thumb|160px|Ilmakehän kerrokset (ei mittakaavassa). Ilmakehä on Maata ympäröivä, yhden määritelmän mukaan sadan kilometrin paksuinen kaasukehä, joka koostuu ilmasta. Ilmakehän yleisimmät kaasut ovat typpi ja happi, mutta myös esimerkiksi ilmakehän hiilidioksidilla on suuri merkitys maapallolle ja sen kasveille. Ilmakehässä on lisäksi vaihteleva määrä vesihöyryä ja erilaisia hiukkasia.
Ilmakehä jaetaan lämpötilan perusteella useaan kerrokseen. Niistä alin on keskimäärin 10 kilometrin korkuinen troposfääri, jossa sääilmiöt tapahtuvat. Muita ilmakehän tärkeitä kerroksia ovat esimerkiksi otsonikerros, joka suojaa maapalloa säteilyltä, ja ionosfääri, joka heijastaa radioaaltoja.
Ilmakehä on jatkuvassa kiertoliikkeessä, jossa tuulet siirtävät lämpöenergiaa ja kosteutta paikasta toiseen ja tasaavat maapallon lämpötilaeroja. Ilmakehässä esiintyy tuulten, pilvien ja sateiden lisäksi monenlaisia sähköisiä ja optisia ilmiöitä kuten revontulia, haloilmiöitä ja sateenkaaria. Ilmakehän pahimpia saasteita ovat alailmakehän otsoni sekä pienhiukkaset.
Maapallo sai varhaisimman kaasukehänsä pian Maan muodostuttua 4,6 miljardia vuotta sitten. Ilmakehän koostumus on vaihdellut Maan historian aikana. Happea ilmakehään alkoi tulla 3,5 miljardia vuotta sitten, ja 600 miljoonaa vuotta sitten sen määrä alkoi nousta kohti nykyistä tasoa.
Ihmisen on vaikea selviytyä pitkiä aikoja hengissä jo kuuden kilometrin korkeudessa, ja yli kahdeksan kilometrin korkeudessa hapenpuutteeseen kuolee melko nopeasti. Jotkin linnut voivat kuitenkin selviytyä jopa 12 kilometrin korkeudessa.
Koostumus
Ilmakehästä tunnetaan kolmisentuhatta eri alkuainetta ja yhdistettä. Kuiva ilma on lähinnä typpeä (78 prosenttia) ja happea (21 prosenttia), joista kumpikin esiintyy kahdesta atomista koostuvina molekyyleinä N2 ja O2. Prosentti ilmasta koostuu muun muassa hiilidioksidista, argonista ja muista jalokaasuista, metaanista sekä otsonista. Vesihöyryä esiintyy runsaasti mutta vaihtelevasti. Kaasujen suhteelliset osuudet pysyvät lähes samoina noin sadan kilometrin korkeudelle saakka. Sitä ylempänä Maan vetovoima aiheuttaa sen, että raskaammat molekyylit jäävät keskimäärin alempiin kerroksiin kuin kevyemmät. Ylimmissä kerroksissa ilmakehä koostuu pääasiassa heliumista ja vedystä.
Yleisimmät kaasut Aine Pitoisuus ilmakehässä Typpi (N2) 78,1 % Happi (O2) 20,9 % Argon (Ar) 0,93 % Hiilidioksidi (CO2) 0,039 % Neon (Ne) 0,0018 % Helium (He) 0,0005 % Metaani (CH4) 0,00017 % Krypton (Kr) 0,00011 % Vety (H2) 0,00005 % Otsoni (O3) 0,000004 %
Ilmakehän merkittävin kemiallisesti aktiivinen ainesosa on happi. Sen sijaan typpi, hiilidioksidi ja jalokaasut eivät reagoi kemiallisesti muiden aineiden kanssa kovin herkästi.
Muut aineet Ilmakehässä esiintyy vaihtelevasti vesihöyryä, jota on enimmillään 4 % matalalla ja tropiikin leveysasteilla.Karttunen et al. 2008, s. 98–99.
