هوا کره چیست؟ – به زبان ساده

هوا کره مخلوطی از گازها است که زمین را در بر گرفته است. این گازها تا ارتفاع مشخصی وجود دارند و غلظت آن‌ها در نزدیکی سطح زمین زیاد است و با افزایش ارتفاع غلظت آن‌ها کاهش می‌یابد. وجود هوا کره برای زمین، هوای مورد نیاز برای تنفس را تامین کرده و از عبور اشعه فرابنفش خورشید جلوگیری می‌کند. همچنین، گرمای زمین را حفظ کرده و از تغییر زیاد دما بین روز و شب جلوگیری می‌کند. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم هوا کره چیست و چرا اهمیت دارد.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم هوا کره چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است. سپس به بررسی لایه‌های مختلف هوا کره می‌پردازیم. در ادامه، فشار و چگالی و تغییرات دما را در آن بررسی کره و دلیل اهمیت این لایه گازی را بررسی می‌کنیم. در نهایت اثر انسان بر هوا کره را آموخته و هوا کره سایر سیارات را یاد می‌گیریم. با مطالعه این مطلب می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید هوا کره چیست.

هوا کره چیست؟

هوا کره شامل هوایی است که ما استشمام می‌کنیم و زمین را از فضای اطراف آن جدا کرده و به سیاره‌ای قابل زیستن تبدیل کرده است. اتمسفر توسط جاذبه زمین در اطراف آن قرار گرفته و به دلیل کاهش جاذبه در ارتفاعات خیلی دورتر از سطح زمین محو شده و غلضت آن تقریبا به صفر می‌رسد.

اجزای هوا کره چیست؟

هوا کره مجموعه ای از گازها و ذرات معلق جامد است. این ذرات ریز بوده و با چشم دیده نمی‌شوند. بیشترین قسمت گازهای هوا کره را نیتروژن تشکیل داده است. همچنین اکسیژن که برای فرآیندهای تنفس و ادامه حیات گیاهی و جانوری ضروری است، در هوا کره غلظت بهینه ای دارد.

فیلم آموزش اتمسفر و لایه‌های آن در فرادرس

کلیک کنید

گاز‌های دیگری مانند آرگون و کربن دی اکسید نیز در هوا کره وجود دارد. ترکیب درصد اجزای موجود در هوا کره در ادامه آورده شده است.

همچنین هوا کره شامل مقادیر متغیری از بخار آب نیز هست که مقدار آن بسته به موقعیت سنجش می‌تواند متفاوت باشد. ذرات معلق مایع یا جامدی نیز در هوا کره وجود دارند که با نام آئروسل شناخته می‌شوند. آئروسل می‌تواند ترکیبی از گرد و خاک، ریزگردها و آلودگی‌ها، نمک، خاکستر آتشفاشانی، دود و ... باشد. مقادیر قابل توجهی از این موارد توسط انسان تولید شده و به هوا کره وارد می‌شوند.

در ادامه می‌آموزیم نقش مهم‌ترین این گازها در زندگی انسان و در ترکیب هوا کره چیست.

نیتروژن

اکسیژن

آرگون

آرگون حدود ۰٫۹۳ درصد از ترکیب جو را تشکیل می‌دهد. این گاز در لامپ‌های روشنایی به عنوان گاز پرکننده استفاده می‌شود تا از اکسایش رشته فلزی جلوگیری کند. آرگون همچنین در فرایندهای جوشکاری کاربرد دارد.

کربن دی اکسید

بخار آب

دلیل این موضوع آن است که دمای هوا در نزدیکی استوا بالاتر است و هوای گرم توانایی نگهداری رطوبت بیشتری نسبت به هوای سرد دارد. در مقابل، در مناطق قطبی به علت دمای پایین، ظرفیت نگهداری بخار آب کاهش می‌یابد.

اجزای جامد

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه هوا کره دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ مرور و حل مساله فرادرس

لایه‌های هوا کره

در قسمت‌های قبل آموختیم هوا کره چیست. غلظت هوا کره با افزایش ارتفاع از سطح زمین کاهش یافته، چگالی آن کمتر شده و فشار هوا در آن کاهش می‌یابد. مرز مشخصی برای تعیین انتهای هوا کره وجود ندارد. اما مساحت بین ۱۰۰ تا ۱۲۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین، مکانی است که در آن هوا کره محو تر شده و خلأ جای آن را می‌گیرد. با این وجود برخی از گازهای اتمسفری در ارتفاعات بالاتر نیز وجود دارد.

