الغلاف الجوي
| |
يحيط بالكرة الأرضية غلاف من الغازات المتنوعة يدعى بالغلاف الجوي أو يدور مع الأرض ويشكل جزءاً منها غير محدود تماما لكنه لا يزيد عن (450كلم) ويتميز بالخصائص التالية :
- هو مزيج من الغازات، وفي مقدمتها الأوزون (78%) والأكسجين (21%) ومجموعة من الغازات النادرة بنسبة (1%) وكمية ضخمة من غاز الفحم أو ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والغبار . وإذا كانت نسب هذه الغازات ثابتة تقريباً في الجو القريب من السطح الأرض فإنها تختلف في الطبقات العليا : فالأكسجين يخف بعد 5كلم ارتفاع والأجسام الغريبة كبخار الماء والغبار تختلف في الطبقات العليا كما يكثر الهيدروجين والمليم في نهاية الغلاف الجوي .
- تختلف كثافة الغلاف الجوي بين المناطق القريبة من سطح الأرض والمناطق الجوية العليا ، فالكيلومترات الخمسة الأولى المحيطة بنا تحتوي على نصف وزن الغلاف الجوي ، وبالتالي فان الكثافة تقل تدريجياً كلما ارتفعنا في الفضاء حيث يتخلخل الهواء ويتحلل إلى أيونات على ارتفع 80كلم تقريباً عن سطح الأرض .
- يمتص الغلاف الجوي قسماً من الحرارة التي تحتويها أشعة الشمس ويحتفظ بقسم منها ويعكس القسم الآخر . تحتوي الأشعة الشمسية ، كما هو معروف ، على طاقة حرارية وأخرى ضوئية وثالثة كيميائية تسهم في عمليات كثيرة تتم على سطح الأرض أو لها التمثيل تنعكس نسبة 40% من أشعة الشمس الواصلة إلى الأرض وتصطدم بالغلاف الجوي ، وينتشر 17% منها في الجو ويصل 43% إلى سطح الأرض ، الذي يعكس بدوره 10% منها وتمتص الباقي سطوح الأرض من يابسة ومسطحات مائية وهي بدورها نعكس جزاً منه عند غروب الشمس .
- تختلف كمية الحرارة في الغلاف الجوي وعلى سطح الأرض بين خط الاستواء والقطبين ، والسبب في ذلك يعود إلى درجة انحناء أشعة الشمس لدى وصولها إلى سطح الأرض ، ثم أن الأشعة تقطع مسافة أكبر في الغلاف الجوي نحو المناطق القطبية ، من تلك التي تقطعها في غلاف المناطق الاستوائية .
| |
نشأة الغلاف الجوي:
عند كثير من الناس، الغلاف الجوي هو ذلك الهواء الذي نستنشقه، ولكن في الحقيقة هو مزيج من الغازات و الجزيئات الصلبة التي تحيط بالأرض، فتشكل طبقة غازية مثبتة حول الأرض بفعل الجاذبية وسمك الغلاف الجوي يعتبر دقيقا جدا مقارنة بالأرض، فلا يكاد يوازي قشرة التفاحة مقارنة مع كتلتها الكاملة، فيرى من الفضاء كأنه طبقة دقيقة من الضوء الأزرق الغامق في الأفق. ويبلغ أقصى ارتفاع له عن سطح الأرض من (30 إلى 50 كم)، وحيث أن (99%) من الغلاف الجوي يقع تحت (30كم)، وإذا كان نصف قطر الأرض يبلغ (6400 كم) فان ارتفاع الغلاف الجوي يعادل (0.5% ) من قيمة نصف قطر الأرض.
