تحقیق درباره اتمسفر

تركيب اتمسفر : اتمسفر يا جو زمين، مخلوطي از گازهاي مختلف است كه تا ارتفاع 90 كيلومتري از سطح زمين ازت‌ـ اكسيژن‌‌ـ آرگون‌ـ دي‌اكسيدكربن‌ و بخار آب از نظر حجم 99/77 در صد آن را تشكيل مي‌دهند. مشاهدات نشان مي‌دهد كه تا ارتفاع 50 كيلومتري نسبت اختلاط گازهاي اتمسفري باستثناء بخار آب، به طور محسوس ثابت است. اتمسفر داراي جرمي برابر با 1014 ×5/ 6تن مي‌باشد.

تغييرات اتمسفر:

١-تغييرات با ارتفاع : گازهاي سبكتر (بويژه هيدروژن‌ـ هليوم) اصولاً بايد در اتمسفر فوقاني بسيار فراوان باشند. تغييرات اساسي وابسته به ميزان دو گاز عمده غير دائمي يعني بخارآب و ازن مي‌باشد.

بخار آب : هوا‌ در بعضي نواحي تقريباً فاقد بخار آب و دربرخي نقاط تا 4 درصد از نظر حجم خود داراي رطوبت است. 90 درصد از بخار آب در پايين‌ترين قسمت اتمسفر حدود 6 كيلومتري از سطح زمين قرار گرفته است.

ازن : عمدتاً در 15 تا 35 كيلومتري از ضخامت اتمسفر، متمركز مي‌شود. اشعه ماوراء بنفش كه لايه‌هاي فوقاني اتمسفر را منور مي‌كند سبب تجزيه مولكول‌هاي اكسيژن در لايه‌هاي بين 80 تا 100 كيلومتر مي‌گردد.

٢ تغييرات در ارتباط با فصل و عرض جغرافيايي : مقدار ازن در روي استوا كم و در عرض‌هاي فوق 50 درجه شمالي بويژه در بهار بيشتر مي‌شود.

ازن ذخيره شده در طول «شب قطبي» سبب به وجود آمدن يك لايه غني از آن در اوايل بهار مي‌گردد.

مقدار آب دقيقاً وابسته به حرارت است از اين رو در عرض‌هاي پايين و تابستان‌ها بيشتر است ولي در بيابانهاي مناطق حاره استثنا مي‌باشد.

٣ تغييرات با زمان : كميت‌هايي از دي‌اكسيدكربن و ازن در اتمسفر ممكن است مربوط به تغييرات در طي دوره‌ايي طولاني باشد. دي اكسيدكربن به طور عمده بوسيله كنش ارگانيزم‌هاي زنده در زمين و دريا وارد اتمسفر مي‌شود. از منابع كوچك ديگر فساد عناصر اورگانيك در خاك و اشتعال سوخت‌هاي فسيل مي‌باشند افزايش ميزان دي‌اكسيدكربن سبب مي‌شود كه اتمسفر به مقدار زياد، انرژي حاصل از خورشيد را بگيرد.

اگر تغييراتي در اشعه ماوراء بنفش خورشيد رخ دهد در ارتباط با آن تغييراتي نيز ممكن است در ميزان ازن حاصل آيد زيرا ازن هم تابش خورشيد و هم تشعشع زميني را جذب مي‌كند.

با توجه به پراكندگي دما، اتمسفر به لايه‌هاي زير تقسيم مي‌شود:

١تروپوسفر : داراي ضخامتي حدود 8 كيلومتر در قطب‌ها 16 تا 19 كيلومتر در مناطق استوايي است از خصوصيات عمده آن كاهش دما در جهت قائم تقريباً 6 درجه سانتي‌گراد براي 1000 متر افزايش سرعت بادها با ارتفاع رطوبت قابل ملاحظه در سطوح پايين‌تر، و به طور كلي مجموعه پديده‌هاي اتمسفري كه هوا ناميده مي‌شود در اين لايه قابل بررسي است.

٢ تروپوپوز : مرز انتقال خصوصيات اتمسفري را در مقياس بزرگي از تلاطم و اختلاط را تشكيل مي‌دهد. اين لايه كم‌ژرفا در منطقه استوا نسبتاً مشخص شده است اين مرز فوقاني تروپوسفر نسبت به فصول سال تغيير مي‌كند.

