Hány méterenként hány százalékkal csökken a légkör sűrűsége felfelé haladva?

Gondoltad már, hogy miért olyan más a levegő a hegyekben, mint a tengerparton? Miért nehezebb lélegezni a Mount Everesten, vagy miért utaznak gyorsabban a repülőgépek 10 000 méter felett? A válasz a légkör sűrűségének változásában rejlik. Ez a láthatatlan, ám annál fontosabb tulajdonság drámaian befolyásolja életünket, a repülést, az időjárást és még az űrkutatást is. De vajon pontosan hány méterenként és milyen mértékben csökken a levegő sűrűsége, ahogy egyre feljebb jutunk? Merüljünk el ebben az izgalmas témában, és fedezzük fel az égbolt titkait!

Mi is az a légkör sűrűsége, és miért fontos?

Mielőtt belevágnánk a számokba, tisztázzuk, mit is értünk légkör sűrűsége alatt. Egyszerűen fogalmazva, ez azt jelenti, hogy egy adott térfogatú levegőben mennyi molekula található. Minél több molekula van egy helyen, annál sűrűbb a levegő. Ezért van az, hogy a tengerszinten sokkal „vastagabb” a levegő, mint a hegycsúcsokon. A sűrűség kulcsfontosságú, mert ez határozza meg a légnyomást, a hang terjedését, a repülőgépek felhajtóerejét, és még azt is, hogy mennyire hatékonyan tudunk lélegezni.

A légkör nem egy homogén közeg, hanem rétegekből áll, melyekben a hőmérséklet, nyomás és sűrűség eltérő módon változik. Ahogy felfelé haladunk, a Föld gravitációs erejének hatása gyengül, és egyre kevesebb levegőmolekula „tapad” a bolygó felszínéhez. Ez magyarázza a légkör ritkulását a magassággal.

A légkör rétegei és a sűrűség változása

A légkört jellemzően öt fő rétegre osztjuk, amelyek mindegyike eltérő sűrűségi profillal rendelkezik:

1. Troposzféra: Ez a Földhöz legközelebb eső réteg, ahol az időjárás jelenségei lejátszódnak. Körülbelül 8-15 kilométer vastag, a sarkoknál vékonyabb, az Egyenlítőnél vastagabb. Ebben a rétegben a sűrűség a legmagasabb, és meredeken csökken felfelé haladva. Általánosságban elmondható, hogy minden 1000 méteres magasságnövekedéssel a légnyomás körülbelül 10-12%-kal, a sűrűség pedig hasonló arányban csökken. Ez azt jelenti, hogy 5000 méteren már csak fele annyi levegőmolekula van egy adott térfogatban, mint a tengerszinten.

2. Sztratoszféra: A troposzféra felett található, körülbelül 50 kilométer magasságig terjed. Itt található az ózonréteg, amely elnyeli a Nap káros ultraibolya sugárzását. A sztratoszférában a levegő már jóval ritkább, mint a troposzférában, és a sűrűség csökkenése továbbra is megfigyelhető, bár lassabb ütemben. A repülőgépek gyakran ebben a rétegben utaznak, mivel itt kisebb a légellenállás.

3. Mezoszféra: Ez a réteg 50 és 85 kilométer közötti magasságban helyezkedik el. A mezoszférában a hőmérséklet drasztikusan csökken a magassággal, elérve a -90 Celsius fokot is. A levegő itt már rendkívül ritka, a sűrűség tovább esik, és a meteorok nagy része itt ég el.

4. Termoszféra: A mezoszféra felett, 85 és 600 kilométer között húzódik. Ebben a rétegben a napsugárzás hatására a levegőmolekulák ionizálódnak, létrehozva az ionoszférát, amely fontos szerepet játszik a rádióhullámok terjedésében. Annak ellenére, hogy a hőmérséklet több száz fokra is emelkedhet, a levegő annyira ritka, hogy a hőátadás elhanyagolható, és valójában nem éreznénk forrónak. A sűrűség elhanyagolhatóan alacsony.

5. Exoszféra: Ez a légkör legkülső rétege, amely körülbelül 600 kilométertől több ezer kilométerig terjed, és fokozatosan olvad össze az űrrel. Ebben a rétegben a levegő annyira ritka, hogy az atomok és molekulák már gyakorlatilag szabadon mozognak, és ritkán ütköznek egymással. A sűrűség itt már nullához közelít.

A számok mögött: pontosabb adatok

Bár a pontos számok számos tényezőtől – mint például a hőmérséklet, a páratartalom és a szélességi kör – függenek, adhatunk egy általános képet a sűrűség csökkenéséről.

