جو زمین از ۵ لایه اصلی تشکیل شده که هر کدام ویژگیهای خاصی دارند و نقش مهمی در حفظ حیات ایفا میکنند. این لایهها را بر حسب چگونگی روند دما، اختلاف چگالی، تغییرات فشار، تداخل گازها و سرانجام ویژگیهای الکتریکی به لایههای زیر تقسیم کردهاند:
- تروپوسفر (Troposphere)
- استراتوسفر (Stratosphere)
- مزوسفر (Mesosphere)
- ترموسفر (Thermosphere)
- اگزوسفر (Exosphere)
جو زمین عمدتاً از نیتروژن (۷۸٪)، اکسیژن (۲۱٪)، آرگون (۰.۹٪) و کربن دیاکسید (۰.۰۳٪) تشکیل شده است. وزن کل جو حدود ۱۰۱۸×۵.۵ کیلوگرم است و سهچهارم آن در ارتفاع کمتر از 11 کیلومتر قرار دارد.
| ترکیب و ساختار جو | |
|---|---|
| گاز | درصد بر اساس حجم |
| نیتروژن (N2) | ۷۸.۰۸۴ |
| اکسیژن (O2) | ۲۰.۹۴۶ |
| آرگون (Ar) | ۰.۹۳۴ |
| کربن دی اکسید (CO2) | ۰.۰۳۷ |
| نئون (Ne) | ۰.۰۰۱۸۲ |
| هلیم (He) | ۰.۰۰۰۵۲ |
| متان (CH4) | ۰.۰۰۰۱۵ |
| کریپتون (Kr) | ۰.۰۰۰۱۱ |
تروپوسفر
لایه تروپوسفر، پایینترین و مهمترین بخش جو زمین است که مستقیماً با سطح زمین در تماس است و نقش حیاتی در زندگی روزمره ما دارد.
وجه تمایز این لایه با دیگر لایههای اتمسفر، تجمع تمامی بخار آب جو زمین در آن است؛ به همین دلیل بسیاری از پدیدههای جوی که با رطوبت ارتباط دارند و عاملی تعیین کننده در وضعیت هوا به شمار میآیند (از قبیل ابر، باران، برف، مه و رعد و برق) تنها در این لایه رخ میدهند.
منبع حرارتی لایه تروپوسفر انرژی تابشی سطح زمین است. از این رو با افزایش ارتفاع با کاهش دما مواجه خواهیم بود.
ضخامت تروپوسفر، از شرایط حرارتی متفاوتی که در عرضهای جغرافیایی مختلف حاکم است تبعیت میکند. این ضخامت معمولاً از ۱۷ تا ۱۸ کیلومتر در استوا به ۱۰ تا ۱۱ کیلومتر در مناطق معتدل و ۷ تا ۸ کیلومتر در قطبها تغییر میکند.
ویژگیهای فیزیکی
- ۷۵ تا ۸۰ درصد جرم کل جو زمین در این لایه قرار دارد. (بیشترین تراکم و فشار هوا در این لایه است.)
- تقریباً تمام بخار آب و ذرات معلق در هوا در تروپوسفر یافت میشوند. (شامل بیشترین مقدار گازهای جو مانند نیتروژن، اکسیژن، دیاکسید کربن و بخار آب)
- پدیدههای آبوهوایی مانند باران، برف، باد، و تشکیل ابرها در این لایه رخ میدهند.
گردش هوا و دما
- نام «تروپوسفر» از واژه یونانی *tropos* به معنی "تغییر" گرفته شده که به «تغییرات مداوم دما و فشار» در این لایه اشاره دارد.
- دما با افزایش ارتفاع در این لایه کاهش مییابد، که باعث ایجاد جریانهای همرفتی و حرکت هوا میشود. (بهطور میانگین، هر ۱ کیلومتر افزایش ارتفاع، حدود ۶.۵ درجه سانتیگراد کاهش دما دارد.)
