جو زمین چیست؟ — به زبان ساده

جو زمین پوششی نازک از گازها و ذرات کوچک است که همگی با هم، اجزای تشکیل‌دهنده هوا را بوجود می‌آورند. همه ما به هنگام جابجایی هوا و وزش باد، از وجود آن آگاه می‌شویم. تمامی موجودات زنده، برای بقا به گازهای موجود در هوا نیازمند هستند. بدون وجود اتمسفر زمین، زندگی در روی آن ناممکن بود. جو زمین به همراه مقادیر زیاد آب در سطح آن، این سیاره را از سایر سیاره‌های منظومه شمسی جدا کرده است. در این مطلب، به بررسی جو زمین و اهمیت آن به همراه معرفی لایه های جو زمین خواهیم پرداخت.

اهمیت جو زمین در چیست؟

همانطور که در ابتدای متن گفته شد، تمامی موجودات روی زمین برای زنده ماندن به این جو نیاز دارند. از دلایل اصلی اهمیت جو زمین باید به گازهای ضروری برای حیات، چرخه آب و لایه ازن اشاره کرد. در ادامه دلایل اصلی اهمیت اتمسفر زمین را بررسی می‌کنیم.

فیلم آموزش جریان لزج یا ویسکوز در فرادرس

کلیک کنید

گازهای ضروری برای حیات

بدون وجود جو زمین این سیاره، بسیار شبیه به ماه بود. گازهای اتمسفری بویژه گاز دی‌اکسید کربن و اکسیژن به شدت برای حیات موجودات، ضروری هستند. می‌دانیم که به هنگام فتوسنتز، گیاهان دی‌اکسید کربن را به گاز اکسیژن تبدیل می‌کنند. در حقیقت، تمامی اکسیژن یافت شده در زمین ناشی از فتوسنتز است. گیاهان با تولید اکسیژن و غذا، زمین را برای زندگی انسان‌ها و حیوانات آماده کرده‌اند. حیوانات به هنگام تنفس، از اکسیژن برای تبدیل قند به انرژی بهره می‌گیرند.

بخش اصلی چرخه آب

آب به عنوان بخش اصلی چرخه آب، مدت زمانی زیادی را در اتمسفر به سر می‌برد و بیشتر به صورت بخار آب وجود دارد. تمامی تغییراتی آب‌و‌هوایی نیز در جو زمین رخ می‌دهند. به عبارت دیگر، این آب‌وهوا است که به ما می‌گوید در هر مکان و زمان مشخص، چه اتمسفری داریم. این اطلاعات شامل دما، باد و بارش باران نیز می‌شوند و میزان متوسط این تغییرات آب‌و‌هوایی، اقلیم هر منطقه را مشخص می‌کند.

وجود لایه ازن

اوزون، مولکولی است که از سه اتم اکسیژن تشکیل شده است. وجود این لایه در جو بالای زمین سبب جذب پرتوهای پرانرژی ماورابنفش خورشید می‌شود. این لایه سبب حفاظت موجودات زمین از پرتوهای مضر خورشید خواهد شد و بدون این محافظت، تنها برخی از موجودات، قادر به زندگی در زمین خواهند بود.

ترکیبات جو زمین چیست؟

نیتروژن و اکسیژن در حدود ۹۹ درصد اتمسفر زمین را تشکیل می‌دهند. مابقی گازها، مقدار بسیار کمی دارند اما اهمیت آن‌ها بسیار زیاد است. رطوبت، به مقدار بخار آب موجود در هوا می‌گویند که از نقطه‌ای به نقطه دیگر و از فصلی به فصل دیگر متغیر است. برخی از مواد موجود در جو زمین از گاز تشکیل نشده‌اند بلکه شامل گردوغبار، دوده، خاکستر، نمک‌ها، فلزات و سایر مواد جامد هستند که درصد کمی از اتمسفر زمین را تشکیل می‌دهند. این ذرات، نقش اصلی را در شروع میعان بخار آب و تشکیل قطرات باران دارند. در خصوص بخار آب باید گفت زمانی که رطوبت هوا زیاد باشد، احساس می‌کنیم که هوا سنگین شده است و هوای خشک برای ما احساس بهتری ایجاد می‌کند. رطوبت زیاد را می‌توان در نواحی استوایی دید چراکه در این مناطق، هوا گرم است و دمای بالاتر، رطوبت بیشتری را در خود حفظ می‌کند.

