Představte si, že stojíte na břehu moře a dívate se na vodní horizont. Od horizontu moře se nad vaší hlavou rozprostírá namodralá vrstva vzduchu, který dýcháte, cítíte vítr, který přináší vůni moře. Představte si, jak vzduch nad vaší hlavou postupně řídne a nakonec rozplývá do prázdného vesmírného prostoru. Vzduch se s rostoucí výškou postupně zřeďuje, až se někde ve výšce 10 000 km nad vaší hlavou stane tak řídkým, že už ho nedokážeme odlišit od vesmírného vakua, prázdného, nehostinného nic. Tuto směs plynů, která obklopuje celou Zemi, nazýváme ZEMSKÁ ATMOSFÉRA.
V zemské atmosféře dokážeme rozlišit několik hlavních vrstev podle toho, jak se v nich mění teplota s výškou. Hranice mezi vrstvami nejsou ostré čáry, ale spíše přechodová pásma a jejich výška se mírně mění s ročním obdobím i se zeměpisnou šířkou. Přesto lze uvést přibližné hodnoty, které nám pomohou si celou stavbu atmosféry představit.
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 tedy dosahuje spolehlivě nad nejvyšší vrcholky hor a velehor.
V troposféře se odehrává prakticky veškeré počasí, které známe. Oblaka, déšť, sníh, bouřky, vítr, tornáda, duhy — to všechno jsou jevy troposféry. Je to proto, že troposféra obsahuje téměř veškerou vodní páru atmosféry a vzduch se v ní neustále promíchává — teplý vzduch stoupá, studený klesá, vznikají proudy a víry, které přenášejí vlhkost a teplo z místa na místo. Právě tuto vrstvu sledujeme naší školní meteorologickou stanicí.
Důležitou vlastností troposféry je, že teplota v ní s výškou klesá. Průměrně klesá přibližně o 6,5 °C na každý kilometr výšky, i když tento pokles není všude stejnoměrný. Pokud je u země například 20 °C, pak ve výšce 5 kilometrů bude přibližně minus 12 °C a u horní hranice troposféry, ve výšce 10 až 12 kilometrů, může teplota klesnout až k minus 50 nebo minus 60 °C. To je důvod, proč na vrcholcích vysokých hor leží věčný sníh a proč letadla létající ve velkých výškách musí mít vytápěné kabiny.
Troposféra je také zdaleka nejhustší vrstvou atmosféry. Přestože je relativně tenká ve srovnání s dalšími vrstvami, obsahuje přibližně 75 až 80 procent celkové hmotnosti atmosféry. Vzduch je u země nejhustší, protože je stlačený tíhou všeho vzduchu nad ním, s výškou se jeho hustota rychle snižuje.
Horní hranici troposféry nazýváme tropopauza. Je to přechodové pásmo, v němž teplota přestává klesat a začíná se buď udržovat na přibližně stálé hodnotě, nebo dokonce stoupat. Tropopauza funguje jako jakési „víko" — brání většině vzduchových proudů a vodní páry proniknout do vyšších vrstev. Mohutná bouřková oblaka typu cumulonimbus občas dorostou až k tropopauze a tam se rozlijí do stran, čímž vytvářejí charakteristický tvar připomínající kovadlinu.
Nad tropopauzou začíná stratosféra, která sahá přibližně od 10–15 kilometrů do výšky kolem 50 kilometrů. Její mocnost je tedy přibližně 35 až 40 kilometrů, což z ní dělá poměrně silnou vrstvu, i když mnohem řidší než troposféra.
Stratosféra se od troposféry zásadně liší v jedné věci: teplota v ní s výškou neklesá, ale naopak stoupá. U dolní hranice stratosféry panují teploty kolem minus 50 až minus 60 °C, ale u její horní hranice, ve výšce přibližně 50 kilometrů, teplota stoupne až k přibližně 0 °C. Tento zdánlivě překvapivý jev má jednoduchý důvod — ve stratosféře se nachází ozonosféra, vrstva se zvýšenou koncentrací ozonu. Ozon pohlcuje ultrafialové záření přicházející ze Slunce a přeměňuje je na teplo, čímž stratosféru ohřívá. Největší koncentrace ozonu se nachází ve výšce přibližně 20 až 30 kilometrů a právě v těchto výškách a nad nimi je ohřev nejsilnější.
