اتمسفر
اتمسفر یا جَو که از ترکیب دو واژه یونانی atmos به معنای بخار (هوا) و sphere به معنای کره ساخته شده، نامی كلی است كه به هوا (گازهایی) كه سطح یك سیاره را احاطه كرده‌اند اطلاق می‌شود. در منظومه شمسی، سیارات از نظر وجود اتمسفر تنوع زیادی دارند.
نکته قابل اشاره در مورد اتمسفر سیارات این است که هر چه نیروی گرانش وارده از طرف جرم مرکزی به این لایه‌های گازی بیشتر باشد، توان نگاه داشتن گازهای فرار بیشتری در جو فراهم می‌آید. مثلا مشتری با گرانش قوی خود می‌تواند گازهای فراری همچون هیدروژن و هلیوم را در جو خود نگاه دارد. از طرف دیگر فاصله سیارات از خورشید نیز در ترکیب جو موثر است. به این ترتیب که انرژیی که از طرف خورشید به گازهای موجود در جو سیارات می‌رسد، موجب بیشتر شدن سرعت حرکت گرمایی آنها از سرعت گریز از گرانش سیاره می‌شود. به همین دلیل تیتان، تریتون و پلوتو با وجود گرانش کم می‌توانند جو خود را حفظ کنند.
عطارد به دلیل نزدیكی به خورشید تقریبآ جو ندارد. بر خلاف عطارد، سیاره ی زهره جو بسیار غلیظی دارد كه حتی دیدن سطح سیاره را برای ما غیر ممكن می‌كند و همیشه فقط می‌توانیم جو و ابرهای بالای سطح آن را مشاهده كنیم.
سیاره مریخ جو دارد، اما از جو زمین رقیق‌تر است و درصد اكسیژن كمتری از جو زمین دارد.
سیارات گازی هم كم و بیش جو دارند، اما به دلیل گازی بودن سطح آنها، تفكیك دقیق جو از سطح سیاره در لایه‌های زیرین مشكل است. به همین دلیل در مورد ضخامت جو این سیارات نظرات مختلفی وجود دارد.
اما جو زمین شاید اساسی‌ترین دلیل وجود حیات بر روی این سیاره باشد. بر خلاف تصور اكثر افراد جو زمین ضخامت چندانی ندارد.
البته در بعضی منابع ضخامت جو زمین تا 1000 كیلومتر نیز ذكر شده است. اما 90 درصد جو زمین در ارتفاع كمتر از 16 كیلومتری قرار دارد و در ارتفاعات بالا تر رقیق و رقیق‌تر می‌شود و در واقع نمی‌توان مرز دقیقی بین آخرین لایه‌ی جو زمین و فضای بیرون از جو مشخص كرد. جو زمین شامل 78% نیتروژن، 21% اكسیژن و درصد كمی دی اكسید كربن، آرگون و سایر گازها است.
جو زمین عامل ایجاد پدیده‌های مختلف نجومی هم هست:
بارش شهابی به دلیل برخورد شهاب ها باجو زمین به وجود می‌آید.
چشمك زدن ستارگان هم به دلیل وجود جو زمین و شکست پیاپی نور در آن است. در خارج از جو نور ستارگان ممتد و بدون چشمك زدن دیده می‌شود.
همچنین وجود جو مقدار قابل توجهی از دید ما نسبت به جهان را تغییر می‌دهد و تا حدودی تاثیر نامطلوبی بر روی کیفیت تصویر تلسكوپ‌های مرئی می‌گذارد.
به همین دلیل از 2 دهه قبل نسل جدیدی از تلسکوپ ها به نام " تلسكوپ های فضایی " ایجاد شدند تا با استقرار در خارج از جو، بدون مزاحمت تلاطمات جوی، تصویر بهتر و دقیق‌تری به كیهان‌شناسان ارائه كنند.