A Nemzetközi Standard Légkör (ISA) egy matematikai modell, amelyet a repüléstechnikában és a meteorológiában használnak a légköri viszonyok szabványosítására. Az ISA szerint:

• Tengerszinten (0 méter): A légnyomás 1013,25 hPa (hektopascal), a hőmérséklet 15°C, a sűrűség pedig körülbelül 1,225 kg/m3.
• 1000 méteren: A légnyomás körülbelül $898,7\text{ hPa}$, a sűrűség pedig kb. 1,112 kg/m3. Ez mintegy 9%-os csökkenést jelent a tengerszinthez képest.
• 5000 méteren: A légnyomás kb. $540,5\text{ hPa}$, a sűrűség pedig kb. 0,736 kg/m3. Ez már jelentős, közel 40%-os csökkenés az eredeti értékhez képest.
• 10 000 méteren: A légnyomás mindössze kb. $265,0\text{ hPa}$, a sűrűség pedig körülbelül 0,414 kg/m3. Ez azt jelenti, hogy 10 kilométeres magasságban a levegő sűrűsége már kevesebb mint harmada a tengerszinti értéknek.
• 20 000 méteren (sztratoszféra): A légnyomás már alig $55,3\text{ hPa}$, a sűrűség pedig mindössze 0,088 kg/m3. Ebben a magasságban a levegő már rendkívül ritka, ami a sugárhajtású repülőgépek számára ideális, hiszen kisebb a légellenállás, és hatékonyabban tudnak üzemelni.

Érdemes megjegyezni, hogy bár a százalékos csökkenés a magassággal egyre kisebbnek tűnhet, a ritkulás üteme exponenciális jellegű. Ez azt jelenti, hogy az első néhány kilométeren történik a legdrasztikusabb sűrűségcsökkenés, majd ez az ütem lassul, ahogy egyre feljebb jutunk.

A sűrűségváltozás gyakorlati hatásai

A légkör sűrűségének magassággal való változása számos területen érezteti hatását:

• Repülés: Ahogy fentebb említettük, a repülőgépek számára a ritkább levegő kisebb légellenállást jelent, így gyorsabban és üzemanyag-hatékonyabban tudnak haladni. Azonban a felszálláshoz és leszálláshoz sűrűbb levegőre van szükség a megfelelő felhajtóerő eléréséhez. Ezért van az, hogy a magashegyi repülőtereken hosszabb kifutópályákra van szükség. A pilótáknak tisztában kell lenniük a sűrűség változásával, hogy biztonságosan manőverezhessenek.

• Időjárás: A légkör sűrűsége befolyásolja a légnyomás-különbségeket, amelyek a szelek kialakulásáért felelősek. A sűrűbb levegő nehezebb, és lefelé áramlik, míg a ritkább, melegebb levegő felfelé száll, ami konvekciós áramlásokat és felhőképződést eredményez.

• Emberi fiziológia: Magasabb hegyekben a ritkább levegő kevesebb oxigént tartalmaz, ami oxigénhiányhoz (hipoxiához) vezethet. Ezért van szükség akklimatizációra, vagy kiegészítő oxigénre a hegymászók számára. A test alkalmazkodik a ritkább levegőhöz azáltal, hogy több vörösvértestet termel.

• Űrkutatás: A ritka felső légkör még az űrhajókra is hatással van. Bár elhanyagolható, a drag (légellenállás) a Föld körüli pályán keringő műholdak számára is szerepet játszik, lassítva őket, és idővel a légkörbe való visszatérésüket okozva.

Összefoglalás

A légkör sűrűségének csökkenése a magassággal egy alapvető fizikai jelenség, amely mélyrehatóan befolyásolja bolygónk rendszereit és az emberi tevékenységeket. Bár a pontos számok ingadozhatnak, az általános elv az, hogy minél feljebb megyünk, annál ritkább és kevésbé sűrű a levegő. Ez a ritkulás nem csupán elméleti érdekesség, hanem a gyakorlatban is jelentős következményekkel jár, legyen szó repülésről, időjárásról vagy az emberi test alkalmazkodásáról. Érthető, hogy a légkör szerkezete és viselkedése miért központi kérdés a meteorológia, az aeronautika és az űrkutatás területén is. A tudás, hogyan változik a levegő sűrűsége felfelé haladva, lehetővé teszi számunkra, hogy jobban megértsük és kihasználjuk a Földet körülvevő láthatatlan óceánt.