Ozonová vrstva je pro život na Zemi naprosto zásadní. Ultrafialové záření, zejména jeho složky UV-B a UV-C, je pro živé organismy velmi škodlivé — poškozuje DNA, způsobuje kožní spáleniny a při dlouhodobém působení může vyvolat rakovinu kůže. Ozonová vrstva toto nebezpečné záření zachytí dříve, než dopadne na zemský povrch, a tím chrání veškerý život na souši. Bez ozonové vrstvy by pozemský život v podobě, jakou známe, nebyl možný.
Protože teplota ve stratosféře s výškou roste, je tato vrstva velmi stabilní — vzduch se v ní téměř nemíchá svisle. Teplý vzduch nahoře a studený dole znamená, že lehčí vzduch je už nahoře a těžší dole, takže neexistuje důvod ke konvektivním proudům. Proto se ve stratosféře nevyskytují oblaka ani srážky v běžném smyslu (existují sice vzácná polární stratosférická oblaka, ale to jsou výjimečné jevy za extrémně nízkých teplot).
Horní hranice stratosféry se nazývá stratopauza a nachází se ve výšce přibližně 50 kilometrů.
Vzduch ve stratosféře proudí převážně vodorovně a velmi rovnoměrně, což je důvod, proč dopravní letadla létají v horní troposféře a spodní stratosféře ve výškách okolo 10 000 km nad hladinou moře — setkávají se tam s minimálními turbulencemi.
Nad stratopauzou začíná mezosféra, sahající přibližně od 50 do 80 až 85 kilometrů výšky. Její mocnost je tedy přibližně 30 až 35 kilometrů. V mezosféře teplota opět s výškou klesá, protože zde už není dostatek ozonu, který by pohlcoval ultrafialové záření, a vzduch je příliš řídký, aby účinně zadržoval teplo.
U horní hranice mezosféry, v oblasti zvané mezopauza, dosahuje teplota svého absolutního minima v celé atmosféře — přibližně minus 80 až minus 100 °C. Mezopauza ve výšce kolem 85 kilometrů je tak nejchladnějším místem v celé zemské atmosféře, dokonce chladnějším než stratosféra i než mnohem vyšší a řidší termosféra nad ní. Tato skutečnost bývá pro děti překvapivá — čekaly by, že nejchladněji bude co nejvýše, ale atmosféra tak jednoduše nefunguje.
Mezosféra je vrstvou, kde shoří většina meteoroidů — drobných kousků kosmického prachu a úlomků komet a asteroidů, které vletí do atmosféry obrovskou rychlostí. Přestože je vzduch v mezosféře nesmírně řídký, při rychlostech kolem 20 až 70 kilometrů za sekundu je tření tak intenzivní, že se meteoroidy rozžhaví a většinou celé shoří dříve, než dopadnou k zemi. Světelnou stopu, kterou za sebou zanechávají, vidíme ze země jako „padající hvězdy" — meteory. Mezosféra tak vlastně funguje jako štít, který Zemi chrání před neustálým bombardováním kosmickým materiálem.
V mezosféře se také občas vyskytují takzvaná noční svítící oblaka (odborně noctilukentní oblaka), což jsou nejtenčí a nejvýše položená oblaka na Zemi, tvořená drobnými ledovými krystalky ve výškách kolem 80 až 85 kilometrů. Jsou viditelná ze země pouze za soumraku, kdy je pozorovatel už ve stínu Země, ale tyto extrémně vysoké oblaka jsou ještě osvětlena Sluncem pod obzorem. Jejich výskyt se v posledních desetiletích zvyšuje, což vědci dávají do souvislosti se změnami klimatu.
Nad mezopauzou, tedy přibližně od 80–85 kilometrů, začíná termosféra, která sahá do výšky přibližně 500 až 600 kilometrů, i když její horní hranice není přesně definována a mění se podle sluneční aktivity. Její mocnost je tedy řádově 400 až 500 kilometrů, což z ní dělá zdaleka nejrozsáhlejší vrstvu atmosféry.
