ATMOSFERA (grčki ’ατμός atmos para i σφαĩρα sfaira kugla) predstavlja u širem smislu plinovit omotač nebeskih tijela, u užem smislu plinovit ovoj Zemlje. Atmosferu imaju sva veća nebeska tijela (Sunce, veći planeti, zvijezde stajaćice); kod manjih nebeskih tijela sila teže je preslaba, da uz jezgru veže lake plinove. Čak i kod većih nebeskih tijela sila teže nije toliko jaka, da bi zadržala u atmosferi laganije plinove. Tako, na pr., u Zemljinoj atmosferi nema hidrogena i helija.

Historijski pregled. Do pronalaska barometra (Torricelli, 1643) smatralo se, da je zrak tijelo bez težine. Mjerenje tlaka i temperature zraka barometrom, odnosno termometrom, omogućilo je da se utvrdi osnovno znanje o fizikalnom stanju atmosfere i o njenim promjenama. U XVIII. st. otkrivene su dvije glavne sastojine zraka, dušik i kisik, i time je nepobitno dokazano, da zrak nije homogen plin već smjesa plinova. Pod konac XIX. st. otkrivaju se i druge sastojine zraka : argon (Ar), helij (He), neon (Ne) i dr., a zatim električna provodljivost i konačno ozon u visokim slojevima atmosfere. Razvitak motrenja vremenskih stanja u atmosferi u prvoj polovici XX. st. za potrebe prognoze vremena i klimatologije doveo je do važnih otkrića o svojstvima velikih masa zraka (zračne mase) u međusobnoj planetarnoj cirkulaciji, i o temperaturi, vlazi, tlaku i strujanjima u visokim slojevima atmosfere. Najnovija istraživanja pomoću rakete otkrivaju svojstva atmosfere i iznad 40 km.

Masa atmosfere. Atmosfera je smjesa plinova bez boje, okusa i mirisa, stlačiva, loš vodič topline, ali može prenositi vibracije priličnom brzinom (brzina zvuka u atmosferi je 333 m/sek). Obični je naziv za smjesu plinova, koji sačinjavaju atmosferu, zrak. Zrak je pri tlu dosta gust: pri 0°C i normalnom tlaku (760 mm Hg) na razini mora 1 m³ važe 1293 grama. Izračunato je, da ukupna masa atmosfere iznosi 5x9 trilijuna (5,9 . 1o¹⁵) t. Idući uvis, gustoća brzo opada, tako da se već do 5 km visine nalazi 1/2, a do 20 km⁹/₁₀ ukupne mase atmosfere. Na visini od 30 km gustoća je zraka 10 g/m³, na visini od 50 km 1 g/m³, na visini od 100 km svega 0,001 g/m³. Prema tome glavni je dio atmosfere posve tanak sloj plinova oko Zemlje (polumjer Zemlje 6370 km!).

Gornja se granica atmosfere ne može odrediti ni precizirati, jer što idemo dalje od Zemlje, atmosfera postaje sve rjeđa te zbog ekspanzivnosti dopire u tragovima daleko u međuplanetarni prostor. Našlo se tragova atmosfere prema spektroskopskim istraživanjima još na 1000 km visine.

Tlak zraka. Atmosfera pritiskuje svojom težinom na površinu Zemlje. Tlak zraka na nekom mjestu površine ili u atmosferi (sila na jedinicu površine) jednak je brojčano težini stupca zraka presjeka 1 cm², koji se nad tim mjestom nalazi i proteže do gornje granice atmosfere. Tlak zraka mjeri se na razne načine (barometar, aneroid, hipsometar). Na osnovu mjerenja barometrom uvedena je jedinica za mjerenje tlaka zraka 1 milimetar stupca žive (1 mm Hg). Poznatija jedinica za istu veličinu je 1 milibar (1 mb). Njihova međusobna veza je: 1 mm Hg=1,3332 mb (≈⁴/₃ mb). Na razini mora srednji tlak zraka iznosi 760 mm Hg (=1013,2 mb).