چگالی و فشار اتمسفریک

جو زمین خواص متفاوتی در ارتفاعات مختلف از سطح دریا دارد. به هنگام افزایش ارتفاع، چگالی هوا کاهش پیدا می‌کند. به همین دلیل، کوهنوردان به هنگام صعود به قله‌های مرتفعی همچون اورست، باید در محل‌های معینی مستقر شوند تا بدن آن‌ها به این هوای کاهش یافته عادت کنند و نمی‌توانند یکباره این صعود را انجام دهند.

نیروی جاذبه و همچنین چگالی هوا در سطح دریا بیشتر است و گازها در این سطح توسط وزن هوای اتمسفر، متراکم می‌شوند. نیرویی که از هوا در سطح دریا به واحدی از سطح اعمال می‌شوند، به فشار اتمسفریک معروف است و دلیلی که بدن ما در اثر این فشار از بین نمی‌رود این است که مولکول‌های درون بدن ما با این فشار خارجی مقابله می‌کنند. توجه داشته باشید که فشار اتمسفریک تنها از یک جهت (از بالا) وارد نمی‌شود بلکه از تمامی جهات اعمال می‌شود.

همانطور که گفته شد، در ارتفاعات بیشتر، فشار اتمسفری کمتر است و چگالی کمتری نیز برای هوا ذکر می‌شود. حتما به هنگام سفر به شهرهای ساحلی، احساس گرفتگی گوش داشته‌اید که این گرفتگی به خاطر تغییرات فشار است. زمانی که ارتفاع به سرعت تغییر کند، مانند فرود هواپیما، گوش داخلی انسان، سعی در حفظ حالت قبل دارد و گرفتگی بوجود می‌آید اما در نهایت، مولکول‌های هوا در گوش از طریق مجرایی کوچک حرکت می‌کنند تا این تغییر فشار را متعادل کنند.

با وجود این‌که چگالی هوا با ارتفاع تغییر می‌کند اما اجزای تشکیل دهنده آن ثابت می‌مانند. البته مولکول‌های اوزون از این قانون پیروی نمی‌کنند و در فاصله ۲۰-۴۰ کیلومتری بالای سطح زمین، غلظت بیشتری از مولکول‌های اوزون نسبت به بخش‌های دیگر وجود دارد.

لایه های جو زمین چه هستند؟

بسته به نحوه تغییر دمای اتمسفر با ارتفاع، جو زمین یا هواکره به لایه‌های مختلف تقسیم می‌شود. با فهم نحوه تغییر دما در ارتفاعات مختلف، نکات زیادی را در خصوص نحوه عملکرد اتمسفر زمین دریافت می‌کنیم. تغییرات آب‌وهوایی همگی در اتمسفر پایین (لایه‌های پایین جو) رخ می‌دهند اما بخش‌های جذاب همچون شفق در لایه‌های بالاتر بوقوع می‌پیوندند. لایه‌های جو زمین به ترتیب عبارتند از: تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، ترموسفر و اگزوسفر

تغییرات دمایی سبب ایجاد گرادیان دمایی می‌شوند این گرادیان در هر لایه متفاوت است. در برخی لایه‌ها، دما با افزایش ارتفاع، افزایش می‌یابد و در لایه‌های دیگر، دما با افزایش ارتفاع، کاهش پیدا می‌کند. در ادامه، هریک از لایه‌های جو را معرفی و ویژگی‌های آن‌را بیان می‌کنیم. در تصویر زیر، لایه های هواکره به همراه تغییرات دمایی و مرز بین لایه‌ها نشان داده شده است.

