درجة حرارة طبقات الغلاف الجوي المختلفة. الغلاف الجوي هو الطبقة الهوائية للأرض. حركة الكتل الهوائية في الغلاف الجوي

الغلاف الجوي هو الغلاف الجوي للأرض. تمتد حتى 3000 كم من سطح الأرض. يمكن تتبع آثاره حتى ارتفاع يصل إلى 10000 كم. ألف كثافة غير متساوية 50 5 ؛ تتركز كتلتها حتى 5 كم ، 75 ٪ - حتى 10 كم ، 90 ٪ - حتى 16 كم.

يتكون الغلاف الجوي من الهواء - خليط ميكانيكي من عدة غازات.

نتروجين(78٪) في الغلاف الجوي يلعب دور مخفف الأكسجين ، حيث ينظم معدل الأكسدة ، وبالتالي معدل وكثافة العمليات البيولوجية. النيتروجين هو العنصر الرئيسي في الغلاف الجوي للأرض ، والذي يتم تبادله باستمرار مع المادة الحية للغلاف الحيوي ، ومكونات هذا الأخير هي مركبات النيتروجين (الأحماض الأمينية ، البيورينات ، إلخ). يحدث استخراج النيتروجين من الغلاف الجوي بطرق غير عضوية وكيميائية حيوية ، على الرغم من ارتباطها الوثيق ببعضها البعض. يرتبط الاستخراج غير العضوي بتكوين مركباته N 2 O و N 2 O 5 و NO 2 و NH 3. توجد في هطول الأمطار في الغلاف الجوي وتتشكل في الغلاف الجوي تحت تأثير التصريفات الكهربائية أثناء العواصف الرعدية أو التفاعلات الكيميائية الضوئية تحت تأثير الإشعاع الشمسي.

يتم إجراء التثبيت البيولوجي للنيتروجين بواسطة بعض البكتيريا في تكافل مع النباتات الأعلى في التربة. يتم إصلاح النيتروجين أيضًا بواسطة بعض الكائنات الحية الدقيقة من العوالق والطحالب في البيئة البحرية. من الناحية الكمية ، يتجاوز الارتباط البيولوجي للنيتروجين تثبيته غير العضوية. يستغرق تبادل كل النيتروجين في الغلاف الجوي حوالي 10 ملايين سنة. يوجد النيتروجين في الغازات البركانية والصخور النارية. عندما يتم تسخين عينات مختلفة من الصخور البلورية والنيازك ، يتم إطلاق النيتروجين في شكل جزيئات N 2 و NH 3. ومع ذلك ، فإن الشكل الرئيسي لوجود النيتروجين ، سواء على الأرض أو على الكواكب الأرضية ، هو الجزيئي. تتأكسد الأمونيا ، التي تدخل الغلاف الجوي العلوي ، بسرعة ، وتطلق النيتروجين. في الصخور الرسوبية ، يتم دفنها مع المواد العضوية وتوجد بكمية متزايدة في الرواسب البيتومينية. في عملية التحول الإقليمي لهذه الصخور ، يتم إطلاق النيتروجين بأشكال مختلفة في الغلاف الجوي للأرض.

دورة النيتروجين الجيوكيميائية (

الأكسجين(21٪) تستخدمه الكائنات الحية للتنفس ، وهي جزء من مادة عضوية (بروتينات ، دهون ، كربوهيدرات). الأوزون O 3. منع الأشعة فوق البنفسجية التي تهدد الحياة من الشمس.

الأكسجين هو ثاني أكثر الغازات وفرة في الغلاف الجوي ، ويلعب دورًا مهمًا للغاية في العديد من العمليات في المحيط الحيوي. الشكل السائد لوجودها هو O 2. في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، وتحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية ، يحدث تفكك جزيئات الأكسجين ، وعلى ارتفاع حوالي 200 كم ، تصبح نسبة الأكسجين الذري إلى الجزيئي (O: O 2) مساوية لـ 10. عندما تتفاعل هذه الأشكال من الأكسجين في الغلاف الجوي (على ارتفاع 20-30 كم) ، حزام الأوزون (درع الأوزون). الأوزون (O 3) ضروري للكائنات الحية ، مما يؤخر معظم الأشعة فوق البنفسجية التي تضر بها.

في المراحل الأولى من تطور الأرض ، نشأ الأكسجين الحر بكميات صغيرة جدًا نتيجة للانفصال الضوئي لثاني أكسيد الكربون وجزيئات الماء في الغلاف الجوي العلوي. ومع ذلك ، تم استهلاك هذه الكميات الصغيرة بسرعة في أكسدة الغازات الأخرى. مع ظهور كائنات التمثيل الضوئي ذاتية التغذية في المحيط ، تغير الوضع بشكل كبير. بدأت كمية الأكسجين الحر في الغلاف الجوي في الزيادة تدريجياً ، مما أدى إلى أكسدة العديد من مكونات الغلاف الحيوي. وهكذا ، ساهمت الأجزاء الأولى من الأكسجين الحر بشكل أساسي في تحويل الأشكال الحديدية للحديد إلى أكسيد ، والكبريتيدات إلى كبريتات.

في النهاية ، وصلت كمية الأكسجين الحر في الغلاف الجوي للأرض إلى كتلة معينة واتضح أنها متوازنة بحيث أصبحت الكمية المنتجة مساوية للكمية الممتصة. تم إنشاء ثبات نسبي لمحتوى الأكسجين الحر في الغلاف الجوي.

دورة الأكسجين الجيوكيميائية (V.A. فرونسكي ، ج. فويتكيفيتش)

ثاني أكسيد الكربون، يذهب إلى تكوين المادة الحية ، ويخلق مع بخار الماء ما يسمى ب "تأثير الدفيئة (الدفيئة)."

الكربون (ثاني أكسيد الكربون) - معظمه في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون وأقل بكثير في شكل الميثان. أهمية التاريخ الجيوكيميائي للكربون في المحيط الحيوي عظيمة بشكل استثنائي ، لأنه جزء من جميع الكائنات الحية. داخل الكائنات الحية ، تكون الأشكال المختزلة من الكربون هي السائدة ، وفي بيئة المحيط الحيوي ، المؤكسدة. وهكذا ، يتم إنشاء التبادل الكيميائي لدورة الحياة: CO 2 مادة حية.

المصدر الأساسي لثاني أكسيد الكربون في المحيط الحيوي هو النشاط البركاني المرتبط بإزالة الغازات الدنيوية من الوشاح والآفاق السفلية لقشرة الأرض. ينشأ جزء من ثاني أكسيد الكربون هذا من التحلل الحراري للحجر الجيري القديم في مناطق متحولة مختلفة. تتم هجرة ثاني أكسيد الكربون في المحيط الحيوي بطريقتين.

يتم التعبير عن الطريقة الأولى في امتصاص ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي مع تكوين المواد العضوية والدفن اللاحق في ظروف اختزال مواتية في الغلاف الصخري في شكل الخث والفحم والزيت والصخر الزيتي. وفقًا للطريقة الثانية ، يؤدي انتقال الكربون إلى إنشاء نظام كربونات في الغلاف المائي ، حيث يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى H 2 CO 3 ، HCO 3-1 ، CO 3-2. ثم ، بمشاركة الكالسيوم (أقل في كثير من الأحيان المغنيسيوم والحديد) ، يحدث ترسيب الكربونات بطريقة حيوية وغير حيوية. تظهر طبقات سميكة من الحجر الجيري والدولوميت. وفقًا لـ A.B. رونوف ، كانت نسبة الكربون العضوي (Corg) إلى كربونات الكربون (Ccarb) في تاريخ المحيط الحيوي 1: 4.

إلى جانب الدورة العالمية للكربون ، هناك عدد من دوراته الصغيرة. لذلك ، على الأرض ، تمتص النباتات الخضراء ثاني أكسيد الكربون لعملية التمثيل الضوئي خلال النهار ، وفي الليل تطلقه في الغلاف الجوي. مع موت الكائنات الحية على سطح الأرض ، تتأكسد المادة العضوية (بمشاركة الكائنات الحية الدقيقة) مع إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. في العقود الأخيرة ، احتل الاحتراق الهائل للوقود الأحفوري وزيادة محتواه في الغلاف الجوي الحديث مكانًا خاصًا في دورة الكربون.

دورة الكربون في غلاف جغرافي (حسب ف. راماد ، 1981)

أرجون- ثالث أكثر غازات الغلاف الجوي شيوعًا ، والذي يميزه بشكل حاد عن الغازات الخاملة الأخرى النادرة جدًا. ومع ذلك ، فإن الأرجون في تاريخه الجيولوجي يشترك في مصير هذه الغازات ، والتي تتميز بميزتين:

عدم رجعة تراكمها في الغلاف الجوي ؛
ارتباط وثيق مع الاضمحلال الإشعاعي لبعض النظائر غير المستقرة.

تقع الغازات الخاملة خارج دوران معظم العناصر الحلقية في المحيط الحيوي للأرض.

يمكن تقسيم جميع الغازات الخاملة إلى غازات أولية ومشعة. العناصر الأساسية هي تلك التي تم التقاطها بواسطة الأرض أثناء تكوينها. هم نادرون للغاية. يتم تمثيل الجزء الأساسي من الأرجون بشكل أساسي من خلال 36 نظير Ar و 38 Ar ، بينما يتكون الأرجون الجوي بالكامل من نظير 40 Ar (99.6 ٪) ، وهو بلا شك مشع. في الصخور المحتوية على البوتاسيوم ، يتراكم الأرجون المشع بسبب تحلل البوتاسيوم -40 عن طريق التقاط الإلكترون: 40 K + e → 40 Ar.

لذلك ، يتم تحديد محتوى الأرجون في الصخور حسب العمر وكمية البوتاسيوم. إلى هذا الحد ، فإن تركيز الهيليوم في الصخور هو دالة على عمرها ومحتوى الثوريوم واليورانيوم. يتم إطلاق الأرجون والهيليوم في الغلاف الجوي من باطن الأرض أثناء الانفجارات البركانية ، من خلال الشقوق في قشرة الأرض على شكل نفاثات غازية ، وأيضًا أثناء تجوية الصخور. وفقًا للحسابات التي أجراها P. Dimon و J. Culp ، يتراكم الهيليوم والأرجون في القشرة الأرضية في العصر الحديث ويدخلان الغلاف الجوي بكميات صغيرة نسبيًا. معدل دخول هذه الغازات المشعة منخفض جدًا لدرجة أنه خلال التاريخ الجيولوجي للأرض لم يتمكن من توفير المحتوى المرصود لها في الغلاف الجوي الحديث. لذلك ، يبقى أن نفترض أن معظم الأرجون في الغلاف الجوي جاء من أحشاء الأرض في المراحل الأولى من تطورها ، وأضيف جزء أصغر بكثير لاحقًا في عملية البراكين وأثناء تجوية البوتاسيوم- تحتوي على صخور.

وهكذا ، خلال الزمن الجيولوجي ، كان للهيليوم والأرجون عمليات هجرة مختلفة. يوجد القليل جدًا من الهيليوم في الغلاف الجوي (حوالي 5 * 10-4٪) ، و "نفس الهيليوم" للأرض كان أخف ، لأنه ، باعتباره أخف الغازات ، يتسرب إلى الفضاء الخارجي. و "أنفاس الأرجون" - الثقيل والأرجون بقي داخل كوكبنا. ارتبطت معظم الغازات الخاملة الأولية ، مثل النيون والزينون ، بالنيون الأساسي الذي تلتقطه الأرض أثناء تكوينها ، وكذلك مع إطلاقها في الغلاف الجوي أثناء تفريغ الوشاح. يشير إجمالي البيانات المتعلقة بالكيمياء الجيولوجية للغازات النبيلة إلى أن الغلاف الجوي الأولي للأرض نشأ في المراحل الأولى من تطوره.

يحتوي الغلاف الجوي بخار الماءو ماءفي الحالة السائلة والصلبة. الماء في الغلاف الجوي هو مُركِب هام للحرارة.

تحتوي الطبقات السفلية من الغلاف الجوي على كمية كبيرة من الغبار والهباء الجوي المعدني والتكنولوجي ومنتجات الاحتراق والأملاح والجراثيم وحبوب اللقاح النباتية ، إلخ.

حتى ارتفاع 100-120 كم ، بسبب الاختلاط الكامل للهواء ، يكون تكوين الغلاف الجوي متجانسًا. النسبة بين النيتروجين والأكسجين ثابتة. في الأعلى ، تسود الغازات الخاملة والهيدروجين وما إلى ذلك ، وفي الطبقات السفلية من الغلاف الجوي يوجد بخار ماء. مع المسافة من الأرض ، يتناقص محتواها. أعلاه ، تتغير نسبة الغازات ، على سبيل المثال ، على ارتفاع 200-800 كم ، يسود الأكسجين على النيتروجين بنسبة 10-100 مرة.

الغلاف الجوي هو الغلاف الغازي لكوكبنا الذي يدور مع الأرض. يسمى الغاز الموجود في الغلاف الجوي بالهواء. الغلاف الجوي على اتصال مع الغلاف المائي ويغطي جزئيًا الغلاف الصخري. لكن من الصعب تحديد الحدود العليا. تقليديًا ، يُفترض أن الغلاف الجوي يمتد لأعلى لحوالي ثلاثة آلاف كيلومتر. هناك يتدفق بسلاسة في الفضاء الخالي من الهواء.

التركيب الكيميائي للغلاف الجوي للأرض

بدأ تكوين التركيب الكيميائي للغلاف الجوي منذ حوالي أربعة مليارات سنة. في البداية ، كان الغلاف الجوي يتألف فقط من الغازات الخفيفة - الهيليوم والهيدروجين. وفقًا للعلماء ، كانت المتطلبات الأولية لإنشاء قشرة غازية حول الأرض هي الانفجارات البركانية ، والتي ، جنبًا إلى جنب مع الحمم البركانية ، تنبعث منها كمية هائلة من الغازات. بعد ذلك ، بدأ تبادل الغازات بمساحات مائية ، مع الكائنات الحية ، مع منتجات نشاطها. تغير تكوين الهواء تدريجيًا وتم إصلاح شكله الحالي منذ عدة ملايين من السنين.

