ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΩΤΕΡΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ

 Από τις πολυάριθμες χημικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν σε διάφορα μέρη της γης, κατά το δυνατό μακριά από κατοικημένους χώρους ή ζώνες με έντονη βιομηχανική δραστηριότητα, διαπιστώθηκε ότι η ατμόσφαιρα της γης στα κατώτερα στρώματα της αποτελείται από 1. ξηρό «καθαρό» ατμοσφαιρικό αέρα, 2. υδρατμούς και 3. ατμοσφαιρικά αιωρήματα.

1. Ξηρός «καθαρός» ατμοσφαιρικός αέρας
 Ως ξηρός «καθαρός» ατμοσφαιρικός αέρας νοείται ο ατμοσφαιρικός αέρας που είναι απαλλαγμένος από υδρατμούς και πάσης φύσης κονιορτούς και αερολύματα. Στον πίνακα 3.1 δίνεται η σύσταση του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα. Εκτός από τα αέρια αυτά, ο ξηρός αέρας περιέχει και άλλα αέρια με πολύ μικρές και μεταβλητές ποσότητες. Σ' αυτά αναφέρουμε τα οξείδια του Αζώτου (NO, N2O4 , Ν2Ο5 , ΝΟ2), το διοξείδιο του θείου (SO2), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το υπεροξείδιο του υδρογόνου (Η2Ο2), η αμμωνία (ΝΗ3), το Νιτρικό οξύ (ΗΝΟ3), το θειώδες οξύ (H2SO4), το Ραδόνιο (Rn) και το Ιώδιο (J).
 Τέλος, στην ατμόσφαιρα παρουσιάζονται και ραδιενεργά στοιχεία που προέρχονται από το γήινο φλοιό και τα διάφορα κατάλοιπα. Οι ακτινοβολίες τους ρυθμίζουν, μερικώς, το σχηματισμό ιόντων στην ατμόσφαιρα.
 Τα τέσσερα πρώτα αέρια του πίνακα 3.1 αποτελούν τα 99.98% του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα τόσο κατά όγκο όσο και κατά βάρος, ενώ τα υπόλοιπα αέρια βρίσκονται σε πολύ μικρές ποσότητες. Γενικά, η αναλογία των κυριοτέρων συστατικών του ξηρού αέρα παραμένει σταθερή μέχρι του ύψους των 100 Km περίπου. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει ότι στο στρώμα αυτό η ατμόσφαιρα είναι καλά ανακατεμένη, δηλαδή σημειώνεται σε ικανοποιητικά μεγάλη κλίμακα μίξη που παρεμποδίζει τα αέρια να διαχωριστούν σε στρώματα ανάλογα με το ειδικό βάρος τους. Πέρα από το ύψος των 100 Km δεν παρατηρείται κάτι ανάλογο.
 Έτσι, η ατμόσφαιρα διαχωρίζεται σε δύο μεγάλες περιοχές ανάλογα με τη μεταβολή ή όχι της ατμοσφαιρικής σύστασης με το ύψος. Από τις δύο αυτές περιοχές, η μια που εκτείνεται από την επιφάνεια μέχρι περίπου το ύψος των 100 Km και που διατηρεί σταθερή την αναλογία των συστατικών του ξηρού αέρα με το ύψος λέγεται «ομοιόσφαιρα», ενώ η άλλη που εκτείνεται πέρα των 100 Km με μεταβλητή την αναλογία των συστατικών του λέγεται «ετερόσφαιρα».
 Αξίζει να τονιστεί ότι η σύσταση του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα που δίνεται στον πίνακα 3.1 είναι περίπου σταθερή και όμοια σ' οποιονδήποτε τόπο της επιφάνειας της γης, δηλαδή πάνω από ξηρές ή θάλασσες, από δασοσκεπείς ή ερημικές περιοχές, από πεδινές ή ορεινές εκτάσεις κλπ.

Πίνακας 3.1 Η σύνθεση του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα
 Σύνθεση της ατμόσφαιρας
  Εκτός από την περιγραφή της σύστασης του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα, κρίνεται σκόπιμο να γίνει μια μικρή αναφορά και στην κλιματολογική και βιολογική σημασία των κυριοτέρων συστατικών του ξηρού αέρα.

