Nejnižší vrstva atmosféry se jmenuje troposféra. Její název pochází z řeckého slova „tropos", což znamená „obrat" nebo „změna", a to velmi dobře vystihuje její povahu — je to vrstva neustálých změn, míchání a pohybu vzduchu. Troposféra sahá od zemského povrchu do výšky přibližně 8 až 15 kilometrů. Nad póly je tenčí, přibližně 8 až 10 kilometrů, nad rovníkem silnější, přibližně 15 až 18 kilometrů. Ve středních zeměpisných šířkách, tedy i nad Českou republikou, má mocnost přibližně 10 až 12 kilometrů.
Troposféra je také zdaleka nejhustší vrstvou atmosféry. Přestože je relativně tenká, obsahuje přibližně 75 až 80 procent celkové hmotnosti atmosféry. Směsi plynů, které tvoří troposféru říkáme obecně vzduch. Vzduch je u země nejhustší, protože je stlačený tíhou všeho vzduchu nad ním, a s výškou rychle řídne. Ve velehorách ve výšce nad 7000 m n. m je vzduch již tak řídký, že je pro člověka velmi náročné se v této výšce pohybovat.
Vzduch, který dýcháme, je neviditelný, bez chuti a bez zápachu, a přesto je to jedna z nejdůležitějších věcí na světě. Bez jídla dokážeme přežít několik týdnů, bez vody několik dní, ale bez vzduchu jen několik minut. Přestože vzduch nevnímáme žádným smyslem (pokud zrovna nefouká vítr), je to skutečná hmotná látka, která má svou váhu, zabírá prostor a skládá se z několika různých plynů smíchaných dohromady. Tato směs není náhodná — její složení se na Zemi ustálilo v průběhu miliard let a je výsledkem složitého soužití mezi geologickými procesy, životem rostlin a živočichů a chemickými reakcemi v atmosféře.
Důležité je hned na začátku říci, že složení vzduchu v procentech platí pro takzvaný suchý vzduch — tedy vzduch bez vodní páry. Vodní pára je sice důležitou součástí atmosféry, ale její množství se neustále mění — od téměř nuly v suchých pouštích po tři až čtyři procenta v tropických oblastech. Proto se složení vzduchu tradičně udává pro suchý vzduch, ke kterému se vodní pára přidává jako proměnlivá složka navíc.
Zdaleka největší podíl vzduchu tvoří dusík, chemickou značkou N₂. Zaujímá přibližně 78 procenta objemu suchého vzduchu, tedy téměř čtyři pětiny. Kdybychom si vzduch představili jako dort rozřezaný na pět dílů, skoro čtyři díly by byly dusík.
Dusík je plyn, který za běžných podmínek nepodporuje hoření ani dýchání. Kdybychom dýchali čistý dusík, během několika minut bychom upadli do bezvědomí a zemřeli, ne proto, že by byl dusík jedovatý, ale proto, že by nám chyběl kyslík. Název „dusík" ostatně pochází právě od slova „dusit" — při pokusech v 18. století vědci zjistili, že zvířata uzavřená v čistém dusíku se udusí.
Přesto je dusík pro život na Zemi naprosto nezbytný. Je základní stavební součástí bílkovin a DNA, tedy molekul, bez kterých by neexistoval žádný živý organismus. Problém je, že většina živých organismů nedokáže využít dusík přímo ze vzduchu, protože molekula N₂ je mimořádně stabilní — dva atomy dusíku jsou spojeny trojnou vazbou, kterou je velmi obtížné rozštěpit. Tuto schopnost mají pouze některé bakterie, zejména hlízkovité bakterie žijící na kořenech luskovin, jako jsou hrách, fazole nebo jetel. Tyto bakterie „fixují" atmosférický dusík a přeměňují ho na sloučeniny, které mohou rostliny vstřebat kořeny. Rostliny pak dusík zabudují do svých bílkovin, živočichové je získají pojídáním rostlin a po odumření organismů se dusík vrací zpět do půdy a postupně i do atmosféry. Tento koloběh dusíku je jedním z nejdůležitějších biogeochemických cyklů na Zemi.
