1. Litosfery - wszystkiego, co twarde - skorupy ziemskiej, poszczególnych warstw i jądra.
2. Hydrosfery - wszystkiego, co płynne - oceanów, mórz, jezior, zbiorników wodnych i rzek.
3. Atmosfery - wszystkiego, co gazowe - czyli tego, gdzie mamy do czynienia z pojęciem pogody, (która występuje w dolnych warstwach atmosfery, ale mocno zależy również od pozostałych wyżej wymienionych części).
Przyjrzyjmy się bliżej atmosferze:
Jest ona mieszaniną gazów potocznie nazywaną powietrzem. Składa się ono z ponad 78% azotu i nieco poniżej 21% tlenu (łącznie 99,03% składu powietrza). W pozostałych 0,97% argon zajmuje 0,934%, a dwutlenek węgla 0,033%. Inne gazy - neon, hel, krypton, ksenon, wodór, ozon, jod, radon, metan, amoniak, nadtlenek wodoru podtlenek azotu itd. występują w ilościach rzędu tysięcznych i mniejszych części procentu.
Do wysokości około 100 km, licząc od powierzchni Ziemi, procentowa zawartość głównych gazów tworzących powietrze praktycznie się nie zmienia. Ilości zaś dwutlenku węgla, ozonu i pary wodnej nie są stałe.
Szczególnie dużą zmienność wykazuje zawartość w powietrzu dwutlenku węgla, którego ilość zależy od pory doby, rodzaju podłoża, a także wielu warunków lokalnych - powyżej podana jego zawartość w powietrzu jest zawartością przeciętną. Dwutlenek węgla, przepuszczając przeważającą część promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi, jednocześnie pochłania promieniowanie cieplne (podczerwone) wracające od Ziemi w przestrzeń. Jest on więc niezwykle ważnym czynnikiem dla bilansu cieplnego atmosfery.
Koncentracja ozonu rośnie ze wzrostem wysokości, przy czym ilość tego gazu ulega poważnym wahaniom. Ozon tworzy się głównie w warstwie od 15 do 55 tysięcy metrów od powierzchni Ziemi i powstaje tam z tlenu, którego cząsteczki (O2) pod wpływem promieniowania słonecznego o długości fali mniejszej niż 0,24 um (nadfiolet) rozpadają się na pojedyncze atomy (O), a te z kolei łączą się w trójatomowe cząsteczki (O3) zwane ozonem. Największą ilość ozonu spotykamy w warstwie od 20 do 35 tysięcy metrów ponad powierzchnią ziemi. Powyżej 55 do 60 tysięcy metrów nie stwierdza się istnienia ozonu. W pobliżu ziemi powstaje on w małych ilościach podczas wyładowań elektrycznych, a także w procesach utleniania niektórych ciał. Znaczenie ozonu wynika z jego zdolności pochłaniania promieniowania w trzech obszarach widma (nadfioletowym, żółto-zielonym i podczerwonym). Pochłaniając prawie całkowicie nadfioletową część promieniowania słonecznego w zakresie długości fal 0,15-0,29 um, ozon stanowi naturalną osłonę organizmów żywych przed szkodliwym wpływem tej części promieniowania. W paśmie żółto-zielonym widma przypada maksimum energii słonecznej i tu ozon pełni rolę słonecznego parasola ochronnego - abyśmy nie zostali za bardzo przypieczeni, i wreszcie w podczerwonym paśmie widma chroni ziemię przed zbytnim wypromieniowaniem ciepła w przestrzeń. Te same własności co ozon, mają jeszcze amoniak, jod i radon jednak ze względu na ich znikomą koncentrację w powietrzu nie mają one dla procesów atmosferycznych większego znaczenia.
W atmosferze znajduje się zawsze pewna ilość pary wodnej, która dostaje się tam w wyniku parowania wody z powierzchni oceanów, mórz, i innych powierzchni wodnych, a także z lodowców i obszarów zaśnieżonych (łącznie około 86%) oraz z powierzchni lądów (około 14%). Największe ilości pary wodnej zawiera warstwa powietrza przylegająca bezpośrednio do powierzchni parującej. W miarę wzrostu wysokości, a także w miarę wzrostu odległości od zbiorników wodnych ilość pary wodnej maleje. W powietrzu przy powierzchni ziemi średnia zawartość pary wodnej waha się od 0,2% w szerokościach polarnych do 2,5% w pobliżu równika. W przypadkach skrajnych zawartość pary wodnej w powietrzu waha się w granicach 0% do około 4% (w stosunku do objętości powietrza suchego). Para wodna zawarta w atmosferze spełnia niezwykle ważną rolę w procesach wymiany ciepła. Proces parowania związany jest z pobieraniem wielkich ilości ciepła (na wyparowanie 1 grama wody potrzeba blisko 600 kalorii - taka sama ilość ciepła zostaje zwrócona atmosferze w procesie skraplania pary wodnej). Produkty kondensacji pary wodnej zawieszone w atmosferze (np. chmury) odbijają, rozpraszają i pochłaniają promieniowanie biegnące zarówno od słońca, jak i od powierzchni ziemi. Para wodna, podobnie jak dwutlenek węgla pochłania silnie promieniowanie podczerwone, głównie w obszarze widma od 3 do 7 i powyżej 14 um. Wszystkie te cechy mają kolosalne znaczenie dla bilansu cieplnego atmosfery i powierzchni ziemi.