تروپوسفر

اگر از سطح زمین به طرف بالا حرکت کنیم، به اولین لایه هواکره یعنی تروپوسفر می‌رسیم. دمای تروپوسفر در سطح زمین، بیشترین مقدار را دارد و هرقدر ارتفاع افزایش پیدا کند، این دما کاهش می‌یابد. گرادیان دمایی تروپوسفر، ۶/۵ درجه سانتی‌گراد در هر ۱۰۰۰ متر ذکر می‌شود یعنی با حرکت از سطح زمین به طرف بالا، به ازای هر ۱۰۰۰ متر، دما به میزان ۶/۵ درجه سانتی‌گراد تغییر می‌کند.

فیلم آموزش جریان توربولانس یا چاله هوایی – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

سوالی که در اینجا پیش می‌آید این است که منبع گرمایی تروپوسفر چیست. در پاسخ به این سوال باید گفت که سطح زمین، منبع اصلی این گرما به شمار می‌آید. در حقیقت، گرمای تابیده شده از خورشید توسط سنگ‌ها، خاک و آب موجود در سطح زمین جذب و به طور مجدد به تروپوسفر بازگشت داده می‌شود.

توجه داشته باشید که در تروپوسفر، هوای گرم در زیر هوای سرد قرار دارد به همین دلیل، شرایطی ناپایدار ایجاد می‌شود. هوای گرم نزدیک سطح زمین، بالا می‌رود و هوای سرد به پایین منتقل می‌شود. در نتیجه، هوا در تروپوسفر دچار اختلاط زیادی می‌شود و این مخلوط شدن سبب ایجاد گرادیان دمایی مختلف خواهد شد که در هر مکان و زمان، متفاوت است.

این بالا و پایین رفتن هوا نشان می‌دهد که تمامی اتفاقات جوی همچون بارش برف و باران و ...، همگی در تروپوسفر صورت می‌گیرند. البته در برخی موارد، «وارونگی دما» (Temperature Inversion) خواهیم داشت به این معنی که دمای هوا در تروپوسفر با افزایش دما، افزایش می‌یابد و هوای گرم بر روی هوای سرد قرار می‌گیرد. این پدیده، بسیار پایدار است و امکان دارد تا چندین روز یا هفته به طول بیانجامد.

به دلیل پایداری وارونگی دما، در مواردی وارونگی سبب به دام افتادن آلودگی‌ها و ایجاد آلودگی هوا می‌شود. در بالای تروپوسفر، لایه‌ای وجود دارد که دمای آن با تغییر ارتفاع، تغییر پیدا نمی‌کند. این بدان معنی است که هوای سردتر و چگال‌تر تروپوسفر در زیر هوای گرم‌تر با چگالی کمترِ لایه بالاتر، یعنی استراتوسفر قرار می‌گیرد و هوای این لایه‌ها به ندرت با یکدیگر مخلوط می‌شوند.

استراتوسفر

گازها و خاکستر ناشی از فوران آتشفشان‌ها می‌توانند تا استراتوسفر یعنی دومین لایه جو زمین در بالای تروپوسفر منتقل شوند. زمانی که این ذرات به استراتوسفر برسند، تا سال‌ها در این لایه معلق می‌مانند چراکه لایه‌های استراتوسفر و تروپوسفر به ندرت با یکدیگر مخلوط می‌شوند. در این لایه، اغتشاش هوا نسبت به تروپوسفر کمتر است و به همین دلیل، خلبانان تمایل دارند تا در این ارتفاع پرواز کنند.

منبع اصلی گرما در استراتوسفر، خورشید است. به دلیل وجود هوای گرمتر در بالای هوای سردتر و چگال‌تر، هوا در این لایه، پایداری بیشتری نسبت به تروپوسفر دارد. در ارتفاع بین ۱۵-۳۰ کیلومتری نیز لایه اوزون وجود خواهد داشت. ضخامت این لایه با ارتفاع، تغییر می‌کند.

مزوسفر

دما در مزوسفر با افزایش ارتفاع، کاهش می‌یابد. از آن‌جایی که مولکول‌های گازی اندکی برای جذب تابش خورشید در این لایه وجود دارند، منبع گرمایی مزوسفر، لایه پایین‌تر آن در جو زمین یعنی استراتوسفر است. مزورسفر بسیار سرد است و دمای آن تا منفی ۹۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

چگالی هوا نیز در این لایه بسیار پایین است و در حقیقت، ۹۹/۹ درصد از جرم جو زمین در زیر این لایه قرار دارد و در نتیجه، فشار در این ناحیه بسیار پایین خواهد بود. همچنین، در مزوسفر، دیگر لایه اوزون وجود ندارد و برای حضور در این لایه به ابزارهای محافظت کننده از اشعه فرابنفش نیاز است.

