بطور کلی اتمسفر کره زمین تمام گرمای طبیعی خود را به طور مستقیم و یا غیرمستقیم از خورشید دریافت میکند. این امر به طرق زیر صورت می‌پذیرد:
1- انرژی تابشی : انرژی تابشی دریافت شده از خورشید، گستره‌ای از طول موج‌ها است که بنام طیف خورشیدی معروف است. در این طیف وسیع بلندترین امواج (امواج رادیویی) حدود 10n برابر امواج کوتاه (اشعه گاما) میباشد ولی حداکثر انرژی و مقدار زیادی از کل انرژی تابش در محدوده کم عرض قسمت مرئی واقع است.
امواج مرئی خورشیدی از درون گازهای اتمسفر عبور می‌کنند ولی اشعه ماورای بنفش با طول موج کوتاه، در اتمسفر فوقانی جذب می‌گردد. مقداری از اشعه مادون‌قرمز توسط دیاکسیدکربن و بخار آب اتمسفر تحتانی جذب میشود. اما بیشتر انرژی خورشیدی بدون اینکه توسط هوا جذب شود. به زمین میرسد.
گرما قسمت اعظمی از اتمسفر در وهله اول بوسیله سطح زیرین آن، پس از گرم شدن توسط تابش خورشیدی تأمین میشود. سه طریقه انتقال گرما (تابش رسانش همرفت) به همراه گرمای نهان تبخیر در هم آمیخته اتمسفر را گرم می‌کنند.
2- تشعشع زمین : سطح زمین با جذب نورخورشیدی، به نوبه خود گرم میشود. مواد گرم ساطع کننده انرژی هسته و طول موج این تابش به درجه حرارت جسمی که انرژی تابشی از دست میدهد بستگی دارد. زمین نورمرئی را به اشعه مادون‌قرمز با طول موج بلندتر تبدیل میکند بخار آب و تا حدی کمتر دیاکسیدکربن، اشعه مادون قرمز را جذب می‌کنند. قطرات مایع آب موجود در ابرها نیز یک جاذب خیلی قوی اشعه مادون قرمز هستند و در نتیجه شب‌های ابری همیشه گرمتر از شب‌های صاف است.
3- انتقال آشفته : دومین طریقه مهم گرم شدن اتمسفر، انتقال انرژی بوسیله هدایت مستقیم، گرما از سطح زمین به اتمسفر با تماس مستقیم با آن است هوا یک هادی خیلی ضعیف انرژی گرمایی است چرا که فقط پایین‌ترین قسمت اتمسفر بوسیله آن گرم میشود. اما به محض گرم شدن، هوا گسترش یافته، صعود میکند و از طریق همرفت گرمایی هدایت شده را به سطوح بالا انتقال میدهد ترکیب اعمال هدایت و همرفت در گرم کردن هوا را معمولاً تبادل گرمایی آشفته مینامند.
4- گرمای نهان : هنگامی که آب بخار شده از حالت مایع خارج می‌گردد. 540 تا 600 کالری توسط هر گرم آب تبدیل شده به بخار جذب میشود. هیچ مقداری از این گرما در تغییر دما دخالت ندارد. بلکه صرفاً برای تأمین انرژی لازم مولکول‌های آب جهت خارج شدن از حالت مایع به گاز می باشد (تنها یک کالری لازم است که دمای یک گرم آب را یک درجه سانتی‌گراد بالا ببرد)
540 تا 600 کالری که برای تبدیل یک گرم آب به گاز لازم است بسیار زیاد میباشد. سرانجام بخار آب در فرآیند تراکم قطرات آب، ابرها را بوجود آورده و در نتیجه گرمای نهان خود را به صورت گرمای محسوس آزاد میکند.
5- پدیده گلخانه : اتمسفر کره زمین همانند شیشه گلخانه، با جلوگیری از اتلاف انرژی برگشتی از سطح زمین، بخش اعظم انرژی تابش از خورشید را محبوس میکند زیرا جو زمین تقریباً شرایط شفافی را نسبت به تابش خورشیدی با امواج کوتاه دارد ولی در مقابل امواج طولانی تشعشع زمین تقریباً شرایط کدری را دارا می باشد در این بین بخار‌آب ابرها و دیاکسیدکربن نقش بسیار عمده‌ایی در مقیاس وسیعی در درون اتمسفر جهت بازداشتن از خروج تشعشع زمین به عهده دارند این امر سرانجام شرایط پدیده گلخانه‌ای را برای جو زمین بوجود آورده و سبب افزایش درجه حرارت آن می‌گردد.
