مشخصات کلی گازهای اتمسفر
اتمسفر ابری است که از گاز و جامدات معلق تشکیل شده است و اندازه آن از سطح زمین به هزاران مایل می‌رسد که هر چقدر فاصله بیشتر شود از ضخامت آن کاسته میشود اما همیشه تحت تاثیر نیروی جاذبه زمین است .
اتمسفر دارای لایه‌هایی است که زمین را احاطه کرده و هوایی را که ما تنفس می کنیم در برگرفته است. از ما در برابر تشعشعات فضای بیرون حمایت میکند و رطوبت مورد نیاز (ابرها) ، گازها و ذرات کوچک را در خود جای داده است. خلاصه اتمسفر به صورت حباب محافظی است که ما در آن زندگی می کنیم .
هوایی که ما تنفس میکنیم ،مخلوطی از گازهای مختلف است ،كه تا ارتفاع ۹۰ كیلومتری از سطح زمین قرار دارند و خواص منحصر به فرد این گازها برای بسیاری از فرآیندهای صنعتی و درمان پزشکی ارزشمند می باشد .
هواکره از 5 پنج لایه به نام‌های تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، ترموسفر و اگزوسفر تشکیل شده است.
جو زمین به چند طریق بر تابش ورودی تاثیر می گذارد.
1. بازتاب
2. جذب
3. پراکندگی
4. شکست نور
بازتاب
پدیده فلق و شفق نتیجه مستقیم انعکاس نور از ذرات غبار و دود است.اشعه خورشید پس از غروب یا پیش از طلوع آن ، از این ذرات به سمت زمین باز می‌تابد و بدین طریق بر طول روز افزوده می شود. شفق یا فلق نجومی تا زمانی که مرکز خورشید 18 درجه در افق فرو رود دوام می آورد.از آن پس حتی کمسو ترین ستاره ها را می‌توان دید.
جذب
جو زمین جذب کننده ای گزینشی است؛ برخی از طول موج های نور را تقریبا صد در صد و طول موج های دیگر را فقط تا اندازه ای، جذب می کند.
تابش فرابنفش کوتاه یکسره در جو جذب می شود .در مورد امواج نور فقط بخشی از آن ها جذب می گردد.جذب گزینشی کار منجم را دشوار می سازد. نوری که به چشم ناظر می رسد تفاوتی عمده با نوری دارد که ستاره را ترک گفته است. این تفاوت باید در مطالعه طیف ستارگان بررسی شود.
پراکندگی
این اثر معلول پرا کنش نور از ملکول های هوا است و میزان آن به رنگ نور بستگی دارد . نور آبی به سهولت بیشتری از نور سرخ پخش یا پراکنده می شود .این پراکندگی گزینشی هم علت رنگ آبی آسمان است وهم موجب رنگ سرخ و نارنجی غروب است . رنگ آبی آسمان معلول ارجحیتی است که ملکول های طبقات فوقانی جو برای پراکندگی این رنگ قایل می شوند و نور آبی را در همه جهات پراکنده می کنند. رنگ سرخ و نارنجی غروب از آن رو است که اشعه مستقیم به هنگام غروب بخش عمده نور آبی خود را از دست می دهد و رنگ سرخ به جا می ماند.
شکست نور
نور چون از فضای میان ستاره ای وارد جو می شود ، می شکند و هر چه بیشتر به لایه های چگال تر نزدیک سطح زمین نفوذ کند، بیشتر می شکند. در نتیجه همه ی اجرام آسمانی بالاتر از آنچه واقعا هستند به نظر می رسند. میزان این افزایش در ارتفاع در نزدیکی افق از همه جا بیشتر است و هر چه به سمت الراس(آسمان بالای سر ناظر) نزدیکتر شویم کمتر می شود .در نزدیکی افق، مقدار این شکست بالغ بر 0.5 درجه است.