هوا کره از لایه‌های منحصر به فردی تشکیل شده است که در آن‌ها غلظت و ترکیب گازها، فشار و دما ویژگی‌های مشخصی دارند. این لایه‌ها به تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، ترموسفر و اگزوسفر هستند. در ادامه می‌آموزیم لایه‌های هوا کره چیست.

• تروپوسفر: لایه‌ای که انسان‌ها و جانوران در آن زندگی می‌کنند و چرخه‌ی آب و ابرها در آن تشکیل می‌شود.
• استراتوسفر: لایه بالایی تروپوسفر بوده و لایه اوزون در آن وجود دارد.
• مزوسفر: سومین لایه اتمسفر از سطح زمین و سردترین آن‌ها است زیرا مولکول‌های بسیار کمی در آن وجود داشته و حرارت زیادی را جذب نمی‌کنند. همچنین، رنگ آسمان به دلیل جذب نشدن نور در این لایه تاریک‌تر می‌شود.
• ترموسفر: در این لایه، مقدار زیادی از تشعشات خورشید جذب شده و به همین دلیل دمای این لایه بالا می‌رود.
• اگزوسفر: این لایه بیرونی‌ترین لایه هوا کره است که در آن انتقال از هوا کره به فضای خلا اتفاق می‌افتد.

در ادامه، ویژگی‌های هر یک از این لایه‌ها را بررسی می‌کنیم.

تروپوسفر

استراتوسفر

استراتوسفر دومین لایه جو است که بالاتر از تروپوسفر و پایین‌تر از مزوسفر قرار دارد. این لایه تا حدود ۵۰ کیلومتری از سطح زمین گسترش می‌یابد. لایه اوزون در این بخش قرار دارد.

مزوسفر

مزوسفر بالای استراتوسفر قرار گرفته و لایه میانی جو به شمار می‌رود. این لایه از حدود ۵۰ کیلومتری تا ۸۵ کیلومتری بالاتر از سطح زمین امتداد دارد. مزوسفر سردترین بخش جو است، زیرا با افزایش ارتفاع دما کاهش می‌یابد. میانگین دما در این ناحیه حدود ۸۵- درجه سانتی‌گراد است. همچنین غلظت اوزون در این لایه نسبت به استراتوسفر کمتر است.

ترموسفر

ترموسفر در بالای مزوسفر قرار دارد. نام این لایه به دلیل دمای بسیار بالای آن انتخاب شده است. این بخش از حدود ۸۵ کیلومتری تا نزدیک ۷۰۰ کیلومتری بالاتر از سطح زمین امتداد دارد و به عنوان بخش بالایی جو شناخته می‌شود. دمای آن معمولا بین ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد متغیر است. جذب پرتوهای پرانرژی خورشید سبب افزایش دمای این لایه می‌شود. با وجود دمای بالا، چگالی هوا در این ناحیه بسیار کم است.

اگزوسفر

یونوسفر

یونوسفر بخشی از جو بالایی است، اما به عنوان لایه‌ای مستقل در تقسیم‌بندی اصلی شناخته نمی‌شود. این ناحیه یونش یافته از حدود ۸۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری بالاتر از سطح زمین امتداد دارد و بخش‌هایی از مزوسفر، ترموسفر و اگزوسفر را در بر می‌گیرد.

لایه اوزون در هوا کره

لایه اوزون در فاصله ۱۶ تا ۴۸ کیلومتری سطح زمین و در لایه استراتوسفر قرار دارد. ۹۰ درصد اوزون در سامانه زمین در این لایه قرار دارد و به عنوان لایه‌ای محافظ عمل می‌کند. اوزون پرانرژی‌ترین طول موج‌های نور فرابنفش، یعنی UV-C و UV-B را جذب می‌کند. هنگامی که نور فرابنفش توسط اکسیژن و اوزون جذب می‌شود، گرما تولید می‌گردد و به همین دلیل استراتوسفر با افزایش ارتفاع گرم‌تر می‌شود.