Velké množství dusíku v atmosféře také hraje důležitou roli jako „ředidlo" kyslíku. Kdyby atmosféra obsahovala mnohem více kyslíku, než obsahuje, hoření by bylo mnohem intenzivnější — každý požár by se šířil rychleji a obtížněji by se hasilo. Dusík svou přítomností tento efekt tlumí.
Druhou nejvýznamnější složkou vzduchu je kyslík, chemickou značkou O₂, který tvoří přibližně 21 procenta objemu suchého vzduchu, tedy zhruba jednu pětinu. Kyslík je nesmírně reaktivní prvek, který se na Zemi uplatňuje při přeměně energie. Kyslík potřebujeme k dýchání — při každém nádechu vtáhneme vzduch do plic, kde kyslík prostoupí přes stěny plicních sklípků do krve, červené krvinky ho rozvezou po celém těle a v buňkách se kyslík účastní chemických reakcí, při kterých se z živin (cukrů, tuků, bílkovin) uvolňuje energie potřebná pro veškeré životní pochody. Při těchto reakcích vzniká jako vedlejší produkt oxid uhličitý, který vydechujeme zpět do atmosféry.
Kyslík je také podstatou pro hoření. Oheň není nic jiného než rychlá chemická reakce paliva s kyslíkem, při které se uvolňuje teplo a světlo. Bez kyslíku nemůže nic hořet — proto ve vesmíru nemůže existovat oheň v běžném smyslu a proto se požáry hasí mimo jiné tím, že se k plameni zamezí přístupu vzduchu.
Přítomnost volného kyslíku v zemské atmosféře je z pohledu vesmíru něco velmi neobvyklého. Kyslík je chemicky velmi reaktivní prvek a má tendenci se slučovat s jinými látkami — s železem tvoří rez, s vodíkem tvoří vodu, s uhlíkem tvoří oxid uhličitý. Kdyby ho něco neustále nedoplňovalo, z atmosféry by v průběhu geologického času zmizel. Tím „něčím" jsou zelené rostliny, řasy a sinice, které provádějí fotosyntézu — pomocí sluneční energie přeměňují oxid uhličitý a vodu na cukry a jako vedlejší produkt uvolňují kyslík. Veškerý kyslík v naší atmosféře pochází z fotosyntézy a je neustále obnovován živými organismy. Kdyby veškerý život na Zemi náhle zanikl, atmosférický kyslík by v průběhu několika milionů let zreagoval s horninami a rozpuštěnými látkami v oceánech a prakticky by zmizel.
Zajímavé je, že na počátku dějin Země, před více než dvěma miliardami let, atmosféra téměř žádný volný kyslík neobsahovala. Teprve když se v oceánech rozšířily sinice schopné fotosyntézy, začal se kyslík hromadit. Tento proces, nazývaný Velká oxidační událost, trval stovky milionů let a zásadně proměnil celou planetu — umožnil vznik složitějších organismů, které kyslík k životu potřebovaly, a vedl k vytvoření ozonové vrstvy ve stratosféře, která zase umožnila osídlení souše.
Třetí nejvýznamnější složkou vzduchu je argon, chemickou značkou Ar, který tvoří necelé 1 procento objemu suchého vzduchu, tedy necelé jedno procento. Argon patří mezi takzvané vzácné (nebo ušlechtilé) plyny. Název „argon" pochází z řeckého slova „argos" znamenajícího „líný" nebo „nečinný", a to přesně vystihuje jeho povahu — argon je chemicky zcela inertní, to znamená, že se za běžných podmínek neslučuje s žádnými jinými prvky ani sloučeninami. Prostě je ve vzduchu přítomen a nic nedělá.
Argon vzniká především radioaktivním rozpadem izotopu draslíku v zemské kůře. Tento proces probíhá nepřetržitě již od vzniku Země a postupně uvolněný argon se hromadí v atmosféře, protože díky své chemické netečnosti z ní žádnými reakcemi neubývá. Za miliardy let se tak v atmosféře nashromáždilo poměrně značné množství — téměř celé jedno procento.
