دانلود مقاله اتمسفر زمین

اتمسفر زمین

احتمالا اتمسفر حال حاضر زمین آن اتمسفر اولیه نیست . اتمسفر جاری ما را شیمیدانهای اتمسفر اکسیداسیون می خوانند ،در حالیکه اتمسفر اولیه را شیمیدانها اتمسفر در حال کاهش می خواندند. مشخصا گویا  اتمسفر اولیه در بر دارنده اکسیژن نبوده است.

ترکیب اتمسفر

اتمسفر اولیه ممکن است مشابه ترکیب سحابی خورشیدی 0توده های عظیم گاز و گرد و غبار ما بین فواصل ستارگان راه شیری) و نزدیک به ترکیب حاضر سیاره های بزرگ گازی بوده است ، اگر چه این بستگی به جزئیات فشرده شدن سیارات از سحابی های خورشیدی دارد. آن اتمسفر در فضا گم شده بود و با گاز خارج خارج شده از پوستر و یا (در برخی از تئوریهای اخیر ) بیشتر اتمسفر ممکن است از برخوردهای دنباله دارها و دیگر مواد با فشار بخار زیاد جابجا شده است. اکسیژن موجود در اتمسفر که جزء خصوصیات ان است بوسیله گیاهان تهیه شده است. (خزه دریایی سبز – آبی و یا سیانو باکتری ) بنابراین ، ترکیب حال حاضر اتمسفر شامل 7960 نیتروژن ، 25% اکسیژن و 1% گازهای دیگر می باشد.

لایه های اتمسفر  

همانند آنچه در مشکل زیر نشان داده است ممکن است اتمسفر زمین به چندین لایه مجزا تقسیم بشود.

لایه های اتمسفر زمین

تروتسفر : تروتسفر جایی است که همه آب و هواها واقع می شوند. آن منطقه بالا و پایین رفتن بسته های هوا می باشد. فشار هوا در بالای تروتسفر فقط 100% سطح دریا می باشد. منطقه حائل نازکی بین تروتسفر و لایه بعدی وجود دارد تروپوپاز خوانده می شود.

لایه ازن و استراتوسفر : در بالای تروپسوسفر ، استراتوسفر قرار دارد که جریان هوایی تقریبا افقی است. لایه نازک ازن در استراتوسفر بالایی دارای فشردگی بالایی از ازن است. که به شکل اکسیژن یافته است. وظیفه اصلی این لایه جذب اشعه ماوراء بنفش خورشید است. تشکیل این لایه یک وضعیت حساس است. از آنجایی که فقط می تواند ازن شکل گیرد و از جریان شدید اشعه ماوراء بنفش و از رسیدن آن به سطح زمین جلوگیری به عمل آورد که که اکسیژن تولید شده باشد. که این اشعه برای سیر تکاملی یک خطر محسوب می شود. در حال حاضر این نگرانی وجود دارد که ترکیبات فلئور کربن ساخته دست بشر ممکن است لایه ازن را از بین ببرد. و همچنین برای نتایج مهلکی که برای آینده زندگی بشر رخ می دهد نگرانی هایی موجود است.

مزوسفر و یونوسفر

در بالای استراتوسفر مزوسفر است و در بالای آن نیز یونوسفر (یا ترموسفر ) است که خیلی از اتمها یونیزه شده اند. (یا الکترونها را از دست داده اند و یا با آنها تقویت شده اند بنابراین دارای بار الکتریکی خالص هستند). یونوسفر خیلی نازک است اما جایی است که شفق قطبی رخ می دهد و مسئولیت جذب پر انرژی ترین فوتون ها از خورشید را بر عهده دارد. از وظایف دیگر آن انعکاس امواج رادیویی که بدان وسیله ارتباطات رادیویی دور و بر را ممکن می سازد می باشد. ساختار یونوسفر بوسیله باد ذره باردار شده خورشیدی (باد سحابی) قویا تحت تاثیر قرار می گیرند ، که به نوبت بوسیله سطح فعالیت خورشیدی کنترل می شوند. یک اندازه از ساختار یونوسفر چگالی الکترون آزاد است ، که شاخصی از میزان یونیزاسیون است. در اینجا نقشه های شمارش چگالی الکترون یونوسفر برای ماههای 1957 تاکنون موجود است. این شبیه سازی های متغیر با ماه یونوسفر را برای سال 1995 (دوره ای از فعالیت خورشیدی بالا با لکه های خورشیدی زیاد) و 1996 (دوره ای از فعالیت خورشیدی کم با لکه های خورشیدی کم ) مقایسه کنید.