چرخه اوزون

در قسمت قبل آموختیم نقش لایه اوزون در هوا کره چیست. لایه اوزون طی یک چرخه از واکنش‌های شیمیایی با اکسیژن موجود در لایه استراتوسفر تولید می‌شود. این واکنش‌ها در ادامه آورده شده است.

$$\mathrm{O_2} + h\nu \xrightarrow{uv} 2\mathrm{O}$$

$$\mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightleftharpoons \mathrm{O_3}$$

اوزون در استراتوسفر زمانی تشکیل می‌شود که نور فرابنفش به مولکول‌های معمولی اکسیژن دارای دو اتم اکسیژن برخورد کرده و آن‌ها را به اتم‌های منفرد اکسیژن (اکسیژن اتمی رادیکال) تجزیه کند. سپس این اتم‌های اکسیژن با مولکول‌های سالم ترکیب می‌شوند و اوزون را به وجود می‌آورند. مولکول اوزون ناپایدار است و وقتی نور فرابنفش به آن برخورد می‌کند، دوباره به یک مولکول دو اتمی اکسیژن و یک اتم اکسیژن تجزیه می‌شود. این فرایند پیوسته «چرخه اوزون» نام دارد.

حفره لایه اوزون

در دهه ۱۹۸۰ روشن شد که برخی از انواع آلودگی هوا در حال تخریب لایه اوزون هستند و این موضوع تهدیدی جدی برای تمام حیات روی زمین به شمار می‌رفت. دانشمندان متوجه شدند مقدار اوزون رو به کاهش است و حفره بزرگی در لایه اوزون بر فراز جنوبگان در حال شکل‌گیری است.

عامل اصلی این مشکل، ترکیبات شیمیایی‌ای به نام کلروفلوئوروکربن‌ها (CFCها) بود که در یخچال‌ها، دستگاه‌های تهویه مطبوع، قوطی‌های اسپری و محصولات دیگر به کار می‌رفتند. این مواد می‌توانستند مولکول‌های اوزون را تجزیه کنند و در نتیجه سرعت تخریب اوزون در استراتوسفر از سرعت بازسازی آن بیشتر شود.

برای حل مشکل تخریب لایه اوزون، همکاری جهانی شکل گرفت. در سال ۱۹۸۷ کشورهای مختلف متعهد شدند تولید CFCها را کاهش دهند. این اقدام در طول چند دهه موثر بوده و لایه اوزون در حال ترمیم است. پیش‌بینی می‌شود حفره اوزون بر فراز جنوبگان در دهه ۲۰۶۰ بسته شود.

فشار و چگالی هوا کره

با وجود اینکه چگالی جو با ارتفاع تغییر می‌کند، ترکیب آن تقریبا ثابت باقی می‌ماند. یک استثنا در لایه اوزون وجود دارد که در حدود ۲۰ تا ۴۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین قرار دارد و در آن غلظت مولکول‌های اوزون بیشتر از دیگر بخش‌های جو است.

دمای هوا کره

ویژگی‌ که با ارتفاع بیشترین تغییر را دارد، دمای هوا است. برخلاف فشار و چگالی که با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابند، تغییرات دما منظم نیست. میزان تغییر دما نسبت به فاصله را گرادیان دما می‌نامند. نمودار تغییرات دما بر حسب ارتفاع در هوا کره در ادامه آورده شده است.

هوا کره بر اساس نحوه تغییر دما با ارتفاع به لایه‌های مختلف تقسیم شده است. گرادیان دما در هر لایه متفاوت است. در برخی لایه‌ها با افزایش ارتفاع دما افزایش می‌یابد و در برخی دیگر کاهش می‌یابد. گرادیان دما در هر لایه توسط منبع گرمایی همان لایه تعیین می‌شود. بیشتر فرایندهای مهم در دو لایه پایین‌تر، یعنی تروپوسفر و استراتوسفر، رخ می‌دهند.

انتقال گرما در هوا کره

انتقال گرما به روش تابش

تابش به معنی انتقال انرژی به وسیله امواج است. وقتی سطح زمین گرم می‌شود، گرما را به شکل تابشی به لایه‌های پایین هوا کره می‌فرستد.

انتقال گرما به روش رسانش

رسانش زمانی رخ می‌دهد که گرما از بخش گرم‌تر به بخش سردتر و از راه تماس مستقیم منتقل شود. مولکول‌های گرم‌تر سریع‌تر حرکت می‌کنند و با برخورد به مولکول‌های اطراف، انرژی خود را به آن‌ها می‌دهند. این فرایند در ارتفاعات پایین که هوا متراکم‌تر است بهتر انجام می‌شود و گرما را به سمت بالا یا به سمت نواحی خنک‌تر منتقل می‌کند.