Tlak zraka idući uvis opada najprije brzo, a zatim sve polaganije. Mjerenjem su ustanovljene slijedeće srednje vrijednosti tlaka zraka:
Poznavajući srednje vrijednosti tlaka zraka za dva mjesta (b₁ i b₂) različitih nadmorskih visina, koja nisu međusobno previše horizontalno udaljena, može se odrediti i njihova međusobna visinska razlika H (u metrima) po slijedećoj približnoj formuli:

\[H=16000\,(1+\alpha\,t)\frac{b_1-b_2}{b_1+b_2}\]

gdje je α = 1/273, a t srednja temperatura sloja zraka između ta dva mjesta.

Sastav atmosfere. Atmosfera je smjesa plinova, u kojoj imaju najvećeg udjela dušik, kisik i argon. Sastojine atmosfere možemo podijeliti na postojane i promjenljive.

Postojani dio, koji je po mjestu i vremenu izvanredno stalan, sačinjavaju slijedeći plinovi (izraženo u procentima volumena):
Preostatak sačinjavaju plemeniti plinovi: ksenon (Xe), kripton (Kr), neon (Ne), helij (He), radon (Ra), zatim ozon (0₃) i neki drugi plinovi u vrlo malim količinama.

U promjenljivi dio, kojega je procentualni udio vrlo malen, idu ugljični dioksid (C0₃) i vodena para. Prosječni udio ugljičnog dioksida, kojega količina varira, iznosi 0,03%. Vodena se para sa vrlo promjenljivim procentualnim udjelom (od 0% u polarnim krajevima do 4% volumena) pojavljuje u atmosferi kao plin, kao vodene kapljice, kao amorfni led i kao ledeni kristalići, t. j. u sva tri agregatna stanja.

U atmosferi, osobito u donjim slojevima, ima krutih i tekućih primjesa anorganskog i organskog podrijetla. To su sićušne čestice soli, kapljice sumporne kiseline, produkti sagorijevanja, čestice prašine (s pustinja, stepa), pepela i t. d. Neke od tih čestica imaju golemo značenje u atmosferskim zbivanjima (procesi kondenzacije i sublimacije, oborine). Ima u atmosferi i čestica organskog podrijetla (pelud, bakterije).

Prikazani procentualni udio plinova postojanog dijela konstantan je do veoma velikih visina: to je posljedica vertikalnog miješanja atmosfere. Količina vodene pare, međutim, s visinom brzo opada. Smanjenje količine vodene pare s visinom u gramima po kg vlažnog zraka (t. zv. specifična vlaga s), a izraženo u procentima količine pri površini Zemlje, u prosjeku je slijedeće:
Uzme li se, na pr., kao srednja vrijednost specifične vlage pri tlu 6 g/kg, tad na 8 km izlazi specifična vlaga 0,04 x 6=0,24 g/kg. Mala količina vodene pare u većim visinama, uz slabu konvekciju, glavni je razlog, da se oblaci pojavljuju veoma rijetko iznad 10 km visine.

Iznad 16 km visine počinje naglo rasti procentualni udio ozona, a najviše ga ima između 20 i 30 km. Ukupna je količina ozona u cjelini veoma mala, tako da bi kod normalnih uvjeta pri tlu vršila tlak od svega 2—3 mm Hg. Na visini od 60—70 km povećava se udio lakih plinova (na pr. omjer He/N₂ povećava se 2 puta prema vrijednosti pri tlu). Povećanje postotka lakih plinova dolazi od difuznog odjeljivanja (taloženja) teških od lakih plinova. Novija su istraživanja međutim pokazala, da dušika ima i u najvišim slojevima atmosfere (i na 1000 km visine). Na visinama između 100 i 300 km kisik se nalazi disociiran, t. j. u atomarnom stanju (obična molekula kisika pri tlu sastavljena je od 2 atoma kisika; disociirani kisik sačinjavaju molekule kisika, koje se sastoje od jednog atoma kisika). Čini se, da to vrijedi i za dušik, iako u manjoj mjeri.

Grijanje atmosfere i njena podjela. Glavni energetski izvor za grijanje atmosfere je Sunce. Sunčeve zrake prolaze kroz atmosferu, a da ih ona samo posve malo apsorbira. Najveći dio energije tih zraka dolazi do površine Zemlje, koja ga apsorbira i zatim emitira kao toplinsko žarenje prema atmosferi. To žarenje međutim apsorbira atmosfera, a osobito vodena para u atmosferi. Time se atmosfera zagrijava i zatim emitira toplinske zrake prema Zemlji (protužarenje atmosfere), a dijelom i prema svemiru. Tako se jedan dio emitirane energije ponovo vraća na Zemlju. Atmosfera prema tome djeluje kao zaštitni pokrivač, koji povisuje srednju temperaturu zraka nižih slojeva atmosfere i smanjuje temperaturne razlike između dana i noći, ljeta i zime (efekt staklenika). Izjednačivanje razlika u temperaturi raznih krajeva zemlje vrši se cirkulacijom zraka.