|  |
وعلى مر العصور، اتجهت درجة حرارة الأرض إلى الانخفاض، فتكونت على السطح، مع مرور الزمن، قشرة أرضية صلبة بفعل البرودة التدريجية، فنتجت عنها ثورات بركانية عنيفة وزلازل قوية، ألقت بالصخور البركانيةالمنصهرة على السطح، وساهمت في تكوين الرواسي و الجبال، مما أتاح للأرض الاستقرار التدريجي وهبوطا حادا في النشاط البركاني. هذه الثورات البركانية العنيفة قذفت في الهواء غازات كانت سجينة في أعماق الأرض، وتتكون، أساساً من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت والأوزون و الميثان وغبار الجزيئات الصلبة، فنتج عن هذا: الغلاف الجوي البدائي للأرض. وفي هذه الحقبة التاريخية من حياة الأرض كانت هذه الأخيرة هدفا لوابل من النيازك والمذنبات والمجسمات الصغيرة الغنية بالماء، مما ساهم في إغناء الغلاف الجوي ببخار الماء. وساهم الغبار الناتج عن الثورات البركانية واحتراق النيازك والمذنبات المتساقطة على الأرض في حجب الشمس عن سطح الأرض، فانخفضت درجة الحرارة مما أتاح الفرصة لبخار الماء المتواجد في الغلاف الجوي أن يتحول إلى ماء سائل، ليسقط بعد ذلك على الأرض بفعل الجاذبية. وهو ما نتج عنه أمطارا طوفانية، كانت الأساس في تكوين المحيطات والبحار.
وهذه الأمطار الطوفانية الناتجة عن الأعاصير مكنت من إذابة ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت، الموجودين في الغلاف الجوي، فتفاعل ثاني أكسيد الكربون، المذاب في الماء، داخل المحيطات مع الكلسيوم فأنتج الجير الذي ترسب في قاع المحيطات، وتحول ثاني أكسيد الكبريت بفعل نشاطه الكيميائي إلى مركبات الكبريت.
وسمحت الأمطار الطوفانية الناتجة عن الزوابع والأعاصير بتطهير الجو من الجزيئات الصلبة التي كانت تلعب دورا أساسيا في تحول بخار الماء إلى ماء سائل، والتي كانت تحجب أشعة الشمس عن سطح الأرض مما يزيدفي برودة الجو.
وهكذا أصبح الغلاف الجوي شفافا مما مكن وصول أشعة الشمس إلى سطح الأرض وخصوصا البحار والمحيطات، مما أعطى الفرصة لظهور الحياة داخل البحار والمحيطات من خلال تكوين أولى الجزيئات العضوية داخل الماء، وبعد ذلك تكونت الطحالب الوحدانية الخلية.
بظهور الحياة على الأرض أمكن إنتاج عنصر جديد في الغلاف الجوي، ألا وهو الأكسجين من خلال ميكانيزمات التخليق الضوئي، ومن خلال تفاعلات كيماوية معقدة بين الميثان والأوزون والماء والأكسجين والطاقة الشمسية نتج مولود جديد هو الأوزون الذي كون مع الوقت طبقة دقيقة في الأجواء العليا، وقد أعطت هذه الطبقة من الأوزون في الغلاف الجوي الأرض غطاء واقياً من الأشعة فوق البنفسجية التي تضر بالحياة، مما مكن من ظهور الحياة على اليابسة، بعدما كانت مقتصرة على البحار والمحيطات، وبالتالي إنتاج المزيد من الأكسجين.
وهكذا تكون غلاف جوي جديد عوض الغلاف الجوي البدائي منذ مليارين من السنين وبقي على حاله إلى الآن. والغلاف الجوي الجديد المتسم بالشفافية، كون غطاء حراريا للأرض مما نتج عنه استقرار درجة حرارة الأرض السطحية في حدود (15 درجة حرارية في المعدل). مما مهد للحياة البشرية على سطح الأرض.
| |
نشر الغلاف الجوي لأشعة الشمس (ضوء النهار )
أشعة الشمس التي تسقط على الغلاف الجوي، تتكون من موجات الكترومغناطيسية، تتأرجح من موجات الراديو السلمية إلى موجات جاما المميتة، والضوء المرئي جزء يسير من ضوء الشمس، إذ يتراوح مداه من (400 إلى 700 نانومتر)، ويحد بالأشعة ما فوق البنفسجية والأشعة ما تحت الحمراء.