محتویات
تعريف جو يا اتمسفر (Atmosphere)
بر اساس نظريه‌هایجديد كره‌ی زمين در ابتدا بدون هيچ گونه جوي، از تجمع تدريجیذرات سفت و سرد شده در اندازه‌هایگوناگون به وجود آمده است. اين ذرات بر اساس نظريه‌هایگوناگون، حاصل انقباض خورشيد بزرگ كه روزیبه اندازه‌ی كل منظومه شمیبوده است، مي‌باشد. «به طور كلیاتمسفر مخلوطیاز گازها مي‌باشد و اگرچه جو زمين ظاهرا به دليل ماهيت گازیكه دارد بیوزن به نظر مي‌رسد، اما دارایجرمیبه مقدار 6/5×1014 تن مي‌باشد. حدود 99% از حجم اتمسفر زمين را دو گاز ازت و اكسيژن تشكيل می‌دهد كه ازت با 87% پيكره‌ی اصلیاتمسفر زمين را شكل مي‌دهد و بعد از آن اكسيژن قرار دارد و ديگر گازها فقط در حدود 1% مي‌باشند. علاوه بر تركيبات دائمیجو، اتمسفر زمين حاویمواد معلق و گوناگونیاست كه شامل ذرات نمك، گرد و غبار و قطرات بسيار كوچك آب نيز مي‌باشد، كه البته نبايد آنها را در قالب تركيبات گازیجو به حساب آورد.»
جدول زير گازهایتشكيل دهنده جو را در يك هوایخشك (بدون بخار آب و آلاينده‌ها) به صورت حجمیو جرمینشان مي‌دهد . نوع گاز در صد حجمی درصد جرمي ازت 78/084 75/51 اكسيژن 20/946 23/15 آرگون 0/934 1/28 دیاكسيد كربن 0/033 0/046
برایجو نمي‌توان حدیمشخص قائل شد؛ زيرا هرچه از سطح زمين دور مي‌شويم از غلظت گازهایتشكيل‌دهنده، كاسته مي‌شود؛ تا جايیكه ذرات و اتم‌هایگاز به فاصله‌هایبسيار زياد از هم قرار مي‌گيرند. بر مبنایتجربه مي‌توان گفت كه تا ارتفاع 1000 كيلومترینيز آثار وجود گاز مشاهده شده است.
«علاوه بر گازهایموجود در جدول فوق مقدار زيادیبخار آب نيز در جو وجود دارد و همچنين گازهايیمانند هيدروژن و گازهایراديواكتيويته مانند رادن (Radon) در جو ديده شده است. همچنين هميشه ذرات ديگریمانند گرد و خاك و دود كارخانجات و نمك‌هایمختلف را مي‌توان در هوا يافت.»
فيزيك فضا و اتمسفر
فيزيك فضا يكیاز شاخه‌هایعلم فيزيك است كه تا اندازه‌ای پاسخگویهزاران سؤال موجود در ذهن بشر در مورد فضا مي‌باشد. بخشیاز فيزيك فضا كه در آن اجرام آسمانیمورد مطالعه قرار مي‌گيرد، مكانيك سماویاست. در اين بخش نيروهایمؤثر بر حركت اجسامینظير سيارات، ماهواره‌ها و پروپ‌هایمصنوعیمورد مطالعه قرار مي‌گيرد. در سال 1619 ميلادیكوپلر در مورد حركت سيارات سه قانون اساسیخود را با استفاده از مشاهدات تيكو براهه بيان كرد. قوانين كپلر كه پايه و اساس قوانين نيوتن و مكانيك كلاسيك برایحركت سيارات است، عبارتند از: 1- حركت سيارات به دور خورشيد در يك مدار بيضویانجام مي‌گيرد كه خورشيد در يكیاز كانون‌هایآن بيضیقرار دارد. 2- مدار يك سياره به دور خورشيد، سطحیرا تشكيل مي‌دهد كه اين سطح جاروب‌شده توسط خط واصل بين سياره و خوشيد، با زمان حركت سياره نسبت مستقيم دارد. 3- نسبت بين مربع دوره‌ی تناوب گردش هر سياره و مكعب نصف محور بزرگ مدار بيضوي، در مورد هر سياره‌ی منظومه شمسیعدد يكسانیاست. فيزيك فضا علمی بسيار جديد است. با وجود اين يك تكنولوژیمهم سبب حل بسياریاز نا شناخته‌هایقبلیبوده است. در فيزيك اتمسفر، پارامترهایمهم معين در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار، چگالي، دما، ميدان مغناطيسیزمين، ميدان الكتريكي، تابش الكترومغناطيسیموجود در اتمسفر، ذرات باردار و شهاب‌سنگ‌ها مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. در اثر بر‌هم‌كنش فوتون (كه تشكيل‌دهنده‌ی امواج الكترو معناطيسیاست) با گازهایموجود در جو زمين، اين گازها يونيزه مي‌شوند. اتم‌هایيونيزه دوباره بر اثر برخورد با الكترون‌هایموجود در اتمسفر، در فرآيند تركيب مجدد شركت مي‌كنند. كه اين فرايند در جو زمين انجام مي‌شود.