Ilmakehässä esiintyy vaihtelevasti erilaisia hiukkasia, joita kutsutaan aerosoleiksi. Hiukkaset ovat pieniä kiinteitä tai nestemäisiä kappaleita, jotka vaihtelevat muutaman molekyylin kokoisesta 0,1 millimetriin. Osa hiukkasista on luonnon nostattamia, kuten tomu, tulivuorten tuhka ja rikkihappo, siitepöly sekä merisuola. Myös sumu- ja pilvipisarat ovat aerosoleja. Ihminen aiheuttaa toiminnallaan hiukkaspäästöjä etenkin polttamalla öljyä ja kivihiiltä. Vähiten hiukkasia on kaukaisilla valtamerialueilla ja napaseuduilla ja eniten vilkkaasti liikennöidyillä kaupunkialueilla. Suuri hiukkaspitoisuus tekee ilmakehästä monesti samean ja utuisen.Karttunen et al. 2008, s. 95.
Paino ja ilmanpaine thumb|300px|Ilmanpaine kilopascaleina (y-akseli) eri korkeuksilla (x-akseli).
Ilmakehä painaa noin 5,5 × 1018 kilogrammaa, eli yhden miljoonasosan Maan massasta.
Ilmanpaine on ilmakehän paine maanpintaa vastaan. Merenpinnan korkeudella normaali ilmanpaine on noin 1 013 hehtopascalia (hPa). Ilmanpaine laskee noustaessa korkeammalle merenpinnan tasolta. Kymmenen kilometrin korkeudessa ilmanpaine on alle 300 hPa ja 50 kilometrin korkeudessa alle 1 hPa.Karttunen et al. 2008, s. 70.
Kerrokset Ilmakehässä on useita kerroksia eli sfäärejä, joita erottavat paussit. Ilman lämpötila muuttuu ylöspäin mentäessä samaan suuntaan koko sfäärissä, ja paussissa lämpötilan suunta kääntyy. Ilmakehän kerrokset ovat Maan pyörimisliikkeen johdosta paksuimmillaan päiväntasaajalla ja pienenevät napoja kohti. Lisäksi merten ja mannerten jakauma vaikuttaa kerrosten paksuuteen pituusasteittain, ja ne vaihtelevat myös vuodenajoittain ja vuorokaudenajoittain.Karttunen et al. 2008, s. 68–69.
Kerrokset lämpötilan mukaan pienoiskuva|384x384px|Ilmakehän kerrokset.
Troposfääri
Troposfääri on ilmakehän alin kerros. Sen korkeus on navoilla tyypillisesti 5 kilometriä ja päiväntasaajalla 15 kilometriä. Lämpimällä ilmalla se on myös tavallista korkeammalla ja kylmällä tavallista alempana. Troposfääri sisältää suurimman osan ilmakehän massasta ja kosteudesta. Siellä esiintyvät sääilmiöt, kuten pilvet ja sade. Troposfäärin lämpötila laskee ylöspäin mentäessä 6,5 astetta kilometriä kohti. Troposfääri päättyy tropopaussiin, jossa on 50–70 astetta pakkasta. Hiukan sen yläpuolella ilmanpaine on enää kymmenesosa merenpinnalla vallitsevasta.Karttunen et al. 2008, s. 69–72.
Stratosfääri
Stratosfääri on troposfäärin yläpuolella sijaitseva ilmakerros, jonka yläraja on noin 50 kilometrin korkeudessa stratopaussissa. Stratosfäärin alaosassa lämpötila on likimain vakio, mutta ylempänä lämpötila nousee korkeuden mukana. Stratosfääri on hyvin kuiva ja sen ilmanpaine enää 1/1000 merenpinnan tason paineesta. Lentokoneet ja kaasupallot voivat nousta stratosfääriin asti. Stratosfäärissä Auringon ultraviolettisäteily muodostaa otsonia, joka estää haitallisen ultraviolettisäteilyn pääsyn Maan pinnalle. Stratosfäärissä on joskus helmiäispilviä.Karttunen et al. 2008, s. 74–75.