٣استراتوسفر : دومين لايه بزرگ اتمسفر كه بالاي تروپوسفر و پايين مزوسفر قرار دارد. استراتوسفر ناميده مي شود. افزايش تدريجي دما از ويژگي آن است يكي ديگر از ويژگي‌هاي استراتوسفر ميزان نسبتاً زياد گاز ازن به خصوص در اطراف لايه استراتوپوز است كه ضخامتي حدود 16 تا 30 كيلومتر در اين لايه را تشكيل مي‌دهد. و از نظر جلوگيري از اثرات مرگبار تابش‌هاي شديد ماوراء بنفش، وجود ازن بسيار موثر است. از طرف ديگر گاز ازن توأم با دي‌اكسيدكربن اثر بسزائي در پراكندگي عمودي دما دارد.

۴استراتوپوز : اين لايه از ارتفاع حدود 50 كيلومتري شروع شده و منطقه انتقالي بين استراتوسفر و مزوسفر را تشكيل مي‌دهد.

٥ مزوسفر : در اين لايه درجه حرارت به سرعت كاهش مي‌يابد بطوريكه در ارتفاع 80 كيلومتري ميزان آن به حدود 90- درجه سانتي‌گراد مي‌رسد. فشار هوا در مزوسفر بسيار پايين است و ميزان آن از يك ميلي‌ بار در ارتفاع 50 كيلومتري به 1 درصد در 90 كيلومتري كاهش مي‌يابد.

٦ مزوپوز : منطقه فوق مزوسفر در ارتفاع 80 كيلومتري به وسيله حداقل دما، و وارونگي پس از آن مشخص مي‌شود. اين منطقه انتقالي بين مزوسفر و ترموسفر را مزوپوز مي‌گويند.

٧ترموسفر : فاقد مرز فوقاني معين است. اصطلاح ترموسفر به سبب دماي فوق‌العاده زياد ترموديناميك، به اين لايه داده شده است كه اين ميزان ممكن است به 1500 درجه كلوين برسد جلوه سرخي شفق يكي از پديده‌هاي ترموسفر پاييني است قسمت پاييني ترموسفر به طور عمده مركب از ازت (N) و اكسيژن O2 به صورت مولكولي اتمي (O) است در حاليكه در فوق كيلومتري اكسيژن به ازت غلبه مي‌كند. دماي زياد در اين لايه مديون جذب تشعشع ماوراء بنفش بوسيله اكسيژن اتمي .

٨ يونسفر : بخشي از اتمسفر زمين است كه از حدود فوق 60 كيلومتري به سبب يونيزاسيون، به صورت منطقه (تمركز يون‌ها و الكترون‌هاي) آزادي در مي‌آيد كه سبب انعكاس امواج راديويي مي‌شود. از طرف ديگر فجرهاي قطبي شمالي و جنوبي نيز بوسيله نفوذ ذرات يونيزه، در درون اتمسفر از 30 تا 80 كيلومتري به ويژه در مناطق حدود 20 تا 25 درجه از قطب‌هاي مغناطيسي مشاهده مي‌شوند.

اين لايه فاقد گازهاي سنگيني نظير بخارآب‌ـ اكسيژن‌ و ازت حالت مولكولي است.در اين لايه ناوه‌هاي كم‌ژرفا به صورت لايه‌هاي يونسفري E و F1 و F2 طبقه‌بندي مي‌شوند.كه به ترتيب در حدود 110-160- و 300 كيلومتري قرار دارند.

انعكاسات راديويي بعضاً در سطوحي به ارتفاع 65 تا 80 كيلومتري رخ مي‌دهد كه بنام لايه D ناميده مي‌شود.اين لايه با حداكثر از تمركز يونيزاسيون مشخص مي‌شود.

لايه‌هاي  E و F1 تقريباً منظم و در ميزان‌هاي حداكثر خود از نظر يون و چگالي الكترون‌ها، داراي تغييرات منظم روزانه‌ـ فصلي و چرخه لك‌هاي خورشيدي مي‌باشند.

لايه F2 در ارتباط با كشنده‌هاي خورشيدي‌ـ قمري و اثر ميدان مغناطيسي زمين، آنومالي‌هاي بسياري را نشان مي‌دهد. تغييرات كوتاه مدت از پراكندگي و تمركز در اين لايه، دقيقاً وابسته به طوفان‌هاي مغناطيسي است كه بنام طوفان‌هاي يونسفري ناميده مي‌شود.

٩ اگزوسفر : در ارتفاع بيش از 300 كيلومتري از زمين و در وراي يونسفر منطقه‌ايي كه جاذبه زمين نيروي چنداني ندارد. لايه‌اي از گازها وجود دارد كه بنام اگزوسفر ناميده مي‌شود. در اينجا اتمهاي اكسيژن و هليوم اتمسفر رقيقي را تشكيل مي‌دهند. هليوم خنثي و اتم هاي هيدروژن كه داراي وزن‌هاي اتمي پاييني هستند مي‌توانند فرار كنند. هيدروژن با تجزيه بخار آب و متان از نزديكي مزوپوز جايگزين مي‌شود. در حالي كه هليوم به طريق عمل پرتوهاي كيهاني در ازت و از شكستن عناصر پرتوزا در پوسته سطحي زمين به طور آرام ولي مداوم توليد مي‌شود.