اتمسفر زمين
فضایبين اتمسفر زمين و سيارات منظومه‌ی شمسي، خلاء كامل نيست. اگرچه چگالیمواد بين سيارات كم است، اين فضا مقاديریگازهایداغ و ذرات گرد و غبار در بر دارد. مواد گازیموجود در اين نواحیرا گاز بين سيارات مي‌نامند. زيرا اين گازها بين سيارات قرار دارند و اغلب از پروتون‌ها و الكترون‌ها تشكيل شده‌اند و چگالیملكولیآن بسيار كم است. مدار حركت زمين به دور خورشيد از فضایبين سيارات مي‌گذرد و به همين دليل با گازهایبسيار رقيق بين سيارات ادغام مي‌شود. جو از نظر عمودیممكن است بنا به تركيبات، واکنش‌هایشيميايي، يونيزه شدن، دما، فشار و ... بر حسب ارتفاع طبقه‌بندیشود. اما يونيزه شدن از اهميت فوق‌العاده‌ایبرخوردار است. آنچه بر رویاين كره‌ی خاكیحيات را مقدور ساخته است، ارتباط بسيار منظم تنگاتنگیمیان اعضایاين پوشش با طبقات مختلف است. طبقاتیكه هر لايه‌ی آن وظيفه بسيار مهم تعيين‌كننده‌ایدر تشكيل و ادامه‌ی حيات داراست . به نحویكه با حذف مجازیهر لايه و محاسبه مربوط به آن دگرگونیژرفیدر ساير طبقات و طبع آن، تغيير كامل مكانيسم فعلیرا سبب مي‌شود. در ديد اغلب افراد اهميت جو در لايه‌ی مجاور زمين است كه دارایاكسيژن كافیبرایتنفس مي‌باشد. برایشكل‌گيریاين لايه كه موجودات در تماس مستقيم با آن مي‌باشند، طبقات ديگر طبق چينش خاص خود با خصوصيات خاص دخالت دارند، كه در اين مشاركت با حذف هر كدام قطعاً حيات به خطر جدیخواهد افتاد. گرچه جو به معنایواقعیيك سيال كامل است و هيچ جایخالیدر آن نمي‌توان يافت و كاملاً فضا را به يك نسبت و يك شكل پوشش مي‌دهد، اما در هر لايه تركيبات خاص از عناصر و ملكول‌ها با توجه به خصوصيات آن لايه قرار دارد.
تركيبات اتمسفر
تركيبات اتمسفر را طیجدولیدر بخش تعريف جو يا اتمسفر در ابتدا به خوانندگان عزيز ارائه كرديم؛ اما با توجه به موارد مندرج در جدول ياد شده اگر سهم بخار آب موجود در اتمسفر را نيز در اين تقسيم‌بندیدخالت دهيم، اين نسبت‌ها ثابت نخواهد بود؛ زيرا دمایلايه‌هایپائين جو هميشه در حال تغيير بوده و با رسيدن دما به نقطه‌ی ميعان و تبديل بخار به مايع، درصد حجمیبخار آب در جو تغيير خواهد كرد. در مقياس جهاني، به طور متوسط 1% حجم اتمسفر زمين را بخار آب تشكيل مي‌دهد، اما عملاً ممكن است در يك مكان، هوا فاقد بخار آب و در نقطه‌ایديگر تا 4% بخار آب وجود داشته باشد. گرچه وزن مولكولیبخار آب از وزن ساير عناصر تشكيل‌دهنده‌ی جو كمتر است، با اين وجود بخار آب بیشتر در لايه‌هایپائين جو متمركز مي‌باشد.