در ارتفاع 10 درجه از افق مقدار آن به 0.1 درجه کاهش پیدا می کند و البته در سمت الراس صفر است. شکست نور موجب می شود که ستاره ها و خورشید را بتوان اندک زمانی پیش از طلوع و مدت کوتاهی پس از آن که غروب کرده اند ، دید و نیز شکست نور باعث چشمک زدن ستارگان می شود. چگالی هوا در سطوح مختلف بر اثر بادهای موجود در آن سطوح، نسبتا به سرعت تغییر می کند. شکست نور ستارگان در عبور از هوا ، از یک لایه به لایه دیگر فرق می کند و این علت «چشمک زدن ستارگان» است.
لایه هوا کره
وردسپهر
وردسپهر یا تروپوسفربه انگلیسی Troposphere دارای ضخامتی حدود ۱۰ کیلومتر در قطب‌ها و ۱۶ تا ۱۸ کیلومتر در مناطق استوایی است. از ویژگی عمده آن کاهش دما در جهت قائم حدود °۶ سانتیگراد (°۱۸ فارنهایت یا ۲۷۹ کلوین)، در هر ۱۰۰۰ متر افزایش سرعت بادها با افزایش رطوبت (H2O) نسبت به سطوح پایین تر قابل ملاحظه است، و به طور کلی مجموعه پدیده‌های هوا سپهری که هوا نامیده میشود در این لایه قابل بررسی هستند. وردایست به انگلیسی (Tropopause) مرز میان وردسپهر و لایه بالایی آن یعنی پوش سپهر که مرز انتقال ویژگی‌های هواسپهری را در مقیاس بزرگی از تلاطم و اختلاط را تشکیل می‌دهد. این لایه کم ژرفا در ناحیه استوا نسبتاً مشخص شده است، این مرز فوقانی وردسپهر نسبت به فصول سال تغییر میکند.
استراتوسفر
استراتوسفر به انگلیسی Stratosphere دومین لایهٔ بزرگ اتمسفر که بالای تروپوسفر و پایین مزوسفر قرار دارد، استراتوسفر نامیده میشود. افزایش تدریجی دما از ویژگی آن است، یکی دیگر از ویژگی‌های استراتوسفر میزان نسبتاً زیاد گاز اوزون O3به ویژه در اطراف لایهٔ استراتوپوز است که ضخامتی حدود ۱۶ تا ۳۰ کیلومتر دارد و لایهٔ ازن به انگلیسی Ozone Layer نیز در این لایه را تشکیل میشود، دما در بعضی نواحیِ این لایه به °۶۰- سانتیگراد (°۷۶- فارنهایت یا ۲۱۳ کلوین) می‌رسد. این لایه از نظر جلوگیری از اثرات مرگبارِ تابش‌های شدید ماوراء بنفش با وجود اوزون موجود در آن بسیار موثر است. از طرف دیگر گاز ازن O3 توأم با کربن دی اکسید CO2 اثر بسزایی در پراکندگی عمودی دما دارد. استراتوپوز به انگلیسی Stratopause مرز میان این لایه و لایه فوقانی آن یعنی مزوسفر، از ارتفاع حدود ۵۱ کیلومتری شروع شده و ناحیه انتقالی بین استراتوسفر و مزوسفر را تشکیل می‌دهد.
مزوسفر
مزوسفر به انگلیسی Mesosphere دارای ضخامتی حدود ۳۰ تا ۳۵ کیلومتر و در این لایه درجه حرارت به سرعت کاهش می‌یابد به حالتی که در ارتفاع ۸۰ کیلومتری میزان آن به حدود °۸۵- سانتیگراد (°۹۷- فارنهایت یا ۱۸۸ کلوین) می‌رسد که سردترین مکان زمین است. فشار هوا در مزوسفر بسیار پایین است و میزان آن از یک میلی بار در ارتفاع ۵۰ کیلومتری به ۱٪ در ۹۰ کیلومتری کاهش می‌یابد. مزوپوز به انگلیسی Mesopause مرز میان این لایه و لایه فوقانی آن یعنی ترموسفر است. مزوپوز در ارتفاع ۸۰ تا ۸۵ کیلومتری به وسیله حداقل دما °۱۰۰- سانتیگراد (°۱۱۲- فارنهایت یا ۱۷۳ کلوین) و وارونگی پس از آن مشخص میشود. مزوپوز ناحیه انتقالی بین مزوسفر و ترموسفر را تشکیل می‌دهد.