با توجه به تغييرات و پراكندگي دما اتمسفر به لايه‌هاي زير تقسيم مي‌شود:

١ تغييرات با ارتفاع : گازهاي سبكتر (بويژه هيدروژن‌ـ هليوم) اصولاً بايد در اتمسفر فوقاني بسيار فراوان باشند. تغييرات اساسي وابسته به ميزان دو گاز عمده غير دائمي يعني بخارآب و ازن مي‌باشد.

بخار آب : هوا‌ در بعضي نواحي تقريباً فاقد بخار آب و دربرخي نقاط تا 4 درصد از نظر حجم خود داراي رطوبت است. 90 درصد از بخار آب در پايين‌ترين قسمت اتمسفر حدود 6 كيلومتري از سطح زمين قرار گرفته است.

ازن : عمدتاً در 15 تا 35 كيلومتري از ضخامت اتمسفر، متمركز مي‌شود. اشعه ماوراء بنفش كه لايه‌هاي فوقاني اتمسفر را منور مي‌كند سبب تجزيه مولكول‌هاي اكسيژن در لايه‌هاي بين 80 تا 100 كيلومتر مي‌گردد. تغييرات در ارتباط با فصل و عرض جغرافيايي : مقدار ازن در روي استوا كم و در عرض‌هاي فوق 50 درجه شمالي بويژه در بهار بيشتر مي‌شود.

ازن ذخيره شده در طول «شب قطبي» سبب به وجود آمدن يك لايه غني از آن در اوايل بهار مي‌گردد.

مقدار آب دقيقاً وابسته به حرارت است از اين رو در عرض‌هاي پايين و تابستان‌ها بيشتر است ولي در بيابانهاي مناطق حاره استثنا مي‌باشد.

3- تغييرات با زمان : كميت‌هايي از دي‌اكسيدكربن و ازن در اتمسفر ممكن است مربوط به تغييرات در طي دوره‌ايي طولاني باشد. دي اكسيدكربن به طور عمده بوسيله كنش ارگانيزم‌هاي زنده در زمين و دريا وارد اتمسفر مي‌شود. از منابع كوچك ديگر فساد عناصر اورگانيك در خاك و اشتعال سوخت‌هاي فسيل مي‌باشند افزايش ميزان دي‌اكسيدكربن سبب مي‌شود كه اتمسفر به مقدار زياد، انرژي حاصل از خورشيد را بگيرد.

اگر تغييراتي در اشعه ماوراء بنفش خورشيد رخ دهد در ارتباط با آن تغييراتي نيز ممكن است در ميزان ازن حاصل آيد زيرا ازن هم تابش خورشيد و هم تشعشع زميني را جذب مي‌كند.

1- تروپوسفر : داراي ضخامتي حدود 8 كيلومتر در قطب‌ها 16 تا 19 كيلومتر در مناطق استوايي است از خصوصيات عمده آن كاهش دما در جهت قائم تقريباً 6 درجه سانتي‌گراد براي 1000 متر افزايش سرعت بادها با ارتفاع رطوبت قابل ملاحظه در سطوح پايين‌تر، و به طور كلي مجموعه پديده‌هاي اتمسفري كه هوا ناميده مي‌شود در اين لايه قابل بررسي است.

2- تروپوپوز : مرز انتقال خصوصيات اتمسفري را در مقياس بزرگي از تلاطم و اختلاط را تشكيل مي‌دهد. اين لايه كم‌ژرفا در منطقه استوا نسبتاً مشخص شده است اين مرز فوقاني تروپوسفر نسبت به فصول سال تغيير مي‌كند.

3- استراتوسفر : دومين لايه بزرگ اتمسفر كه بالاي تروپوسفر و پايين مزوسفر قرار دارد. استراتوسفر ناميده مي شود. افزايش تدريجي دما از ويژگي آن است يكي ديگر از ويژگي‌هاي استراتوسفر ميزان نسبتاً زياد گاز ازن به خصوص در اطراف لايه استراتوپوز است كه ضخامتي حدود 16 تا 30 كيلومتر در اين لايه را تشكيل مي‌دهد. و از نظر جلوگيري از اثرات مرگبار تابش‌هاي شديد ماوراء بنفش، وجود ازن بسيار موثر است. از طرف ديگر گاز ازن توأم با دي‌اكسيدكربن اثر بسزائي در پراكندگي عمودي دما دارد.

