניהם.
נסו: הזיזו את הצגת הטמפרטורה לכיוון טמפרטורה. צבע מטפס במעלה העמוד, כחול לאוויר קר וכתום עד אדום לאוויר חם, והתרשים שליד הסצנה משרטט את קו הטמפרטורה תוך כדי. שורות של נקודות נופלות מלמעלה: אור נראה צהוב שמגיע עד הקרקע, אור אולטרה־סגול סגול שנעצר בשכבת האוזון, ואולטרה־סגול קיצוני חיוור שנעצר מעל 100 km. כל אחת מהן מהבהבת בכתום במקום שבו היא נבלעת.
הטרופוספירה: מחוממת מלמטה
האוויר כמעט שקוף לאור נראה, ולכן רוב אור השמש שאינו מוחזר עובר ישר דרך הטרופוספירה ומחמם את הקרקע ואת הים. הם מחממים את האוויר שנוגע בהם, והאוויר הזה עולה. אוויר עולה נכנס ללחץ נמוך יותר, מתפשט, ומתקרר כשהוא דוחף הצידה את האוויר שסביבו. זו הסיבה שפסגות הרים קרות, אף שהן קרובות יותר לשמש.
בטרופוספירה מתרחש כמעט כל מזג האוויר. אוויר חם עולה, מתקרר עד שאדי המים שבו מתעבים לענן, ויורדים בחזרה כגשם, כמו בחוף של מחזור המים. בה נמצא גם רוב האוויר: מחצית מכל האטמוספירה נמצאת מתחת לכ־5.5 km, וכמעט ארבע חמישיות ממנה מתחת ל־11 km.
בטרופופאוזה ההתקררות נעצרת. אוויר חם יותר שיושב מעל פועל כמו מכסה: בועת אוויר עולה מגלה מהר שהיא קרה וכבדה יותר מסביבתה, ואינה ממשיכה. ענן הסערה שבסצנה מראה זאת. המגדל שלו מטפס עד הטרופופאוזה ומתפרש הצידה לסדן שטוח.
גבוה יותר מעל האזור הטרופי, נמוך יותר ליד הקטבים
הטרופופאוזה אינה בגובה אחד. מעל האזור הטרופי הקרקע חמה וסערות נושאות אוויר גבוה, ולכן עומק הטרופוספירה הוא כ־16 עד 17 km. ליד הקטבים הוא רק כ־8 עד 9 km. ומכיוון שהאוויר מעל האזור הטרופי ממשיך להתקרר הרבה יותר זמן בדרכו למעלה, הטרופופאוזה הטרופית היא הקרה מכולן, בסביבות −80 °C, קרה יותר מאשר מעל הקטבים.
נסו: בחרו האזור הטרופי, ואחר כך אזור הקוטב, תחת קו רוחב. צפו בסדן של ענן הסערה ובטבעת הטרופופאוזה זזים. אחר כך בחרו מטוס נוסעים תחת גובה: בגובה 10.5 km המטוס נמצא עמוק בטרופוספירה מעל האזור הטרופי, אבל בסטרטוספירה ליד הקטבים.
הסטרטוספירה: מחוממת בידי האוזון
מעל הטרופופאוזה האוויר מתחמם עם הגובה, והסיבה היא אוזון. אוזון הוא צורה של חמצן שיש בה שלושה אטומים במולקולה במקום שניים. יש ממנו מעט מאוד, לעולם לא יותר מכעשר מולקולות בכל מיליון מולקולות אוויר, והוא צפוף ביותר בגובה של כ־20 עד 25 km. אבל הוא בולע אור אולטרה־סגול בעוצמה, וכל מנה של אולטרה־סגול שהוא לוכד הופכת בסופו של דבר לחום באוויר שסביבו.
החלק החם ביותר בסטרטוספירה הוא החלק העליון שלה, קרוב ל־50 km, אף שהאוזון צפוף יותר נמוך יותר. גבוה יותר יש פחות אוויר שהאנרגיה הנבלעת צריכה לחמם, ולכן כל קילוגרם שלו מתחמם יותר, והאולטרה־סגול שהאוזון בולע הכי בקלות נלכד קרוב לחלק העליון לפני שהוא מספיק לחדור עמוק יותר. אותו אולטרה־סגול היה פוגע בתאים חיים אילו הגיע לקרקע; לשכבת האוזון יש סיפור משלה, על האופן שבו היא נוצרת ועל האופן שבו כמעט אבדה.
אוויר חם שמונח מעל אוויר קר יותר אינו מתהפך, ולכן הסטרטוספירה רגועה ומשוכבת, והיא יבשה מאוד: אדי המים קופאים ונושרים בטרופופאוזה הקרה בדרכם למעלה. טיסות ארוכות מעל הקטבים טסות בה לא פעם.
המזוספירה: האוויר הקר ביותר על כדור הארץ
מעל הסטרטופאוזה האוזון מתדלדל ושום דבר אחר אינו בולע הרבה מאור השמש, בזמן שפחמן דו־חמצני ממשיך לפלוט חום אל החלל. הטמפרטורה יורדת שוב, עד כ־−90 °C קרוב ל־85 km. בקיץ של אזורי הקטבים היא קרה עוד יותר, ושם יכולים להיווצר עננים דקים וכסופים של קרח, עננים זוהרי לילה, העננים הגבוהים ביותר על כדור הארץ.