بيشترين مقدار بخارآب در لايه مجاور سطح زمين بوده و با افزايش ارتفاع، به شدت از ميزان آن كاسته مي‌شود. بالا بودن مقدار بخار آب در نزديكیسطح زمين به دو علت است: يكیبه دليل وجود اقيانوس‌ها كه منبع اصلیتأمين بخار آب است؛ و ديگریسرد بودن لايه‌هایفوقانیجو كه مانع از نفوذ و نگهداشت بخار آب مي‌شوند.
اكسيژن در جو
«اكسيژن به سه صورت در جو وجود دارد» 1- اكسيژن معمولی( O2) 2- اكسيژن به صورت اتم (O) كه مقدار بسيار جزئیاز اكسيژن جو را تشكيل مي‌دهد و در قسمت‌هایفوقانیجو يعنیاز 100 كيلومتر به بالا وجود دارد. 3- اكسيژن به صورت ازن (o3) كه قسمت عمده‌ی اكسيژن جو را تشكيل مي‌دهد و در ارتفاعات بين 35 الی80 كيلومتریجو موجود است.»
ارتفاع و ساختار اتمسفر
هر میزان از سطح زمين دور شويم، از غلظت هوا كاسته مي‌شود. به طوریكه غلظت هوا درلايه‌هایانتهايیآنقدر كم مي‌شود كه به طور غير محسوس با جو خورشيد در هم مي‌آميزد. ساختار اتمسفر را مي‌توان از ديدگاه‌هایمختلف مورد بررسیقرار داد: يكیاز معيارهايیكه بر اساس آن لايه‌هایجو طبقه‌بندیمي‌شوند، دمایهواست. لايه‌بندیحرارتی(thermal stratification) از نظر تغييرات هوا و اثرات مستقيم گرما بسيار با اهميت می‌باشد. لايه‌بندیديگرینيز در ارتباط با يونيزاسيون(Ionization) يا وجود ذرات باردار اتمیدر جو انجام مي‌گيرد كه به نوبه‌ی خود دارایاهميت مي‌باشد. اما آنچه به عنوان مبنا پذيرفته شده، همان لايه‌بندیحرارتیاست. با توجه به محدود بودن اطلاعات ما از خصوصيات جو در لايه‌هایفوقانیو به اين دليل كه سطوح بالايیهنوز تحت بررسیو تحقيق مي‌باشد، هيچگونه تعريف مشخص جامعیاز ساختار جو در اين قسمت وجود ندارد. پایين‌ترين لايه‌ی جو كه در برگيرنده‌ی بيشترين جو هواست، و همچنين بزرگترين ويژگیآن، كاهش تدريجیدمایهوا نسبت به ارتفاع مي‌باشد، لايه‌ی تروپوسفر (troposphere) نام دارد. بيشترين تغييرات جویكه كاهش دما نسبت به ارتفاع، مهمترين آنهاست، دراين لايه اتفاق مي‌افتد. ضخامت متوسط لايه‌ی تروپوسفر حدود 11 كيلومتر است. ضخامت اين لايه در قطب حداقل و در استوا به بالاترين مقدار خود مي‌رسد.
رویلايه‌ی تروپوسفر، طبقه‌ی استراتوسفر (stratosphere) قرار دارد كه ضخامت متوسط آن حدود 23 كيلومتر است. در 3 كيلومتر اول استراتوسفر، دمایهوا ثابت است؛ اما در قسمت‌هایبالاتر، دمایهوا با ارتفاع افزايش مي‌يابد. لايه‌ی مزوسفر (mesosphere) در بالایطبقه استراتوسفر واقع شده و به صورتیاست كه در آن دمایهوا نسبت به افزايش ارتفاع به طور سريع كاهش پيدا مي‌كند. ترموسفر (thermosphere) انتهايي‌ترين لايه‌ی جو مي‌باشد كه در آن بار ديگر دمایهوا با ارتفاع به شدت زياد مي‌شود. اين لايه از ارتفاع تقريبی80 كيلومتریزمين شروع و تا 190 كيلومتریسطح زمين ادامه دارد. بدين ترتيب جو زمين از نظر حرارتیبه چهار لايه‌ی متمايز: تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر و ترموسفر تقسيم مي‌شود. مرز بين لايه‌ی اول و دوم، تروپوپاز (tropopause)؛ مرز لايه‌ی دوم و سوم، استراتوپاز (stratopause)؛ و مرز بين لايه‌ی سوم چهارم، مزوپاز (mesopause) نام گرفته است. مزوپاز محلیاست كه پایين‌ترين دما را داراست.
