هواکره (اتمسفر): سپر حیاتبخش زمین
هواکره از چه گازهایی ساخته شده است؟
اگرچه هواکره مخلوطی از گازهای مختلف است، اما بیش از 99% حجم آن را فقط دو گاز تشکیل میدهند. این ترکیب تقریباً ثابت است (به جز مقادیر کمآب2). باقیمانده شامل گازهای کمیاب اما بسیار مهم است.
| نام گاز | نماد شیمیایی | درصد حجمی تقریبی | نقش اصلی |
|---|---|---|---|
| نیتروژن | $N_2$ | 78% | رقیق کردن اکسیژن، بخشی از پروتئینها و مواد مغذی خاک. |
| اکسیژن | $O_2$ | 21% | تنفس جانداران، کمک به سوختن و اکسیداسیون. |
| آرگون | Ar | 0.93% | یک گاز نجیب و بیاثر. |
| دیاکسید کربن | $CO_2$ | ~0.04% | مهم برای فتوسنتز گیاهان؛ یک گاز گلخانهای اصلی. |
| بخار آب | $H_2O$ | متغیر (تا 4%) | تنظیم دما، تشکیل ابر و بارش، قویترین گاز گلخانهای طبیعی. |
مثال علمی: چرا درصد دیاکسید کربن که تنها 0.04% است، اینقدر مهم تلقی میشود؟ مانند ادویه در غذاست؛ مقدار بسیار کم آن تأثیر بزرگی دارد. این گاز مانند شیشهٔ گلخانه عمل کرده و گرما را در هواکره به دام میاندازد. بدون آن، زمین بسیار سرد میشد. اما افزایش بیش از حد آن (عمدتاً به دلیل سوزاندن سوختهای فسیلی) باعث گرمایش بیشتر زمین میشود.
سفر به بالا: کشف لایههای هواکره
با دور شدن از سطح زمین، فشار هوا کم و دما تغییر میکند. این تغییرات، هواکره را به لایههای مجزا تقسیم میکند. هر لایه ویژگیهای منحصربهفرد خود را دارد.
| نام لایه | ارتفاع تقریبی از سطح زمین | ویژگیهای کلیدی و رویدادها | روند دما |
|---|---|---|---|
| تراکم3 (تروپوسفر) | تا 12 کیلومتر | متراکمترین لایه. همهٔ آبوهوا، ابرها و پرواز هواپیماهای تجاری در اینجا رخ میدهد. | با افزایش ارتفاع کاهش مییابد (به ازای هر کیلومتر حدود 6.5 درجه سانتیگراد). |
| آرامکره6 (استراتوسفر) | 12 تا 50 کیلومتر | لایهٔ اوزون7 ($O_3$) در اینجا قرار دارد که پرتوهای فرابنفش مضر خورشید را جذب میکند. پرواز برخی هواپیماهای شناسایی در بخش پایینی آن. | با افزایش ارتفاع افزایش مییابد (به دلیل جذب پرتوها توسط اوزون). |
| میانکره8 (مزوسفر) | 50 تا 85 کیلومتر | سردترین لایهٔ هواکره. بیشتر شهابسنگها در این لایه میسوزند و به صورت «ستارههای دنبالهدار» دیده میشوند. | با افزایش ارتفاع کاهش مییابد. |
| گرمکره9 (ترموسفر) | 85 تا 600+ کیلومتر | دما بسیار بالا ولی هوا فوقالعاده رقیق است. شبتابی و مدار ایستگاه فضایی بینالمللی در این لایه است. | با افزایش ارتفاع به شدت افزایش مییابد (حتی تا 1500 درجه سانتیگراد). |
| برونکره10 (اگزوسفر) | 600+ کیلومتر به بالا | آخرین لایه که به تدریج در فضای بین سیارهای محو میشود. ماهوارههای زمینآهنگ در این ناحیه فعالیت میکنند. | تعریف مشخصی ندارد. |
یک روایت کوتاه: وقتی با هواپیما پرواز میکنید، درون لایهٔ تراکم هستید. اگر پنجره را نگاه کنید، ابرها را در زیر خود میبینید. در ارتفاع پرواز (حدود 10 کیلومتر)، هوا بسیار سردتر از روی زمین است و آسمان به رنگ نیلی تیره دیده میشود زیرا مولکولهای کمتری برای پراکنده کردن نور آبی وجود دارند.
اثر گلخانهای: چگونه هواکره زمین را گرم نگه میدارد؟
این پدیده یک فرآیند طبیعی و ضروری برای حیات روی زمین است. در غیر این صورت، میانگین دمای زمین به جای 15 درجه سانتیگراد، حدود -18 درجه سانتیگراد بود! مراحل آن به این صورت است:
۱. پرتوهای خورشید (بیشتر نور مرئی) از هواکره عبور کرده و سطح زمین را گرم میکنند.
