الهيكل العمودي للغلاف الجوي على سطح الأرض

أهمية الغلاف الجوي على سطح الأرض:

قام الجيولوجيين بتعرف الغلاف الجوي الذي يوجد على سطح الأرض، حيث قالوا أن الغلاف الجوي هو عبارة عن غلاف الغاز والهواء الجوي، الذي يمتد من المحيط والأرض والسطح المغطى بالجليد لكوكب ما إلى الفضاء، إن كثافة الغلاف الجوي تتناقص إلى الخارج، والسبب في ذلك أن جاذبية الكوكب التي تسحب الغازات والهواء الجوي، (الجسيمات المعلقة الدقيقة من الغبار أو السخام أو الدخان أو المواد الكيميائية) باتجاه الداخل، تكون أكبر بالقرب من السطح.

والغلاف الجوي لبعض الأجسام الكوكبية، مثل عطارد غير موجود تقريباً، حيث أن الغلاف الجوي البدائي قد هرب من الجاذبية المنخفضة نسبياً للكوكب وتم إطلاقه في الفضاء، واحتفظت الكواكب الأخرى مثل كوكب الزهرة والأرض والمريخ والكواكب الخارجية العملاقة للنظام الشمسي بغلافها الجوي، بالإضافة إلى ذلك كان الغلاف الجوي للأرض قادراً على احتواء الماء في كل مرحلة من مراحلها الثلاث (الصلبة والسائلة والغازية)، والتي كانت ضرورية لتطوير الحياة على الكوكب.

لم يتم فهم تطور الغلاف الجوي الحالي للأرض تماماً، يُعتقد أن الغلاف الجوي الحالي نتج عن إطلاق تدريجي للغازات من باطن الكوكب ومن الأنشطة الأيضية لأشكال الحياة، أي على عكس الغلاف الجوي البدائي الذي نشأ عن طريق إطلاق الغازات (التنفيس) أثناء التكوين الأصلي للكوكب، وتشمل الانبعاثات الغازية البركانية الحالية بخار الماء (H2O) وثاني أكسيد الكربون (CO2) وثاني أكسيد الكبريت (SO2) وكبريتيد الهيدروجين (H2S) وأول أكسيد الكربون (CO) والكلور (Cl) والفلور (F) والنيتروجين ثنائي الذرة (N2)؛ لذلك تتكون من ذرتين في جزيء واحد وكذلك آثار مواد أخرى، وما يقرب من 85 في المئة من الانبعاثات البركانية في شكل بخار الماء، في المقابل يمثل ثاني أكسيد الكربون حوالي 10 في المائة من النفايات السائلة.

خلال التطور المبكر للغلاف الجوي على الأرض، لا بد أن الماء كان قادراً على الوجود كسائل؛ وذلك لأن المحيطات كانت موجودة منذ ثلاثة مليارات سنة على الأقل، وبالنظر إلى أن الناتج الشمسي قبل أربعة مليارات سنة كان حوالي 60 في المائة فقط مما هو عليه اليوم، يجب أن تكون المستويات المحسنة من ثاني أكسيد الكربون وربما الأمونيا (NH3) موجودة من أجل تأخير فقدان الأشعة تحت الحمراء في الفضاء.

ويجب أن تكون أشكال الحياة الأولية التي تطورت في هذه البيئة لا هوائية، (أي البقاء على قيد الحياة في غياب الأكسجين)، بالإضافة إلى ذلك يجب أن يكونوا قادرين على مقاومة الأشعة فوق البنفسجية المدمرة بيولوجياً في ضوء الشمس، والتي لم تمتصها طبقة الأوزون كما هي الآن.

بمجرد أن طورت الكائنات الحية القدرة على التمثيل الضوئي، تم إنتاج الأكسجين بكميات كبيرة، وسمح تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي أيضاً بتطوير طبقة الأوزون، حيث تم فصل جزيئات (O2) إلى أكسجين أحادي الذرة (عنصر الأكسجين يتكون من ذرات أكسجين مفردة) وإعادة اتحاده مع جزيئات (O2) الأخرى لتكوين جزيئات الأوزون الثلاثية (O3)، وقد نشأت القدرة على التمثيل الضوئي في أشكال بدائية من النباتات ما بين ملياري وثلاثة مليارات سنة، قبل تطور كائنات التمثيل الضوئي، تم إنتاج الأكسجين بكميات محدودة كمنتج ثانوي لتحلل بخار الماء بواسطة الأشعة فوق البنفسجية.