وضوء الشمس الناصع البياض ما هو إلا مزيج من الألوان. حيث أن سقوط الضوء الأبيض على الموشور أو على قطرة من الماء، ينتج عنه طيف من الألوان، وهو ما نراه في السماء في يوم ممطر، على شكل قوس قزح. فعندما يسقط ضوء الشمس على الغلاف الجوي، فإن جزء منه ينعكس على الجزيئات الصلبة، فيرسل في جميع الاتجاهات، فتظهر السماء بلون مائل إلى البياض، وهذه الظاهرة تكون أكثر حدة في الصيف حيث يكثر الغبار (جزيئات صلبة) في السماء.
|  |
أما الجزء الأكبر من الضوء فيدخل إلى الغلاف الجوي ويمكن أن يخترقه حتى يصل إلى عين المشاهد. وكما سبق الذكر فإن الغلاف الجوي يتكون بالأساس من ذرات الأوزون والأكسجين، فبمجرد سقوط الضوء على الذرات، تمتصه هذه الأخيرة، ثم ترسله في جميع الاتجاهات. وهكذا يتم نشر الضوء في الغلاف الجوي ( رايلي 1870 )
وهذا يعني أن هذه الظاهرة لا تتم بنفس الوتيرة والقوة لجميع الألوان، فالضوء الأزرق(موجات قصيرة) أكثر قوة ونفاداً، فتمتصه الذرات بكثرة وينتشر في السماء بكثافة فتظهر السماء بلون أزرق، وتكون هذه الظاهرة أكثر بروزا إذا كانت السماء صافية، خالية من الغبار.
إن تواجد الغلاف الجوي ونشره لضوء الشمس في جميع الاتجاهات هو الذي يمكننا من رؤية الأشياء من حولنا، بحيث أن كل ذرة أو جزيء من هذا الغلاف الجوي يكون مصدرا من مصادر الضوء، وهو ما نسميه بالنهار. ولو خرجنا من الغلاف الجوي، لأصبحنا في ظلام دامس، لا نرى شيئا، رغم تواجد الشمس في السماء.
|  |
 |
الحقل المغناطيسي للأرض
وإذا كان الغلاف الجوي للأرض يضيء لنا الطريق بأشعة الشمس، ويحمينا من النيازك التي تحترق بدخولها إليه على شكل شهب، ويحمينا كذلك من الأشعة فوق البنفسجية الضارة بالحياة، فإن الأرض أعطاها الله بحقل مغناطيسي يحميها وساكنيها من الرياح الشمسية.
وتفاعل الحقل المغناطيسي مع الجزيئات الناتجة عن الرياح الشمسية كون منطقة تسمىالمانيوتوسفير. وحركة واتجاه الجزيئات الناتجة عن الرياح الشمسية يحدده الحقل المغناطيسي، وهذه الطبقة تمتد في اتجاه الشمس إلى 6000 كلم، أما في الاتجاه المعاكس فتكون ذيلا يمتد إلى ملايين الكيلومترات.
|
وهكذا فأغلب جزيئات الرياح الشمسية المتجهة إلى الأرض يتم تحويل مسارها بفضل تواجد الحقل المغناطيسي، أما القلة القليلة من هذه الجزيئات التي تمكنت من اختراق الحاجز المغناطيسي فإنها تسجن في حركة لولبية حول خطوط الحقل المغناطيسي، فتسافر بين القطب الشمالي والقطب الجنوبي فيعطينا منطقة غنية بالجزيئات الناتجة عن الرياح الشمسية وهذه المنطقة تسمى حزام أشعة " فان ألان " على علو يتراوح ما بين (5000كم) و (25000 كم).
|  |
 |
ولكن بين الفينة والأخرى، خصوصا بعد ثورات شمسية قوية، تتمكن بعض الإلكترونات والبروتونات الفائقة السرعة من دخول الغلاف الجوي في منطقة القطبين، فتتفاعل مع الذرات والجزيئات المتواجدة في الجو فتعطينا ظاهرة مضيئة تسمى ضياء الفجر.
|
طبقات الغلاف الجوي طبقا للتوزيع الرأسي لدرجات الحرارة
تصل الطاقة الشمسية إلى سطح الغلاف الغازي للأرض بعد أن تقطع المسافة بين الشمس والأرض، التي تبلغ في المتوسط (150 مليون كيلومتر)، بسرعة تصل إلى (300 ألف كيلومتر/الثانية) وتستغرق الأشعة قرابة (8 دقائق)، لتصل إلى الأرض، وعند بداية اختراقها لغازات الغلاف الجوي للأرض، تمتص الطبقات العليا من الغلاف الجوي جميع الأشعة، التي تبلغ موجاتها (0.3 ميكرومتر وما دون)، وتمتص بعض الغازات الأخرى أطوالاً أخرى من الموجات، وتشتت بعضها.