چگالی الکترون : انیمیشن های مجاور تغییرات یونوسفر در ماه را در دو سال متفاوت شبیه سازی می کند.

(تصویر بالایی ) سال 1990 که دوره فعالیت های خورشیدی بالا با لکه های خورشیدی زیاد است(150)

(تصویر پایینی ) سال 1996، که دوره فعالیت خورشیدی پایین با لکه های خورشیدی کم (10) می باشد. رسم ها شمارش چگالی الکترون را نشان می دهد که شاخص مقدار یونیزاسیون در اتمسفر هستند. زردها و قرمزها یونیزاسیون بزرگتر و آبی ها و سبزها یونیزاسیون کوچکتر را نشان می دهند. به تفاوت های ذاتی متفاوت در این دو انیمیشن توجه کنید ، با یونیزاسیون جوی قوی تر در تصویر بالایی (خورشید فعال سال 1990) نسبت به تصویر پایین تر (خورشید کامل سال 1996)

تصاویر مجاور بر اساس نقشه های شمارش چگالی الکترون یونوسفر برای ماههای سال 1957 تا بحال هستند. انیمیشن های بیش تر را می توانید در راهنمای NOAA (آژانسی در ساختمان تجارت که نقشه اقیانوسها را ترسیم می کند و از منابع حیاتی آنها محافظت می کند) بیابید. به تفاوتهای ذاتی میان این دو انیمیشن توجه کنید که مرتبط با تاثیر قوی فعالیت خورشیدی روی ساختار یونوسفر زمین است.   

ترکیبات اتمسفر

هوا مخلوطی از گازهای مختلف است. گر چه اتمسفر زمین ظاهرا به دلیل ماهیت گازی شکل خود بی وزن به نظر میرسداما در واقع دارای جرمی به مقدار  تن می باشد. به استثنای بخار آب نسبت اختلاط گازهای تشکیل دهنده هوا تا ارتفاع 60 کیلومتری تقریبا ثابت است. حدود 99 درصد حجم هوای زمین را دو گاز عمده ازت و اکسیژن تشکیل می دهد که ازت 78 درصد ، پیکره اصلی اتمسفر زمین می باشد بعد از آن اکسیژن قرار دارد و سایر گازها فقط یک درصد حجم آن را شامل می شوند. جدول گازهای تشکیل دهنده اتمسفر را در یک هوای خشک (بدون بخار آب و آلاینده ها) به صورتهای حجمی و جرمی نشان می دهد که معمولا تقسیم بندی حجمی آن متداولتر است. اگر سهم بخار آب موجود در اتمسفر را نیز در این تقسیم بندی دخالت دهیم این نسبتها ثابت نخواهد بود زیرا دمای لایه های پایین جو همیشه در حال تغییر بوده و با رسیدن دما به نقطه میعان و تبدیل بخار به مایع ، درصد حجمی بخار آب در جو تغییر خواهد کرد. در مقیاس جهانی به طور متوسط یک درصد حجم اتمسفر زمین را بخار آب تشکیل می دهد ، اما عملا ممکن است در یک مکان ، هوا فاقد بخار آب و در نقطه دیگر تا 4 درصد بخار آب وجود داشته باشد. گر چه وزن مولکولی بخار آب از وزن سایر عناصر تشکیل دهنده جو کمتر است ، با این وجود بخار آب عمدتا در لایه های پایین جو متمرکز می باشد. بیشترین مقدار بخار آب در لایه مجاور سطح زمین بوده و با افزایش ارتفاع به شدت از میزان آن کاسته می شود. بالا بودن مقدار بخار آب در نزدیکی سطح زمین به دو علت است یکی به دلیل وجود اقیانوسها که منبع اصلی تامین بخار آب است و دیگری سرد بودن لایه های فوقانی جو که مانع از نفوذ و نگهداشت بخار آب می شود.

جالب است بدانیم که مقدار دی اکسید کربن موجود در اتمسفر زمین در طول سالهای گذشته اندکی افزایش پیدا کرده است. داده های مربوط به اندازه گیری میزان  در هوا از سال 1860 تا 1950 نشان می دهد. که از سال 1900 به بعد در طی 50 سال 9 درصد بر مقدار گاز کربنیک هوا افزوده شده است.

بخشی از این افزایش به دلیل مصرف زیاد سوختهای فسیلی است که نتیجه آزاد شدن گاز  است . روند افزایشی گاز  در سالهای اخیر (از 1950 تا سال 2000 ) شدیدتر بوده است. که پاره ای از ناهنجاریهای اقلیمی به آن نسبت داده می شود.