ترموسفر

دانسیته مولکول‌ها در ترموسفر به قدری پایین است که یک مولکول، پیش از آن‌که به مولکول دیگری برخورد کند، می‌تواند تا مسافت یک کیلومتر را طی کند. بنابراین انرژی کمی در این لایه منتقل می‌شود و هوا بسیار سرد خواهد بود. در داخل ترموسفر، یونوسفر قرار دارد. نام یونوسفر به این دلیل انتخاب شده است زیرا تابش‌های خورشید، مولکول‌های این بخش را یونیزه و به یون‌هایی مثبت تبدیل می‌کند.

فیلم آموزش هوا و اقلیم شناسی در فرادرس

کلیک کنید

الکترون‌های حاصل از یونش، در داخل یونوسفر به صورت جریان الکتریکی منتقل می‌شوند. به دلیل وجود یون‌های آزاد، یونوسفر، ویژگی‌های جالبی دارد. به هنگام شب، امواج رادیویی به یونوسفر برخورد می‌کنند و به زمین بازمی‌گردند. به همین دلیل است که در شب، امواج رادیویی AM را می‌توانید تا کیلومترها دورتر از منبع اصلی، دریافت کنید.

محدوده‌ای موسوم به «کمربند تابشی وان آلن» (Van Allen Radiation Belt) وجود دارد که شامل ذراتی باردار در میدان مغناطیسی زمین است. این ذرات در اثر تابش خورشید ایجاد می‌شوند و در هنگام وقوع بادهای خورشیدی به طرف زمین منتقل می‌شوند. زمانی که این ذرات در میدان مغناطیسی زمین به دام بیافتند، در طول خطوط میدان مغناطیسی زمین حرکت می‌کنند. زمانی که توفان‌های خورشیدی شدید ایجاد شوند، تعداد این ذرات باردار در کمربند وان آلن زیاد می‌شوند که نتیجه آن، ویژگی اصلی یونوسفر یعنی «شفق» (Aurora) خواهد بود. این ذرات در طول میدان مغناطیسی و به سمت قطب‌ها به صورت مارپیچ حرکت می‌کنند.

ذرات باردار، به مولکول‌های گازهای نیتروژن و اکسیژن انرژی می‌دهند و این کار سبب نوردهی این گازها خواهد شد و هر گاز، رنگ مخصوصی را گسیل خواهد کرد.

اگزوسفر

در بررسی لایه های جو به آخرین لایه یعنی اگزوسفر می‌رسیم. مولکول‌های گاز در این ناحیه به قدری کم هستند که در برخی مواقع هیچ گازی وجود ندارد. به دلیل اینکه در این لایه، برخوردی بین مولکول‌ها صورت نمی‌گیرد، اتم‌های سبک‌تر و سریع‌تر همچون هیدروژن و هلیوم ممکن است به سرعت‌هایی دست پیدا کنند که خروج از میدان مغناطیسی زمین را برای آن‌ها فراهم می‌کند.

این لایه از حدود ۵۰۰ کیلومتری زمین آغاز می‌شود و تا «محیط میان‌سیاره‌ای» (Interplanetary medium) ادامه پیدا می‌کند. دما در اگزوسفر تقریبا ثابت است با ارتفاع تغییری نمی‌کند. مقدار متوسط این دما، ۱۵۰۰ کلوین ذکر می‌شود.

انتقال حرارت در جو زمین

انتقال حرارت در جو زمین مشابه با انتقال گرما بر روی زمین است. این انتقال حرارت به روش‌های تشعشعی، هدایتی و همرفتی انجام می‌گیرد. برای آشنایی با روش‌های مختلف انتقال حرارت می‌توانید مطلب «روش های انتقال گرما — به زبان ساده» را مطالعه کنید.