Oprócz wymienionych poprzednio składników powietrza mogą w nim się znajdować inne gazy oraz cząsteczki w stanie ciekłym czy stałym (zawiesiny). Te gazy to najczęściej tlenki siarki, azotu czy fosforu powstające w procesach spalania. Zawiesiny zaś to przede wszystkim cząsteczki dymu, sadzy, popiołu oraz kropelki roztworów kwasów powstające podczas spalania paliw, pożarów leśnych i wybuchów wulkanów, cząsteczki soli morskich dostające się do atmosfery w wyniku rozpylania grzbietów fal przez wiatr, kropelki wody i kryształki lodu jako produkty kondensacji pary wodnej, mikroorganizmy (bakterie), pył kosmiczny, produkty rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Większość tych domieszek występuje głównie w pobliżu powierzchni Ziemi. Szczególnie wiele jest w pobliżu wielkich przemysłowych miast. Nad morzami i oceanami spotyka się głównie cząsteczki soli i maleńkie kropelki roztworów tych soli.
Szczególne znaczenie dla procesów pogodowych mają zawiesiny noszące nazwę jąder kondensacji. Umożliwiają one i przyspieszają kondensację pary wodnej, w wyniku czego powstają jej rozmaite produkty - chmury, mgły, opady, osady atmosferyczne. Te jądra kondensacji ułatwiają również utrzymanie się cząsteczek wody lub lodu w pierwszej fazie ich powstawania. Jądrami kondensacji są np. cząsteczki dymu, pyły, kryształki soli, lodu, zarodniki roślin, bakterie itp.
W dolnej warstwie powietrza liczba jąder kondensacji jest największa. Nad oceanami w 1 cm3 powietrza jest ich od około 1000 do 40000. Nad lądem liczba ich znacznie większa i wynosi od 15000 do kilku milionów. Od ich liczby i rodzaju domieszek zależy stopień przepuszczalności promieniowania w atmosferze (przezroczystość). Obecność zawiesin w powietrzu jest powodem powstawania wielu procesów optycznych (rozpraszania, dyfrakcji, refrakcji, polaryzacji i innych).
W tej mieszaninie rozmaitych składników, będącej w stanie sporego rozrzedzenia, niektóre cząsteczki tracą lub przyłączają wolne elektrony, zyskując przy tym ładunki elektryczne. Naładowane w ten sposób cząsteczki nazywa się jonami, a proces ich powstawania - jonizacją. Proces ten zachodzi w atmosferze pod wpływem krótkofalowego i korpuskularnego promieniowania Słońca, promieni kosmicznych oraz promieniowania ciał promieniotwórczych znajdujących się w obrębie skorupy ziemskiej i w powietrzu. Jednocześnie z jonizacją następuje proces odwrotny - rekombinacja - pomiędzy tymi procesami zachodzi w powietrzu stan równowagi w wyniku tych procesów w każdym centymetrze sześciennym powietrza nad powierzchnią ziemi znajduje się średnio 500 do 900 jonów. Wraz z wzrostem wysokości zawartość jonów wzrasta i jest największa w obszarze wysokości pomiędzy 80 a 400 tysięcy metrów - ten obszar nazywamy nawet jonosferą. Dzięki obecności jonów powietrze wykazuje nieznaczne przewodnictwo elektryczne.
Poprzednio już wspomniałem, że zawartość procentowa składników powietrza do wysokości kilkudziesięciu tysięcy metrów nie zmienia się w widoczny sposób, czemu sprzyja intensywne mieszanie się powietrza w kierunku pionowym. Azot i tlen pozostają głównymi składnikami powietrza do bardzo wielkich wysokości.
Jednak powyżej 80-100 tysięcy metrów krótkofalowe promieniowanie słońca sprawia, że tlen znajduje się tam wyłącznie w stanie atomowym, z tego też powodu również inne cząsteczki powietrza ulegają rozpadowi na jony. W bardzo wysokich warstwach atmosfery (500-1000 kilometrów) obserwuje się ślady sodu, powyżej 1000 kilometrów głównym gazem jest hel, a powyżej 2000 kilometrów - wodór. W odróżnieniu od głównych składników powietrza zawartość procentowa pary wodnej zmienia się z wysokością bardzo wyraźnie. Połowa zagęszczenia pary wodnej przy ziemi następuje już na wysokości 1500 metrów.