במזוספירה גם נשרפים רוב המטאורים. גרגרי סלע ואבק מגיעים מהחלל במהירות של עשרות קילומטרים בשנייה, ובין כ־100 ל־80 km האוויר, דליל ככל שיהיה, מספיק כדי לחמם אותם עד שהם זוהרים ומתאדים.
נסו: בחרו מטאורים תחת גובה. הגשוש מודד כ־−84 °C, ופסי המטאורים שסביבו נעלמים כשהם נשרפים.
התרמוספירה: לוהטת, אבל הייתה מרגישה קרה
מעל המזופאוזה הגז דליל מאוד: בגובה 100 km מולקולה עוברת יותר מעשרה סנטימטרים בין התנגשות להתנגשות, ובגובה 200 km כמה מאות מטרים. כאן הוא בולע את האור האנרגטי ביותר של השמש, אולטרה־סגול קיצוני וקרני רנטגן, שאף שכבה מעליו אינה יכולה לעצור. כשכל כך מעט מולקולות חולקות את האנרגיה, כל אחת מהן נעה מהר מאוד: הטמפרטורה עולה למאות מעלות, כ־580 °C בגובה 200 km בסצנה, וגבוה יותר מכ־400 °C כשהשמש שקטה ועד הרבה מעל 1,000 °C כשהיא פעילה. אותו אור תולש אלקטרונים מאטומים ויוצר את היונוספירה הטעונה חשמלית, שמחזירה גלי רדיו.
ובכל זאת לא הייתם מרגישים חום שם. טמפרטורה מודדת כמה מהר המולקולות נעות, אבל כל כך מעט מהן היו פוגעות בכם שהעור שלכם היה מקבל הרבה פחות חום ממה שהוא פולט. מדחום בצל היה מראה הרבה מתחת לנקודת הקיפאון.
לפי מוסכמה, החלל מתחיל בקו קרמן, בגובה 100 km. זוהר הקוטב זורח מעליו, בין כ־100 ל־300 km, ותחנת החלל הבין־לאומית מקיפה את כדור הארץ בגובה של כ־400 km, עדיין בתוך התרמוספירה, שהחיכוך הקלוש שלה מוריד את התחנה לאט.
נסו: בחרו אזור הקוטב תחת קו רוחב כדי לעמוד מתחת לסגלגל הזוהר, והגביהו את הגובה אל מעל 100 km.
דליל יותר כל הדרך למעלה
לא משנה מה הטמפרטורה עושה, האוויר מתדלדל בהתמדה. הלחץ בכל גובה הוא המשקל של כל האוויר שמעליו, ולכן הוא יורד עם כל צעד למעלה, ונחצה בערך כל 5.5 km. מעל 50 km נמצא פחות מאלפית מהאטמוספירה, ובגובה 100 km הלחץ הוא כשלושה מיליוניות מהלחץ שעל הקרקע.
אפשר לראות את זה בבלון המטאורולוגי. הגז שבו מתפשט כשהלחץ סביבו יורד, ולכן הוא תופח בזמן שהוא עולה, עד פי ארבעה בערך מהרוחב שלו בשיגור בגובה 30 km. בלונים אמיתיים מתפוצצים איפשהו מעל 30 km; מעל 34 km הגשוש שבסצנה הופך לטיל.
נסו: הגביהו את הגובה מ־0 עד 34 km וצפו בבלון גדל, בזמן שהקריאה שבתרשים מראה כמה מהאוויר נמצא מתחתיו.
האופן שבו השכבות מתחממות מסביר גם סימן פחות מוכר של שינוי האקלים. יותר פחמן דו־חמצני לוכד חום בטרופוספירה ומחמם אותה. אבל בסטרטוספירה ומעליה אותו גז בעיקר פולט חום אל החלל, ולכן השכבות האלה מתקררות ככל שהוא מצטבר.
מה המודל משאיר בחוץ
- עונות ומזג אוויר. העמוד הוא ממוצע שנתי. טמפרטורות אמיתיות משתנות עם העונות, עם מזג האוויר ובין יום ללילה; הסטרטוספירה בחורף מעל הקטבים קרה הרבה יותר, והמזופאוזה בקיץ של אזורי הקטבים יורדת לכ־−130 °C.
- קו הרוחב גבוה יותר. כאן רק הטרופוספירה, הטרופופאוזה והחלק התחתון של הסטרטוספירה משתנים עם קו הרוחב; מעל 27 km כל קווי הרוחב הולכים לפי אותו פרופיל של קווי הרוחב הבינוניים.
- הפעילות של השמש. הטמפרטורה של התרמוספירה קבועה ברמה בינונית. כשהשמש פעילה היא יכולה להיות חמה יותר במאות מעלות, והתרמוספירה מתנפחת.
- קנה המידה. הגבהים מצוירים בסקאלת שורש ריבועי: הטרופוספירה, כ־5% מגובה העמוד, מקבלת רבע ממנו. העננים, המטוס, הגשוש, המטאורים ונקודות האוזון מצוירים גדולים בהרבה מהמציאות, ונקודות האוזון מייצגות גז שאי אפשר לראות.
- אור השמש. שורות הנקודות מראות רק היכן נבלע כל סוג של אור, לא כמה אנרגיה מקבלת כל שכבה. החום האינפרה־אדום שזורם מהקרקע למעלה ואל החלל, שמעצב גם הוא את הטרופוספירה ואת המזוספירה, אינו מצויר.
- הקצה העליון. התרמוספירה ממשיכה עד גובה של בין 500 ל־1,000 km, לפי מצב השמש, ומעבר לה האקסוספירה, שבה האטומים האחרונים נסחפים אל החלל.