در برخیديگر از منابع دو طبقه‌ی ديگر به جو اضافه كردند: «يونوسفر، كه تقريباً در 80 تا 800 كيلومتریسطح زمين واقع شده است و اتم‌هایاين طبقه به علت برخورد با اشعه‌ی خورشيد و اشعه‌ی كيهانی به شدت يونيزه مي‌شود و موجب انتشار امواج راديويیمي‌گردند. به علت فاصله‌ی زياد اين طبقه با سطح زمين، تعداد ذرات هوا در هر سانتيمتر مكعب (توده ويژه) كم و فاصله‌ی ذرات گاز در آن زياد مي‌باشد. ولیبه هر حال فاصله اين ذرات به اندازه‌ایاست كه سنگهایآسمانیكه جذب زمين مي‌شوند در اثر تماس و اصطكاك با اين ذرات به حدیگرم مي‌گردند كه به حالت گداخته و درخشان درآمده و به شكل شهاب ثاقب ديده مي‌شوند. «ديگریطبقه اگزوسفر كه در قسمت فوقانیجو و در حقيقت آستانه يا سر حد فضاست كه در آن ذرات هوا حركات پرتابیدارند مي‌باشد. چون اين طبقه از سطح زمين دور است، نيرویجاذبه‌ی زمين كاهش يافته و ذرات جو از هم دور و با داشتن ميدان فعاليت بيشتریبا سرعت زيادتریحركت كرده تا جايیكه نيرویگريز از مركز بر نيرویجاذبه غلبه مي‌كند. بعضیاز اين ذرات در اثر همين حركات پرتابیاز جو زمين خارج مي‌گردند و بعضیديگر به علت برخورد با ذرات ديگر دو مرتبه به داخل جو زمين بر مي‌گردند.»
ايزوترمال
در طبقه‌ی استراتوسفر از سطح تراپاپاز به بالا ابتدا درجه‌ی حرارت با ارتفاع تغيير نكرده و ثابت مي‌ماند. از اين رو است كه قسمتهایزيرين اين طبقه را كه دارایچنين خاصيتیاست با درجه حرارت ثابت يا «هم‌درجه‌ی حرارت» (Isothermal layer) مي‌نامند. ارتفاع ايزوترمال معمولاً 35 كيلومتر مي‌باشد. از ارتفاع 35 تا 80 كيلومتریوجود ازن اثبات شده است. عمل ازن در اين طبقه جذب زياد اشعه حرارتیخورشيد و به وجود آوردن يك طبقه از هوایگرم در جو بالا است. وجود ازن در اين منطقه ناشیاز وجود اشعه‌ی ماورای بنفش است. زيرا كه توسط اين اشعه فعل و انفعالات شيميايیانجام گرديده و اكسيژن معمولیبا اتم اكسيژن تركيب شده و ازن به وجود مي‌آيد.
اوزون
« ازن نامیاست كه به مولكول سه اتمیاكسيژن داده‌اند. مولكول‌هایاكسيژن در اثر تابش ماورای بنفش خورشيد به دو اتم اكسيژن تجزيه مي‌شوند.اين اتم‌هایآزاد شده مي‌توانند با ديگر مولكول‌هایاكسيژن تركيب شده وازن را تشكيل دهند. به دليل اينكه ازن نسبت به مولكول‌هایمعمولیاكسيژن از پايداریكمیبرخوردار است، در اثر تابش خورشيدیبه اتم و مولكول اكسيژن تجزيه مي‌شود.» اين فعل و انفعالات توسط انرژیماورای بنفش انجام شده و در نتيجه، باعث نرسيدن اين تابش خطر ناك به زمين مي‌شود. از طرف ديگر به هنگام تجزيه ازن مقداریانرژیبه صورت انرژیحرارتیآزاد شده و جذب اتمسفر مي‌شود كه اين امر باعث افزايش دمایاتمسفر مي‌گردد. با توجه به اين كه تابش ماورای بنفش آثار تخريبیشديدیبر رویسلول‌هایزنده دارد، اهميت لايه‌ی ازن برایادامه‌ی بقایموجودات زنده در سطح زمين انكار ناپذير است.