إن ما يصل إلى سطح الأرض من الطاقة الشمسية، يسخنها، بدرجات متفاوتة، تبعاً لزاوية سقوط الأشعة الشمسية، وطبيعة السطح الذي تسقط عليه، بعد تسخين سطح الأرض، يسخن الهواء الملامس له، في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، ويمكن تتبع التغير في درجات الحرارة، والضغط الجوي، ابتداءً من سطح الأرض إلى أعلى الغلاف الجوي.
يمكن إذاً، تقسيم الغلاف الجوي للأرض بالنظر إلى التغير في درجة حرارته، المصاحب لتغير الارتفاع، إلى خمس طبقات رئيسية، يتخللها فواصل فيما بينها، هي من الأسفل إلى الأعلى كما يلي:
| |
1. تروبوسفير (Troposphere)
وهي الطبقة السفلية من الغلاف الجوى أي أقرب الطبقات من سطح الأرض وهى مجال السحب والعواصف وحركات الرياح والتباين الجغرافي والموسمي للمناخ، أي إنها الطبقة التي تحدث فيها تغيرات المناخ، وتبلغ سماكتها حوالي (8كم) عند القطبين وتصل إلى (18كم) عند خط الاستواء، وفي هذه الطبقة الضغط والكثافة تتناقص سريعا مع الارتفاع، كما تتناقص درجه الحرارة بمعدل ثابت مقداره حوالي (6.5 درجه مئوية لكل1كم) أي أنها تصبح حوالي (20 درجة مئوية تحت الصفر) على ارتفاع (5.5 كم) وينخفض الضغط الجوي إلى (500 مللي بار) ويتوالي انخفاض درجة الحرارة لتصل إلى ( 57 درجة مئوية تحت الصفر) عند ارتفاع (11كم)، هذا النطاق من الغلاف الجوي، الممتد من سطح الأرض إلى حيث تتوقف درجة الحرارة عن الانخفاض، يطلق عليه التروبوسفير (Troposphere)، جاءت هذه التسمية من الكلمة اليونانية تروبين (Tropein)، وتعني التغير، وكلمة سفير (Sphere) غلاف أي أن التروبوسفير، تعني، الغلاف المتغير.
أ. تروبوبوز (Tropopause)
وتسمى الطبقة الهادئة، وهي تقع فوق طبقة (التروبوسفير) وتفصلها عن الطبقة التالية (الستراتوسفير) وفيها تتوقف درجه الحرارة عن الانخفاض مع الارتفاع، أي أن درجه الحرارة فيها ثابتة مع الارتفاع وتبلغ سماكة (التروبوبوز) حوالي (10 كم) عن سطح الأرض ويسود فيها تياران من الهواء يطلق عليهما (التياران النفاثان) لأنهما المفضلان في رحلات الطائرات وهما يدوران عكس اتجاه دوران الأرض أي (من الشرق إلى الغرب) الجزء المنخفض منهما يقع على ارتفاع (8كم) من سطح البحر عند خط الاستواء وسرعته (160كم/ساعة) بينما يقع الجز العلوي على ارتفاع (12كم) ويدور بسرعة (800كم/ساعة) ويلاحظ أن الأتربة الناتجة عن انفجار البراكين على سطح الأرض تعلق في هذه الطبقة ويحملها التياران النفاثان لسنوات طويلة قبل أن تتساقط كذرات رماد إلى سطح الأرض.
2. استراتوسفير (Stratosphere)
يسميها العلماء (المنطقة المتوسطة) وهي طبقة جافة وأقل كثافة لشدة التفاعلات التي تحدث بها وتحتوي مع طبقة التروبوسفير على نسبة (99%) من الهواء وهي تنقسم إلى قسمين:
· الطبقة السفلى (السلفيتوسفير): أي الطبقة الغازية الكبريتية التي تحتوي على جزيئات عالية من الكبريت بارتفاع حوالي (13كم).
