اتمسفر زمين

 

 

بسياري از مردم پوشش اطراف زمين را تا آنجا که جو ناميده مي شود به مثابه پوششي تحت نام اقيانوس هوا مي شناسند که زمين را در بر گرفته است و اين پوشش لايه هايي از گازها و بخار آب است . با اينکه از نگاه اوليه اين تصور شکل مي گيرد اما بايد بدانيم که در اين نگرش ساده مواردي وجود دارد که در بحثهاي عمومي کمتر بدان پرداخته مي شود. بحثهايي که تحت آن علم هواشناسي شکل مي گيرد و به راستي يکي از زيبا ترين و پيچيده ترين مکانيسم هاي طبيعي را مورد بررسي قرار ميدهد. آنچه که برروي اين کره خاکي حيات را مقدور ساخته است ارتباط بسيار منظم و تنگاتنگي ما بين اعضاي تشکيل دهنده اين پوشش با طبقات مختلف است. طبقاتي که هر لايه آن وظيفه بسيار مهم و تعيين کننده اي در تشکيل و ادامه حيات داراست. به نحوي که با حذف مجازي هر لايه و محاسبات مربوط به آن دگرگوني ژرفي در ساير طبقات و به تبع آن، تغيير کامل مکانيسم فعلي را سبب مي شود. در ديد اغلب افراد اهميت جو در لايه مجاور زمين است که داراي اکسيژن کافي براى تنفس مي باشد. براي شکل گيري اين لايه که موجودات در تماس مستقيم با آن مي باشند طبقات ديگر طبق چينش خاص خود با خصوصيات منحصر به فرد دخالت دارند که در اين مشارکت با حذف هر کدام قطعا حيات به خطر جدي خواهد افتاد. گر چه جو به معناي واقعي يک سوسيال کامل است و هيچ جاي خالي در جو نمي توان يافت و کاملاً  فضا را به يک نسبت و يک شکل پوشش مي دهد اما در هر لايه ترکيبات خاص از عناصر و ملوکولها با توجه به خصوصيات آن لايه قرار دارد. از ديدگاه مخابرات ماکروويو وابستگي ارسال تحت کانال هوا به پارامترهاي فيزيکي جاي پايي براي مطالعه و باز بيني دقيقي بر اين رويه ميطلبد. اهميت لايه هاي جو در مخابرات بدين سبب است که محيط انتقال امواج الکترومغناطيس بوده و گاهي به عنوان Reflector مورد استفاده قرار ميگيرد ماهواره اي که در مدار زمين قرار ميگيرد و تنها راه ارتباطي آن با زمين امواج راديويي ميباشد، امواجي را دريافت ميدارد که از اين لايه ها در شرايط مختلف جوي و در زمانهاي مختلف فصل  و شبانه روزي عبور نموده است. دو مشخصه عمده امواج صرفنظر از نوع قطبي شدگي و اختلاف فاز ، دامنه موج و فرکانس موج مي باشد. که هرچه فرکانس موج بالاتر رود نفوذ و انتشار آن در فاصله هاي بعيد بهتر صورت مي گيرد. اما اين دو کميت به چه نسبت و تا چه حدود افزايش يابند که اولاً اختلاف زيادي با سطح Optimize خود نداشته از طرف ديگر ارتباط به شکلي دائمي وجود داشته باشد. چرا که طبق آنچه که در ادامه توضيح داده خواهد شد جو ترکيبي پيچيده از عوامل محدود کننده مي باشد که بر اساس ماهيت فيزيکي منحصر به فرد خود در ارتباط با امواج راديويي در طول شبانه روز رفتار متغييري از خود نشان ميدهد. مختصري در خصوص اتمسفر زمين فضاي بين اتمسفر زمين و سيارات منظومه شمسي خلا کامل نيست اگر چه چگالي مواد بين سيارات کم است اين فضا مقاديري گازهاي داغ و ذرات گرد و غبار در بر دارد. مواد گازي موجود در اين نواحى را گاز بين سيارات مينامند زيرا اين گازها بين سيارات قرار دارند و اغلب از پروتونها و الکترونها تشکيل شده اند و چگالى مولوکولي آن بسيار کم استمرار حرکت زمين به دور خورشيد از فضاي بين سيارات ميگذرد و به همين دليل با گازهاي بسيار رقيق بين سيارات ادغام مي شود. جو از نظر عمودي ممکن است بنا به ترکيبات ،عکس العملهاي شيميايي ، يونيزه شدن ، دما ، فشار و غيره برحسب ارتفاع طبقه بندي شود که در اين بخش مختصري از خصوصيات اين طبقات شرح