المكونات الرئيسية للغلاف الجوي هي النيتروجين (حوالي 79٪) والأكسجين (20٪). النسبة المتبقية (1٪) يتم حسابها من الغازات التالية: الأرجون ، النيون ، الهيليوم ، الميثان ، ثاني أكسيد الكربون ، الهيدروجين ، الكريبتون ، الزينون ، الأوزون ، الأمونيا ، ثاني أكسيد الكبريت والنيتروجين ، أكسيد النيتروز وأول أكسيد الكربون ، المدرجة في هذا واحد بالمئة.

بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي الهواء على بخار الماء والمواد الجسيمية (حبوب اللقاح النباتية ، الغبار ، بلورات الملح ، شوائب الهباء الجوي).

في الآونة الأخيرة ، لم يلاحظ العلماء تغييرًا نوعيًا ، بل تغييرًا كميًا في بعض مكونات الهواء. والسبب في ذلك هو الشخص ونشاطه. فقط في المائة عام الماضية ، زاد محتوى ثاني أكسيد الكربون بشكل ملحوظ! هذا محفوف بالعديد من المشاكل ، وأكثرها عالمية هو تغير المناخ.

تكوين الطقس والمناخ

يلعب الغلاف الجوي دورًا حيويًا في تشكيل المناخ والطقس على الأرض. يعتمد الكثير على كمية ضوء الشمس ، على طبيعة السطح الأساسي ودورة الغلاف الجوي.

دعونا نلقي نظرة على العوامل بالترتيب.

1. ينقل الغلاف الجوي حرارة أشعة الشمس ويمتص الإشعاعات الضارة. عرف الإغريق القدماء أن أشعة الشمس تسقط على أجزاء مختلفة من الأرض بزوايا مختلفة. كلمة "مناخ" في الترجمة من اليونانية القديمة تعني "منحدر". لذلك ، عند خط الاستواء ، تسقط أشعة الشمس عموديًا تقريبًا ، لأنها شديدة الحرارة هنا. كلما اقتربنا من القطبين ، زادت زاوية الميل. ودرجة الحرارة تنخفض.

2. بسبب التسخين غير المتكافئ للأرض ، تتشكل تيارات الهواء في الغلاف الجوي. يتم تصنيفها حسب حجمها. أصغرها (عشرات ومئات الأمتار) هي الرياح المحلية. ويلي ذلك الرياح الموسمية والرياح التجارية والأعاصير والأعاصير المضادة ، والمناطق الأمامية للكواكب.

كل هذه الكتل الهوائية تتحرك باستمرار. بعضها ثابت تمامًا. على سبيل المثال ، الرياح التجارية التي تهب من المناطق شبه الاستوائية باتجاه خط الاستواء. حركة الآخرين تعتمد إلى حد كبير على الضغط الجوي.

3. الضغط الجوي هو عامل آخر يؤثر على تكوين المناخ. هذا هو ضغط الهواء على سطح الأرض. كما تعلم ، تتحرك الكتل الهوائية من منطقة ذات ضغط جوي مرتفع نحو منطقة يكون فيها هذا الضغط أقل.

هناك 7 مناطق في المجموع. خط الاستواء هو منطقة ضغط منخفض. علاوة على ذلك ، على جانبي خط الاستواء حتى خطوط العرض الثلاثين - منطقة ضغط مرتفع. من 30 درجة إلى 60 درجة - ضغط منخفض مرة أخرى. ومن 60 درجة إلى القطبين - منطقة الضغط العالي. تنتشر الكتل الهوائية بين هذه المناطق. تلك التي تنطلق من البحر إلى اليابسة تجلب الأمطار والطقس السيئ ، وتلك التي تهب من القارات تجلب طقسًا صافًا وجافًا. في الأماكن التي تتصادم فيها التيارات الهوائية ، تتشكل مناطق الجبهة الجوية ، والتي تتميز بهطول الأمطار والطقس العاصف والرياح.

لقد أثبت العلماء أنه حتى رفاهية الشخص تعتمد على الضغط الجوي. وفقًا للمعايير الدولية ، يبلغ الضغط الجوي الطبيعي 760 ملم زئبق. عمود عند 0 درجة مئوية. يتم حساب هذا الرقم لتلك المناطق من الأرض التي تكاد تكون متدفقة مع مستوى سطح البحر. الضغط يتناقص مع الارتفاع. لذلك ، على سبيل المثال ، بالنسبة لسانت بطرسبرغ 760 ملم زئبق. - هي القاعدة. لكن بالنسبة لموسكو ، الواقعة أعلى ، يبلغ الضغط الطبيعي 748 ملم زئبق.

لا يتغير الضغط رأسيًا فحسب ، بل يتغير أيضًا أفقيًا. هذا محسوس بشكل خاص أثناء مرور الأعاصير.

هيكل الغلاف الجوي

الغلاف الجوي يشبه طبقة الكعكة. ولكل طبقة خصائصها الخاصة.

. تروبوسفيرهي الطبقة الأقرب إلى الأرض. يتغير "سمك" هذه الطبقة كلما ابتعدت عن خط الاستواء. فوق خط الاستواء ، تمتد الطبقة لأعلى لمسافة 16-18 كم ، في المناطق المعتدلة - لمدة 10-12 كم ، عند القطبين - لمدة 8-10 كم.

هنا يتم احتواء 80٪ من الكتلة الكلية للهواء و 90٪ من بخار الماء. تتشكل الغيوم هنا ، وتنشأ الأعاصير والأعاصير المضادة. تعتمد درجة حرارة الهواء على ارتفاع المنطقة. في المتوسط ، تنخفض بمقدار 0.65 درجة مئوية لكل 100 متر.

. تروبوبوز- الطبقة الانتقالية للغلاف الجوي. يبلغ ارتفاعها من عدة مئات من الأمتار إلى 1-2 كم. تكون درجة حرارة الهواء في الصيف أعلى منها في الشتاء. لذلك ، على سبيل المثال ، فوق القطبين في الشتاء -65 درجة مئوية وفوق خط الاستواء في أي وقت من السنة تكون -70 درجة مئوية.

. الستراتوسفير- هذه طبقة ، يمتد حدها العلوي على ارتفاع 50-55 كيلومترًا. الاضطراب منخفض هنا ، ومحتوى بخار الماء في الهواء لا يكاد يذكر. لكن الكثير من الأوزون. أقصى تركيز له على ارتفاع 20-25 كم. في طبقة الستراتوسفير ، تبدأ درجة حرارة الهواء في الارتفاع لتصل إلى +0.8 درجة مئوية ، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن طبقة الأوزون تتفاعل مع الأشعة فوق البنفسجية.

. ستراتوبوز- طبقة متوسطة منخفضة بين الستراتوسفير والميزوسفير الذي يليها.

. الميزوسفير- الحد الأعلى لهذه الطبقة 80-85 كيلومتر. هنا تحدث عمليات كيميائية ضوئية معقدة تتضمن الجذور الحرة. هم الذين يوفرون ذلك التوهج الأزرق اللطيف لكوكبنا ، والذي يُرى من الفضاء.

تحترق معظم المذنبات والنيازك في طبقة الميزوسفير.

. الميزوبوس- الطبقة المتوسطة التالية ، درجة حرارة الهواء فيها على الأقل -90 درجة.

. ثيرموسفير- يبدأ الحد الأدنى على ارتفاع 80-90 كم ، ويمر الحد الأعلى للطبقة عند علامة 800 كم تقريبًا. درجة حرارة الهواء آخذة في الارتفاع. يمكن أن تتراوح من + 500 درجة مئوية إلى + 1000 درجة مئوية خلال النهار ، تصل تقلبات درجات الحرارة إلى مئات الدرجات! لكن الهواء هنا مخلخل لدرجة أن فهم مصطلح "درجة الحرارة" كما نتخيله غير مناسب هنا.

. الأيونوسفير- يوحد الميزوسفير ، الميزوبوز والغلاف الحراري. يتكون الهواء هنا بشكل أساسي من جزيئات الأكسجين والنيتروجين ، بالإضافة إلى البلازما شبه المحايدة. أشعة الشمس ، التي تسقط في طبقة الأيونوسفير ، تؤين جزيئات الهواء بقوة. في الطبقة السفلى (حتى 90 كم) ، تكون درجة التأين منخفضة. كلما زادت نسبة التأين. لذلك ، على ارتفاع 100-110 كم ، تتركز الإلكترونات. هذا يساهم في انعكاس موجات الراديو القصيرة والمتوسطة.

أهم طبقة من الأيونوسفير هي الطبقة العلوية التي تقع على ارتفاع 150-400 كم. خصوصيته أنه يعكس موجات الراديو ، وهذا يساهم في إرسال الإشارات الراديوية عبر مسافات طويلة.

في الأيونوسفير تحدث ظاهرة مثل الشفق القطبي.

. إكزوسفير- يتكون من ذرات الأكسجين والهيليوم والهيدروجين. يكون الغاز في هذه الطبقة متخلخًا جدًا ، وغالبًا ما تهرب ذرات الهيدروجين إلى الفضاء الخارجي. لذلك ، تسمى هذه الطبقة "منطقة التشتت".

أول عالم اقترح أن غلافنا الجوي له وزن هو الإيطالي E. Torricelli. أوستاب بندر ، على سبيل المثال ، في رواية "العجل الذهبي" أعرب عن أسفه لأن كل شخص تم ضغطه بواسطة عمود هوائي وزنه 14 كجم! لكن الاستراتيجي الكبير كان مخطئًا بعض الشيء. شخص بالغ يعاني من ضغط 13-15 طن! لكننا لا نشعر بهذا الثقل ، لأن الضغط الجوي يوازنه الضغط الداخلي للإنسان. وزن غلافنا الجوي هو 5،300،000،000،000،000 طن. الرقم هائل ، على الرغم من أنه لا يمثل سوى جزء من المليون من وزن كوكبنا.

تكوين الغلاف الجوي.الغلاف الجوي لكوكبنا - أَجواءيحمي سطح الأرض من التأثيرات الضارة على الكائنات الحية من الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس. كما أنه يحمي الأرض من الجسيمات الكونية - الغبار والنيازك.

يتكون الغلاف الجوي من خليط ميكانيكي من الغازات: 78٪ من حجمه نيتروجين ، 21٪ أكسجين ، وأقل من 1٪ هيليوم ، أرجون ، كريبتون وغازات خاملة أخرى. لا تتغير كمية الأكسجين والنيتروجين في الهواء عمليًا ، لأن النيتروجين تقريبًا لا يدخل في مجموعات مع مواد أخرى ، والأكسجين ، على الرغم من نشاطه الشديد ويتم إنفاقه على التنفس والأكسدة والاحتراق ، يتم تجديده باستمرار بواسطة النباتات.

حتى ارتفاع يصل إلى حوالي 100 كيلومتر ، تظل النسبة المئوية لهذه الغازات دون تغيير عمليًا. هذا يرجع إلى حقيقة أن الهواء مختلط باستمرار.

بالإضافة إلى هذه الغازات ، يحتوي الغلاف الجوي على حوالي 0.03٪ من ثاني أكسيد الكربون ، والذي يتركز عادة بالقرب من سطح الأرض ويتوزع بشكل غير متساو: في المدن والمراكز الصناعية ومناطق النشاط البركاني ، تزداد كميته.

هناك دائمًا كمية معينة من الشوائب في الغلاف الجوي - بخار الماء والغبار. يعتمد محتوى بخار الماء على درجة حرارة الهواء: فكلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد البخار الذي يحمله الهواء. نظرًا لوجود الماء البخاري في الهواء ، فإن الظواهر الجوية مثل قوس قزح وانكسار ضوء الشمس وما إلى ذلك ممكنة.

يدخل الغبار إلى الغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية والعواصف الرملية والترابية ، مع الاحتراق غير الكامل للوقود في محطات الطاقة الحرارية ، إلخ.

هيكل الغلاف الجوي.تتغير كثافة الغلاف الجوي مع الارتفاع: فهو أعلى مستوى عند سطح الأرض ، وينخفض كلما ارتفع. لذلك ، على ارتفاع 5.5 كم ، تكون كثافة الغلاف الجوي مرتين ، وعلى ارتفاع 11 كم - 4 مرات أقل من الطبقة السطحية.

اعتمادًا على كثافة الغازات وتكوينها وخصائصها ، ينقسم الغلاف الجوي إلى خمس طبقات متحدة المركز (الشكل 34).

أرز. 34.القسم الرأسي للغلاف الجوي (طبقات الغلاف الجوي)

1. الطبقة السفلية تسمى التروبوسفير.يمتد حده العلوي على ارتفاع 8-10 كم عند القطبين و16-18 كم عند خط الاستواء. تحتوي طبقة التروبوسفير على ما يصل إلى 80٪ من الكتلة الكلية للغلاف الجوي وتقريبًا كل بخار الماء.

تنخفض درجة حرارة الهواء في طبقة التروبوسفير مع الارتفاع بمقدار 0.6 درجة مئوية كل 100 متر وعند حدودها العليا تكون -45-55 درجة مئوية.

يختلط الهواء في طبقة التروبوسفير باستمرار ويتحرك في اتجاهات مختلفة. هنا فقط يتم ملاحظة الضباب والأمطار وتساقط الثلوج والعواصف الرعدية والعواصف وظواهر الطقس الأخرى.

2. أعلاه يقع الستراتوسفيرالتي تمتد على ارتفاع 50-55 كم. كثافة الهواء والضغط في الستراتوسفير لا يكاد يذكر. يتكون الهواء المخلخل من نفس الغازات الموجودة في طبقة التروبوسفير ، ولكنه يحتوي على المزيد من الأوزون. لوحظ أعلى تركيز للأوزون على ارتفاع 15-30 كم. ترتفع درجة الحرارة في الستراتوسفير بارتفاع وتصل إلى 0 درجة مئوية أو أكثر عند حدودها العليا. هذا يرجع إلى حقيقة أن الأوزون يمتص الجزء ذي الطول الموجي القصير من الطاقة الشمسية ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الهواء.

3. يقع فوق الستراتوسفير الميزوسفيرتمتد على ارتفاع 80 كم. في ذلك ، تنخفض درجة الحرارة مرة أخرى وتصل إلى -90 درجة مئوية. كثافة الهواء هناك 200 مرة أقل من كثافة سطح الأرض.