نقش در چرخه آب
- این لایه دارای مقدار زیادی بخار آب است که در چرخه بارش و تبخیر نقش دارد.
- اگر تمام بخار آب موجود در تروپوسفر به باران تبدیل شود، میتواند سطح زمین را با لایهای به ضخامت «۲.۵ سانتیمتر» بپوشاند.
استراتوسفر
لایه استراتوسفر، دومین لایه جو زمین است که بر روی لایه تروپوسفر قرار دارد و ضخامت متوسط آن حدود ۲۳ کیلومتر (از ارتفاع حدود ۱۰ تا ۵۰ کیلومتری سطح زمین قرار دارد) است. در ۳ کیلومتر اول استراتوسفر، دمای هوا ثابت است اما در قسمتهای بالاتر دمای هوا با ارتفاع افزایش مییابد.
در استراتوسفر به ندرت ابر تشکیل میشود و تنها در شرایط ویژهای ممکن است ابرهای کوهستانی به نام ابرهای مرواریدی در ارتفاع ۲۱ تا ۲۹ کیلومتری از سطح زمین ظاهر شوند که علت وجود آنها حرکات موجی شکل هوا از سوی موانع میباشد.
از دیگر ویژگیهای مهم استراتوسفر وجود اوزون در این لایه است که بخصوص در ارتفاع ۲۰ تا ۳۰ کیلومتری سطح زمین بر اثر واکنشهای مختلف فتوشیمیایی بدست میآید و نقش مهمی در محافظت از زمین در برابر پرتوهای فرابنفش دارد. مقدار اوزون در این لایه معمولاً روند فصلی دارد حداکثر آن در بهار و حداقل آن در پاییز مشاهده میشود.
موقعیت و ساختار
- استراتوسفر از ارتفاع حدود ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر (بسته به عرض جغرافیایی) آغاز میشود و تا حدود ۵۰ کیلومتر از سطح زمین امتداد دارد.
- مرز پایینی آن «تروپوپاوز» و مرز بالاییاش «استراتوپاوز» نام دارد.
ویژگیهای دمایی
- برخلاف تروپوسفر، در استراتوسفر، دمای هوا با افزایش ارتفاع افزایش مییابد.
- این افزایش دما به دلیل جذب پرتوهای فرابنفش خورشید توسط «گاز اوزون» است که در این لایه به مقدار زیاد وجود دارد.
نقش لایه اوزون
- لایه اوزون، در استراتوسفر قرار دارد و از زمین در برابر «پرتوهای فرابنفش خورشید» محافظت میکند.
- این لایه در ارتفاع حدود ۱۶ تا ۳۰ کیلومتر متمرکز است و وجود آن باعث گرمتر شدن بخشهایی از استراتوسفر میشود.
اهمیت برای پرواز و هواشناسی
- هواپیماهای جت معمولاً در بخش پایینی استراتوسفر پرواز میکنند، زیرا در این لایه تلاطم هوا کمتر است.
- به دلیل نبود بخار آب و ابر، پدیدههای آبوهوایی در استراتوسفر رخ نمیدهند.
ترکیب و ویژگیهای فیزیکی
- فشار هوا در این لایه بسیار کمتر از تروپوسفر است.
- گازهای موجود در استراتوسفر به صورت لایهای و پایدار هستند، به همین دلیل نام استراتوسفر از واژه یونانی *strato* به معنی "لایهای" گرفته شده است.
مزوسفر
مزوسفر یا میانسپهر، سومین لایه جو زمین است که از ارتفاع حدود ۵۰ تا ۸۵ کیلومتری سطح زمین امتداد دارد و سردترین بخش جو محسوب میشود.