انتقال گرما به روش همرفت

همرفت به جابه‌جایی گرما از طریق حرکت توده‌های هوا گفته می‌شود. وقتی سطح زمین گرم می‌شود، هوای نزدیک آن سبک‌تر شده و بالا می‌رود و هوای خنک‌تر پایین می‌آید. این چرخه باعث شکل‌گیری جریان‌های همرفتی در هوا کره می‌شود.

گرما در سطح زمین

فیلم آموزش علوم‌تجربی پایه هفتم در فرادرس

کلیک کنید

با اینکه خورشید به طور مداوم به زمین انرژی می‌رساند، زمین به طور پیوسته گرم‌تر نمی‌شود زیرا بخشی از این انرژی دوباره از لایه‌های بالایی هوا کره به فضا بازمی‌گردد. هر زمان مقدار انرژی ورودی و خروجی برابر باشد، میانگین دمای زمین ثابت می‌ماند و زمین در وضعیت تعادل گرمایی قرار دارد. اگر انرژی بیشتری وارد شود تا خارج شود، زمین گرم‌تر می‌شود و اگر انرژی بیشتری خارج شود تا وارد شود، زمین سردتر خواهد شد.

همچنین میزان انرژی خورشیدی در عرض‌های جغرافیایی مختلف یکسان نیست. بیشترین انرژی در نواحی نزدیک به استوا دریافت می‌شود، چون پرتوهای خورشید مستقیم‌تر می‌تابند. کمترین انرژی در نواحی قطبی دریافت می‌شود، زیرا پرتوها با زاویه مایل می‌رسند و در سطح گسترده‌تری پخش می‌شوند. همین تفاوت در دریافت انرژی، عامل اصلی گردش هوا در هوا کره است.

آب کره چیست؟

در زمین، آب مایع روی سطح به شکل اقیانوس‌ها، دریاچه‌ها و رودخانه‌ها دیده می‌شود. بخشی از آن نیز در زیر زمین قرار دارد که به صورت آب زیرزمینی در چاه‌ها و سفره‌های آب ذخیره می‌شود. بخار آب موجود در هوا بیشتر به شکل ابر و مه قابل مشاهده است.

بخش یخ‌زده آب‌کره زمین از یخچال‌های طبیعی، کلاهک‌های یخی و کوه‌های یخ تشکیل شده است. این بخش یخ‌زده نام جداگانه‌ای دارد و به آن یخ‌کره (Cryosphere) گفته می‌شود.

چرخه آب

نام دیگر هوا کره

اهمیت هوا کره

تا اینجای مطلب آموختیم هوا کره چیست و چه ویژگی‌هایی دارد. هوا کره زمین نقش بسیار مهمی در حفظ حیات روی سیاره ما دارد. این لایه گازی شرایط لازم برای تنفس موجودات زنده را فراهم می‌کند و از برخورد تابش مضر خورشید محافظت می‌کند. علاوه بر این، هوا کره دمای زمین را در محدوده‌ای مناسب نگه می‌دارد و با گردش هوا و انتقال رطوبت در چرخه آب تاثیر مستقیم دارد.

مزیت‌های هوا کره در ادامه معرفی شده است.

• هوا کره به صورت لایه‌ای محافظ پیرامون سطح زمین عمل می‌کند.
• این لایه از جانداران در برابر پرتوهای فرابنفش زیان‌بار خورشید که می‌توانند موجب سرطان پوست و دیگر بیماری‌های پوستی شوند محافظت می‌کند.
• هوا کره با تنظیم دمای سطح زمین و حفظ تعادل حرارتی، شرایط مناسب برای زندگی را فراهم می‌سازد.
• گازهای موجود در هوا کره برای بقای جانداران و گیاهان ضروری هستند.
• فرایند فتوسنتز که طی آن گیاهان نور خورشید را به انرژی تبدیل می‌کنند، به وجود کربن دی اکسید در هوا کره وابسته است.
• اکسیژن موجود در هوا کره برای تنفس انسان و سایر جانداران لازم است.
• لایه‌های هوا کره امکان انتقال امواج ارتباطی مانند تلفن همراه، تلویزیون و سامانه‌های مخابراتی را فراهم می‌کنند.

در ادامه برخی از مهم‌ترین این موارد را توضیح می‌دهیم.

تنفس جانداران

محافظت در برابر تابش خورشید

تعادل دمای زمین

چرخه آب در تروپوسفر

هوا کره نقش حیاتی در چرخه آب دارد و توزیع آب در سراسر جهان را ممکن می‌کند. این فرآیندها عموما در لایه تروپوسفر هوا کره اتفاق می‌افتند. هوا کره نقش حیاتی در چرخه آب دارد و توزیع آب در سراسر جهان را ممکن می‌کند.