α. Άζωτο
 Είναι το αφθονότερο ατμοσφαιρικό αέριο και απαντά σχεδόν στο σύνολο του στην ατμόσφαιρα και μόνο πολύ μικρά ποσά του βρίσκονται στη βιόσφαιρα και σε μικρές αποθέσεις βιολογικής προέλευσης. Το Άζωτο (Ν2) και το Αργό (Α) είναι αδρανή αέρια και χρησιμεύουν κυρίως στην αραίωση του οξυγόνου. Μόνο κάτω από ορισμένες συνθήκες που συναντώνται στις πυρκαγιές των δασών, στις διάφορες πηγές καύσης και στις μηχανές εσωτερικής καύσης, είναι δυνατό το Άζωτο να πάρει μέρος στις χημικές αντιδράσεις.
 
β. Οξυγόνο
 Μετά από το άζωτο, το οξυγόνο είναι το πιο διαδεδομένο αέριο της ατμόσφαιρας. Αυτό καταναλώνεται και ανανεώνεται συνέχεια με τη βοήθεια χημικών αντιδράσεων της Λιθόσφαιρας, της Βιόσφαιρας και των υδρατμών. Μέσα στα όρια των σφαλμάτων μέτρησης, η ποσότητα του οξυγόνου στην κατώτερη ατμόσφαιρα είναι σταθερή. Το οξυγόνο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα από δύο πηγές. Η μια είναι η φωτοδιάσπαση του νερού, σύμφωνα με την αντίδραση:
Φωτοδιάσπαση
και που λαμβάνει χώρα στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το παραγόμενο Η2 διαφεύγει τελικά στο κοσμικό διάστημα.
 Η άλλη πηγή είναι η φωτοσύνθεση που συνδέεται με τη συσσώρευση της οργανικής ύλης, κυρίως του άνθρακα, στο φυτικό κόσμο. Η φωτοσύνθεση χρησιμοποιεί ορατό φως που δε δεσμεύεται από την αυξανόμενη συγκέντρωση του οξυγόνου που παράγεται με τη φωτοδιάσπαση στα μεγάλη ύψη. Στη διεργασία της φωτοσύνθεσης λαμβάνει χώρα η αντίδραση:
Φωτοσύνθεση
Φυσικά μια ποσότητα του οξυγόνου της ατμόσφαιρας δεσμεύεται από τη Βιόσφαιρα κατά τις καύσεις:
Καύση
 Το οξυγόνο που υπάρχει, σήμερα, στην ατμόσφαιρα θεωρείται ότι είναι όλο βιολογικής προέλευσης, γιατί από τη μια μεριά το οξυγόνο που παράγεται από τη φωτοδιάσπαση είναι μικρής ποσότητας και από την άλλη μεριά, η αρχική ποσότητα του οξυγόνου, αν δεν υπήρχε η βιολογική προέλευση, θα ξοδευόταν αμέσως κατά τη διάβρωση των πετρωμάτων. Επιπρόσθετα, ο μέσος χρόνος παραμονής ενός ατόμου στην ατμόσφαιρα είναι της τάξης των 1000 χρόνων.
 Ανάμεσα στη φωτοσυνθετική παραγωγή του οξυγόνου από τους ζωντανούς οργανισμούς υπάρχει μια δυναμική ισορροπία. Όμως, υπάρχουν προβλέψεις πολλών ερευνητών για τη διατάραξη αυτής της ισορροπίας. Οι προβλέψεις αυτές ενισχύονται και από την ενδεχόμενη ελάττωση των φωτοσυνθετικών οργανισμών των ωκεανών εξαιτίας της αλόγιστης χρήσης των φυτοφαρμάκων και των παρασιτοκτόνων. Από πρόσφατες μετρήσεις της συγκέντρωσης του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα δεν διαπιστώνεται καμία τέτοια μεταβολή που να είναι ανιχνεύσιμη. Μόνο στις πιο μολυσμένες περιοχές της γης υπάρχει μια ανεπαίσθητη μεταβολή (ελάττωση) στη συγκέντρωση του οξυγόνου.