در بالای لایه گرم اوزون لایه مزوسفر قرار دارد که دما در آن متناسب با افزایش ارتفاع با آهنگ حدود ۲.۵ درجه سانتیگراد به ازای هر کیلومتر کاهش می یابد. به طوریکه دما در مرز فوقانی آن در ارتفاع ۸۰ تا ۹۰ کیلومتری به ۸۰- درجه سانتیگراد می رسد. و نتیجه این دمای پایین انجماد بخار آب ناچیز موجود در این لایه است که باعث بوجود آمدن ابرهای شبتاب میشوند. این ابرها درتابستان و در عرضهای بالا دیده میشوند.
موقعیت و ساختار
- مزوسفر بین استراتوسفر (در پایین) و ترموسفر (در بالا) قرار دارد.
- از ارتفاع حدود ۵۰ کیلومترآغاز میشود و تا حدود ۸۵ کیلومتر ادامه دارد.
- مرز پایینی آن «استراتوپاوز» و مرز بالاییاش«مزوپاوز» نام دارد.
ویژگیهای دمایی
- در مزوسفر، دمای هوا با افزایش ارتفاع کاهش مییابد.
- این لایه «سردترین بخش جو زمین» است و دما در بالاترین نقاط آن ممکن است به حدود منفی ۹۰ درجه سانتیگراد برسد.
- در مزوسفر، برخلاف استراتوسفر، هیچ لایهای مانند اوزون برای جذب انرژی خورشید وجود ندارد.
- همچنین، چگالی هوا بسیار پایین است و گرمای کمی در این ناحیه نگه داشته میشود.
پدیدههای جوی
- شهابها، هنگام ورود به جو زمین در مزوسفر میسوزند و نور ایجاد میکنند.
- برخی «ابرهای شبتاب» (Noctilucent Clouds) نیز در این لایه تشکیل میشوند.
ترکیب و فشار
- فشار هوا در مزوسفر بسیار پایین است و تراکم مولکولهای هوا نسبت به لایههای پایینتر بسیار کمتر است.
- به دلیل این شرایط، مطالعه مستقیم مزوسفر دشوار است و اطلاعات آن بیشتر از طریق ماهوارهها و موشکهای تحقیقاتی بهدست میآید.
اهمیت علمی
- مزوسفر نقش مهمی در محافظت از زمین در برابر شهابسنگها دارد.
- همچنین در پژوهشهای مربوط به دینامیک جو و انتقال انرژی بین لایهها مورد توجه قرار میگیرد.
ترموسفر
ترموسفر یا گرمسپهر چهارمین لایه جو زمین است که از حدود ۸۵–۹۰ کیلومتری آغاز میشود و تا ارتفاع ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری ادامه دارد. در این لایه دما با افزایش ارتفاع بهطور چشمگیری بالا میرود و میتواند به بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد برسد.
شدت یونیزاسیون در تمام ارتفاعات یونسفر یکسان نیست؛ بنابراین لایههای متفاوت با تراکم الکترون و یون متفاوت با ارتفاعات مجاور خود در یونسفر وجود دارد؛ این لایهها در ارتباطات رادیویی اهمیت بسیاری دارند. این لایهها عبارتند از لایههای D,E,F.
یونوسفر بخشی از جو بالایی زمین است که به دلیل یونیزه شدن گازها، نقش حیاتی در بازتاب امواج رادیویی و محافظت از زمین در برابر پرتوهای خورشیدی دارد.
ویژگیهای اصلی
- فعالیتهای خورشیدی بهشدت بر دمای این لایه اثر میگذارند؛ روزها حدود ۲۰۰ درجه گرمتر از شبها است.
- در این لایه چگالی هوا بسیار کم است؛ بهطوریکه مولکولها فاصله زیادی از هم دارند.
- پایینترین بخش آن مزوپاوز (مرز با مزوسفر) و بالاترین بخش آن ترموپاوز (مرز با اگزوسفر) نام دارد.
- به دلیل فشار کم، ذرات بیشتر به صورت یون و کاتیون وجود دارند.
- شفقهای قطبی در این لایه رخ میدهند و بسیاری از ماهوارهها در همین ارتفاع قرار دارند.