التركيب الجزيئي الحالي للغلاف الجوي للأرض هو نيتروجين ثنائي الذرة بنسبة N2) %78.08)، الأكسجين ثنائي الذرة بنسبة O2) 20.95) بالمائة، الأرجون A) 0.93) في المائة، الماء (H20) بنسبة تتراوح من حوالي 0 إلى 4 في المائة وثاني أكسيد الكربون 0.04٪، توجد الغازات الخاملة مثل النيون (Ne) والهيليوم (He) والكريبتون (Kr) ومكونات أخرى مثل أكاسيد النيتروجين ومركبات الكبريت ومركبات الأوزون بكميات أقل.

ما هو الهيكل العمودي للغلاف الجوي؟

الغلاف الجوي للأرض مقسم إلى منطقتين رئيسيتين، فالغلاف المتجانس هو الجزء السفلي من الاثنين والمكان الذي يسيطر فيه الخلط المضطرب على الانتشار الجزيئي للغازات، في هذه المنطقة التي تقع على بعد أقل من 100 كيلو متر (حوالي 60 ميل) أو نحو ذلك، يميل تكوين الغلاف الجوي إلى أن يكون مستقلاً عن الارتفاع، وفوق 100 كم في المنطقة المسماة بالغلاف الجوي، يتم فصل غازات الغلاف الجوي المختلفة عن طريق الكتلة الجزيئية، مع تركيز الغازات الأخف في الطبقات العليا.

إن أكثر من 1000 كيلو متر (حوالي 600 ميل)، الهيليوم والهيدروجين هما النوعان السائدان، يتساقط النيتروجين ثنائي الذرة (N2)، وهو غاز ثقيل نسبياً، بسرعة مع الارتفاع ويوجد بكميات ضئيلة فقط على بعد 500 كيلو متر (300 ميل) وما فوق، ويكون هذا الانخفاض في تركيز الغازات الثقيلة مع الارتفاع أكبر خلال فترات النشاط الشمسي المنخفض، عندما تكون درجات الحرارة داخل الغلاف الجوي منخفضة نسبياً، وتسمى المنطقة الانتقالية التي تقع على ارتفاع حوالي 100 كيلو متر بين الغلاف المتجانس والغلاف غير المتجانس باسم التوربوس (turbopause).

التقسيمات الرئيسية للغلاف الجوي:

• تروبوسفير: الجزء الأدنى من الغلاف الجوي هو طبقة التروبوسفير، وهي طبقة تنخفض فيها درجة الحرارة بشكل عام مع الارتفاع، وتحتوي هذه الطبقة على معظم سحب الأرض، وهي الموقع الذي يحدث فيه الطقس بشكل أساسي.

• طبقة حدود الكواكب: عادة ما تتأثر المستويات الدنيا من طبقة التروبوسفير بشدة بسطح الأرض، وهذه الطبقة الفرعية المعروفة باسم الطبقة الحدودية للكواكب، هي تلك المنطقة من الغلاف الجوي التي يؤثر فيها السطح على درجة الحرارة والرطوبة وسرعة الرياح من خلال الانتقال المضطرب للكتلة، نتيجة للاحتكاك السطحي عادة ما تكون الرياح في الطبقة الحدودية للكواكب أضعف من أعلاه وتميل إلى أن تهب باتجاه مناطق الضغط المنخفض، لهذا السبب أُطلق على طبقة حدود الكواكب أيضًا اسم طبقة إيكمان لعالم المحيطات السويدي فاجن والفريد إكمان، وهو رائد في دراسة سلوك تيارات المحيط التي تحركها الرياح.

وتحت سماء صافية مشمسة فوق الأرض، تميل طبقة حدود الكوكب إلى أن تكون عميقة نسبياً نتيجة لارتفاع حرارة الأرض بواسطة الشمس، وما ينتج عن ذلك من اضطرابات الحمل الحراري، خلال فصل الصيف يمكن أن تصل طبقة حدود الكوكب إلى ارتفاعات تتراوح من 1 إلى 1.5 كيلو متر (0.6 إلى ميل واحد) فوق سطح الأرض، (على سبيل المثال ، في شرق الولايات المتحدة الرطب)، وما يصل إلى 5 كيلو مترات (3 أميال) في الصحراء الجنوبية الغربية.

