8.3: الغلاف الجوي للأرض

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197142

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

فرّق بين طبقات الغلاف الجوي المختلفة للأرض
وصف التركيب الكيميائي والأصول المحتملة لغلافنا الجوي
اشرح الفرق بين الطقس والمناخ

نحن نعيش في قاع المحيط الجوي الذي يغلف كوكبنا. إن الغلاف الجوي، الذي يثقل كاهل سطح الأرض تحت قوة الجاذبية، يمارس ضغطًا على مستوى سطح البحر يعرفه العلماء بأنه 1 بار (مصطلح يأتي من نفس جذر البارومتر، وهو أداة تستخدم لقياس الضغط الجوي). شريط الضغط يعني أن كل سنتيمتر مربع من سطح الأرض له وزن يعادل 1.03 كيلوغرام يضغط عليه. لقد تطور البشر ليعيشوا تحت هذا الضغط؛ اجعل الضغط أقل أو أعلى كثيرًا ونحن لا نعمل بشكل جيد.

تبلغ الكتلة الإجمالية للغلاف الجوي للأرض حوالي 5 × 10 ¹⁸ كيلوجرامًا. يبدو هذا وكأنه رقم كبير، لكنه لا يمثل سوى حوالي مليون من إجمالي كتلة الأرض. يمثل الغلاف الجوي جزءًا أصغر من الأرض من جزء الكتلة الذي يمثله الشعر على رأسك.

هيكل الغلاف الجوي

هيكل الغلاف الجوي موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\). يتركز معظم الغلاف الجوي بالقرب من سطح الأرض، على بعد حوالي 10 كيلومترات من القاع حيث تتشكل السحب وتطير الطائرات. داخل هذه المنطقة - التي تسمى التروبوسفير - يرتفع الهواء الدافئ، الذي يتم تسخينه بواسطة السطح، ويتم استبداله بتيارات هبوطية من الهواء البارد؛ وهذا مثال للحمل الحراري. هذه الدورة الدموية تولد السحب والرياح. وفي طبقة التروبوسفير، تنخفض درجة الحرارة بسرعة مع زيادة الارتفاع إلى قيم قريبة من 50 درجة مئوية تحت درجة التجمد عند حدودها العليا، حيث تبدأ طبقة الستراتوسفير. معظم طبقة الستراتوسفير، التي تمتد إلى حوالي 50 كيلومترًا فوق السطح، باردة وخالية من السحب.

بديل — \(\PageIndex{1}\)هيكل الشكل للغلاف الجوي للأرض. يزداد الارتفاع في الجانب الأيسر من المخطط، وتظهر أسماء طبقات الغلاف الجوي المختلفة على اليمين. في الغلاف الأيوني العلوي، يمكن للأشعة فوق البنفسجية الصادرة من الشمس تجريد الإلكترونات من ذراتها، مما يجعل الغلاف الجوي متأينًا. يُظهر الخط الأحمر المنحني درجة الحرارة (انظر المقياس على المحور السيني).

بالقرب من الجزء العلوي من الستراتوسفير توجد طبقة من الأوزون (O ₃)، وهو شكل ثقيل من الأكسجين يحتوي على ثلاث ذرات لكل جزيء بدلاً من الذرتين المعتادتين. نظرًا لأن الأوزون ممتص جيد للأشعة فوق البنفسجية، فإنه يحمي السطح من بعض الأشعة فوق البنفسجية الخطيرة للشمس، مما يجعل من الممكن وجود الحياة على الأرض. يؤدي تفكك الأوزون إلى إضافة الحرارة إلى طبقة الستراتوسفير، مما يعكس اتجاه انخفاض درجة الحرارة في طبقة التروبوسفير. نظرًا لأن الأوزون ضروري لبقائنا، فقد تفاعلنا بقلق مبرر مع الأدلة التي أصبحت واضحة في الثمانينيات على أن أوزون الغلاف الجوي تم تدميره بسبب الأنشطة البشرية. بموجب اتفاقية دولية، تم التخلص التدريجي من إنتاج المواد الكيميائية الصناعية التي تسبب استنفاد الأوزون، والتي تسمى مركبات الكربون الكلورية فلورية، أو مركبات الكربون الكلورية فلورية. ونتيجة لذلك، توقف فقدان الأوزون وانكمش «ثقب الأوزون» فوق القطب الجنوبي تدريجياً. هذا مثال على كيف يمكن للعمل الدولي المنسق أن يساعد في الحفاظ على صلاحية الأرض للسكن.

قم بزيارة استوديو التصور العلمي التابع لناسا لمشاهدة مقطع فيديو قصير لما كان سيحدث لطبقة الأوزون على الأرض بحلول عام 2065 إذا لم يتم تنظيم مركبات الكربون الكلورية فلورية.