4- استراتوپوز : اين لايه از ارتفاع حدود 50 كيلومتري شروع شده و منطقه انتقالي بين استراتوسفر و مزوسفر را تشكيل مي‌دهد.

5- مزوسفر : در اين لايه درجه حرارت به سرعت كاهش مي‌يابد بطوريكه در ارتفاع 80 كيلومتري ميزان آن به حدود 90- درجه سانتي‌گراد مي‌رسد. فشار هوا در مزوسفر بسيار پايين است و ميزان آن از يك ميلي‌ بار در ارتفاع 50 كيلومتري به 1 درصد در 90 كيلومتري كاهش مي‌يابد.

6- مزوپوز : منطقه فوق مزوسفر در ارتفاع 80 كيلومتري به وسيله حداقل دما، و وارونگي پس از آن مشخص مي‌شود. اين منطقه انتقالي بين مزوسفر و ترموسفر را مزوپوز مي‌گويند.

7- ترموسفر : فاقد مرز فوقاني معين است. اصطلاح ترموسفر به سبب دماي فوق‌العاده زياد ترموديناميك، به اين لايه داده شده است كه اين ميزان ممكن است به 1500 درجه كلوين برسد جلوه سرخي شفق يكي از پديده‌هاي ترموسفر پاييني است قسمت پاييني ترموسفر به طور عمده مركب از ازت (N) و اكسيژن O2 به صورت مولكولي اتمي (O) است در حاليكه در فوق كيلومتري اكسيژن به ازت غلبه مي‌كند. دماي زياد در اين لايه مديون جذب تشعشع ماوراء بنفش بوسيله اكسيژن اتمي

8- يونسفر : بخشي از اتمسفر زمين است كه از حدود فوق 60 كيلومتري به سبب يونيزاسيون، به صورت منطقه (تمركز يون‌ها و الكترون‌هاي) آزادي در مي‌آيد كه سبب انعكاس امواج راديويي مي‌شود. از طرف ديگر فجرهاي قطبي شمالي و جنوبي نيز بوسيله نفوذ ذرات يونيزه، در درون اتمسفر از 30 تا 80 كيلومتري به ويژه در مناطق حدود 20 تا 25 درجه از قطب‌هاي مغناطيسي مشاهده مي‌شوند.

اين لايه فاقد گازهاي سنگيني نظير بخارآب‌ـ اكسيژن‌ و ازت حالت مولكولي است.

در اين لايه ناوه‌هاي كم‌ژرفا به صورت لايه‌هاي يونسفري E و F1 و F2 طبقه‌بندي مي‌شوند.كه به ترتيب در حدود 110-160- و 300 كيلومتري قرار دارند.

انعكاسات راديويي بعضاً در سطوحي به ارتفاع 65 تا 80 كيلومتري رخ مي‌دهد كه بنام لايه D ناميده مي‌شود.اين لايه با حداكثر از تمركز يونيزاسيون مشخص مي‌شود.

لايه‌هاي  E و F1 تقريباً منظم و در ميزان‌هاي حداكثر خود از نظر يون و چگالي الكترون‌ها، داراي تغييرات منظم روزانه‌ـ فصلي و چرخه لك‌هاي خورشيدي مي‌باشند.

لايه F2 در ارتباط با كشنده‌هاي خورشيدي‌ـ قمري و اثر ميدان مغناطيسي زمين، آنومالي‌هاي بسياري را نشان مي‌دهد. تغييرات كوتاه مدت از پراكندگي و تمركز در اين لايه، دقيقاً وابسته به طوفان‌هاي مغناطيسي است كه بنام طوفان‌هاي يونسفري ناميده مي‌شود.

9- اگزوسفر : در ارتفاع بيش از 300 كيلومتري از زمين و در وراي يونسفر منطقه‌ايي كه جاذبه زمين نيروي چنداني ندارد. لايه‌اي از گازها وجود دارد كه بنام اگزوسفر ناميده مي‌شود. در اينجا اتمهاي اكسيژن و هليوم اتمسفر رقيقي را تشكيل مي‌دهند. هليوم خنثي و اتم هاي هيدروژن كه داراي وزن‌هاي اتمي پاييني هستند مي‌توانند فرار كنند. هيدروژن با تجزيه بخار آب و متان از نزديكي مزوپوز جايگزين مي‌شود. در حالي كه هليوم به طريق عمل پرتوهاي كيهاني در ازت و از شكستن عناصر پرتوزا در پوسته سطحي زمين به طور آرام ولي مداوم توليد مي‌شود.