V termosféře teplota opět prudce roste s výškou. Ve výškách kolem 200 až 300 kilometrů může dosahovat 500 až 1 500 °C a v období vysoké sluneční aktivity dokonce přes 2 000 °C. Tyto hodnoty znějí děsivě, ale je důležité pochopit, co vlastně v takové výšce „teplota" znamená. Vzduch je zde tak neuvěřitelně řídký, že jednotlivé molekuly a atomy jsou od sebe velmi daleko. Sice se pohybují obrovskou rychlostí (a právě rychlost pohybu částic je to, co měříme jako teplotu), ale je jich tak málo, že by člověk v termosféře nepocítil žádné horko — naopak by bez ochranného obleku rychle promrzl, protože přenos tepla od tak řídkých částic je zanedbatelný.
Teplota v termosféře je vysoká proto, že zbývající molekuly a atomy vzduchu (především kyslík a dusík) pohlcují energetické krátkovlnné záření ze Slunce — především extrémní ultrafialové záření a rentgenové záření. Toto záření je tak energetické, že z atomů vyráží elektrony a vytváří tak ionizovaný plyn, tedy plazma.
Vrstva ionizovaných částic v termosféře se nazývá ionosféra a má mimořádný praktický význam: odráží rádiové vlny určitých frekvencí zpět k zemskému povrchu, což umožňuje přenos rozhlasového vysílání na krátkovlnných frekvencích na velké vzdálenosti přes obzor.
V termosféře vznikají také polární záře — jedny z nejúchvatnějších přírodních jevů. Polární záře vznikají, když nabité částice ze slunečního větru (proud částic vyvržených ze Slunce) proniknou podél siločar zemského magnetického pole do atmosféry v okolí magnetických pólů. Tam narážejí do atomů kyslíku a dusíku a předávají jim energii. Tyto atomy se excitují — dostanou se do vyššího energetického stavu — a při návratu do základního stavu vyzáří světlo. Kyslík září zeleně (nejčastější barva polární záře) nebo červeně, dusík přidává fialové a modré odstíny. Polární záře se typicky vyskytují ve výškách mezi 100 a 300 kilometry.
Na horní hranici termosféry na takzvané nízké oběžné dráze (LEO) obíhá Mezinárodní vesmírná stanice ISS ve výšce přibližně 400 kilometrů a pohybuje se zde mnoho umělých družic. Ve výšce přibližne 540 kmn obíhá také známý Hubbleův teleskop. Na této oběžné dráze začíná být "těsno" i díky více než 10 000 satelitům Starlink.
Nejvyšší a nejřidší vrstvou atmosféry je exosféra, začínající ve výšce přibližně 500 až 600 kilometrů a pozvolna přecházející do meziplanetárního prostoru. Za její vnější hranici se někdy považuje vzdálenost přibližně 10 000 kilometrů od zemského povrchu, ale tato hranice je naprosto neurčitá, protože exosféra nemá žádný ostrý konec.
Ve vzdálenější oblasti exosféry je od výšky 2000 km střední oběžná dráha (MEO), na které obíhají převážně navigační družice systému GPS, Galileo, GLONASS
V exosféře je plyn tak neuvěřitelně řídký, že jednotlivé částice (převážně atomy vodíku a hélia) se pohybují po dlouhých drahách, aniž by narážely do jiných částic. Některé z nich mají dostatečnou rychlost, aby překonaly zemskou gravitaci a unikly do vesmíru — a právě proto se tato vrstva jmenuje exosféra, z řeckého „exo" znamenajícího „vně" nebo „ven". Země tak neustále ztrácí nepatrné množství nejlehčích plynů do kosmu, i když tato ztráta je tak malá, že za celou dobu existence Země neměla podstatný vliv na složení atmosféry.
¶ Zemská atmosféra je náš plášť do vesmírné nepohody
Od prvního metru nad zemí po poslední unikající atom vodíku nás atmosféra chrání před kosmickým zářením, před ultrafialovým světlem, před meteoroidy, udržuje na Zemi přijatelnou teplotu a zadržuje vzduch, který dýcháme. Bez atmosféry by Země vypadala jako Měsíc — přes den rozpálená na více než 100 °C, v noci promrzlá na minus 170 °C, bez vody, bez zvuku a bez života.