 Υπολογίζεται ότι η ελάττωση στη συγκέντρωση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα (ολική συγκέντρωση περίπου 20.8%) που θα προέκυπτε μετά από το κάψιμο όλων των ποσοτήτων του άνθρακα και του πετρελαίου που θα ανακτόταν από τη γη, θα είχε στην αναπνοή μια μόνο ανεπαίσθητη επίδραση.
γ. Διοξείδιο του άνθρακα
 Πέρα από τα βασικά συστατικά του ξηρού καθαρού ατμοσφαιρικού αέρα (Ν2 , Ο2 , Α) σημαντικό ρόλο στη θερμο-οικονομία του πλανήτη μας παίζει και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Η περιεκτικότητα του (περίπου 0.03% κατά όγκο) μέσα στην ατμόσφαιρα μεταβάλλεται χρονικά και τοπικά. Οι φυσικές δεξαμενές του CO2 είναι οι ωκεανοί, τα ιζηματογενή ανθρακικά πετρώματα, η βιόσφαιρα και η ατμόσφαιρα.
Το διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται στην ατμόσφαιρα:
1. από τις διεργασίες των ζωντανών οργανισμών τόσο της ξηράς όσο και της θάλασσας (δηλαδή αναπνοή των ζώων και των φυτών),
2. από την αποσύνθεση των οργανικών στοιχείων μέσα στο έδαφος,
3. από τις καύσεις της οργανικής ύλης (άνθρακας, πετρέλαιο, ξύλα, υγραέριο κλπ.) και
4. από φυσικές πηγές (εκρήξεις των ηφαιστείων, αέρια των θερμοπηγών, διάβρωση των ανθρακικών πετρωμάτων κλπ.).
 Παράλληλα με τη συνεχή παραγωγή του CO2 , υπάρχει και αντισταθμιστικός μηχανισμός που δεσμεύει ποσότητα αυτού και διατηρείται, κατά τον τρόπο αυτό, μια κάποια ισορροπία ή κάποιο δυναμικό ισοζύγιο. Η δέσμευση αυτή του CO2 γίνεται με τη βοήθεια των παρακάτω διαδικασιών:
 1. Με τη φωτοσύνθεση, που μετακινεί ετήσια τα 3% της ολικής πλανητικής ποσότητας του CO2
.2. Στους ωκεανούς, το CO2 διαλύεται μέσα στο νερό και ένα μέρος αυτού  χρησιμεύει  για τη  δημιουργία των ανθρακικών  ενώσεων  (υπό
μορφή σκελετών και κελυφών των θαλάσσιων οργανισμών, κλπ.), ενώ το υπόλοιπο, περίπου 1%, διατηρείται διαλυμένο στο νερό.
.3. Στην ξηρά, νεκρά οργανικά υλικά μετατρέπονται σε χούμο που μπορεί να δημιουργήσει ένα νέο απόθεμα καυσίμων στο απώτερο μέλλον.
 Το διοξείδιο του άνθρακα, παρά το γεγονός ότι παρουσιάζει μικρή συγκέντρωση, έχει μεγάλη σημασία στη θερμο-οικονομία του πλανήτη μας, γιατί καθώς θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο, αυτό είναι σχεδόν διαπερατό στην εισερχόμενη μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία και απορροφά πολύ έντονα τη μεγάλου μήκους κύματος γήινη ακτινοβολία, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας επανεκπέμπει πάλι προς τη γη. Με τον τρόπο αυτό, δηλαδή της απορρόφησης μέρους της γήινης ακτινοβολίας (υπέρυθρη ακτινοβολία) που εκπέμπεται από την επιφάνεια της γης και της επανεκπομπής πάλι μέρους αυτής πίσω στη γη, το CO2 ανακόπτει το ρυθμό ψύξης της γης, ενώ ταυτόχρονα συμβάλλει στην ψύξη της ανώτερης ατμόσφαιρας.
 Η κατακράτηση μέρους της θερμικής ακτινοβολίας (γήινη ακτινοβολία) από το CO2 συντελεί τόσο στη θέρμανση όσο και στην ενεργοποίηση της ατμόσφαιρας στα κατώτερα στρώματα της. Το φαινόμενο αυτό, είναι γνωστό σαν «επίδραση θερμοκηπίου».