گرم شدن اتمسفر : بطور كلي اتمسفر كره زمين تمام گرماي طبيعي خود را به طور مستقيم و يا غيرمستقيم از خورشيد دريافت مي‌كند. اين امر به طرق زير صورت مي‌پذيرد:

1- انرژي تابشي : انرژي تابشي دريافت شده از خورشيد، گستره‌اي از طول موج‌ها است كه بنام طيف خورشيدي معروف است. در اين طيف وسيع بلندترين امواج (امواج راديويي) حدود 10n برابر امواج كوتاه (اشعه گاما) مي‌باشد ولي حداكثر انرژي و مقدار زيادي از كل انرژي تابش در محدوده كم عرض قسمت مرئي واقع است.

امواج مرئي خورشيدي از درون گازهاي اتمسفر عبور مي‌كنند ولي اشعه ماوراي بنفش با طول موج كوتاه، در اتمسفر فوقاني جذب مي‌گردد. مقداري از اشعه مادون‌قرمز توسط دي‌‌اكسيدكربن و بخار آب اتمسفر تحتاني جذب مي‌شود. اما بيشتر انرژي خورشيدي بدون اينكه توسط هوا جذب شود. به زمين مي‌رسد.

گرما قسمت اعظمي از اتمسفر در وهله اول بوسيله سطح زيرين آن، پس از گرم شدن توسط تابش خورشيدي تأمين مي‌شود. سه طريقه انتقال گرما (تابش‌ـ رسانش‌ـ همرفت) به همراه گرماي نهان تبخير در هم آميخته اتمسفر را گرم مي‌كنند.

2- تشعشع زمين : سطح زمين با جذب نورخورشيدي، به نوبه خود گرم مي‌شود. مواد گرم ساطع كننده انرژي هسته و طول موج اين تابش به درجه حرارت جسمي كه انرژي تابشي از دست مي‌‌دهد بستگي دارد. زمين نورمرئي را به اشعه مادون‌قرمز با طول موج بلندتر تبديل مي‌كند بخار ‌آب و تا حدي كمتر دي‌اكسيدكربن، اشعه مادون قرمز را جذب مي‌كنند. قطرات مايع آب موجود در ابرها نيز يك جاذب خيلي قوي اشعه مادون قرمز هستند و در نتيجه شب‌هاي ابري هميشه گرمتر از شب‌هاي صاف است.

3- انتقال آشفته : دومين طريقه مهم گرم شدن اتمسفر، انتقال انرژي بوسيله هدايت مستقيم، گرما از سطح زمين به اتمسفر با تماس مستقيم با آن است هوا يك هادي خيلي ضعيف انرژي گرمايي است چرا كه فقط پايين‌ترين قسمت اتمسفر بوسيله آن گرم مي‌شود. اما به محض گرم شدن، هوا گسترش يافته، صعود مي‌كند و از طريق همرفت گرمايي هدايت شده را به سطوح بالا انتقال مي‌دهد تركيب اعمال هدايت و همرفت در گرم كردن هوا را معمولاً تبادل گرمايي آشفته مي‌نامند.

4- گرماي نهان : هنگامي كه آب بخار شده از حالت مايع خارج مي‌گردد. 540 تا 600 كالري توسط هر گرم آب تبديل شده به بخار جذب مي‌شود. هيچ مقداري از اين گرما در تغيير دما دخالت ندارد. بلكه صرفاً براي تأمين انرژي لازم مولكول‌هاي آب جهت خارج شدن از حالت مايع به گاز مي باشد (تنها يك كالري لازم است كه دماي يك گرم آب را يك درجه سانتي‌گراد بالا ببرد)

540 تا 600 كالري كه براي تبديل يك گرم آب به گاز لازم است بسيار زياد مي‌باشد. سرانجام بخار آب در فرآيند تراكم قطرات آب، ابرها را بوجود آورده و در نتيجه گرماي نهان خود را به صورت گرماي محسوس آزاد مي‌كند.

5- پديده گلخانه : اتمسفر كره زمين همانند شيشه گلخانه، با جلوگيري از اتلاف انرژي برگشتي از سطح زمين، بخش اعظم انرژي تابش از خورشيد را محبوس مي‌كند زيرا جو زمين تقريباً شرايط شفافي را نسبت به تابش خورشيدي با امواج كوتاه دارد ولي در مقابل امواج طولاني تشعشع زمين تقريباً شرايط كدري را دارا مي باشد در اين بين بخار‌آب‌ـ ابرها و دي‌اكسيدكربن نقش بسيار عمده‌ايي در مقياس وسيعي در درون اتمسفر جهت بازداشتن از خروج تشعشع زمين به عهده دارند اين امر سرانجام شرايط پديده‌ گلخانه‌اي را براي جو زمين بوجود آورده و سبب افزايش درجه حرارت آن مي‌گردد.