4. فوق طبقة الميزوسفير الغلاف الحراري(من 80 إلى 800 كم). ترتفع درجة الحرارة في هذه الطبقة: على ارتفاع 150 كم إلى 220 درجة مئوية ؛ على ارتفاع 600 كم إلى 1500 درجة مئوية. غازات الغلاف الجوي (النيتروجين والأكسجين) في حالة متأينة. تحت تأثير الإشعاع الشمسي قصير الموجة ، تنفصل الإلكترونات الفردية عن قذائف الذرات. نتيجة لذلك ، في هذه الطبقة - الأيونوسفيرتظهر طبقات من الجسيمات المشحونة. الطبقة الأكثر كثافة هي على ارتفاع 300-400 كم. وبسبب قلة الكثافة لا تتناثر أشعة الشمس هناك فتكون السماء سوداء وتسطع النجوم والكواكب عليها.

في الأيونوسفير هناك الشفق القطبية،تتولد تيارات كهربائية قوية تسبب اضطرابات في المجال المغناطيسي للأرض.

5. فوق 800 كم يقع الغلاف الخارجي - اكسوسفير.تقترب سرعة حركة الجسيمات الفردية في الغلاف الخارجي من النقطة الحرجة - 11.2 مم / ثانية ، لذلك يمكن للجسيمات الفردية التغلب على جاذبية الأرض والهروب إلى الفضاء العالمي.

قيمة الغلاف الجوي.دور الغلاف الجوي في حياة كوكبنا عظيم بشكل استثنائي. بدونها ، ستكون الأرض ميتة. يحمي الغلاف الجوي سطح الأرض من الحرارة الشديدة والتبريد. يمكن تشبيه تأثيرها بدور الزجاج في البيوت الزجاجية: للسماح بدخول أشعة الشمس ومنع الحرارة من الهروب.

يحمي الغلاف الجوي الكائنات الحية من الموجات القصيرة والإشعاع الجسدي للشمس. الغلاف الجوي هو البيئة التي تحدث فيها ظواهر الطقس ، والتي ترتبط بها جميع الأنشطة البشرية. تتم دراسة هذه القذيفة في محطات الأرصاد الجوية. في النهار والليل ، في أي طقس ، يراقب خبراء الأرصاد حالة الغلاف الجوي السفلي. أربع مرات في اليوم وفي العديد من المحطات كل ساعة يقيسون درجة الحرارة والضغط ورطوبة الهواء وملاحظة الغيوم واتجاه الرياح وسرعتها وهطول الأمطار والظواهر الكهربائية والصوتية في الغلاف الجوي. توجد محطات الأرصاد الجوية في كل مكان: في القارة القطبية الجنوبية وفي الغابات الاستوائية المطيرة ، وعلى الجبال العالية وفي مساحات شاسعة من التندرا. كما يتم إجراء ملاحظات على المحيطات من السفن المبنية خصيصًا.

من الثلاثينيات. القرن ال 20 بدأت الملاحظات في الجو الحر. بدأوا في إطلاق مسابير لاسلكية ، يصل ارتفاعها إلى 25-35 كم ، وبمساعدة أجهزة الراديو تنقل إلى الأرض معلومات حول درجة الحرارة والضغط ورطوبة الهواء وسرعة الرياح. في الوقت الحاضر ، تستخدم صواريخ الأرصاد الجوية والأقمار الصناعية على نطاق واسع. يحتوي الأخير على منشآت تلفزيونية تنقل صورًا لسطح الأرض والغيوم.

| |
5. غلاف الأرض الجوي§ 31. تسخين الغلاف الجوي

>> الغلاف الجوي للأرض

وصف الغلاف الجوي للأرضللأطفال من جميع الأعمار: مكونات الهواء ووجود الغازات وطبقات الصورة والمناخ والطقس للكوكب الثالث في النظام الشمسي.

للصغارمن المعروف بالفعل أن الأرض هي الكوكب الوحيد في نظامنا الذي يتمتع بجو قابل للحياة. بطانية الغاز ليست غنية بالهواء فحسب ، بل تحمينا أيضًا من الحرارة الزائدة والإشعاع الشمسي. مهم اشرح للاطفالأن النظام مصمم جيدًا بشكل لا يصدق ، لأنه يسمح للسطح بالدفء أثناء النهار والتبريد ليلاً ، مع الحفاظ على توازن مقبول.

لتبدأ شرح للأطفالمن الممكن أن الكرة الأرضية للغلاف الجوي للأرض تمتد لأكثر من 480 كم ، ولكن معظمها يقع على بعد 16 كم من السطح. كلما زاد الارتفاع ، انخفض الضغط. إذا أخذنا مستوى سطح البحر ، فسيكون الضغط 1 كجم لكل سنتيمتر مربع. ولكن على ارتفاع 3 كم ، سوف يتغير - 0.7 كجم لكل سنتيمتر مربع. بالطبع ، في مثل هذه الظروف يكون التنفس أكثر صعوبة ( الأطفاليمكن أن تشعر به إذا ذهبت للمشي لمسافات طويلة في الجبال).

تكوين هواء الأرض - شرح للأطفال

تشمل الغازات:

نيتروجين - 78٪.
الأكسجين - 21٪.
الأرجون - 0.93٪.
ثاني أكسيد الكربون - 0.038٪.
بكميات صغيرة يوجد أيضًا بخار الماء وشوائب غازية أخرى.

طبقات الغلاف الجوي للأرض - شرح للأطفال

الآباءأو المعلمين في المدرسةيجب التذكير بأن الغلاف الجوي للأرض مقسم إلى 5 مستويات: الغلاف الخارجي والغلاف الحراري والغلاف الجوي والميزوسفير والستراتوسفير والتروبوسفير. مع كل طبقة ، يذوب الغلاف الجوي أكثر فأكثر ، حتى تتشتت الغازات أخيرًا في الفضاء.

التروبوسفير هو الأقرب إلى السطح. بسمك 7-20 كم ، يشكل نصف الغلاف الجوي للأرض. كلما اقتربنا من الأرض ، زاد ارتفاع درجة حرارة الهواء. يتم جمع كل بخار الماء والغبار تقريبًا هنا. قد لا يتفاجأ الأطفال من أن الغيوم تطفو على هذا المستوى.

يبدأ الستراتوسفير من طبقة التروبوسفير وترتفع 50 كم فوق السطح. يوجد الكثير من الأوزون هنا ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي ويقي من الإشعاع الشمسي الضار. الهواء أرق 1000 مرة من الهواء فوق مستوى سطح البحر وجاف بشكل غير عادي. هذا هو السبب في أن الطائرات تشعر بالراحة هنا.

Mesosphere: من 50 إلى 85 كم فوق السطح. يُطلق على الجزء العلوي اسم الميزوبوس وهو أبرد مكان في الغلاف الجوي للأرض (-90 درجة مئوية). من الصعب جدًا الاستكشاف لأن الطائرات النفاثة لا تستطيع الوصول إلى هناك ، والارتفاع المداري للأقمار الصناعية مرتفع للغاية. يعرف العلماء فقط أن هذا هو المكان الذي تحترق فيه النيازك.

درجة الحرارة: 90 كم وبين 500-1000 كم. تصل درجة الحرارة إلى 1500 درجة مئوية. يعتبر جزءًا من الغلاف الجوي للأرض ، لكنه مهم اشرح للاطفالأن كثافة الهواء هنا منخفضة جدًا لدرجة أن معظمها يُنظر إليه بالفعل على أنه فضاء خارجي. في الواقع ، هذا هو المكان الذي توجد فيه المكوكات الفضائية ومحطة الفضاء الدولية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تشكيل الشفق هنا. تتلامس الجسيمات الكونية المشحونة مع ذرات وجزيئات الغلاف الحراري ، وتنقلها إلى مستوى طاقة أعلى. لهذا السبب ، نرى فوتونات الضوء هذه على شكل شفق قطبي.

الغلاف الخارجي هو أعلى طبقة. خط رفيع بشكل لا يصدق من اندماج الغلاف الجوي مع الفضاء. يتكون من جزيئات الهيدروجين والهيليوم المنتشرة على نطاق واسع.

مناخ وطقس الأرض - شرح للأطفال

للصغاربحاجة إلى يشرحأن الأرض تمكنت من دعم العديد من الأنواع الحية بسبب المناخ الإقليمي ، والذي يتمثل في البرودة الشديدة عند القطبين والحرارة الاستوائية عند خط الاستواء. أطفاليجب أن تعلم أن المناخ الإقليمي هو الطقس الذي لم يتغير في منطقة معينة لمدة 30 عامًا. بالطبع ، يمكن أن يتغير في بعض الأحيان لعدة ساعات ، لكنه يظل مستقرًا في معظم الأحيان.

بالإضافة إلى ذلك ، يتميز المناخ الأرضي العالمي أيضًا - متوسط المناخ الإقليمي. لقد تغير عبر تاريخ البشرية. اليوم هناك ارتفاع سريع في درجات الحرارة. يدق العلماء ناقوس الخطر لأن الغازات الدفيئة التي يسببها الإنسان تحبس الحرارة في الغلاف الجوي ، وتخاطر بتحويل كوكبنا إلى كوكب الزهرة.

أَجواء
غلاف غازي يحيط بجرم سماوي. تعتمد خصائصه على الحجم والكتلة ودرجة الحرارة وسرعة الدوران والتركيب الكيميائي لجسم سماوي معين ، ويتم تحديدها أيضًا من خلال تاريخ تكوينه منذ لحظة ولادته. يتكون الغلاف الجوي للأرض من خليط من الغازات تسمى الهواء. مكوناته الرئيسية هي النيتروجين والأكسجين بنسبة 4: 1 تقريبًا. يتأثر الشخص بشكل أساسي بحالة أدنى 15-25 كم من الغلاف الجوي ، حيث يتركز الجزء الأكبر من الهواء في هذه الطبقة السفلية. يُطلق على العلم الذي يدرس الغلاف الجوي علم الأرصاد الجوية ، على الرغم من أن موضوع هذا العلم هو أيضًا الطقس وتأثيره على الإنسان. تتغير أيضًا حالة الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، الواقعة على ارتفاعات من 60 إلى 300 وحتى 1000 كيلومتر من سطح الأرض. هنا تتطور رياح قوية وعواصف وتظهر ظواهر كهربائية مذهلة مثل الشفق القطبي. ترتبط العديد من هذه الظواهر بتدفقات الإشعاع الشمسي والإشعاع الكوني والمجال المغناطيسي للأرض. تعتبر الطبقات العالية من الغلاف الجوي أيضًا مختبرًا كيميائيًا ، حيث أنه في ظل ظروف قريبة من الفراغ ، تدخل بعض غازات الغلاف الجوي ، تحت تأثير التدفق القوي للطاقة الشمسية ، في تفاعلات كيميائية. يُطلق على العلم الذي يدرس هذه الظواهر والعمليات المترابطة فيزياء الطبقات العليا من الغلاف الجوي.
الخصائص العامة لجو الأرض
أبعاد.إلى أن استكشفت الصواريخ والأقمار الصناعية الطبقات الخارجية للغلاف الجوي على مسافات تزيد عدة مرات عن نصف قطر الأرض ، كان يُعتقد أنه كلما ابتعدت عن سطح الأرض ، أصبح الغلاف الجوي أكثر تخلخلًا تدريجياً ويمر بسلاسة إلى الفضاء بين الكواكب . لقد ثبت الآن أن الطاقة تتدفق من الطبقات العميقة للشمس تخترق الفضاء الخارجي بعيدًا عن مدار الأرض ، حتى الحدود الخارجية للنظام الشمسي. هذا ما يسمى. تتدفق الرياح الشمسية حول المجال المغناطيسي للأرض ، وتشكل "تجويفًا" ممدودًا يتركز فيه الغلاف الجوي للأرض. يتم تضييق المجال المغناطيسي للأرض بشكل ملحوظ على جانب النهار المواجه للشمس ويشكل لسانًا طويلًا ، ربما يمتد إلى ما وراء مدار القمر ، على الجانب المقابل ، الجانب الليلي. تسمى حدود المجال المغناطيسي للأرض بالانقطاع المغناطيسي. على الجانب النهاري ، تمر هذه الحدود على مسافة حوالي سبعة أنصاف أقطار أرضية من السطح ، لكنها تكون أقرب إلى سطح الأرض خلال فترات النشاط الشمسي المتزايد. إن انقطاع المغنطيسي هو أيضًا حدود الغلاف الجوي للأرض ، والذي يُطلق على غلافه الخارجي أيضًا الغلاف المغناطيسي ، لأنه يحتوي على جسيمات مشحونة (أيونات) ، والتي ترجع حركتها إلى المجال المغناطيسي للأرض. يبلغ الوزن الإجمالي للغازات الجوية حوالي 4.5 * 1015 طنًا ، وبالتالي فإن "وزن" الغلاف الجوي لكل وحدة مساحة ، أو الضغط الجوي ، يبلغ حوالي 11 طنًا / م 2 عند مستوى سطح البحر.
أهمية مدى الحياة.يترتب على ما سبق أن الأرض مفصولة عن الفضاء بين الكواكب بواسطة طبقة واقية قوية. يتخلل الفضاء الخارجي الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية القوية من الشمس وحتى الإشعاع الكوني الأشد ، وهذه الأنواع من الإشعاع ضارة لجميع الكائنات الحية. عند الحافة الخارجية للغلاف الجوي ، تكون كثافة الإشعاع مميتة ، لكن الغلاف الجوي يحتفظ بجزء كبير منها بعيدًا عن سطح الأرض. يفسر امتصاص هذا الإشعاع العديد من خصائص الطبقات العالية من الغلاف الجوي ، وخاصة الظواهر الكهربائية التي تحدث هناك. تعتبر الطبقة السطحية الأدنى من الغلاف الجوي مهمة بشكل خاص للشخص الذي يعيش عند نقطة التلامس مع قذائف الأرض الصلبة والسائلة والغازية. يسمى الغلاف العلوي للأرض "الصلبة" الغلاف الصخري. حوالي 72٪ من سطح الأرض مغطاة بمياه المحيطات ، والتي تشكل معظم الغلاف المائي. يحد الغلاف الجوي كلا من الغلاف الصخري والغلاف المائي. يعيش الإنسان في قاع المحيط الجوي وبالقرب من مستوى مياه المحيط أو فوقه. يعد تفاعل هذه المحيطات أحد العوامل المهمة التي تحدد حالة الغلاف الجوي.
مُجَمَّع.تتكون الطبقات السفلى من الغلاف الجوي من خليط من الغازات (انظر الجدول). بالإضافة إلى تلك المدرجة في الجدول ، توجد غازات أخرى أيضًا على شكل شوائب صغيرة في الهواء: الأوزون ، والميثان ، ومواد مثل أول أكسيد الكربون (CO) ، وأكاسيد النيتروجين والكبريت ، والأمونيا.