Přestože argon v atmosféře nehraje žádnou roli z hlediska počasí ani z hlediska biologie, má řadu praktických využití. Používá se jako ochranná atmosféra při svařování kovů, protože díky své netečnosti zabraňuje oxidaci svaru. Naplňují se jím žárovky a některé typy okenních skel (argon mezi skly snižuje tepelné ztráty, protože vede teplo hůře než vzduch). V laboratořích se používá všude tam, kde je třeba zabránit nežádoucím chemickým reakcím.
Oxid uhličitý s chemickou značkou CO₂, tvoří v současné atmosféře přibližně 0,042 procenta objemu suchého vzduchu. Je to zdánlivě zanedbatelné množství — na každý milion molekul vzduchu připadá jen 420 molekul CO₂ (420 ppm). Přesto je oxid uhličitý jednou z nejvýznamnějších složek atmosféry, a to ze dvou důvodů.
Problém nastává tehdy, když koncentrace CO₂ v atmosféře roste příliš rychle. A přesně to se v posledních dvou staletích děje. Spalováním fosilních paliv (uhlí, ropy, zemního plynu), odlesňováním a dalšími lidskými činnostmi uvolňujeme do atmosféry obrovské množství uhlíku, který byl po miliony let uložen v podzemních zásobách. Před průmyslovou revolucí, tedy přibližně před rokem 1750, obsahovala atmosféra asi 280 ppm CO₂. Dnes je to přibližně 420 ppm, tedy o polovinu více. Tento nárůst zesiluje skleníkový efekt a vede k postupnému oteplování planety — jevu, který nazýváme globální změna klimatu. Koncentrace CO₂ je jedním z klíčových ukazatelů pro vývoj klima na Zemi a je proto dlouhodobě sledována.
Metan (CH₄) je přítomen v koncentraci přibližně 1,9 ppm. Přestože jde o nepatrné množství, metan je velmi účinný skleníkový plyn — molekula metanu zachytí za dvacetiletý horizont přibližně osmdesátkrát více tepla než molekula CO₂. Metan vzniká při rozkladu organické hmoty bez přístupu vzduchu (v bažinách, na rýžových polích, v trávicím traktu přežvýkavců, na skládkách odpadu), uniká při těžbě zemního plynu a uhlí a produkují ho i termiti. Jeho koncentrace v atmosféře v posledních staletích výrazně vzrostla vlivem zemědělství a těžby fosilních paliv.
Oxid dusný (N₂O), někdy nazývaný „rajský plyn", je dalším skleníkovým plynem, přítomným v koncentraci přibližně 0,33 ppm. Vzniká především při mikrobiálních procesech v půdě, při používání dusíkatých hnojiv a při některých průmyslových procesech.
Další plyny — malé množství, velký význam
Vedle čtyř hlavních složek (dusíku, kyslíku, argonu a oxidu uhličitého) obsahuje vzduch ještě řadu dalších plynů v nepatrných koncentracích, které se měří v jednotkách ppm (dílů z milionu) nebo dokonce ppb (dílů z miliardy). Přestože je jich velmi málo, některé mají zásadní význam.
Neon, helium, krypton a xenon jsou další vzácné plyny přítomné v atmosféře ve stopových množstvích. Neon tvoří přibližně 18 ppm, helium asi 5 ppm, krypton přibližně 1 ppm a xenon asi 0,09 ppm. Tyto plyny jsou chemicky inertní a v atmosféře nehrají žádnou aktivní roli, ale mají praktické využití — neon svítí charakteristickým červenooranžovým světlem ve výbojkách (neonové reklamy), heliem se plní balóny a vzducholodě, protože je lehčí než vzduch a na rozdíl od vodíku není hořlavé.