· الطبقة العليا (الأوزونوسفير): تحتوي على غاز الأوزون الذي ينتج باتحاد ثلاث ذرات من الأكسجين بالتفاعل مع الأشعة التي تنبعث من الشمس والتي تحتوي على الأشعة فوق البنفسجية، وأشعة جاما والأشعة السينية وتعمل طبقة الأوزون كمرشح يمنع وصول الأشعة الضارة والفتاكة إلى سطح الأرض والتي تسبب الأمراض القاتلة.
أثناء العمليات الحيوية تتحول الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء وتتولد نتيجة لتلك التفاعلات حرارة شديدة فتعمل طبقة الأوزون على منع تسربها إلى سطح الأرض، فتمتص (99%) من الأشعة فوق البنفسجية ويتبدد الباقي في الطبقات العليا ولا تسمح إلا بمرور كمية مناسبة من الأشعة فوق البنفسجية لتوفير ظروف صحية للكائنات على سطح الأرض، وتختلف نسبة الأوزون من وقت لآخر على مدار السنة، ويعتبر الأوزون الدرع الواقي الذي يمنع وصول الإشعاعات فوق البنفسجية، ولو نقص الأوزون لتعرضت الحياة للخطر ولتأثرت حرارة طبقة التريوسفير وأحدثت تغيرات مناخية.
ب. استراتوبوز (Stratopause)
ويحتوي هذا الجزء على معظم غاز الأوزون الموجود في الغلاف الجوي، إذ يعمل الأوزون على تسخين الهواء هناك بسبب امتصاصه الأشعة فوق البنفسجية.طبقة دقيقة تمتاز كسابقتها بانقلاب في اتجاه تغير درجة الحرارة، وتكون منطقة انتقال بين الطبقة الثانية والثالثة.
3. ميزوسفير (Mesosphere)
وتسمى الطبقة الغازية وتمتد هذه الطبقة من ستراتوبوز حتى خط الميزوبوز والذي يقع علي ارتفاع (80 _ 85 كم) من سطح الأرض وتتميز هذه الطبقة بما يلي:
ج. ميزوبوز (Mesopause)
طبقة دقيقة كسابقاتها ينعكس فيها تغير درجة الحرارة، و تشكل فاصلا بين الطبقة الثالثة والرابعة.
4. ثيرموسفير (Thermosphere)
وهى الطبقة الممتدة من الميوبوز حتى الثرموبوز أي بين ارتفاعي (80 – 800 كم) وهي طبقه ساخنة فوق الميزوسفير وتحدث فيها تبدل حاد في درجات الحرارة بين الليل والنهار، وتتميز هذه الطبقة بارتفاع درجة الحرارة بدرجة كبيرة نظرا لوجود الأكسجين الذي له القدرة أيضا على امتصاص حزم أخرى من الأشعة فوق البنفسجية ( من 0.17 – 0.30 ميكرون ) ويتحول جزء من هذه الأشعة عند امتصاصها إلى طاقة كيمائية تحلل الأكسجين الذرى إلى جسيماته الكهربية اللازمة لإتمام عمليات التأين التي تتم في هذه الطبقة وذلك تحت ضغوط منخفضة جدا، كما يتحول البعض الآخر إلى طاقة حرارية هي ألزم ما يكون لرفع درجة حرارة تلك الطبقات وحفظ التوازن الحراري فيها، وهذه الطبقة تتميز بخفة غازاتها حيث يسود فيها غازي الهيدروجين والهليوم وتطلق الغازات بهذه الطبقة الكترونات بفعل الموجات القصيرة من أشعة الشمس مما يسبب تحول ذرات الغازات إلى أيونات والتي يمكن لذلك تسميتها بطبقة الجو المؤين والتي تتميز بشحناتها الكهربية مما يجعلها وسطا موصلا للكهربية.
د. ثيرموبوز (Thermopause)
طبقة دقيقة كسابقاتها ينعكس فيها تغير درجة الحرارة، و تشكل فاصلا بين الطبقة الثالثة والرابعة.