تكوين الغلاف الجوي

في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، يتغير تكوين الهواء تحت تأثير الإشعاع الصلب من الشمس ، مما يؤدي إلى تكسير جزيئات الأكسجين إلى ذرات. الأكسجين الذري هو المكون الرئيسي للطبقات العالية من الغلاف الجوي. أخيرًا ، في أكثر طبقات الغلاف الجوي بعدًا عن سطح الأرض ، تصبح أخف الغازات ، الهيدروجين والهيليوم ، المكونات الرئيسية. نظرًا لأن الجزء الأكبر من المادة يتركز في أقل من 30 كم ، فإن التغييرات في تكوين الهواء على ارتفاعات تزيد عن 100 كم ليس لها تأثير ملحوظ على التكوين العام للغلاف الجوي.
تبادل الطاقة.الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة القادمة إلى الأرض. أن تكون على مسافة تقريبية. على بعد 150 مليون كيلومتر من الشمس ، تستقبل الأرض نحو ملياري من الطاقة التي تشعها ، وبشكل أساسي في الجزء المرئي من الطيف ، والذي يسميه الإنسان "الضوء". يمتص الغلاف الجوي والغلاف الصخري معظم هذه الطاقة. تشع الأرض أيضًا طاقة ، في الغالب على شكل أشعة تحت حمراء بعيدة. وهكذا ، يتم إنشاء توازن بين الطاقة المتلقاة من الشمس ، وتسخين الأرض والغلاف الجوي ، والتدفق العكسي للطاقة الحرارية المشعة في الفضاء. آلية هذا التوازن معقدة للغاية. تشتت جزيئات الغبار والغاز الضوء ، مما يعكسه جزئيًا في الفضاء العالمي. تعكس الغيوم المزيد من الإشعاع الوارد. يتم امتصاص جزء من الطاقة مباشرة بواسطة جزيئات الغاز ، ولكن في الغالب عن طريق الصخور والنباتات والمياه السطحية. ينقل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون الموجودان في الغلاف الجوي إشعاعًا مرئيًا لكنهما يمتصان الأشعة تحت الحمراء. تتراكم الطاقة الحرارية بشكل رئيسي في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي. يحدث تأثير مماثل في الدفيئة عندما يسمح الزجاج للضوء بالدخول وتسخن التربة. نظرًا لأن الزجاج معتم نسبيًا للأشعة تحت الحمراء ، فإن الحرارة تتراكم في الدفيئة. غالبًا ما يشار إلى تسخين الغلاف الجوي السفلي بسبب وجود بخار الماء وثاني أكسيد الكربون بتأثير الاحتباس الحراري. تلعب الغيوم دورًا مهمًا في الحفاظ على الحرارة في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي. إذا تبددت الغيوم أو زادت شفافية الكتل الهوائية ، فإن درجة الحرارة ستنخفض حتمًا لأن سطح الأرض يشع الطاقة الحرارية بحرية في الفضاء المحيط. يمتص الماء الموجود على سطح الأرض الطاقة الشمسية ويتبخر ، ويتحول إلى غاز - بخار ماء ، يحمل كمية هائلة من الطاقة إلى الغلاف الجوي السفلي. عندما يتكثف بخار الماء ويشكل غيومًا أو ضبابًا ، يتم إطلاق هذه الطاقة على شكل حرارة. يتم إنفاق حوالي نصف الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض على تبخر الماء وتدخل في الغلاف الجوي السفلي. وبالتالي ، بسبب تأثير الدفيئة وتبخر الماء ، ترتفع درجة حرارة الغلاف الجوي من الأسفل. يفسر هذا جزئيًا النشاط العالي لدورانه مقارنةً بدورة المحيط العالمي ، التي ترتفع درجة حرارتها من أعلى فقط ، وبالتالي فهي أكثر استقرارًا من الغلاف الجوي.
انظر أيضًا علم الأرصاد الجوية وعلم المناخ. بالإضافة إلى التسخين العام للغلاف الجوي بواسطة "الضوء" الشمسي ، يحدث تسخين كبير لبعض طبقاته بسبب الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية من الشمس. بنية. بالمقارنة مع السوائل والمواد الصلبة ، في المواد الغازية ، تكون قوة التجاذب بين الجزيئات ضئيلة. مع زيادة المسافة بين الجزيئات ، تكون الغازات قادرة على التمدد إلى أجل غير مسمى إذا لم يمنعها شيء. الحد الأدنى للغلاف الجوي هو سطح الأرض. بالمعنى الدقيق للكلمة ، هذا الحاجز لا يمكن اختراقه ، حيث يحدث تبادل الغازات بين الهواء والماء وحتى بين الهواء والصخور ، ولكن في هذه الحالة يمكن إهمال هذه العوامل. نظرًا لأن الغلاف الجوي عبارة عن غلاف كروي ، فليس له حدود جانبية ، ولكن فقط حدود سفلية وحدود عليا (خارجية) مفتوحة من جانب الفضاء بين الكواكب. من خلال الحدود الخارجية ، تتسرب بعض الغازات المحايدة ، بالإضافة إلى تدفق المادة من الفضاء الخارجي المحيط. يتم التقاط معظم الجسيمات المشحونة ، باستثناء الأشعة الكونية عالية الطاقة ، بواسطة الغلاف المغناطيسي أو يتم صده بواسطة الغلاف المغناطيسي. يتأثر الغلاف الجوي أيضًا بقوة الجاذبية التي تُبقي الغلاف الجوي على سطح الأرض. تنضغط غازات الغلاف الجوي حسب وزنها. يصل هذا الضغط إلى الحد الأقصى عند الحد الأدنى من الغلاف الجوي ، وبالتالي تكون كثافة الهواء هي الأعلى هنا. عند أي ارتفاع فوق سطح الأرض ، تعتمد درجة انضغاط الهواء على كتلة عمود الهواء العلوي ، وبالتالي تقل كثافة الهواء مع الارتفاع. يرتبط الضغط ، الذي يساوي كتلة عمود الهواء العلوي لكل وحدة مساحة ، ارتباطًا مباشرًا بالكثافة ، وبالتالي يتناقص أيضًا مع الارتفاع. إذا كان الغلاف الجوي "غازًا مثاليًا" له تركيبة ثابتة مستقلة عن الارتفاع ودرجة حرارة ثابتة وقوة جاذبية ثابتة تعمل عليه ، فإن الضغط سينخفض بمقدار 10 لكل 20 كيلومترًا من الارتفاع. يختلف الغلاف الجوي الحقيقي اختلافًا طفيفًا عن الغاز المثالي حتى حوالي 100 كم ، ثم ينخفض الضغط ببطء أكثر مع الارتفاع ، مع تغير تكوين الهواء. يتم أيضًا إدخال تغييرات صغيرة في النموذج الموصوف من خلال انخفاض قوة الجاذبية مع المسافة من مركز الأرض ، والتي تصل إلى تقريبًا. 3٪ لكل 100 كم ارتفاع. على عكس الضغط الجوي ، لا تنخفض درجة الحرارة باستمرار مع الارتفاع. كما يظهر في الشكل. 1 ، ينخفض إلى حوالي 10 كم ثم يبدأ في الارتفاع مرة أخرى. يحدث هذا عندما يمتص الأكسجين الأشعة فوق البنفسجية الشمسية. في هذه الحالة ، يتكون غاز الأوزون ، وتتكون جزيئاته من ثلاث ذرات أكسجين (O3). تمتص أيضًا الأشعة فوق البنفسجية ، وبالتالي ترتفع درجة حرارة هذه الطبقة من الغلاف الجوي ، والتي تسمى طبقة الأوزون. أعلى ، تنخفض درجة الحرارة مرة أخرى ، نظرًا لوجود جزيئات غاز أقل بكثير ، وبالتالي ينخفض امتصاص الطاقة. حتى في الطبقات الأعلى ، ترتفع درجة الحرارة مرة أخرى بسبب امتصاص الغلاف الجوي لأقصر طول موجي من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية من الشمس. تحت تأثير هذا الإشعاع القوي ، يتأين الغلاف الجوي ، أي يفقد جزيء الغاز إلكترونًا ويكتسب شحنة كهربائية موجبة. تصبح هذه الجزيئات أيونات موجبة الشحنة. بسبب وجود الإلكترونات والأيونات الحرة ، تكتسب هذه الطبقة من الغلاف الجوي خصائص الموصل الكهربائي. يُعتقد أن درجة الحرارة تستمر في الارتفاع إلى ارتفاعات حيث يمر الغلاف الجوي المخلخل إلى الفضاء بين الكواكب. على مسافة عدة آلاف من الكيلومترات من سطح الأرض ، من المحتمل أن تسود درجات حرارة تتراوح من 5000 درجة إلى 10000 درجة مئوية. وعلى الرغم من أن الجزيئات والذرات لها سرعات حركة عالية جدًا ، وبالتالي ارتفاع درجة الحرارة ، فإن هذا الغاز المخلخل ليس "ساخنًا" بالمعنى المعتاد. نظرًا للعدد الضئيل من الجزيئات على ارتفاعات عالية ، فإن طاقتها الحرارية الكلية صغيرة جدًا. وهكذا ، يتكون الغلاف الجوي من طبقات منفصلة (أي سلسلة من الأصداف متحدة المركز ، أو الكرات) ، يعتمد اختيارها على الخاصية الأكثر أهمية. بناءً على متوسط توزيع درجات الحرارة ، طور خبراء الأرصاد الجوية مخططًا لهيكل "جو متوسط" مثالي (انظر الشكل 1).