ترموسفر
ترموسفر به انگلیسی Thermosphere فاقد مرز فوقانی معین است. اصطلاح ترموسفر به سبب دمای بسیار زیاد ترمودینامیک به انگلیسی Thermodynamics به این لایه داده شده‌است که این میزان ممکن است به °۱۲۲۷ سانتیگراد (°۱۲۳۹ فارنهایت یا ۱۵۰۰ کلوین) برسد، جلوه سرخی شفق یکی از پدیده‌های ترموسفر پایینی است قسمت پایینی ترموسفر به طور عمده ترکیبی از ازت N2 و اکسیژن O2 به صورت مولکولی یا اتمی است در حالی که در کیلومترهای بالا اکسیژن (O2) به ازت N2 غلبه میکند. دمای زیاد در این لایه به دلیل جذب تشعشع ماوراء بنفش به وسیله اکسیژن اتمی است، تربوپوز به انگلیسی Turbopause ناحیه انتقالی بین ترموسفر و اگزوسفر را تشکیل می‌دهد.
یونسفر
یونسفر یا یون سپهر به انگلیسی Magnetosphere بخشی از اتمسفر زمین است که از حدود بالا ی ۶۰ کیلومتر به سبب یونیزاسیون، به صورت ناحیه (تمرکز یون‌ها و الکترون‌های) آزادی در می‌آید که سبب بازتاب امواج رادیویی میشود. از طرف دیگر فجرهای قطبی شمالی و جنوبی نیز بوسیله نفوذ ذرات یونیزه، در درون اتمسفراز ۳۰ تا ۸۰ کیلومتری به ویژه در مناطق حدود °۲۰ تا °۲۵ از قطب‌های مغناطیسی مشاهده می‌شوند. این لایه فاقد گازهای سنگینی نظیر بخارآب H2O، اکسیژنO2 و ازت N2 حالت مولکولی است. در این لایه ناوه‌های کم ژرفا به صورت لایه‌های یونسفری E و F1 و F2 جداسازی می‌شوند. که به ترتیب در حدود ۱۱۰، ۱۶۰ و ۳۰۰ کیلومتری قرار دارند. بازتاب‌های رادیویی گاهی در سطوحی به ارتفاع ۶۵ تا ۸۰ کیلومتری رخ می‌دهند که به نام لایه D نامیده می‌شوند. این لایه با حداکثر تمرکز یونیزاسیون مشخص میشود.
لایه‌های E و F1 تقریباً منظم و در میزان‌های حداکثر خود از نظر یون و چگالی، الکترون‌ها دارای تغییرات منظم روزانه یا فصلی و چرخه لک‌های خورشیدی می‌باشند. لایهِ F2 در ارتباط با کشنده‌های خورشیدی، قمری و اثر میدان مغناطیسی زمین واکنش‌های غیر طبیعی بسیاری را نشان می‌دهند. جابجایی‌های کوتاه مدت از پراکندگی و تمرکز در این لایه دقیقاً وابسته به طوفان‌های مغناطیسی ای است که به نام طوفان‌های یونسفری نامیده می‌شوند.
اگزوسفر
اگزوسفر به انگلیسی Exosphere در ارتفاع بیش از ۳۰۰ کیلومتری از زمین و در ورای یونسفر، ناحیه‌ایی که جاذبه زمین نیروی چندانی ندارد. در اینجا اتم‌های اکسیژن (O2) و هلیوم (He) اتمسفر رقیقی را تشکیل می‌دهند. هلیوم (He) خنثی و اتم‌های هیدروژن H2 که دارای جرم اتمی پایینی هستند می‌توانند فرار کنند. هیدروژن با تجزیه بخار آب (H2O) و متان (CH4) از نزدیکی مزوپوز جایگزین میشود. در حالی که هلیوم به روش عمل پرتوهای کیهانی در ازت و از تجزیهٔ آخشیج های پرتوزا در پوستهٔ سطحی زمین به طور آرام ولی مداوم تولید می‌شوند.