۲. زمین گرم شده، انرژی را به صورت پرتوهای فروسرخ (گرمایی) به سوی فضا بازمیتاباند.
۳. گازهای گلخانهای مانند بخار آب ($H_2O$)، دیاکسید کربن ($CO_2$) و متان ($CH_4$) بخشی از این پرتوهای فروسرخ را جذب میکنند.
۴. این گازها سپس انرژی جذبشده را در همهٔ جهات، از جمله به سوی سطح زمین، دوباره میتابانند و آن را گرمتر میکنند.
شگفتیهای هواشناسی در لایه تراکم
همهٔ پدیدههای آبوهوایی که میبینیم—از باران و برف گرفته تا توفان و رعدوبرق—در پایینترین لایهٔ هواکره، یعنی تراکم رخ میدهند. دلیل اصلی این است که تقریباً تمام بخار آب هواکره در این لایه متمرکز شده است. با صعود هوا به ارتفاع بالاتر و سرد شدن، بخار آب به قطرات ریز آب یا بلورهای یخ تبدیل شده و ابر تشکیل میدهد. این فرآیند پایهٔ همهٔ بارشهاست.
مثال: تشکیل برف. زمانی اتفاق میافتد که دمای تمام لایههای ابر و هوای زیر آن تا سطح زمین، زیر نقطهٔ انجماد (0 درجه سانتیگراد) باشد. بلورهای یخ در ابر به یکدیگر میچسبند و دانههای برف را تشکیل میدهند. شکل زیبا و منحصربهفرد هر دانه برف به دما و رطوبت ابر بستگی دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، مرز کاملاً مشخصی وجود ندارد. هواکره به تدریج رقیق و رقیقتر میشود تا جایی که به فضای بینسیارهای میرسد. به عنوان یک قاعدهٔ تجربی، خط کارمان11 در ارتفاع 100 کیلومتری از سطح دریا، به عنوان مرز بین هواکره و فضا پذیرفته شده است.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. دلیل سردی ارتفاعات، نزدیکی به خورشید نیست. هوای تراکم عمدتاً توسط گرمای تابشی از سطح زمین (که توسط خورشید گرم شده) گرم میشود، نه مستقیم توسط خورشید. پس هر چه از منبع گرم (سطح زمین) دورتر شویم، هوا سردتر میشود. در لایههای بالاتر (آرامکره) دما دوباره افزایش مییابد، اما به دلیل جذب مستقیم پرتوهای خورشید توسط گاز اوزون.
پاسخ: خیر. این دو مشکل محیطزیستی متفاوت هستند. سوراخ لایهٔ اوزون (عمدتاً بر فراز قطب جنوب) به دلیل انتشار گازهای CFC12 ایجاد شده و باعث عبور پرتوهای فرابنفش مضر بیشتر به سطح زمین میشود. گرمایش زمین ناشی از افزایش گازهای گلخانهای مانند دیاکسید کربن است که گرمای فروسرخ را به دام میاندازد. هر دو مشکل جدی هستند، اما مکانیسمهای جداگانهای دارند.
پاورقی
1 هواکره (Atmosphere): از دو بخش «هوا» و «کره» تشکیل شده است.
2 کمآب (Trace Gases): گازهایی که مقدار آنها بسیار ناچیز است ولی اثرات مهمی دارند.
3 تراکم (Troposphere): پایینترین و پرتحرکترین لایهٔ هواکره که بیشتر آبوهوا در آن رخ میدهد.
4 تلاطم (Turbulence): حرکت آشفته و چرخشی هوا.
5 هوموسفر (Homosphere): لایهای از هواکره (تا حدود 100 کیلومتر) که ترکیب گازی آن به دلیل اختلاط، یکنواخت است.
6 آرامکره (Stratosphere): لایهای پایدار که لایهٔ اوزون در آن قرار دارد.
7 اوزون (Ozone): مولکولی با سه اتم اکسیژن ($O_3$).
8 میانکره (Mesosphere): سردترین لایهٔ هواکره.
9 گرمکره (Thermosphere): لایهای با دمای بسیار بالا ولی چگالی بسیار کم.
10 برونکره (Exosphere): بیرونیترین لایهٔ هواکره که به فضای بیرونی میرسد.
11 خط کارمان (Kármán Line): مرز تعریف شده بین هواکره و فضای بیرونی.
12 CFC (Chlorofluorocarbons): کلروفلوئوروکربنها، گازهای صنعتی مخرب لایه اوزون.