تروبوسفير - الطبقة السفلية من الغلاف الجوي ، وتمتد إلى الحد الأدنى للحرارة الأولى (ما يسمى التروبوبوز). يعتمد الحد الأعلى لطبقة التروبوسفير على خط العرض الجغرافي (في المناطق المدارية - 18-20 كم ، في خطوط العرض المعتدلة - حوالي 10 كم) والوقت من العام. أجرت خدمة الأرصاد الجوية الوطنية الأمريكية عمليات السبر بالقرب من القطب الجنوبي وكشفت عن تغيرات موسمية في ارتفاع التروبوبوز. في مارس ، كان التروبوبوز على ارتفاع تقريبًا. 7.5 كم. من مارس إلى أغسطس أو سبتمبر ، هناك تبريد مستمر في طبقة التروبوسفير ، وترتفع حدودها لفترة قصيرة في أغسطس أو سبتمبر إلى ارتفاع حوالي 11.5 كم. ثم من سبتمبر إلى ديسمبر ، ينخفض بسرعة ويصل إلى أدنى مستوى له - 7.5 كم ، حيث يظل حتى مارس ، متذبذبًا في نطاق 0.5 كم فقط. يتشكل الطقس في طبقة التروبوسفير بشكل أساسي ، والذي يحدد ظروف الوجود البشري. يتركز معظم بخار الماء في الغلاف الجوي في طبقة التروبوسفير ، وبالتالي تتشكل الغيوم بشكل أساسي هنا ، على الرغم من أن بعضها يتكون من بلورات الجليد ، يوجد أيضًا في الطبقات العليا. تتميز طبقة التروبوسفير بالاضطرابات التيارات الهوائية القوية (الرياح) والعواصف. في الجزء العلوي من طبقة التروبوسفير ، توجد تيارات هوائية قوية ذات اتجاه محدد بدقة. تتشكل الدوامات المضطربة ، مثل الدوامات الصغيرة ، تحت تأثير الاحتكاك والتفاعل الديناميكي بين الكتل الهوائية البطيئة والسريعة الحركة. نظرًا لعدم وجود غطاء سحابة في هذه الطبقات العالية ، يُشار إلى هذا الاضطراب باسم "اضطراب الهواء الصافي".
الستراتوسفير. غالبًا ما يتم وصف الطبقة العليا من الغلاف الجوي بطبقة ذات درجات حرارة ثابتة نسبيًا ، حيث تهب الرياح بشكل أو بآخر بشكل ثابت وحيث تتغير عناصر الأرصاد الجوية قليلاً. تسخن الطبقات العليا من الستراتوسفير حيث يمتص الأكسجين والأوزون الأشعة فوق البنفسجية الشمسية. يتم رسم الحدود العليا للستراتوسفير (الستراتوبوز) حيث ترتفع درجة الحرارة قليلاً ، لتصل إلى حد أقصى متوسط ، والذي غالبًا ما يقارن بدرجة حرارة طبقة الهواء السطحية. بناءً على الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام الطائرات والبالونات التي تم تكييفها للطيران على ارتفاع ثابت ، حدثت اضطرابات مضطربة ورياح قوية تهب في اتجاهات مختلفة في الستراتوسفير. كما هو الحال في طبقة التروبوسفير ، لوحظت دوامات هوائية قوية تشكل خطورة خاصة على الطائرات عالية السرعة. تهب الرياح القوية ، التي تسمى التيارات النفاثة ، في مناطق ضيقة على طول حدود خطوط العرض المعتدلة التي تواجه القطبين. ومع ذلك ، يمكن لهذه المناطق أن تتغير وتختفي وتعاود الظهور. عادة ما تخترق التيارات النفاثة التروبوبوز وتظهر في طبقة التروبوسفير العليا ، لكن سرعتها تتناقص بسرعة مع تناقص الارتفاع. من الممكن أن يؤثر جزء من الطاقة التي تدخل طبقة الستراتوسفير (يتم إنفاقها بشكل أساسي على تكوين الأوزون) على العمليات في طبقة التروبوسفير. يرتبط الخلط النشط بشكل خاص بجبهات الغلاف الجوي ، حيث تم تسجيل تدفقات واسعة من هواء الستراتوسفير بشكل كبير تحت التروبوبوز ، وتم سحب هواء التروبوسفير إلى الطبقات السفلى من الستراتوسفير. تم إحراز تقدم كبير في دراسة الهيكل الرأسي للطبقات الدنيا من الغلاف الجوي فيما يتعلق بتحسين تقنية إطلاق المسابير الراديوية على ارتفاعات تتراوح بين 25 و 30 كم. إن طبقة الميزوسفير ، الواقعة فوق الستراتوسفير ، عبارة عن قشرة تنخفض فيها درجة حرارة الغلاف الجوي ككل ، حتى ارتفاع 80-85 كم. تم تسجيل درجات حرارة منخفضة قياسية تصل إلى -110 درجة مئوية بواسطة صواريخ الأرصاد الجوية التي تم إطلاقها من منشأة أمريكية-كندية في فورت تشرشل (كندا). يتطابق الحد الأعلى للغلاف الجوي (الميزوسفير) تقريبًا مع الحد الأدنى لمنطقة الامتصاص النشط للأشعة السينية وأقصر طول موجي للأشعة فوق البنفسجية للشمس ، والذي يصاحبه تسخين وتأين للغاز. في المناطق القطبية في الصيف ، غالبًا ما تظهر الأنظمة السحابية في منطقة الميزوبوس ، والتي تحتل مساحة كبيرة ، ولكن لديها القليل من التطور الرأسي. غالبًا ما تجعل هذه الغيوم المتوهجة في الليل من الممكن اكتشاف حركات الهواء المتموجة على نطاق واسع في الغلاف الجوي. تكوين هذه السحب ، مصادر الرطوبة ونوى التكثيف ، الديناميكيات والعلاقة مع عوامل الأرصاد الجوية لا تزال غير مدروسة بشكل كاف. الغلاف الحراري هو طبقة من الغلاف الجوي ترتفع فيها درجة الحرارة بشكل مستمر. يمكن أن تصل قوتها إلى 600 كم. الضغط وبالتالي كثافة الغاز تتناقص باستمرار مع الارتفاع. بالقرب من سطح الأرض ، يحتوي 1 م 3 من الهواء تقريبًا. 2.5 × 1025 جزيء ، على ارتفاع تقريبي. 100 كم ، في الطبقات السفلى من الغلاف الحراري - حوالي 1019 ، على ارتفاع 200 كم ، في طبقة الأيونوسفير - 5 * 10 15 ، ووفقًا للحسابات ، على ارتفاع تقريبًا. 850 كم - ما يقرب من 1012 جزيء. في الفضاء بين الكواكب ، يكون تركيز الجزيئات 10 8-10 9 لكل 1 م 3. على ارتفاع تقريبا. 100 كم ، عدد الجزيئات صغير ونادرًا ما تصطدم ببعضها البعض. يُطلق على متوسط المسافة التي يقطعها جزيء متحرك عشوائيًا قبل الاصطدام بجزيء آخر مماثل اسم المسار الحر المتوسط. الطبقة التي تزداد فيها هذه القيمة بشكل كبير بحيث يمكن إهمال احتمال حدوث تصادمات بين الجزيئات أو بين الذرات تقع على الحدود بين الغلاف الحراري والغلاف العلوي (الغلاف الخارجي) وتسمى التوقف الحراري. يقع انقطاع الحرارة على بعد 650 كم تقريبًا من سطح الأرض. عند درجة حرارة معينة ، تعتمد سرعة حركة الجزيء على كتلته: الجزيئات الأخف تتحرك أسرع من الجزيئات الثقيلة. في الغلاف الجوي السفلي ، حيث يكون المسار الحر قصيرًا جدًا ، لا يوجد فصل ملحوظ للغازات وفقًا لوزنها الجزيئي ، ولكن يتم التعبير عنها فوق 100 كم. بالإضافة إلى ذلك ، تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية من الشمس ، تتفكك جزيئات الأكسجين إلى ذرات ، كتلتها نصف كتلة الجزيء. لذلك ، عندما نبتعد عن سطح الأرض ، تزداد أهمية الأكسجين الذري في تكوين الغلاف الجوي وعلى ارتفاع تقريبي. 200 كم يصبح المكون الرئيسي لها. أعلى ، على مسافة حوالي 1200 كم من سطح الأرض ، تسود الغازات الخفيفة - الهيليوم والهيدروجين. هم الطبقة الخارجية للغلاف الجوي. هذا الفصل بالوزن ، المسمى بالفصل المنتشر ، يشبه فصل المخاليط باستخدام جهاز طرد مركزي. الغلاف الخارجي هو الطبقة الخارجية للغلاف الجوي المعزولة على أساس التغيرات في درجة الحرارة وخصائص الغاز المحايد. تدور الجزيئات والذرات في الغلاف الخارجي حول الأرض في مدارات باليستية تحت تأثير الجاذبية. بعض هذه المدارات مكافئة ومماثلة لمسارات المقذوفات. يمكن للجزيئات أن تدور حول الأرض وفي مدارات بيضاوية ، مثل الأقمار الصناعية. بعض الجزيئات ، وخاصة الهيدروجين والهيليوم ، لها مسارات مفتوحة وتهرب إلى الفضاء الخارجي (الشكل 2).

العلاقات الشمسية والأرضية وتأثيرها على الغلاف الجوي
المد والجزر في الغلاف الجوي. يتسبب جاذبية الشمس والقمر في حدوث المد والجزر في الغلاف الجوي ، على غرار المد البري والبحري. لكن المد والجزر في الغلاف الجوي لهما فرق كبير: يتفاعل الغلاف الجوي بقوة أكبر مع جاذبية الشمس ، بينما تتفاعل قشرة الأرض والمحيط - مع جذب القمر. يفسر ذلك حقيقة أن الغلاف الجوي يتم تسخينه بواسطة الشمس ، بالإضافة إلى المد الجاذبي ، ينشأ مد حراري قوي. بشكل عام ، تتشابه آليات تكوين المد والجزر في الغلاف الجوي والبحر ، باستثناء أنه من أجل التنبؤ برد فعل الهواء على تأثيرات الجاذبية والحرارة ، من الضروري مراعاة انضغاطيتها وتوزيع درجات الحرارة. ليس من الواضح تمامًا لماذا يسود المد والجزر الشمسي شبه النهاري (12 ساعة) في الغلاف الجوي على المد والجزر الشمسي النهاري والمد والجزر القمرية شبه الدورية ، على الرغم من أن القوى الدافعة للعمليتين الأخيرتين أقوى بكثير. في السابق ، كان يُعتقد أن الرنين يحدث في الغلاف الجوي ، مما يضخم التذبذبات بدقة خلال فترة 12 ساعة. ومع ذلك ، تشير الملاحظات التي أجريت بمساعدة الصواريخ الجيوفيزيائية إلى عدم وجود أسباب درجة الحرارة لمثل هذا الرنين. في حل هذه المشكلة ، ربما ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار جميع الخصائص الهيدروديناميكية والحرارية للغلاف الجوي. على سطح الأرض بالقرب من خط الاستواء ، حيث يكون تأثير تقلبات المد والجزر في أقصى حد ، فإنه يوفر تغيرًا في الضغط الجوي بنسبة 0.1 ٪. سرعة رياح المد والجزر تقريبية. 0.3 كم / ساعة. بسبب التركيب الحراري المعقد للغلاف الجوي (خاصة وجود درجة حرارة دنيا في الميزوبوز) ، تتكثف تيارات هواء المد والجزر ، وعلى سبيل المثال ، على ارتفاع 70 كم ، تكون سرعتها حوالي 160 مرة أعلى من سطح الأرض ، والتي لها عواقب جيوفيزيائية مهمة. يُعتقد أن تذبذبات المد والجزر في الجزء السفلي من طبقة الأيونوسفير (الطبقة E) تحرك الغاز المتأين عموديًا في المجال المغناطيسي للأرض ، وبالتالي تنشأ تيارات كهربائية هنا. يتم إنشاء أنظمة التيارات الناشئة باستمرار على سطح الأرض من خلال اضطرابات المجال المغناطيسي. تتفق الاختلافات اليومية للمجال المغناطيسي بشكل جيد مع القيم المحسوبة ، والتي تشهد بشكل مقنع لصالح نظرية آليات المد والجزر لـ "دينامو الغلاف الجوي". يجب أن تتحرك التيارات الكهربائية الناشئة في الجزء السفلي من الأيونوسفير (الطبقة E) في مكان ما ، وبالتالي يجب إغلاق الدائرة. يصبح التشابه مع الدينامو كاملاً إذا اعتبرنا الحركة القادمة بمثابة عمل المحرك. من المفترض أن الدوران العكسي للتيار الكهربائي يتم في طبقة أعلى من الأيونوسفير (F) ، وهذا التدفق العكسي يمكن أن يفسر بعض السمات المميزة لهذه الطبقة. أخيرًا ، يجب أن يولد تأثير المد والجزر أيضًا تيارات أفقية في الطبقة E وبالتالي في الطبقة F.
الأيونوسفير.في محاولة لشرح آلية حدوث الشفق ، علماء القرن التاسع عشر. اقترح أنه في الغلاف الجوي توجد منطقة بها جسيمات مشحونة كهربائيًا. في القرن 20th تم الحصول على أدلة مقنعة تجريبياً لوجود طبقة تعكس موجات الراديو على ارتفاعات من 85 إلى 400 كم. من المعروف الآن أن خواصه الكهربائية ناتجة عن تأين غازات الغلاف الجوي. لذلك ، عادة ما تسمى هذه الطبقة طبقة الأيونوسفير. يرجع التأثير على موجات الراديو بشكل أساسي إلى وجود إلكترونات حرة في طبقة الأيونوسفير ، على الرغم من أن آلية انتشار الموجات الراديوية مرتبطة بوجود أيونات كبيرة. تعتبر الأخيرة أيضًا ذات أهمية في دراسة الخصائص الكيميائية للغلاف الجوي ، لأنها أكثر نشاطًا من الذرات والجزيئات المحايدة. تلعب التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الأيونوسفير دورًا مهمًا في توازن الطاقة والكهرباء.
الأيونوسفير العادي.أعطت الملاحظات التي أجريت بمساعدة الصواريخ الجيوفيزيائية والأقمار الصناعية الكثير من المعلومات الجديدة ، مما يشير إلى أن تأين الغلاف الجوي يحدث تحت تأثير الإشعاع الشمسي واسع الطيف. يتركز الجزء الرئيسي (أكثر من 90٪) في الجزء المرئي من الطيف. تنبعث الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الأقصر والطاقة الأكبر من أشعة الضوء البنفسجي بواسطة الهيدروجين في الجزء الداخلي من الغلاف الجوي للشمس (الكروموسفير) ، وينبعث إشعاع الأشعة السينية ، الذي يحتوي على طاقة أعلى ، من الغازات الموجودة في الغلاف الخارجي للشمس (هالة). تعود الحالة الطبيعية (المتوسطة) للأيونوسفير إلى الإشعاع القوي المستمر. تحدث تغيرات منتظمة في الأيونوسفير الطبيعي تحت تأثير الدوران اليومي للأرض والاختلافات الموسمية في زاوية حدوث أشعة الشمس عند الظهيرة ، ولكن تحدث أيضًا تغيرات مفاجئة وغير متوقعة في حالة الأيونوسفير.
الاضطرابات في الأيونوسفير. كما هو معروف ، تنشأ اضطرابات قوية متكررة دوريًا على الشمس ، والتي تصل إلى حد أقصى كل 11 عامًا. تزامنت الملاحظات في إطار برنامج السنة الجيوفيزيائية الدولية (IGY) مع فترة النشاط الشمسي الأعلى طوال فترة الرصد المنتظم للأرصاد الجوية ، أي. من بداية القرن الثامن عشر خلال فترات النشاط العالي ، يزداد سطوع بعض المناطق على الشمس عدة مرات ، وتبعث نبضات قوية من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. تسمى هذه الظواهر التوهجات الشمسية. تستمر من عدة دقائق إلى ساعة أو ساعتين. أثناء التوهج ، ينفجر الغاز الشمسي (معظمه من البروتونات والإلكترونات) ، وتندفع الجسيمات الأولية إلى الفضاء الخارجي. للإشعاع الكهرومغناطيسي والجسمي للشمس في لحظات هذه التوهجات تأثير قوي على الغلاف الجوي للأرض. لوحظ التفاعل الأولي بعد 8 دقائق من الوميض ، عندما تصل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية الشديدة إلى الأرض. نتيجة لذلك ، يزداد التأين بشكل حاد ؛ تخترق الأشعة السينية الغلاف الجوي إلى الحد الأدنى من طبقة الأيونوسفير ؛ يزداد عدد الإلكترونات في هذه الطبقات بشكل كبير بحيث يتم امتصاص إشارات الراديو بالكامل تقريبًا ("تنطفئ"). يؤدي الامتصاص الإضافي للإشعاع إلى تسخين الغاز ، مما يساهم في تطور الرياح. الغاز المؤين هو موصل كهربائي ، وعندما يتحرك في المجال المغناطيسي للأرض ، يظهر تأثير دينامو ويتولد تيار كهربائي. يمكن أن تسبب هذه التيارات بدورها اضطرابات ملحوظة في المجال المغناطيسي وتظهر في شكل عواصف مغناطيسية. تستغرق هذه المرحلة الأولية وقتًا قصيرًا فقط ، يتوافق مع مدة التوهج الشمسي. أثناء التوهجات القوية على الشمس ، يندفع تيار من الجسيمات المتسارعة إلى الفضاء الخارجي. عندما يتم توجيهه نحو الأرض ، تبدأ المرحلة الثانية ، والتي لها تأثير كبير على حالة الغلاف الجوي. تشير العديد من الظواهر الطبيعية ، ومن أشهرها الشفق القطبي ، إلى أن عددًا كبيرًا من الجسيمات المشحونة يصل إلى الأرض (انظر أيضًا الأضواء القطبية). ومع ذلك ، لا تزال عمليات فصل هذه الجسيمات عن الشمس ، ومساراتها في الفضاء بين الكواكب ، وآليات التفاعل مع المجال المغناطيسي للأرض والغلاف المغناطيسي غير مدروسة بشكل كاف. أصبحت المشكلة أكثر تعقيدًا بعد اكتشاف جيمس فان ألين في عام 1958 للقذائف التي يحملها المجال المغنطيسي الأرضي ، المكون من جسيمات مشحونة. تنتقل هذه الجسيمات من نصف كرة إلى آخر ، وتدور في حلزونات حول خطوط المجال المغناطيسي. بالقرب من الأرض ، على ارتفاع يعتمد على شكل خطوط القوة وعلى طاقة الجسيمات ، توجد "نقاط انعكاس" ، حيث تغير الجسيمات اتجاه حركتها إلى العكس (الشكل 3). نظرًا لأن قوة المجال المغناطيسي تتناقص مع المسافة من الأرض ، فإن المدارات التي تتحرك على طولها هذه الجسيمات مشوهة إلى حد ما: تنحرف الإلكترونات إلى الشرق والبروتونات إلى الغرب. لذلك ، يتم توزيعها على شكل أحزمة حول العالم.