على ارتفاعات تزيد عن 100 كيلومتر، يكون الغلاف الجوي رقيقًا جدًا بحيث يمكن للأقمار الصناعية المدارية أن تمر عبره بقليل من الاحتكاك. تتأين العديد من الذرات بفقدان الإلكترون، وغالبًا ما تسمى هذه المنطقة بالأيونوسفير. في هذه الارتفاعات، يمكن للذرات الفردية أحيانًا الهروب تمامًا من مجال الجاذبية للأرض. هناك تسرب مستمر وبطيء للغلاف الجوي - خاصة الذرات خفيفة الوزن، التي تتحرك بشكل أسرع من الذرات الثقيلة. لا يمكن للغلاف الجوي للأرض، على سبيل المثال، التمسك لفترة طويلة بالهيدروجين أو الهيليوم، اللذين يتسربان إلى الفضاء. الأرض ليست الكوكب الوحيد الذي يعاني من تسرب الغلاف الجوي. كما أدى التسرب الجوي إلى خلق الغلاف الجوي الرقيق للمريخ. تطور الغلاف الجوي الجاف لكوكب الزهرة بسبب قربه من الشمس تبخر وفصل أي ماء، مع فقدان الغازات المكونة له في الفضاء.

تكوين الغلاف الجوي والأصل

على سطح الأرض، يتكون الغلاف الجوي من 78٪ من النيتروجين (N ₂)، و 21٪ من الأكسجين (O ₂)، و 1٪ من الأرجون (Ar)، مع آثار بخار الماء (H ₂ O) وثاني أكسيد الكربون (CO ₂) والغازات الأخرى. كما توجد كميات متغيرة من جزيئات الغبار وقطرات الماء معلقة في الهواء.

ومع ذلك، يجب أن ينظر التعداد الكامل للمواد المتطايرة في الأرض إلى أكثر من الغاز الموجود الآن. المواد المتطايرة هي تلك التي تتبخر عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا. إذا كانت الأرض أكثر دفئًا قليلاً، فقد تصبح بعض المواد السائلة أو الصلبة الآن جزءًا من الغلاف الجوي. لنفترض، على سبيل المثال، أن كوكبنا قد تم تسخينه إلى أعلى من درجة غليان الماء (100 درجة مئوية، أو 373 كلفن)؛ هذا تغيير كبير بالنسبة للبشر، ولكنه تغيير بسيط مقارنة بنطاق درجات الحرارة المحتملة في الكون. عند 100 درجة مئوية، ستغلي المحيطات وسيصبح بخار الماء الناتج جزءًا من الغلاف الجوي.

لتقدير كمية بخار الماء التي سيتم إطلاقها، لاحظ أن هناك ما يكفي من الماء لتغطية الأرض بأكملها حتى عمق حوالي 300 متر. نظرًا لأن الضغط الذي تمارسه 10 أمتار من الماء يساوي حوالي 1 بار، فإن متوسط الضغط في قاع المحيط يبلغ حوالي 300 بار. يزن الماء نفسه سواء في شكل سائل أو بخار، لذلك إذا غليت المحيطات، فسيظل الضغط الجوي للمياه 300 بار. لذلك ستهيمن المياه بشكل كبير على الغلاف الجوي للأرض، مع تقليل النيتروجين والأكسجين إلى حالة المكونات النادرة.

على الأرض الأكثر دفئًا، يمكن العثور على مصدر آخر للغلاف الجوي الإضافي في صخور الكربونات الرسوبية للقشرة. تحتوي هذه المعادن على ثاني أكسيد الكربون الوفير. _{إذا تم تسخين كل هذه الصخور، فإنها ستطلق حوالي 70 بارًا من ثاني أكسيد الكربون، أي أكثر بكثير من ضغط ثاني أكسيد الكربون الحالي البالغ 0.0005 بار فقط.} وبالتالي، سيهيمن بخار الماء وثاني أكسيد الكربون على الغلاف الجوي للأرض الدافئة، مع ضغط سطحي يقترب من 400 بار.

تظهر عدة خطوط من الأدلة أن تكوين الغلاف الجوي للأرض قد تغير على مدار تاريخ كوكبنا. يمكن للعلماء استنتاج كمية الأكسجين الجوي، على سبيل المثال، من خلال دراسة كيمياء المعادن التي تشكلت في أوقات مختلفة. ندرس هذه المشكلة بمزيد من التفصيل لاحقًا في هذا الفصل.

_{نرى اليوم أن ثاني أكسيد الكربون و H ₂ O وثاني أكسيد الكبريت (SO ₂) والغازات الأخرى تنطلق من أعماق الأرض من خلال عمل البراكين.} (بالنسبة لثاني _أكسيد الكربون، فإن المصدر الرئيسي اليوم هو حرق الوقود الأحفوري، الذي يطلق كميات أكبر من ثاني _أكسيد الكربون مقارنة بالانفجارات البركانية.) ومع ذلك، فإن الكثير من هذا الغاز الجديد على ما يبدو عبارة عن مواد معاد تدويرها تم تفريغها من خلال الصفائح التكتونية. ولكن من أين جاء الغلاف الجوي الأصلي لكوكبنا؟

توجد ثلاثة احتمالات للمصدر الأصلي للغلاف الجوي للأرض والمحيطات: (1) كان من الممكن أن يتشكل الغلاف الجوي مع بقية الأرض أثناء تراكمه من الحطام المتبقي من تكوين الشمس؛ (2) كان من الممكن إطلاقه من الداخل من خلال النشاط البركاني، بعد تكوين الأرض؛ أو (3) قد يكون ناتجًا عن تأثيرات المذنبات والكويكبات من الأجزاء الخارجية للنظام الشمسي. تفضل الأدلة الحالية مزيجًا من المصادر الداخلية ومصادر التأثير.