مشخصات فنی گازهای اتمسفر
گازهای شناخته شده به عنوان گازهای اتمسفری، اجزای هوا عبارتند از:
• آرگون
• کربن دی اکسید
• هلیوم
• نیتروژن
• اکسیژن
از ترکیب این گاز قراردارد ،بالغ بر 998/99 درصد از همه گازها تشکیل می شوند . نیتروژن یکی از بیشترین ترکیبات خشک موجود در اتمسفر است نیتروژن باعث رقیق شدن اکسیژن و در نتیجه جلوگیری از اشتعال مکرر در سطح زمین می شود. موجودات زنده برای ساخت پروتئین نیازمند آن هستند.
اکسیژن توسط همه موجودات زنده استفاده می شود و برای تنفس ضروری است هم چنین برای اشتعال یا سوخت لازم است.
آرگون در حباب چراغ ها ، پنجره های دوجداره و …. قرار داده می شود . گیاهان برای ساخت اکسیژن از دی اکسید کربن استفاده می کنند دی اکسید کربن همچنین مانند پوششی از فرار گرما به لایه های بیرونی فضا جلوگیری میکند .
هوا نیز شامل تعدادی از گازهای نادر مانند زنون، کریپتون و نئون می باشد. اگر چه نسبت این مخلوط برای زندگی مطلوب در طول زمان متفاوت و اجزای بسیاری از میلیون ها سال بدون تغییر باقی مانده است.
واکنش پذیری
اکثر گازهای اتمسفری به عنوان گازهای غیر واکنشی و یا گازهای بی اثر طبقه بندی شده ،و آن را تنها گازهای اکسید کننده، اکسیژن و دی اکسید کربن، که به راحتی با عناصر دیگر واکنش نشان می دهند.
هلیم به طور طبیعی تنها در پوسته زمین است و در جیب سنگ غیر متخلخل به دام افتاده رخ می دهد. در یک روش مشابه به نفت ،به عنوان “چاه” هلیم تنها در geologies خاصی یافت می شود، این است که از گازهای نادر و گران است.
مشخصات ایمنی گازهای اتمسفر
یکی از مواردی که تا قبل از افزایش فعالیتهای بشر، به عنوان نوعی ابزار ایمن سازی برای زمین به حساب می آمد گازهای گلخانه ای بودند، یعنی مجموعه ای از گازها که مقداری از انرژی خورشید را در جو زمین نگه می دارند و باعث گرم شدن جو می شوند که شامل بخار آب (H2O)، دی اکسیدنیتروژن (NO2)، دی اکسیدکربن (CO2) و متان (CH4) است.
1- دی اکسید کربن CO2 : اصلی ترین گاز گلخانه ای است که توسط بشر تولید می شود . این گاز حاصل خیلی از فعالیتهای انسان و دیگر موجودات است و روزانه به مقدار زیادی تولید می شود . یک نیروگاه 1000 مگاواتی با سوخت مایع در فرآیند احتراق بطور متوسط 15 تن گاز دی اکسید کربن (CO2) در ساعت و معادل 2/2 تن اکسیدهای اذت (NOX) و حدود 105کیلوگرم هیدرو کربن های نیم سوخته و آلاینده های دیگر وارد محیط و اتمسفر می نماید. بررسی های انجام شده در کشورهای جامعه همکاری های اقتصادی و توسعه ، حاکی از آن است که 40% تا 50% از اکسیدهای گوگردی و 25% از اکسیدهای ازت و بیش از 50% از گازهای گلخانه ای به ویژه CO2 سهم نیروگاه های بخاری است که حدود 30% از کل انرژی جهان را مصرف می نمایند .
دی اکسید کربن ۶٠ درصد سهم عمده را در تخریب چرخه اقلیمی زمین دارد. و تولید آن نیز به صورت روز افزون ادامه دارد.