اتمسفر زمین
بسیاری از مردم پوشش اطراف زمین را تا آنجا که جو نامیده میشودبه مثابه پوششی تحت نام اقیانوس هوا می شناسند که زمین را در بر گرفته است و این پوشش لایه هایی از گازها وبخار آب است . با اینکه از نگاه اولیه این تصور شکل می گیرد اما باید بدانیم که در این نگرش ساده مواردی وجوددارد که در بحثهای عمومی کمتر بدان پرداخته می شود.
بحثهائی که تحت آن علم هواشناسی شکل می گیرد و به راستی یکی از زیبا ترین وپیچیده ترین مکانیسم های طبیعی را مورد بررسی قرار میدهد.
آنچه که برروی این کره خاکی حیات را مقدور ساخته است ارتباط بسیار منظم وتنگاتنگی ما بین اعضای تشکیل دهنده این پوشش با طبقات مختلف است.طبقاتی که هر لایه آن وظیفه بسیار مهم وتعیین کننده ای در تشکیل و ادامه حیات داراست. به نحوی که با حذف مجازی هر لایه ومحاسبات مربوط به آن دگرگونی ژرفی در سایر طبقات وبه تبع آن، تغییر کامل مکانیسم فعلی را سبب می شود.در دید اغلب افراد اهمیت جو در لایه مجاور زمین است که دارای اکسیژن کافی برای تنفس می باشد.برای شکل گیری این لایه که موجودات در تماس مستقیم با آن می باشندطبقات دیگر طبق چینش خاص خود با خصوصیات منحصر به فرد دخالت دارند که در این مشارکت با حذف هر کدام قطعا حیات به خطر جدی خواهد افتاد. گر چه جو به معنای واقعی یک سوسیال کامل است و هیچ جای خالی در جو نمی توان یافت و کاملا فضا را به یک نسبت ویک شکل پوشش می دهد اما در هر لایه ترکیبات خاص از عناصر و ملوکولها با توجه به خصوصیات آن لایه قرار دارد.از دیدگاه مخابرات ماکروویو وابستگی ارسال تحت کانال هوا به پارامترهای فیزیکی ،جای پائی برای مطالعه وباز بینی دقیقی بر این رویه میطلبد. اهمیت لایه های جو در مخابرات بدین سبب است که محیط انتقال امواج الکترومغناطیس بوده و گاهی به عنوان Reflector مورد استفاده قرار میگیرد ماهواره ای که در مدار زمین قرار میگیرد وتنها راه ارتباطی آن با زمین امواج رادیوئی میباشد، امواجی را دریافت میدارد که از این لایه ها در شرایط مختلف جوی ودر زمانهای مختلف فصلی وشبانه روزی عبور نموده است.دو مشخصه عمده امواج صرفنظر از نوع قطبی شدگی و اختلاف فاز ، دامنه موج و فرکانس موج میباشد.که هرچه فرکانس موج بالاتر رود نفوذ وانتشار آن در فاصله های بعید بهتر صورت میگیرد.اما این دو کمیت به چه نسبت وتا چه حدود افزایش یابند که اولا اختلاف زیادی با سطح Optimize خود نداشته از طرف دیگر ارتباط به شکلی دائمی وجود داشته باشد.چرا که طبق آنچه که در ادامه توضیح داده خواهد شد جو ترکیبی پیچیده از عوامل محدود کننده میباشد که بر اساس ماهیت فیزیکی منحصر به فرد خود در ارتباط با امواج رادیوئی در طول شبانه روز رفتار متغییری از خود نشان میدهد.
مختصری در خصوص اتمسفر زمین
فضای بین اتمسفر زمین وسیارات منظومه شمسی خلا کامل نیست اگر چه چگالی مواد بین سیارات کم است این فضا مقادیری گازهای داغ وذرات گرد و غبار در بر دارد. مواد گازی موجود در این نواحی را گاز بین سیارات مینامند زیرا این گازها بین سیارات قرار دارند واغلب از پروتونها و الکترونها تشکیل شده اند و چگالی مولوکولی آن بسیار کم است.
مدار حرکت زمین به دور خور شید از فضای بین سیارات میگذرد وبه همین دلیل با گازهای بسیار رقیق بین سیارات ادغام می شود.
جو از نظر عمودی ممکن است بنا به ترکیبات ،عکس العملهای شیمیایی ، یونیزه شدن ، دما ، فشار وغیره برحسب ارتفاع طبقه بندی شود که در این بخش مختصری از خصوصیات این طبقات شرح داده میشود.از موارد بر شمرده شده یونیزه شدن از اهمیت فوق العاده ای بر خوردار است.