5. إكزوسفير (Exosphere)
تمتد هذة الطبقة من الثرموبوز حتى تتلاشى في الفضاء الكوني، أي تمتد بين ارتفاعي 800 إلى أكثر من 1000 كم نحو الفضاء الكوني الذي بين الكواكب والشمس والنجوم بعضها البعض ... وهنا توجد الذرات والايونات ، وليس بينها أي تجاذب .
ولذا لا ينتشر الصوت العادي لان المسافات بين مكونات الهواء تكون مساوية تقريبا لأطوال الموجات الصوتية أو حتى اكبر منها وإذا تيسر للإنسان أن يجاوز هذه الطبقة إلى الفضاء الكوني فإنه يرى الكون مظلما حوله حيث لا يتشتت ضوء الشمس ولا يضئ سوى الجزء الذي تسقط عليه الأشعة فقط.
|  |
طبقات الغلاف الجوي طبقا لمواءمته للحياة الأرضية
نطاق المواءمة الكاملة للحياة الأرضية:
ويمثل الجزء الغازي من نطاق الحياة الذي يمتد من أعماق المحيطات( بمتوسط عمق3800 متر تحت مستوي سطح البحر) إلي ارتفاع في الغلاف الغازي للأرض لا يتعدي الثلاثة كيلو متر فوق مستوي سطح البحر. وهذا الجزء الهوائي من نطاق الحياة هو نطاق المواءمة البيئية الكاملة لحياة الإنسان, أي التي يستطيع الإنسان العيش فيها بدون مخاطر صحية, لملاءمة التركيب الكيميائي والصفات الطبيعية للغلاف الغازي للأرض في هذا النطاق لطبيعة جسم الإنسان ولوظائف كل أعضائه وأجهزته من مثل وفرة الأوكسجين, وتوسط كل من الضغط ودرجات الحرارة.
ومتوسط ارتفاع اليابسة لا يكاد يصل إلي هذا الحد من الارتفاع فوق مستوي سطح البحر الذي تكون التغيرات الطبيعية والكيميائية عنده محتملة, ولذلك لا تظهر علي البشر الذين يعيشون في مثل هذه الارتفاعات أو يصلون إليها أية أعراض من أعراض نقص الأوكسجين أو تناقص الضغط, علي الرغم من الانخفاض في درجة الحرارة, وبعض الاختلافات في سلوك سائل مثل الماء في تلك الارتفاعات العالية.
نطاق شبه المواءمة للحياة الأرضية :
ويمتد هذا النطاق من ارتفاع ثلاثة كيلو مترات فوق مستوي سطح البحر إلي ارتفاع ستة عشر كيلو مترا فوق ذلك المستوي ويقترب في منتصفه من أعلي قمم الأرض ارتفاعا(8848 مترا) ويتميز بنقص تدريجي في نسبة الأوكسجين, وتناقص الضغط بمعدلات ملحوظة, ويمكن للإنسان العيش في الأجزاء السفلي من هذا النطاق بصعوبة فائقة لصعوبة التنفس, والخلل الذي يعتري بعض وظائف أعضاء جسده نتيجة لانخفاض الضغط الجوي فتبدو عليه أعراض نقص الأوكسجين (هيبوكسيا) وأعراض انخفاض الضغط الجوي (ديسباريزم).
نطاق استحالة وجود الإنسان بغير عوامل وقائية كاملة:
ويمتد من ارتفاع ستة عشر كيلو مترا فوق مستوي سطح البحر إلي نهاية الغلاف الغازي للأرض, وهو نطاق يستحيل بقاء الإنسان فيه بغير عوامل كافية للوقاية من مخاطر هذا النطاق, وذلك بتكييف الجو المحيط به من حيث الضغط ودرجتي الحرارة والرطوبة, وإمداده بالقدر الكافي من الأوكسجين وتنقيته من ثاني أكسيد الكربون, وغير ذلك من النواتج الضارة, مع المراقبة المستمرة للأحوال الصحية ويتم ذلك بتزويده بحلل مشابهة لحلل رواد الفضاء المزودة بأجهزة كاملة لدعم حياة الإنسان في مثل هذه البيئات الخطرة من مثل النقص الحاد في كل من الضغط الجوي, ونسبة الأوكسجين, والتغيرات الشديدة في درجات الحرارة.
| |