Prijenos topline vertikalno uvis vrši se žarenjem, konvekcijom, turbulentnom razmjenom i kondenzacijom vodene pare.

Vertikalna raspodjela temperature. Temperatura zraka opada s visinom, najprije brzo u blizini tla, a zatim sve polaganije. Veličina opadanja temperature s visinom (vertikalni temperaturni gradijent) iznosi u donjim slojevima atmosfere prosječno 5—6°C na 1000 m visine. Ima slučajeva, kad temperatura idući uvis ostaje konstantna (izotermija) ili čak s visinom raste (inverzija). Inverzije nastaju: u anticiklonama zbog spuštanja zraka nad prostranim područjima, i to na visini od 1—2 km (dinamičko zagrijavanje); u blizini tla za vrijeme vedrih noći zbog jakog ižarivanja; u planinskim kotlinama i dolinama (slijevanje hladnijeg zraka, osobito zimi). Inverzije se pojavljuju i u visini kod strujanja toplijeg zraka iznad hladnijega (frontalne inverzije).

Ako tlo zagrije zračne mase, one postaju lakše od okoline pa se dižu uvis: nastaju uzlazne zračne struje i vertikalno miješanje zraka (konvekcija). Pri dizanju uvis, u slojeve nižeg tlaka, zrak se rasteže i pritom hladi za svakih 100 m visine za 1°C (adijabatičko hlađenje). Ukoliko je vertikalni temperaturni gradijent manji od 1°C/1oo m, atmosfera je u stabilnoj ravnoteži, jer će uvis podignuta čestica zraka postati zbog adijabatičkog hlađenja hladnija od okoline, pa će se kao teža nužno morati spustiti natrag u ishodni položaj. U slučaju da je vertikalni temperaturni gradijent veći od 1°C/1oo m, atmosfera je u labilnoj ravnoteži: uzdignuta čestica zraka postaje toplija od okoline, pa će se dalje sama dizati uvis. Kod takva stanja mogu nastati jake uzlazne struje zraka.

Razvitkom metoda ispitivanja viših slojeva atmosfere (v. Aerologija) pokazalo se, da stanje atmosfere ovisi u znatnoj mjeri o veličini vertikalnog temperaturnog gradijenta. Zbog toga je i čitava atmosfera podijeljena na nekoliko slojeva već prema veličini temperaturnog gradijenta. Ta je podjela prema prijedlogu kongresa Međunarodne geodetske i geofizičke unije (1951) slijedeća:

Najdonji sloj, troposfera, doseže u našim širinama prosječno do visine od 11 km, na ekvatoru do 17 km, na polovima do 8—9 km. Temperatura u troposferi pada obično za 0,5—o,6°C/1oo m i na gornjoj granici troposfera doseže na ekvatoru vrijednosti od —85°C, kod nas prosječno —50° do — 60°C. U troposferi postoje vertikalna i horizontalna strujanja zraka, zbivaju se sve one pojave, koje obuhvaćamo jednim imenom vrijeme: stvaraju se oblaci, oborine, mijenja se temperatura, vlaga i tlak zraka, te vidljivost.

Iznad troposfere postoji prelazni sloj, tropopauza, od nekoliko km debljine, u kojem je opadanje temperature idući uvis znatno manje nego u troposferi.

Drugi je sloj stratosfera, do otprilike 40 km visine. Temperatura zraka u stratosferi postaje stalna i posve lagano raste s visinom. To je posljedica apsorpcije jednog dijela ultraljubičastog žarenja Sunca u sloju ozona. Stratosfera je područje bez vertikalnih struja; stoga je uglavnom bez oblaka, često sa vrlo jakim vjetrovima (i do 300 km/sat). Svojstva troposfere i stratosfere utvrđena su usponima slobodnih balona snabdjevenih instrumentima (meteorografi) ili balonima s posadom (najviši uspon 1935 stratostat Explorer II. sa Stevensom i Andersonom, preko 22 km), u najnovije vrijeme pomoću balona s radio-sondama, koje automatski javljaju temperaturu, vlagu i tlak zraka na visinama, kroz koje se balon diže.