Mesosfääri
Mesosfääri alkaa stratosfäärin yläpuolelta ja jatkuu aina 80–90 kilometrin korkeuteen mesopaussiin. Sen ilmanpaine on tuhannesosasta sadastuhannesosaan merenpinnan tason paineesta, ja sen lämpötila laskee ylemmäs mentäessä aina sataan pakkasasteeseen. Meteorit näkyvät yleensä mesosfäärissä. Mesosfäärissä nähdään myös valaisevia yöpilviä.Karttunen et al. 2008, s. 75–76.
Termosfääri
Termosfäärissä mesopaussin yläpuolella 90 kilometristä alkaen lämpötila taas nousee korkeuden mukana Auringon hyvin lyhytaaltoisen ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Koska aine on äärimmäisen harvaa, sillä ei ole lämmittävää vaikutusta, eikä tuulia tai pystysuoria virtauksia. Termosfäärin aine on asettunut kerroksittain painonsa mukaisesti.Karttunen et al. 2008, s. 76–77.
Avaruuden epävirallinen raja on usein määritelty termosfäärin alaosaan. Siellä 100 kilometrin korkeudessa sijaitsee Kármánin raja, jota Euroopassa pidetään usein avaruuden rajana. Yhdysvalloissa kaikkia jo yli 80 kilometrin korkeudessa käyneitä kansalaisia pidetään astronautteina.
Eksosfääri
Eksosfääri alkaa vähitellen noin 500 kilometrin korkeudessa. Se on ilmakehän ja avaruuden välitila, josta hiukkasia karkailee avaruuteen. Molekyyli pakenee Maan vetovoimakentästä, kun se on riittävän korkealla ja sen nopeus on suurempi kuin pakonopeus. Hyvin pieni osa ilmakehän ylimmän kerroksen molekyyleistä on näin nopeassa liikkeessä, joten Maan ilmakehän katoaminen on hyvin hidasta.Karttunen et al. 2008, s. 36–37.
Kerrokset koostumuksen mukaan Ilmakehä jaetaan homosfääriin ja heterosfääriin sen mukaan, miten kaasut jakautuvat. Kerrosten välillä on homopaussi. Homosfäärissä erimassaiset molekyylit ovat sekoittuneina, sillä kaasu on vielä riittävän tiheää siihen, että atomien ja molekyylien väliset törmäykset hallitsevat kaasun dynamiikkaa. Homosfääri yltää sadan kilometrin korkeudelle. Heterosfäärissä sen yläpuolella atomien ja molekyylien väliset törmäykset eivät enää siirrä liike-energiaa mainittavasti molekyylien välillä. Tämän seurauksena Maan vetovoiman vaikutuksesta raskaammat molekyylit jäävät alempiin kerroksiin ja kevyet ylempiin. Heterosfäärin alaosassa esiintyy happea ja typpeä sekä atomeina että molekyyleinä ja typen oksideina, mutta ylempänä on lähinnä heliumia ja vetyä.Karttunen et al. 2008, s. 69.
Kerrokset kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan Otsonikerros on stratosfäärissä 15–25 kilometrin korkeudessa. Se syntyy kun Auringon säteily hajottaa happimolekyylejä O2 vapaiksi happiatomeiksi O, joista syntyy otsonia O3. Otsoni suojaa Maata haitalliselta ultraviolettisäteilyltä. Sitä on ilmakehässä vain muutama miljoonasosa, ja se on herkkä ihmisen tuottamille aineille kuten freoneille. 1980-luvulla otsonikerroksessa havaittiin ohenemista Etelämantereen yllä.Karttunen et al. 2008, s. 90–91
Ionosfääri sijaitsee termosfäärin alaosassa. Ionosfääri sisältää ionisoituneita hiukkasia, jotka Auringon säteily on hajottanut atomeista ioneiksi. Ionosfääri heijastaa elektroniensa ansiosta radioaaltoja, mikä tekee mahdolliseksi niiden lähettämisen maapallolla paikasta toiseen. Ionosfääri jaetaan neljään kerrokseen, D, E, F1 ja F2, joilla on erilaisia vaikutuksia; radioaaltojen kannalta tärkein on F2-kerros. Revontulet syntyvät ionosfäärissä, kun varattuja hiukkasia osuu ilmakehään.Karttunen et al. 2008, s. 77–78.