فرآیندهای تبخیر، میعان و بارش همگی فرایندهای جوی هستند که تامین مداوم آب شیرین برای اکوسیستم‌های خشکی‌زی و استفاده انسانی را تضمین می‌کنند. همچنین هوا کره بخار آب را از اقیانوس‌ها به خشکی منتقل می‌کند و رطوبت لازم برای کشاورزی و ادامه حیات موجودات خشکی را فراهم می‌کند.

اثر فعالیت‌های انسانی بر هوا کره

طی قرن‌های گذشته با پیشرفت و گسترش کشاورزی از زمان عصر یخبندان (حدود ۱۰ هزار سال پیش) تا کنون، تغییرات اقلیمی و اثر انسان بر هوا کره آغاز شده است. سوزاندن بیش از اندازه سوخت‌های فسیلی و جنگل‌زدایی‌های گسترده، کلیدی‌ترین فعالیت‌ها در افزایش غلظت کربن دی اکسید در هوا کره هستند. با شروع انقلاب صنعتی در قرن هجدهم، سوزاندن زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی مقدار غلظت کربن دی اکسید هوا کره را ۳۸ درصد افزایش داده و غلظت آن‌ را به ۴۰۰ ppmv رسانده است.

اثر گلخانه ای

همان طور که یک پتو بدن انسان را گرم نگه می‌دارد، این گازها نیز مانند یک عایق عمل می‌کنند و از خروج کامل گرما جلوگیری می‌کنند. گرم شدن هوا کره در اثر این عایق شدن را اثر گلخانه‌ای می‌نامند. در واقع این گازها به متعادل ماندن دمای زمین کمک می‌کنند.

گازهای گلخانه ای

از مهم‌ترین گازهای گلخانه‌ای می‌توان به دی اکسید کربن، بخار آب، متان، اوزون، اکسیدهای نیتروژن و کلروفلوئوروکربن‌ها اشاره کرد. همه این گازها به طور طبیعی در هوا کره وجود دارند، به جز کلروفلوئوروکربن‌ها که ساخته دست انسان هستند.

منابع طبیعی این گازها عبارت‌اند از:

• دی اکسید کربن: تنفس جانداران، فوران آتشفشان‌ها، تجزیه بقایای گیاهی و سوزاندن سوخت‌های فسیلی
• متان: تجزیه مواد گیاهی در شرایط خاص و برخی واکنش‌های زیستی در دستگاه گوارش جانوران
• اکسید نیتروژن: فعالیت باکتری‌ها و سوزاندن سوخت‌های فسیلی
• اوزون: فرایندهای طبیعی هوا کره و واکنش‌های شیمیایی ناشی از سوخت‌های فسیلی
• کلروفلوئوروکربن‌ها: تولید شده توسط انسان و بدون منبع طبیعی

با افزایش مقدار گازهای گلخانه‌ای، گرمای بیشتری در هوا کره باقی می‌ماند و دمای زمین بالا می‌رود. کاهش این گازها اثر معکوس دارد. بنابراین تغییر در میزان آن‌ها می‌تواند بر آب و هوا و اقلیم سراسر جهان تاثیر بگذارد.

هوا کره در سایر سیارات

سیارات موجود در منظومه شمسی، هر یک دارای هوا کره منحصر به فردی هستند. بجز عطارد که اتمسفر آن به حدی رقیق است که تفاوت زیادی با خلأ ندارد. سیارات گازی و بزرگ منظومه شمسی مانند مشتری، زحل، اورانوس و نپتون اتمسفری ضحیم و عمیق دارند. سیارات کوچکتر و سنگی مانند زمین، ونوس و مریخ، اتمسفری رقیق‌تر دارند که در اطراف سطح سنگی آن‌ها شناور است.

ماه‌های سیارات نیز هر یک اتمسفری نازک دارند. به جز اتمسفر ماه تیتان در سیاره مشتری که بسیار غلیظ و پرفشارتر از اتمسفر زمین است. در بین تمامی سیارات، تنها زمین اتمسفری لایه‌ای دارد که می‌تواند به اعتدال دما، تعادل اجزای هوا و جلوگیری از ورود تشعشات الکترومغناطیسی خطرناک خورشید جلوگیری کند. به همین دلیل است که زمین محلی مناسب برای حیات موجود ات زنده است.