به طور خلاصه میتوان گفت که جو از چهار لایه کاملا مشخص تروپوسفر ، استراتوسفر ،مزوسفر و ترموسفر تشکیل شده است.
دماهای زیاد نزدیک سطح زمین ،در مجاورت استراتوپاز و ناحیه ترموسفر دیده میشود.این زیاد بودن دما به تابش خورشید و جذب آن مربوط است.بیشتر تابش خورشیدی توسط سطح زمین جذب میشود.بنا بر این تروپوسفر از ناحیه زیرین شروع به گرم شدن میکند.تغییرات دما از سطح زمین با افزایش ارتفاع ، کاهش می یابد و این بدین سبب است که از منبع گرمائی که سطح زمین می باشد دور میشویم.بر عکس تروپوسفر ناحیه گرمائی استراتوسفر در بالای آن قرار دارد واینجا همان نقطه ای است که در آن شکل گیری اوزن و تجزیه ملوکولهای اکسیژن صورت میگیرد ودر اثر این واکنش گرما ایجاد میشود .با نزدیک شدن به این بخش چون به منبع گرمائی نزدیک میشویم تغییرات دما با افزایش ارتفاع افزایش می یابد.در بخش بالاتر، مزوسفر قرار دارد که در اینجا چگالی مولکولی کم میشود وبا افزایش ارتفاع به دلیل دور شدن از استراتوسفر که منبع گرمائی میباشد، دما به شدت نزول میکند تا بخش بالاتر که ترموسفر نامیده میشود از اینجا به بعد دما باز هم افزایش می یابدو توجیه آن خروج از حیطه زمین وکاسته شدن اثرات حرارتی آن ونزدیک شدن به منبع اصلی گرما در منظومه شمسی می باشد.از اینجا به بعد تغییرات دما سیر صعودی دارد. در اتمسفر زمین تقریبا از ارتفاع 50 تا 500 کیلومتر یعنی بخشهائی از مزوسفر و ترموسفر لایه هائی از گازهای یونیزه به نام یونسفر وجود دارد.یونسفر از الکترونهای آزاد و یونهای مثبتی تشکیل میشودکه با جذب تشعشع ماوراء بنفش خورشید توسط اتمها ومولکولهای اتمسفر بالائی ایجاد میگردند.ذرات باردار در این ناحیه توسط میدان مغناطیسی زمین به دام می افتند.خصوصیات این لایه ها از نظر ارتفاع وچگالی یونی از طرفی به ترکیبات مزوسفر و ترموسفر و از سوی دیگر به طبیعت تشعشعات خورشیدی و چگونگی چرخه لکه خورشیدی(Sunspot cycle) بستگی دارد.طوفانهای خورشیدی که در اثر انفجارات سطحی خورشید به وجود می آیندو از میزان بسیار زیاد انرژی آزاد شده آن تنها بخش بسیار کوچکی به زمین میرسد نیز در این مشخصه ها نقش اساسی دارند .از آنجائیکه این انفجارات و تشعشعات پریودیک نبوده ومیزان ومعیاری برای تناوبی شدن آنها در فواصل کوتاه شبانه روز،فصلها وحتی سالها وجود ندارد پیش بینی مشخصه های چگالی یونی و ارتفاع توسعه یافته لایه یونسفر تقریبا غیر ممکن میباشد.لایه یونسفر با توجه به دارا بودن حالت یونی وپلاسما گونه اش به لایه پلاسما نیز شهرت دارد.از خصوصیات بارز این لایه ایجاد شفق قطبی که پدیده ای نادر است رامی توان نام برد.این پدیده در اثر به دام افتادن ذرات باردار ویونها در میدان مغناطیسی قوی موجود در قطبها می باشد.در این لایه چگالی الکترون ویون در لایه های یونیزه جداگانه اساسا یکسان است .وجه تسمیه پلاسمای این لایه بر اساس همین توازن چگالی الکترون و یون می باشد.یونسفر نقش اصلی در انتشار امواج الکترومغناطیسی دارد واثرات مهمی بر ارتباطات راه دور را داراست.از آنجائیکه جرم الکترونها نسبت به یونهای مثبت بسیار سبکتر است توسط میدانهای الکتریکی امواج الکترومغناطیس گذرنده بیشتر شتاب می یابند.در تحلیل ارائه شده بر اساس این واقعیت از شتاب یون ها صرفنظر شده و لابه یونسفر به عنوان یک گاز الکترون آزاد Free electron gas در نظر گرفته شده است.