 Εξαιτίας της μεγάλης επίδρασης του CO2 πάνω στο θερμικό ισοζύγιο του συστήματος «Γη-Ατμόσφαιρα» το πρόβλημα που συζητιέται σήμέρα πάρα πολύ από πολλούς ερευνητές είναι αν η συγκέντρωση του CO2 μέσα στην ατμόσφαιρα αυξήθηκε τα τελευταία χρόνια και πόσο. Από συστηματικές μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν στο χρονικό διάστημα 1870-1970, προκύπτει ότι η ολική ποσότητα του CO2 έχει αυξηθεί κατά 10-11%, σαν αποτέλεσμα της καύσης μεγάλης ποσότητας άνθρακα και πετρελαίου από τη σύγχρονη βιομηχανοποιημένη κοινωνία. Η πορεία της συγκέντρωσης του CO2 στα τελευταία 100 χρόνια δίνεται από το σχήμα 3.1

Σχήμα 3.1 Πορεία της συγκέντρωσητ του CO2 τα τελευταία 100 χρόνια
Διοξείδιο
 Οι σχετικοί υπολογισμοί ανεβάζουν την παραπάνω αύξηση του CO2 μέσα στην ατμόσφαιρα σε ποσοστό 20% περίπου. Η πλεονάζουσα ποσότητα του CO2 (η διαφορά της μετρούμενης ποσότητας από την υπολογισμένη) φαίνεται ότι προσλαμβάνεται τόσο από τη βιόσφαιρα της ξηρά και της θάλασσας όσο και από τους ωκεανούς. Επίσης, πολλοί από του θεωρητικούς ερευνητές προβλέπουν για το έτος 2000 μια αύξηση του CO2 από τα 320 ppm που είναι σήμερα, στα 370 ppm, καθώς και μι< αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη, γύρω στους 0,5° C, με την προϋπόθεση ότι θα διατηρηθεί, περίπου στα ίδια επίπεδα με τα σημερινά, η κατανάλωση των καυσίμων.
 Μια, ενδεχόμενη, τέτοια μεγαλύτερη συγκέντρωση του CO2 στη' ατμόσφαιρα θα πρέπει να μας απασχολεί, γιατί είναι δυνατό να διαταραχθεί η ισορροπία στους χώρους πρόσληψης του CO2 . Με την παραδοχή ότι η ατμόσφαιρα θα συνεχίσει να δέχεται αδιατάρακτα το μισό του CO2 που παράγεται κάθε χρόνο στον πλανήτη, τότε το άλλο μισό θα πρέπει να προσληφθεί από τους ωκεανούς και τη βιόσφαιρα. Συνεπώς σημαντικό ρόλο στο όλο πρόβλημα της αύξησης του CO2 , θα πρέπει να διαδραματίσει η μελλοντική συμπεριφορά των δύο αποθηκών του CO2της βιόσφαιρας και των ωκεανών.
 Από τη μια μεριά, η Βιόσφαιρα, που το μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας της αντιπροσωπεύουν τα δάση, μπορεί ν' ανταποκριθεί σε μια αύξηση του ρυθμού της φωτοσύνθεσης της κατά 5-8%, για μια αντίστοιχη αύξηση της συγκέντρωσης του CO2, με την προϋπόθεση ότι στους ζωντανούς οργανισμούς δε θα περιορίζονταν τόσο η τροφή όσο και το νερό. Δυστυχώς όμως, μια τέτοια δυνατότητα μπορεί να θεωρηθεί απίθανη, γιατί και η μάζα της Βιόσφαιρας ελαττώνεται εξαιτίας της τάση αποψίλωσης των μεγάλων παρθένων δασών της Βραζιλίας, της Ινδονησίας και του Κογκό. Έτσι, η ικανότητα αποθήκευσης του CO2 περιορίζεται σημαντικά, ενώ παράλληλα αυξάνεται η παροχή του CO2 στην ατμόσφαιρα από την αποσύνθεση των τμημάτων των φυτών που εγκαταλείπονται από την υλοτόμηση και τις εκχερσώσεις.