داده   مي شود. از موارد بر شمرده شده يونيزه شدن از اهميت فوق العاده اي برخوردار است. به طور خلاصه مي توان گفت که جو از چهار لايه کاملاً مشخص تروپوسفر ، استراتوسفر ،مزوسفر و ترموسفر تشکيل شده است دماهاي زياد نزديک سطح زمين ،در مجاورت استراتوپاز و ناحيه ترموسفر ديده  مي شود. اين زياد بودن دما به تابش خورشيد و جذب آن مربوط است. بيشتر تابش خورشيدي توسط سطح زمين جذب مي شود . بنا بر اين تروپوسفر از ناحيه زيرين شروع به گرم شدن مي کند. تغييرات دما از سطح زمين با افزايش ارتفاع ، کاهش مي يابد و اين بدين سبب است که از منبع گرمايي که سطح زمين مي باشد دور مي شويم .بر عکس تروپوسفر ناحيه گرمايي استراتوسفر در بالاي آن قرار دارد و اينجا همان نقطه اي است که در آن شکل گيري اوزن و تجزيه ملوکولهاي اکسيژن صورت ميگيرد و در اثر اين واکنش گرما ايجاد ميشود .با نزديک شدن به اين بخش چون به منبع گرمايي نزديک ميشويم تغييرات دما با افزايش ارتفاع افزايش مي يابد. در بخش بالاتر، مزوسفر قرار دارد که در اينجا چگالي مولکولي کم ميشود وبا افزايش ارتفاع به دليل دور شدن از استراتوسفر که منبع گرمايي ميباشد، دما به شدت نزول مي کند تا بخش بالاتر که ترموسفر ناميده ميشود از اينجا به بعد دما باز هم افزايش مي يابد و توجيه آن خروج از حيطه زمين و کاسته شدن اثرات حرارتي آن و نزديک شدن به منبع اصلي گرما در منظومه شمسي مي باشد. از اينجا به بعد تغييرات دما سير صعودي دارد. در اتمسفر زمين تقريبا از ارتفاع 50 تا 500 کيلومتر يعني بخشهايي از مزوسفر و ترموسفر لايه هايي از گازهاي يونيزه به نام يونسفر وجود دارد. يونسفر از الکترونهاي آزاد و يونهاي مثبتي تشکيل مي شود که با جذب تشعشع ماوراء‎‎ بنفش خورشيد توسط اتمها و مولکولهاي اتمسفر بالايي ايجاد مي گردند. ذرات باردار در اين ناحيه توسط ميدان مغناطيسي زمين به دام مي افتند. خصوصيات اين لايه ها از نظر ارتفاع و چگالي يوني از طرفي به ترکيبات  مزوسفر و ترموسفر و از سوى ديگر به طبيعت تشعشعات خورشيدي و چگونگي چرخه لکه خورشيدي(Sunspot cycle) بستگي دارد. طوفانهاي خورشيدي که در اثر انفجارات سطحي خورشيد به وجود مي آيند و از ميزان بسيار زياد انرژي آزاد شده آن تنها بخش بسيار کوچکي به زمين ميرسد نيز در اين مشخصه ها نقش اساسي دارند .از آنجائيکه اين انفجارات و تشعشعات پريوديک نبوده و ميزان و معياري براي تناوبي شدن آنها در فواصل کوتاه شبانه روز، فصلها و حتي سالها وجود ندارد پيش بيني مشخصه هاي چگالي يوني و ارتفاع توسعه يافته لايه يونسفر تقريبا غير ممکن مي باشد. لايه يونسفر با توجه به دارا بودن حالت يوني و پلاسما گونه اش به لايه پلاسما نيز شهرت دارد. از خصوصيات بارز اين لايه ايجاد شفق قطبي که پديده اي نادر است را مي توان نام برد .اين پديده در اثر به دام افتادن ذرات باردار و يونها در ميدان مغناطيسي قوي موجود در قطبها مي باشد. در اين لايه چگالي الکترون و يون در لايه هاي يونيزه جداگانه اساسا يکسان است .وجه تسميه پلاسماي اين لايه بر اساس همين توازن چگالي الکترون و يون مي باشد. يونسفر نقش اصلي در انتشار امواج الکترومغناطيسي دارد و اثرات مهمي بر ارتباطات راه دور را داراست. از آنجائيکه جرم الکترونها نسبت به يونهاي مثبت بسيار سبکتر است توسط ميدانهاي الکتريکي امواج الکترومغناطيس گذرنده بيشتر شتاب مي يابند .در تحليل ارائه شده بر اساس اين واقعيت از شتاب يونها صرفنظر شده و لابه يونسفر به عنوان يک گاز الکترون آزاد Free electron gas در نظر گرفته شده است.