2- گاز متان (CH4) : که حاصل فرایند پوسیدگی است علیرغم درصد کم آن در مقایسه با دی اکسید کربن 5 تا 10 برابر مستعدتر از این گاز در جذب حرارت می باشد. متان در اتمسفر بطور سالانه 1 درصد افزایش می یابدکه دو برابر درصد افزایش دی اکسید کربن است. گاز متان در اثر فعالیتهایی نظیر شالیکاری، دفع زباله ها، سوخت های biomass دامداری، تخلیه گازهای طبیعی در هنگام استخراج و حمل و نقل و استخراج زغال سنگ، تولید می شود. تقریبا 90 درصد متان موجود در جو تحتانی در فعل و انفعالات شیمیایی با hydroxyl radicals نابود می شود. اگرچه میزان این ماده در جو زمین بسیار کم است ولیکن اصلی ترین عامل از بین رفتن متان جو می باشد. ماده hydroxyl radicals در اثر تجزیه بخار آب و واکنش شیمیایی بین بخار آب و سایر گازهای موجود در جو تولید می شود.
3- NO2 : نیز از گازهای گلخانه ای مؤثر می باشد که 150تا 180 سال در اتمسفر باقی می ماند و بطور طبیعی تا جو فوقانی بالا رفته باعث تخریب لایه ازن می گردد. در صد افزایش آن در سال 2/0تا 3/0 درصد است و بیشتر در مناطق حاره تولید می شود ولی بطورتخمینی 20 درصد آن در اثر کودها و محصولات شیمیایی و احتراق سوخت های فسیلی می باشد. استفاده از کاتالیستها برای کنترل انتشار این گاز نقش مؤثر تری یافته است. استفاده از کودها برای رشد ذرت در تولید سوخت اتانول یکی از عمده ترین عوامل انتشار اکسیدهای نیتروژن می باشد.
4- کلرو فلوروکربن ها (CFC) : با وجود این که محصول احتراق موتورها نیستند ولی بواسطه این که محصول فرآیند خنک سازی هوا برای وسائل مختلف می باشند مورد توجه قرار می گیرند. این گازها در سال 5/0درصد افزایش می یابند و بین 75تا180 سال در اتمسفر باقی می مانند. همچنین 20000 برابر مستعدتر از دی اکسیدکربن در جذب گرما هستند ولی در کل بعضی از دانشمندان معتقدند اثر گلخانه ای آن ها در تعادل با اثر خنک سازی آنهاست .
بد نیست بدانید که اگر این گازها در جو نبودند،انرژی گرمایی خورشید مجددا به فضا بر می‌گشت و به این ترتیب هوای زمین 33 درجه سانتیگراد سردتر از الان می‌شد.
اثر گلخانه‌ای، کره زمین را به اندازه‌ای گرم نگه می دارد که ما انسان‌ها بتوانیم بر روی آن زندگی کنیم. اما اگر اثر گلخانه ای شدت یابد، ممکن است دمای زمین به قدری زیاد شود که ما و بقیه گیاهان و جانوران نتوانیم گرمای آن را تحمل کنیم.
شاید باور نکنید که انسان‌ها هم می‌توانند آب و هوای زمین را تغییر دهند. دانشمندان می‌گویند اکثر فعالیتهای انسان‌ها گاز گلخانه‌ای تولید میکند. پس از انقلاب صنعتی و اختراع انواع ماشین‌آلات صنعتی، انسان ها با فعالیت های کشاورزی و صنعتی چهره زمین و آب و هوای آن را دگرگون ساختند.
با شروع انقلاب صنعتی روش زندگی مردم عوض شد. قبل از آن مقدار گازهای گلخانه ای در جو کم بود، اما با رشد جمعیت و افزایش استفاده از نفت و زغال سنگ ترکیب گازهای اتمسفر نیز تغییر کرد. طوری که در حال حاضر، غلظت گازهای گلخانه‌ای از حدود 270 واحد به 367 واحد رسیده است.
بشر برای انجام کارهای خود به انرژی نیاز دارد و این انرژی را از غذا تامین میکند. همچنین برای روشنایی و گرم کردن خانه نیازمند انرژی است. اتومبیل‌ها برای حرکت به سوخت نیاز دارد. ماشین‌های صنعتی نیز به انرژی نیاز دارند. اکثر انرژی‌های لازم برای موارد فوق به طور مستقیم یا غیر مستقیم از سوخت‌های فسیلی مثل نفت و گاز و زغال‌سنگ به دست می‌آید.اینها سوخت‌هایی هستند که سوزاندن آنها گاز گلخانه‌ای آزاد میکند !!!
بدون شرح