Säteilyvaikutukset
Säteilyn vaimentaminen thumb|450px|Ilmakehä on läpinäkyvä joillekin säteilyn aallonpituuksille mutta absorboi toiset eli ei päästä niitä maanpinnalle. Kuvassa 100 % tarkoittaa läpinäkymättömyyttä, 0 % tarkoittaa täydellistä läpinäkyvyyttä. Ilmakehä vaimentaa avaruudesta saapuvaa säteilyä.Karttunen et al. 2008, s. 52. Suurin osa alle 300 nanometrin säteilystä absorboituu jo ilmakehän ylimmissä kerroksissa, mikä on Maan tunnetuille elämänmuodoille välttämätöntä. Lyhytaaltoisin gamma- ja röntgensäteily absorboituu ilmakehän yläosien atomeihin sekä happi- ja typpimolekyyleihin. Kun säteily hajottaa happimolekyylejä happiatomeiksi, syntyy esimerkiksi otsonia, johon pitkäaaltoisempi ultraviolettisäteily absorboituu.Karttunen et al. 2008, s. 57. Näkyvän valon aallonpituudet, samoin kuin hiukan niitä lyhemmät ja pitemmätkin, läpäisevät ilmakehän hyvin. Ilmakehä kuitenkin sirottaa valoa ja samalla heikentää sitä. Taivaan sininen väri tulee siitä, että lyhytaaltoinen sininen valo siroaa voimakkaammin kuin punainen. Infrapunasäteily absorboituu ilmakehän vesihöyryyn. Ilmakehä päästää lävitseen myös radioaallot aallonpituudeltaan muutamasta millimetristä pariinkymmeneen metriin.Karttunen et al. 2008, s. 58–59.
Kasvihuoneilmiö Kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan sitä, kun osa maanpinnasta ylös heijastuvasta lämpösäteilystä jää lämmittämään ilmakehää ja maanpintaa. Maan lämpösäteily on pitkäaaltoista, minkä vuoksi ilmakehä absorboi sitä tehokkaasti ja säteilee osan takaisin alas. Kasvihuoneilmiön seurauksena maapallon lämpötila on 33 astetta korkeampi kuin ilman sitä. Kasvihuoneilmiöön vaikuttavia kaasuja kutsutaan kasvihuonekaasuiksi. Maan ilmakehän tärkeimpiä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry, hiilidioksidi, otsoni, metaani ja typpioksiduuliKasvihuonekaasut, Ilmatieteen laitos eli ilokaasu. Ihmisen toiminta on lisännyt monen kasvihuonekaasun määrää ilmakehässä.Karttunen et al. 2008, s. 96–99.
Ilmakehän liikkeet Ilmakehä on jatkuvassa kiertoliikkeessä. Tuulet siirtävät lämpöenergiaa ja kosteutta paikasta toiseen ja tasaavat maapallon lämpötilaeroja. Ilmakehän kiertoliikettä ylläpitää etupäässä Auringon energia, jota päiväntasaajan seutu saa enemmän kuin napa-alueet. Lämmin ilma nousee ylöspäin ja palaa jäähtyneenä takaisin maan pinnalle toisaalla. Maapallolla on useita tuulivyöhykkeitä, joiden paikat muuttuvat vuodenaikojen mukana.Karttunen et al. 2008, s. 121–124.
Maapallon pyörimisestä aiheutuu coriolisvoima, joka vaikuttaa suurikokoisiin ilmavirtauksiin merkittävästi. Pohjoisella pallonpuoliskolla ilma kaartuu oikealle ja eteläisellä pallonpuoliskolla vasemmalle. Coriolisvoima vahvistuu mentäessä lähemmäs napoja ja heikkenee mentäessä lähemmäs päiväntasaajaa.Karttunen et al. 2008, s. 48–49.
Optisia ilmiöitä