Treći sloj, mezosfera, obuhvaća područje od 40 do 80 km visine. U donjem dijelu još ima zagrijavanja i porasta temperature s visinom, a u gornjem dijelu sloja temperatura pada, tako da je na 80 km utvrđen izrazit minimum temperature.

Četvrti je sloj termosfera: temperatura ponovo stalno raste s visinom. Razlog porasta temperature leži u tom, što kisik i dušik apsorbiraju Sunčevo kratkovalno žarenje.

Peti sloj, eksosfera, najviši je sloj (čini se iznad 600 km), u kojem molekule plina mogu napustiti Zemljinu atmosferu, jer je sila teže preslaba, da ih zadrži. Gornja se granica ne može precizirati.

Metode određivanja stanja slojeva atmosfere. Glavne metode, koje se danas upotrebljavaju za određivanje kemijskog i fizikalnog stanja visokih slojeva atmosfere, jesu: spektroskopska ispitivanja ultraljubičastog dijela Sunčeva žarenja, svjetlosti noćnog neba i polarne svjetlosti (koje se najčešće pojavljuju između 65 i 300 km, a rijetko preko 600 km visine), istraživanja putanja meteora (osobito pomoću radara), motrenja svijetlećih noćnih oblaka (koji se katkada pojavljuju na visinama od 25 do 80 km), dalje ispitivanja kolebanja magnetskog polja Zemlje, pa ispitivanja širenja zvučnih valova, izazvanih eksplozijama. Poslije II. svjetskog rata postignuti su značajni uspjesi u ispitivanju visoke atmosfere pomoću raketa tipa V-2, snabdjevenih instrumentima. Jedna takva raketa, WAC-Corporal, dosegla je visinu od preko 400 km).

Emisijama kratkih radio-valova nedvojbeno je ustanovljeno, da u atmosferi postoji više slojeva zraka velike električne provodljivosti, t. zv. ionizirani slojevi. To su redom slojevi D, E, F₁ i F₂ (Kennelly-, Heavyside- i Appleton-slojevi), kojih se visina mijenja u toku dana i godine (srednje su visine redom: 80, 1oo, 220 i 320 km). Ionizirani slojevi imaju svojstvo, da se od njih odbijaju radio-valovi, te stoga oni omogućuju radio-veze i na velike udaljenosti. Ti slojevi nastaju uglavnom pri apsorpciji Sunčeva ultraljubičastog žarenja, koja je uzrok i znatnog zagrijavanja visoke atmosfere (gdje temperature sežu i znatno iznad najviših vrijednosti pri tlu). Mnogi podaci o temperaturi, kao i sastavu visokih slojeva još nisu pouzdani i provjereni, osobito iznad 150 km visine.

Zračne mase. Atmosfera se dijeli ne samo vertikalno u slojeve, nego i horizontalno u zračne mase. U različitim krajevima Zemlje, zbog nejednakog zagrijavanja kopna i mora, i zbog toga što s porastom geografske širine opada ugrijavanje Zemljine površine Suncem, dobiva zrak različita svojstva. Tako nastaju zračne mase s određenim svojstvima, a šire se nad velikim prostranstvima, često od nekoliko tisuća km² i vertikalno se uzdižu do 10 km. Svojstva takve određene zračne mase prilično su jednolična tako, da se u horizontalnom smjeru temperatura, vlaga, vertikalni temperaturni gradijent, vidljivost i t. d. posve malo i postepeno mijenjaju. Da bi zračna masa dobila stalna svojstva, mora se zadržavati dovoljno dugo vremena nad prostranim površinama, kojih su sastav i temperatura jednolični. Za formiranje zračnih masa, osobito su pogodne nepomične anticiklone (područja visokog tlaka zraka), gdje procesi zagrijavanja, odnosno hlađenja zbog vedrine teku osobito intenzivno. Područja, gdje se formiraju zračne mase, nazivamo izvornim područjima. To su uglavnom velike površine oko polova, pokrivene snijegom ili ledom, oceani i pustinje. Pojasi srednjih širina djeluju kao prelazna područja.