بعض عواقب ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي بفعل الشمس.تؤثر الطاقة الشمسية على الغلاف الجوي بأكمله. لقد ذكرنا بالفعل الأحزمة التي تكونت من الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي للأرض والتي تدور حولها. هذه الأحزمة هي الأقرب إلى سطح الأرض في المناطق القطبية (انظر الشكل 3) ، حيث يتم ملاحظة الشفق القطبي. يوضح الشكل 1 أن المناطق الشفقية في كندا لديها درجات حرارة أعلى بكثير في الغلاف الحراري من تلك الموجودة في جنوب غرب الولايات المتحدة. من المحتمل أن الجسيمات الملتقطة تتخلى عن بعض طاقتها في الغلاف الجوي ، خاصة عند اصطدامها بجزيئات الغاز بالقرب من نقاط الانعكاس ، وتترك مداراتها السابقة. هذه هي الطريقة التي يتم بها تسخين الطبقات العالية من الغلاف الجوي في منطقة الشفق القطبي. تم اكتشاف اكتشاف مهم آخر أثناء دراسة مدارات الأقمار الصناعية. يعتقد لويجي إياكيا ، عالم الفلك في مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية ، أن الانحرافات الصغيرة لهذه المدارات ترجع إلى التغيرات في كثافة الغلاف الجوي أثناء تسخينه بواسطة الشمس. واقترح وجود كثافة إلكترون قصوى في طبقة الأيونوسفير على ارتفاع يزيد عن 200 كم ، وهي لا تتوافق مع ظهيرة الشمس ، ولكن تحت تأثير قوى الاحتكاك تتخلف عنها بنحو ساعتين. في هذا الوقت ، لوحظت قيم كثافة الغلاف الجوي ، النموذجية على ارتفاع 600 كم ، عند مستوى تقريبي. 950 كم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أقصى تركيز للإلكترون يتعرض لتقلبات غير منتظمة بسبب ومضات قصيرة المدى من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية من الشمس. اكتشف L. Yakkia أيضًا تقلبات قصيرة المدى في كثافة الهواء ، تتوافق مع التوهجات الشمسية واضطرابات المجال المغناطيسي. يتم تفسير هذه الظواهر من خلال تغلغل جسيمات من أصل شمسي في الغلاف الجوي للأرض وتسخين تلك الطبقات التي تدور فيها الأقمار الصناعية.
كهرباء الغلاف الجوي
في الطبقة السطحية من الغلاف الجوي ، يخضع جزء صغير من الجزيئات للتأين تحت تأثير الأشعة الكونية والإشعاع من الصخور المشعة ومنتجات اضمحلال الراديوم (الرادون بشكل رئيسي) في الهواء نفسه. في عملية التأين ، تفقد الذرة إلكترونًا وتكتسب شحنة موجبة. يتحد الإلكترون الحر بسرعة مع ذرة أخرى ، مكونًا أيونًا سالبًا. هذه الأيونات الموجبة والسالبة المقترنة لها أبعاد جزيئية. تميل الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي إلى التجمع حول هذه الأيونات. العديد من الجزيئات مجتمعة مع أيون تشكل معقدًا يشار إليه عادة باسم "أيون خفيف". يحتوي الغلاف الجوي أيضًا على مجمعات من الجزيئات ، تُعرف في الأرصاد الجوية باسم نوى التكثيف ، والتي تبدأ حولها عملية التكثيف عندما يتشبع الهواء بالرطوبة. هذه النوى عبارة عن جزيئات من الملح والغبار ، بالإضافة إلى الملوثات المنبعثة في الهواء من المصادر الصناعية وغيرها. غالبًا ما ترتبط الأيونات الخفيفة بهذه النوى لتكوين "أيونات ثقيلة". تحت تأثير المجال الكهربائي ، تنتقل الأيونات الخفيفة والثقيلة من منطقة إلى أخرى في الغلاف الجوي ، ناقلة الشحنات الكهربائية. على الرغم من أن الغلاف الجوي لا يعتبر عمومًا وسيلة موصلة للكهرباء ، إلا أنه يحتوي على قدر ضئيل من الموصلية. لذلك ، فإن الجسم المشحون المتروك في الهواء يفقد شحنته ببطء. تزداد الموصلية الجوية مع الارتفاع بسبب زيادة كثافة الأشعة الكونية ، وانخفاض فقدان الأيونات في ظل ظروف الضغط المنخفض (وبالتالي متوسط المسار الحر الأطول) ، وبسبب قلة النوى الثقيلة. تصل موصلية الغلاف الجوي إلى أقصى قيمتها عند ارتفاع تقريبًا. 50 كم ، ما يسمى. "مستوى التعويض". من المعروف أنه بين سطح الأرض و "مستوى التعويض" يوجد دائمًا فرق محتمل يبلغ عدة مئات من الكيلوفولت ، أي مجال كهربائي ثابت. اتضح أن فرق الجهد بين نقطة معينة في الهواء على ارتفاع عدة أمتار وسطح الأرض كبير جدًا - أكثر من 100 فولت. الغلاف الجوي له شحنة موجبة ، وسطح الأرض مشحون سالبًا. نظرًا لأن المجال الكهربائي عبارة عن منطقة ، يوجد عند كل نقطة قيمة محتملة معينة ، يمكننا التحدث عن تدرج محتمل. في الطقس الصافي ، ضمن الأمتار القليلة السفلية ، تكون شدة المجال الكهربائي للغلاف الجوي ثابتة تقريبًا. بسبب الاختلافات في التوصيل الكهربائي للهواء في الطبقة السطحية ، فإن التدرج المحتمل يخضع لتقلبات نهارية ، يختلف مسارها اختلافًا كبيرًا من مكان إلى آخر. في حالة عدم وجود مصادر محلية لتلوث الهواء - فوق المحيطات أو في أعالي الجبال أو في المناطق القطبية - فإن المسار اليومي للتدرج المحتمل في الطقس الصافي هو نفسه. يعتمد حجم التدرج اللوني على التوقيت العالمي ، أو متوسط غرينتش (UT) ويصل إلى الحد الأقصى عند الساعة 19:00. اقترح أبليتون أن هذا الحد الأقصى من التوصيل الكهربائي ربما يتزامن مع أكبر نشاط عاصفة رعدية على مقياس كوكبي. تصريفات البرق أثناء العواصف الرعدية تحمل شحنة سالبة على سطح الأرض ، لأن قواعد السحب الرعدية التراكمية الأكثر نشاطًا لها شحنة سالبة كبيرة. تحتوي قمم السحب الرعدية على شحنة موجبة ، والتي ، وفقًا لحسابات Holzer و Saxon ، تتدفق من قممها أثناء العواصف الرعدية. بدون تجديد مستمر ، سيتم تحييد الشحنة على سطح الأرض من خلال توصيل الغلاف الجوي. وتدعم البيانات الإحصائية الافتراض القائل بأن فرق الجهد بين سطح الأرض و "مستوى التعويض" بسبب العواصف الرعدية. على سبيل المثال ، لوحظ الحد الأقصى لعدد العواصف الرعدية في وادي النهر. أمازون. في أغلب الأحيان ، تحدث عواصف رعدية في نهاية اليوم ، أي. نعم. 19:00 توقيت غرينتش ، عندما يكون التدرج المحتمل في أقصى درجاته في أي مكان في العالم. علاوة على ذلك ، فإن الاختلافات الموسمية في شكل منحنيات الاختلاف النهاري للتدرج المحتمل تتفق تمامًا مع البيانات المتعلقة بالتوزيع العالمي للعواصف الرعدية. يجادل بعض الباحثين بأن مصدر المجال الكهربائي للأرض قد يكون من أصل خارجي ، حيث يُعتقد أن الحقول الكهربائية موجودة في الأيونوسفير والغلاف المغناطيسي. ربما يفسر هذا الظرف ظهور أشكال ضيقة جدًا من الشفق ، تشبه الكواليس والأقواس.
(انظر أيضا الأضواء القطبية). بسبب التدرج المحتمل والتوصيل للغلاف الجوي بين "مستوى التعويض" وسطح الأرض ، تبدأ الجسيمات المشحونة في التحرك: أيونات موجبة الشحنة - باتجاه سطح الأرض ، وشحنة سالبة - إلى أعلى منها. هذا التيار هو تقريبا. 1800 أ. على الرغم من أن هذه القيمة تبدو كبيرة ، يجب أن نتذكر أنها موزعة على كامل سطح الأرض. القوة الحالية في عمود هوائي بمساحة قاعدة 1 م 2 هي فقط 4 * 10-12 أ. من ناحية أخرى ، يمكن أن تصل القوة الحالية أثناء تفريغ البرق إلى عدة أمبير ، على الرغم من هذا التفريغ بالطبع لها مدة قصيرة - من أجزاء من الثانية إلى ثانية كاملة أو أكثر بقليل مع التفريغ المتكرر. البرق له أهمية كبيرة ليس فقط كظاهرة غريبة للطبيعة. إنه يجعل من الممكن ملاحظة التفريغ الكهربائي في وسط غازي بجهد يبلغ عدة مئات من ملايين فولت ومسافة بين الأقطاب الكهربائية لعدة كيلومترات. في عام 1750 ، اقترح ب. فرانكلين على الجمعية الملكية في لندن أن يجربوا قضيبًا حديديًا مثبتًا على قاعدة عازلة ومركبًا على برج مرتفع. وتوقع أنه عندما تقترب سحابة رعدية من البرج ، فإن شحنة العلامة المعاكسة ستتركز عند الطرف العلوي للقضيب المحايد في البداية ، وستتركز شحنة من نفس العلامة الموجودة في قاعدة السحابة في الطرف السفلي . إذا زادت قوة المجال الكهربائي أثناء تفريغ البرق بشكل كافٍ ، فإن الشحنة من الطرف العلوي للقضيب سوف تستنزف جزئيًا في الهواء ، وسيكتسب القضيب شحنة من نفس علامة قاعدة السحابة. لم يتم تنفيذ التجربة التي اقترحها فرانكلين في إنجلترا ، ولكن تم إجراؤها في عام 1752 في مارلي بالقرب من باريس من قبل الفيزيائي الفرنسي جان دالمبيرت. عازل) ، لكنه لم يضعه على البرج. أفاد مساعده في 10 مايو أنه عندما تكون سحابة رعدية فوق قضيب ، تتولد شرارات عند إحضار سلك مؤرض إليه. فرانكلين نفسه ، غير مدرك للتجربة الناجحة التي تحققت في فرنسا ، في يونيو من ذلك العام أجرى تجربته الشهيرة بطائرة ورقية ولاحظ شرارات كهربائية في نهاية سلك مربوط بها ، وفي العام التالي أثناء دراسة الشحنات التي تم جمعها من قضيب وجد فرانكلين أن قواعد السحب الرعدية عادة ما تكون سالبة الشحنة أصبح من الممكن إجراء المزيد من الدراسات التفصيلية حول البرق في أواخر القرن التاسع عشر بسبب التحسينات في طرق التصوير ، خاصة بعد اختراع الجهاز مع العدسات الدوارة ، مما جعل من الممكن إصلاح العمليات سريعة التطور. تم استخدام هذه الكاميرا على نطاق واسع في دراسة تفريغ الشرارة. لقد وجد أن هناك عدة أنواع من البرق ، وأكثرها شيوعًا هو الخطي ، المسطح (داخل السحابة) والكروي (التفريغ الهوائي). البرق الخطي هو تفريغ شرارة بين السحابة وسطح الأرض ، يتبع قناة ذات فروع لأسفل. يحدث البرق المسطح داخل سحابة رعدية ويبدو وكأنه ومضات من الضوء المتناثر. غالبًا ما يتم توجيه التصريفات الهوائية للصواعق الكروية ، بدءًا من السحابة الرعدية ، بشكل أفقي ولا تصل إلى سطح الأرض.