اهمیت
- وجود یونها باعث بازتاب امواج رادیویی میشود و نقش مهمی در مخابرات دارد.
- مدار بسیاری از ماهوارههای تحقیقاتی و مخابراتی در محدوده ترموسفر است.
- برخورد ذرات باردار خورشیدی با یونهای ترموسفر باعث ایجاد این پدیده زیبا میشود.
- بسیاری از شهابها هنگام ورود به جو در همین لایه شروع به سوختن میکنند.
اگزوسفر
شرایط موجود در یونوسفر در این لایه نیز حاکم است؛ بدین معنی که گازها در این لایه همچنان قابلیت هدایت الکتریکی خود را حفظ میکنند. سرعت ذرات در این لایه بسیار زیاد است و در مواردی به ۲/۱۱ کیلومتر در ثانیه میرسد. اگزوسفر لایه گذار جو به فضای کیهانی به شمار میآید که بخش فوقانی آن را در ارتفاع بیش از سه هزار کیلومتری از سطح زمین برآورد کردهاند.
اگزوسفر یا برونسپهر، بیرونیترین لایه جو زمین است و مرز میان جو زمین و فضای کیهانی محسوب میشود.
در ادامه، ویژگیهای مهم این لایه را مرور میکنیم:
موقعیت و ساختار
- اگزوسفر پنجمین و آخرین لایه جو زمین است.
- از ارتفاع حدود ۵۰۰ کیلومتر شروع میشود و تا حدود ۱۰٬۰۰۰ کیلومتر امتداد دارد.
- این لایه بهتدریج به فضای بیرونی تبدیل میشود و مرز مشخصی ندارد.
ویژگیهای فیزیکی
- هوا بسیار رقیق است و تراکم ذرات به حدی کم است که شباهت زیادی به خلأ دارد.
- گازهای سبک مانند هیدروژن و هلیوم در این لایه وجود دارند و میتوانند از جو زمین فرار کنند.
- دما در این لایه بسیار بالا است، اما به دلیل تراکم بسیار پایین، انتقال گرما بسیار کند صورت میگیرد.
نقش در فضا و فناوری
- بسیاری از ماهوارهها و ایستگاههای فضایی در این ناحیه قرار دارند.
- به دلیل رقیق بودن هوا، مقاومت هوا بسیار کم است و امکان حرکت اجسام فضایی با مصرف انرژی کمتر فراهم میشود.
دیدگاههای علمی
- برخی دانشمندان اگزوسفر را بخشی از جو زمین میدانند، در حالی که برخی دیگر آن را جزئی از فضای بیرونی تلقی میکنند.
- مرز میان اگزوسفر و فضای بیرونی بهصورت تدریجی و نه ناگهانی شکل میگیرد.
نمودار تغییرات دما در لایههای جو
نمودار زیر، تغییرات دما را در لایههای مختلف جو زمین از سطح زمین تا ارتفاع ۱۲۰ کیلومتری نشان میدهد.
|
مقایسه دمایی لایههای جو |
|||
| لایه جو | محدوده ارتفاع (km) | روند دما با ارتفاع | بازه دمایی تقریبی (°C) |
| تروپوسفر | ۰ تا ۱۲ | کاهش مییابد | ۱۵ تا ۵۶- |
| استراتوسفر | ۱۲ تا ۵۰ | افزایش مییابد | ۵۶- تا ۰ |
| مزوسفر | ۵۰ تا ۸۵ | کاهش مییابد | ۰ تا ۹۰- |
| ترموسفر | ۸۵ تا ۱۲۰ | افزایش مییابد | ۹۰- تا حدود ۵۰۰ |
این الگوی دمایی به دلیل تفاوت در جذب انرژی خورشیدی و ترکیب گازها در هر لایه است.
گردآورنده: دنیاها، دانشنامۀ فارسی | www.Donyaha.ir