ساختمان و ترکیبات

جو را تشکیل از یک سری لایه جداگانه می توان در نظر گرفت که با چگونگی دمای هوا در ارتفاعات مختلف از یکدیگر جدا می شوند. برای یک جو استاندارد ، این لایه ها تقریبا به ترتیب زیر از یکدیگر تفکیک می شوند. شکل (1-1) با ضخامت های متوسط.

ورد سپهر : لایه بسیار متغیر که به طور متوسط ارتفاع آن از حدود 8 کیلومتر در قطب تا 16 کیلومتر در استوا تغییر می کند. این تغییرات تابعی از زمان و مکان می باشد.

وردایست: مرز بین ورد سپهر و پوش سپهر است که شیب تغییرات دما در آن تغییر جهت می دهد.

پوش سپهر : از مرز وردایست تا ارتفاع 47 کیلومتر.

پوش ایست: از انتهای پوش سپهر تا 52 کیلومتر.

میان سپهر : از 52 کیلومتر تا 83 کیلومتر.

میان ایست: تا ارتفاع 93 کیلومتری از سطح زمین.

گرم سپهر : از ارتفاع 93 کیلومتری به بالا.

لازم به توضیح است که لایه های فوق از نظر ضخامت و تغییرات دما تا حدودی به عرض جغرافیایی محل بستگی داشته است.

بیشترین توجه هواشناسها بر روی ورد سپهر متمرکز است زیرا اغلب فعل و انفعالاتی که ما  آنها را تغییرات هوا می نامیم در این لایه صورت می گیرد. می توان گفت که تقریبا تمامی ابرها و تحقیقا تمامی بارندگیها و همچنین طوفانها در این ناحیه از جو متولد می شوند. این امر باعث شده است که ورد سپهر را کره هوا بنامند.

قسمت اعظم ضخامت جو در اطراف زمین از مخلوط گازهای دایمی تشکیل شده است که هوای خشک نامیده می شوند. هوا و دیگری نیز در جو وجود دارند که مقدار آنها متغیر است.

این مواد شامل : بخار آب ، مواد آلی و معدنی از قبیل گرد و غبار ، دود و سایر آلوده کننده هایند. هواغی خشک خالص که کاملا شفاف و بدون بو است از 78% نیتروژن ، 21% اکسیژن ، 1% آرگون و 3% دی اکسید کربن و مقداری از گازهای دیگری همچون هیدروژن ، ازن ، نئون و... تشکییل شده است.

از این گازها دایمی جو، دی اکسید کربن به علت جذب برخی از تشعشعات ساطع شده از زمین و تابش مجدد آنها به طرف زمین از اهمیت اقلیمی خاص برخوردار است. این گاز به طور پیوسته توسط سبزینه ها تنفس و توسط جانوران تولید می شوند. با سوختن برخی از مواد فسیلی ، فعالیت آتشفشانها و استهلاک خاک نیز مقادیر زیادی از این گاز تولید می شود.

بخار آب نیز که شفاف و بی بو است حجم بسیار متغیری را در جو به خود اختصاص می دهد. این حجم از تقریبا صفر در نواحی مرتفع و سرد جو تا حدود 3تا 4% حجم کل هوا در نزدیک سطح و در نواحی گرم و مرطوب تغییر می کند. از آنجا که بخار از طریق تبخیر آب در سطوح خشکی و دریا به آسمان می رود ، به ناچار در نواحی کم ارتفاع سطح زمین تجمع می یابد . اهمیت بخار آب بیشتر از آن چیزی است که درصد حضور آن نشان می دهد زیرا نه تنها باعث ایجاد ابر و بارندگی می شود بلکه مقدار زیادی از اشعه خورشید و اشعه ساطع شده از سطح زمین را جذب و یا پراشیده می کند. علاوه بر این مقدار زیادی گرما که جهت تبخیر مورد استفاده قرار گرفته است در زمان میعان دوباره در جو آزاد می شود. بنابراین می توان از بخار آب به عنوان عامل اصلی انتقال انرژی در جو نام برد. جو از طریق برخی از خواص شیمیایی و فیزیکی گازهای تشکیل دهنده خود می تواند انرژی خورشیدی تابش شده به سمت زمین را نیز کنترل کند. برای مثال گاز ازن که بیشترین غلظت را در فاصله 20 تا 35 کیلومتری از سطح زمین دارد به عنوان یک سپر محافظ در مقابل اشعه کشنده فوق بنفش خورشید عمل می کند. برخی از ناخالصی های موجود در جو نقش بسیار مهمی در تشکیل ابر و ایجاد بارندگی ایفا می کنند. این ذارت ناخالصی در هوا باعث می شوند که ذرات آب در روی آنها به مایع تبدیل شده و هسته ای برای این فرایند باشند.