Uslijed cirkulacije može zračna masa napustiti svoje izvorno područje noseći sa sobom osobine karakteristične za to područje. U toku premještanja mogu se ove osobine polagano mijenjati, prema tome, kakvim područjima zračna masa prolazi. Pri dolasku zračne mase u novo područje nastaju ondje većinom znatne promjene vlage, temperature, smjera i brzine vjetra, naoblake i t. d.

Prema izvornom području mogu se zračne mase podijeliti na 4 glavna tipa: arktički (A), polarni (P), tropski (T) i ekvatorijalni zrak (E), a prema tome, da li dolazi s oceana ili kopna, razlikuje se kod svake zračne mase maritimni (m) ili pak kontinentalni (c) tip. U prvom slučaju (m tip) zračna masa prima nad oceanima velike količine vodene pare, kojom daje osnovu za stvaranje oblaka i oborina. Kontinentalni tip (c) ima manju količinu vodene pare.

Arktička zračna masa (A) stvara se u području Grenlanda te na ledenim površinama Arktičkog oceana. Kontinentalni arktički zrak (cA) je najhladniji, koji poznajemo, pa pri prodoru prema jugu izaziva vrlo niske temperature, a često i izvanrednu vidljivost.

Polarne zračne mase (P) nastaju većinom u umjerenim širinama od arktičkog zraka, koji se zaustavio u anticikloni. cP nastaje zimi nad hladnim i često zaleđenim površinama centralne Azije, Kanade i sjeverne Evrope kao izrazito hladna i suha zračna masa. Ljeti se cP zrak odlikuje visokim temperaturama. mP zrak je najvećim dijelom transformirani cP ili A zrak, koji je dovoljno dugo ostao iznad površine oceana i apsorbirao velike količine vodene pare. Gibajući se preko toplih površina (kopna ili vode), ta zračna masa donosi mnogo pljuskova, zimi pak nad kontinentom znatan porast temperature.

Tropski zrak (T) pojavljuje se općenito kao zračna masa s najvišim temperaturama. mT nastaje nad Atlantskim (osobito kod Azora) i Tihim oceanom između 25⁰ i 40°N u okviru gotovo nepomičnih anticiklona, gdje je vrijeme pretežno mirno i vedro. cT se stvara u sjevernoj Africi, Maloj Aziji, južnom Balkanu, sjevernom Meksiku i južnim državama USA, pa pri prodoru donosi veoma visoke temperature i u najsjevernijim krajevima.

Ekvatorijalni zrak (E) nastaje u ekvatorijalnom pojasu i u pasatnoj zoni, odakle se diže u visinu te u srednje širine dolazi samo u visini kao veoma topao zrak.

U okviru opće cirkulacije, u sklopu strujanja ciklona i anticiklona, zračne mase dolaze međusobno u dodir. Prelazni sloj između dviju zračnih masa (fronta) značajan je po tome, što na njemu nastaju sve glavne promjene vremena na širokom području (v. Sinoptička meteorologija).

Važnost atmosfere. Postojanje atmosfere je prijeko potreban uvjet za život na Zemlji. Vodena para, kisik i ugljični dioksid omogućuju osnovne važne procese (disanje kod životinja i ljudi, gorenje, asimilaciju biljaka, oborine). Djelovanjem atmosfere neprekidno se mijenja oblik Zemljine površine. Reljef Zemlje mijenjao se za vrijeme golemih razdoblja djelovanjem oborina, vjetra i tekućih voda. Oblik obala neprekidno se mijenja djelovanjem valova i struja pokrenutih puhanjem vjetrova. Mnogo prirodnih bogatstava Zemlje ovisi o stanju atmosfere. Nagomilavanje velikih naslaga minerala i ruda često je direktan rezultat djelovanja vode iz atmosfere. Bez atmosfere ne bi bilo moguće širenje zvuka ni letenje.

Osnovne pojave u atmosferi proučava meteorologija, dok se nekim specijalnim pojavama u atmosferi bave pojedine grane geofizike.

LIT.: Hann-Süring, Lehrbuch der Meteorologie, Leipzig 1939; W. J. Humphreys, Physics of the Air, New York 1940; Berry, Bollay i Beers, Handbook of Meteorology, New York 1945; 5. K. Mitra, The Upper Atmosphere, Calcutta 1947; G. Kuiper, The Atmosphere of the Earth and Planets, Chicago 1952.Dn. P.