Na wysokości 5000 metrów zawartość pary wodnej jest już 10 razy mniejsza niż przy ziemi, a na wysokości 8000 metrów już 100 razy. W warstwie powietrza do wysokości u nas 12 000 metrów (na biegunie 7000 - na równiku 18000) zawiera się 99% ogólnej ilości pary wodnej.
Atmosfera ziemska jest na skutek obrotu Ziemi znacznie bardziej od niej spłaszczoną geoidą. Zilustrować to najlepiej może fakt, że dolna jej warstwa - troposfera ma w rejonie biegunów tylko 7000 metrów grubości, a w rejonie równika 18000 metrów. Na naszej szerokości geograficznej około 12000 metrów - podział atmosfery na warstwy będziemy zatem dopasowywać do naszej szerokości geograficznej i podane niżej granice zasięgu poszczególnych warstw dotyczą tej właśnie szerokości.
Na podstawie właściwości fizycznych i stosownie do rozwoju rozmaitych zjawisk przyjęto podział atmosfery na pięć zasadniczych warstw:
1. Troposfera 0-12 km - tylko w niej mamy do czynienia z produktami kondensacji pary wodnej (chmury, mgły, opady), wraz ze wzrostem wysokości temperatura i ciśnienie powietrza maleją - tylko w tej warstwie mamy do czynienia z pionowymi ruchami powietrza.
2. Stratosfera 12-50 km - ciśnienie spada dalej wraz z wysokością, nie ma zjawisk związanych z występowaniem pary wodnej, a temperatura jest stała na granicy z tropopauzą i niezależnie od pory dnia i pory roku wynosi zawsze -54 oC w naszej szerokości geograficznej (ostatnie badania dowodzą, że następują tam także pewne wahania temperatury, ale nie będziemy tu wchodzili w szczegóły - to sprawa dla badaczy zjawiska powstawania dziur ozonowych). Nad biegunami temperatura wynosi około -45 oC, zaś w rejonie równika -80 oC i dalej wzrasta, aż do osiągnięcia wartości powyżej zera. Pomiędzy troposferą a stratosferą wyróżniamy warstwę graniczną - tropopauzę, której grubość wynosi około 2000 m. W warstwie tej zanika spadek temperatury i mogą w niej wyjątkowo również zachodzić zjawiska związane z występowaniem pary wodnej - czyli warstwa ta może przyjmować cechy tak troposfery jak i stratosfery. Nie jest ona warstwą jednolitą i tam, gdzie następują jej przerwania, powstają niezwykle silne wiatry zwane prądami strumieniowymi lub z angielska jet-stream. Wiatry te mają bardzo duży wpływ na ruch wielkich mas powietrza i pełnią ważną rolę przy analizie prognoz pogodowych. Wzrost temperatury w stratosferze powstaje dlatego, że największe ilości ozonu znajdują się na jej górnej powierzchni, a ozon pochłania, jak już wcześniej wyjaśniałem, promieniowanie w żółto-zielonym paśmie widma - w którym jest przekazywane najwięcej energii. Ta warstwa, jak i powierzchnia Ziemi, są największymi źródłami ciepła dla atmosfery i właśnie tropopauza jest najchłodniejsza, jako najdalej od obu tych źródeł położona warstwa.
3. Mezosfera - 50-85 km - warstwa powyżej stratosfery w której temperatura znowu spada, aż do wartości około -80 oC. W potocznym języku meteorologów nazywa się tą warstwę również troposferą górną, bo w niej właśnie zachodzą zjawiska zwane zorzą polarną - czyli zjawiska świecenia cząsteczek pod wpływem przepływu prądu elektrycznego (jako asocjacja dla zjawisk chmurowych, no i ten spadek temperatury). W tej warstwie jest największa liczba jonów i w niej również wyróżnia się rozmaite podwarstwy, o czym już radiowcy lepiej wiedzą, gdyż dla nich mają one ważne znaczenie propagacyjne.
4. Termosfera - 85-800 km - to warstwa, w której znowu temperatura rośnie i przekracza nawet wartości 1000 oC - jest to wynikiem absorpcji promieniowania słonecznego w zakresie najmniejszych długości fal. Oczywiście pojęcie tych temperatur odzwierciedla jedynie energię prędkości ruchu cząsteczek gazu, ale ich rozproszenie jest tak ogromne, że naturalnie lecący tam pojazd kosmiczny nie może się nagrzać w drodze przewodnictwa cieplnego i nic mu nie grozi.
5. Egzosfera - ponad 800 km - podejrzewa się, że tam dochodzi już wpływ działania korony słonecznej - w każdym razie prędkości cząsteczek gazu są tam ogromne i osiągają 11,2 km/s, co pozwala im na rozpraszanie się w przestrzeni kosmicznej.
Tak, jak pomiędzy troposferą i stratosferą mamy warstwę rozdziału - tropopauzę, to pomiędzy stratosferą i mezosferą jest warstwa rozdziału zwana stratopauzą, pomiędzy mezosferą i termosferą - mezopauza, a pomiędzy termosferą i egzosferą - termopauza.