 Από την άλλη μεριά, το ερώτημα που τίθεται και χρειάζεται κάποιο απάντηση είναι αν η δεξαμενή του CO2, οι ωκεανοί, συνεχίσουν να προσφέρουν τις πολύτιμες υπηρεσίες τους στη συνεχή αποθήκευση σημαντικών ποσοτήτων CO2 . Πρώτα θα πρέπει να τονιστεί ότι, όταν μιλάμε για ωκεάνια αποθήκευση CO2 αναφερόμαστε στο τμήμα εκείνο των ωκεανών που ανταλλάσσει το CO2 με την ατμόσφαιρα και τη διατηρεί σε κάποιο ισοζύγιο για ένα χρονικό διάστημα λίγων χρόνων. Για τους ωκεανούς θα μπορούσε να επισημανθεί ιδιαίτερα, αφενός, η μεγάλη συγκριτικά με την αντίστοιχη της ατμόσφαιρας, ποσότητα του CO2 που συγκεντρώνεται σ' αυτούς (η ποσότητα αυτή υπολογίζεται ότι είναι περίπου 60 φορές περισσότερη από την αντίστοιχη της ατμόσφαιρας) και, αφετέρου, ο μεγάλος χρόνος που χρειάζεται για την ανταλλαγή του CO2 ανάμεσα στο επιφανειακό στρώμα των ωκεανών και στο αντίστοιχο που βρίσκεται σε βάθος περίπου 1000 μέτρων (ο χρόνος αυτός είναι της τάξης 500-1000 χρόνια). Για το λόγο αυτό στους ωκεανούς, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει μόνο το στρώμα που εκτείνεται μερικές εκατοντάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια για το οποίο μπορεί να πραγματοποιηθεί σχετικά γρήγορη ανταλλαγή του CO2 . To πρόβλημα της διατάραξης του ισοζυγίου του CO2 ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και στους ωκεανούς γίνεται ακόμα πιο πολύπλοκο, αν ληφθεί υπόψη και η μεταβολή της επιφανειακής θερμοκρασίας του νερού πάνω από μια εκτεταμένη περιοχή. Για όλους τους παραπάνω λόγους φαίνεται, λοιπόν, ότι οι ωκεανοί έχουν μια περιορισμένη ικανότητα δέσμευσης επιπλέον ποσοτήτων CO2 σε μικρό χρονικό διάστημα. Πάντως, σύμφωνα με τη γνώμη και των πιο αισιόδοξων ερευνητών, πιστεύεται ότι οι ωκεανοί θα προσφέρουν για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα τις υπηρεσίες τους στο ισοζύγιο του CO2 , χάρις στη μεγάλη μάζα τους και τη δυνατότητα συγκέντρωσης του CO2 , αρκεί αυτοί να μην υφίστανται υποβάθμιση με τη συνεχή ρύπανση τους με τα διάφορα υδατικά αποβλήματά μας.
 Συμπερασματικά, θα μπορούσε να ειπωθεί ότι η συνεχής προσθήκη του CO2 στην ατμόσφαιρα προκαλεί αυξημένη δράση σ' ό,τι αφορά την «επίδραση θερμοκηπίου» στη γη με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας της. Στη συνέχεια, η θέρμανση των ωκεανών θα προκαλούσε αυξημένη ροή του CO2 απ' αυτούς προς την ατμόσφαιρα. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την επίδραση του θερμοκηπίου και να παρουσιαστεί νέα αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη. Μια τέτοια εκδοχή θα μπορούσε να επαναληφθεί. Όμως, από τις θερμοκρασιακές τάσεις που παρατηρούνται σήμερα δε διαπιστώνεται μια τέτοια αύξηση της θερμοκρασίας. Φαίνεται ότι η επίδραση των συνεπειών της αύξησης του CO2 στην ατμόσφαιρα αντισταθμίζεται από την προσθήκη διαφόρων σωματιδίων που αποκόπτουν την ηλιακή ακτινοβολία και ελαττώνουν αντίστοιχα τη θέρμανση της γης. Πάντως πρέπει να τονιστεί ότι ο άνθρωπος, αν θέλει να επιζήσει πάνω σ' αυτόν τον πλανήτη, θα πρέπει να ελέγχει σε «παγκόσμια κλίμακα» την περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε CO2 .