في ظل هذه الظروف عندما يرتفع الهواء غير المشبع ويتوسع، تنخفض درجة الحرارة بمعدل زوال ثابت الحرارة الجاف (9.8 درجة مئوية لكل كيلو متر، أو حوالي 23 درجة فهرنهايت لكل ميل) في معظم أنحاء الطبقة الحدودية، وبالقرب من سطح الأرض الساخن، تنخفض درجة حرارة الهواء بشكل فائق الإشعاع (بمعدل زوال أكبر من معدل زوال ثابت الحرارة الجاف)، على النقيض من ذلك خلال الليالي الصافية والهادئة يميل الاضطراب إلى التوقف، ويؤدي التبريد الإشعاعي (صافي فقدان الحرارة) من السطح إلى ارتفاع درجة حرارة الهواء مع الارتفاع فوق سطح الأرض.

عندما يتجاوز معدل انخفاض درجة الحرارة مع الارتفاع معدل زوال ثابت الحرارة لمنطقة من الغلاف الجوي، يتم إنشاء اضطراب، ويرجع ذلك إلى الانقلاب الحراري للهواء حيث يرتفع هواء المستوى الأدنى الأكثر دفئاً ويختلط مع الهواء البارد عالياً، في هذه الحالة نظراً لأن معدل الزوال البيئي أكبر من معدل زوال ثابت الحرارة، يظل جزء صاعد من الهواء أكثر دفئاً من الهواء المحيط على الرغم من أن الطرد يبرد ويتوسع.

يتم إنتاج الدليل على هذا الانقلاب في شكل فقاعات أو دوامات من هواء أكثر دفئاً، وغالباً ما تحتوي الفقاعات الأكبر حجمًا على طاقة طفو كافية لاختراق الجزء العلوي من الطبقة الحدودية، والإزاحة السريعة اللاحقة للهواء تجلب الهواء من أعلى إلى الطبقة الحدودية، وبالتالي تعميق الطبقة، في ظل هذه الظروف من عدم الاستقرار في الغلاف الجوي، يبرد الهواء العلوي وفقاً لمعدل الزوال البيئي بشكل أسرع من الهواء الصاعد الذي يبرد بمعدل زوال ثابت الحرارة، يحل الهواء فوق الطبقة الحدودية محل الهواء الصاعد ويخضع لارتفاع درجة حرارة الانضغاط أثناء نزوله، نتيجة لذلك يسخن هذا الهواء المحبوس الطبقة الحدودية.

تعتمد قدرة فقاعات الحمل الحراري على اختراق الجزء العلوي من الطبقة الحدودية على معدل الزوال البيئي عالياً، ستنخفض الحركة الصاعدة للفقاعات المخترقة بسرعة، إذا أصبحت الطرد أبرد بسرعة من البيئة المحيطة التي تحيط به، في هذه الحالة سيصبح الطرد الجوي أقل ازدهاراً مع صعود إضافي، وبالتالي فإن الارتفاع الذي تبلغه الطبقة الحدودية في يوم مشمس يتأثر بشدة بكثافة تسخين السطح ومعدل الزوال البيئي فوق الطبقة الحدودية مباشرة.

• طبقة الاضطرابات الناتجة عن الرياح: خلال ظروف الرياح يصبح الإنتاج الميكانيكي للاضطراب مهماً، تميل دوامات الاضطراب الناتجة عن قص الرياح إلى أن تكون أصغر في الحجم من فقاعات الاضطراب، الناتجة عن الحمل الحراري السريع للهواء الطافي، في غضون بضع عشرات من الأمتار من السطح خلال ظروف الرياح، تزداد سرعة الرياح بشكل كبير مع الارتفاع، إذا كانت الرياح قوية بما فيه الكفاية، فإن الاضطراب الناتج عن قص الرياح يمكن أن يطغى على مقاومة طبقات الهواء المستقرة حرارياً.

بشكل عام يكون هناك اضطراب طفيف فوق الطبقة الحدودية في طبقة التروبوسفير، ومع ذلك هناك استثناءان بارزان، ومنها أن ينتج الاضطراب بالقرب من التيارات النفاثة، حيث توجد مقصات السرعة الكبيرة داخل السحب التراكمية والمجاورة لها.