Ozon (O₃) se v troposféře vyskytuje ve velmi malých koncentracích, řádově desítky ppb. Na rozdíl od stratosférického ozonu, který nás chrání před ultrafialovým zářením, je přízemní ozon škodlivinou — dráždí dýchací cesty, poškozuje rostliny a vzniká fotochemickými reakcemi z oxidů dusíku a těkavých organických látek, které pocházejí převážně z automobilové dopravy a průmyslu. Zvýšené koncentrace přízemního ozonu jsou typické pro horké letní dny a ve městech mohou představovat zdravotní riziko.
Vodní pára — proměnlivá, ale klíčová
Jak jsme zmínili na začátku, vodní pára se do výčtu složení suchého vzduchu nezahrnuje, protože její množství se neustále mění. Přesto je natolik důležitá, že ji nemůžeme pominout. V troposféře tvoří vodní pára průměrně přibližně 0,5 až 4 procenta objemu vzduchu, v závislosti na teplotě a zeměpisné poloze. Nad horkými tropickými oceány může její podíl přesáhnout i 4 procenta, zatímco nad suchými pouštěmi nebo v polárních oblastech klesá téměř k nule.
Vodní pára v zemské atmosféře je základem pro tvorbu oblaků a srážek. Její proměnlivost je jedním z hlavních důvodů, proč je počasí tak složité a obtížně předvídatelné.
Vodní pára nejsilnějším přirozeným skleníkovým plynem — zodpovídá za přibližně 60 procent celkového přirozeného skleníkového efektu. Vodní pára funguje v klimatickém systému jako pozitivní zpětná vazba. Funguje to takto: člověk zvyšuje koncentraci CO₂ → atmosféra se otepluje → teplejší vzduch pojme víc vodní páry → více vodní páry dále zesiluje oteplování. Lidská činnost nemá přímý vliv na množství vodní páry v atmosféře (nepouštíme ji tam z komínů), na rozdíl od CO₂, metanu a dalších plynů, které člověk přímo ovlivňuje.
Pevné a kapalné částice — aerosoly
Vzduch neobsahuje jen plyny. Vznášejí se v něm také drobné pevné a kapalné částice, kterým říkáme aerosoly. Patří mezi ně prachové částice zvířené větrem ze suchých půd a pouští, pylová zrna rostlin, krystalky mořské soli uvolněné z povrchu oceánů, sopečný popel, saze z požárů a ze spalování fosilních paliv, mikroskopické kapičky kyseliny sírové a dalších látek a mnoho dalšího. Tyto částice jsou nepatrné — jejich velikost se pohybuje od tisícin mikrometru po desítky mikrometrů — ale hrají v atmosféře důležitou roli. Slouží jako kondenzační jádra, na kterých se tvoří oblačné kapky (bez nich by ke kondenzaci vodní páry docházelo mnohem obtížněji a oblaka by vypadala zcela jinak). Rozptylují a pohlcují sluneční záření, čímž ovlivňují, kolik energie dopadne na zemský povrch. Znečišťující aerosoly ve městech snižují kvalitu ovzduší a mohou způsobovat dýchací potíže.
¶ Jak si složení vzduchu v troposféře představit?
Pro lepší představu si můžeme složení vzduchu znázornit na jednoduchém modelu. Představme si, plně obsazený stadion s 10 000 sedadly, z nichž je každé obsazeno jednou molekulou. Na takovém stadionu by přibližně 7 808 sedadel zaujímal dusík, 2 095 sedadel kyslík, 92 sedadel argon a přibližně 4 sedadla oxid uhličitý. Poslední sedačku by náhodně obsadil některý z dalších plynů — neon, helium, metan, krypton, vodík, oxid dusný a další. Vodní pára by se přidala jako stojící diváci, kterých je někdy jen pár desítek a jindy i několik set.
Tento pohled nám pomáhá pochopit, jak výjimečné je, že plyny přítomné v tak nepatrném množství — jako oxid uhličitý na pouhých čtyřech sedadlech z deseti tisíc — mohou mít tak zásadní vliv na klima celé planety. Ukazuje to, jak citlivý a jemně vyvážený systém naše atmosféra je, a jak snadno může i malá změna v jejím složení vyvolat velké důsledky.