الطقس والمناخ

جميع الكواكب ذات الغلاف الجوي لها طقس، وهو الاسم الذي نطلقه على دوران الغلاف الجوي. الطاقة التي تعمل على تشغيل الطقس مستمدة بشكل أساسي من ضوء الشمس الذي يسخن السطح. يتسبب كل من دوران الكوكب والتغيرات الموسمية البطيئة في حدوث اختلافات في كمية ضوء الشمس التي تضرب أجزاء مختلفة من الأرض. يعيد الغلاف الجوي والمحيطات توزيع الحرارة من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة. يمثل الطقس على أي كوكب استجابة غلافه الجوي لمدخلات الطاقة المتغيرة من الشمس (انظر الشكل\(\PageIndex{2}\) للحصول على مثال درامي).

المناخ هو مصطلح يستخدم للإشارة إلى تأثيرات الغلاف الجوي التي تستمر عبر عقود وقرون. غالبًا ما يكون من الصعب اكتشاف التغيرات في المناخ (على عكس الاختلافات العشوائية في الطقس من عام إلى آخر) خلال فترات زمنية قصيرة، ولكن مع تراكمها، يمكن أن يكون تأثيرها مدمرًا. إحدى المقولات هي أن «المناخ هو ما تتوقعه، والطقس هو ما تحصل عليه». الزراعة الحديثة حساسة بشكل خاص لدرجات الحرارة والأمطار؛ على سبيل المثال، تشير الحسابات إلى أن انخفاض 2 درجة مئوية فقط طوال موسم النمو من شأنه أن يقلل إنتاج القمح بمقدار النصف في كندا والولايات المتحدة. على الطرف الآخر، ستكون الزيادة بمقدار 2 درجة مئوية في متوسط درجة حرارة الأرض كافية لإذابة العديد من الأنهار الجليدية، بما في ذلك الكثير من الغطاء الجليدي لغرينلاند، ورفع مستوى سطح البحر بما يصل إلى 10 أمتار، وإغراق العديد من المدن الساحلية والموانئ، ووضع الجزر الصغيرة تحت الماء بالكامل.

أفضل التغييرات الموثقة في مناخ الأرض هي العصور الجليدية العظيمة، التي خفضت درجة حرارة نصف الكرة الشمالي بشكل دوري على مدى نصف مليون سنة الماضية أو نحو ذلك (الشكل\(\PageIndex{3}\)). استمر العصر الجليدي الأخير، الذي انتهى منذ حوالي 14000 عام، حوالي 20،000 عام. في أوجها، كان سمك الجليد يبلغ حوالي كيلومترين فوق بوسطن وامتد جنوبًا حتى مدينة نيويورك.

كانت هذه العصور الجليدية في المقام الأول نتيجة للتغيرات في ميل محور دوران الأرض، الناتجة عن تأثيرات الجاذبية للكواكب الأخرى. نحن غير متأكدين من الأدلة على أنه مرة واحدة على الأقل (وربما مرتين) قبل حوالي مليار سنة، تجمد المحيط بأكمله، وهو وضع يسمى كرة الثلج الأرضية.

كما أدى تطور وتطور الحياة على الأرض إلى تغييرات في تكوين ودرجة حرارة الغلاف الجوي لكوكبنا، كما سنرى في القسم التالي.

المفاهيم الأساسية والملخص

يبلغ الضغط السطحي للغلاف الجوي 1 بار ويتكون أساسًا من\(N_2\) و\(O_2\)، بالإضافة إلى الغازات النادرة المهمة مثل، و\(H_2O\)\(CO_2\)، و\(O_3\). يتكون هيكلها من التروبوسفير والستراتوسفير والميسوسفير والأيونوسفير. يؤثر تغيير تكوين الغلاف الجوي أيضًا على درجة الحرارة. يحدث دوران الغلاف الجوي (الطقس) بسبب تغير موسمي لترسب ضوء الشمس. ترتبط العديد من التغيرات المناخية طويلة المدى، مثل العصور الجليدية، بالتغيرات في مدار الكوكب والميل المحوري.

مسرد المصطلحات

رابطة محامين: قوة قدرها 100000 نيوتن تعمل على مساحة 1 متر مربع؛ متوسط ضغط الغلاف الجوي للأرض عند مستوى سطح البحر هو 1.013 بار

الأوزون: (\(\ce{O3}\)) جزيء ثقيل من الأكسجين يحتوي على ثلاث ذرات بدلاً من الذرتين الأكثر طبيعية

ستراتوسفير: طبقة الغلاف الجوي للأرض فوق التروبوسفير وتحت الأيونوسفير

التروبوسفير: أدنى مستوى من الغلاف الجوي للأرض، حيث تحدث معظم الأحوال الجوية