مهمترين عوامل در تغيير مقدار انرژي تابش كه به سطح زمين مي‌رسد.

1- انحراف محور گردش وضعي و گردش به دور خورشيد : باعث مي‌شود كه اشعه خورشيد تحت زاويه‌اي كه با ايام سال و در نواحي مختلف متغير است به زمين مي‌رسد.

2- ضخامت اتمسفر : كه محل عبور اشعه خورشيد است انرژي خورشيدي كه وارد اتمسفر مي‌شود در ارتفاع كم بيشتر از ارتفاعات زياد، توسط هوا و ذرات خارجي موجود در جو تصفيه مي‌شود ضعف نور خورشيد به هنگام غروب را مي‌توان با تابش آن در ظهر مقايسه كرد.

3- ذرات خارجي از قبيل گردوغبار‌ـ ابر‌ـ در اتمنسفر با توجه به مكان و زمان داراي تغييرات مشخصي هستند. غبار روي قسمت‌هاي مياني اقيانوس حداقل و در صورتي كه اتمسفر شهرهاي صنعتي حداكثر مقدار غبار را دارد و ذرات غبار و آب در تصفيه قسمت زيادي از انرژي خورشيدي بوسيله جذب‌‌ـ انعكاس‌ و پخش حائز اهميت بسيارند.

4- دوره تابش خورشيدي : در يك مكان بندرت مي‌توان ديد كه دوره تابش خورشيدي ثابت باشد. اين امر خود سهم بسزائي در تغيير ميزان انرژي ورودي از خورشيد در دوره‌هاي مختلف سال و در نقاط مختلف كره زمين دارد.

5- تركيبات سطح زمين : تنوع در تركيبات زمين سبب تفاوت‌هاي چشمگيري در مقدار انرژي جذب شده مي‌گردد.

6- اثرات نا برابر خشكي‌‌ها و آبها : عواملي مانند شفافيت آب‌ـ گرماي ويژه خيلي بيشتر از گرماي ويژه سنگ و سيال بودن آب، جريان آب و عمل تبخير باعث گرم نامساوي خشكي و دريا مي‌شود.

تحقیق درباره اتمسفر

دید کلی

مایع یا گاز بر هر جسمی که در آن غوطه‌ور است فشار وارد می‌کند. این فشار را هیدروستاتیکی می‌گویند. پرده‌های گوش به تغییرات فشار هیدروستاتیک حساس‌اند. به همین دلیل وقتی در آب شیرجه می‌رویم و یا وقتی در آسانسور ناگهان بالا می‌رویم این تغییرات را احساس می‌کنیم. همه ما در ته یک دریای هوا زندگی می‌کنیم و از این هوا فشاری بر همه چیز وارد می‌شود. روش کلاسیک اندازه گیری این فشار که هنوز هم بطور وسیعی رایج است فشار سنج جیوه‌ای است.

اتمسفر چیست؟

در لایه‌های جو زمین فشار ناشی از هوای محیط به چگالی هوا و ارتفاع از سطح زمین ، دمای هوا و سرعت وزش باد وابسته است. این فشار بیشترین مقدارش را در سطح دریا دارد و در ارتفاعات بالا به شدت با تابع نمایی کاهش می‌یابد. برای همین است که در بالای کوه تخم مرغ زودتر پخته می‌شود و یا اینکه آب سریعتر می‌جوشد، زیرا فشار هوا پایین بوده و دما نیز ارتباط مستقیم با فشار هوا دارد. با این حال بر حسب رنج فشار جو زمین رابه لایه‌هایی طبقه بندی نموده‌اند. بد نیست بدانید که این فشار به تغییرات شدت تابش نور خورشید نیز بستگی دارد و در اثر توان تابش بالا ، افزایش می‌یابد.

طرز ساخت فشار سنج جیوه‌ای

یک لوله شیشه‌ای به طول حدود یک متر انتخاب و آنرا از جیوه پرکنید. انتهای باز لوله را با انگشت بگیرید و در همین حال آن را داخل یک ظرف پر از آب جیوه قرار دهید . وقتی انگشت خود را بردارید جیوه درلوله پایین می‌آید و یک ناحیه خلأ در فضای بالای جیوه تشکیل می‌دهد. جیوه در لوله ، در بالای ظرف جیوه ، معیاری از فشار هوا است.