لایه دیگری که در تعریف های فوق بیان نشده و از نظر مخابرات دارای اهمیت است لایه یون سپهر نام داشته و در ارتفاع بین 80 تا 400 کیلومتری قرار می گیرد. در این لایه اتمهای نیتروژن و اکسیژن با جذب طول موجهای کوتاه اشعه خورشیدی یونیزه می شوند. در نتیجه ضخامت این لایه در طول روز بیشتر از ضخامت آن در طول تاریکی است.

از نظر الکتریکی یون سپهر به سه لایه اصلی F,E,D تقسیم می شود. در هر حال ، یون سپهر اثر چندانی در تغییرات هوا ندارد و تنها تاثیری که ممکن است در زندگی روزمره ما داشته باشد اثر آن بر روی بر روی دریافت امواج رادیویی می باشد. برای توضیح بیشتر این موضوع ، استفاده از رادیو را در شب و روز مثال می زنیم. بدین ترتیب که ایستگاهی را که در شب به راحتی و وضوح دریافت می کنید. در طول روز قادر به دریافت علایم آن ایستگاه نخواهید بود. علت این در لایه F یون سپهر می باشد. بدین ترتیب که این لایه که در طول شب و روز وجود دارد مسئول بازتاب امواج AM رادیو می باشد. از طرف دیگر این امواج توسط لایه D که فقط در طول روز وجود دارد جذب می شوند. در نتیجه این امواج تنها در طول شب قادر به رسیدن به لایه F و بازتاب بر روی آن هستند.

چگالی و فشار

از آنجا که گازهای موجود در جو تراکم پذیرند با افزایش ارتفاع او در نتیجه کم شدن فشار هوا مطابق قانون هیدرواستاتیک چگالی هوا کاهش می یابد. بدین ترتیب می توان گفت که 75% جرم هوا در ناحیه ورد سپهر متمرکز است در سطح آبهای آزاد فشار استاندارد جو برابر با 2/1013 هکتو پاسکال است. البته لازم به توضیح است که نیروی ناشی از این فشار از جهات مختلف بر بدن اثر کرده یکدیگر را خنثی می کنند و در نتیجه آسیبی به بدن وارد نمی شود. با افزایش ارتفاع ، فشار هوا کاهش می یابد. (شکل 1-2)

دما

دما در ورد سپهر اغلب با افزایش ارتفاع کاهش می یابد. شیب خط در شکل 1-1 آهنگ این کاهش را نشان می دهد. از آنجایی که این شیب به دمای هوا بستگی دارد بنام آهنگ کاهش دمای محیط (ELR) معروف شده است. برای شرایط یک جو استاندارد که در آن دمای سطح C15 می باشد. ELR برای 6/5C در هر یک کیلومتر است. بدین معنی که به طور متوسط با هر کیلومتر صعود6/5C دما کاهش می یابد. لایه ورد ایست که حد فاصل بین ورود سپهر و پوش سپهر است با ELR برابر با  یا کمتر معرفی می شود. در یک جو استاندارد ، موقعیت وردایست در ارتفاع 12 کیلومتری تعریف می شود ولی در شرایط واقعی این ارتفاع 12 کیلومتری تعریف می شود ولی در شرایط واقعی این ارتفاع از 16 کیلومتر در نواحی مدار گانی تا حدود 9 کیلومتر در نواحی قطبی متغیر است. گهگاه ارتفاع می افتد که در لایه های کم عمق از ورد سپهر دما با ارتفاع افزایش می یابد. این وضعیت را که در آن elr منفی است(وارونگی دما) می نامند. که اغلب در فصل زمستان و نزدیک سطح خشکی زمین در اثر تابش شبانه ایجاد می شود.

ساختمان عمودی اتمسفر

فشار اتمسفر : عبارت است از وزن ستون عمودی از هوا در بالای محلی معین و نسبت به ارتفاع کاهش می یابد. هر قدر بالاتر می رویم از سرعت رقیق شدن هوا کاسته می شود. حجم اتمسفر متراکم در جهت عمودی و حجم آن در جهت افقی یکسان نیست. طبق محاسبه روی کره ای به قطر یک متر قسمتی که مورد توجه جو شناسان است. تنها ایجاد اتمسفر متناسب می شود که معمولا آن را اتمسفر استاندارد می گویند.