يتكون تفريغ الصواعق عادةً من ثلاثة تصريفات متكررة أو أكثر - نبضات تتبع نفس المسار. الفترات الفاصلة بين النبضات المتتالية قصيرة جدًا ، من 1/100 إلى 1/10 ثانية (وهذا ما يسبب وميض البرق). بشكل عام ، يستمر الفلاش لمدة ثانية أو أقل. يمكن وصف عملية تطوير البرق النموذجية على النحو التالي. أولاً ، يندفع قائد التفريغ ضعيف الإضاءة من فوق إلى سطح الأرض. عندما يصل إليه ، يمر عكس الضوء الساطع ، أو التفريغ الرئيسي ، من الأرض إلى القناة التي وضعها القائد. زعيم التفريغ ، كقاعدة عامة ، يتحرك بطريقة متعرجة. تتراوح سرعة انتشاره من مائة إلى عدة مئات من الكيلومترات في الثانية. في طريقه ، يقوم بتأين جزيئات الهواء ، مما يؤدي إلى إنشاء قناة ذات موصلية متزايدة ، يتحرك من خلالها التفريغ العكسي لأعلى بسرعة تزيد بنحو مائة مرة عن سرعة التفريغ الرئيسي. من الصعب تحديد حجم القناة ، لكن قطر التفريغ الرئيسي يقدر بـ 1-10 م ، وقطر التفريغ العكسي ، بعدة سنتيمترات. تصريف البرق يخلق تداخلًا لاسلكيًا عن طريق بث موجات راديو في نطاق واسع - من 30 كيلو هرتز إلى ترددات منخفضة للغاية. من المحتمل أن يكون أكبر إشعاع من موجات الراديو في النطاق من 5 إلى 10 كيلو هرتز. مثل هذا التداخل الراديوي منخفض التردد "مركّز" في الفضاء بين الحد الأدنى للأيونوسفير وسطح الأرض ، وهو قادر على الانتشار لمسافات تصل إلى آلاف الكيلومترات من المصدر.
التغييرات في الغلاف الجوي
تأثير النيازك والنيازك.على الرغم من أن الاستحمام النيزكي أحيانًا يترك انطباعًا عميقًا بتأثيراته الضوئية ، نادرًا ما تُرى الشهب الفردية. هناك عدد أكبر بكثير من النيازك غير المرئية ، وهي أصغر من أن تُرى في اللحظة التي يبتلعها الغلاف الجوي. ربما لا تسخن بعض أصغر الشهب على الإطلاق ، ولكن يتم التقاطها فقط بواسطة الغلاف الجوي. هذه الجسيمات الصغيرة التي يتراوح حجمها من بضعة مليمترات إلى عشرة آلاف من المليمتر تسمى النيازك الدقيقة. تتراوح كمية المواد النيزكية التي تدخل الغلاف الجوي يوميًا من 100 إلى 10000 طن ، ومعظم هذه المادة عبارة عن نيازك دقيقة. نظرًا لأن المادة النيزكية تحترق جزئيًا في الغلاف الجوي ، فإن تكوينها الغازي يتجدد بآثار عناصر كيميائية مختلفة. على سبيل المثال ، تجلب النيازك الحجرية الليثيوم إلى الغلاف الجوي. يؤدي احتراق النيازك المعدنية إلى تكوين حديد كروي صغير ، وحديد نيكل ، وقطرات أخرى تمر عبر الغلاف الجوي وتتراكم على سطح الأرض. يمكن العثور عليها في جرينلاند وأنتاركتيكا ، حيث تظل الصفائح الجليدية دون تغيير تقريبًا لسنوات. يجدها علماء المحيطات في رواسب قاع المحيط. تترسب معظم جزيئات النيزك التي تدخل الغلاف الجوي في غضون 30 يومًا تقريبًا. يعتقد بعض العلماء أن هذا الغبار الكوني يلعب دورًا مهمًا في تكوين الظواهر الجوية مثل المطر ، حيث يعمل كنواة لتكثيف بخار الماء. لذلك ، يُفترض أن هطول الأمطار يرتبط إحصائيًا بزخات نيزك كبيرة. ومع ذلك ، يعتقد بعض الخبراء أنه نظرًا لأن إجمالي المدخلات من المادة النيزكية أكبر بعشرات المرات حتى مع أكبر زخة نيزكية ، يمكن إهمال التغيير في الكمية الإجمالية لهذه المادة التي تحدث نتيجة أحد هذه الدش. ومع ذلك ، ليس هناك شك في أن أكبر النيازك الدقيقة ، وبالطبع النيازك المرئية ، تترك آثارًا طويلة للتأين في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، وخاصة في طبقة الأيونوسفير. يمكن استخدام هذه الآثار للاتصالات اللاسلكية بعيدة المدى ، لأنها تعكس موجات الراديو عالية التردد. يتم إنفاق طاقة النيازك التي تدخل الغلاف الجوي بشكل أساسي ، وربما بالكامل ، على تسخينها. هذا هو أحد المكونات الثانوية لتوازن حرارة الغلاف الجوي.
ثاني أكسيد الكربون من أصل صناعي.في العصر الكربوني ، كان الغطاء النباتي الخشبي منتشرًا على الأرض. معظم ثاني أكسيد الكربون الذي امتصته النباتات في ذلك الوقت كان يتراكم في رواسب الفحم وفي الرواسب الحاملة للنفط. لقد تعلم الناس استخدام الاحتياطيات الضخمة من هذه المعادن كمصدر للطاقة وهم الآن يعيدون ثاني أكسيد الكربون بسرعة إلى تداول المواد. من المحتمل أن تكون الحفرية كاليفورنيا. 4 * 10 13 طن كربون. على مدى القرن الماضي ، أحرق الجنس البشري الكثير من الوقود الأحفوري لدرجة أن ما يقرب من 4 * 10 11 طنًا من الكربون قد دخل الغلاف الجوي مرة أخرى. يوجد حاليا تقريبا. 2 * 10 12 طنًا من الكربون ، وفي المائة عام القادمة قد يتضاعف هذا الرقم بسبب حرق الوقود الأحفوري. ومع ذلك ، لن يبقى كل الكربون في الغلاف الجوي: فبعضه سوف يذوب في مياه المحيط ، وبعضها سوف تمتصه النباتات ، والبعض الآخر سوف يكون مرتبطًا بعملية تجوية الصخور. ليس من الممكن حتى الآن التنبؤ بكمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أو التأثير الذي سيكون له على مناخ العالم. ومع ذلك ، يُعتقد أن أي زيادة في محتواها ستؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة ، على الرغم من أنه ليس من الضروري على الإطلاق أن يؤثر أي ارتفاع في درجة الحرارة بشكل كبير على المناخ. يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، وفقًا لنتائج القياسات ، بشكل ملحوظ ، وإن كان بوتيرة بطيئة. تشير بيانات المناخ لمحطة سفالبارد وليتل أمريكا على الجرف الجليدي روس في أنتاركتيكا إلى زيادة في متوسط درجات الحرارة السنوية على مدى فترة تقارب 50 عامًا بمقدار 5 درجات و 2.5 درجة مئوية على التوالي.
تأثير الإشعاع الكوني.عندما تتفاعل الأشعة الكونية عالية الطاقة مع المكونات الفردية للغلاف الجوي ، تتشكل النظائر المشعة. من بينها ، يبرز نظير الكربون 14C ، الذي يتراكم في الأنسجة النباتية والحيوانية. من خلال قياس النشاط الإشعاعي للمواد العضوية التي لم تتبادل الكربون مع البيئة لفترة طويلة ، يمكن تحديد عمرها. أثبتت طريقة الكربون المشع أنها الطريقة الأكثر موثوقية لتأريخ الكائنات الأحفورية وكائنات الثقافة المادية ، والتي لا يتجاوز عمرها 50 ألف سنة. يمكن استخدام نظائر مشعة أخرى ذات عمر نصفي طويل لتأريخ المواد التي يبلغ عمرها مئات الآلاف من السنين إذا تم حل المشكلة الأساسية لقياس المستويات المنخفضة للغاية من النشاط الإشعاعي.
(انظر أيضا RADIOCARBON DATING).
أصل الغلاف الجوي للأرض
لم يتم استعادة تاريخ تكوين الغلاف الجوي بعد بشكل موثوق به تمامًا. ومع ذلك ، فقد تم تحديد بعض التغييرات المحتملة في تكوينها. بدأ تكوين الغلاف الجوي فور تكوين الأرض. هناك أسباب وجيهة إلى حد ما للاعتقاد بأنه في عملية تطور Pra-Earth واكتسابها لأبعاد وكتلة قريبة من العصر الحديث ، فقد الغلاف الجوي الأصلي بالكامل تقريبًا. من المعتقد أنه في مرحلة مبكرة كانت الأرض في حالة منصهرة وحوالي كاليفورنيا. قبل 4.5 مليار سنة ، تشكلت في جسم صلب. يعتبر هذا المعلم بداية للتسلسل الزمني الجيولوجي. منذ ذلك الوقت كان هناك تطور بطيء للغلاف الجوي. كانت بعض العمليات الجيولوجية ، مثل ثوران الحمم البركانية أثناء الانفجارات البركانية ، مصحوبة بإطلاق غازات من أحشاء الأرض. ربما تضمنت النيتروجين والأمونيا والميثان وبخار الماء وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية الشمسية ، تحلل بخار الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، لكن الأكسجين المنطلق تفاعل مع أول أكسيد الكربون لتكوين ثاني أكسيد الكربون. تتحلل الأمونيا إلى نيتروجين وهيدروجين. ارتفع الهيدروجين في عملية الانتشار وغادر الغلاف الجوي ، بينما لم يستطع النيتروجين الثقيل الهروب وتراكم تدريجياً ، ليصبح مكونه الرئيسي ، على الرغم من أن بعضه كان مرتبطًا أثناء التفاعلات الكيميائية. تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية والتصريفات الكهربائية ، دخل خليط من الغازات ، ربما يكون موجودًا في الغلاف الجوي الأصلي للأرض ، في تفاعلات كيميائية ، ونتيجة لذلك تشكلت مواد عضوية ، ولا سيما الأحماض الأمينية. وبالتالي ، يمكن أن تنشأ الحياة في جو يختلف اختلافًا جوهريًا عن الجو الحديث. مع ظهور النباتات البدائية ، بدأت عملية التمثيل الضوئي (انظر أيضًا PHOTOSYNTHESIS) ، مصحوبًا بإطلاق الأكسجين الحر. بدأ هذا الغاز ، خاصة بعد انتشاره في الغلاف الجوي العلوي ، في حماية طبقاته السفلية وسطح الأرض من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية التي تهدد الحياة. تشير التقديرات إلى أن وجود ما لا يقل عن 0.00004 من حجم الأكسجين الحالي يمكن أن يؤدي إلى تكوين طبقة بنصف تركيز الأوزون الحالي ، والتي توفر مع ذلك حماية كبيرة جدًا من الأشعة فوق البنفسجية. من المحتمل أيضًا أن الغلاف الجوي الأساسي احتوى على الكثير من ثاني أكسيد الكربون. تم استهلاكه أثناء عملية التمثيل الضوئي ، ويجب أن يكون تركيزه قد انخفض مع تطور عالم النبات وأيضًا بسبب الامتصاص خلال بعض العمليات الجيولوجية. نظرًا لأن تأثير الدفيئة يرتبط بوجود ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، يعتقد بعض العلماء أن التقلبات في تركيزه هي أحد الأسباب المهمة للتغيرات المناخية واسعة النطاق في تاريخ الأرض ، مثل العصور الجليدية. ربما يكون الهليوم الموجود في الغلاف الجوي الحديث ناتجًا في الغالب عن التحلل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم والراديوم. تنبعث من هذه العناصر المشعة جسيمات ألفا ، وهي نوى ذرات الهيليوم. نظرًا لعدم إنشاء شحنة كهربائية أو تدميرها أثناء الاضمحلال الإشعاعي ، فهناك إلكترونان لكل جسيم ألفا. نتيجة لذلك ، يتحد معهم ، ويشكل ذرات الهيليوم المحايدة. يتم احتواء العناصر المشعة في معادن منتشرة في سمك الصخور ، لذلك يتم تخزين جزء كبير من الهيليوم الناتج عن التحلل الإشعاعي فيها ، ويتطاير ببطء شديد في الغلاف الجوي. ترتفع كمية معينة من الهيليوم في الغلاف الخارجي بسبب الانتشار ، ولكن بسبب التدفق المستمر من سطح الأرض ، فإن حجم هذا الغاز في الغلاف الجوي لم يتغير. بناءً على التحليل الطيفي لضوء النجوم ودراسة النيازك ، من الممكن تقدير الوفرة النسبية للعناصر الكيميائية المختلفة في الكون. تركيز النيون في الفضاء أعلى بنحو عشرة مليارات مرة من تركيزه على الأرض ، والكريبتون - عشرة ملايين مرة ، والزينون - مليون مرة. ويترتب على ذلك أن تركيز هذه الغازات الخاملة ، التي كانت موجودة أصلاً في الغلاف الجوي للأرض ولم يتم تجديدها أثناء التفاعلات الكيميائية ، قد تناقص بشكل كبير ، وربما حتى في المرحلة التي فقدت فيها الأرض غلافها الجوي الأساسي. استثناء هو غاز الأرجون الخامل ، لأنه لا يزال يتشكل على شكل نظير 40Ar في عملية التحلل الإشعاعي لنظير البوتاسيوم.
ظاهرة بصرية
تنوع الظواهر البصرية في الغلاف الجوي يرجع لأسباب مختلفة. تشمل الظواهر الأكثر شيوعًا البرق (انظر أعلاه) والشفق القطبي الخلاب للغاية والشفق القطبي (انظر أيضًا الأضواء القطبية). بالإضافة إلى ذلك ، فإن قوس قزح ، gal ، parhelion (الشمس الزائفة) والأقواس ، التاج ، الهالات والأشباح من Brocken ، السراب ، حرائق St. قوس قزح هو أجمل ظاهرة جوية. عادةً ما يكون هذا قوسًا ضخمًا ، يتكون من خطوط متعددة الألوان ، يُلاحظ عندما تضيء الشمس جزءًا فقط من السماء ، ويكون الهواء مشبعًا بقطرات الماء ، على سبيل المثال ، أثناء المطر. يتم ترتيب الأقواس متعددة الألوان في تسلسل طيفي (أحمر ، برتقالي ، أصفر ، أخضر ، سماوي ، نيلي ، بنفسجي) ، لكن الألوان تكاد تكون غير نقية أبدًا بسبب تداخل العصابات. كقاعدة عامة ، تختلف الخصائص الفيزيائية لأقواس قزح اختلافًا كبيرًا ، وبالتالي فهي متنوعة جدًا في المظهر. السمة المشتركة بينهما هي أن مركز القوس يقع دائمًا على خط مستقيم مرسوم من الشمس إلى المراقب. قوس قزح الرئيسي هو قوس يتكون من ألمع الألوان - الأحمر من الخارج والأرجواني من الداخل. أحيانًا يكون هناك قوس واحد فقط مرئيًا ، ولكن غالبًا ما يظهر قوس ثانوي خارج قوس قزح الرئيسي. ليس لها ألوان زاهية كالألوان الأولى ، والخطوط الحمراء والبنفسجية فيها تغير أماكن: الأحمر يقع في الداخل. يتم تفسير تشكيل قوس قزح الرئيسي عن طريق الانكسار المزدوج (انظر أيضًا البصريات) وانعكاس داخلي واحد لأشعة الشمس (انظر الشكل 5). يخترق شعاع الضوء داخل قطرة ماء (أ) وينكسر ويتحلل ، كما يحدث عند المرور عبر منشور. ثم يصل إلى السطح المقابل للقطرة (ب) ، ينعكس منه ويخرج من القطرة إلى الخارج (ج). في هذه الحالة ، شعاع الضوء ، قبل وصوله إلى المراقب ، ينكسر للمرة الثانية. يتحلل الشعاع الأبيض الأولي إلى أشعة بألوان مختلفة بزاوية تباعد تبلغ 2 درجة. عندما يتشكل قوس قزح ثانوي ، يحدث انكسار مزدوج وانعكاس مزدوج لأشعة الشمس (انظر الشكل 6). في هذه الحالة ، ينكسر الضوء ، ويخترق داخل القطرة من خلال الجزء السفلي منه (A) ، وينعكس من السطح الداخلي للقطرة ، أولاً عند النقطة B ، ثم عند النقطة C. عند النقطة D ، ينكسر الضوء ، تاركًا الهبوط نحو المراقب.