توجه کنید که کار با فشار سنج جیوه‌ای اقدامات احتیاطی ویژه‌ای را لازم دارد. چون جیوه سمی است برای انجام آزمایش بایستی موارد احتیاطی کار با آن را رعایت نمایید.

اولین فشار سنج محتوی آب بود و ارتفاع ستون آن به بیش از 10.37m می‌رسید. استفاده از جیوه این امکان را فراهم کرد که طول لوله کوتاهتر باشد، زیرا چگالی جیوه بیش از 13 برابر چگالی آب است.

اندازه گیری فشار جو

وقتی فشار هوا برابر یک اتمسفر استاندارد یا 101.3pa است ، ارتفاع ستون جیوه چقدر است؟ تعادل هیدروستاتیکی وقتی برقرار می‌شود که فشار ناشی از وزن ستون جیوه در ته لوله ، با فشار جوی که جیوه را در ته لوله نگه می‌دارد و مانع ریختن آن در ظرف می‌شود، برابر باشد.

بنابراین می‌خواهیم بدانیم ، طول ستون جیوه چقدر باشد تا فشاری برابر 101.3paرا درته لوله تولید کند؟ حجم جیوه برابر است با طول ستون جیوه (h) ضرب در مساحت سطح آن (A) یعنی v = hA در نتیجه ، فشار اتمسفر بر حسب ارتفاع ستونی از جیوه که این فشار می‌تواند آن را در فشار سنج نگه دارد، اندازه گیری می‌شود.

P = ρgh

می‌توان بر حسب حجم سیال جابجا شده سیال به کمک نیروی ارشمیدس نیز فشار جو را اندازه گیری کرد. البته قوانین شارل گیلوساک ، بویل و مایروت و معادله حالت گازها سنجش فشار هوا را به مراتب آسان نموده‌اند.

تغييرات اتمسفر

1.تغييرات با ارتفاع : گازهاي سبكتر (بويژه هيدروژن‌ـ هليوم) اصولاً بايد در اتمسفر فوقاني بسيار فراوان باشند. تغييرات اساسي وابسته به ميزان دو گاز عمده غير دائمي يعني بخارآب و ازن مي‌باشد.

بخار آب : هوا‌ در بعضي نواحي تقريباً فاقد بخار آب و دربرخي نقاط تا 4 درصد از نظر حجم خود داراي رطوبت است. 90 درصد از بخار آب در پايين‌ترين قسمت اتمسفر حدود 6 كيلومتري از سطح زمين قرار گرفته است.

ازن : عمدتاً در 15 تا 35 كيلومتري از ضخامت اتمسفر، متمركز مي‌شود. اشعه ماوراء بنفش كه لايه‌هاي فوقاني اتمسفر را منور مي‌كند سبب تجزيه مولكول‌هاي اكسيژن در لايه‌هاي بين 80 تا 100 كيلومتر مي‌گردد.

2.تغييرات در ارتباط با فصل و عرض جغرافيايي : مقدار ازن در روي استوا كم و در عرض‌هاي فوق 50 درجه شمالي بويژه در بهار بيشتر مي‌شود.

ازن ذخيره شده در طول «شب قطبي» سبب به وجود آمدن يك لايه غني از آن در اوايل بهار مي‌گردد.

مقدار آب دقيقاً وابسته به حرارت است از اين رو در عرض‌هاي پايين و تابستان‌ها بيشتر است ولي در بيابانهاي مناطق حاره استثنا مي‌باشد.

3.تغييرات با زمان : كميت‌هايي از دي‌اكسيدكربن و ازن در اتمسفر ممكن است مربوط به تغييرات در طي دوره‌ايي طولاني باشد. دي اكسيدكربن به طور عمده بوسيله كنش ارگانيزم‌هاي زنده در زمين و دريا وارد اتمسفر مي‌شود. از منابع كوچك ديگر فساد عناصر اورگانيك در خاك و اشتعال سوخت‌هاي فسيل مي‌باشند افزايش ميزان دي‌اكسيدكربن سبب مي‌شود كه اتمسفر به مقدار زياد، انرژي حاصل از خورشيد را بگيرد.

اگر تغييراتي در اشعه ماوراء بنفش خورشيد رخ دهد در ارتباط با آن تغييراتي نيز ممكن است در ميزان ازن حاصل آيد زيرا ازن هم تابش خورشيد و هم تشعشع زميني را جذب مي‌كند.