عند شروق الشمس وغروبها ، يرى المراقب قوس قزح على شكل قوس يساوي نصف دائرة ، لأن محور قوس قزح موازٍ للأفق. إذا كانت الشمس أعلى من الأفق ، فإن قوس قوس قزح يكون أقل من نصف دائرة. عندما ترتفع الشمس فوق 42 درجة فوق الأفق ، يختفي قوس قزح. في كل مكان ، باستثناء خطوط العرض العالية ، لا يمكن أن يظهر قوس قزح في الظهيرة عندما تكون الشمس عالية جدًا. من المثير للاهتمام تقدير المسافة إلى قوس قزح. على الرغم من أنه يبدو أن القوس متعدد الألوان يقع في نفس المستوى ، إلا أن هذا مجرد وهم. في الواقع ، قوس قزح له عمق كبير ، ويمكن تمثيله كسطح مخروط مجوف ، في الجزء العلوي منه هو المراقب. يربط محور المخروط بين الشمس والمراقب ومركز قوس قزح. ينظر المراقب ، كما كان ، على طول سطح هذا المخروط. لا يمكن لشخصين رؤية نفس قوس قزح بالضبط. بالطبع ، يمكن للمرء أن يلاحظ نفس التأثير بشكل عام ، لكن قوس قزح في وضعين مختلفين ويتكونان من قطرات ماء مختلفة. عندما يشكل المطر أو الضباب قوس قزح ، يتم تحقيق التأثير البصري الكامل من خلال التأثير المشترك لجميع قطرات الماء التي تعبر سطح مخروط قوس قزح مع المراقب عند القمة. دور كل قطرة عابر. يتكون سطح مخروط قوس قزح من عدة طبقات. عبورهم بسرعة والمرور عبر سلسلة من النقاط الحرجة ، كل قطرة تعمل على الفور على تحلل شعاع الشمس في الطيف بأكمله في تسلسل محدد بدقة - من الأحمر إلى الأرجواني. تعبر العديد من القطرات سطح المخروط بنفس الطريقة ، بحيث يظهر قوس قزح للمراقب على أنه مستمر على طول قوسه وعبره. هالو - أقواس ودوائر بيضاء أو قزحية حول قرص الشمس أو القمر. وهي ناتجة عن انكسار الضوء أو انعكاسه بفعل الجليد أو بلورات الثلج في الغلاف الجوي. تقع البلورات التي تشكل الهالة على سطح مخروط وهمي مع المحور الموجه من الراصد (من أعلى المخروط) إلى الشمس. في ظل ظروف معينة ، يكون الغلاف الجوي مشبعًا ببلورات صغيرة ، تشكل العديد من وجوهها زاوية قائمة مع مرور الطائرة عبر الشمس والمراقب وهذه البلورات. تعكس هذه الأوجه أشعة الضوء الواردة بانحراف قدره 22 درجة ، وتشكل هالة حمراء من الداخل ، ولكنها يمكن أن تتكون أيضًا من جميع ألوان الطيف. أقل شيوعًا هو وجود هالة نصف قطرها الزاوي 46 درجة ، وتقع بشكل متركز حول هالة 22 درجة. كما أن جانبه الداخلي له لون ضارب إلى الحمرة. والسبب في ذلك هو أيضًا انكسار الضوء ، والذي يحدث في هذه الحالة على الوجوه البلورية التي تشكل الزوايا القائمة. عرض الحلقة لهذه الهالة يتجاوز 2.5 درجة. تميل الهالتان بزاوية 46 درجة و 22 درجة إلى أن تكون أكثر سطوعًا في الجزء العلوي والسفلي من الحلقة. الهالة النادرة بزاوية 90 درجة عبارة عن حلقة مضيئة بشكل خافت وعديمة اللون تقريبًا ولها مركز مشترك مع الهالتين الأخريين. إذا كانت ملونة ، فلها لون أحمر على السطح الخارجي للحلقة. لم يتم توضيح آلية ظهور هذا النوع من الهالة بشكل كامل (الشكل 7).

Parhelia والأقواس. دائرة Parhelic (أو دائرة الشموس الزائفة) - حلقة بيضاء تتمركز عند نقطة الذروة ، تمر عبر الشمس موازية للأفق. سبب تكوينه هو انعكاس ضوء الشمس من حواف أسطح بلورات الجليد. إذا كانت البلورات موزعة بالتساوي في الهواء ، تصبح دائرة كاملة مرئية. Parhelia ، أو الشموس الكاذبة ، هي بقع مضيئة زاهية تشبه الشمس ، والتي تتشكل عند نقاط تقاطع الدائرة المجاورة مع الهالة ، ذات نصف قطر زاوية يبلغ 22 درجة و 46 درجة و 90 درجة. تتشكل الحواف الأكثر تشكيلًا والأكثر سطوعًا عند التقاطع مع هالة بزاوية 22 درجة ، وعادة ما تكون ملونة في جميع ألوان قوس قزح تقريبًا. يتم ملاحظة شموس كاذبة عند التقاطعات مع هالات 46 و 90 درجة بشكل أقل تكرارًا. تسمى Parhelia التي تحدث عند التقاطعات مع 90 درجة هالات paranthelia ، أو عدادات كاذبة. في بعض الأحيان يكون الظباء (مضاد للشمس) مرئيًا أيضًا - بقعة مضيئة تقع على حلقة parhelion المقابلة تمامًا للشمس. من المفترض أن سبب هذه الظاهرة هو الانعكاس الداخلي المزدوج لأشعة الشمس. تتبع الحزمة المنعكسة نفس مسار الحزمة الساقطة ، ولكن في الاتجاه المعاكس. القوس المحيطي ، الذي يشار إليه أحيانًا بشكل غير صحيح على أنه قوس الظل العلوي للهالة ذات 46 درجة ، هو قوس 90 درجة أو أقل يتمركز حول نقطة الذروة وحوالي 46 درجة فوق الشمس. نادرًا ما يكون مرئيًا وبضع دقائق فقط ، وله ألوان زاهية ، ويقتصر اللون الأحمر على الجانب الخارجي للقوس. يتميز القوس المحيط بتلوينه وسطوعه وخطوطه العريضة الواضحة. تأثير ضوئي غريب ونادر جدًا لنوع الهالة هو قوس لوفيتز. تنشأ كاستمرار لبارهيليا عند التقاطع مع هالة 22 درجة ، تمر من الجانب الخارجي للهالة وتكون مقعرة قليلاً نحو الشمس. تُرى أحيانًا أعمدة الضوء الأبيض ، بالإضافة إلى الصلبان المختلفة ، عند الفجر أو الغسق ، خاصة في المناطق القطبية ، ويمكن أن تصاحب كل من الشمس والقمر. في بعض الأحيان ، يتم ملاحظة الهالات القمرية والتأثيرات الأخرى المشابهة لتلك الموصوفة أعلاه ، مع وجود نصف قطر زاوي لأكثر الهالات القمرية (حلقة حول القمر). مثل الشموس الزائفة ، يمكن أن تنشأ أقمار زائفة. التيجان ، أو التيجان ، عبارة عن حلقات ملونة صغيرة متحدة المركز حول الشمس أو القمر أو أي أجسام ساطعة أخرى يتم ملاحظتها من وقت لآخر عندما يكون مصدر الضوء خلف السحب الشفافة. نصف قطر الهالة أصغر من نصف قطر الهالة وهو تقريبًا. 1-5 ° ، الحلقة الزرقاء أو البنفسجية هي الأقرب إلى الشمس. يتكون الهالة عندما يتشتت الضوء بواسطة قطرات الماء الصغيرة التي تشكل سحابة. في بعض الأحيان يبدو التاج وكأنه بقعة مضيئة (أو هالة) تحيط بالشمس (أو القمر) ، والتي تنتهي بحلقة حمراء. في حالات أخرى ، تظهر على الأقل حلقتان متحدتان المركزان بقطر أكبر ، بلون ضعيف للغاية ، خارج الهالة. هذه الظاهرة مصحوبة بسحب قزحي الألوان. أحيانًا يتم رسم حواف السحب العالية جدًا بألوان زاهية.
جلوريا (هالات).في ظل ظروف خاصة ، تحدث ظواهر جوية غير عادية. إذا كانت الشمس خلف الراصد ، وكان ظلها مُسقطًا على السحب القريبة أو ستارة من الضباب ، في ظل حالة معينة من الغلاف الجوي حول ظل رأس الشخص ، يمكنك رؤية دائرة مضيئة ملونة - هالة. عادة ما تتشكل مثل هذه الهالة بسبب انعكاس الضوء بواسطة قطرات الندى على العشب العشبي. من الشائع أيضًا العثور على Glorias حول الظل الذي تلقيه الطائرة على السحب الأساسية.
أشباح بروكين.في بعض مناطق الكرة الأرضية ، عندما يسقط ظل مراقب على تل عند شروق الشمس أو غروبها خلفه على سحب تقع على مسافة قصيرة ، يظهر تأثير مذهل: يكتسب الظل أبعادًا هائلة. ويرجع ذلك إلى انعكاس الضوء وانكساره بواسطة أصغر قطرات الماء في الضباب. وتسمى الظاهرة الموصوفة "شبح بروكين" نسبة لقمة جبال هارتس في ألمانيا.
ميراج- تأثير بصري ناتج عن انكسار الضوء عند مروره عبر طبقات من الهواء بكثافات مختلفة ويتم التعبير عنه في ظهور صورة افتراضية. في هذه الحالة ، قد يتم رفع أو خفض الأجسام البعيدة بالنسبة إلى موضعها الفعلي ، وقد يتم أيضًا تشويهها والحصول على أشكال غير منتظمة ورائعة. غالبًا ما تُلاحظ السراب في المناخات الحارة ، مثل السهول الرملية. السراب السفلي شائع ، عندما يأخذ سطح الصحراء البعيد شبه المسطح مظهر المياه المفتوحة ، خاصة عند النظر إليه من ارتفاع طفيف أو ببساطة فوق طبقة من الهواء الساخن. عادة ما يحدث وهم مشابه على طريق ممهد دافئ يبدو وكأنه سطح مائي في الأمام. في الواقع ، هذا السطح هو انعكاس للسماء. تحت مستوى العين ، قد تظهر الأشياء ، المقلوبة عادة ، في هذا "الماء". تتشكل "كعكة النفث الهوائي" فوق سطح الأرض الساخن ، وتكون الطبقة الأقرب إلى الأرض هي الأكثر سخونة وتخلخلًا لدرجة أن موجات الضوء التي تمر عبرها تتشوه ، نظرًا لأن سرعة انتشارها تختلف باختلاف كثافة الوسط. السراب المتفوق أقل شيوعًا وأكثر جمالًا من السراب الأدنى. تظهر الأجسام البعيدة (غالبًا أسفل أفق البحر) رأسًا على عقب في السماء ، وفي بعض الأحيان تظهر أيضًا صورة مباشرة لنفس الكائن أعلاه. هذه الظاهرة نموذجية للمناطق الباردة ، خاصةً عندما يكون هناك انعكاس كبير في درجة الحرارة ، عندما تكون طبقة الهواء الأكثر دفئًا فوق الطبقة الباردة. يتجلى هذا التأثير البصري نتيجة للأنماط المعقدة لانتشار مقدمة موجات الضوء في طبقات الهواء ذات الكثافة غير المنتظمة. تحدث السراب غير المعتاد من وقت لآخر ، خاصة في المناطق القطبية. عندما تحدث السراب على الأرض ، تنقلب الأشجار ومكونات المناظر الطبيعية الأخرى رأسًا على عقب. في جميع الحالات ، تكون الأشياء الموجودة في السراب العلوي أكثر وضوحًا من تلك الموجودة في السراب السفلي. عندما تكون حدود كتلتين هوائيتين مستويًا عموديًا ، يتم أحيانًا ملاحظة السراب الجانبي.
حريق سانت إلمو.بعض الظواهر الضوئية في الغلاف الجوي (على سبيل المثال ، التوهج وظاهرة الأرصاد الجوية الأكثر شيوعًا - البرق) ذات طبيعة كهربائية. أقل شيوعًا هي حرائق St. Elmo - فرش زرقاء شاحبة أو أرجوانية مضيئة بطول 30 سم إلى متر واحد أو أكثر ، وعادة ما تكون على قمم الصواري أو نهايات ساحات السفن في البحر. يبدو أحيانًا أن تزوير السفينة بالكامل مغطى بالفوسفور واللمعان. تظهر حرائق إلمو أحيانًا على قمم الجبال ، وكذلك على الأبراج والأركان الحادة للمباني الشاهقة. هذه الظاهرة هي التفريغ الكهربائي للفرشاة في نهايات الموصلات الكهربائية ، عندما تزداد شدة المجال الكهربائي بشكل كبير في الغلاف الجوي المحيط بها. Will-o'-the-wwps هو توهج خافت مزرق أو مخضر يظهر أحيانًا في المستنقعات والمقابر والأقبية. غالبًا ما تظهر على شكل شعلة شمعة مشتعلة بهدوء ، غير دافئة ، ترتفع حوالي 30 سم فوق الأرض ، وتحوم فوق الكائن للحظة. يبدو أن الضوء بعيد المنال تمامًا ، ومع اقتراب المراقب ، يبدو أنه ينتقل إلى مكان آخر. والسبب في هذه الظاهرة هو تحلل المخلفات العضوية والاحتراق التلقائي لغاز المستنقعات الميثان (CH4) أو الفوسفين (PH3). الأضواء المتجولة لها شكل مختلف ، وأحيانًا كروية. شعاع أخضر - وميض من ضوء الشمس الأخضر الزمردي في الوقت الذي يختفي فيه آخر شعاع للشمس تحت الأفق. يختفي المكون الأحمر لضوء الشمس أولاً ، ويتبعه الآخرون بالترتيب ، ويظل اللون الأخضر الزمردي أخيرًا. تحدث هذه الظاهرة فقط عندما تظل حافة القرص الشمسي فوق الأفق ، وإلا يكون هناك مزيج من الألوان. الأشعة الشفقية هي أشعة متباينة من ضوء الشمس تصبح مرئية عندما تضيء الغبار في الغلاف الجوي العالي. تشكل ظلال السحب شرائط داكنة ، وتنتشر الأشعة بينها. يحدث هذا التأثير عندما تكون الشمس منخفضة في الأفق قبل الفجر أو بعد غروب الشمس.