گرم شدن اتمسفر

بطور كلي اتمسفر كره زمين تمام گرماي طبيعي خود را به طور مستقيم و يا غيرمستقيم از خورشيد دريافت مي‌كند. اين امر به طرق زير صورت مي‌پذيرد:

1.انرژي تابشي : انرژي تابشي دريافت شده از خورشيد، گستره‌اي از طول موج‌ها است كه بنام طيف خورشيدي معروف است. در اين طيف وسيع بلندترين امواج (امواج راديويي) حدود 10n برابر امواج كوتاه (اشعه گاما) مي‌باشد ولي حداكثر انرژي و مقدار زيادي از كل انرژي تابش در محدوده كم عرض قسمت مرئي واقع است.

امواج مرئي خورشيدي از درون گازهاي اتمسفر عبور مي‌كنند ولي اشعه ماوراي بنفش با طول موج كوتاه، در اتمسفر فوقاني جذب مي‌گردد. مقداري از اشعه مادون‌قرمز توسط دي‌‌اكسيدكربن و بخار آب اتمسفر تحتاني جذب مي‌شود. اما بيشتر انرژي خورشيدي بدون اينكه توسط هوا جذب شود. به زمين مي‌رسد.

گرما قسمت اعظمي از اتمسفر در وهله اول بوسيله سطح زيرين آن، پس از گرم شدن توسط تابش خورشيدي تأمين مي‌شود. سه طريقه انتقال گرما (تابش‌ـ رسانش‌ـ همرفت) به همراه گرماي نهان تبخير در هم آميخته اتمسفر را گرم مي‌كنند.

2. تشعشع زمين : سطح زمين با جذب نورخورشيدي، به نوبه خود گرم مي‌شود. مواد گرم ساطع كننده انرژي هسته و طول موج اين تابش به درجه حرارت جسمي كه انرژي تابشي از دست مي‌‌دهد بستگي دارد. زمين نورمرئي را به اشعه مادون‌قرمز با طول موج بلندتر تبديل مي‌كند بخار ‌آب و تا حدي كمتر دي‌اكسيدكربن، اشعه مادون قرمز را جذب مي‌كنند. قطرات مايع آب موجود در ابرها نيز يك جاذب خيلي قوي اشعه مادون قرمز هستند و در نتيجه شب‌هاي ابري هميشه گرمتر از شب‌هاي صاف است.

3.انتقال آشفته : دومين طريقه مهم گرم شدن اتمسفر، انتقال انرژي بوسيله هدايت مستقيم، گرما از سطح زمين به اتمسفر با تماس مستقيم با آن است هوا يك هادي خيلي ضعيف انرژي گرمايي است چرا كه فقط پايين‌ترين قسمت اتمسفر بوسيله آن گرم مي‌شود. اما به محض گرم شدن، هوا گسترش يافته، صعود مي‌كند و از طريق همرفت گرمايي هدايت شده را به سطوح بالا انتقال مي‌دهد تركيب اعمال هدايت و همرفت در گرم كردن هوا را معمولاً تبادل گرمايي آشفته مي‌نامند.

4. گرماي نهان : هنگامي كه آب بخار شده از حالت مايع خارج مي‌گردد. 540 تا 600 كالري توسط هر گرم آب تبديل شده به بخار جذب مي‌شود. هيچ مقداري از اين گرما در تغيير دما دخالت ندارد. بلكه صرفاً براي تأمين انرژي لازم مولكول‌هاي آب جهت خارج شدن از حالت مايع به گاز مي باشد (تنها يك كالري لازم است كه دماي يك گرم آب را يك درجه سانتي‌گراد بالا ببرد)

540 تا 600 كالري كه براي تبديل يك گرم آب به گاز لازم است بسيار زياد مي‌باشد. سرانجام بخار آب در فرآيند تراكم قطرات آب، ابرها را بوجود آورده و در نتيجه گرماي نهان خود را به صورت گرماي محسوس آزاد مي‌كند.

5.پديده گلخانه : اتمسفر كره زمين همانند شيشه گلخانه، با جلوگيري از اتلاف انرژي برگشتي از سطح زمين، بخش اعظم انرژي تابش از خورشيد را محبوس مي‌كند زيرا جو زمين تقريباً شرايط شفافي را نسبت به تابش خورشيدي با امواج كوتاه دارد ولي در مقابل امواج طولاني تشعشع زمين تقريباً شرايط كدري را دارا مي باشد در اين بين بخار‌آب‌ـ ابرها و دي‌اكسيدكربن نقش بسيار عمده‌ايي در مقياس وسيعي در درون اتمسفر جهت بازداشتن از خروج تشعشع زمين به عهده دارند اين امر سرانجام شرايط پديده‌ گلخانه‌اي را براي جو زمين بوجود آورده و سبب افزايش درجه حرارت آن مي‌گردد.